Плоскопанельные детекторы: передовые технологии для промышленной радиографии

Плоскопанельный детектор – это система с матричным цифровым детектором (DDA-система) для промышленного радиографического контроля, предназначенная для получения и передачи рентгеновских снимков на персональный компьютер оператора для последующей обработки и расшифровки. Наряду с запоминающими пластинами и радиографической плёнкой, плоскопанельные детекторы предназначены для регистрации ионизирующего излучения, прошедшего через просвечиваемый материал. При этом в отличие от плёнок и пластин, такие комплексы преобразуют радиационное изображение объекта контроля непосредственно в видимое цифровое изображение, которое выводится сразу на монитор ПК. Без химико-фотографической обработки. Без оцифровки готовых снимков на плёнках. Без сканирования запоминающей пластины. Рентгенограмма передаётся сразу на ПК оператора, и при необходимости повторно пересветить объект можно сразу на месте, сделав всего лишь несколько кликов и потратив 1–2 минуты.

Системы радиационного контроля, построенные на использовании запоминающих пластин и радиографических плёнок, относятся к системам с промежуточным носителем информации. А вот системы, в которых задействованы плоскопанельные детекторы, классифицируются как системы реального времени (так называемая прямая радиография).

Плоскопанельные детекторы активно внедряются на объектах химической, нефтяной и газовой промышленности, атомной энергетики, судостроения, металлургии. Наиболее широкое применение в РФ получили плоскопанельные детекторы марок Dürr NDT, Vieworks, Teledyne DALSA, Baker Hughes (GE), Perkin Elmer. Среди отечественных разработчиков позволим себе выделить компании «Ньюком-НДТ» (Санкт-Петербург) и «ПРОДИС.НДТ» (Москва).
durr-ndt-2430.jpg

1. Как устроены плоскопанельные детекторы

Обычно они выполняются в прямоугольном либо квадратном корпусе, пластиковом или металлическом. Задняя его часть, как правило, глухая, а передняя – делается из рентгенопрозрачного материала (например, карбона). Наличие такого экрана не мешает радиационному излучению, зато уберегает матрицу от механических повреждений. Для наглядности и более точного позиционирования панели относительно объекта контроля и источника ионизирующего излучения, границы активной зоны на корпусе панели обозначают заводской маркировкой.

Следующий за экраном слой сцинтиллятора отвечает за преобразование энергии ионизирующего излучения в световую энергию. Полученный свет далее падает на матрицу, где преобразуется в электрический ток. Разряды, в свою очередь, поступают на тонкоплёночные транзисторы, где пропорционально усиливаются и принимаются аналого-цифровым преобразователем. Оттуда цифровой сигнал уже передается на ПК.

В плоскопанельных детекторах вообще много разной электроники. Под действием ионизирующего излучения она может выходить из строя, поэтому в панелях её стараются разместить сбоку от зоны, в которую напрямую попадает рентгеновское излучение. Также электронику стараются оградить от него защитными вольфрамовыми экранами.

Ещё один очень важный атрибут плоскопанельных детекторов, особенно с беспроводным подключением, – это аккумулятор. От его ёмкости зависит продолжительность автономной работы, что имеет критическое значение при проведении РК в полевых условиях. Наиболее продвинутые системы с цифровыми матричными детекторами способны работать в автономном режиме до 2,5 часов (на холоде) или до 4,5 часов (в тепле). Такова средняя продолжительность работы от одного аккумулятора. Большинство уважаемых производителей предусматривают в комплекте поставки две батареи.

К важным конструктивным элементам плоскопанельных детекторов также относятся разъёмы для подключения кабелей питания и связи с ПК. Для беспроводной передачи данных также может быть предусмотрен модуль Wi-Fi. Для отображения заряда аккумулятора и рабочего состояния детектора – многие модели оснащаются светодиодными индикаторами и небольшими дисплеями.
interfeysy-ploskopanelnogo-detektora.jpg
Кожухи к плоскопанельным детекторам выполняют сразу две функции:
  • защищают панель от ударов и механических повреждений;
  • препятствуют разрушению полупроводниковых элементов электрической части. Чтобы уберечь электронику от деградации из-за ионизирующего излучения, повторимся, её располагают с задней части корпуса и ограждают вольфрамовыми пластинами. Так вот кожухи тоже помогают снизить дозовую нагрузку на электронику. Забегая вперёд, уточним, что для правильной эксплуатации всё равно рекомендуется соблюдать рекомендации производителей по максимально допустимой энергии излучения.
Также к плоскопанельным детекторам прилагаются приспособления для позиционирования на объекте контроля. К таковым, например, относятся цепи, ремни, штативы и прочие крепёжные механизмы.

Кроме того, в комплекте к плоскопанельным детекторам зачастую прилагается планшет либо ноутбук с предустановленным программным обеспечением для управления DDA-системой, а также для получения, обработки, расшифровки и архивирования цифровых рентгенограмм. Завышенных требований к железу для корректной работы софта нет. Например, для корректной работы российской программы X-Vizor вполне достаточно 8 Гб оперативной памяти и процессора не хуже Intel Core i5. От экрана тоже требуется немного: яркость не ниже 250 кд/кв. м, контрастность не хуже 1:250, разрешение 1920x1080 пикселей и больше. У многих современных программ есть 32- и 64-битные версии – для планшетов и стационарных ПК.

