计算射线照相（CR）技术：原理、系统构成与应用实践

在无损检测领域，从传统胶片射线照相（RT）向数字化成像的演进中，计算射线照相（Computed Radiography, CR）技术扮演了至关重要的角色。它作为一种成熟的数字射线检测技术，通过使用可重复利用的储存荧光成像板（Storage Phosphor Imaging Plate，简称IP板）取代传统胶片，彻底改变了工业检测的工作流程与效率。

这项技术最初在20世纪70年代中期随着IP板的发明而诞生，并率先在医疗领域得到广泛应用。到了90年代后期，其独特的优势使其成功跨界至要求严苛的工业无损检测领域。如今，无论是美国材料试验学会（ASTM）还是欧洲相关标准组织，都已针对CR技术的方法导则、系统分类、性能稳定性评估及具体应用制定了详尽的规范。

CR技术的核心原理：光激发射荧光效应

CR技术的物理基础在于特定荧光材料的光激发射荧光（Photostimulable Luminescence, PSL）效应。其工作过程可以理解为一个“能量储存与释放”的循环：

1. 能量捕获与储存：当高能射线（如X射线或γ射线）穿透被检工件并照射到IP板上时，IP板荧光层中的荧光物质（通常是经二价铕激活的氟卤化钡）会吸收射线能量。这些能量使部分电子跃迁至较高能带并被“俘获”，形成一种被称为光激发射荧光中心（PLC）的亚稳态结构。这些被俘获的电子所携带的能量信息，共同构成了一幅储存在IP板上的“潜在图像”，其能量分布与穿透工件的射线强度分布成正比。

2. 能量释放与读取：在图像读取阶段，一束特定波长的激光束（如630 nm）会精确地扫描整个IP板。当激光能量作用于光激发射荧光中心时，被俘获的电子获得足够能量，跃迁回其初始能级。在回落过程中，电子会以发射可见光（如390 nm左右的蓝紫色荧光）的形式释放之前储存的能量。

3. 信号转换与成像：发射出的荧光强度与该点最初吸收的射线剂量成正比。这些微弱的荧光信号被光导系统收集，并送入光电倍增管（PMT）中转换成模拟电信号。该信号再经过A/D转换器数字化，最终形成一幅可供计算机处理和显示的数字图像。

解构CR系统：三大核心组件

一个完整的CR系统由三个协同工作的部分组成：IP成像板、图像读出器（扫描器）和控制软件。

1. IP成像板：数字图像的载体

IP板是CR技术的核心耗材，其多层结构设计旨在最大化成像性能和耐用性。

图1 IP板的结构示意图

• 保护层：一层极薄的聚酯树脂类纤维，用于保护下方的荧光层免受划伤、磨损等外界物理损伤。
• 荧光层：这是IP板的功能核心，由具有光激发射荧光特性的物质（如氟卤化钡）构成，负责吸收射线能量并储存潜在图像。
• 支持层：通常由聚酯树脂类纤维胶制成，为柔软的荧光层提供必要的机械强度和支撑，防止其在外力作用下变形或损坏。
• 背衬层：通常为黑色，其主要作用是吸收扫描时可能穿透荧光层和支持层的激光，防止在界面处发生反射，从而避免对图像信号造成干扰。

2. 扫描器：从潜在图像到数字信号

扫描器（或称图像读出器）是实现图像从IP板“转移”到计算机的关键设备。

图2 扫描图像读出的基本过程

一个功能完备的工业级扫描器通常能自动完成整个流程：打开暗盒 → 定位IP板 → 扫描读取图像 → 强光擦除IP板上的残余图像 → 重新定位IP板 → 关闭暗盒 → 退出暗盒。整个过程高度自动化，例如，对于一块35 cm × 43 cm的成像板，若采用100 μm的激光束扫描，整个读出过程可在1分钟内完成。

扫描器的性能直接影响最终的图像质量。其核心性能指标包括激光束功能、图像拾取功能和输送机构功能。任何一个环节出现问题，都可能导致图像出现不均匀、模糊、几何畸变等伪影。

3. 软件系统：控制与分析的大脑

数字图像软件是CR系统的指挥中心。它不仅控制着扫描器的读出过程和数字图像文件的生成，还为用户提供了强大的后处理能力，如图像增强、滤波、伪彩、测量和评定等，极大地改善了图像质量和缺陷可识别性。

