Рентгеновская томография как инструмент исследования дефектов

Постараемся в одном материале ответить на все актуальные вопросы по компьютерной томографии в промышленном контроле: от истории возникновения до преимуществ и областей применения. Для начала давайте с вами разберем, что же такое рентгеновская компьютерная томография.

Это метод неразрушающего послойного изучения внутреннего строения предмета, позволяющий исследовать геометрию объектов с высоким разрешением и определить наличие и характер дефектов. При этом объектом может служить абсолютно любой предмет от сложных сборных деталей (например микросхем) до крупных изделий литья.

Чем же отличается КТ и какие преимущества имеет по сравнению с другими методами контроля?

Среди существующих томографических методов основной успех принадлежит радиационной (рентгеновской) компьютерной томографии (КТ). Предпосылкой её появления стали недостатки обычной рентгенографии, породившие идею получения не одного снимка, а серии, выполненных под разными ракурсами, и определения по ним с помощью математической обработки плотностей исследуемого вещества в ряде сечений.

К основным преимуществам можно отнести:

• отсутствие теневых наложений на изображении;
• измерение геометрических соотношений с высокой точностью;
• значительная чувствительность по сравнению с обычной рентгенографией.

Рисунок 1: Инспекция печатных плат для выявления дефектов, несоответствий и некачественной пайки, которые могут повлиять на их функциональность и надежность электронных устройств, использующих платы

Рисунок 2: Дефектоскопия структуры изделий обеспечения качества и безопасности продукции в различных отраслях, включая авиацию, автомобильную промышленность, строительство и электронику

Рисунок 3: ПЭТ Исследование внутренней структуры объектов без вскрытия

Рисунок 4: Поиск, идентификацию, анализ и устранение отказов в сложных изделиях               в таких отраслях, как авиация, автомобильная промышленность, электроника и машиностроение

Принцип работы томографа

Для сбора проекций под разными углами можно использовать два подхода:

• Вращение вокруг объекта пары излучатель-детектор
• Вращение самого объекта вокруг некоторой оси, в то время как пара излучатель-детектор остается неподвижной

                Рисунок 5: Схема работы рентгеновского томографа

Такая схема применима в случае, если размеры объекта контроля не превышают зону детектора. В противном случае используется более сложная схема спиральной томографии. Раскрытие рентгеновского пучка ограничивается коллиматором с целью снижения дозовой нагрузки на объект контроля и предотвращения некоторых характерных артефактов на томограмме. Точная автоматизированная коллимация пучка излучения может меняться в зависимости от задач.

    Рисунок 6: Устройство промышленного томографа ( Вид спереди )

     Рисунок 6: Устройство промышленного томографа ( Вид сверху )

История возникновения промышленной томографии

В конце 20-го века был открыт принцип ядерно-магнитного резонанса, благодаря чему мы получили возможность снимков различных объектов по слоям. Самое сложное - создать алгоритм, который отслеживает послойное поглощение рентгеновского излучения различными материалами (разные материалы ослабляют по-разному). Была нужна математическая модель, дающая трёхмерную картинку.

Впервые такую модель сделал физик Алан Кормак, но эти алгоритмы для компьютеров того времени были тяжёлые. А инженер Годфри Хаунсфилд адаптировал их под компьютеры того времени. Кроме того, в 1972 году он сконструировал первый томограф. Это стало переломным моментом в истории томографии, и в 1979 году им была присвоена Нобелевская премия за революционные изобретения в области физиологии и медицине. Математические основы компьютерной томографии были заложены задолго до появления первых рентгеновских компьютерных томографов. Еще в 1917 году австрийский математик Иоганн Радон предложил метод решения обратной задачи интегральной геометрии, состоящий в восстановлении (реконструкции) многомерных функций по их интегральным характеристикам.

          Рисунок 7: Как выглядели первые медицинские томографы

Это и есть база компьютерной томографии– математическое выстраивание объекта с помощью его теневых проекций. Однако этот метод не нашел практического применения до тех пор, пока не появились рентгеновские установки, позволяющие получать большое число высококачественных снимков, необходимых для восстановления внутренней структуры реальных объектов, и быстродействующие ЭВМ, способные эти снимки обрабатывать.

Внедрение методов компьютерной томографии в медицину позволило существенно повысить эффективность диагностики и обеспечило создание новых методов лечения. Подобно ультразвуковой томографии - рентгеновская томография, изначально применяемая в медицине, в дальнейшем стала использоваться в других сферах, в том числе в промышленности. В настоящее время методы компьютерной томографии также широко используются в электронной и рентгеновской микроскопии – для получения структур кристаллов и макромолекул, в геофизике – для поиска и разведки месторождений полезных ископаемых, в астрофизике – для исследования полей планет, и в других областях науки и техники.

Области применения микротомографии:

Рисунок 9: Производство и сборка изделий

Изучение внутренней структуры образов материалов и кернов – неоднородности, трещины, включения, поровое пространство, распределение частиц и волокон.

Примеры томографов

Анализ структуры материалов

Физика процесса получения изображения на детекторе такая же, как и в цифровой радиографии. Регистрируемые детектором данные - это результат взаимодействия рентгеновского излучения и вещества, из которого состоит исследуемый объект. При прохождении через объект количество фотонов уменьшается из-за действия фотоэффекта и эффекта Комптона. Коэффициент поглощения фотонов узкого рентгеновского пучка при прохождении через материал зависит от коэффициента линейного ослабления этого материала. Получаемый сигнал преобразуется детектором в градации серого, воспринимаемые человеком как изображение объекта.

Современные цифровые детекторы рентгеновского излучения в основном основаны на КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник) или TFT (тонкопленочный транзистор) матрицах. Подробнее про физику процесса и детекторы можно прочитать здесь.

Конфигурация промышленного томографа:

• Коническая схема сканирования с регистрацией на плоскопанельный детектор (опционально – спиральная).
• Рентгеновский аппарат закрытого типа в качестве источника.

  Выбор источника определяется в первую очередь задачами клиента: необходимым пространственным разрешением, габаритами и материалами объекта контроля, требуемой пропускной способностью томографа.

  Производитель предлагает линейку рентгеновских источников, закрывающую следующий диапазон параметров:

  - Максимальная мощность от 8 до 65 Вт

  - Минимальный размер фокусного пятна от 2 до 8 мкм

  - Напряжение от 40 до 130 кВ

• CMOS -детектор с размером пикселя около 100 мкм и средних габаритов.

  Выбор детектора зависит от предельных габаритов планируемых к исследованию образцов, а также требований к пространственному разрешению томограммы.

  Современные производители предлагает следующие опции:

  - Размер пикселя от 64 до 140 мкм

  - Размер рабочей области детектора от 114 × 145 мм до 430 × 430 мм

• Система прецизионных манипуляторов для вращения и позиционирования объекта исследования.