楊智，楊東林，謝丹

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于航空航天、石油化工、高壓容器、鍋爐焊管等諸多行業(yè)領(lǐng)域［1］。采用X射線圖像增強(qiáng)器與CCD攝像機(jī)耦合的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。圖像增強(qiáng)器將不可見X射線光子圖像轉(zhuǎn)換為可見光光子圖像，然后通過光電陰極的作用將可見光光子圖像轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電子圖像，由于磁性工件產(chǎn)生的磁場(chǎng)使得電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變了電子的運(yùn)行軌跡，使得 CCD相機(jī)捕獲的圖像發(fā)生畸變，嚴(yán)重影響了檢測(cè)的質(zhì)量。本文分析了磁性工件X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)中圖像畸變的原因，提出了對(duì)磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ窒舜判怨ぜ?duì)電子束的影響，校正圖像畸變，提高了分辨率。

1 圖像增強(qiáng)器的工作原理

圖像增強(qiáng)器［2-4］是X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的核心器件，它是一種對(duì)光子進(jìn)行轉(zhuǎn)換增強(qiáng)，輸出更高亮度的可見光器件，由于射線光子能量高，不能用光學(xué)或電子學(xué)的方法直接放大或聚焦，故在使用陰極將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮雍?，再進(jìn)行增強(qiáng)。圖像增強(qiáng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示，它由外殼、射線窗口、輸入屏、聚焦電極、輸出屏構(gòu)成。射線窗口由鈦板構(gòu)成，具有一定的強(qiáng)度，又可以減少對(duì)射線的吸收。輸入屏包括輸入轉(zhuǎn)換屏和光電層。輸入轉(zhuǎn)換屏不同于簡單的熒光屏，現(xiàn)在它主要采用CsI晶體制作。聚焦電極加有25~30KV的高壓。

圖1 圖像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram for structure of image intensifier

圖像增強(qiáng)器工作的基本過程如下。射線透過工件，穿過圖像增強(qiáng)器的窗口入射到輸入轉(zhuǎn)換屏上，輸入轉(zhuǎn)換屏吸收不可見的射線的能量，將其能量轉(zhuǎn)換為可見光發(fā)射。發(fā)射的可見光被光電層接收，并將可見光能量轉(zhuǎn)換為電子發(fā)射。發(fā)射的電子在聚焦電極的高壓作用下被聚焦和加速，高速撞擊到輸出屏上。輸出屏將電子能量轉(zhuǎn)換為可見光發(fā)射。

2 磁場(chǎng)對(duì)圖像增強(qiáng)器的影響

圖像增強(qiáng)器的光陰極產(chǎn)生電子束，經(jīng)過電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦和加速后轟擊到輸出熒光屏上發(fā)出可見光，而電子束在真空玻璃管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，是由聚焦電極產(chǎn)生的電磁場(chǎng)控制的。磁性工件自身所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，會(huì)影響電子束方向偏轉(zhuǎn)，使電子束不按照實(shí)際的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生圖像畸變，使分辨率大大降低，影響氣孔、夾雜等自然缺陷的檢出率。

當(dāng)一帶電量為q的點(diǎn)電荷，在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的靜電場(chǎng)中時(shí)，該點(diǎn)電荷所受到的靜電力為

當(dāng)帶電量為q，質(zhì)量為m的帶電粒子以速度v通過磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的空間某點(diǎn)，且 v垂直于B時(shí)，它受到的磁場(chǎng)力為

由上式可知，帶電粒子所受到的洛倫茲力Fm的方向是始終垂直于帶電粒子速度v的方向，所以磁場(chǎng)只能改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，不能改變電子的速度和大小。也就是說，磁場(chǎng)不能改變電子的能量，只能使電子的軌跡彎曲。電子在洛倫茲力的作用下將作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

R為圓周軌道的半徑，稱為回旋半徑。由（3）式的得

圓周運(yùn)動(dòng)的周期

所以，運(yùn)動(dòng)速度為v的電子，在電場(chǎng)、磁場(chǎng)同時(shí)存在的符合電磁場(chǎng)中所受的作用力為

當(dāng)帶電粒子的速度v與磁場(chǎng)強(qiáng)度B平行時(shí)，所受到的洛倫茲力為零，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)v與B夾一般角度時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)軌跡可分解為平行于B方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，垂直于B方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)［6］。

