страница - 119
Общее число детекторов составляет 500 - 1000 и более.
Дальнейшим улучшением схемы 4-го поколения является схема 5-го поколения (рис. 3.8.4, д). В отличие от 4-го поколения кольцо детекторов качается в плоскости, параллельной пучку излучения таким образом, чтобы для каждого положения источника регистрация проводилась только наиболее отдаленными детекторами. За счет того, что источник выносится за кольцо детекторов, коэффициент использования детекторов возрастает. Одновременно решается проблема равноудаленности детекторов от источника излучения.
В промышленной томографии применяют в основном схемы 2-го поколения, сочетающие относительную простоту и высокое быстродействие, реже 3-го поколения, 4-е и 5-е поколения практически не применяются.
Для получения томограмм подвижных объектов используется схема с большим (до 28) количеством источников излучения, которые включаются и выключаются в определенной последовательности. В этом случае время полного сбора проекционных данных может быть -0,01 с.
Диапазон сканеров и их характеристик весьма широк. Сканеры делят приблизительно на три группы:
1)для микротомографов;
2)для универсальных томографов;
3)для томографии крупногабаритных объектов.
Поскольку в большинстве случаев используется схема 2-го поколения, все сканеры осуществляют типичный набор перемещений -по х9 v, Z и ср. Сканеры микротомографов имеют расход стола при возвратно-поступательном перемещении по х до 100 мм при точности позиционирования линейной до 1 - 5 мкм; перемещение по у ручное или автоматическое для изменения коэффициента увеличения; вращение по ср осуществляется дискретно, через 3; 6; 9° или другой угол в зависимости от числа детекторов в пределах 180 или 360°. Угловая точность позиционирования порядка Г. Самые большие сканеры имеют расход до нескольких метров при точности позиционирования 0,1 - 0,3 мм; требования по угловому перемещению аналогичны. Масса объекта может достигать 50 т. Одновременно с перемещением осуществляется измерение координат объекта. Движением сканера управляет компьютер.
Источники излучения
В системах радиационной томографии используют различные типы источников излучения в зависимости от характеристик изделия и требований к контролю. Используют обычные рентгеновские трубки, высокоэнергетические источники излучения и микрофокус-
ные излучатели, а также радионуклидные источники.
Наиболее разработаны для целей промышленной томографии источники излучения на рентгеновских трубках. Типичны источники излучения фирм Philips и Zeiferf, а также ряда других.
Фирмы поставляют аппараты с напряжением на трубке: до 100, 160, 300 (320), 420 кВ. При этом напряжение на трубке изменяется или ступенями по 1 кВ, или плавно с точностью установки порядка 1 %. Как правило, аппараты имеют два фокуса излучения, например 1,5 х 1,5 мм и 0,4 х 0,4 мм (Philips, MCN 101), 1,8 х 1,8 мм и 0,8 х 0,4 мм (Philips, MCN 322), 3 х 3 мм и 0,5 х 0,5 мм (Zeifert, Isovolt 160), 4 х 4 мм и 1,5 х 1,5 мм (Zeifert, Isovolt 320). Соответственно максимальный ток 15 (5) мА, 5 (2) мА, 20 (3) мА, 10 (5) мА. Ток обычно изменяется ступенями по 1 мА с точностью установки 0,3 - 1 %. Угол выхода излучения от 25 до 40°. Время экспозиции достигает 100 мин при гарантированной стабильности параметров, что является необходимым для получения высокой чувствительности по плотности материала объекта.
При необходимости применения излучения более высоких энергий в радиационной томографии в зависимости от толщины изделия и атомного номера вещества объекта используют линейные ускорители, бетатроны или микротроны.
Наиболее высокими радиационными характеристиками обладают линейные ускорители. Они могут применяться для радиационного контроля и томографии толстостенных стальных изделий с толщиной до 600 мм в направлении излучения. Эти ускорители используют для контроля объектов атомного машиностроения и других уникальных изделий.
Разработан перспективный ряд ЛУЭ. Распространены ускорители Linatron фирмы Varian с энергией: 4; 8; 9; 16 мэВ и мощностью дозы: 500; 2000; 3000; 6000 Р/минм соответственно, а также российские ускорители ЛУЭВ-5- 1500Д, ЛУЭВ- 10-5000Д, ЛУЭВ-15-10000Д соответственно с энергией 6; 9; 13 мэВ и мощностью дозы: 1370; 4100 и 8650 Р/минм. ЛУЭ сочетают высокую энергию проникающего излучения с высокой мощностью дозы при достаточной стабильности параметров, что делает их пригодными для томографии толстостенных объектов из материалов с высоким атомным номером.
