【正文】 第2章 射線照相檢驗(yàn)設(shè)備與器材 X射線機(jī) X射線機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與類型工業(yè)射線照相探傷中使用的低能X射線機(jī)，簡(jiǎn)單地說是由四部分組成：射線發(fā)生器（X射線管）、高壓發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。當(dāng)各部分獨(dú)立時(shí)，高壓發(fā)生器與射線發(fā)生器之間應(yīng)采用高壓電纜連接。X射線機(jī)可以從不同方面進(jìn)行分類。按照X射線機(jī)的結(jié)構(gòu)，X射線機(jī)通常分為三類，便攜式X射線機(jī)、移動(dòng)式X射線機(jī)、固定式X射線機(jī)。便攜式X射線機(jī)采用組合式射線發(fā)生器，其X射線管、高壓發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)共同安裝在一個(gè)機(jī)殼中，也簡(jiǎn)單地稱為射線發(fā)生器，在射線發(fā)生器中充滿絕緣介質(zhì)。整機(jī)由兩個(gè)單元構(gòu)成，即控制器和射線發(fā)生器，它們之間由低壓電纜連接。在射線發(fā)生器中所充的絕緣介質(zhì)，較早時(shí)為高抗電強(qiáng)度的變壓器油，其抗電強(qiáng)度應(yīng)不小于30～50kV/?，F(xiàn)在多數(shù)充填的絕緣介質(zhì)是六氟化硫（SF6），以減輕射線發(fā)生器的重量。（），但也不能過高，以防機(jī)殼爆裂，（）。采用充氣絕緣的便攜式X射線機(jī)，體積小、重量輕，便于攜帶，利于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行射線照相檢驗(yàn)。便攜式X射線機(jī)的管電壓一般不超過320kV，管電流經(jīng)常固定為5mA，連續(xù)工作時(shí)間一般為5min。移動(dòng)式X射線機(jī)具有分立的各個(gè)組成部分，但它們共同安裝在一個(gè)小車上，可以方便地移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)、車間，進(jìn)行射線檢驗(yàn)。冷卻系統(tǒng)為良好的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。X射線管采用金屬陶瓷X射線管，管電壓不高于160kV（或150kV），尺寸小，射線發(fā)生器通常就是X射線管，它與高壓發(fā)生器之間采用一長(zhǎng)達(dá)15m左右的高壓電纜連接，以便于現(xiàn)場(chǎng)的防護(hù)和操作。固定式X射線機(jī)采用結(jié)構(gòu)完善、功能強(qiáng)的分立射線發(fā)生器、高壓發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，射線發(fā)生器與高壓發(fā)生器之間采用高壓電纜連接，高壓電纜的長(zhǎng)度一般為2m。其體積大、重量也大，不便移動(dòng)，因此固定安裝在X射線機(jī)房?jī)?nèi)。這類X射線機(jī)已形成150kV、250kV（225kV）、320kV、450kV（420kV）等系列，其管電流可用到30mA甚至更大的值，系統(tǒng)完善，工作效率高，它是檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)優(yōu)先選用的X射線機(jī)。