目前，膠片射線照相檢測在核工業領域的無損檢測中仍占據主要地位，但X射線數字成像檢測技術已在相關研究和產品質量控制中表現出極佳的檢出能力，且在工序簡化、成本控制、數據存儲等方面具有較大優勢。可以預見X射線數字成像檢測技術將結合人工智能等技術得到進一步創新和應用。為此，文章簡要介紹了X射線數字成像檢測技術的分類、原理及特點，重點介紹了其在核工業領域的應用概況及未來的挑戰和發展。需指出，文章討論的僅包括利用X射線管或加速器從單一視角獲取圖像的標準射線檢測技術，從理論及應用基礎兩方面評估X射線數字成像檢測技術的實踐情況。 

1.   X射線數字成像檢測技術概述

1.1   技術原理

X射線穿透被檢物體，因物體內部結構、密度不同，對射線的吸收衰減也不同，使穿透后的射線強度出現差異，經成像元件轉換形成反映被檢物體內部狀況的影像。X射線數字成像檢測技術主要是指將成像板、熒光屏、圖像增強器、間接數字探測器及直接數字探測器作為成像元件的無膠片數字射線檢測（Digital radiographic testing，DRT）技術和膠片數字化掃描技術，其示意如圖1所示[1-2]。 

圖  1  X射線數字成像檢測技術示意

1.2   技術分類

膠片數字化掃描是對已曝光的膠片進行掃描，將膠片中的光學密度（Optical density，OD）信息轉化為數字化圖像的方法。膠片數字化掃描既不會改變膠片射線照相的作業流程，還可以解決膠片的保存問題，可融合人工智能與機器學習、大數據存儲和管理技術，開發遠程輔助評片及數據庫管理等功能。因此，鑒于其他技術路徑在核工業現場的實施難度較大、應用對比和驗證周期較長，可以將膠片數字化掃描做為并行發展的技術路線[3]。 

計算機射線（Computed radiography，CR）照相技術是將可重復使用的成像板（Imaging plate，IP）作為成像元件的X射線數字成像檢測技術。在應用中，CR最大的優勢是作業流程與膠片射線照相的類似，可以快速適應不同現場環境。其極寬的動態范圍可以將曝光時間縮短1/2以上，同時還適用于代替多膠片或者厚度補償的場景，且由于減少了化學藥劑的使用，CR能夠節省成本并提高生產力[4]。CR的缺點是圖像質量比膠片射線照相的稍差且無法實時成像。 

數字射線照相（DR）是以直接或間接探測器作為成像元件的數字化射線檢測技術。平板型間接探測器的技術指標對比如表1所示，以最常見的非晶硅探測器為例，其已實現像素尺寸優于100 μm，1×1像素幀率為5~20 fps的指標。此外，線陣列探測器像素尺寸可以優于50 μm，結合延時積分技術可滿足在線檢測系統對高速、高靈敏度、低噪聲和高分辨率的要求。在高能領域，結合CdWO4等閃爍體以及屏蔽設計可以保證極端輻射條件下的檢測可靠性。薄膜晶體管（Thin film transistor，TFT）采用聚亞酰胺等柔性基板作為襯底，可以實現柔性探測器的設計，未來將適用于更多復雜器件的檢測中。直接探測器中，非晶硒探測器主要應用在醫療領域中，碲化鎘（CdTe）、碲鋅鎘（CZT）、單晶硅（Si）則是當前能譜成像的前沿研究內容[5]。 

1.3   影響因素

X射線數字成像檢測技術的物理基礎與膠片射線照相檢測的一致，但由于所用成像元件不同，在檢測圖像質量表征、細節識別和檢測技術控制等方面都存在明顯差異。數字X射線檢測檢出能力的主要影響因素如圖2所示[1]。 

圖  2  X射線數字成像檢出能力的主要影響因素

膠片、膠片數字化轉化、CR和DR的技術指標對比如表2所示[1，6]（表中所列信息為部分樣本試驗數據下的結論，且多基于通用儀器設備及工藝，可能不適用于核工業的檢查場景，但可以幫助認識不同技術路徑的總體對比趨勢）。 