Ну и для комплексов цифровой радиографии, которые работают в непрерывном режиме на поточном производстве, могут быть дополнительно предусмотрены кулеры для более эффективного охлаждения. По мере работы матрица нагревается – и уровень шумов растёт. Принудительное охлаждение помогает этого избежать.


2. Виды плоскопанельных детекторов

Они классифицируются по двум ключевым параметрам.

2.1. Способ преобразования радиационного излучения в электрический сигнал. В системах прямого преобразования радиационное излучение преобразуется сразу в электрические сигналы. Рентгеновские фотоны воздействуют на полупроводниковый слой, что приводит к образованию электронно-дырочных пар. Сила возникающего при этом тока зависит от дозы излучения. Электрический сигнал далее передаётся на матрицу тонкоплёночных транзисторов, где преобразуется в сигнал цифровой.

Для изготовления таких панелей обычно используется аморфный селен (a-Se) либо монокристаллический теллурид кадмия (CdTe). Оба материала способны улавливать рентгеновские фотоны и преобразовывать их непосредственно в электрические сигналы. Системы прямого преобразования пока не получили столь широкого распространения и остаются узкоспециализированным оборудованием.

В системах непрямого преобразования ионизирующее излучение сначала трансформируется в световую энергию, а уже потом – в электрические сигналы. Квант рентгеновского излучения попадает на сцинтиллятор, вследствие чего порождается видимый свет, который, в свою очередь, воздействует на фотоматрицу. На выходе из неё получается электронный сигнал.

В промышленной радиографии наибольшее распространение получили плоскопанельные детекторы именно второго типа, то есть непрямого преобразования. Непосредственно за «трансформацию» радиационного излучения в видимый свет, как мы уже отметили, отвечают так называемые сцинтилляторы. К самым популярным в промышленной радиографии сцинтилляторам относятся:
  • оксисульфид гадолиния (GadOx),
  • цезий-йод (CsI).
Считается, что сцинтилляторы на основе йозистого цезия обеспечивают наибольший выход световой энергии. Благодаря направленной, игольчатой кристаллической структуре цезий-йод лучше поглощает рентгеновское излучение, обеспечивает более высокую чувствительность контроля. Известно также, что из-за эффекта так называемого «после-свечения» для рентгена объектов с существенным перепадом толщины (например, сварных швов с неснятым усилением) такие системы не рекомендуются. По этой причине в промышленной радиографии более востребованы сцинтилляторы на основе оксисульфида гадолиния. Оксидсульфид гадолиния имеет аморфную структуру из-за чего рентгеновское излучение несколько рассеивается, но эффект «после-свечения» у этого типа сцинтиллятора отсутствует.

2.2. Тип светочувствительной матрицы. В промышленных комплексах для цифровой радиографии непрямого преобразования встречаются матрицы двух типов.
  • TFT (ТПТ). Главный их элемент – заряженные до определённого напряжения фотодиоды на основе аморфного кремния (aSi). Ионизирующее излучение попадает на сцинтиллятор. Под действием этого люминофор пикселя аморфно-кремниевой матрицы испускает короткую вспышку света в видимом диапазоне. Она поступает на фотодиод, что приводит к появлению электрического заряда, который обрабатывается аналого-цифровым преобразователем. Цифровые импульсные сигналы формируются по каждому пикселю. Чем выше экспозиционная доза и больше заряд от люминофора, тем больше импульсов генерируется. Как только ионизирующее излучение перестаёт попадать на панель, уровень сигнала сразу падает до нуля. Большой плюс TFT-матриц в том, что у тонкоплёночных транзисторов практически нет ограничений по площади. Это позволяет использовать их для производства крупных панелей, 40x40 см и более. Правда, размер пикселя составляет от 75 до 400 мкм. TFT-матрицы также отличаются высокой радиационной устойчивостью, а потому подходят даже для работы с высокими энергиями рентгеновских квантов – до 450 кэВ. В качестве сцинтиллятора с такими матрицами может использоваться как гадолиний, так и цезий-йод, хоть последний и отличается меньшей разрешающей способностью. Однако ввиду сравнительно большого размера пикселя у самих TFT-матриц (75-200 мкм) это не критично, тем более что просвечивание с большими энергиями обычно требуется для толстостенных объектов и предполагает выявление относительно крупных дефектов.
  • CMOS (КМОП). Свет после сцинтиллятора собирается на волоконно-оптической шайбе – полимерной либо стеклянном стержне – и поступает по ней на светочувствительные элементы матрицы, заряжая конденсатор. При считывании сигнала конденсатор разряжается и измеряется величина полученного ранее заряда. Результат измерения преобразуется в уровень серого. У каждой пикселя он свой – и, суммируясь, сигналы формируют изображение. Размеры КМОП-сенсоров редко превышают 15x15 см, которые можно объединять в более крупные «массивы». Но поскольку это ведёт к их удорожанию, то на практике активная зона таких систем чаще всего не превышает 24 см. Размер пикселя у КМОП-матриц для промышленной радиографии чаще всего составлять от 25 до 50 мкм. CMOS-матрицы отличаются от TFT меньшим размером пикселя. Он может составлять всего 50 мкм, поэтому CMOS-матрицы отличаются более высокой разрешающей способностью. При этом их размеры не могут превышать 29x23 см – в то время как размеры TFT-матриц могут достигать 43x43 см. При этом считается, что TFT-матрицы менее подвержены деградации под действием рентгеновского излучения, нежели CMOS. Слишком большие экспозиционные дозы (200–300 кэВ в зависимости от модели) со временем приводят к тому, что уровень собственных шумов у CMOS-матриц резко повышается, а чувствительность, наоборот, становится ниже из-за потемнения волоконно-оптической шайбы. Поэтому они рекомендуются для просвечивания тонкостенных объектов, с малой энергией излучения. И по этой же причине между слоем сцинтиллятора и сенсорами КМОП-матрицы производители дополнительно размещают оптоволоконную пластину, которая ослабевает рентгеновское излучение и тем самым продлевает ресурс DDA-системы. С другой стороны, наличие оптоволоконной пластины может затруднять охлаждение панели и, конечно, несколько удорожает конструкцию в целом.
В отдельную группу можно выделить плоскопанельные детекторы типа ПЗС, которые применяются больше для научно-исследовательских целей, нежели для неразрушающего контроля. Размер пикселя может составлять всего от 1 до 10 мкм. Правда, активная зона, как правило, не превышает 4 см.