X射線機(jī)也可以按其他方面分類，例如按照X射線機(jī)的工作電壓可分為恒壓X射線機(jī)和脈沖X射線機(jī)，按照加在X射線管上的電壓脈沖頻率可分為恒頻X射線機(jī)和變頻X射線機(jī)，按照所使用的X射線管可分為玻璃管X射線機(jī)和陶瓷管X射線機(jī)，按照X射線管的輻射角可分為定向X射線機(jī)和周向X射線機(jī)，按照X射線管焦點(diǎn)尺寸可分為微焦點(diǎn)、小焦點(diǎn)和常規(guī)焦點(diǎn)X射線機(jī)等，但目前較多采用的是按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。 X射線管X射線機(jī)的核心器件是X射線管，普通X射線管的基本結(jié)構(gòu)如圖21所示。它主要由陽極、陰極和管殼構(gòu)成。圖21 X射線管結(jié)構(gòu)示意圖圖22 陽極的基本結(jié)構(gòu)示意圖1—陽極罩 2—陽極體 3—放射窗口 4—陽極靶陽極是產(chǎn)生X射線的部位。主要由陽極體、陽極靶和陽極罩組成。陽極的基本結(jié)構(gòu)如圖22所示。陽極體為具有高熱傳導(dǎo)性的金屬電極，典型的陽極體由無氧銅制做。其作用是支承陽極靶，并將陽極靶上產(chǎn)生的熱量傳送出去，避免靶面燒毀。陽極靶的作用是承受高速電子的撞擊，產(chǎn)生X射線。陽極靶緊密鑲嵌在陽極體上，與陽極體具有良好的接觸。由于工作時(shí)陽極靶直接承受高速電子的撞擊，電子大部分動(dòng)能在它上面轉(zhuǎn)換為熱，因此陽極靶必須耐高溫。此外，陽極靶應(yīng)具有高原子序數(shù)，才能具有較高的X射線轉(zhuǎn)換效率。所以，對(duì)工業(yè)射線照相檢驗(yàn)用的X射線管，其陽極靶采用鎢制做。陽極靶的表面應(yīng)磨成鏡面，并與X射線管軸成一定角度，靶面與管軸垂線所成的角度常稱為靶面角。陽極靶可以采用不同的結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生不同的輻射。例如，常用錐形靶和平面形靶產(chǎn)生周向輻射X射線，也有的X射線機(jī)采用特殊的旋轉(zhuǎn)陽極靶，它不僅可以改善散熱狀況，而且可以獲得更高的管電流。高速電子撞擊陽極靶時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次電子，二次電子可集聚在管殼上，形成一定電位，影響飛向陽極靶的電子束，陽極罩就是用來吸收高速電子撞擊陽極靶時(shí)產(chǎn)生的二次電子。陽極罩常用銅制做，在朝向陰極方向有一小孔，陰極發(fā)射的電子從這個(gè)小孔進(jìn)入，撞擊陽極靶；陽極罩的側(cè)面也有一個(gè)小孔，常用原子序數(shù)很低的薄鈹板覆蓋，稱為窗口，陽極靶產(chǎn)生的X射線從此窗口輻射出來。圖23 X射線管的陽極特性曲線X射線管的陽極特性是指，在一定的陰極燈絲電流下，管電流與管電壓的關(guān)系。圖23是X射線管的陽極特性曲線。從圖中可以看到，管電流在最初隨著管電壓升高而增加，但當(dāng)管電壓達(dá)到一定值以后，管電流趨于飽和。產(chǎn)生這種飽和特點(diǎn)的原因是，燈絲發(fā)射的電子已接近全部到達(dá)陽極靶。當(dāng)X射線管施加的管電壓較低時(shí)，為了得到較大的管電流，只能采用更大的燈絲電流。但實(shí)際上燈絲電流也只能在一定范圍內(nèi)調(diào)整，這也就限定了低管電壓下可使用的最大管電流。陰極是X射線管中發(fā)射電子的部位，它由燈絲和一定形狀的金屬電極－聚焦杯（陰極頭）構(gòu)成。燈絲由鎢絲繞成一定形狀，聚焦杯包圍著燈絲。燈絲在燈絲電流加熱下可發(fā)射熱電子，這些電子在X射線管的管電壓作用下，高速飛向陽極靶，最終通過軔致輻射在陽極靶產(chǎn)生X射線。燈絲發(fā)射電子的能力隨燈絲溫度，也就是燈絲的加熱電流而改變。當(dāng)燈絲溫度增高時(shí)，發(fā)射電子的能力也增大。由于鎢的熔點(diǎn)高（3370℃），且蒸發(fā)率低，所以工業(yè)探傷用X射線管的燈絲采用鎢制做。