用于借助x射线检验对象的材料缺陷的装置和方法

专利名称：用于借助x射线检验对象的材料缺陷的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助X射线检验对象的材料缺陷的装置和方法。
技术背景
在工业制造中在无损的原料和材料检验中采用所谓的X线检验方法。在此检验 多种组件，这些组件例如包括电机、机器人组件、汽车部件和许多其它组件。在无损的 X线检验中通常将样本或检验对象置于向外屏蔽X射线的外壳中并且在那里利用X射线 照射。然后可以借助X射线分析夹杂物或缩孔、材料缺陷、内部的向外不可见的断裂和裂缝等。
对对象的常规的X线拍摄提供对象的所谓的二维投影，该投影可以推断出X射 线在穿透对象时的衰减或吸收。在二维投影图上识别的不规则性或波动，提供了关于对 象的损伤和由此也关于材料缺陷的信息。
单个的二维投影具有如下缺陷就X射线的方向来说不能获得关于对象的信 息，因为通过投影测量的参数是对于通过对象的路径所集成的参数。由此对于材料检验 还采用断层造影方法，这些方法还允许在第三维上的一定的分辨率。例如在DE 19 955 937 Al中描述了一种基于计算机断层造影的用于材料检验的方法。在常规的计算机断层 造影中X射线源围绕待检验的对象沿着所谓的轨迹转动，其中按照有规律的间隔进行X 射线拍摄。由此获得从不同方向的多个投影，从这些投影可以利用数学方法构造出对象 的三维图像。
然而，用于材料检验的计算机断层造影具有一定的缺陷。这些缺陷中的一个 是，常规的CT设备受到大小限制。此外，在特定种类的检验中，在定义的物理条件下 检验对象，例如，在挤压或应力负荷的作用下。关于该检验，DE 10 2007001 9 Al提 出，构造由具有用于导致检验的对象的负荷状态的装置的CT设备组成的集成的系统。显 然，当对于特定的材料检验种类提供特殊制造时，计算机断层造影设备的本来就很高的 成本进一步上升。
因此，存在对用于材料的X检验如下的方法的需求，该方法是灵活的并且在需 要时允许三维重建对象的区域。首先就常规的CT设备的高的成本来说，相应的设备是开 销低的，并且不会带来检验的对象在大小方面的较大限制。
US 6341153 Bl在该方向上迈了一步。该文献利用了如下事实非常有限数量 的(即3个)X射线投影的一次拍摄就允许一次重建，该重建可以得到就所有三维来说关 于对象的构造的结论。同样，也不必如常规的CT技术所作的那样，完全围绕检验的对 象。取而代之，仅在有限的角度区域拍摄投影。这点允许该文献提供便携式X射线分析 设备。然而值得期望的是，更有效并且开销更低地设计用于材料分析的X射线系统。发明内容
本发明要解决的技术问题是，改进利用X射线的材料检验。
本发明通过一种用于借助X射线检验对象的材料缺陷的装置和方法解决上述技 术问题。
在此，术语“材料缺陷”包含了对象在形状和组成上的所有不规则性，特别是 还有缩孔、断面收缩、裂缝等。
本发明申请的中心思想是，对于材料检验使用多发射极X射线管或源。这样的 X射线管包括多个发射极(例如在100个发射极的数量级，其中根据需要还可以设置明显 更多，例如超过1000个发射极)，这些发射极通常借助纳米管形成。本发明还基于如下 思路多发射极X射线管在用于材料检验的应用中是非常灵活的。
按照本发明，通过有针对性地控制X射线管的发射极，相对于具有常规的X射 线管的系统可以达到功能上的卓越。在此，考虑到通过采用多发射极X射线管而得到的 功能上的应用可能性，适配按照本发明的系统的结构特征。特别是可以以这种方式提供 一种用于材料检验的系统，该系统利用纯静止的X射线源工作，而不会由此与常规的静 止X射线系统的性质上的限制相关联。
按照本发明的用于检验对象的材料缺陷的装置包括多发射极X射线源或管、至 少一个探测器和一个用于控制多发射极X射线源的发射极的控制系统。该装置被构造为 用于按照至少一个有关检验的对象的信息选择性地激活或控制各个发射极或发射极的一 部分。
多发射极X射线源具有如下优点关于形状和大小几乎不存在限制。特别是可 以相应于所预期的应用确定在其中设置了发射极的区域。对于材料检验有意义的是，为 了尽可能好地充分利用探测器的测量面积选择X射线管的尺寸。例如如果探测器是行探 测器，则在X射线管中可以沿着基本上相应于探测器的行长度的长度设置发射极。
对于有关执行的材料检验的灵活性来说具有优势的是，可以预先给出不同的照 射方向。该功能可以通过用于调整不同的照射方向而设置的准直器来实现。替换的实现 方式在于，用于不同的照射方向的发射极的排列。在此，在确定照射方向时为了尽可能 多的灵活性可以组合基于准直的措施和考虑到照射方向而选择的发射极排列。
