在工业无损检测（NDT）领域，射线检测（Radiographic Testing, RT）是揭示材料与构件内部结构、发现隐藏缺陷的关键技术。其核心在于利用具有穿透能力的射线源，如同拥有一双能够“透视”物体的眼睛。本文将系统性地剖析工业应用中三大主流射线源——X射线机、γ射线设备和高能X射线源（加速器）的技术原理、结构特性与应用考量。
工业射线检测中，低能X射线机因其能量、强度可调，使用灵活，成为应用最广泛的设备。其系统通常由四个基本单元协同工作：X射线管、高压发生器、冷却系统和控制系统。
图1 X射线机工作原理示意图（1—灯丝变压器 2—高压变压器 3—X射线管 4—X射线）
根据结构和应用场景，X射线机主要分为便携式、移动式和固定式三类。
图2 便携式X射线机
图3 移动式X射线机
图4 固定式X射线机
不同类型的设备在结构、功率和适用性上存在显著差异，具体见表1。
表1 X射线机的类型与特点
| 类型 | 结构特点 | 最高管电压/kV | 管电流 |
|---|---|---|---|
| 便携式 | X射线管与高压发生器集成于一体，构成射线发生器（机头）。整机由发生器和控制箱组成，通过低压电缆连接。轻便、小巧，适合现场检测。 | ≤320 | 通常固定为5mA |
| 移动式 | X射线管、高压发生器、冷却系统、控制箱等部件分离，通过高压电缆连接。各部分集成在小车上，便于在车间内移动。 | ≤160 | 可调节，随焦点尺寸变化 |
| 固定式 | 部件分离，通过高压电缆连接。高压发生器和冷却系统功能强大，能保证长时间稳定工作。设备笨重，不宜移动，功率和穿透能力最强。 | 600 | 可调，随焦点尺寸变化，可达几十毫安 |
各类设备的性能参数决定了其应用范围，例如穿透能力、成像质量等。表2和表3分别列举了典型的便携式和固定式X射线机的主要性能指标。
表2 典型便携式X射线机的主要性能
| 主要性能项目 | 160kV系列 | 200kV系列 | 225kV系列 | 300kV系列 |
|---|---|---|---|---|
| 管电压/kV | 10～160 | 60～200 | 70～225 | 50～320 |
| 管电流/mA | 2.0～6.0 | 0.5～4.5 | 0.5～4.0 | 0.5～3.0 |
| 最大功率/W | 640 | 900 | 900 | 900 |
| 焦点尺寸/mm | 1.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 |
| 辐射锥束角/(°) | 40×40 | 40×40 | 40×55 | 40×55 |
| 管头重量/kg | 21.5 | 26.5 | 27.8 | 33.0 |
| 管头漏泄辐射/(mSv/h) | <2.5 | <10 | <10 | <10 |
| 标准电缆长度/m | 25 | 25 | 25 | 25 |
| 阳极冷却方式 | 水 | 空气 | 空气 | 空气 |
| 最大穿透厚度（钢）/mm ① | 18 | 30 | 36 | 54 |
| ① 条件：最高管电压，C5胶片，焦距700mm，曝光量20mA·min，铅增感屏0.02mm，黑度=2.0，按EN12543标准测定。 |
表3 典型固定式X射线机的主要性能
| 主要性能项目 | 160kV系列 | 225kV系列 | 320kV系列 | 450kV系列 |
|---|---|---|---|---|
| 管电压/kV | 8～160 | 10～225 | 15～320 | 60～450 |
| 焦点尺寸/mm | 1.0/3.0 | 1.0/5.5 | 3.0/5.5 | 2.5/5.5 |
| 最大功率/kW | 0.64/1.6 | 0.64/3.0 | 1.5/4.2 | 0.9/4.5 |
| 最大管电流/mA | 4.0/19.0 | 2.8/13.0 | 4.5/13.0 | 2/10 |
| 辐射锥束角/(°) | 40 | 40 | 40 | 40 |
| 管头重量/kg | 8 | 11 | 40 | 95 |