燈絲的主要形狀有圓形、線形、矩形等，燈絲的形狀、尺寸及聚焦杯的形狀、尺寸、與燈絲的相對(duì)位置等，都直接影響X射線管的焦點(diǎn)。燈絲溫度通過調(diào)節(jié)燈絲變壓器的電壓改變燈絲電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，過高的燈絲電流將會(huì)燒毀燈絲。X射線管的陰極特性是指，在一定管電壓下，管電流與燈絲電流之間的關(guān)系。圖24是X射線管的陰極特性曲線。X射線管的管殼封出一個(gè)高真空腔體，并在腔內(nèi)封裝陽極和陰極。（103～105）Pa。管殼必須具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和電絕緣強(qiáng)度。工業(yè)射線檢測(cè)常用的X射線管的管殼主要采用玻璃與金屬或陶瓷與金屬制做。采用玻璃與金屬制做管殼的X射線管稱為玻璃X射線管。采用陶瓷與金屬制做管殼的X射線管分為兩類，一類是金屬陶瓷X射線管，另一類是波紋陶瓷X射線管。圖25是波紋陶瓷X射線管的結(jié)構(gòu)示意圖。金屬陶瓷X射線管以不銹鋼管代替玻璃管殼，用陶瓷材料絕緣，與玻璃管殼的X射線管比較，它的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固、壽命長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)是X射線管的重要類型。波紋陶瓷X射線管是廣泛應(yīng)用在的另一類X射線管，它與金屬陶瓷X射線管具有類似的特點(diǎn)。普通玻璃X射線管的壽命一般為400～500h，陶瓷X射線管的壽命一般在1000h以上。這里所說的壽命是指X射線管的輻射量降低到規(guī)定值的80%以下，并不是指X射線管本身損壞。目前，在工業(yè)射線檢測(cè)中還使用的另一種X射線管是微焦點(diǎn)X射線管。這是一類特殊結(jié)構(gòu)的X射線管，管的焦點(diǎn)尺寸現(xiàn)在可小到幾微米，它采用了一套電子聚焦系統(tǒng)，以便形成很細(xì)的電子束。這種X射線管的工作電壓較低，一般不超過160kV，管電流也遠(yuǎn)小于普通X射線管，一般不超過數(shù)百微安。 圖24 X射線管的陰極特性曲線 圖25 波紋陶瓷X射線管結(jié)構(gòu)示意圖在X射線管中產(chǎn)生X射線的基本過程如下。X射線管的陰極燈絲通過電流，被加熱到2000℃以上后發(fā)射電子，這些電子聚集在燈絲附近。當(dāng)X射線管的陽極和陰極間施加上高壓后，電子在這個(gè)高壓作用下被加速，高速飛向陽極靶，穿過陽極和陰極之間的空間后撞擊到陽極靶上。通過軔致輻射，電子的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線，從X射線管窗口輻射出來。電子的大部分動(dòng)能傳給了陽極靶，使它迅速升溫。圖26 油浸200kVX射線機(jī)射線發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖從這個(gè)過程可以看出，為了保證X射線管能夠正常地工作，產(chǎn)生一定能量和強(qiáng)度的X射線，X射線管必須具有足夠的真空度、足夠的絕緣強(qiáng)度和足夠的散熱能力。X射線管的結(jié)構(gòu)、所達(dá)到的絕緣強(qiáng)度和真空度，限定了在陽極和陰極間所能施加的最高高壓。由于氣體分子在電子的撞擊下可以發(fā)生電離，產(chǎn)生附加的電流，真空度同時(shí)還將影響X射線管管電流的穩(wěn)定性，這也直接關(guān)系到X射線管的正常工作和壽命。顯然，如果不能很好地散熱，X射線管的陽極將迅速升到很高的溫度，不僅會(huì)使陽極靶燒毀，而且也會(huì)導(dǎo)致X射線管整體損壞。