【導(dǎo)讀】無損檢測是“全領(lǐng)域技術(shù)”，全領(lǐng)域可以從兩方面理解，①它的技術(shù)基礎(chǔ)，②它的服務(wù)對象。影響，提高檢測可靠性；其次，是發(fā)展微觀缺陷檢測技術(shù)、在線檢測技術(shù)和在役檢測技術(shù)；第三，是開展無損檢測新原理、新方法、新技術(shù)的探索研究。到現(xiàn)在，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已形成了比較完整的射線無損檢測技術(shù)系統(tǒng)，它由三大部分技術(shù)組。射線層析成像技術(shù)，主要技術(shù)是CT技術(shù)、康普頓散射成像技術(shù)。性能)、中子RT技術(shù)、CR技術(shù)、CT技術(shù)等，出現(xiàn)的主要的新的研究論題是PCRT技術(shù)(Phasecontrast. 檢測結(jié)果顯示直觀，為評定檢測結(jié)果可提供客觀依據(jù)；泛應(yīng)用的無損檢測技術(shù)，特別是對于一些關(guān)系重大的工業(yè)部門和產(chǎn)品。后數(shù)字化射線檢測技術(shù)，在進(jìn)行圖像數(shù)字化時，存在損失膠片上記錄。在檢驗工作現(xiàn)場，完成圖像采集，在工作站中心完成檢測后期工作，并可與其他工作站或有關(guān)部門聯(lián)系，CR成像板：可達(dá)到10Lp/mm；相比的對比度；而CR系統(tǒng)，只能在很低的空間頻率時才能獲得可與膠片相比的對比度。

　　

【正文】 的條件。 其檢測采用放大布置，圖 20 是其布置和成像原理示意圖。 對這種技術(shù)遇到的問題是，射線源的尺寸大、射線能 量譜寬、布置的幾何將受到一定限制。這些問題降低了射線的相干性，使相對比度成像困難。一些試驗已證明，采用寬譜微焦點 X 射線源可以獲得圖像，圖像具有增強的對比度和更好的分辨能力。 部分試驗結(jié)果 下面給出一些試驗情況，形象地說明相對比度成像技術(shù)的特點。 (1) X 射線的柵干涉成像 試驗布置如 圖 21， 采用鎢靶 X 射線 (有效焦點 ， 35kV， 30mA)，獲得的魚的圖像見 圖 22。圖中同時 給出的常規(guī)射線照相圖像與相對比度射線照相圖像。從圖中可見，相對比度射線照相圖像比吸收 對比度顯示了更多的細(xì)節(jié)情況。 圖 21 熱帶魚圖像 (左為常規(guī) )[2] 圖 22 葉片裂紋圖像 (左常規(guī)，右相對比度 )[3] (2) 衍射成像 —— 汽輪機葉片裂紋檢驗 圖 3－ 9 是得到的增強相對比度圖像，同時給出了采用常規(guī) X 射線照相技術(shù)得到的圖像 ( mm焦點， 80kV， 15mA，柯達(dá)－ M 膠片， 鉛屏 )。相對比度圖像清楚揭示了存在的裂紋和葉片的肋條，常規(guī) X 射線照相圖像，僅是清楚揭示了肋條，但裂紋很模糊。 (3) 在線相對比 度成像試驗 采用纖維和鈣的微粒 (尺寸和質(zhì)量范圍從可見到不可見 )模擬人體組織的試樣進(jìn)行試驗研究。采 20 用鉬靶射線機 (X 射線 20～ 60kV) 相對比度成像參數(shù)： 30kVp，焦點尺寸約為 12～ 15μm； 常規(guī)照相成像參數(shù)： 30kVp，焦點尺寸約為 25μm 圖 23 是在同樣的曝光量下得到的圖像，顯然，在相對比度技術(shù)中獲得的圖像，得到了更高的對比度 (見兩圖中右側(cè)小圓區(qū) )和更好的分辨力。 圖 23 人體模擬試樣圖像 (左，常規(guī)；右，含 相對比度 )[4] 相對比度射線檢測技 術(shù)特點 從上面技術(shù)研究情況的介紹，可以將相對比度射線檢測技術(shù)的特點概括為四個方面： (1) 相對比度射線檢測技術(shù)是一種相干檢測技術(shù)。為實現(xiàn)這種技術(shù)，成像的射線束必須滿足一定的相干性要求。 (2) 相對比度射線檢測技術(shù)的檢測布置采用放大布置，使成像的射線束具有滿足成像要求的相位差。 (3) 從原理上，不同細(xì)節(jié)只要具有不同的折射率，即使吸收差很小，相對比度射線檢測技術(shù)也可以獲得具有很強對比度的圖像。 (4) 從原理上，相對比度射線檢測技術(shù)對于任何方向、很小尺寸的裂紋都可以 實現(xiàn)檢測。 