按照本发明的装置的一种扩展在于，设置多个探测器(例如行探测器)，这些探 测器可以在没有X射线管的位置改变的情况下例如通过控制不同的发射极或/和确定不同 的照射方向由X射线管照射。取代多个探测器还可以设置面探测器，其通过探测器面积 的尺寸可以提供关于检验的对象的位置以及关于照射方向的变化可能性。
本发明还包括一种用于借助X射线检验对象的材料缺陷的方法。
按照该方法，为控制系统提供至少一个有关对象的信息，并且控制系统按照所 述至少一个信息激活多发射极X射线源的至少一个发射极。借助多发射极X射线源的至 少一个发射极并且借助探测器，进行用于识别材料缺陷的对象的X射线拍摄。
该至少一个信息是有关对象的直径、形状、材料或位置的信息。对于多发射极 X射线源的控制还可以引入多个这些信息。按照本发明内容的实施方式，根据至少一个 信息确定在X射线管内部至少一个激活的发射极的位置或确定激活的发射极的数量。以 这种方式可以根据检验要求来调节参数，诸如焦点或多个焦点的位置、射线的直径、射 线强度。同样有意义的是，根据该至少一个信息确定至少一个激活的发射极的射线方 向。如果提供对象的形状作为信息(例如作为CAD数据)，则可以这样选择照射方向，使得待穿透的体积保持尽可能小，以便能够通过探测器探测尽可能大的传输的射线剂量。
按照本发明内容的一种实施方式，在检验期间可以根据检验信息改变或匹配用 于对象的检验的至少一个控制信息。例如可以在材料检验期间获得关于对象的形状或组 成的信息，并且用于优化照射参数(例如照射方向或角度)。在一种实施方式中，该方法 可以包括在检验期间学习检验的对象的特征和相应调整对检验的控制。
多发射极的采用开启了在静止的源(即不通过辐射器遍历轨迹)的情况下对于 对象的区域借助X射线管从多个不同方向进行拍摄的可能性，方法是，对于所述拍摄确 定不同的发射极和/或不同的射线准直。从多个拍摄中可以如在层析X射线照相组合 (Tomosynthese)中那样产生对象区域的三维显示。
通过同时控制X射线管的不同的发射极，可以同时(对于同一个对象或不同的对 象)进行多个拍摄，从而可以更有效地进行材料检验。


以下，在实施例的范围内借助附图详细解释本发明内容。其中，
图1示出了利用X射线的常规的材料检验的示意图，
图2示出了多发射极X射线管，
图3示出了借助多发射极X射线管的材料检验的示意图，
图4示出了图3的系统的侧视图，
图5示出了用于多发射极X射线管的不同照射方向的准直装置，并且
图6示出了用于多发射极X射线管的准直器和发射极排列，用于在不同方向上产 生射线。
具体实施方式
图1示出了对象1的待检验的片段。在此例如是在车辆中消耗的金属组件。该 组件在ζ方向上，即，在图平面方向(例如借助未示出的传送带)运动进入并且在此利用 测试射线照射。在图1中示出的常规的系统中，使用用于对象的检验的三个常规的X射 线源2至4。这些X射线源2至4产生X射线5，例如是扇形射线。在X射线拍摄时通 过探测器6拍摄通过待检验的对象1传输的X射线。也就是通过其可以记录(registrieren) 投影，所述投影可以推导对象1的材料特征。
如在图1中使用的常规的X射线管主要由具有外壳的真空室组成，在其中包括 了阴极和阳极。在此阴极作为负电极工作，其输出电子到正的阳极。通过在阳极和阴极 之间的电场，电子由阳极吸引并且被强烈加速。阳极典型地由金属、例如钨、钼或钯组 成。当电子轰击阳极时，其能量大部分转换为热。运动能量的仅一部分可以被转换为X 光子，所述X光子由阳极以X射线形式输出。这样产生的X射线通过由具有低的原子序 数(Ortungszahl)的材料组成的对射线是透明的窗离开真空室。
具有经典的转动或静止阳极概念的常规的二维X射线控制系统典型地具有一个 或仅仅小数量(通常< 5)的这样的X射线管。图1的具有三个X射线管2-4的该系统 由于该限制，要找到所有的材料缺陷是有问题的。在示出的方向7上的材料缺陷(例如 裂缝或缩孔)可能不能被识别，因为X射线不能穿透该材料厚度并且不能产生在对于检验6来是是重要的扫描平面中的总的吸收。
本发明主要考察的是，能够在X射线检验方法中具有优势地采用多发射极X射 线管。这样的X射线管通常借助由碳纳米管，也称为Carbon Nano Tubes(CNT)构成 的电子发射极形成。例如在2005年发表于Applied Physics Letters 86，184104的文章“Stationary Scanning X-ray Source Based on Carbon Nano Tube Field Emitters” 禾口专禾1J 申请W0 2004/110111A2中公开了这样的X射线管。在图2中也示出了这样的CNTX射线管。