使用時(shí)，X射線管置于一定的外殼中，X射線管與此外殼和外殼中充填的絕緣介質(zhì)等構(gòu)成一個(gè)整體，通常稱為射線發(fā)生器（機(jī)頭）。對(duì)便攜式X射線機(jī)，射線發(fā)生器還會(huì)包括高壓部分。外殼由具有一定強(qiáng)度的金屬制做，外殼上有一系列的插座，包括可能有的高壓電纜插座和冷卻循環(huán)用的接管等。在外殼內(nèi)應(yīng)有一定厚度的鉛屏蔽層，使漏泄輻射量降低到規(guī)定的要求。內(nèi)部充填的絕緣介質(zhì)主要是高抗電強(qiáng)度的變壓器油或六氟化硫氣體。圖26是一射線發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 高壓發(fā)生器高壓發(fā)生器由高壓變壓器、高壓整流管、燈絲變壓器和高壓整流電路組成，它們共同裝在一個(gè)機(jī)殼中，里面充滿了耐高壓的絕緣介質(zhì)。高壓發(fā)生器提供X射線管的加速電壓－陽極與陰極之間的電位差和X射線管的燈絲電壓。高壓發(fā)生器中注滿高壓絕緣介質(zhì)，目前主要是高抗電強(qiáng)度的變壓器油，其抗電強(qiáng)度應(yīng)不小于30～50kV/。高壓變壓器的結(jié)構(gòu)與一般變壓器相同，其特點(diǎn)是二次電壓很高、但功率不大。為保證高壓變壓器具有足夠的絕緣強(qiáng)度，在制造過程中應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格絕緣處理，以防止以后發(fā)生擊穿。燈絲變壓器的一次電壓一般為100～200V，二次電壓常為5～20V，必須解決的問題是一次繞組與二次繞組之間的絕緣問題。由于X射線管的陰極處于高壓之中，而燈絲變壓器的一次繞組處在低壓線路之中，所以必須防止它們之間的高壓擊穿。正是由于這個(gè)原因，燈絲變壓器必須置于高壓絕緣介質(zhì)之中。高壓整流電路有多種形式，一些典型電路是半波自整流電路、全波整流電路、恒壓整流電路。半波自整流電路是最簡(jiǎn)單的高壓整流電路，其基本電路如圖27所示，得到的電壓波形如圖28所示。在這種電路中X射線管本身起著整流二極管的作用。當(dāng)X射線管施加交流電壓時(shí)，利用自整流作用，在陽極電位為正半周時(shí)電流通過，X射線管工作，發(fā)射X射線。在陽極電位為負(fù)半周時(shí)電流不能通過，X射線管不工作，不發(fā)射X射線。即半波自整流電路只在半周的時(shí)間內(nèi)發(fā)射X射線。 圖27 半波自整流電路 圖28 半波自整流電路的電壓波形半波自整流電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件少、體積小，多用于攜帶式X射線機(jī)。但半波自整流電路也存在明顯的缺點(diǎn)，主要是僅在半周發(fā)射X射線，電源利用率低；此外，在高壓的負(fù)半周，X射線管要承受很高的反向電壓，如果陽極溫度很高，可能會(huì)因發(fā)射電子而出現(xiàn)反向電流。為避免這一問題，電路中長(zhǎng)采用逆電壓降低電路，這樣一來，在負(fù)半周僅有較低的電壓加在X射線管上。全波整流電路其基本電路如圖29所示。當(dāng)交流電處在不同半周時(shí)，可分別通過不同的整流二極管將電壓施加在X射線管上，使X射線管工作，發(fā)射X射線。此電路電源利用率高，X射線管不存在需要承受反向高壓?jiǎn)栴}。電路存在的主要缺點(diǎn)是，輸出的電壓波形不穩(wěn)定，也即輸出的X射線不穩(wěn)定。圖29 全波整流電路全波恒壓整流電路其基本電路如圖210所示，得到的電壓波形如圖211所示。為了提高X射線管的輻射強(qiáng)度，必須采用波動(dòng)很小的直流電對(duì)X射線管供電，全波恒壓整流電路就是這樣的一種整流電路。