3. Процесс получения рентгенограмм

3.1. Включение плоскопанельного детектора

На загрузку рабочих настроек и создание сети Wi-Fi (если таковая поддерживается панелью) уходит до 1–1,5 минут. По ней панель подключается к рабочему ПК (ноутбуку или планшету) с программным обеспечением для управления панелью и работы с изображениями.

3.2. Установка на объекте контроля

Как мы отмечали выше, плоскопанельные детекторы фиксируют на объектах контроля при помощи ремней, хомутов, цепей и прочих крепёжных приспособлений. Некоторые беспроводные модели в экстренных ситуациях и вовсе закрепляют при помощи скотча.

Для маркировки сварных соединений используются те же принадлежности – мерительные пояса, свинцовые литеры, канавочные эталоны чувствительности. Поскольку речь идёт о цифровой радиографии, то, кроме перечисленного, с плоскопанельными детекторами часто применяются проволочные индикаторы качества изображения (IQI). Они представляют собой гибкие прозрачные пластиковые футляры, внутри которых – по семь металлических проволочек разных диаметров. Также в цифровой радиографии применяются так называемые дуплексные, или двухпроволочные IQI.

Добавим также, что, как и в плёночной радиографии, не будет лишней защита от рассеянного излучения. При использовании плоскопанельного детектора в тесном пространстве, где можно легко «поймать» обратное рассеяние излучение от боковых поверхностей, потолка или пола – защитное экранирование лишним не будет.

3.3. Калибровка

Калибровка помогает вычитать собственные шумы плоскопанельного детектора и добиваться более высокого качества рентгенограмм. Это нужно для того, чтобы добиваться высокого качества снимков несмотря на естественную разницу между пикселями и их неоднородности на панели. Чтобы подготовить плоскопанельный детектор к работе, необходимо выполнить:
  • калибровку по смещению для компенсации токов утечки в электрической части. В процессе работы она нагревается, токи утечки увеличиваются – и увеличивается так называемый темновой сигнал. Такой эффект можно наблюдать при выключенном рентгене: излучения нет, однако при запросе кадра с детектора на ПК поступает характерное «полосчатое» изображение структуры светочувствительной матрицы. Связано это с тем, что в некоторых пикселях всё равно фиксируется некоторый сигнал. «Переходы» на таком изображении могут наложиться на снимок и помешать расшифровке. Чтобы этого не допустить, уровень сигнала на всех пикселях приводится к нулю. Калибровка по смещению, повторимся, выполняется до включения рентгена. В некоторых системах это осуществляется автоматически, при каждом новом включении панели;
  • калибровку по усилению. Проводится с включённым излучением. Между панелью и источником ионизирующего излучения помещают металлическую пластину, желательно той же толщины и из того же материала, что и объект контроля. Напряжение и силу тока на рентгеновском аппарате также лучше выставлять те же, которые будут использованы и при последующем контроле. Тестовая экспозиция необходима для того, чтобы скомпенсировать возможную неравномерность слоя сцинтиллятора и отличия в работе усилителей. Если этого не сделать, то даже при равномерном просвечивании панели на получаемых изображениях могут быть видны области, где усилители работают по-разному или, например, имеют место отклонения по толщине слоя сцинтиллятора. В процессе калибровки для каждого пикселя рассчитывается своя поправка по усилению для «выравнивания» чувствительности сцинтиллятора, так что изображение получается более «гладким».
Калибровку по смещению желательно проводить перед началом работы, а также при существенном изменении температуры окружающей среды и температуры внутри плоскопанельного детектора. Для этого в конструкции панелей предусматривают термодатчик – чтобы оператору было проще следить за состоянием электроники, которая нагревается в процессе работы. В программе X-Vizor, например, доступна как ручная, так и автоматическая калибровка по смещению. Оператор также может сохранить несколько пользовательских калибровок для разных диапазонов рабочих температур.
sravnenie-snimkov-x-vizor.jpg
Что касается калибровки по усилению, то её не нужно повторять так часто. Достаточно сделать калибровки под конкретные толщины и схемы контроля. В дальнейшем при деградации источника излучения (изменения его спектра излучения или мощности), калибровки по усилению необходимо будет переделать.

