基于CsPbBr3忆阻器阵列的X射线探伤设备及自动评片方法与流程

本发明属于无损检测，具体涉及基于cspbbr3忆阻器阵列的x射线探伤设备及自动评片方法。

背景技术：

1、x射线无损探伤是火电厂基建过程中焊接质量把控的核心检测技术，对保障电站承压设备安全稳定运行、规避机组运行故障具有至关重要的作用。新建的单台百万机组现场承压焊口可达 6-7 万道，依据 dl/t869 规程，锅炉受热面小管焊口要求 100% x 射线（rt）探伤，单台机组拍片总量 7万-8万张。当前焊缝底片缺陷评定完全依赖人工离线评片，存在微小缺陷难区分、评片一致性差、批量检测效率低、易漏检误检等问题。

2、现主流的智能化 x 射线检测系统构造方案采用闪烁体阵列+光敏传感器件二级转换架构，闪烁体将 x 射线转换为可见光，再由光电传感器采集光信号。该方案主要存在以下缺陷：

3、1、两层转换结构增加设备体积，闪烁体发光散射引发像素串扰，微小裂纹、点状夹渣缺陷成像分辨率下降；

4、2、需配套光学镜头、光收集组件、多级放大滤波电路，系统硬件复杂、成本高；

5、3、传统光电传感器无信号非易失存储能力，必须实时供电采集数据，无法适配火电离线批量评片场景。

6、本技术提出的基于cspbbr3忆阻器阵列的x射线探伤自动评片系统及方法主要解决二级转换带来的信号损耗、结构冗余问题，并兼具高 x 射线吸收系数、光电转换、离子迁移阻变存储多重特性，贴合火电大批量、高精度缺陷检测需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供基于cspbbr3忆阻器阵列的x射线探伤设备及自动评片方法。

2、本发明提供如下技术方案：基于cspbbr3忆阻器阵列的x射线探伤设备：包括沿x射线传播方向依次设置的x射线发射源、待测焊口工件承载台、感存一体式辐射探测阵列、pcb承载接线基板、多路恒流信号读取器、上位机缺陷识别终端；

3、所述感存一体式辐射探测阵列为二维矩阵排布的cspbbr3一体化钙钛矿光控忆阻器单元，单个忆阻器单元为垂直堆叠三层结构，自上而下依次为透明ag顶电极、cspbbr3钙钛矿阻变吸收功能层、ito导电底电极。

4、所述cspbbr3一体化忆阻器阵列固定在pcb承载接线基板，pcb承载接线基板上设有与各忆阻器单元一一对应的顶接线极、底接线极；顶接线极与ag顶电极导通，底接线极与ito导电底电极导通。

5、所述多路恒流信号读取器包含多组独立读取电路，每组读取电路对应一个忆阻器单元；每组读取电路由直流的恒流源、电压检测模块（数字电压表）、公共接地端构成；直流的恒流源正极连接顶接线极，负极与底接线极共同接入公共接地端，电压检测模块并联在忆阻器单元两端。

6、所述多路恒流信号读取器的数据输出端与上位机缺陷识别终端电路连接。

7、进一步地，所述cspbbr3钙钛矿阻变吸收功能层厚度为450-550nm；所述透明ag顶电极厚度为18-22nm，超薄银膜保证高能x射线穿透至钙钛矿层。

8、进一步地，所述cspbbr3一体化钙钛矿光控忆阻器单元的侧边及非感光区域采用高透防潮光学胶密封封装，仅保留ag顶电极上表面作为x射线入射窗口，隔绝水氧、粉尘，提升器件长期辐照稳定性。

9、进一步地，所述二维矩阵排布的cspbbr3一体化钙钛矿光控忆阻器单元通过金属交叉掩模分区成型，单元之间物理隔离，消除像素间光电信号串扰。

10、其中，cspbbr3一体化钙钛矿光控忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

11、1）基底预处理：对作为ito导电底电极的ito导电玻璃进行清洗及表面活化处理，并转移至惰性气氛环境中；

12、2）cspbbr3前驱液配制：按预设摩尔比混合csbr与pbbr2，溶解于有机溶剂中配置成前驱液，经搅拌、过滤后避光备用；

13、3）钙钛矿薄膜旋涂成膜：将前驱液滴覆在ito导电底电极，依次进行低速旋涂与高速旋涂，并于高速旋涂过程中滴加反溶剂，随后对旋涂后的薄膜进行分段退火处理，得到cspbbr3钙钛矿功能薄膜，该薄膜构成器件的cspbbr3钙钛矿阻变吸收功能层；

14、4）透明顶电极蒸镀：采用阵列金属掩模版覆盖薄膜，在真空环境下蒸镀高纯银，制备透明ag顶电极，移除掩模得到矩阵忆阻器阵列；

15、5）接线与封装：将忆阻器阵列固定在pcb承载接线基板上，通过贯穿接线极分别引出顶接线极与底接线极；采用光学密封胶封装器件侧边，仅保留顶层感光窗口；

16、6）器件校准：施加扫描电压激活钙钛矿内部离子导电通道；通过梯度x射线辐照标定射线强度与器件多级阻态的对应关系，剔除失效像素单元。

17、基于cspbbr3忆阻器阵列的x射线探伤设备基于如下原理工作：

18、分别为cspbbr3钙钛矿x射线直接电离转换原理、一体化钙钛矿光控忆阻器非易失阻变存储原理、恒流分压式电路信号采集原理，三者配合完成高能x射线到焊缝缺陷图像的转化，取消传统闪烁体二级光转换结构。具体如下：

