射线实时成像检测技术：原理、系统构成与核心器件深度解析

技术概述

射线实时成像检测，顾名思义，是一种能够即时获取并显示物体内部图像的无损检测技术。其核心在于利用电子学成像方法，在射线穿透被检物体的同时，同步生成并呈现动态或静态的透视图像。

这项技术的发展几乎与传统的射线照相术同步。其早期形态可追溯到采用荧光屏的检测系统，通过荧光物质将X射线的强度分布直接转化为人眼可见的图像。进入20世纪50年代，电视系统的引入实现了图像的电子化采集与远程监视。不久后，图像增强器的诞生极大地提升了系统的亮度和增益。自70年代起，随着数字图像处理、投影放大等技术的融入，射线实时成像的工业应用价值被彻底激活。

然而，技术演进的脚步并未停歇。针对图像增强器系统空间分辨力不足的瓶颈，90年代以来，以平板探测器、线阵列探测器和扫描源探测器为代表的新一代系统应运而生。它们凭借更宽的动态范围和更高的空间分辨力，在工业领域取得了卓越的应用效果。

如今，射线实时成像技术的应用已渗透到三大关键领域：

1. 安全检查：在机场、车站、海关等场所，它已成为包裹、货物检查不可或缺的核心手段。
2. 医疗诊断：作为最早的应用领域之一，实时射线成像至今仍是重要的医疗诊断工具。
3. 工业无损检测：应用范围极其广泛，涵盖了轮胎、弹药装药、焊缝、铸件等关键部件的质量控制。特别是在电子工业，微焦点实时成像技术对于印制电路板（PCB）、集成电路（IC）的内部缺陷检测至关重要，甚至可以实现层析成像（CT），为失效分析提供更深层次的洞见。

射线实时成像检测系统

1. 系统基本构成

在工业无损检测应用中，一套典型的射线实时成像检测系统通常由五个核心部分组成：射线源、机械装置、射线探测器、图像处理部分和控制部分。其系统构成如图1所示。

图1 射线实时成像检测系统组成示意图 (1—射线源 2—机械装置 3—射线探测器 4—图像处理部分 5—控制部分 6—工件)

• 射线源：可以是X射线机、γ射线源或加速器。不同的检测对象需要匹配不同能量和特性的射线源，工业检测中以X射线机最为常用。
• 机械装置：这是实现灵活检测的关键。通过精密的多轴机械运动，可以改变工件与射线的相对位置和角度，从而获取不同部位、不同方向的透视图像。对于扫描式成像系统，机械装置的性能直接决定了最终的成像质量。
• 射线探测器：系统的“眼睛”，负责将穿过工件的射线信号转换为可供处理的电信号或光学信号。其性能是整个系统性能的基石。探测器的核心是灵敏介质，主流的探测器技术包括：
  • 气体探测器：利用射线使气体电离的原理工作。
  • 闪烁探测器：利用射线激发闪烁体发光的效应。
  • 半导体探测器：利用射线在半导体中产生电子-空穴对的原理。 目前，工业系统主要采用荧光材料、闪烁晶体和半导体材料作为灵敏介质。
• 图像处理部分：由计算机及专用软件构成，负责对探测器采集的原始信号进行模数（A/D）转换，并通过一系列算法（如降噪、增强）优化图像质量，最终进行显示和存储。
• 控制部分：系统的“大脑”，通过软件、计算机和执行机构，协调控制上述所有部件协同工作。

当前工业界主流的系统类型主要包括图像增强器系统、平板探测器系统和线阵列探测器系统。

2. 图像增强器实时成像系统

这是工业领域应用历史较长且仍在部分行业使用的主要系统之一。其核心部件是图像增强器，它取代了早期的简单荧光屏，作为射线探测和信号转换的核心。系统构成如图2所示。

图2 图像增强器实时成像检测系统 (1—射线源 2—机械装置 3—图像增强器 4—图像处理单元 5—工件)

