技术介绍

基本原理

检测方法(1. X射线小角散射 2. X射线层析摄像法 3. X射线折射分析法)

技术介绍

X射线检测技术是无损检测技术的一种。

X射线检测则是利用射线穿过物质,并被其衰减来实现检测的,此技术的演化经过了低劣的微光图像获取,有噪声的电离放射线荧光屏成像和高分辨率清晰的数字图象设备等几个阶段。X射线透射检查法可提供铸件检测部位有无缺陷及缺陷尺寸的照片。X射线透照法主要应用在铸件和机器部件中出现的诸如裂纹、孔洞和夹杂等缺陷的辨识和评价。

X射线不能直接测量，在测量前必须把它转化为可测量的量，有照相法和电信号法两种X射线检测技术。照相法是把X射线的方位和强度转换成照片面积上相应位置的黑度，然后进行直接测量，或辅以测微光度等仪器对低频进行测量。这种方法是最早使用的检测、记录X射线的方法，现在还是一种常用的基本手段。电信号法也是通过适当的检测器或技术，把X射线转换成电信号，然后通过一套电子学系统进行自动测量记录。这类检测技术包括两个方面：检测器(或技术)及与之配套使用的电子学讯号分析、测量记录系统。

闪烁计数器：是利用X射线激发某些固体物质，发射可见荧光并通过光电倍增管放大的计数器。闪烁计数管基本上由三部分组成：闪烁体、光电倍增管和前置放大器。四圆单晶衍射仪和多晶衍射仪都用这样类似的系统来测量衍射线的强度。

主要的X射线分析仪器有单晶X射线衍射仪(主要用于晶体结构的确定)和多晶X射线衍射仪(又称粉末X衍射仪，主要应用在物相分析、晶体结构分析、组构分析)。物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相;后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。

基本原理

在X-Ray检测的过程中， X-Ray穿过待检样品，然后在图像探测器(现在大多使用X-Ray图像增强器)上形成一个放大的X光图。该图像的质量主要由分辨率及对比度决定。

成像系统的分辨率(清晰度) 决定于X射线源焦斑的大小、X光路的几何放大率和探测器像素大小。微焦点X光管的焦斑可小到几个微米。X光路的几何放大率可达到10~2500倍，探测器像素可小到几十微米。

成像系统的对比度决定于图像探测器的探测效率、电子学系统的信噪比和合适的X射线能量。目前一般的X射线成像技术可以获得好于1%的对比度。

检测方法

X射线检测的方法很多，以下简要介绍三种：

1. X射线小角散射

当X射线照射到试样上时，如果试样内部存在纳米尺寸的密度不均匀区，则会在入射束周围的小角度区域内出现散射X射线，这种现象称为X射线小角散射或小角X射线散射。根据电磁波散射的反比定律，相对于波长来说，散射体的有效尺寸越大则散射角越小。因此，广角X射线衍射关系着原子尺度范围内的物质结构，而小角X射线散射则相应于尺寸在零点几纳米至近百纳米区域内电子密度的起伏。纳米尺度的微粒子和孔洞均可产生小角散射现象。这样，由散射图形的分析，可以解析散射体粒子体系或多孔体系的结构。这种方式对样品的适用范围宽，不论是干态还是湿态都适用，无论是开孔还是闭孔都能检测到。但须注意小角散射在趋向大角一侧的强度分布往往都很弱，并且起伏很大。

小角散射也可用来测量多孔系统的孔隙尺寸分布。将平行的单能量X射线束或中子束打到样品上并在小角度下散射，绘出散射强度I作为散射波矢量q的函数图线。散射函数I（q）取决于样品的内部结构，每种具有等尺寸球形孔隙作任意分布的多孔体都会产生一个特性函数。假定这样一种简单的模型，就可以得出孔隙半径或孔隙尺寸的分布状态。其中X射线可探测纳米尺寸的孔隙，而中子束可检测粗大得多的孔隙，直径达到几十个微米都行。但在各种情况下，这些方法也仅能用于微孔金属体系。

2. X射线层析摄像法

近些年来，X射线层析摄像技术已成为获取多孔材料内部结构无损图像的有力工具。该技术可很好的表征多孔体的显微构造，被成功地应用于多孔结构及其变形模式的研究，这与X射线在该类材料中的低吸收有关。由于这种低吸收，X射线层析摄像法可用于对大块的多孔材料进行研究，而致密材料则须切成小块。这种方法的第二个优点就是可对多孔体的大变形实现无损成像，因而能够观测出多孔体在变形过程中所出现的重要屈曲、弯曲、或断裂等现象。

射线照相法的缺点是大量信息投射在单一的平面上，而且当沿样品厚度的微结构特征的数量很多时，所得图像难以解释这些信息。层析照相法则通过将大量的这种射线照片的信息结合在一起，从而弥补了这种不足。其中各辐射线照片取自位于探测器前面的样品的不同方位。如果各射线照片之间的脚步足够小，则可根据成套的射线照片来重新计算出样品中各点的衰减系数值。这种重构可通过合适的软件来实现。

特点：X射线层析摄像技术可对微结构（可细至纳米尺度）进行定量的无损检测，空间分辨尺度可达10纳米左右。

3. X射线折射分析法

定量的二维X射线折射层析摄像技术可用来改进材料的无损检测，如用于生物医学陶瓷、工业陶瓷、高性能陶瓷、复合材料和其他异质材料。该方法基于来自微结构界面的X射线折射率差异而产生的X射线折射超小角散射探测技术，可直接检测得出尺寸范围在微米级至纳米级范围的内部表面数量和位置。折射强度正比于内表面密度，即式样的表面积与单位体积之比率。它通过已知晶粒尺寸和堆积密度的均匀粉末来进行校准标核而确定。在对样品做扫描时，每个分离的散射体即代表对应的局部积分界面性质。通过同时测定X射线的折射值和吸收值，可以分析出局部内表面和局部孔率两者之间的波动关系。

特点：本法对样品中局部性小体积范围内的X射线吸收和折射实现了一次性的同时检测，所以能够测出样品内不同部位的孔率和内表面的密度，从而获得孔率河内表面密度的空间分布图像。此外，如果预先假定了孔隙的形状（如球形），那么还可以计算出孔隙尺寸的空间分布状态。X射线折射分析法既可检测开孔，又可检测闭孔，并且可以在不对孔隙形状作任何假设的前提下直接测定多孔试样的内表面密度。