2.   X射線數字成像檢測技術在核工業無損檢測中的應用

核工業體系龐大，囊括了核燃料循環、核電建設及生產運行、核反應堆裝置研發及應用、核技術應用等產業體系。射線檢測技術是核技術應用的示范案例之一，在核燃料循環等產業體系中發揮了重要作用。隨著X射線數字成像檢測技術的發展，其在核工業的一些應用也取得了良好的經濟和社會效益。 

2.1   核燃料元件制造階段檢查

燃料元件（包括棒、板、球等形式）作為核反應堆的動力來源，是核反應堆最為核心和關鍵的部件[7]。其設計準則要求對制造階段的燃料元件開展完整性檢查、形狀和尺寸檢查以及元素分布檢查。 

在燃料元件完整性檢查、形狀及尺寸檢查方面，射線檢測有著較為明顯的優勢。針對燃料棒，荷蘭JRC聯合研究中心CASALTA等[8]對燃料棒、燃料球開展了膠片射線照相及中子照相，利用微密度計和激光掃描儀實現了數字化檢測，盡管降低了射線檢測的空間分辨率，但依然實現了對被檢試件狀態、位置及完整性的檢查，最佳尺寸測量精度為20 μm，同時數字化后的圖像可以經適當校準后用于區分材料的密度。該機構還將X射線數字成像檢測技術和中子成像技術用于對放射性核素的嬗變、輻照后SiC涂層燃料球等的檢測中。伊朗核科學與技術研究所NAZEMI等[9]基于MCNP方法模擬得到了對直徑為10.95~11.90 mm的UO2燃料芯塊、包殼材料為鋯合金的燃料棒的最佳射線檢測條件，并采用300 kV的X射線機對燃料棒進行了CR檢測，曝光量為40 mA·min，并通過銅濾波器來減少散射的影響，燃料芯塊、彈簧、鋯合金包殼以及芯塊的間隙都清晰可見。中核建中核燃料元件有限公司李平等[10]針對300 MW燃料棒開展了平板DR成像檢測，靈敏度評價結果與膠片的一致：圖像分辨率對應絲號達到D11級別，歸一化信噪比為122，缺陷影像與金相檢測結果也得到了交叉驗證，滿足現有燃料棒的檢測要求。于文昕等對燃料棒焊縫DR成像檢測工藝參數對圖像質量的影響規律進行了試驗，結果顯示，焦距、管電壓、曝光量對靈敏度影響較大，而對分辨率影響相對較小。針對燃料板，中國核動力研究設計院從20世紀90年代開始在不同時期分別采用膠片射線照相法、176Tm軟射線實時成像法完成了對燃料板的芯體形狀和尺寸的測量。許貴平等設計了一套燃料板芯體定位檢測裝置，通過X射線機、線陣列探測器和平板探測器針對燃料板開展了DR成像，取得了良好的圖像效果，能夠準確完成燃料元件芯體定位與檢測。中核北方核燃料元件有限公司張小剛等[11]針對鋁包殼燃料板建立了芯體自動定位檢測方法，結合圖像處理及自動識別技術，可以直接識別芯體邊界，并獲得芯體長度、寬度、對稱度、飛濺的燃料顆粒等信息。針對燃料球，北京航空航天大學YANG等[12-13]采用微焦點X射線源針對高溫氣冷堆的TRISO燃料球開展了相襯DR成像，采用NL P-M模型對獲得的圖像進行去噪，得到了更為清晰的低密度包覆層邊界，提升了測量精度；同年分析了測試盲區，對稀疏視圖采樣使用了動態標定等方法，實現了對漏失包覆燃料顆粒的自動識別。清華大學DU等[14]針對高溫氣冷堆球形燃料元件建立了一種自動X射線DR檢測方法，在管電壓140 kV的條件下每隔1°采集球形燃料元件的DR圖像，對球形燃料元件的半徑、幾何中心、質量中心等多個參數進行了檢測。印度尼西亞核燃料技術中心的ISMARWANTI等[15]針對直徑為60 mm，包覆層厚度為0.92 mm的模擬球形燃料元件開展了DR檢測，可以清楚識別到包覆層邊界和燃料顆粒。針對燃料管，中核北方核燃料元件有限公司湯慧等[16]針對環型燃料元件端塞柱面環焊縫和端面環焊縫開展了平板DR檢測，在推薦工藝條件下，端塞柱面環焊縫DR圖像最小可見絲徑為0.2 mm，對比金相結果，端塞端面環焊縫DR圖像可檢出直徑為0.1 mm以上的氣孔、夾雜等體積型缺陷。2024年該公司鄭賽春等[17]針對環型燃料元件建立了一套數字X射線芯體定位檢測系統，利用X射線機、平板探測器及運動機構對管型燃料元件進行DR掃描成像，實現燃料芯體輪動的自動識別與定位，定位精度達到0.2 mm。 