無磁場(chǎng)作用時(shí)，圖像增強(qiáng)器光電陰極產(chǎn)生的電子由P點(diǎn)發(fā)射，撞擊到輸出屏O點(diǎn)，如圖2所示，激發(fā)熒光物質(zhì)產(chǎn)生可見光，得到所需的影像；當(dāng)有垂直于紙面向里的均勻磁場(chǎng)作用，P點(diǎn)電子受到洛倫茲力作用，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，撞擊到輸出屏A點(diǎn)，獲得本應(yīng)該在O點(diǎn)的獲得的影像；當(dāng)磁場(chǎng)方向垂直于紙面向外時(shí)，P點(diǎn)電子偏轉(zhuǎn)撞擊到B點(diǎn)，B點(diǎn)獲得O點(diǎn)的圖像。P點(diǎn)的電子軌跡在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生改變，A點(diǎn)或B點(diǎn)獲得了O點(diǎn)的圖像，捕獲圖像與工件對(duì)應(yīng)不準(zhǔn)確，這就產(chǎn)生了幾何畸變。幾何畸變的產(chǎn)生嚴(yán)重的影響了圖像與工件之間相似性，降低了圖像的分辨率。為了校正磁場(chǎng)對(duì)圖像增強(qiáng)器的影響，提出了磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，校正圖像畸變。

圖2 電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)軌跡Fig.2 The deflecting trajectory of electron in magnetic field

3 磁場(chǎng)補(bǔ)償方法

在X射線檢測(cè)過程中，磁性工件所產(chǎn)生磁場(chǎng)會(huì)影響圖像增強(qiáng)器內(nèi)部電子偏轉(zhuǎn)，使圖像出現(xiàn)畸變，所以對(duì)磁性工件磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)磁極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，降低工件磁場(chǎng)對(duì)圖像增強(qiáng)器的內(nèi)部電子束的影響，校正圖像，使圖像能夠清晰準(zhǔn)確的反應(yīng)出工件的缺陷十分必要。

由磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量合成性質(zhì)與磁體性質(zhì)可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度的合成遵循平行四邊形法則，當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)在某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相反且大小相等，則該點(diǎn)的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，磁極附近磁場(chǎng)最強(qiáng)，因此，如果能使磁極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則磁體外部各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零，而磁體內(nèi)部的磁場(chǎng)對(duì)外界的影響可以忽略不計(jì)。因此可采用靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。

3.1 靜態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償

根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的性質(zhì)，采用與被檢工件磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相反且大小相等的磁鐵進(jìn)行補(bǔ)償［7］。使用磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量儀，檢測(cè)出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與方向，再根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，選擇與被檢工件感應(yīng)強(qiáng)度方向相反大小相等的磁鐵，將磁鐵放置在被檢工件磁極處，從而抵消工件磁場(chǎng)對(duì)圖像增強(qiáng)器內(nèi)電子束的影響。

此方法雖然對(duì)磁場(chǎng)的補(bǔ)償有效，但卻存在不足之處：同一種磁性工件檢測(cè)時(shí)，可以使用同一塊磁鐵進(jìn)行補(bǔ)償，但對(duì)于不同工件，磁場(chǎng)發(fā)生變化，補(bǔ)償效果減弱，甚至使畸變?cè)龃?；檢測(cè)所需磁鐵不易加工，且磁鐵磁性隨使用壽命減弱，補(bǔ)償效果也減弱。

3.2 動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償

由于靜態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償適用性不廣泛，使用過程復(fù)雜，我們?cè)O(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置。所謂動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償器，是由兩組對(duì)稱線圈構(gòu)成，在補(bǔ)償電流控制器給定驅(qū)動(dòng)電流控制下，每個(gè)線圈能夠分別改變磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)極性，從而抵消磁性工件對(duì)電子束運(yùn)動(dòng)的影響，校正圖像畸變。

圖3 動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償器組成圖Fig.3 The composition diagram of compensator with dynamic magnetic field

磁性工件的B-H磁滯回線［7］如圖4所示，aba'b'a為飽和磁滯回線，om為磁性工件剩磁形成曲線，調(diào)節(jié)電流控制器，改變線圈電流，使補(bǔ)償磁場(chǎng)的強(qiáng)度幅值大于或等于點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm，隨著電流由大到小的變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度從Hm→0，0→-Hc1，-Hc1→-Hm1（-Hm1=-Hm），-Hm1→0，0→Hc1'，Hc1'→Hm變化，相應(yīng)的工件的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別沿曲線m→b1，b1→c，c1→m1，m1→b1'，b1'→c1'，c1'→m 變化，c1，c1'磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0，m，m1和b1，b1'磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相反，形成閉合曲線?？刂齐娏鞔笮。勾艌?chǎng)強(qiáng)度為Hc1，Hc1'，工件的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0，此時(shí)，工件對(duì)圖像增強(qiáng)器的影響最小。

