Повышение пространственного разрешения промышленных компьютерных томографов
Об авторах
Вайнберг Эдуард Ильич
Президент ООО «ПРОМИНТРО», д.т.н. Научные интересы - компьютерная томография.
Цыганов Сергей Геннадьевич
Старший научный сотрудник ООО «ПРОМИНТРО».
Научные интересы - компьютерная томография.
Промышленные рентгеновские компьютерные томографы из уникального достижения всеобщей компьютеризации технологических процессов и научного приборостроения постепенно становятся рутинным средством количественного неразрушающего контроля сложной внутренней структуры ответст-венных изделий и материалов аэрокосмического, автомобильного, энергетического и оборонного назначения.
В последние годы в мире значительно возросло число предприятий, использующих компьютерные томографы при отработке технологии, производстве и сертификации охлаждаемых турбинных лопаток, турбинных колес, композитных лопастей самолетов и вертолетов, ответственного литья сложной формы, автоматических коробок передач, ответственных форсунок, датчиков и клапанов, аэрокосмических и автомобильных двигателей, сопел и рулей, многослойных конструкций, теплозащиты, обтекателей, катали-тических нейтрализаторов, силовых полупроводниковых приборов, ответственных электротехнических устройств и изоляторов, сложных высокоэффективных боеприпасов и многого другого.
Наряду с бурным развитием цифровой графики и повышением производительности цифровых процессоров, прогрессом в технике многоканальных рентгеновских детекторов активно совершенствуются и формы представления результатов томографического контроля, разнообразятся конструкции промыш-ленных компьютерных томографов.
Более того, еще на заре развития компьютерной томографии авторами были разработаны математические основы так называемой «локальной» томографии, позволяющие повышать пространственное разрешение томографического контроля в выбранной зоне интереса без сбора данных вне исследуемой зоны и без увеличения трудоемкости реконструкции. Принципы локальной томографии используются во всех компьютерных томографах «ПРОМИНТРО», благодаря чему диаметр томограммы (при одинаковом числе элементов) может существенно уменьшаться вместе с соответствующим увеличением пространственного разрешения. Так, например (рис. 1), диаметр локальных томограмм томографа ВТ-500 изменяется от 500 до 50 мм, а соответствующий размер элемента томограммы - от 0,5 до 0,05 мм. При этом точность измерения размеров внутренних структурных элементов достигает 0,02 мм и не уступает традиционным средствам измерений наружных размеров в машиностроении.
Тем не менее, развитие рентгеновской промышленной томографии не беспроблемно. Так важнейшая информационно-метрологическая характеристика промышленных томографов - предел пространственного разрешения томограмм, достигнув величины 20 - 25 пер/ см, в последние годы не повышается. Не увеличивается и произведение диаметра на плотность контролепригодных объектов контроля (ОК).
Причины застоя в метрологии промышленных компьютерных томографов носят физический характер и актуальны уже четверть века (с момента разработки метода локальной томографии) - дальнейшее повышение пространственного разрешения ограничивается недостаточно малыми размерами фокусного пятна высокоэнергетических источников рентгеновского излучения и их низкой «яркостью» (интенсивностью излучения на единицу площади эффективного фокусного пятна). Связь однозначна: минимальный пространственный период томограммы не может быть меньше средней ширины пучка рентгеновского излучения в центре локальной зоны внутри ОК. При этом в процессе разноракурсного просвечивания необходимо зарегистрировать порядка 106 квантов, прошедших через каждый объемный элемент томограммы.
В настоящее время пространственное разрешение, требуемое для контроля внутренней структуры многих ответственных изделий, оценивается величиной 65 пер/см, что соответствует минимальному пространственному периоду в 0,15 мм и размеру элемента томограммы не более 0,05 мм. Таким образом, при типичном для томографов «толстых» ОК геометрическом проекционном увеличении около двух, речь идет о необходимости использовать высокоэнергетические рентгеновские источники с эффективными размерами фокусного пятна порядка 0,3 х 0,3 мм при радиационной «яркости», повышающейся обратно пропорционально ширине фокусного пятна от традиционного уровня, что в переводе на среднюю мощность в пучке тормозных источников излучения составляет около 1000 Вт.
К сожалению, указанные характеристики доступных высокоэнергетических промышленных рентгеновских источников не соответствуют требованиям промышленной томографии и долгое время не улучшались, не говоря уже о создании принципиально новых высокоинтенсивных минифокусных источников рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 0,3 до 6 MэB.
Что касается высоковольтных промышленных рентгеновских трубок, то с годами растут только их цены, а важнейшие рентгенооптические характеристики практически не улучшаются уже более десяти лет: рабочее напряжение остается на уровне 420 – 450 кВ, а минимальное фокусное пятно имеет ширину и высоту порядка 1 мм при удельной мощности в пучке не более 1000 Bт/мм.