燃料元件元素分布檢查方面，由于結構特征的差異，單一視角的X射線數字成像檢測技術主要用于燃料板的檢測中，以表征鈾分布均勻性或檢查其他毒物的團簇現象。為了解決傳統X射線膠片法耗時且昂貴的問題，丹麥瑞索國家實驗室的DOMANUS等[18]對比膠片法和CR法在MTR燃料元件質量控制中的應用，在一定范圍內對鈾/鋁鑄錠缺陷的檢測靈敏度達到了2%，并可通過圖像灰度對燃料板的均勻性進行評價分析，但為了達到準確度要求，對同一件燃料板要進行12次掃描。麻省理工學院ABIR等[19]利用Genesis NEO s60型膠片數字化儀將膠片轉化為數字化圖像，考慮了X射線錐束分布和光束硬化的特點，采用前瞻性算法對光場強度進行修正，采用階梯試塊的多項式校正函數對光束硬化進行修正，從而以3 mm×3 mm和0.5 mm×0.5 mm的柵格點評價了燃料板的鈾均勻性。印度巴巴原子研究中心金屬燃料部SINHA等[20]利用非晶硅平板探測器針對不同鈾面密度的燃料元件開展了DR檢測，繪制了絕對灰度值與估計鈾面密度的曲線，發現鈾面密度與灰度值呈線性關系，從而對燃料元件中的鈾進行均勻性分析，然而觀察發現，在圖像拼縫位置也觀測到了差異較大的灰度分布，懷疑是X射線錐束分布和探測器不均勻響應導致的。太平洋西北國家實驗室的GILBERT等[21]嘗試利用HEXITEC型CdTe能譜X射線探測器精確測量粉末中鈾的質量，通過仿真和試驗X射線源入射光譜模型提供逆運算，通過類似于平板校正的方式實現探測器的校正，實現了對比色皿中鈾和氧質量的估算，偏差為－0.01±0.62%，是目前可查的最高精度。然而，考慮到CdTe等能譜探測器的效率和尺寸問題，該方法的使用還有待考證。 

此外，X射線數字成像檢測技術還可以用于對燃料組件中其他構件的檢測，如中核北方核燃料元件有限公司張小剛等[22]在450 kV，0.6 mA的條件下對帶預置氣孔缺陷的壓水堆燃料組件管座開展了DR檢測，結合透照角度變化可以獲得全尺寸的上下管座圖像，清晰識別?0.3 mm和?0.5 mm的孔型缺陷。 

2.2   核燃料元件輻照后檢查

輻照后燃料元件的檢測目標與制造階段的類似，獲取輻照腫脹、芯塊破裂、彈簧缺失等信息以評價燃料元件的服役性能或確定破損失效的原因。但輻照后的燃料元件帶有強放射性，不僅會造成信噪比降低，還對遠程、自動檢測提出了更高要求。 

