Промышленный томограф на основе линейного ускорителя

Томографическая система

Томограф происходит от греч. tomos (слой) и grapho (писать). Данный прибор делает серию рентгеновских снимков под разными углами, которые затем обрабатываются компьютером.

Томограф на основе линейного ускорителя представляет собой стационарную систему для проведения неразрушающего контроля методом рентгеновской компьютерной томографии. В качестве источника излучения используется линейный ускоритель, генерирующий жёсткое рентгеновское излучение.

Томографическая система состоит из следующих узлов:

• источника излучения, расположенного от объекта контроля на расстоянии, которое обеспечивает перекрытие части сечения объекта веерным пучком излучения;
• механического манипулятора (стола), обеспечивающего вращательное движение объекта;
• неподвижного детекторного блока (плоско-панельного детектора), который выступает в роли приемника в данной системе;
• компьютера, который управляет всей системой.

При конструировании системы компьютерной томографии было важно:

• сохранение функциональных результатов (высокого качества томограммы и оптимального времени ее получения) при минимизировании количества излучения в единицу времени;
• получение компактной системы компьютерной томографии в целом;
• повышение достоверности исследования путем исключения погрешностей.

Рассматривают пять поколений томографов. Каждое поколение определяется своей схемой сканирования.

В медицинской диагностике томографы нового поколения вытесняли устаревающие модели. Совершенствование томографов в медицине всегда было направлено на повышение скорости сбора данных и уменьшение лучевой нагрузки.

В промышленной же томографии чаще применяются томографы второго и третьего поколений. Поскольку требования по объему лучевой нагрузки и высокой скорости сканирования здесь не так актуальны.

Томографы первого поколения сегодня уже не применяются из-за слишком низкой производительности. Аппараты второго поколения производительны, но более сложны механически по сравнению с томографами третьего поколения. Они требовали вращения и поступательного перемещения одного слоя объекта контроля при экспонировании.

В установках третьего поколения веерный пучок излучения перекрывает все сечение объекта радиографического контроля. Процесс механического перемещения заключается лишь во вращении в системе источник – детекторы относительно объекта. Это  равносильно вращению самого объекта при неподвижных детекторах и источнике.

При томографии крупногабаритных объектов оборудованием третьего поколения применяют источники жесткого рентгеновского излучения — ускорители электронов с энергией до 10-20 МэВ. Основная часть пучка излучения сосредоточена в конусе, раствор угла которого уменьшается с увеличением энергии электронов. Для работы томографа 3-го поколения с полем облучения 1 м требуется расположить источник рентгеновского излучения с энергией 10 МэВ на расстоянии 5 м от центра объекта, а при 20 МэВ, соответственно, 10 м. Кроме того, при томографии крупногабаритных объектов, в случае их горизонтального размещения, от опор при исследовании возникают погрешности регистрации излучения веерного пучка.

Томографы 4-го поколения обычно имеют неподвижное кольцо детекторов и вращающуюся вокруг объекта рентгеновскую трубку, которая генерирует веерный пучок лучей. Это позволяет сократить время сканирования для каждой проекции по сравнению с предыдущими поколениями. Данная установка широко применяется в медицине. В промышленных системах могут использоваться линейные ускорители (LINAC), которые обеспечивают более высокую энергию излучения по сравнению с традиционными рентгеновскими трубками. Они генерируют пучки электронов, а те, в свою очередь, при торможении создают высокоэнергетическое рентгеновское излучение (например, в диапазоне 3–9 МэВ). Это позволяет просвечивать объекты с большой толщиной. Такой томограф применяется для контроля крупногабаритных и сложных объектов: турбинных лопаток, композитных конструкций, сварных и паяных соединений, корпусов двигателей, композитных материалов. У него более высокая скорость сканирования и качество изображения по сравнению с предыдущими поколениями, возможность работы с объектами повышенной плотности.

Томографы 5-го поколения характеризуются более сложными и инновационными решениями, включая использование электронно-лучевой пушки и специализированных систем детекторов. В промышленных системах также могут применяться усовершенствованные линейные ускорители. Здесь источником излучения будет неподвижная электронно-лучевая пушка, генерирующая поток электронов. Поток фокусируется и направляется на мишень. Мишени могут быть расположены в несколько рядов, что увеличивает эффективность работы. Детекторы часто расположены в форме дуги. В промышленных системах могут использоваться высокочувствительные детекторы для работы с высокоэнергетическим излучением. В томографах 5-го поколения применяются многорядные детекторы, которые позволяют получать большое количество срезов за секунду (в медицинских аналогах — до 320 срезов). В промышленных системах это улучшает детализацию и скорость сканирования. Это поколение томографов открывает возможность проведения анализа особо сложных крупногабаритных объектов. Они контролируют качество в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях.

Наибольшая статистическая погрешность при измерениях проекционных данных получается для лучей, проходящих, как пример, через центр цилиндрического объекта. Здесь толщина объекта максимальна и происходит наибольшее поглощение излучения. Через центр проходит та часть пучка, которая имеет не максимальную интенсивность. Для оценки времени сканирования следует учитывать изменение интенсивности пучка именно для луча, проходящего через центр. Допустим, что интенсивность на краю веерного пучка в два раза меньше, чем в центре. Тогда при приближении источника в 2 раза интенсивность регистрируемого излучения возрастет в 4 раза, как для крайнего луча веера, так и центрального.

Для проверки работоспособности алгоритма реконструкции томограммы (создания трехмерных изображений внутренних структур объекта) по данным зондирования веерным пучком была разработана программа компьютерного моделирования. Она  включала в себя формирование проекционных данных, переупаковку половинных веерных проекции в параллельные, расчет и визуализацию томограммы. Задача перед разработчиками стояла следующая: сократить количество детекторов, а также сократить расстояние от источника изучения до центра объекта контроля. При этом качество томограммы и времени сканирования должны были оставаться прежними.  Повысить достоверность за счет устранения влияния элементов самого сканера.

Характеристики параметров промышленных томографов на основе линейного ускорителя:

Энергия излучения. Например, в томографе diondo d7 используется линейный ускоритель до 9 МэВ.

Детекторы. В томографе Diondo d7 используется линейный детектор 200 или 400 мкм, а также плоские панели различного типа с шагом пикселей 139 или 200 мкм.

Защита от излучения. В томографе Diondo d7 используется камера (свинец/сталь) и экранированное помещение (бетон).

Промышленные томографы на основе линейного ускорителя используются для дефектоскопии крупногабаритных промышленных изделий. Например, для контроля РДТТ (ракетного двигателя твёрдого топлива) диаметром от 1 до 4 м. Томографы на основе ускорителей применяются для анализа объектов с низкой проницаемостью для рентгеновских лучей или больших и объёмных объектов сложной конфигурации. Это могут быть  блоки моторов ДВС, армированных автомобильных шин, лопаток турбин электростанций. Цель исследований — анализ пор, дефектов, включений, полостей в объёме объекта контроля, а также толщины стенок.

Компания «НПП НОВАТОР» занимается разработкой и поставкой решений КТ на базе линейных ускорителей для различных задач.