B этой связи представляется важным выпуск в этом году швейцарской фирмой COMET AG качественно новой минифокусной высокоэнергетической рентгеновской трубки повышенной «яркости» типа MXR-451HP/21 с объявленными характеристиками: рабочее напряжение – 450 кВ и два фокусных пятна (EN 12543) - 0,3 x 0,3 мм и 1,0 x 1,0 мм при мощности соответственно 6GG и 15GG Bт и собственной фильтрации 3 мм Bе.
Мы испытали эту трубку в составе нашего компьютерного томографа BT-500 и убедились, что применительно к контролю металлических OK в настоящее время MXR-451HP/21 является безусловно лучшей в этом классе, а ее использование позволяет поднять пространственное разрешение компьютерного томографа выше 60 пер/см (рис. 2) при минимальной толщине слоя порядка 0,2 мм и повы-шенном отношении сигнала к шуму.
Все приведенные в статье томограммы получены на томографе ВТ-500, оснащенном трубкой №1X13-4511-1 Р/21. Рис. 3 иллюстрирует высокую чувствительность к порам в сложном литье из алюминиевых сплавов. Технологические причины возникновения дефектов очевидны. Рис. 4 позволяет оценить чувствительность при неразрушающем томографическом контроле непропаев в форсунках авиадвигателей и отслоений диэлектрика внутри сложного металлического корпуса.
На рис. 5 приведен пример количественного измерения тонкостенного блока охлаждаемых турбинных лопаток, а на рис. 6 - два ортогональных сечения лазерного гироскопа.
На рис. 7 приведены томограммы нескольких аэрокосмических датчиков со сложной внутренней структурой.
Эти томограммы подтверждают эффективность нового типа рентгеновской трубки МХР-451НР/21 применительно к компьютерной томографии ответственных изделий со сложной внутренней структурой, особенно если учесть, что ранее томографический контроль подобных изделий выполнялся на ВТ-500 за счет введения специальных прецизионных коллиматоров, вырезающих малую часть реального одномиллиметрового фокусного пятна с неизбежными многократными потерями используемого потока квантов.
Локальные компьютерные томографы «ПРОМИНТРО» готовы к использованию существенно более высоких энергий излучения и мощностей, но и в рамках традиционных физических принципов генерации тормозного излучения фирма COMET AG сделала важный практический шаг в нужном направлении - повы-шении информативности радиационного контроля.
Об авторах
Вайнберг Эдуард Ильич
Президент ООО «ПРОМИНТРО», д.т.н. Научные интересы - компьютерная томография.
Цыганов Сергей Геннадьевич
Старший научный сотрудник ООО «ПРОМИНТРО».
Научные интересы - компьютерная томография.
Промышленные рентгеновские компьютерные томографы из уникального достижения всеобщей компьютеризации технологических процессов и научного приборостроения постепенно становятся рутинным средством количественного неразрушающего контроля сложной внутренней структуры ответст-венных изделий и материалов аэрокосмического, автомобильного, энергетического и оборонного назначения.
В последние годы в мире значительно возросло число предприятий, использующих компьютерные томографы при отработке технологии, производстве и сертификации охлаждаемых турбинных лопаток, турбинных колес, композитных лопастей самолетов и вертолетов, ответственного литья сложной формы, автоматических коробок передач, ответственных форсунок, датчиков и клапанов, аэрокосмических и автомобильных двигателей, сопел и рулей, многослойных конструкций, теплозащиты, обтекателей, катали-тических нейтрализаторов, силовых полупроводниковых приборов, ответственных электротехнических устройств и изоляторов, сложных высокоэффективных боеприпасов и многого другого.
Наряду с бурным развитием цифровой графики и повышением производительности цифровых процессоров, прогрессом в технике многоканальных рентгеновских детекторов активно совершенствуются и формы представления результатов томографического контроля, разнообразятся конструкции промыш-ленных компьютерных томографов.
Более того, еще на заре развития компьютерной томографии авторами были разработаны математические основы так называемой «локальной» томографии, позволяющие повышать пространственное разрешение томографического контроля в выбранной зоне интереса без сбора данных вне исследуемой зоны и без увеличения трудоемкости реконструкции. Принципы локальной томографии используются во всех компьютерных томографах «ПРОМИНТРО», благодаря чему диаметр томограммы (при одинаковом числе элементов) может существенно уменьшаться вместе с соответствующим увеличением пространственного разрешения. Так, например (рис. 1), диаметр локальных томограмм томографа ВТ-500 изменяется от 500 до 50 мм, а соответствующий размер элемента томограммы - от 0,5 до 0,05 мм. При этом точность измерения размеров внутренних структурных элементов достигает 0,02 мм и не уступает традиционным средствам измерений наружных размеров в машиностроении.
Рис. 1. Обзорная и локальные томограммы теплозащитного сотового блока, полученные на ВТ-500 при диаметре томограммы 500, 200 и 100 мм и размере элемента 0,5, 0,2 и 0,1 мм соответственно
Рис. 2. Тест пространственного разрешения
Тем не менее, развитие рентгеновской промышленной томографии не беспроблемно. Так важнейшая информационно-метрологическая характеристика промышленных томографов - предел пространственного разрешения томограмм, достигнув величины 20 - 25 пер/ см, в последние годы не повышается. Не увеличивается и произведение диаметра на плотность контролепригодных объектов контроля (ОК).
