ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТОМОГРАФ
INDUSTRIAL TOMOGRAPHIC SCANNER

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий методом рентгеновской компьютерной томографии и может быть использовано для дефектоскопии крупногабаритных промышленных изделий, в том числе РДТТ диаметром от 1 до 4 м.
Среди радиационных методов неразрушающего контроля компьютерная томография дает наиболее полную информацию о контролируемом объекте.
Из зарубежных томографических средств, предназначенных для контроля РДТТ, наибольший интерес представляет томограф AF/ACNS-2 фирмы Aerojet Strategic Propulsion, Inc. (США) [Компьютерный томограф AF/ACTS-2 // Информационный материал ГОНТИ 0409. - 1986. - №41 (908) - 7 с.], содержащий источник жесткого тормозного излучения, сканер, детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение.
Немного ранее американская фирма American Science and Engineering разработала аналогичную томографическую установку для контроля двигателей ракеты Trident-2 [Неразрушающие методы контроля за рубежом // Аналитический обзор ГОНТИ 409. - 1985. - №6 (158) - 12 с.], содержащий источник жесткого тормозного излучения, сканер, детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение.
Известные из литературных источников томографические системы, предназначенные для контроля крупногабаритных РДТТ, имеют ряд одинаковых конструктивных особенностей:
- в качестве источника излучения применяется линейный ускоритель, генерирующий жесткое тормозное излучение с максимальной энергией в спектре 15 МэВ;
- РДТТ устанавливается вертикально на поворотном горизонтальном столе;
- в процессе получения радиометрических данных для одной плоской томограммы РДТТ поворачивается пошагово на поворотном столе и перемещается в горизонтальном направлении, а детекторы и источник излучения неподвижны: реализована схема томографа второго поколения [Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. - М., Мир, 1983. - 349 с.; Календер В. Компьютерная томография. - М., Техносфера, 2006. - 343 с.].
В отечественной практике сложилась традиция располагать крупногабаритное изделие при контроле горизонтально. В этом случае условия выявления таких дефектов, как трещины и расслоения, наиболее благоприятны. Конструкции известных томографов, предназначенных для вертикального расположения изделия, сложно применить для контроля изделия, расположенного горизонтально, поскольку потребуется вертикальное перемещение системы «источник - детекторы». Как излучательный блок ускорителя, так и блок детекторов с коллимационной системой являются достаточно тяжелыми и громоздкими, поэтому периодические подъем и опускание их (десятки раз при сканировании одного сечения) требуют мощных прецизионных механизмов.
Таким образом, вышеуказанные томографы неэффективны при контроле крупногабаритных изделий, расположенных горизонтально.
Томограф третьего поколения представляется более подходящим для сканера с горизонтальным расположением двигателя, поскольку здесь для получения томограммы требуется только вращение РДТТ.
Известен промышленный томограф, принятый за прототип, по патенту РФ №2431825 (опубл. 20.10.2011 г.), содержащий источник жесткого тормозного излучения, расположенный от объекта на расстоянии, обеспечивающем перекрытие веерным пучком излучения части сечения объекта, сканер, обеспечивающий только вращательное движение, детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение.
При такой конструкции томографа при контроле изделия диаметром 1 м с энергией тормозного излучения 10 МэВ расстояние от источника излучения до оси вращения изделия составляет 2-2,5 м.
С увеличением диаметра изделия требуется увеличивать энергию излучения. Оба этих фактора приводят к увеличению габаритов томографа. Для двигателя диаметром 2 м и энергии изучения 15 МэВ в томографе-прототипе потребуется расположить источник на расстоянии около 6 м, что создает эксплуатационные неудобства и экономически нецелесообразно.
Кроме увеличения габаритов, отнесение источника излучения на большое расстояние приводит к уменьшению интенсивности потока излучения и, следовательно, уменьшению производительности контроля.
Задачей настоящего изобретения является создание промышленного томографа с расширенными эксплуатационными возможностями и удобствами, позволяющего сканировать крупногабаритные изделия диаметром 2-4 м при сохранении фукциональных результатов (качество томограммы и время ее получения) на уровне прототипа без увеличения габаритов томографа.