Некоторые производители дополнительно к этому составляют индивидуальную карту плохих пикселей по каждому выпущенному плоскопанельному детектору. При желании можно использовать эту карту в ПО, однако на практике стандартных возможностей по калибровке бывает вполне достаточно. Если же в процессе работы возникли подозрения на предмет того, что изображено на снимке – дефект или битый пиксель – это легко проверить. Достаточно просто переместить объект и повторно его просветить, не меняя положения плоскопанельного детектора. Если проблема в битых пикселях – то они вновь отобразятся в том же месте на снимке. А если это был дефект в объекте контроля – то его изображение, соответственно, будет смещено вместе с ним. Добавим также, что наличие «разрозненных» битых пикселей – ещё полбеды. Гораздо хуже – когда «дефективной» оказалась линия (ряд) пикселей подряд. Такие панели бракуются ещё на этапе производства. Если же такая проблема обнаружилась уже в процессе эксплуатации панели, тогда нужно следить за тем, чтобы «дефективный» участок оставался за пределами зоны контроля. При просвечивании сварного соединения, например, в неё будет входить сварной шов и околошовная зона.
3.4. Просвечивание

Оптимальный тип источника ионизирующего излучения для плоскопанельных детекторов – рентгеновские аппараты постоянного потенциала. Импульсные аппараты и гамма-дефектоскопы для DDA-систем не рекомендуются. Источники типа «Гаммарид-192» и «Иридий-192» могут оказаться особенно «губительными» для CMOS-матриц, которые хуже поглощают рентген и чаще выходят из строя под воздействием больших доз. Хотя многие модели могут работать и с ними – например, «КАРАТ РТС 4343». Что касается импульсных рентген-аппаратов, то они не рекомендуются для DDA-систем поскольку создают шумовой сигнал в момент считывания сигнала с матрицы детектора на ПК оператора.

Плоскопанельные детекторы хороши тем, что оператор получает снимок за считаные минуты. И если с ним что-то не так – то можно, например, сразу же подкорректировать напряжение на трубке, время экспозиции, длительность кадра, суммирование в режиме накопления и т.д. Поэтому просвечиванию объекта контроля могут предшествовать «пристрелочные» экспозиции, что с DDA-системами делать максимально легко и удобно.

Плоскопанельные детекторы могут фиксировать изображение в «ручном» режиме, то есть по команде оператора, переданной с управляющего ПК. В некоторых современных моделях также предусмотрен автоматический режим считывания изображения при обнаружении рентгеновского излучения.

3.5. Передача изображения на ПК

В программе, установленной на рабочем ПК (ноутбуке, планшете), оператор запускает функцию съёмки. Команда поступает на детектор, тот считывает сигналы с матрицы и по беспроводной связи передаёт данные на ПК. Готовое изображение выводится на экран всего через несколько секунд.

Сразу после того, как плоскопанельный детектор передал изображение на ПК, его можно сразу сохранить на устройстве. Полученный таким образом исходник будет оставаться в первоначальном виде вне зависимости от последующей обработки, о которой пойдёт речь в следующем параграфе. В этом состоит одно из преимуществ DDA-систем и ПО для работы с ними. Файлы с рентгенограммами записываются в защищённом формате DICONDE (российский аналог – XYZ). Данные стандарты для хранения цифровых рентгеновских снимков основаны на следующих принципах:
  • изменение исходных изображений исключительно путём «наложения» выбранных эффектов в виде дополнительных слоёв. На пиксельном уровне они остаются в первоначальном виде;
  • защита от постороннего доступа. В том числе – с использованием паролей;
  • совместимость с разными типами ПК, корректный вывод изображений на разных экранах;
  • обеспечение длительного хранения данных без потери качества;
  • сохранение так называемых метаданных дополнительно к самому снимку. К ним, например, относится информация об ИИИ (тип, напряжение, ток, фокусное расстояние, время экспозиции), об объекте контроля (наименование, материал, толщина, диаметр, номер, сведения о монтажной организации, лаборатории и заказчике), о самом плоскопанельном детекторе и т.д. Все эти данные важны для расшифровки и оформления заключений, поэтому их корректный экспорт критически важен для дефектоскопистов РК.
Более подробно о стандартах DICONDE и XYZ можно почитать здесь.
3.6. Обработка и архивирование

Что касается последующей обработки снимков, то здесь преимущества цифровой радиографии раскрываются на все 100%. Так, если говорить про одну из лучших на рынке программ X-Vizor, то она даёт оператору огромное количество инструментов для работы с самыми разными DDA-системами и с получаемыми рентгенограммами. Вот лишь малая часть того, что можно делать в X-Vizor:
  • объединять несколько снимков в один. Такая потребность может возникнуть, например, при проведении радиографического контроля кольцевых стыковых сварных соединений трубопроводов. Сшивка отдельных рентгенограмм в одну упрощает расшифровку и позволяет с изображением всего сварного соединения, как если бы для просвечивания использовалась рулонная рентгеновская плёнка;
  • обрезать снимок, оставляя только нужный фрагмент;
  • инвертировать изображение, отображая его в позитиве или негативе;
  • увеличивать отдельные участки на снимке при помощи цифровой лупы. Причём увеличенную область можно выводить на дополнительный монитор (при наличии такового);
  • регулировать яркость и контрастность изображения;
  • выделять области на снимке и измерять их линейные размеры (длину, диаметр, площадь);
  • измерять толщину материала по профилю уровней серого;
  • наносить на рентгенограмму текстовые и графические пометки, условные обозначения, маркеры для выделения дефектов, подписи и т.д.
При этом – в X-Vizor предусмотрена индикация заряда аккумулятора плоскопанельного детектора и уровень сигнала при передаче данных по Wi-Fi.

