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嘉峪檢測網 2024-12-24 16:15
X射線或γ射線束穿過膠片時，通常僅有不到1%的能量被吸收。使用射線增感屏可以使穿過膠片的X或γ射線能量得以充分利用。工業射線照相常用鉛箔增感屏，其具有兩個基本功能，一是鉛中發射的大量電子和產生的部分二次射線，可增加膠片上的照相作用，減少曝光時間；二是吸收能量較小的散射線，減弱散射作用，從而使射線檢測圖像具有更高的對比度和清晰度。
鈦合金材料具有比強度高、耐腐蝕、生物適應性好等優勢，在航空航天、生物材料、兵器核能等工業領域得到了廣泛的應用。鈦合金增材制造存在孔洞、未熔合等缺陷，使用射線檢測方法可以有效地確保鈦合金產品的質量。
鈦元素為22號元素，原子序數和密度都較鐵元素的小，因此其等效系數約為鐵的二分之一，在實際使用中，鈦合金構件薄壁結構較多，因此透照管電壓往往不超過100 kV。
為理清現行各標準對鈦合金產品增感屏的使用要求，西安航空職業技術學院聯合陜西省特種設備檢驗檢測研究院的研究人員對鈦合金增材制造階梯試塊實施不同條件的射線檢測，采用改變透照管電壓、使用單增感屏、使用雙增感屏、不使用增感屏等方法，得到不同增感條件下底片黑度，然后分析鉛箔增感屏在鈦合金增材產品射線檢測中的增感效果，旨在為實際工程應用提供參考。
現行標準對鈦合金射線檢測增感屏使用的規定
對比國內外現行幾個應用較廣泛的射線檢測標準可知，鈦合金射線檢測時，增感屏是否使用以及金屬箔厚度是根據X射線機管電壓來確定的，對鋼材檢測時的增感屏使用的規定較為詳細，對鈦合金使用增感屏的規定存在較大區別。
表1 國內外相關標準關于鈦合金射線檢測增感屏使用的規定
如能源標準NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第二部分 射線檢測》、國軍標GJB 1187A—2001《射線檢驗》和航空標準HB 20160—2014《X射線照相檢測》在劃分管電壓時一致，均將管電壓不大于100 kV作為第一檔，符合這一情況時，前屏可以不用，但前后屏金屬箔厚度略有差別。
國標GB/T 19943—2005《無損檢測 金屬材料X和伽瑪射線照相檢測 基本規則》、國際標準化組織標準ISO 5579：2013(E)《無損檢測 金屬材料用X和γ射線照相檢驗 基本規則》、美國機械工程師學會標準ASTM E1032—2019《用工業X射線膠片對焊接件進行射線照相檢驗的標準實施規程》也依據管電壓選用增感屏。
根據上述標準，鈦合金射線透照時，前后屏是否使用及金屬箔厚度選擇，各標準規定不盡相同。
試驗方案
為驗證管電壓對增感效果的影響，以及相同管電壓下不同增感屏使用情況對增感效果的影響，設置以下試驗方案：使用ISOVOLT TITAN E320型射線機，焦點尺寸5.5 mm，內置濾波板3.0 mm/Be，曝光量5 mA·min，焦距1000 mm，底片自動處理（6.7 min），透照方式為垂直透照，增感屏為Pb（0.03 mm），顯影溫度28 ℃，底片選用富士IX50XD（C3）和柯達AA400（C5）。在不同管電壓下對增材制造的鈦合金（TA15）階梯試塊（階梯相隔2 mm）進行透照，改變增感屏（雙/單/無）使用情況，對透照底片黑度進行記錄。
1、細顆粒膠片增感效果
使用富士IX50XD膠片，設置管電壓為60~160 kV進行檢測得到前后雙屏、單屏（不用前屏，只用后屏）和無屏條件下檢測不同厚度鈦合金階梯試塊的黑度，黑度隨階梯試塊厚度變化曲線如圖1所示。
圖1 使用富士IX50XD膠片時黑度隨階梯試塊厚度變化曲線
由圖1可知，管電壓小于70 kV時，階梯厚度為2 mm，雙屏、單屏、無屏三種情況下黑度基本相同，雙屏黑度略低于單屏和無屏黑度，這是由于射線能量較低，前屏吸收的射線量較多。
當管電壓達到80 kV時，階梯厚度為2 mm，雙屏、單屏黑度一致，且比無屏黑度大0.35。80 kV管電壓以下時，隨著透照厚度增加，雙屏、單屏、無屏三種情況下的透照黑度逐漸趨于一致。管電壓大于80 kV時，雙屏黑度大于單屏黑度，單屏黑度大于無屏黑度。管電壓為90 kV時，雙屏黑度與單屏黑度差值約為0.2，單屏黑度與無屏黑度差值約為0.3，隨著管電壓增加，雙屏黑度、單屏黑度及無屏黑度兩兩之間差值增大。管電壓相同時，隨著透照厚度增加，雙屏黑度、單屏黑度及無屏黑度數值逐漸接近。
此時有增感效果公式：S=D/D0×100%，在固定管電壓透照某一厚度鈦合金工件時，將增感效果S定義為單增感屏或雙增感屏底片黑度D與無增感屏底片黑度D0之比。
富士IX50XD膠片在不同透照電壓下，單增感屏或雙增感屏相較于不使用增感屏的增感效果如表2所示。
