Когда речь заходит о рентгеновской томографии – кажется, что дальше будут говорить о медицине. Мы знаем, как КТ применяется для исследования костей скелета и внутренних органов человека. Однако сфера применения томографии гораздо шире. Разбираемся, зачем “томографировать” автомобили и микросхемы и как томография может помочь промышленности.
Компьютерная томография (КТ) нужна предприятиям, занятым добычей сырья и топлива, производством энергии и орудий труда, обработкой материалов и продуктов, изготовлением потребительских товаров и т.д. Трудно поверить, что оценить качество сборки узлов автомобиля и внутреннюю морфологическую структуру, определяющую в конечном счете электрохимические свойства аккумуляторов, позволяет, по сути, один и тот же прибор – рентгеновский томограф.
Конечно, в томографах разные требования к пространственному разрешению, разные требования к энергетическим спектрам зондов, но, повторяем, по сути, все рентгеновские томографы – это аппаратно-программные комплексы, включающие источник рентгеновского излучения, приемник ослабленного объектом того же рентгеновского излучения, схему организации сбора рентгенограмм под разными углами (проекций) и программный комплекс. Программный комплекс выполняет управление сбором рентгенограмм, проводит томографическую реконструкцию, обрабатывает и анализирует результаты реконструкции.
Поговорим обо всем по порядку. Источники и приемники различаются по способу генерации и регистрации рентгеновского излучения. Нам важно, чтобы используемый для конкретных томографических измерений режим источника и тип приемника удовлетворяли следующим основным требованиям.
- Рентгеновское излучение полностью не поглощается томографируемым объектом,
- Контраст, формируемый границами областей интереса в объекте, хотя бы на части проекций превышает заданную величину.
Со схемами организации сбора томографических проекций простора больше. Есть две схемы, ставшие уже классическими: круговая и спиральная. В круговой схеме источник и приемник находятся в одной плоскости во время измерений, объект НЕ смещается из своего начального положения вправо-влево или вверх-вниз. Сбор проекций под разными углами может быть организован либо вращением вокруг объекта пары излучатель-приемник, либо вращением самого объекта вокруг некоторой оси при неподвижной паре излучатель-приемник. Такая схема применима, если размер томографируемого объекта не больше поля вида приемника.
В случае, если объект протяженный, то используется спиральная схема сбора рентгенограмм. Спиральная схема может быть организована двумя способами. Первый способ: по спиральной траектории вокруг неподвижного объекта перемещается пара излучатель-приемник (рис. А). Второй: смещается объект (рис.В). При этом либо вращается пара источник-приемник по круговой траектории, либо пара источник-приемник неподвижна, вращается объект во время перемещения.
Есть специализированные схемы сбора проекций, типа приведенной на рисунке ниже.
После того, как собран полный набор проекций, в игру вступает так называемый реконструктор. Его задача восстановить цифровое изображение объекта из набора собранных проекций.
Результатом реконструкции является цифровое изображение объекта. Это воксельный объем. В каждом вокселе (объемном кубике) хранится некоторое цифровое значение, которое характеризует ослабление рентгеновского излучения источника именно этим кубиком. Этот воксельный объем используется дальше для визуализации и анализа.
Что такое томограф и что он умеет, мы разобрались. Но в промышленности-то он зачем нужен? И вот теперь самое интересное.
Томография в промышленности: производство и исследования
В отличии от медицины, где объекты и протоколы исследований не отличаются большим разнообразием, промышленная томография используются для действительно очень разных задач. Схема сканирования для контроля качества на конвейере похожа на медицинскую, только “пациентов” подают непрерывным потоком и “диагнозы” надо ставить “на лету” в автоматическом режиме.
Industrial X-Ray Computed Tomography, https://doi.org/10.1007/978-3-319-59573-3
Industrial X-Ray Computed Tomography, сканирование объектов (например, автомобилей до и после крэш-теста) требует больших томографов совсем другого размера.
Но у нас в стране, наверное, это скорее завтра, чем сегодня. А сегодня при быстром росте производства вопрос качества деталей и компонентов становится не менее важным, чем вопрос качества готовых изделий. Контроль геометрических размеров и отсутствие дефектов при производстве собственно материала деталей – вот задачи для таких машин, как томографы.