Отдельного упоминания заслуживают возможности для оформления заключений по результатам радиографического контроля. В программе предусмотрены шаблоны для более оперативного оформления заключений согласно разным нормативным документам, от ГОСТ 7512 до стандартов API. Оператору нужно лишь выбрать руководящий НТД из предложенного списка, заполнить необходимые данные – и заключение/протокол/акт будет сгенерировано автоматически. Так, можно выделить дефекты на снимке, измерить их размеры – и программа автоматически добавит соответствующие им условные записи в заключение и оценит их с учётом норм отбраковки по выбранному НТД.

Важно уточнить: многие специалисты РК рекомендуют выполнять расшифровку цифровых рентгенограмм строго по исходному изображению, без применения фильтров. Они бывают очень полезны, но рассчитаны больше на быстрый, предварительный просмотр или перепроверку снимков. Впрочем, встречается и другой подход, когда в математической обработке изображений не видят ничего плохого и применение фильтров активно практикуется. Как бы то ни было, отталкиваться нужно от руководящего документа и требований заказчика.

И конечно, архив с цифровыми рентгенограммами можно хранить как на жёстком диске, так и в облачном хранилище.

4. Характеристики цифровых рентгенограмм

4.1. Чем определяется качество снимков

Определяющими здесь являются два ключевых параметра:
  • квантование – количество уровней серого. Чем оно больше, тем точнее цифровое изображение объекта контроля соответствует изображению радиационному. Квантование определяется разрядностью DDA-системы, о которой мы скажем ниже. Стандартом для современных комплексов является разрядность 16 бит, что соответствует 65 535 градациям серого;
  • дискретизация – процесс «разделения» изображения на пиксели. Чем их больше, тем лучше. И чем меньше размер отдельного пикселя – тем также предпочтительнее.
По состоянию на сентябрь 2022 года технологии цифровой радиографии предусмотрены во многих нормативных документах, в РД-25.160.10-КТН-016-15 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов (с изменением №1, 2)» и во «Временных требованиях к организации сварочно-монтажных работ, применяемым технологиям сварки, неразрушающему контролю качества сварных соединений и оснащённости подрядных организаций при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте магистральных газопроводов ОАО «Газпром». Но ключевым российским документом по данному направлению остаётся ГОСТ ISO 17636-2-2017 «Неразрушающий контроль сварных соединений. Радиографический контроль. Часть 2. Способы рентгено- и гаммаграфического контроля с применением цифровых детекторов». В данном стандарте упоминается несколько параметров, по которым проверяется качество цифровых рентгенограмма. Самые главные из них – первые три в нашем списке. Ещё два показателя мы добавили для справки, но, повторимся, есть и другие критерии оценки изображений.

4.2. Нормализованное отношение сигнал/шум

Выявляемость дефектов на снимке тем выше, чем больше отношение сигнала к шуму – разбросу значений серого в той или иной области. Отношение сигнал/шум тем выше, чем больше размер пикселя. Если разделить отношение сигнал/шум на базовое пространственное разрешение, то получается значение нормализованного отношения сигнал/шум, которое регламентируется нормативными документами.

Один из способов уменьшения шума изначально заложен в технических возможностях плоскопанельных детекторов. Так, в режиме накопления такие панели могут делать сразу несколько снимков, а затем усреднять сигнал в каждой точке изображения. При неизменном уровне сигнала количество шумов ощутимо снижается, и картинка получается намного «чище». Причём в зависимости от уровня сигнала оператор может при помощи ПО индивидуально настраивать длительность кадра. Например, при суммировании по четырём кадрам чувствительность получается более высокой, чем при суммировании по двум кадрам, даже если время экспозиции и разрешающая способность остаются те же. При этом желательно, чтобы длительность кадра получилась меньше, чтобы не позволять накапливаться рассеянному излучению.

4.3. Чувствительность

Проверяется по номеру наименьшей проволочки проволочного индикатора качества изображения (IQI), которая видна на рентгеновском снимке (не менее 60% её длины). Номер наименьшей проволочки указывается в руководящей документации на контроль и зависит от класса контроля (А или В по ГОСТ ISO 17636-2-2017) и радиационной толщины объекта.

4.5. Базовое пространственное разрешение цифрового изображения

Величина обозначает эффективный размер пикселя и указывает на наименьший размер объекта, доступного для разрешения на снимке. Чем ниже базовое пространственное разрешение, тем более мелкие дефекты можно различать на изображении. Базовое пространственное разрешение проверяется по дуплексному индикатору качества изображения. В уже упомянутой программе X-Vizor за её измерение отвечает отдельный инструмент. Оператору нужно наложить специальную линию с измерительными маркерами поверх изображения дуплексного IQI. По нему программа автоматически обнаруживает пары проволочек, вычисляет «провалы» (по значениям уровня серого) между ними и сравнивает их «глубину» с высотой этих самых проволочек. Рассчитанное числовое значение разрешающей способности необходимо сопоставить с требованиями нормативных документов.