其工作流程是：射线穿过工件后，由图像增强器将射线图像转换为亮度增强的可见光图像，再由后端的光学系统和摄像机采集，传送给图像处理单元。

相较于早期技术，该系统的主要进步在于：

1. 采用图像增强器，实现了高效率的图像转换和亮度增益。
2. 配合小焦点或微焦点射线源，可通过投影放大方式提高分辨率。
3. 引入数字图像处理技术，显著改善了图像质量。

然而，图像增强器系统的主要短板在于空间分辨力不高。在实际检测中，其分辨力通常不高于 2 Lp/mm，即使是性能较好的系统也仅能达到 3.5 Lp/mm。这一限制使其在需要精细缺陷识别的应用（如焊缝、精密铸件检测）中显得力不从心。

3. 平板探测器（FPD）实时成像系统

为了突破图像增强器的分辨力瓶颈，基于非晶硅（a-Si）或非晶硒（a-Se）的大面积平板探测器应运而生。这类探测器能将射线信号直接或间接地转换为数字信号，省去了中间的光学转换和摄像采集过程，极大地简化了系统结构并提升了性能。系统构成如图3所示。

图3 平板探测器实时成像检测系统组成示意图 (1—射线源 2—机械装置 3—平板探测器 4—图像处理单元 5—工件)

平板探测器系统能够同时提供高分辨力和大动态范围。其系统空间分辨力可达 4-5 Lp/mm，动态范围超过2000:1。在电子器件检测等领域，配合微焦点射线源，放大12-25倍后可清晰观察到25μm的细微结构。

4. 线阵列探测器实时成像系统

线阵列探测器可以看作是平板探测器的一维形态，同样属于半导体探测器。由于其形态为“线”状，因此必须通过机械扫描的方式，逐行采集数据，最终拼接成一幅完整的二维图像。系统构成如图4所示。

图4 线阵列射线实时成像检测系统构成示意图

扫描成像的工作方式带来了一个显著优势：由于探测器前方通常配有准直器，可以极大地抑制散射线对成像的干扰，从而获得信噪比非常高的图像。目前，工业级线阵列扫描系统的空间分辨力可达到 6 Lp/mm，甚至更高。

5. 扫描源实时成像检测系统

这是一种结构较为特殊的系统。它采用一个特制的X射线管，管内的电子束可以扫描一个大面积靶面，从而产生一个移动的X射线焦点，构成扫描式射线源。检测时，通常采用反向几何布局，即探测器固定，射线源移动扫描。系统布置如图5所示。

图5 扫描源实时成像检测系统检测布置示意图 (1—特殊射线源 2—电子束 3—射线探测器 4—工件)

这种布置同样能有效减少散射线。其图像分辨力主要取决于X射线扫描点的尺寸，目前可小至50μm。若配置两个探测器，还可实现立体成像。该技术目前多处于试验研究阶段，已研制出便携式系统。

6. 微焦点射线实时成像检测系统

在电子工业中，微焦点系统是检测PCB、IC及其他电子元器件内部质量的关键设备。其核心是焦点尺寸达到微米级的X射线源。

典型技术指标如下：

• 射线源焦点尺寸：通常为 2μm，最小可达 1μm。
• 最大管电压：约 160kV。
• 最大管电流：约 200μA。
• 射线探测器：常采用图像增强器或平板探测器。

极小的焦点尺寸允许系统在极高的几何放大倍率下工作，从而获得极高的细节分辨能力。通过工件的摆动或旋转，系统还能获取对象的层析图像（CT），对焊点、内部连线等三维结构进行精准的质量判断。

射线探测器详解

射线探测器是系统的核心，其性能直接决定了成像质量。我们将深入探讨其材料、工作原理和主要器件类型。

1. 探测器材料与性能

用于将射线转换为可测量信号的敏感材料主要分为三类：荧光物质、闪烁晶体和半导体材料。前两者通常统称为闪烁体。

• 闪烁体（荧光物质与闪烁晶体）：这类材料能将高能射线的能量直接转换为可见光（荧光）。常用材料及其特性见表1和表2。图6展示了部分荧光屏材料的发射光谱。

表1 常用荧光物质的主要特性

表2 常用闪烁晶体的主要特性

注：① 碘化钠转换X射线为光的效率约为 15%，其他材料数据以其为 100%。 ② 信号衰减到最大强度的 37% 所需的时间。

图6 部分荧光屏材料的发射光谱特性 (P-11—ZnS(Ag), P-20—ZnCdS(Ag), P-31—ZnS(Cu))