Причины застоя в метрологии промышленных компьютерных томографов носят физический характер и актуальны уже четверть века (с момента разработки метода локальной томографии) - дальнейшее повышение пространственного разрешения ограничивается недостаточно малыми размерами фокусного пятна высокоэнергетических источников рентгеновского излучения и их низкой «яркостью» (интенсивностью излучения на единицу площади эффективного фокусного пятна). Связь однозначна: минимальный пространственный период томограммы не может быть меньше средней ширины пучка рентгеновского излучения в центре локальной зоны внутри ОК. При этом в процессе разноракурсного просвечивания необходимо зарегистрировать порядка 106 квантов, прошедших через каждый объемный элемент томограммы.
В настоящее время пространственное разрешение, требуемое для контроля внутренней структуры многих ответственных изделий, оценивается величиной 65 пер/см, что соответствует минимальному пространственному периоду в 0,15 мм и размеру элемента томограммы не более 0,05 мм. Таким образом, при типичном для томографов «толстых» ОК геометрическом проекционном увеличении около двух, речь идет о необходимости использовать высокоэнергетические рентгеновские источники с эффективными размерами фокусного пятна порядка 0,3 х 0,3 мм при радиационной «яркости», повышающейся обратно пропорционально ширине фокусного пятна от традиционного уровня, что в переводе на среднюю мощность в пучке тормозных источников излучения составляет около 1000 Вт.
К сожалению, указанные характеристики доступных высокоэнергетических промышленных рентгеновских источников не соответствуют требованиям промышленной томографии и долгое время не улучшались, не говоря уже о создании принципиально новых высокоинтенсивных минифокусных источников рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 0,3 до 6 MэB.
Рис. 3. Томограммы поперечных сечений литьевых корпусов из алюминиевых сплавов
Рис. 4. Томограммы сечений паяной форсунки и металлодиэлектрического клапана
Что касается высоковольтных промышленных рентгеновских трубок, то с годами растут только их цены, а важнейшие рентгенооптические характеристики практически не улучшаются уже более десяти лет: рабочее напряжение остается на уровне 420 – 450 кВ, а минимальное фокусное пятно имеет ширину и высоту порядка 1 мм при удельной мощности в пучке не более 1000 Bт/мм.
B этой связи представляется важным выпуск в этом году швейцарской фирмой COMET AG качественно новой минифокусной высокоэнергетической рентгеновской трубки повышенной «яркости» типа MXR-451HP/21 с объявленными характеристиками: рабочее напряжение – 450 кВ и два фокусных пятна (EN 12543) - 0,3 x 0,3 мм и 1,0 x 1,0 мм при мощности соответственно 6GG и 15GG Bт и собственной фильтрации 3 мм Bе.
Мы испытали эту трубку в составе нашего компьютерного томографа BT-500 и убедились, что применительно к контролю металлических OK в настоящее время MXR-451HP/21 является безусловно лучшей в этом классе, а ее использование позволяет поднять пространственное разрешение компьютерного томографа выше 60 пер/см (рис. 2) при минимальной толщине слоя порядка 0,2 мм и повы-шенном отношении сигнала к шуму.
Рис. 5. Томографическое измерение локальной толщины стенки в блоке охлаждаемых турбинных лопаток
Рис. 6. Томограммы ортогональных сечений лазерного гироскопа
Рис. 7. Томограммы аэрокосмических датчиков со сложной внутренней структурой
Все приведенные в статье томограммы получены на томографе ВТ-500, оснащенном трубкой №1X13-4511-1 Р/21. Рис. 3 иллюстрирует высокую чувствительность к порам в сложном литье из алюминиевых сплавов. Технологические причины возникновения дефектов очевидны. Рис. 4 позволяет оценить чувствительность при неразрушающем томографическом контроле непропаев в форсунках авиадвигателей и отслоений диэлектрика внутри сложного металлического корпуса.
На рис. 5 приведен пример количественного измерения тонкостенного блока охлаждаемых турбинных лопаток, а на рис. 6 - два ортогональных сечения лазерного гироскопа.
На рис. 7 приведены томограммы нескольких аэрокосмических датчиков со сложной внутренней структурой.
Эти томограммы подтверждают эффективность нового типа рентгеновской трубки МХР-451НР/21 применительно к компьютерной томографии ответственных изделий со сложной внутренней структурой, особенно если учесть, что ранее томографический контроль подобных изделий выполнялся на ВТ-500 за счет введения специальных прецизионных коллиматоров, вырезающих малую часть реального одномиллиметрового фокусного пятна с неизбежными многократными потерями используемого потока квантов.
Локальные компьютерные томографы «ПРОМИНТРО» готовы к использованию существенно более высоких энергий излучения и мощностей, но и в рамках традиционных физических принципов генерации тормозного излучения фирма COMET AG сделала важный практический шаг в нужном направлении - повы-шении информативности радиационного контроля.
