Команда ученых из Университета штата Колорадо совершила значительный прорыв в области 3D-рентгеновской визуализации. Они первыми смогли выполнить детализированную компьютерную томографию (КТ) внутренней структуры крупного плотного объекта — лопатки газовой турбины, важного компонента турбомашин, ответственного за преобразование энергии газового потока. Для этой задачи был использован компактный лазерный рентгеновский источник. Данные исследования открывают новые перспективы для аэрокосмической отрасли, аддитивного производства и других сфер.
Основой этой технологии является лазер ALEPH, создающий рентгеновские источники с энергией в миллионы электронвольт, что на два порядка выше, чем у традиционных медицинских рентгеновских аппаратов. Это дает возможность «просвечивать» объекты с толщиной до 10 см из тяжелых металлов, предоставляя разрешение до уровня микронов. Современные промышленные КТ-сканеры обеспечивают разрешение на уровне миллиметров, занимая при этом значительные площади.
Ключевым элементом метода является создание микроскопического источника рентгеновского излучения с помощью импульсного лазера петаваттного класса. Фокусируя лазерный луч до интенсивности 1021 Вт/см2 (размер пятна меньше человеческого волоса), электроны в мишени ускоряются до энергий в несколько миллионов вольт. При их взаимодействии с атомами тяжелых металлов, таких как тантал, они выделяют рентгеновские фотоны из-за тормозного излучения. Длительность каждого излучения составляет всего несколько триллионных долей секунды, что позволяет получать изображения движущихся объектов, таких как работающий реактивный двигатель.
«Наш метод не только компактен, но и безопасен для объектов, — отметил руководитель исследования Рид Холлингер. — Мы можем обнаруживать детали размером до 50 микрон в трех измерениях без повреждения образца. Для аддитивного производства это прорыв в контроле качества: вместо выборочных проверок теперь возможно сканирование каждой детали». Технология также устраняет проблему артефактов, вызванных рассеянием излучения на границах материалов с различной плотностью, при традиционной КТ.
Первым испытаниям подверглась лопатка турбины, изготовленная из жаропрочного сплава и весившая 3,2 кг. Сканы выявили внутренние дефекты литья — микропоры размером 100–200 мкм, которые невозможно обнаружить ни ультразвуковыми методами, ни стандартной рентгенографией. При создании 3D-модели учёные сделали 180 проекций с угловым шагом в 1°, используя детектор с разрешением 25 микрон.
Исследовательская группа ставит перед собой амбициозные задачи: к 2026 году должен заработать лазерный комплекс ATLAS с мощностью в 2 петаватта, что позволит расширить применимость технологии на объекты размерами до метра в поперечнике.
Представьте себе, что стала возможна томография гиперзвукового двигателя в режиме реального времени или мгновенная проверка сварных швов на космическом корабле. Сегодня такие задачи требуют остановки и разборки систем. Наш метод поможет избавиться от этих ограничений,
Джеймс Хантер, представитель Национальной лаборатории Лос-Аламоса, один из авторов исследования
Технологией уже заинтересовались компании Siemens Energy и GE Aviation. В будущем она может быть применена в исследовательских проектах по инерционному термоядерному синтезу, где требуется сверхбыстрая диагностика плазменных мишеней. Следующая цель команды — достичь субмикронного разрешения и интегрировать алгоритмы машинного обучения для автоматического анализа дефектов. Такое сочетание физики и искусственного интеллекта приблизит нас к тому времени, когда рентгеновская томография станет такой же быстрой и доступной, как фотография.
Источник: iXBT
