磁性工件的X射线检测方法研究

杨智，杨东林，谢丹

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

X射线实时成像系统已广泛的应用于航空航天、石油化工、高压容器、锅炉焊管等诸多行业领域［1］。采用X射线图像增强器与CCD摄像机耦合的实时检测系统具有检测速度快、自动化程度高等优点。图像增强器将不可见X射线光子图像转换为可见光光子图像，然后通过光电阴极的作用将可见光光子图像转换为相应的电子图像，由于磁性工件产生的磁场使得电子束发生偏转，改变了电子的运行轨迹，使得 CCD相机捕获的图像发生畸变，严重影响了检测的质量。本文分析了磁性工件X射线实时检测中图像畸变的原因，提出了对磁场补偿的方法，抵消了磁性工件对电子束的影响，校正图像畸变，提高了分辨率。

1 图像增强器的工作原理

图像增强器［2-4］是X射线实时成像系统的核心器件，它是一种对光子进行转换增强，输出更高亮度的可见光器件，由于射线光子能量高，不能用光学或电子学的方法直接放大或聚焦，故在使用阴极将其转变为电子后，再进行增强。图像增强器的基本结构如图 1所示，它由外壳、射线窗口、输入屏、聚焦电极、输出屏构成。射线窗口由钛板构成，具有一定的强度，又可以减少对射线的吸收。输入屏包括输入转换屏和光电层。输入转换屏不同于简单的荧光屏，现在它主要采用CsI晶体制作。聚焦电极加有25~30KV的高压。

图1 图像增强器结构示意图Fig.1 Schematic diagram for structure of image intensifier

图像增强器工作的基本过程如下。射线透过工件，穿过图像增强器的窗口入射到输入转换屏上，输入转换屏吸收不可见的射线的能量，将其能量转换为可见光发射。发射的可见光被光电层接收，并将可见光能量转换为电子发射。发射的电子在聚焦电极的高压作用下被聚焦和加速，高速撞击到输出屏上。输出屏将电子能量转换为可见光发射。

2 磁场对图像增强器的影响

图像增强器的光阴极产生电子束，经过电子光学系统聚焦和加速后轰击到输出荧光屏上发出可见光，而电子束在真空玻璃管内的运动，是由聚焦电极产生的电磁场控制的。磁性工件自身所产生的磁场，会影响电子束方向偏转，使电子束不按照实际的轨迹运动，从而产生图像畸变，使分辨率大大降低，影响气孔、夹杂等自然缺陷的检出率。

当一带电量为q的点电荷，在电场强度为E的静电场中时，该点电荷所受到的静电力为

当带电量为q，质量为m的带电粒子以速度v通过磁感应强度为 B的空间某点，且 v垂直于B时，它受到的磁场力为

由上式可知，带电粒子所受到的洛伦兹力Fm的方向是始终垂直于带电粒子速度v的方向，所以磁场只能改变电子的运动方向，不能改变电子的速度和大小。也就是说，磁场不能改变电子的能量，只能使电子的轨迹弯曲。电子在洛伦兹力的作用下将作匀速圆周运动。

R为圆周轨道的半径，称为回旋半径。由（3）式的得

圆周运动的周期

所以，运动速度为v的电子，在电场、磁场同时存在的符合电磁场中所受的作用力为

当带电粒子的速度v与磁场强度B平行时，所受到的洛伦兹力为零，做匀速直线运动；当v与B夹一般角度时，电子运动轨迹可分解为平行于B方向上做匀速直线运动，垂直于B方向做匀速圆周运动［6］。

无磁场作用时，图像增强器光电阴极产生的电子由P点发射，撞击到输出屏O点，如图2所示，激发荧光物质产生可见光，得到所需的影像；当有垂直于纸面向里的均匀磁场作用，P点电子受到洛伦兹力作用，轨迹发生偏转，撞击到输出屏A点，获得本应该在O点的获得的影像；当磁场方向垂直于纸面向外时，P点电子偏转撞击到B点，B点获得O点的图像。P点的电子轨迹在磁场的作用下发生改变，A点或B点获得了O点的图像，捕获图像与工件对应不准确，这就产生了几何畸变。几何畸变的产生严重的影响了图像与工件之间相似性，降低了图像的分辨率。为了校正磁场对图像增强器的影响，提出了磁场补偿的方法，校正图像畸变。

图2 电子在磁场中的偏转轨迹Fig.2 The deflecting trajectory of electron in magnetic field

3 磁场补偿方法

在X射线检测过程中，磁性工件所产生磁场会影响图像增强器内部电子偏转，使图像出现畸变，所以对磁性工件磁场进行补偿，实现磁极附近的磁感应强度为零，降低工件磁场对图像增强器的内部电子束的影响，校正图像，使图像能够清晰准确的反应出工件的缺陷十分必要。

由磁感应强度的矢量合成性质与磁体性质可知，磁感应强度的合成遵循平行四边形法则，当两个磁场在某点的磁感应强度方向相反且大小相等，则该点的合成磁感应强度为零。磁体产生的磁场，磁极附近磁场最强，因此，如果能使磁极附近的磁感应强度为零，则磁体外部各处的磁感应强度也为零，而磁体内部的磁场对外界的影响可以忽略不计。因此可采用静态补偿和动态补偿方法。