| 管头漏泄辐射/(mSv/h) | <2.5 | <5.0 | <10 | <10 |
| 阳极冷却方式 | 水 | 水 | 油 | 油 |
| 标准高压电缆长度/m | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 最大穿透厚度（钢）/mm ① | 26 | 43 | 62 | 90 |
| ① 条件：最高管电压，C5胶片，焦距700mm，曝光量20mA·min，铅增感屏0.02mm，黑度=2.0，按EN12543标准测定。 |
X射线管的内部结构设计直接决定了射线的质量和设备的性能。
图5 X射线管基本结构示意图（1—壳体 2—聚焦杯 3—阴极灯丝 4—窗口 5—阳极靶 6—阳极）
阳极 (Anode)：作为高速电子的“靶子”，阳极负责在撞击下产生X射线。它由高导热性的阳极体（通常为无氧铜）和镶嵌其上的阳极靶（通常为高熔点的钨）构成。阳极罩（常用铜制作）用于吸收二次电子，并设有窗口引导产生的X射线辐射出去。为满足不同检测需求，阳极靶有平面靶、锥形靶、旋转阳极和棒状阳极等多种设计。
阴极 (Cathode)：作为电子的“发射源”，阴极由钨丝制成的灯丝和用于约束电子束形状的聚焦杯组成。灯丝和聚焦杯的几何形状、尺寸及相对位置，共同决定了X射线管的焦点大小。
壳体 (Housing)：用于封装阳极和阴极并维持高真空环境。材料从传统的硅酸硼硬化玻璃，发展到性能更优的波纹陶瓷和金属陶瓷（不锈钢管壳与陶瓷绝缘），以适应更高的功率和更恶劣的工作环境。
图6 部分X射线管结构示意图
图7 微焦点X射线管结构示意图（1—阳极 2—静磁聚焦 3—准直线圈 4—预加速和静电聚焦 5—阴极）
焦点是射线成像质量的决定性因素之一。我们通常所说的“焦点”，指的是有效焦点，即阳极靶上实际受电子轰击的区域（实际焦点）在垂直于射线束中心方向上的投影。
图8 实际焦点与有效焦点的关系
有效焦点的尺寸并非一成不变，它会随着管电压和管电流的改变而发生变化。
图9 焦点尺寸随工作参数变化的基本特点
根据尺寸，焦点可分为：
精确测量焦点尺寸对评估和保证成像质量至关重要。常用的测量方法有扫描法、针孔法、缝形法、圆柱边界法和丝球边界法。
表4 焦点尺寸测量方法的适用范围（基于EN12543:1999）
| 方法 | 适用测量焦点尺寸/mm | 适用X射线机电压/kV | 应用 |
|---|---|---|---|
| 扫描法 | ≥0.1 | ≤500 | 测量焦点尺寸 |
| 针孔法 | ≥0.2 | ≤500 | 测量焦点尺寸 |
| 缝形法 | ≥0.1 | ≤500 | 测量焦点尺寸 |
| 圆柱边界法 | ≥0.5 | ≤500 | 核查焦点尺寸 |
| 丝球边界法 | 0.005～0.3 | ≤225 | 测量焦点尺寸 |
在日常检测中，针孔法因其操作相对简便而被广泛采用。该方法利用一个精确制作的针孔板对焦点进行成像，通过测量像的大小来确定焦点尺寸。
图10 针孔板的主要结构
表5 针孔板尺寸的主要规定
| 焦点尺寸/mm | 针孔板孔径φ/mm | 针孔板孔高度h/mm |
|---|---|---|
| ≤1.0 | 0.030 ± 0.005 | 0.075 ± 0.010 |
| ≥1.1 | 0.100 ± 0.005 | 0.500 ± 0.010 |
针孔法的测量布置和参数设定需遵循标准规范，以确保结果的准确性。
图11 针孔法的基本透照布置
表6 针孔法测量焦点尺寸的主要规定
| 焦点尺寸 /mm | 测量的透照布置 | 测量的透照参数 |
|---|---|---|
| 焦点至针孔板距离/mm | 放大倍数 | |
| 0.3～1.2 | >100 | ≥3 |
| 1.2～2.5 | >100 | ≥2 |
| >2.5 | >100 | ≥1 |
实践中也可以采用简易的小孔板进行日常的焦点尺寸核查。
图12 简易小孔板的基本结构与实际测得的焦点图像
X射线管的输出特性由其内部物理过程决定，理解这些特性有助于优化检测参数。