图2示意性示出了多发射极X射线管110，其具有在真空区域111中的用于发 射电子的η个CNT阴极口卜口” CNT阴极121...12η的每一个通过单独的阴极导线 113^..11 供电，阴极导线113^..11 通过各个真空套管IH^lHn引导到真空区域111 中。借助阴极导线113^..11 可以选择性地控制或者说开关各个发射极。此外，在真空 区域111中设置栅极(Gitter) 115和阳极116。在真空区域111外部有X射线管110嵌入 于其中的系统100的其它组件与栅极115电相连的栅极电源120、与阳极116电相连 的阳极电源130、和控制装置140。典型的栅极电压为5kV ；典型的阳极电压为20kV到 ISOkV之间。对于在图2中示出的多发射极X射线管，各个CNT阴极与对应的发射极关 联。但是在本发明的范围中“发射极”的概念更宽，也就是，理解为单独的可控的电子 或X射线发射功能。该功能的实现不一定借助专用的装置元件来进行。例如可以考虑， 复杂成形的装置元件实现多个发射功能。
在图3中使用例如具有大约100个发射极的多发射极X射线管8用于材料检验。 在此如图1中那样，检验的对象的运动方向是朝向纸面内。原则上可以按照需要来制造 这样的管，即，可以根据通过试验台所给出的要求来确定尺寸。在本例中管8和探测器 6在大小上互相一致，从而管8可以照射整个试验台或探测器6。示出了由管在点P处产 生的面形射线5。借助控制装置可以根据检验通过控制或激活相应定位的发射极来改变在 管8上焦点的位置。相对于按照图1的常规检验来说的极大改进就在于此，该改进一方 面在于，不再需要多个X射线源，另一方面在于，关于焦点的位置的规定具有极大提高 的灵活性。
对参数、特别是控制的发射极或多发射极X射线管8的设置的选择，优选按照检 验的对象1的对象特征来作出。该对象特征首先是对象的位置，从而尽可能好地采集待 检验的区域。此外，在对象的公知形状的情况下其它标准起作用，例如，在投影中待穿 透的材料的厚度。在大体积的对象的情况下有意义的是，确定这样的投影角度，在该投 影角度情况下待穿透体积的厚度尽可能降低，以保证，对于高质量的投影传输足够的X 射线。为此目的值得期望的是，作为参数还改变X射线的方向。改变X射线方向的另 一个原因是对于一个对象区域拍摄多个(三个或更多)投影，从这些投影中在一种层析X 射线照相组合过程中可以综合出一幅三维重建。这点在图4中说明，图4反映了图3的 检验情形(UntersuchungKenario)的侧面图。
图中示出的对象1是关于45°旋转对称的对象，从而在图4的图透视中对象具 有与图3中的相同的形状。在此，对象1在运送组件的(未示出的)传送带上在通过箭 头9表示的运动方向上被传输。借助控制装置10 (例如PC、计算机控制台，…)控制或 调整多发射极X射线管8。
图4中分别示出了另一个射线5'和另一个探测器6'，其解释另一个投影的拍摄。在多发射极管的情况下可以借助对不同的发射极的控制同时进行这些投影，即，在 本例中对象1总是在两个位置上被扫描。在相应地调整传输速度和拍摄顺序的情况下可 以保证，对于对象1的检查区域呈现两个投影。该过程可以扩展为多于两个投影(例如 三个，如果在探测器6的左侧设置另一个探测器的话)。由此对于一个三维图像综合获得 足够数量的投影。
图5示出了 X射线管7的截面图，为了与图4相比更好显示原理，圆形地显示该 截面图。在该X射线管7中示意性示出了阳极的位置12。可以想象，具有相应的阳极 的多个平行的发射极在纸平面向内或从纸平面出来沿着纵向延伸的管伸展。此外示出了 两个在不同方向上延伸的X射线扇形5和5'。这些X射线扇形借助楔形设置的准直器 11和11'以合适的形式被产生。通过准直器11和11'的楔形设置或通过开了槽的准直 器，还可以同时使用多个面形射线。在图6中示出了一种扩展。那里示意性示出了，阳 极或发射极12和12'具有不同的取向。阳极或发射极12和12'的取向对准待产生的面 形射线5和5'。合适的准直器5和5'是相关联的。通过多发射极技术可以快速地在 具有不同取向的准直器的发射极之间切换。由此无需运动部件就可以以高的切换频率改 变射线方向和射线准直。
权利要求