印度英迪拉甘地原子能研究中心SARAVANAN等[23]在360 kV條件下對輻照后燃耗深度達到112 GWd/t的鈾钚混合氧化物（Uranium plutonium mixed oxide，MOX）燃料棒進行膠片射線照相檢驗，并使用激光掃描儀完成了膠片的數字化，評價了芯塊的完整性，結合Laplace算子等圖像處理算法，測量了燃料芯塊總長、燃料棒直徑、芯塊與芯塊之間的間隙、彈簧長度等尺寸參數，結果顯示燃料芯塊總長最小增加量為0.6 mm，燃料棒在燃料柱中部的最大直徑膨脹為50 μm。英國尼克夏公司GRAS等[24]采用微焦點X射線在50 kV和90 kV條件下對模擬輻照后先進氣冷反應堆（Advanced gas-cooled reactor，AGR）燃料棒開展了DR檢測，模擬AGR燃料棒由不銹鋼包殼和鉛棒組成，包殼表面還噴涂了石墨材料以模擬輻照后燃料棒表面的碳沉積，結果顯示，在50 kV下射線成像不僅能夠提供碳沉積的厚度信息，還能夠揭示沉積層的內部結構（如孔隙率、分層結構等），在90 kV下能夠清晰顯示包殼與鉛棒之間的界面，從而進行燃料棒的幾何尺寸測量（如包殼外徑、燃料芯塊外徑等），其成像分辨率約為10~20 μm。韓國原子能研究所SHIN等[25]針對已燃耗的燃料棒開展了線陣列DR成像，結果顯示，450 kV的能量足以用于觀察輻照燃料棒內的二氧化鈾，該研究中還利用CT技術對燃料芯塊的中心孔隙和燃料組件的定位格架進行了尺寸測量。中國原子能科學研究院湯琪等[26]分別在200 kV和400 kV條件下對帶預置缺陷的模擬燃料棒進行了線陣列DR成像，在低能量下觀察了包殼管、包殼管與芯塊之間的間隙、芯塊之間的間隙以及彈簧的壓緊狀態，在高能量下觀察燃料芯塊開裂情況，可發現0.1 mm芯塊間隙、0.2 mm芯包間隙、0.2 mm芯塊裂紋寬度和0.4 mm芯塊孔直徑。 

2.3   核電建設及生產運行中的應用

核電建設階段，射線檢驗的對象主要為各類焊縫，包括對接焊縫、角接焊縫、插套焊縫等。由于設備內部結構復雜，管系布置緊湊，因此特別關注射線檢測設備的小型化，以實現更高的可達性。在核電設備生產運行階段，部分部件帶有很強的放射性，故需要關注檢測實施的便捷性、自動化，盡可能減少人員所受的輻照劑量。 

加拿大原子能有限公司STOEV等[27]利用最大能量6 MeV的HX6型便攜式直線加速器對CANDU堆設施厚混凝土進行了膠片射線檢驗，并開展了膠片數字化轉化，為CANDU堆的壽命管理提供了數據支撐，試驗結果顯示，該方法可以識別厚度為1.2 m的混凝土中直徑為4~6 mm的鋼制品以及20 mm大小的空隙，可以識別厚度為0.7 m的混凝土中金屬物體上1~2 mm的平面細節及10 mm大小的空隙，且激光膠片掃描儀的效果要優于CCD膠片掃描儀的。國核電站運行服務技術有限公司對某核電廠常規島近百條管道焊縫開展了CR檢測，圖像質量接近膠片射線照相，具有較高靈敏度，還可以支持遠程評片。中核武漢江蘇分公司劉順等[28]對某核電廠常規島薄壁管開展了數字X射線檢測，采用的檢測系統以便攜式小車為載體，兼具膠片、CR、DR檢測能力，調試方便、影響范圍小。美國電力研究所WALKER等[29]針對電站部件中的裂紋，特別是交換器管壁上的腐蝕疲勞裂紋開發了一種直接數字射線照相系統，系統包括了一臺300 kV的X射線機，一個像素尺寸為80 μm、長度為457 mm的CMOS陣列探測器，通過機器人及反饋機制保證射線源和探測器的對準。結果顯示，該系統可以實現疲勞裂紋的檢出，同時有望通過密度分布來估計熱疲勞裂紋等直裂紋的缺陷深度。中廣核工程有限公司王東等[30]針對核電小徑管對接焊縫開展了平板DR檢測，對比膠片數字化轉化的圖像，結果顯示，DR像質計靈敏度多見1~2個絲，空間分辨率基本一致，可見D8對絲，兩者均滿足標準要求，且DR檢測所需劑量更低，處理速度更快，可以短時間多視角成像提高裂紋缺陷的檢出能力。南昌航空大學朱秀森等[31]對核電用不銹鋼小徑管環焊縫開展了DR檢測，結合暗通道圖像增強方法，優化了低曝光量下的DR圖像，圖像對比度噪聲比提高了31.5%，信噪比提高了約1.5倍，缺陷輪廓更清晰。中核核電運行管理有限公司李邱達等[32]對核級管道的DR檢測幾何參數開展了研究，結果顯示，由于平板探測器無法緊貼焊縫，DR對焦距和透照次數的要求更嚴格。結合冷陰極X射線源的突破進展，中廣核檢測技術有限公司對某核電站常規島焊縫實施了DR檢測，該方法輻射劑量低、隔離邊界小，可以支持在白天與其他工序交叉作業，進而縮短工期。國核電站運行服務技術有限公司對某核電站常規島焊縫實施了DR檢測、異物和液位檢查，單次曝光時間為1~2 s，無需洗片，將檢測作業工期由15 d縮短至3 d。此外，冷陰極X射線DR檢測在多處核電站中均有應用案例。 