圖4 工件B-H磁滯回線Fig.4 B-H hysteresis loop of workpiece

根據(jù)被檢工件磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，按照磁感應(yīng)強(qiáng)度公式（7）可計(jì)算出每組線圈的匝數(shù)。

補(bǔ)償器置于圖像增強(qiáng)器前，當(dāng)被檢工件到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)，開啟補(bǔ)償開關(guān)接通線圈，此時(shí)才產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)，根據(jù)實(shí)際情況，可調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流控制器，改變驅(qū)動(dòng)電流的大小和方向，使圖像達(dá)到最佳效果。當(dāng)被檢工件運(yùn)動(dòng)出檢測(cè)位置時(shí)，關(guān)閉補(bǔ)償器，避免圖像增強(qiáng)器長時(shí)間處于磁場(chǎng)中，影響圖像增強(qiáng)器的內(nèi)部器件正常工作。

不同的被測(cè)工件，其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向也不同，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器通過改變電流的大小和方向，補(bǔ)償大多數(shù)磁性工件X射線探傷產(chǎn)生的圖像畸變，適用于大多數(shù)磁性工件的檢測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 檢測(cè)條件

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的可靠性，使用考麥特MXR-225/22型X射線管，管電壓180kV，管電流7mA，小焦點(diǎn) 0.4×0.4mm；圖像增強(qiáng)器使用東芝E5830SD，有效視場(chǎng) 160mm，分辨率 52Lp/cm；CCD攝像機(jī)有效像素為1024×1024，采用高速cameralink接口，幀頻30幀/s。被檢工件為環(huán)形磁鋼，如圖5所示。磁鋼規(guī)格：直徑66mm，壁厚3mm。

檢測(cè)要求：磁鋼質(zhì)量分布均勻，內(nèi)部不允許有氣孔、裂紋。

圖5 被檢工件Fig.5 Detected workpiece

圖6 無補(bǔ)償時(shí)被檢工件圖像Fig.6 Image of detected workpiece without compensation

圖7 補(bǔ)償后被檢工件圖像Fig.7 Image of detected workpiece after compensation

4.2 檢測(cè)結(jié)果

圖6和圖7為磁鋼工件X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)檢測(cè)照片，圖6為無補(bǔ)償時(shí)的磁鋼檢測(cè)圖片，從圖中可以看出，圖像產(chǎn)生了明顯的畸變，這樣對(duì)于判斷是否存在缺陷和缺陷尺寸的測(cè)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。圖7為有補(bǔ)償時(shí)的磁鋼檢測(cè)照片，通過對(duì)四個(gè)補(bǔ)償線圈的控制，降低了磁鋼對(duì)圖像增強(qiáng)器的影響，圖像的幾何畸變大大降低，明顯減低了圖像的幾何失真度，有利于判定缺陷的位置與大小，符合檢測(cè)要求的范圍。

5 結(jié)論

通過分析X射線圖像增強(qiáng)器在磁場(chǎng)影響下，圖像產(chǎn)生幾何畸變的原因，設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償器解決了磁性工件在 X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)過程中的圖像畸變。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償，可以降低磁性工件對(duì)X射線圖像增強(qiáng)器的影響，經(jīng)過補(bǔ)償后的圖像，失真度降低，得到更加易于判定缺陷位置和大小的圖像。該方法不僅適用于文中所檢測(cè)工件，同樣適用于大多數(shù)磁性工件的X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)，由于此項(xiàng)技術(shù)具有投入成本低、檢測(cè)效率高、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在X射線檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］劉念聰，方方.無損檢測(cè)中X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的研究［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（4）：67-70.

［2］鄭世才.射線檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］孫忠誠，靳樹永，孫茂林.圖像增強(qiáng)器式線陣列X射線數(shù)字成像系統(tǒng)［J］.無損檢測(cè)，2009，31（4）：267-272.

［4］潘俊杰，趙寶升，賽小鋒，等.影響X射線像增強(qiáng)器分辨率的因素分析［J］.光子學(xué)報(bào)，2008，37（6）：1116-1118.

［5］梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［6］金娜，陳保東，韓莉，等.管道焊接前消磁方法.管道技術(shù)與設(shè)備，2009（5）：42-43.

［7］唐彥林，翁繼紅.雙面螺旋埋弧焊鋼管的交流消磁［J］.焊管，2004，27（4）：43-44.