1.一种用于检验对象(1)的材料缺陷的装置，包括-多发射极X射线源(8)，-至少一个探测器(6)，-用于控制所述多发射极X射线源的发射极(12，12')的控制系统(10)，其中，所述装置被构造为用于按照至少一个有关检验的对象(1)的信息，选择性地激活各 个发射极(12，12')或发射极的一部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，为了尽可能好地充分利用所述探测器 (6)的测量面积，选择X射线管(8)的尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述探测器(6)是行探测器，并 且在所述X射线管(8)中沿着基本上相应于探测器的行长度的长度设置所述发射极(12， 12')。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置用于调整不同的照射 方向的准直器(11，11')。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述X射线管(8)内部设 置用于在不同方向上照射的发射极(12，12')。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，具有可以通过所述X射线 源⑶照射的多个探测器(6，6')。
7.—种用于借助X射线检验对象(1)的材料缺陷的方法，在该方法中，-为控制系统(10)提供有关对象(1)的至少一个信息，-所述控制系统(10)按照所述至少一个信息激活多发射极X射线源(8)的至少一个 发射极(12，12')，并且-借助所述多发射极X射线源(8)的至少一个发射极(12，12')并且借助探测器 (6)，进行对象(1)的X射线拍摄，该X射线拍摄用于识别材料缺陷。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用纳米管阴极形成所述多发射极X射 线源(8)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，该至少一个信息是有关所述对象 (1)的直径、形状、材料或位置的信息。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于， 确定在X射线管(8)内部至少一个激活的发射极的位置(P)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于， 确定激活的发射极(12，12')的数量。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于， 确定至少一个激活的发射极(12，12')的射线方向。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其特征在于， 极(12，12')的选择确定射线方向。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于， 域，借助所述X射线管(8)从不同方向上进行多个拍摄，方法是， 的发射极(12，12')和/或不同的射线准直。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，从所述多个拍摄中产生对象区域的三 根据所述至少一个信息根据所述至少一个信息根据所述至少一个信息通过所述至少一个发射对于所述对象(1)的区 对于所述拍摄确定不同维显示。
16.根据权利要求7至15中任一项所述的方法，其特征在于，同时进行多个拍摄。
17.根据权利要求7至16中任一项所述的方法，其特征在于， -分析对对象(1)的拍摄，并且-根据所述分析的结果匹配所述至少一个信息。
全文摘要
本发明涉及一种用于检验对象(1)的材料缺陷的装置和方法。在此使用多发射极X射线源(8)、至少一个探测器(6)和用于控制所述多发射极X射线源的发射极(12，12′)的控制系统(10)。按照至少一个有关检验的对象(1)的信息选择性地激活或控制各个发射极(12，12′)或发射极的一部分。本发明允许灵活和成本低的材料检验。
文档编号G01N23/04GK102023169SQ20101027523
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月6日 优先权日2009年9月9日
发明者于尔根·斯蒂芬, 詹斯·富尔斯特, 马库斯·科沃希克, 马赛厄斯·戈尔达默 申请人:西门子公司