灯丝发射特性：在管电压一定时，管电流随灯丝电流的增加而增加。但对于同一灯丝电流，较低的管电压会限制管电流的输出，即存在空间电荷效应。
图13 灯丝发射特性曲线
阳极特性曲线：在灯丝电流一定时，管电流随管电压的增加而增加，但最终会达到一个饱和值，此时所有从阴极发射的电子都被阳极接收。
图14 阳极特性曲线
转换效率与辐射强度：X射线的产生效率与管电压正相关，但即便是高能量下，效率也仅有百分之几。
图15 X射线转换效率与管电压的关系
X射线的辐射强度(I)与管电流(i)成正比，与管电压(V)的平方近似成正比，并与靶材料的原子序数(Z)有关。同时，强度随与焦点距离(F)的平方成反比，这就是平方反比定律。
I ≈ (α · Z · i · V²) / F²
其中α为比例常数。
图16 管电流、管电压与原子序数对谱强度的影响
此外，射线强度在空间分布上并非均匀，存在所谓的“侧倾效应”（Heel Effect），即阳极侧的射线强度低于阴极侧。
图17 侧倾效应示意图
负载特性：该特性曲线定义了X射线管在不同焦点下安全工作的管电压和管电流组合范围，是设定曝光参数的重要依据。
图18 典型的X射线管负载特性（A—大焦点，B—小焦点）
X射线机的高压电路主要分为自整流电路和非自整流电路。自整流电路结构简单，利用X射线管自身单向导电性整流，常见于便携式设备。非自整流电路则设置了独立的整流器件，能提供更稳定的电压波形，提高输出效率。
图19 典型的自整流高压电路
图20 典型的非自整流高压电路
选用X射线机时，需综合考虑管电压范围、焦点尺寸、辐射角、管电流范围、工作方式（便携/固定）等因素。核心是管电压，它直接决定了射线的穿透能力，从而决定了设备适用的被检材料和厚度范围。
与X射线机不同，γ射线设备利用放射性同位素自发衰变产生的γ射线进行检测。其能量固定但穿透力强，且设备不需外接电源，尤其适合野外和移动作业。
典型的γ射线设备主要由源组件、源容器、驱动机构、输源管和附件构成。
图21 γ射线机结构示意图（1—驱动机构 2、5—输源管 3—源组件 4—源容器 6—照射头）
图22 典型S通道式γ射线源容器结构示意图
工业上常用的γ射线源包括 60Co、192Ir、75Se、170Tm 等。137Cs 源因特定原因已逐渐被淘汰。
表7 常用γ射线源的特性
| 核素 | 半衰期 | 衰变方式 (分支比,%) | 辐射能量/MeV | Kγ (单位2) | 适宜透照厚度 (钢)/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| 60Co | 5.26年 | β⁻(100) | γ: 1.1732; 1.3324 | 1.32 | 40~200 |
| 192Ir | 74天 | β⁻(95.22), ε(4.78) | γ: 0.2959; 0.3084; 0.3165; 0.4680 | 0.48或0.55 | 20~100 |
| 75Se | 120天 | ε(100) | γ: 0.2646; 0.1211; 0.1360; 0.2795 | 0.194 | 10~40 |
| 170Tm | 130天 | β⁻(>99), ε(<1) | γ: 0.0842; X: 0.05239 | 0.0012 | 1～12 |
| 169Yb | 32天 | ε(100) | γ: 0.1979; 0.0631; 0.1772 | 0.108 | — |
| 137Cs/137mBa | 30.17年 | β⁻(100) | γ: 0.6616 | 0.32 | (已淘汰) |
| 注：单位2为 R·m²/(h·Ci)。 |
图23 部分放射性同位素衰变示意图
选择γ射线源时，主要考虑其能量（决定穿透力）、放射性活度（决定剂量率）、半衰期（决定使用寿命）和源尺寸（影响几何不清晰度）。由于放射性衰变是自发过程，源的活度会随时间按指数规律减小，这是在使用中必须计算和修正的。
当需要检测特厚或高密度工件时，常规X射线机的能量便显得力不从心。此时，需要借助加速器来产生更高能量的X射线。其原理是利用电磁场将带电粒子（主要是电子）加速到极高能量，然后轰击靶材，通过轫致辐射效应产生高能X射线。