按圖210的標(biāo)示，在正半周時(shí)，交流電對(duì)電容C1充電，電容C2放電；在負(fù)半周時(shí)，交流電對(duì)電容C2充電，電容C1放電。正半周時(shí)電流的路徑是高壓變壓器→整流二極管D1→X射線管→電容器C2→高壓變壓器。負(fù)半周時(shí)電流的路徑是高壓變壓器→電容器C1→X射線管→整流二極管D2→高壓變壓器。X射線管上的高壓是高壓變壓器上的電壓與電容器上的電壓的和，即實(shí)際施加到X射線管上的電壓近似比高壓變壓器二次電壓高一倍。由于電容的充電時(shí)間遠(yuǎn)小于放電時(shí)間，因此，X射線管上的電壓變化較小。 圖210 全波恒壓整流電路 圖211 全波恒壓整流電路波形全波恒壓整流電路，不僅減少了X射線管輸出X射線強(qiáng)度的波動(dòng)，而且具有倍壓作用，因此，這種電路受到了廣泛的重視。 冷卻系統(tǒng)對(duì)常用的低壓X射線機(jī)，X射線管只能將1%左右的電子能量轉(zhuǎn)換為X射線，絕大部分的能量在陽極靶上轉(zhuǎn)換為熱量，加熱陽極靶和陽極體。因此，為了使X射線管能正常工作，X射線機(jī)必須有良好的冷卻系統(tǒng)，否則，陽極靶將被高熱損壞。X射線機(jī)采用的冷卻方式粗略地可分為三種：1）油循環(huán)冷卻。這種方式采用油循環(huán)系統(tǒng)，冷卻油從油箱泵進(jìn)入射線發(fā)生器（X射線管的陽極端），從射線發(fā)生器的另一端（X射線管的陰極端）離開，帶走熱量，返回油箱。為了增強(qiáng)冷卻效果，常又采用流動(dòng)水冷卻循環(huán)油。這種方式主要應(yīng)用在固定式X射線機(jī)。2）水循環(huán)冷卻。這種方式采用循環(huán)水直接進(jìn)入射線發(fā)生器中X射線管的陽極空腔，水流出時(shí)帶走熱量。這種冷卻方式只能用于陽極接地電路的情況，主要應(yīng)用在移動(dòng)式X射線機(jī)。也應(yīng)用于油絕緣的便攜式X射線機(jī)。3）輻射散熱冷卻。這種方式主要應(yīng)用在便攜式X射線機(jī)。對(duì)氣絕緣的便攜式X射線機(jī)，這種方式是在射線發(fā)生器的陽極端裝上散熱器，一般還裝備風(fēng)扇。通過散熱器輻射和射線發(fā)生器外殼散熱冷卻。對(duì)油絕緣的便攜式X射線機(jī)，這種方式是依靠射線發(fā)生器內(nèi)部的溫差和攪拌油泵使油產(chǎn)生流動(dòng)帶走熱量，通過機(jī)殼把熱量散出。* 控制和保護(hù)系統(tǒng)圖212 X射線機(jī)的基本控制電路原理圖1—高壓變壓器 2—燈絲變壓器4—高壓發(fā)生通斷按鈕6—燈絲加熱通斷按鈕K—高壓發(fā)生繼電器 H—燈絲加熱繼電器X射線機(jī)的控制和保護(hù)系統(tǒng)主要包括基本電路、電壓和電流調(diào)整部分、冷卻和時(shí)間等的控制部分、保護(hù)裝置等。X射線機(jī)電路接通的基本步驟是：接通電源和冷卻系統(tǒng)→接通X射線管的燈絲加熱電路和整流加熱電路→接通高壓電路。其中基本控制電路電原理圖如圖212所示。這個(gè)基本控制電路保證了X射線機(jī)必須按上述過程接通，從而保證了X射線機(jī)安全正常的工作。在實(shí)際的X射線機(jī)電路中，還必須包括一系列其他電路，其中至少包括高壓調(diào)整電路、燈絲加熱調(diào)整電路、曝光時(shí)間控制電路和保護(hù)電路與裝置。高壓調(diào)整一般是在高壓變壓器的一次線路上接上自耦變壓器，通過調(diào)整自耦變壓器調(diào)節(jié)高壓變壓器的二次電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線管高壓的調(diào)整。燈絲加熱調(diào)整電路主要是在燈絲加熱變壓器的一次繞組上串聯(lián)一個(gè)可變電阻器，通過改變電阻器的阻值改變燈絲變壓器二次的電壓和燈絲加熱