Ниже приведем лишь несколько актуальных применений:
– изучение структуры новых композитных материалов, весовые качества которых (деталь из композитов может быть до 80% легче металлической), их высокая прочность и устойчивость к коррозии, высокие усталостные характеристики и износостойкость делают их предпочтительными в использовании.
– контроль образования усталостных повреждений при растяжении композитных деталей.
– контроль качества изделий, созданных с применением аддитивных технологий, в которых различные материалы (порошковые пластики, порошковые металлы, композиты и пр.) послойно формируют изделие.
– оптимизация технологических процессов при создании биомедицинских материалов с контролем морфологической структуры самих материалов.
Попробуем посмотреть на метод с другой стороны. А именно ответить на вопрос: в каких отраслях сегодня томограф был бы полезен? Начнем с машиностроения. Значимость вопроса о качестве деталей при производстве транспортных средств – локомотивов, самолетов или автомобилей не обсуждается, но ведь беды от аварий на производстве в деревообрабатывающей или химической промышленности наносят не меньший ущерб. А значит, томография может быть использована для:
– контроля за соблюдением размеров (отклонением от САПР-моделей) и отсутствием дефектов у деталей, созданных традиционными методами;
– контроля за соблюдением размеров (отклонением от САПР-моделей) и отсутствием дефектов у “напечатанных” деталей.
Кто только не говорит сегодня о развитии микроэлектроники у нас в стране. Вот где томография становится прямо-таки рабочим инструментом, помогая сократить количество отказов в работе, посредством
– анализа печатных плат
– анализа интегральных схем
Двигаясь к энергетике и держа в голове контроль производства турбин для электростанций, сделаем остановку на производстве аккумуляторных батарей. Здесь одной из проблем является растрескивание электродов и задача его прогнозирования может быть решена путем анализа морфологической структуры.
В нефтегазовой добывающей промышленности томографы нашли свое применение с 90-ых годов прошлого столетия. Основным объектом исследований тут служит керн – образец породы цилиндрической формы, извлеченный из скважины.
Томография полноразмерного керна позволяет
- количественно оценивать вторичную пустотность (в т.ч. кавернозность и трещиноватость),
- степень связности кавернозности и трещиноватости,
- «привязать» выявленные неоднородности (трещины и системы кавернозности) к географическим полюсам, если позволяет метод отбора кернов, перенести моделирование процессов, происходящих в керне, на пласт целиком,
- на микроуровне оценивать пористость, проницаемость, глинистость, гранулометрические коэффициенты, остаточную водонасыщенность.
Изучение изменений во времени возможно методами 4D томографии, которая позволяет оцифровать для дальнейшего изучения такие процессы, как заполнение керна водой и углеводородами [ссылка].
От огромных месторождений газа и нефти повернемся в сторону простого потребителя и его заботам. На дворе лето. Многие планируют путешествия и тут опять, здравствуй, томография. Досмотровый контроль встречает на вокзалах и в аэропортах. Автоматические системы на основе КТ сочетают высокие показатели обнаружения угроз с высокой пропускной способностью.
Метод рентгеновской компьютерной томографии поможет разглядеть содержимое транспортных контейнеров, правда, потребуется довольно крупногабаритная установка.
Наконец, не успевшие за год сгореть на работе туристы прибыли к месту отдыха, на ноги надеваются кроссовки, а впереди если не лежание под жарким солнцем, то долгий путь по пересеченной местности. Оказывается, что даже кроссовки могут быть улучшены с использованием методов анализа формы объектов, недоступных обычным методам наблюдения, но доступных КТ.
Вместо заключения
Идея данной статьи родилась давно. Нам хотелось в ней рассказать о том, где промышленная томография может найти свое применение сегодня в России, проиллюстрировать частные случаи с примерами дефектоскопии и “метрологии”. Да-да, термин “метрология” используется уже в томографии, несмотря на то, что метод только с очень большой натяжкой можно назвать косвенными измерениями. Но только одной ногой ступив в этот “лес”, мы осознали, что нарисованный в голове план не реализовать полностью в одной публикации.
По-видимому, данная статья – это лишь начало длинной прогулки, на некоторых участках которой потребуется специальное снаряжение. И мы постараемся его заранее предоставлять. До новых встреч!