表2 IX50XD膠片在不同管電壓下的增感效果
由表2可知，管電壓小于80 kV時，單增感屏或雙增感屏增感效果接近或不如無增感屏效果；管電壓超過80 kV時，單增感屏或雙增感屏增感效果迅速提升，雙增感屏增感效果優于單增感屏效果；管電壓為80~140 kV時，同一管電壓下隨著透照厚度增加增感效果先增大后減小；管電壓為160 kV時，增感效果隨著透照厚度增加而增強；相同透照厚度時，增感效果隨著管電壓增加而增強。
當管電壓小于80 kV時，前屏對主射線的吸收、散射的作用同樣減小，必然降低了到達膠片的總輻射強度，因此使用前屏會導致底片黑度小于不用前屏時，降低了屏的純增強效果。因此若入射射線不具有足夠的穿透能力，則實際所需曝光時間甚至會超過不用屏時的曝光時間。
2、中顆粒膠片的增感效果
使用銳珂AA400膠片，設置管電壓為60~140 kV進行檢測，得到前后雙屏、單屏（不用前屏，只用后屏）和無屏條件下各厚度階梯試塊的黑度值，其中階梯厚度為2 mm處，前后雙屏90 kV、100 kV，單增感屏100 kV的黑度超過4.5，由于黑度計測量上限為4.5，所以將黑度值記為4.5，不同厚度位置黑度分布曲線如圖2所示。
圖2 使用銳珂AA400膠片時不同厚度階梯試塊的黑度分布曲線
由圖2可以看出，管電壓在100 kV以下時銳珂AA400膠片與富士IX50XD膠片的黑度分布情況類似。同樣出現了在管電壓70 kV以下時，雙屏、單屏增感效果不明顯這一情況，三種增感條件下黑度基本相同，雙屏黑度略低于單屏和無屏黑度。
由于銳珂AA400膠片感光速度高于富士IX50XD膠片，所以其他透照情況相同時，前者黑度高于后者。
AA400膠片在不同電壓下的增感效果如表3所示，可知AA400膠片在不同電壓下的增感效果規律類似于富士IX50XD膠片；管電壓小于80 kV時，單增感屏或雙增感屏增感效果接近或不如無增感屏；管電壓大于80 kV時，單增感屏或雙增感屏增感效果迅速增強，雙增感屏增感效果優于單增感屏；管電壓為80~120 kV時，同一管電壓下，隨著透照厚度增加，增感效果先增強后減弱；管電壓為140 kV時，增感效果隨著透照厚度增加而增強；相同透照厚度，增感效果隨著管電壓增加而增強。
表3 AA400膠片在不同電壓下的增感效果
試驗結果分析
通過以上試驗可以發現，使用某一管電壓（60~140 kV）對鈦合金增材階梯試塊透照時，增感屏的使用情況對鈦合金增材產品透照的黑度有以下影響。
透照電壓小于80 kV時，不論使用細粒或中粒感光速度膠片，雙屏、單屏或無屏增感得到的膠片黑度相差不大。由于透照射線能量較低，前屏吸收較大，使用前屏反而會降低黑度，雙屏增感效果差于單屏或無屏增感效果。
透照電壓不大于100 kV時，隨著透照厚度增加，增感效果逐漸下降，當透照厚度增加到一定數值時，雙屏、單屏增感效果接近于無屏效果。
透照電壓不小于80 kV時，透照厚度小于10 mm，不論使用細粒或中粒感光速度膠片，雙屏、單屏增感效果均優于無屏增感效果，其中雙屏增感效果最好。
這是因為用于增感的電子主要來源于X射線作用于鉛箔的光電效應。一方面，入射X射線的強度會影響光電效應。當入射X射線的強度增加時，單位時間內照射到鉛箔表面的光量子數增加，導致單位時間內逸出的光電子數增加。由于X射線的強度會隨著射線機管電壓的增加而增加，相對應的由光電效應產生的光電子數也隨之增加，增強光電效應。
另一方面，入射X射線的能量會影響光電效應。一般情況下，當入射X射線的能量增加時，光電截面（即光與物質發生光電效應的概率）會減小，因而射線機管電壓增加會導致入射X射線的能量增加，進而導致光電截面減小，減弱光電效應。但考慮物質的原子結構，當入射電子能量等于外層電子結合能時，光電截面會陡然增加。
在以上兩方面因素綜合作用下，管電壓增加至80 kV時，入射X射線的強度增大并逐漸占優，由光電效應逸出的電子所導致的增感效果顯著增強。
結論
為明確鈦合金產品增感屏使用要求，對其增材制造階梯試塊進行射線檢測。通過改變透照管電壓、增感屏使用情況，得到不同條件下底片黑度。結果表明，不同管電壓范圍時，增感屏使用方式不同。即對鈦合金增材產品實施射線檢測時，考慮背散射情況，增感屏前后屏是否使用可以按以下原則劃分：
管電壓不大于80 kV時，可以不使用前屏、后屏，若背散射較強，可以使用后屏或在暗袋后加鉛板吸收背散射；當管電壓為80~100 kV時，可以不使用前屏，應考慮使用后屏；當管電壓不小于100 kV時，使用前后屏增感方式。
作者：史洪源1，張嘉毅1，李吉利2，周鵬1，李杰1
工作單位：1.西安航空職業技術學院
2. 陜西省特種設備檢驗檢測研究院
第一作者簡介：史洪源，碩士，副教授，主要研究方向為射線檢測、超聲檢測等無損檢測技術。
來源：《無損檢測》2024年12期
來源：無損檢測NDT