3.1 静态磁场补偿

根据磁感应强度的性质，采用与被检工件磁感应强度方向相反且大小相等的磁铁进行补偿［7］。使用磁场强度测量仪，检测出磁感应强度的大小与方向，再根据所测得的数据，选择与被检工件感应强度方向相反大小相等的磁铁，将磁铁放置在被检工件磁极处，从而抵消工件磁场对图像增强器内电子束的影响。

此方法虽然对磁场的补偿有效，但却存在不足之处：同一种磁性工件检测时，可以使用同一块磁铁进行补偿，但对于不同工件，磁场发生变化，补偿效果减弱，甚至使畸变增大；检测所需磁铁不易加工，且磁铁磁性随使用寿命减弱，补偿效果也减弱。

3.2 动态磁场补偿

由于静态磁场补偿适用性不广泛，使用过程复杂，我们设计了动态磁场补偿装置。所谓动态磁场补偿器，是由两组对称线圈构成，在补偿电流控制器给定驱动电流控制下，每个线圈能够分别改变磁场强度和磁场极性，从而抵消磁性工件对电子束运动的影响，校正图像畸变。

图3 动态磁场补偿器组成图Fig.3 The composition diagram of compensator with dynamic magnetic field

磁性工件的B-H磁滞回线［7］如图4所示，aba'b'a为饱和磁滞回线，om为磁性工件剩磁形成曲线，调节电流控制器，改变线圈电流，使补偿磁场的强度幅值大于或等于点所对应的磁场强度Hm，随着电流由大到小的变化，磁场强度从Hm→0，0→-Hc1，-Hc1→-Hm1（-Hm1=-Hm），-Hm1→0，0→Hc1'，Hc1'→Hm变化，相应的工件的磁感应强度分别沿曲线m→b1，b1→c，c1→m1，m1→b1'，b1'→c1'，c1'→m 变化，c1，c1'磁感应强度为 0，m，m1和b1，b1'磁感应强度大小相等，方向相反，形成闭合曲线。控制电流大小，使磁场强度为Hc1，Hc1'，工件的磁感应强度为0，此时，工件对图像增强器的影响最小。

图4 工件B-H磁滞回线Fig.4 B-H hysteresis loop of workpiece

根据被检工件磁感应强度的实际测量结果，按照磁感应强度公式（7）可计算出每组线圈的匝数。

补偿器置于图像增强器前，当被检工件到达检测位置时，开启补偿开关接通线圈，此时才产生补偿磁场，根据实际情况，可调节补偿电流控制器，改变驱动电流的大小和方向，使图像达到最佳效果。当被检工件运动出检测位置时，关闭补偿器，避免图像增强器长时间处于磁场中，影响图像增强器的内部器件正常工作。

不同的被测工件，其磁感应强度大小和方向也不同，动态补偿器通过改变电流的大小和方向，补偿大多数磁性工件X射线探伤产生的图像畸变，适用于大多数磁性工件的检测。

4 实验测试

4.1 检测条件

为验证动态补偿器的可靠性，使用考麦特MXR-225/22型X射线管，管电压180kV，管电流7mA，小焦点 0.4×0.4mm；图像增强器使用东芝E5830SD，有效视场 160mm，分辨率 52Lp/cm；CCD摄像机有效像素为1024×1024，采用高速cameralink接口，帧频30帧/s。被检工件为环形磁钢，如图5所示。磁钢规格：直径66mm，壁厚3mm。

检测要求：磁钢质量分布均匀，内部不允许有气孔、裂纹。

图5 被检工件Fig.5 Detected workpiece

图6 无补偿时被检工件图像Fig.6 Image of detected workpiece without compensation

图7 补偿后被检工件图像Fig.7 Image of detected workpiece after compensation

4.2 检测结果

图6和图7为磁钢工件X射线实时成像系统检测照片，图6为无补偿时的磁钢检测图片，从图中可以看出，图像产生了明显的畸变，这样对于判断是否存在缺陷和缺陷尺寸的测量产生了严重的影响。图7为有补偿时的磁钢检测照片，通过对四个补偿线圈的控制，降低了磁钢对图像增强器的影响，图像的几何畸变大大降低，明显减低了图像的几何失真度，有利于判定缺陷的位置与大小，符合检测要求的范围。

5 结论

通过分析X射线图像增强器在磁场影响下，图像产生几何畸变的原因，设计的动态磁场补偿器解决了磁性工件在 X射线实时检测过程中的图像畸变。实验验证，采用动态磁场补偿，可以降低磁性工件对X射线图像增强器的影响，经过补偿后的图像，失真度降低，得到更加易于判定缺陷位置和大小的图像。该方法不仅适用于文中所检测工件，同样适用于大多数磁性工件的X射线实时检测，由于此项技术具有投入成本低、检测效率高、操作方便、实用性强等优点，在X射线检测领域有着广泛的应用前景。

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