4.6. Отношение контраст-шум

Это отношение среднего значения линеаризованных значений градаций серого к стандартному отклонению линеаризованных градаций серого в отдельной области изображения. Производной величиной от нормализованного отношения сигнал-шум и отношения контраст-шум является нормализованное отношение контраст-шум.

Если состояние рентгеновского аппарата позволяет, то при работе с плоскопанельным детектором умеренное увеличение напряжения может только пойти на пользу. Благодаря этому улучшается отношение контраст/шум, и снимки могут получиться более качественными.

5. Подбор плоскопанельных детекторов под конкретные задачи радиационного контроля

5.1. Ограничения применения DDA-систем

Плоскопанельные детекторы стоят не дёшево – до нескольких миллионов рублей. Далеко не каждая лаборатория в состоянии позволить себе такое приобретение. Окупиться оно может только при наличии надлежащих объёмов контроля.

Панели не гнутся – это ограничивает их при контроле объектов цилиндрической формы, для которых плёнка остаётся более практичным вариантом. Например, когда её нужно скрутить и поместить внутрь трубы.

Если говорить о разрешающей способности, то у радиографической плёнки она, конечно же, выше, чем у цифровых плоскопанельных детекторов (50 мкм). Мелкозернистые светочувствительные эмульсии из галогенида или бромида серебра в любом случае позволяют получить более детализированное изображение, нежели сенсоры. Правда, на практике эта разница ощутима разве что для тонкостенных малогабаритных изделий, к рентгену которых предъявляются жёсткие требования по чувствительности.

Большинство DDA-систем не могут работать с импульсными рентген-аппаратами. С гамма-источниками, как мы отметили выше, это возможно, но далеко не все панели на это способны. А если способны – вопрос в долговечности таких комплексов.

К условным недостаткам цифровых матричных систем можно отнести также собственную (внутреннюю) нерезкость и внутренние шумы, связанные с естественным ограничением размера пикселя, особенностями работы электроники и пр. Для многих ситуаций это не составляет особой проблемы, поскольку не всегда требуется повышенная разрешающая способность. К тому же отчасти она компенсируются средствами математической обработки изображений в программном обеспечении.

Для работы с DDA-системами понадобится дополнительная подготовка персонала. Далеко не везде есть соответствующий преподавательский состав и материально-техническая база для такого обучения. Но при желании можно решить и эту проблему – например, пройти повышение квалификации и сертификацию по направлению цифровой радиографии согласно стандартам ISO 9712 или ASNT можно в научно-учебном центре «Качество» (Москва).

Ну и наконец, поскольку в таких комплексах всё построено на электронике, то они требуют бережного к себе отношения. Особенно при эксплуатации в полевых условиях. Нужно всячески избегать электромагнитных помех, ударов, попадания влаги и грязи.
ploskopanelniy-detektor-karat-rts-2430-na-realnom-obyekte.jpg
5.2. Преимущества DDA-систем

По сравнению с плёночной радиографией контроль с применением цифровых плоскопанельных детекторов сильно упрощает жизнь дефектоскопистам РК и руководству ЛНК.
  • Отсутствие химико-фотографической обработки плёнок. Не нужно тратиться на расходники – плёнку и реактивы. Не нужно обустраивать проявочную комнату. Не нужно приобретать проявочную и сушильную технику. Но самое главное – «на корню» устраняются риски, связанные с ошибками при химико-фотографической обработке плёнок, особенно при ручном способе проявления. Следить за качеством рентгенограмм намного легче – оценивать снимки можно «в режиме реального времени».
  • Сокращение времени экспозиции, увеличение производительности контроля. Причём управление им может осуществляться через сам плоскопанельный детектор. Так, при использовании рентгеновского генератора постоянного потенциала можно выставить сколько угодно большое время экспозиции. А вот время для захвата и накопления кадров оператор может задать при помощи специального ПО на своём ПК. В большинстве случае 3–20 секунд вполне достаточно для получения приемлемого по качеству снимка – в зависимости от требуемого класса контроля.
  • Возможность РК подвижных объектов. Плоскопанельные детекторы с поддержкой видеорежима могут делать снимки после накопления минимальной дозы, достаточной для сохранения изображения. Видеорежим позволяет следить за просвечиваемыми объектами в динамике. Также он полезен тем, что позволяет наглядно следить за тем, как по ходу разгона рентгеновский аппарат (постоянного потенциала) выходит «на режим». Особенно это удобно при использовании проводного подключения. Для этого можно задать на рентгеновском генераторе большое (или даже бесконечное) время экспозиции и перевести панель в режим видео. Захват кадров будет осуществляться в режиме реального времени – и снимки будут сразу выводиться на монитор ПК. По характеристикам рентгенограмм, о которых мы говорили выше (нормализованное отношение сигнал/шум, чувствительность, разрешающая способность) можно судить о том, насколько ИИИ и комплекс готовы к работе.
  • Возможность уменьшения напряжения рентгеновского излучения при экспозициях. Тем самым снижается нагрузка на рентгеновский аппарат, плюс упрощаются требования к камере радиационной защиты (если РК проводится в лабораторных условиях).
  • Возможность механизации и автоматизации РК. На рынке есть решения, например, для полуавтоматизированного или даже автоматизированного радиационного контроля кольцевых сварных соединений трубопроводов, турбинных лопаток, толстостенных поковок и пр.
Преимущества плоскопанельных детекторов наиболее проявляются при просвечивании на эллипс или «в лоб», хотя на рынке есть решения и для панорамных экспозиций, в том числе - автоматизированные.