Микротроны, циклические ускорители электронов, имеют радиационные характеристики, близкие характеристикам линейных ускорителей на средние энергии; сравнительно небольшие массу и габариты; невысокую стоимость и простоту в изготовлении и обслуживании. Микротроны могут найти применение при томографии изделий из стали с толщиной до 400 мм.
Наиболее дешевым, простым и доступным источником является индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Однако интенсивность тормозного излучения бетатрона на один-два порядка меньше, чем у ЛУЭ и микротрона. По этой причине бетатроны применяются при контроле изделий из стали, суммарная толщина которых не превышает 150 - 200 мм.
Параметры бетатронов:
МИБ-4 (1 - 4 МэВ, 1,0 Р/мин-м);
МИБ-6 (2 - 6 МэВ, 3,0 Р/мин • м);
Б-18 (18 МэВ, 50 Р/мин-м);
Б-35/8 (10 - 35 МэВ, 300 Р/мин-м);
бетатрон В-31 фирмы "Brown Bovery" (Германия) (31 МэВ, 185 Р/мин-м);
VT-25 (Япония) (4 - 25, 6 - 15 МэВ, 90 Р/мин • м).
Дальнейшее совершенствование бетатронов связано с повышением интенсивности тормозного излучения как за счет увеличения частоты циклов ускорения, так и путем увеличения ускоряемых электронов в цикле. Для этого нужно совершенствовать схему питания электромагнита, оптимизировать параметры тока инжекции и корректировать управляющее поле в момент инжекции.
Детекторы
Совершенствование систем радиационной томографии заключается прежде всего в повышении быстродействия и разрешающей способности, что связано с увеличением числа детекторов, уменьшением их размеров без снижения надежности и качества. Соответственно должна совершенствоваться технология детекторов. Общие требования к современным детекторам для томографии:
- высокая эффективность поглощения и
преобразования излучения;
-динамический диапазон по интенсивности излучения > 103 - 104;
-высокая идентичность характеристик (0,1 - 0,5 %);
-высокое быстродействие (Ю-4 - 105 с);
-высокое отношение сигнал/шум;
-высокая стабильность и воспроизводимость характеристик детекторов;
-Малая апертура и малое междетекторное расстояние;
-минимальное взаимное влияние;
-радиационная стойкость.
Диапазон энергий излучения в радиационной томографии от 10 - 50 кэВ до 20 МэВ. Число детекторов в матрице от 32 до 1 024 и более.
Типичный много элементный детектор -ионизационная камера. Бывают камеры малого (до 0,5 МПа) и высокого (до 5 МПа) давления. Эффективность камер 50 %, пространственное разрешение (межэлектродное расстояние) до 1 мм, быстродействие Ю-4 - Ю-5 с. Линейность очень высока (в диапазоне 15 порядков). Однако для преодоления рекомбинации приходится прикладывать сильное электрическое поле. Так, для жидкости при комнатной температуре Е г. 10 кВ/см. Использование жидкого ксенона позволяет получить пространственное разрешение до 0,4 мм при регистрации фотонов до 500 кэВ. Число элементов до 523.
Комбинированные детекторы (КД) наряду с ионизационными камерами - самый распространенный тип детектора. Комбинированный детектор состоит из ренттенооптиче-ского преобразователя (РОП) и фотоприемника (ФП). В табл. 3.8.1 приведены часто используемые РОП.
3.8.1. Характеристики РОП
Материал | Плотность, | Высвечивание | Гигроско- | Эффективность | ||
г/см3 | Спектральный максимум, нм | Время, МКС | пичность | по NaJ (П), % | ||
NaJ (И) | 50 | 3,67 | 410 | 0,25 | Да | 100 |
CsJ (Na) | 4,51 | 420 | 0,63 | 85 | ||
CsJ (11) | 54 | 4,51 | 565 | 1.0 | Нет | 45 |
CdF9 (Eu) | 3,19 | 435 | 0,94 | 50 | ||
BUGe3On | 7,13 | 480 | 0,3 | 12 | ||
CaW04 | 59 | 7,90 | 425 | 80 | ||
ZnSe (11) | 33 | 5,40 | 640 | 50 | ||
ZnW04 | 7,87 | 480 | 5,0 | 26 | ||
CdW04 | 7,90 | 540 | 5,0 | 40 | ||
При сравнительно небольших энергиях возбуждения целесообразно использовать поликристаллические люминофоры, так как потери света в монокристаллических преобразователях существенны из-за отражения света и выигрыш в поглощении не покрывает уменьшения эффективности. Для уменьшения разброса параметров РОП используют измельченные неоднородные кристаллы, что позволяет повысить однородность с вето выхода,
Одной из важнейших характеристик комбинированного детектора является спектральное соответствие РОП и ФП, поскольку все ФП являются селективными. Удовлетворительным можно считать коэффициент спектрального соответствия не менее 0,6.