2.4   特殊核材料監控及管理中的應用

特殊核材料（Special nuclear materials，SNMs）的監控與管理是保證核安全與核不擴散的重要任務，X射線照相技術通常用來確認特殊核材料包裝是否符合驗收標準，例如檢查是否存在氣溶膠、自由液體或空隙空間等異常。 

美國薩凡納河國家實驗室HOWARD等[33-34]為了匹配特殊核材料包裝的尺寸，設計了一套帶光學偏轉的DR系統，與常規DR系統不同的是，該系統閃爍體上的可見光是用鏡子及CCD光學相機進行記錄的，評估了X射線數字成像檢測技術在正常運輸條件和假設事故條件下要求的特殊核材料容器測試效果，結果顯示，該方法能夠通過一次曝光實現特殊核材料包裝的全尺寸檢測，可以減少拆分的數量，也節省了大量的人力和成本。中國核動力院潘喆等針對乏燃料溶解強度角焊縫開展了CR成像，對不銹鋼、鋯合金、鈦合金制備的角焊縫模擬件，CR表現出了優于膠片射線照相的檢出能力，且所需的曝光量更小。為了解決特殊核材料自發輻射的干擾問題，法國原子能和替代能源委員會PEROT等[35]開發了用于乏燃料包裝的高能X射線成像裝置，可以提供內部結構和材料的信息。 

3.   挑戰與發展

由于核工業的特殊性，核工業無損檢測不僅對缺陷檢出率、檢測靈敏度、可靠性、重復性等的要求高，還對檢測缺陷的可視化、定性定量評價有一定的需求；不僅關注新方法、新技術、新設備的技術成熟度，還對檢測能力驗證、檢測程序控制等有詳細規定[36]。目前X射線數字成像檢測技術在核工業領域的應用集中在非核島結構件、新的檢測對象，或者一些膠片射線照相法無法實現檢測目的的場景。要發揮X射線數字成像檢測技術的潛力，滿足核工業高質量發展的檢測需求，還應該在以下方面開展攻關。 

（1）關鍵設備儀器 

X射線數字成像檢測技術對關鍵儀器設備的需求尤為旺盛。目前國內在高能X射線加速器方面達到了國際先進水平，而在高電壓X射線機、微焦點X射線機、棒陽極X射線機、液態金屬靶X射線機等方面均與國外存在一定差距。在探測器方面，IP板主要依賴日本富士、德國Agfa、美國柯達和日本科尼卡等公司，奕瑞、善思微等公司的非晶硅、CMOS探測器則達到了較為先進的水平。國內應加強關鍵設備儀器的研發投入與技術攻關。 