正是由于其具有的這些可以補充常規(guī)吸收對比度成像技術(shù)不足的特點，才使其成為人們近年非常關(guān)注的研究課題。 5 多能射線檢測技術(shù)介紹 多能射線檢測技術(shù)基本原理 當(dāng)射線與物質(zhì)相互作用時，將發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)等，這些作用的截面和作用特點等，與射線能量相關(guān)，也與物質(zhì)組成 (原子序數(shù) )相關(guān)。因此，不同能量的射線穿過物體時，其衰減信息中將包含與射線能量和物質(zhì)組成相關(guān)的信息。對同一物體，采用多個能量射線進(jìn)行檢測時，將獲得多個信息，也就可以對物體作出更多的識別。 多能射線檢測技術(shù)基于上述基本理論，以各種具體技術(shù)完成多能信息采集，獲得有關(guān)被檢驗物體物質(zhì)組成的信息。 目前研究的主要是雙能射線檢測技術(shù)。 多能射線檢測技術(shù)特點 常規(guī)射線檢測技術(shù)，可認(rèn)為是采用一個能量完成的射線檢測技術(shù) (盡管連續(xù)譜 X 射線包含多種能量射線 )。所獲得的信息給出的主要是物體空間結(jié)構(gòu)組成的信息 (包括材質(zhì)分布、密度分布、厚度分布等的綜合情況 )。 多能射線檢測技術(shù)與常規(guī) (單能 )射線檢測技術(shù)比較，一個基本的區(qū)別是其可獲取物質(zhì)組成的信息。對密度相同、但原子序數(shù)不同的物質(zhì)，可給 出不同的圖像。也即，它可以從常規(guī)的射線衰減系數(shù)成像轉(zhuǎn)換為物質(zhì)原子序數(shù)成像。 為實現(xiàn)這種成像，從原理上，物質(zhì)包含多少組成元素，則需要多少個能量。采用雙能射線檢測技術(shù)時，可給出物質(zhì)的有效原子序數(shù)。 有效原子序數(shù)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)最重要參數(shù)中應(yīng)特別注意的一個參數(shù)，從它可粗略地確定物質(zhì)的化學(xué)成分。對許多應(yīng)用，例如，核燃料元素含量監(jiān)測，放射性廢物檢測等，有效原子序數(shù)都具有特別的 21 意義。 雙能射線檢測技術(shù)部分研究情況的簡單介紹 [1－ 9] 技術(shù)研究基本情況概介 雙能射線檢測技術(shù)采用高 、低兩種能量的射線透照同一物體，得到二個能量的圖像。對二個能量圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得檢測結(jié)果。按照采用的射線源和探測器特點，可采用不同方法實現(xiàn)這個過程。例如，可采用二個探測器、一次曝光完成，也可采用一個探測器 (但需適應(yīng)于不同能量 )、二次曝光完成。圖 24 顯示的是一種具有代表性的雙能檢測技術(shù)實現(xiàn)過程。 圖 24 雙能射線檢測技術(shù)過程示意圖 [2] 雙能射線檢測技術(shù)從 20 世紀(jì) 80 年代左右開始研究。主要是研究各種雙能成像技術(shù)，包括雙能射線檢測技術(shù)實現(xiàn)方法、成像方法、探測器使用、圖像分離算法等。 已研究了一些不同的雙能射線檢測技術(shù)，例如，雙能 CT 技術(shù)，康普頓散射 CT 技術(shù)，多幅掃描技術(shù)，同步輻射源技術(shù)等。醫(yī)療應(yīng)用成為突出的一個研究方面，有關(guān)研究人員認(rèn)為，它將成為一種新型的 X 射線影像設(shè)備，并將為放射診斷提供更多的信息。 雙能減影技術(shù) [1][10] 雙能減影技術(shù)是用高、低兩種能量的 X 射線透照同一物體 (由兩種成分構(gòu)成 )，得到二幅圖像。對二幅圖像進(jìn)行相減處理，進(jìn)行圖像分離，給出物體的二種不同成分的結(jié)構(gòu)情況。例如，將人體胸部的骨骼與其他組織結(jié)構(gòu)圖像分離。 雙能減影技術(shù)的基本原理如下 。假定物體由二種成分構(gòu)成，厚度分別為 1T 和 2T ，對 X 射線的衰減系數(shù)分別為 )(1E? 