Системы сцинтиллятор - ФЭУ продолжают развиваться. Известны многоканальные системы с 300 ФЭУ для томографии. Однако наиболее широко применяются в комбинации со сцинтиллятором полупроводниковые фотоприемники, обычно 4ютодиоды (ФД). При максимальном спектральном соответствии излучения сцинтиллятора и фоточувствительности приемника дальнейшее повышение чувствительности детектора возможно при увеличении эффективности собирания света, которое зависит от геометрии детектора, оптического контакта, типа и конструкции отражателя. Наиболее часто используемая комбинация - CsJ(Tl) + кремниевый ФП.
Отечественные сцинтиллятор ы NaJ(Tl), CsJ(H), CsJ(Na) в сущности не уступают зарубежным и имеют те же недостатки - малую радиационную устойчивость, высокий уровень послесвечения, который нарастает с увеличением мощности дозы облучения.
Кристаллические сцинтилляторы CWO и ZnSe лишены этих недостатков, причем ZnSe не имеет аналогов. Преимущество CWO -в 2 раза больший атомный номер (66). Недостаток - в 3-4 раза более низкий (с кремниевым ФД) световыход. Оба материала дополняют друг друга для использования в широком энергетическом диапазоне (0,1 - 20 МэВ).
Применение полупроводникового детектора (ППД) имеет очевидные преимущества -более высокая чувствительность, уменьшение потерь энергии излучения, повышение надежности и стабильности.
Наиболее перспективны в томографии Si, Ge, CdTe, HgT2 и некоторые другие. Проведенные исследования ППД по сравнению с комбинированным детектором (CsJ + Si) при напряжении на излучателе 125 кВ показали, что сигнал кремниевого поверхностно-барьерного детектора с рабочей площадью 2 х 15 мм2 и толщиной 40 мм в 7 раз превышал сигнал КД при приемлемом отношении сигнал/шум в диапазоне 0,03 • 10 3 - 2,5 Р/с (чувствительность 0,33). Чувствительность германиевого ППД при толщине детектора
10 мм еще в 2 раза выше, однако сигнал германиевого ППД нестабилен при импульсном возбуждении и нелинеен от мощности дозы. Наилучшие результаты получены для детектора из высбкоомного легированного CdTe(Cl) с барьером Шоттки - при максимально допустимом напряжении смещения 300 В сигнал был почти на порядок больше, чем в КД. Детекторы CdTe(Cl) можно использовать при комнатной температуре.
Считают, что для диапазона энергий до 150 кэВ ППД наиболее перспективны. Для высокоэнергетичного диапазона перспективны КД (сцинтиллятор + ФП) с высокоатомным рентгеновским преобразователем на основе вольфраматов кадмия и кальция и ZnSe и кремниевых приемников со спектральной чувствительностью в диапазоне 300 - 600 нм.
Для детекторов вычислительной томографии приемлемы следующие характеристики: чувствительность 0,01 - 0,05, фотопамять 10"3 через 20 мс, нелинейность 1 % в динамическом диапазоне 103, тепловой ток менее 1 мкА, собственная емкость не более 200 пФ.
Система сбора данных
Современная система сбора данных компьютерного томографа имеет 32 - 254 канала по числу детекторов в матрице, а также несколько каналов для калибровки данных в прямом пучке, то-есть не проходящем через объект контроля. Аналоговые сигналы отдельных детекторов интегрируются и с помощью системы мультиплексирования подаются на один или несколько аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), которые осуществляют преобразование в интервале между соседними временными отсчетами при использовании схемы сканирования второго поколения. Трудность реализации АЦП заключается в сочетании высокой разрядности (до 14 - 15), высокого быстродействия (Ю-5 с на преобразование), высокой помехозащищенности, требуемой из-за низкого уровня сигналов детекторов, и высокого уровня помех от мощных импульсных источников излучения.
Вычнатительный комплекс
Вычислительный комплекс обеспечивает управление сканированием, сбором данных, их предварительную обработку, реконструкцию томограммы по обработанным и откорректированным проекционным данным, визуализацию, обработку визуализированного изображения и документирование томограммы и определенных по ней характеристик контролируемого объекта.
В современных томографах формат томографического изображения не ниже 512 х 512, при этом проекции содержат 512 отсчетов, а общее число проекций составляет 1000 - 2000. Разрядность томограммы 16. Массив проекци-
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]