5.3. Характеристики DDA-систем

Подбор плоскопанельного детектора, как и любого другого оборудования для неразрушающего контроля, должен осуществляться с учётом положений нормативных документов на контроль. Например, это касается класса контроля по ГОСТ ISO 17636-2-2017: класс А – основные способы, класс В – улучшенные способы. Однако поскольку технология относительно новая, то методических указаний может и не быть. В этом случае необходимо разрабатывать инструкцию с нуля. Однако большой сложности в этом нет – отечественные разработчики DDA-систем предоставляют такую услугу.

Если же говорить только про технические характеристики панелей, то к наиболее важным относятся следующие параметры.

- Матрица. Дополнительно к тому, о чём уже было сказано выше, добавим, что плоскопанельные детекторы с TFT-матрицей больше подходят для радиационного контроля в полевых условиях. Если же предъявляются строгие требования к разрешающей способности и РК проводится в лаборатории, то стоит присмотреться к панелям с CMOS-матрицами. С ними проще добиваться высокого класса контроля – поэтому КМОП-панели активно используются, например, для радиационной дефектоскопии литых изделий ответственного назначения.

- Сцинтиллятор. Добавим к вышесказанному, что гадолиний наиболее эффективен при работе с малыми энергиями (в пределах 100 кэВ). Поэтому плоскопанельные детекторы с таким сцинтиллятором (GadOx) наиболее целесообразны (и экономически более оправданы), например, для радиографического контроля композитных материалов. Цезий-йод, напротив, больше подходит для высокоэнергетического излучения, свыше 100 кэВ. Поэтому сцинтиллятор CsI чаще применяется в DDA-системах, предназначенных для радиационной дефектоскопии объектов из стали.

- Разрешающая способность. Зависит от размера пикселя, но не только. У CMOS-матриц, напомним, он может составлять от 1 до 10 мкм, у TFT – от 75 до 400 мкм.

- Разрядность оцифровки электрических сигналов (размерность аналого-цифрового преобразования). Чем она больше, тем больше градаций серого доступно для формирования изображений. У наиболее продвинутых аналого-цифровых преобразователей разрядность достигает 16 бит, чему соответствуют 65 535 уровней серого. DDA-системы с размерностью аналого-цифрового преобразования 16 бит отвечают актуальным требованиям к отношению сигнал/шум и информативности рентгенограмм.

- Размер и область детектирования. У TFT-матриц, напомню, размер активной области может достигать 43x43 см и более. У CMOS-матриц – до 24 см (при объединении сенсоров в массивы – может быть больше).

- Диапазон допустимого напряжения рентгеновского излучения. От соблюдения рекомендаций производителя по анодному напряжению ИИИ, указанного в паспорте плоскопанельного детектора, напрямую зависит его срок службы. В связи с постепенным «выгоранием» сцинтиллятора и постепенным выходов электроники из строя под действием рентгеновских лучей у каждой панели есть свой ресурс. Поэтому для источников с напряжением, например, 300 кВ (и выше), во-первых, желательно подбирать плоскопанельные детекторы с экранированием электроники. А во-вторых, следует сразу понимать реальные ограничения срока службы системы с такими ИИИ. С другой стороны, если речь идёт о просвечивании тонкостенных металлических или, к примеру, композитных объектов, то, возможно, более выгодным будет выбор в пользу моделей на CMOS-матрице, которые обычно дешевле панелей с TFT-матрицами.

- Форма. Большинство моделей выполнены в квадратном (Vivix-V 1723T) либо прямоугольном (Dürr DRC 1024 NDT) корпусе. Разница лишь в размерах, расположении активной области, конфигурации ручек, разъёмов. Причём встречаются модели не только с жёстким корпусом. По состоянию на сентябрь 2022 года на рынке уже стали появляться гибкие модели, которые можно подогнать по диаметру объекта цилиндрической формы.

- Защита электроники от ионизирующего излучения. Как мы уже отмечали, это особенно важно для корректного расчёта ресурса панели при работе с большими экспозиционными дозами.

- Аккумулятор. Стандартом для современных DDA-систем считается возможность автономной работы в течение хотя бы четырёх часов и наличие двух съёмных батарей в комплекте. Для полевых условий большим преимуществом будет возможность зарядки не только от сети переменного тока, но и от автомобильной сети (12В).

- Пыле- и влагозащита корпуса. Если говорить про DDA-системы для полевых условий, то нормой для них считается класс защиты IP67. Для использования в помещениях (исследовательских, заводских стационарных лабораториях) достаточно класса IP54. Для дополнительной защиты производители комплектуют панели ударопрочными кожухами.