• 半导体材料：这类材料利用PN结将射线能量直接转换为电荷。常见的光电导材料及其特性见表3。

表3 光导材料的主要特性

注：① 光照后，信号出现所需时间。

2. 射线转换过程

(1) 闪烁体

闪烁体将射线能量转换为荧光的过程属于光致发光。对于无机闪烁体，其发光机制与晶体的能带结构密切相关。纯净晶体中，电子被束缚在价带，导带是自由运动区，两者之间是禁带。通过掺入杂质（激活剂），可在禁带中引入新的能级。

当射线入射时，其能量激发激活剂，使其电子跃迁到激发态。当电子从激发态返回基态时，会以光子的形式释放能量，形成荧光辐射（如图7）。闪烁体的发光分为荧光（激发停止后发光立即中止，持续时间10^-8~10^-5s）和磷光（激发停止后仍能持续发光一段时间）。

图7 无机闪烁体发光过程示意图

(2) 半导体

半导体探测器本质上是一个以半导体为介质的固体电离室，通常是一个反向偏压的PN结二极管。在PN结区，内建电场会清空载流子，形成一个“耗尽层”，这就是探测器的灵敏区域。施加反向偏压可以进一步扩大耗尽层的宽度。

当射线入射到耗尽层时，其能量会产生大量的电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴向相反方向漂移，在外部电路中形成可测量的脉冲信号，从而实现对射线的探测（如图8）。

图8 利用光伏效应实现射线转换的原理图

3. 主要的射线探测器件

(1) 图像增强器

图9和图10展示了图像增强器的外形和基本结构。它主要由射线窗口、输入屏、聚焦电极和输出屏等部件封装在真空外壳内构成。

图9 图像增强器的外形图

图10 图像增强器结构示意图

其内部信号转换链条如下： 射线 → 荧光（输入屏）→ 电子（光电阴极）→ 荧光（输出屏）

• 输入屏：由基板、闪烁体层和光电阴极层构成（图12）。闪烁体通常采用针状结构的碘化铯（CsI）晶体（图13），这种结构类似光纤，能有效抑制光漫射，保持图像的清晰度。光电阴极层则负责将荧光转换为电子。
• 聚焦电极：施加25~30kV的高压，将光电阴极发射的电子加速并聚焦到输出屏上。
• 输出屏：涂有荧光材料（如P20），当高速电子轰击时，会发出高亮度的可见光图像。

图11 图像增强管结构示意图

图12 输入屏结构示意图

图13 CsI针状结构SEM图（右为放大图）

图像增强器的性能直接影响系统表现，表4给出了某型号产品的典型性能。一个值得注意的问题是，由于真空度的缓慢下降和材料老化，图像增强器的灵敏度会随时间推移而衰减。

表4 图像增强器的主要性能

(2) 半导体探测器

自20世纪90年代以来，半导体探测器凭借其在分辨力上的显著优势，已成为工业实时成像的主流。目前应用最广的是非晶硅（a-Si）平板探测器和线阵探测器。

图14 平板探测器的外形图

图15 平板探测器内部结构示意图

图16 线阵探测器（CMOS）的结构示意图

根据转换过程，半导体探测器可分为两类（图17）：

• 直接转换型：射线能量直接被半导体层（如非晶硒）吸收，并转换成电荷信号。
• 间接转换型：射线首先被一层闪烁体（如CsI）转换为可见光，然后再由下方的光电二极管阵列（如非晶硅）将光信号转换为电荷信号。

图17 半导体探测器的转换过程

图18 平板探测器原理

图19 线阵探测器工作原理图

典型平板探测器性能指标：

• 像素尺寸：~127μm × 127μm
• 动态范围：> 2000:1
• 成像时间：约 5s (包括数据校正)