和 )(2E? ，依據(jù)射線的衰減規(guī)律，從兩個能量的射線衰減方程，則可求得物體二種成分的厚度 1T 和 2T 。圖 25 是一種采用雙探測器實現(xiàn)雙能射線檢測的技術(shù)、對一由鋁板和塑料板組成的試件獲得的雙能減影圖 像。試件的鋁板厚度為 ，上面鉆孔。試件的塑料板厚度為，具有直徑為 51mm、不同深度的孔，插入有階梯的其他塑料棒。試驗采用的 X 射線兩個能量峰值約為 35keV 和 70keV。 (依次為：試件組合圖像，塑料板與塑料塊圖像，鉆孔鋁板圖像 ) 圖 25 雙能減影技術(shù)一個試驗結(jié)果 [1] 圖 26 結(jié)石的常規(guī)圖像與雙能圖像 [9] 22 在醫(yī)療研究領(lǐng)域，成功實現(xiàn)了多種雙能減影技術(shù)，圖 26 顯示了常規(guī)射線照相圖像與雙能射線照相圖像，雙能圖像清楚顯示了存在的結(jié)石。 相對反射 (relative feflex)技術(shù) [2， 3， 11， 12] 這種技術(shù)基于射線與物質(zhì)相互作用的各種過程，提出一種與傳統(tǒng)的確定有效原子序數(shù)方法不同的方法。 有效原子序數(shù)定義為 ? ? kkiieff ZqZ /1?? 其中， iq 是第 i 部分元素的含量比， k 值為 4。這種技術(shù)給出了對任意類型和組成的物體，其有效原子序數(shù)與雙能相對反射之間的統(tǒng)一關(guān)系。理論結(jié)果與試驗具有很好的符合性 (見圖 27)，該關(guān)系可應(yīng)用于各種能量。 圖 27 有效原子序數(shù)與雙能相對反射關(guān)系 [2] 圖 28 一個試驗結(jié)果 [2] 該方法可以區(qū)分有效原子序數(shù)相差 10～ 20%的不同物質(zhì)。圖 28 是采用 ZnSe(Te)閃爍體探測器試驗系統(tǒng)獲得的一個雙能技術(shù)試驗結(jié)果。該試驗區(qū)分密度類似、有效原子序數(shù)相近的物質(zhì)。例如，區(qū)分木材 (有效原子序數(shù)為 ～ )、炸藥 (有效原子序數(shù)為 ～ )、 Soap(有效原子序數(shù)為 ～)。其可應(yīng)用于機場檢驗設(shè)備、通常檢驗設(shè)備、無損檢測設(shè)備等。 理論上，該方法區(qū) 分原子序數(shù)的靈敏度為 ????????? TTZZ 2 其中， TT/? 為常規(guī)射線照相的厚度靈敏度。 基礎(chǔ)材料分解技術(shù) (basis material deposition technique)[4] 基礎(chǔ)材料分解技術(shù)假定，物體材料可分解為兩種基礎(chǔ)材料，并假設(shè)，任何材料的質(zhì)量衰減系數(shù)近似等于兩種基礎(chǔ)材料的線性組合。即 ? ? ? ? ? ???????????????????222111 ?????? ???? EaEaE 所出現(xiàn)的系數(shù) ?? 21 ,aa 描述了材料的質(zhì)量衰減系數(shù)對射線能量的依賴性。這樣，某能量射線通過物體時的透射可轉(zhuǎn)換為線衰減系數(shù)延路徑的積分。即 ? ? ? ? ? ???????????????????? 222111 ????? ? EAEAdxEx 系數(shù) 21,AA 表示基礎(chǔ)材料的數(shù)量，分別等于 dxaA x?? ??? 11 dxaA x?? ??? 22 23 它們決定了射線在物體中的衰減。采用不同厚度的基礎(chǔ)材料制做的雙階梯楔，在常規(guī)射線譜下進(jìn)行校準(zhǔn)，給出高、低能量透射強度與基礎(chǔ)材料厚度 ( 21,AA )的校準(zhǔn)多項式 (或曲線圖 )。用此校準(zhǔn)多項式，任何雙能透射測量可轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)材料等價成分。 中子 TOF(Time－ of－ Flight)技術(shù) [8] 中子 TOF(飛行時間 )技術(shù)可認(rèn)為是一種特殊的多能射線檢測技術(shù)，其特點是可同時獲得多幅不同能量的射線照相圖像。 