- Проводная или беспроводная передача данных. В первом случае она осуществляется по интерфейсу Ethernet (Gigabit), во втором – по сети Wi-Fi. Проводное соединение позволяет получать картинку с плоскопанельного детектора всего за 1,5 секунды. При подключении по Wi-Fi на это уходит в среднем 3 секунды. Кроме того, при беспроводном подключении могут возникнуть трудности со стабильной передачей сигнала, например, из-за большого расстояния между панелью и ПК. Особенно если просвечивание выполняется в рентгенозащитном бункере с толстыми железобетонными стенами, дополнительно обшитыми свинцовыми листами. Поэтому такие комплексы в основном комплектуются дополнительным усилителем сигнала. Он устанавливается на середине расстояния детектор оператор и позволяет в разы увеличить дистанцию до детектора. Считается, что беспроводные плоскопанельные детекторы лучше защищены от пыли и влаги, но хуже – от «разрушительного» воздействия рентгеновского излучения. Поскольку такие панели предназначены, прежде всего, для полевых условий, то одно из ключевых к ним требований – малый вес. По этой причине производители зачастую не предусматривают в конструкции вольфрамовой или свинцовой пластины для защиты электроники. Как мы отмечали ранее, отсутствие такого экрана при работе с высокими энергиями (с напряжением 300 кВ и более) может обернуться преждевременным выходом панели из строя. У DDA-систем с проводным подключением ограничений по весу нет – поэтому в них, как правило, реализуется защитное экранирование электрической части.
rentgen-svarnogo-shva-s-ploskopanelnym-detektorom.jpg

6. Где купить плоскопанельный детектор для цифровой радиографии

Исторически один из первых в РФ и по сей день один из самых успешных разработчиков цифровых технологий РК – компания «Ньюком-НДТ». Будучи официальным дистрибьютором немецкого производителя Dürr NDT, «Ньюком-НДТ» поставляет всю линейку DDA-систем данного бренда, а также оборудование других наиболее востребованных в мире марок – Vivix, Teledyne DALSA, Vidisco и др. Кроме того, «Ньюком-НДТ» уже много выпускает и развивает собственную серию комплексов для цифровой радиографии «КАРАТ РТС», которые есть в Государственном реестре СИ РФ (№78348-20) и успешно применяются на предприятиях самых разных отраслей, от «Газпрома» и «Транснефти» до «Росатома» и «Силовых Машин».

В линейке «КАРАТ РТС» доступно пять комплексов, все они с TFT-панелями:
  • «КАРАТ РТС 1723» – плоскопанельный детектор с областью детектирования 173x230 мм. В качестве сцинтиллятора используется цезий-йод либо оксисульфит гадолиния. Размер пикселя – 75 мкм. В зависимости от сцинтиллятора вес панели составляет 2,0 кг (гадолиний) или 2,4 кг (цезий-йод);
  • «КАРАТ РТС 2430» – плоскопанельный детектор с областью детектирования 233x291 мм. В качестве сцинтиллятора используется оксид-сульфид гадолиния. Размер пикселя – 76 мкм. Вес – 3,2 кг;
  • «КАРАТ РТС 3543» – плоскопанельный детектор с областью детектирования 358,4x430,1 мм. Опять же доступно два варианта сцинтиллятора – оксисульфит гадолиния и цезий-йод. Размер пикселя – 140 мкм. «КАРАТ РТС 3543» интересен также наличием встроенной памяти на 100 снимков, режимом автоматического срабатывания при обнаружении рентгена. Вес с учётом защитного кожуха – в пределах 5,4 кг;
  • «КАРАТ РТС 4343» – плоскопанельный детектор с областью детектирования 430x430 мм. В качестве сцинтиллятора используется цезий-йод и оксисульфит гадолиния. «КАРАТ РТС 4343» может работать с рентгеновскими генераторами постоянного потенциала напряжением до 450 кВ, гамма-дефектоскопами и даже с импульсными аппаратами. Для высоких экспозиционных доз предусмотрена модификация «КАРАТ РТС 4343» с дополнительным экраном для защиты электроники. Панель в таком исполнении весит 25 кг. Без защиты электроники – 14 кг;
  • «КАРАТ РТС 1024» – новейший плоскопанельный детектор в серии. Сцинтиллятор – оксид-сульфид гадолиния. Как и «КАРАТ РТС 4343», с данной панелью в качестве ИИИ можно использовать рентгеновские генераторы постоянного потенциала, импульсные рентгеновские аппараты и гамма-источники. Доступная для просвечивания радиационная толщина может достигать 100 мм. Размер пикселя – 76 мкм. Есть как проводная, так и беспроводная передача данных. «КАРАТ РТС 1024» весит всего 2,2 кг и интересен также эргономичной ручкой.
Все комплексы поставляют с программным обеспечением X-Vizor, разработчиком которой является «Ньюком-НДТ». У компании есть демонстрационная лаборатория в Санкт-Петербурге, оснащённая рентгенозащитной камерой и рентгеновским аппаратом постоянного потенциала. В лаборатории можно выполнить реальные экспозиции тестовых образцов с DDA-системами.

Видеосюжет о разработке и внедрении специалистами компании «Ньюком-НДТ» плоскопанельных детекторов и других цифровых технологий радиографического контроля доступен на YouTube-канале «Дефектоскопист.ру».

Многие из партнёров «Дефектоскопист.ру» предоставляют форумчанам хорошие скидки. Берегите бюджет своей лаборатории – и покупайте оборудование неразрушающего контроля только у надёжных поставщиков!

Сверху