典型线阵探测器性能指标：

• 线阵列尺寸：157 ~ 614mm
• 像素尺寸：~80μm (更小尺寸已有报道)
• 动态范围：> 2000:1
• 适用能量：20 ~ 450kV

图像基本特性与评价

一幅数字射线图像由像素阵列构成。评价其质量的核心指标是空间分辨力和对比度灵敏度。

1. 空间分辨力

空间分辨力（或称分辨率），表征图像识别微小细节的能力，常用单位 Lp/mm (线对/毫米) 或不清晰度 (mm) 表示。它决定了能够被识别的、垂直于射线束方向的缺陷的最小尺寸。通常我们讨论的是系统分辨力，即不含工件时系统自身的性能。实际检测中，由于工件散射等因素，带工件测得的分辨力会低于系统分辨力。

空间分辨力通常使用线对测试卡（图20）来测定。线对卡由高密度材料（如铅箔）制作的栅条和低密度基板构成。通过观察图像中恰好不能分辨的最小线对，来确定系统的分辨力值。

图20 线对测试卡的两种样式

线对值 P (Lp/mm) 与不清晰度 U (mm) 互为倒数： $$ U = /frac{1}{P} $$

表5 Typ56线对测试卡的分辨力值 (单位：Lp/mm)

注：① 标记为线对测试卡中线对上方的方块，标记号按图中从左至右顺序为1、2、…

2. 对比度灵敏度

对比度灵敏度，表征图像识别厚度差异的能力，通常用 ΔT/T 的百分比表示，其中 T 是透照厚度，ΔT 是可识别的最小厚度差。它决定了能够被识别的、沿着射线束方向的缺陷的最小尺寸。

该指标需使用特定材料和厚度的对比度灵敏度测试块（图21）进行测定。测试块上加工有不同深度的平底孔（如厚度的1%、2%、3%、4%），通过观察能稳定识别的最浅孔来确定对比度灵敏度值。

图21 对比度灵敏度测试块样式

3. 像质计灵敏度

在实际检测中，通常还使用常规射线照相中的像质计来综合评价和监控图像质量，其结果（像质计灵敏度）主要反映了图像的对比度灵敏度。

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理论基础与关键参数

1. 几何不清晰度 (U_g)

在投影放大成像中（图22），由于射线源焦点并非理想点源，会产生几何不清晰度。其计算式为： $$ U_g = /phi (M - 1) $$ 其中，φ 是射线源焦点尺寸，M 是透照放大倍数 (M = F/f, F为源到探测器距离，f为源到工件距离)。

图22 射线实时成像检测的透照布置

这个公式揭示了，放大倍数越大，几何不清晰度也越大。

2. 最佳放大倍数 (M₀)

总不清晰度U是几何不清晰度U_g和探测器固有不清晰度U_S的合成。为了获得最清晰的图像，需要找到一个最佳放大倍数M₀，使得总不清晰度U最小。

根据总不清晰度的不同合成模型，M₀的计算式也不同。 如果总不清晰度 $U^2 = U_g^2 + U_S^2$，则最佳放大倍数为： $$ M_0 = 1 + /left(/frac{U_S}{/phi}/right)^2 $$ 对于由像素单元构成的平板或线阵探测器，其固有不清晰度U_S可近似为两倍像素尺寸，即 $U_S = 2a$（a为像素尺寸）。

3. 可识别的缺陷最小尺寸 (d_min)

理论上，系统可识别的缺陷最小尺寸d_min与总不清晰度U和放大倍数M₀相关。一个常用的估算公式为： $$ d_{min} = /frac{U}{M_0^{2/3}} $$ 图23直观地展示了可识别缺陷尺寸与放大倍数、焦点尺寸等参数的关系，图中虚线标示了最佳放大倍数的位置。

图23 可识别缺陷最小尺寸与放大倍数等的关系

基本技术要求与图像处理

射线实时成像检测技术虽有其独特性，但许多基本原则与常规射线照相是相通的，如正确选择射线能量、透照方向，严格控制散射线等。其特殊要求主要体现在对最佳放大倍数的选择、动态扫描速度和定位精度的控制、数字图像处理以及系统性能的定期核查。

数字图像处理是提升图像质量、辅助缺陷判读的关键环节。常用的图像处理方法见表6。

表6 常用图像处理方法