CR系统性能评价与分类

为了量化评价一套CR系统的成像能力，并指导用户根据应用需求进行选择，行业标准定义了两个关键性能指标：信噪比（SNR）和基本空间分辨力（SR）。

• 信噪比 (SNR)：衡量图像信号强度与噪声水平的相对关系，直接关系到图像的“干净”程度和对低对比度缺陷的识别能力。其计算式为： SNR_N = I_meas / σ_PSI,100 其中，I_meas 是读出强度的平均值，而 σ_PSI,100 是在基本空间分辨力为100 μm条件下测得的读出强度噪声的标准差。

• 基本空间分辨力 (SR)：表征系统分辨微小细节的能力，可以看作是系统的有效像素尺寸。它通常定义为CR图像不清晰度值的1/2，或通过测量系统的调制传递函数（MTF），取其调制度下降至20%时的空间频率值的倒数的1/2来确定。 SR = 1 / (2 * MTF_20%) 测量时通常使用双丝像质计或楔型线对卡。

基于这两个核心指标，不同标准对CR系统进行了分类。例如，欧洲标准EN 14784-1和美国标准ASTM E2446就给出了如下分类体系。

表1 IP板的分类

IP板类型的表示方式为 IP X/Y，其中 X 是类别代号，Y 是系统能达到的最大基本空间分辨力（单位μm）。例如，IP II/100 表示一个II类系统，其最低规格化信噪比不小于52，系统最大基本空间分辨力为100 μm。

一个重要的概念是，系统分类并非仅针对IP板本身。一套CR系统的最终性能等级，是IP板、扫描器、曝光条件和扫描参数共同作用的结果。因此，使用同一块IP板，通过调整其他条件，完全可能构成不同类别的CR系统。

确保可靠性：CR系统性能的长期稳定性

随着使用时间的推移，CR系统的各项性能可能会发生漂移。因此，定期的性能核查与鉴定是确保检测结果长期稳定可靠的必要措施。

表2 CR系统性能长期稳定性鉴定要求

对CR系统进行如此细致的长期性能核查，确保了检测结果的稳定可靠，但这需要专业的设备与经验。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，专业检测射线检测、工业CT检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

CR检测技术的实践与控制

CR技术的检测流程在宏观上与传统胶片照相类似，主要包括透照、IP板读出和图像评定三个环节。但其核心差异在于用IP板和扫描器替代了胶片和暗室处理。

图3 CR技术检测的主要过程

在实际应用中，CR技术的控制同样需要遵循严格的标准，主要涉及技术级别、IP系统选择、透照布置、曝光参数、散射线防护和图像质量要求等方面。

欧洲标准将CR技术分为 A级（基本技术） 和 B级（高级技术）。IP系统的选择则需根据被检工件的材料与厚度、射线源类型与能量以及所选的技术级别来综合确定。下表为不同工况下的IP系统选择提供了详细的指导。

表3 钢、铜、镍基合金应选择的IP系统与增感屏

表4 铝与铝合金、钛与钛合金应选择的IP系统与增感屏

除了像质计灵敏度，CR图像还需控制最大不清晰度、像素尺寸、最小信噪比SNR和最小读出强度等参数。

表5 CR图像的最大不清晰度与像素尺寸的最低要求

图4 分辨力识别要求

表6 CR图像的信噪比与最小读出强度的最低要求

技术特点、局限性与应用前景

相较于传统的胶片射线照相，CR技术展现出鲜明的特点：

1. 高效率与低剂量：曝光量可显著减少10%至60%甚至更多，大幅提升检测效率并降低辐射安全风险。
2. 宽动态范围：CR系统的动态范围远超胶片，能够在一张图像上同时清晰显示厚度差异巨大的区域，避免了多次曝光的繁琐。
3. 全数字化工作流：直接生成数字图像文件，便于存储、传输、分析和归档，实现了无缝的数字化管理。

然而，CR技术也存在其固有的局限性。目前CR系统的本征空间分辨力普遍低于高精细度的工业胶片。因此，在检测薄壁工件中的微小裂纹等对分辨率要求极高的场景下，其检测能力可能尚不及传统胶片技术。

尽管如此，凭借其综合优势，CR技术已在石油、电力、化工、核工业、航空航天等关键领域获得成功应用，例如飞机结构件、发动机叶片、管道腐蚀壁厚测量（精度可达0.2-0.3 mm）以及桥梁结构健康监测等。它作为连接传统射线检测与全数字成像时代的桥梁，其价值与应用前景依然广阔。