這種技術(shù)的概要是，從中子源獲得的具有多種能量的中子，通過一個一定長度 (例如 8m)的真空管飛行后，由于能量不同，將在不同時間、 (先后 )照射被檢驗物體、到達(dá)探測器，從而同時獲得分離的不同能量的圖像。 圖 29 是不同能量中子獲得的同一試件的圖像。該試件的字母“ H”由 5mm 的 聚乙烯 制做，上面蓋有鎘片，字母“ U”由薄的 乙烯樹脂 制做。在中子能量較高時，可得到字母“ H”的圖像。在中子能量較低時，可得到字母“ U”的圖像。而中等中子能量，只能得到鎘片和鉆孔的圖像。 (En＝ － ) (En＝ － ) (En＝ － ) 圖 29 中子 TOF 技術(shù)獲得的試件圖像 [8] 6 T 射線檢測技術(shù) 介紹－ 2020 T 射線檢測技術(shù)概述 T 射線概念 T 射線，即太赫茲波，是頻率為 ～ 10THz(1THz＝ 1012Hz，波長為 30μ m～ 3mm)的電磁輻射， 其波段處于微波與紅外波段之間，屬于遠(yuǎn) (極 )紅外波段。 與一般的光輻射相比， T 射線 (太赫茲波 )的特性可概括為下列幾個方面。 (1) 太赫茲輻射的光子能量為毫電子伏量級，不會產(chǎn)生電離破壞被檢測物質(zhì)。 (2) 太赫茲波通過相干測量，可直接得到電場的振幅和相位，提取試樣的折射率和吸收系數(shù)。 (3) 物質(zhì)的太赫茲譜 (包括透射譜和反射譜 )， 包含了豐富的物理和化學(xué)信息，可通過分析它們的特征譜研究物質(zhì)成分。 (4) 太赫茲輻射對電介質(zhì)、塑料、紙張、布料等具有很強的穿透力，大多數(shù)極性分子 (如水分子、氨分子等 )對太赫茲輻射具有強烈的吸收。 T 射線與物質(zhì)的相互作用與傳播規(guī)律 從經(jīng)典電子理論，物質(zhì)可看成是帶電粒子系統(tǒng)。當(dāng)電磁輻射通過物質(zhì)時，將引起物質(zhì)粒子的受迫振動。對頻率較低的紅外線等，只能使質(zhì)量大得多的粒子 (原子核、離子、分子 )的電子產(chǎn)生受迫振動。電磁輻射的頻率與電子、原子、分子的固有振動頻率相同時，對這些粒子的作用最強。 物質(zhì)分子中的帶電粒子作受迫振動時，分子的電偶極矩隨入射輻射頻率發(fā)生周期性變化，分子將輻射同一頻率的次電磁波。眾多相鄰分子發(fā)射的次波是相干的，它們迭加的結(jié)果產(chǎn)生干涉。在光學(xué)各向同性的均勻介質(zhì)中，初波與次波干涉的結(jié)果形成透射波。在兩種不同的光學(xué)各向同性的均勻介質(zhì)界面，初波與次波干涉的結(jié)果形成反射波和折射波。 物質(zhì)在電磁輻射作用下的性質(zhì)取決于本身的電性和磁性，即，物質(zhì)的相對介電常數(shù)、相對磁導(dǎo) 24 率等。在物質(zhì)中傳播時，輻射的能量可能轉(zhuǎn)變成物質(zhì)的內(nèi)能被吸收，也可能被物質(zhì)散射。對于可見光、紅外線等低頻電磁 輻射，在傳播過程中的吸收服從比爾－朗伯吸收定律。 T 射線檢測技術(shù)發(fā)展概況 20 世紀(jì) 80 年代中期以前，缺乏有效的 T 射線 (太赫茲波 )產(chǎn)生方法和檢測手段。 20 世紀(jì) 90 年代左右，超快激光技術(shù)迅速發(fā)展，可以產(chǎn)生飛秒 (－ 15s)級激光脈沖，為 THz 脈沖產(chǎn)生提供了激發(fā)光源，為 T 射線檢測技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)。 1995 年，美國建成第一套 T 射線成像裝置，開展了電光取樣成像、層析成像、單脈沖時域成像、近場成像等研究。 2020 年以后，美國航空航天局將 T 射線檢測技術(shù)作為了航天飛機泡沫材料質(zhì)量的檢測技術(shù)之一。 2020 年英國 ThruVision 公司研發(fā)了 T5000 型遠(yuǎn)程 T 射線實時成像設(shè)備，可在 25m處探測物體的太赫茲輻射，用來檢查隱蔽的武器、毒品、爆炸物，可作為安全檢查的新設(shè)備。 2020 年北京首都師范大學(xué)建立了“ THz 光譜和成像實驗室”，開展太赫茲輻射研究。 T 射線檢測技術(shù) T 射線產(chǎn)生 產(chǎn)生 T 射線的常用方法有光學(xué)方法和電子學(xué)方法。目前主要是利用超短激光脈沖激發(fā)不同