19、1、cspbbr3钙钛矿x射线直接电离转换原理：

20、cspbbr3晶格中含有高原子序数元素pb、br，对火电探伤高能x射线具备极强的捕获吸收能力；当x射线穿透管道焊口工件后，不同缺陷区域射线衰减程度存在差异，形成强度分布不均的x射线束，垂直入射器件顶层透明ag电极并直达钙钛矿功能层。高能x光子轰击钙钛矿晶格，将价带束缚电子激发至导带，大量生成电子-空穴对；x射线辐照强度越高（焊缝裂纹、气孔、夹渣等缺陷区域），单位面积内激发的光生载流子浓度越高；无缺陷区域x射线衰减严重，入射光子数量少，载流子生成量极低。该原理具有无中间损耗优势，相较于闪烁体与光敏薄膜的二级转换架构，省去x射线-可见光转换步骤，不存在荧光散射、光能损耗、像素光学串扰问题，可精准捕捉焊缝微小缺陷对应的微弱射线差异，显著提升低对比度缺陷识别灵敏度。

21、2、cspbbr3一体化光控忆阻器阻变与非易失存储原理：

22、cspbbr3单层薄膜同时承担x射线吸收、光电转换、阻态存储三重功能，依靠卤素离子迁移导电细丝效应实现多级可逆阻变，是实现离线批量评片的核心。暗态高阻态（焊缝完好区域）：无x射线辐照时，钙钛矿内部br-卤素离子均匀分散，薄膜内部无连续导电通路，器件整体维持稳定高阻态；外接偏压下仅有微弱漏电流，对应上位机采集高电压信号。辐照诱导多级低阻态（焊缝缺陷区域）：x射线电离产生大量电子-空穴对，降低薄膜内部离子迁移势垒；在pcb承载接线基板施加的微小外加偏压驱动下，br-卤素离子定向迁移、聚集，在钙钛矿薄膜内部形成多条连续导电细丝；x射线辐照强度越大，载流子浓度越高，离子迁移程度越深，导电细丝连通性越好，器件电阻连续降低，形成多级可调低阻态，建立x射线强度与器件电阻一一对应的线性映射关系。

23、非易失记忆特性：撤除x射线辐照后，钙钛矿内部br-离子形成的导电细丝结构不会自发消散，器件阻态可长期稳定保存，无需持续通电维持信号；检测完成后可离线批量读取全部阵列阻态数据，完美适配百万机组数万张rt底片离线集中评片的工程场景。

24、3、恒流分压式电路采集原理：

25、基于后端多路并联读取电路结构实现，无需改动既有硬件结构，通过恒定电流分压机制将忆阻器多级电阻信号转化为可量化电压矩阵，完成电学信号数字化输出。具体如下：

26、采集过程遵循统一恒流供电规则：阵列中每一个cspbbr3忆阻器单元匹配独立读取支路，所有支路共用同一规格直流的恒流源，保证每一路通入大小完全相等的恒定电流i，消除供电差异带来的采集误差。

27、在该供电模式下，电压信号与焊缝状态形成对应映射：

28、焊缝缺陷区x射线辐照强，忆阻器内部导电细丝完整、电阻r小，对应采集电压u偏低；

29、焊缝完好区x射线辐照弱，器件维持高阻态、电阻r大，对应采集电压u偏高。

30、多路数字电压表同步采集全部忆阻器单元两端电压，整合生成二维电压分布矩阵；上位机将电压数值映射为灰度图像，通过阈值分割、轮廓识别算法自动区分气孔、裂纹、夹渣、未焊透四类典型焊接缺陷，输出包含缺陷位置、尺寸、类型的检测结果。

31、整套采集电路不依赖前端转换介质，可直接适配本发明cspbbr3一体化忆阻器阵列，无需更换放大、滤波、模数转换硬件，降低了设备改造落地成本。

32、上述采集过程与信号处理过程如下：

33、高能x射线由探伤源输出后穿透管道焊口，因焊缝缺陷区域与完好区域的材料密度差异产生空间选择性衰减，形成梯度分布的x射线强度分布；衰减后的x射线直接入射cspbbr3钙钛矿层，高能光子激发晶格产生电子-空穴对，形成载流子浓度差异；光生载流子降低卤素离子迁移势垒，在偏置电场驱动下诱导br⁻离子定向迁移并形成多级导电细丝，使器件呈现与辐照强度对应的稳定非易失阻态；恒流分压采集电路将各单元的阻态变化线性转换为电压信号，整合构建表征焊缝透射率的二维电压矩阵；上位机对所述矩阵数据进行解析与映射，重构为焊缝灰度图像，生成包含缺陷位置、尺寸及类型的检测报告。

34、通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

35、1）本发明基于设置的cspbbr3钙钛矿忆阻器阵列，利用其高原子序数元素对x射线的强吸收及直接电离特性，单层薄膜同步实现x射线吸收、光电转换与阻变存储，省去传统闪烁体阵列及承载板，减少光散射串扰，提升了微小裂纹、点状夹渣等低对比度缺陷的识别精度，适配火电大批量检测需求。

36、2）本发明采用cspbbr3单层薄膜作为功能层，利用x射线电离产生的载流子驱动卤素离子迁移形成稳定的导电细丝，使忆阻器单元在撤除辐照后仍保持既定阻态。基于该非易失存储特性，器件无需实时供电保存缺陷特征，适配火电离线大批量rt底片检测。

37、3）本发明省去传统闪烁体及配套光学组件，基于pcb承载接线基板直接引出电极构建平面化探测结构，简化了系统光路与硬件电路，同时，cspbbr3薄膜可通过旋涂及掩模蒸镀工艺大面积制备矩阵阵列，制备流程简单。本发明满足百万机组数万张拍片的批量检测需求，从硬件层面规避人工评片存在的漏检、误检及效率低下问题。