根据加速原理和粒子轨迹，工业NDT中常用的加速器主要有以下几类。
表8 加速器简要分类
| 类型 | 加速原理 | 可加速粒子 |
|---|---|---|
| 高压加速器 | 带电粒子通过高压电势差直接加速 | 电子、质子、重离子等 |
| 直线加速器 | 带电粒子沿直线在微波电场中分段加速 | 电子、质子等 |
| 涡旋电场回旋加速器 | 粒子在电磁感应产生的涡旋电场中回旋加速 | 电子 |
| 高频电场回旋加速器 | 导向磁场使粒子回旋运动，多次通过高频电场加速 | 电子、质子、重离子等 |
电子直线加速器利用行波或驻波电磁场对电子进行直线接力加速。电子以一定初速注入加速管，与电磁场同步运动，不断从中获取能量，最终达到所需的高能量。
图24 行波电子直线加速器结构示意图（1—电子枪 2—加速管 3、5—离子泵 4—吸收负载 6—隔离器 7—磁控管）
表9 典型电子直线加速器的主要性能
| 能量 /MeV | 焦点 /mm | X射线输出 / [C/(kg·min)] ① | 1m处的辐照场/cm |
|---|---|---|---|
| 2 | 1～2 | 0.77～5.16×10⁻² (30～200) | 30～80 |
| 4 | 1～2 | 5.16～10.3×10⁻² (200～400) | 30～40 |
| 8 | 1～2 | 2.03～5.16×10⁻¹ (800～2000) | 30～60 |
| 12 | 1～2 | 0.516～1.548 (2000～6000) | 30～40 |
| 15 | 1～2 | ≈1.548 (～6000) | 30～40 |
| 25 | ～1 | ≈1.548 (～6000) | ≈10 |
| ① 括号内数值的单位为 R/min。 |
电子感应加速器利用变化的磁场产生涡旋电场，使电子在环形真空管中边作回旋运动边被加速。当能量达到预定值时，电子被引出撞击靶材。
图25 电子感应加速器主体结构示意图（1—阴极 2—环形加速器管 3—阳极 4—磁化线圈 5、6—磁场 7—辅助线圈）
表10 典型电子感应加速器的主要性能
| 能量 /MeV | 焦点 /mm | X射线输出 /[C/(kg·min)] ① (1m处) |
|---|---|---|
| 15 | 0.2×0.2 | 2.58~5.16×10⁻² (100~200) |
| 24 | 0.2×0.2 | 2.58~14.9×10⁻² (100~500) |
| 31 | 0.2×0.2 | 2.58~5.16×10⁻² (100~200) |
| 45 | — | ≈3.23×10⁻² (≈125) |
| ① 括号内数值的单位为 R/min。 |
电子回旋加速器利用恒定磁场使电子沿螺旋线轨迹运动，每次经过高频电场间隙时被加速，能量逐步提高，最终引出撞靶。
图26 电子回旋加速器结构示意图（1—真空室 2—磁铁 3—谐振腔 4—波导管 5—铁氧体 6—磁控管 7—电子发射极 8—高真空泵 9—引出管）
从X射线机到加速器，射线源技术的演进极大地拓展了射线检测的应用边界。正确理解并选择合适的射线源，是确保检测质量、效率和安全的前提。这不仅需要对设备性能有深入了解，更要求对检测对象的材料、厚度、结构复杂性以及检测标准有精准的把握。因此，要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对设备选型、参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。
精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测工业射线检测与失效分析，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636
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