（2）圖像處理與分析 

X射線數字成像檢測技術通過數字圖像的處理、增強，可達到和膠片射線照相相當的靈敏度，同時結合人工智能與機器學習、數字孿生等技術可實現自動定性定量檢測、合格性判定甚至云數據管理、數據映射等功能。目前國內有較多基于圖像處理與分析單項目標而開展的基礎研究，但是行業認可度不高，在數字化、信息化、智能化制造運維方面也缺乏重大工程或小型示范工程的牽引。 

（3）檢測能力驗證 

X射線數字成像檢測技術要經過能力驗證才具備實施的價值。美國電力研究所已開展了一項“無膠片射線照相評估”計劃，對比展示了X射線數字成像檢測技術與膠片射線成像的檢測能力。而國內研究還不夠系統，考慮CR、DR等在實際應用中各具優勢，故要盡可能多地開展驗證工作。 

（4）建模與仿真 

數字X射線檢測系統價格相對高昂，引入掃描儀或探測器后影響因素更為復雜，系統研制或選型時很難直接參考標準規范，也難以用試錯法得到結果，故有必要發展建模及仿真技術。美國MCNP、瑞士GEANT4、中國SupoerMC等軟件可基于蒙特卡洛方法實現仿真；法國CIVA、德國aRTist等軟件則進一步結合了X射線指數衰減規律，仿真更為簡單適用。因此，應充分利用仿真軟件開展應用及優化，并發展國產仿真軟件，形成核工業領域的射線檢測數據庫，為特殊領域的檢測需求奠定技術基礎。

（5）標準與規范 

檢測應用必然要走向標準與規范。美國材料與試驗學會于1999年制定了CR檢測技術標準ASTM E2033-99 Standard Practice for Computed Radiology （Photostimulable Luminescence Method），美國機械工程師協會在ASME第V卷第2章補充了數字成像檢測技術，國際標準化組織將部分CR歐標轉為ISO標準，制定了焊接接頭檢驗的數字探測器X射線和γ射線檢驗技術標準，美國聯邦工業數字射線照相組（FWGIDR）發布的白皮書中介紹了當前可用的規范和標準。國內的國家或行業標準多數屬于國外標準的轉化，但核工業領域的相關標準規范還不健全，需要進一步發展提升。 

（6）人員培訓 

開展檢測人員的培訓是膠片向數字化圖像過渡的重要問題。美國聯邦工業數字射線照相組（FWGIDR）制定了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級數字射線照相人員的推薦培訓課程，中國特種設備檢驗協會、中國機械工程學會無損檢測分會等具備數字射線照相人員培訓及取證資質，但核工業領域的培訓考核體系還不健全，需要加快建立健全培訓考核體系。 

（7）多視角檢測及多模態融合 

多視角檢測是指從不同投影角度獲取檢測對象數字圖像進行綜合分析，最為理想的多視角檢測即CT技術，應用前景極為廣闊[37-38]。多模態融合則是指將X射線數字成像檢測技術與其他技術（中子成像、γ成像、μ子成像、相控陣超聲等）相結合，如在乏燃料檢測中，X射線用于檢測密度和結構，中子用于檢測氫含量或裂變產物分布，γ射線用于檢測核素類型[39]，以促進檢測能力的整體提升。 

4.   結論

X射線數字成像檢測技術可以解決膠片射線照相法工序復雜、不易存儲、數據復現性差、受人為影響大等問題，提高獲取結構、尺寸、密度等信息的能力，實現數據的遠程傳輸、專家診斷、長期保存和深度挖掘，已經表現出與膠片射線照相法接近或相當的檢測能力。在核工業領域，X射線數字成像檢測技術在核燃料元件、核電設施非核島結構件、特殊核材料的檢測中已發揮重要作用，為加快其在核工業領域的應用，未來還需要從關鍵設備儀器、圖像處理與分析、檢測能力驗證、建模與仿真、標準與規范、人員培訓等方面開展攻關，從而滿足核工業高質量發展的檢測需求，推動無損檢測技術的發展和應用。

文章來源——材料與測試網