Поставленная задача решается предлагаемым промышленным томографом, содержащим источник жесткого тормозного излучения, расположенный от объекта на расстоянии, обеспечивающем перекрытие веерным пучком излучения части сечения объекта, сканер, обеспечивающий только вращательное движение, неподвижный детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение. Особенность заключается в том, что источник излучения выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости томограммы и проходящей через фокус пучка излучения, и расположен от объекта на расстоянии, обеспечивающем перекрытие веерным пучком излучения менее половины сечения объекта и перекрытие веерными пучками половины сечения объекта за цикл поворотов.
Из уровня техники неизвестно техническое решение поставленной задачи, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков.
Рассмотрим заявляемый томограф, в котором веерный пучок перекрывает не половину сечения объекта, как в прототипе, а меньшую часть (фиг. 1). Сканирование производят поворотом объекта на 360°. Очевидно, что за один оборот получается лишь часть данных для реконструкции томограммы. Другую порцию данных можно получить, если повернуть источник излучения таким образом, чтобы пучок перекрывал другую часть половины сечения объекта (фиг. 2). После этого объект контроля снова поворачивается на 360°. Источник излучения поворачивают столько раз, сколько необходимо, чтобы веерные пучки перекрыли в итоге половину поля томограммы. Полученные данные веерных пучков можно переупаковать в параллельные проекции, а затем реконструировать томограмму.
В предлагаемом томографе, по сравнению с прототипом в случае его использования применительно к крупногабаритным изделиям диаметром 2-4 м, существенно уменьшается расстояние от источника излучения до объекта (источник может быть установлен даже вплотную к объекту контроля); сокращается время сбора радиометрических данных, достаточных для реконструкции томограммы такого же качества, как при удаленном источнике.
Утверждение о сокращении времени требует пояснения. Допустим, что в томографе-прототипе расстояние от источника излучения до центра вращения изделия равно L, радиус изделия равен R, а расстояние от источника до детекторов L+R+d (d - расстояние от поверхности объекта до детекторов).
2
2
Веерный пучок перекрывает при этом половину поля томограммы. Время получения данных на одну томограмму равно Т. Расположим теперь источник в два раза ближе к оси вращения объекта. Интенсивность излучения, регистрируемого детекторами, увеличится в (L+R+d)/(L/2+R+d). Время экспозиции при измерении данных можно уменьшить в такое же количество раз. Статистическая погрешность при этом не увеличится. Но при таком расположении источника необходимо выполнить два цикла вращения изделия вместо одного. В итоге время сбора данных Т' в предлагаемом томографе можно вычислить по формуле
Допустим, что радиус изделия R=1 м, расстояние от поверхности объекта до детекторов d=0,2 м, энергия тормозного излучения 15 МэВ (максимум в спектре), тогда раствор пучка составляет 10° и расстояние источник - ось вращения L=6 м. Подставив эти данные в формулу (1), получим
T′=0,68·Т.
Если сократить расстояние L втрое, то время сбора данных можно вычислить по формуле
В рассмотренном примере оно составит Т′=0,59·Т. В обоих случаях наблюдается сокращение габаритов томографа и времени сбора данных.
Для проверки работоспособности алгоритма реконструкции томограммы по данным сканирования веерным пучком с поворачивающимся источником излучения была разработана программа компьютерного моделирования, включающая в себя формирование проекционных данных, переупаковку фрагментов веерных проекций в параллельные проекции, расчет и визуализацию томограммы. На фиг. 3 представлены томограммы, полученные по данным параллельного (А), веерного (Б) и половинного веерного (В) пучка, полученного за три цикла вращения изделия. В первом случае реконструкция производилась методом обратного проецирования фильтрованных параллельных проекций [Введение в современную томографию. Под общей редакцией Тернового К.С. и Синькова М.В. - Киев. Наукова думка, 1983. - 231, с. 5], во втором - методом обратного проецирования фильтрованных веерных проекций [Введение в современную томографию. Под общей редакцией Тернового К.С. и Синькова М.В. - Киев. Наукова думка, 1983. - 231, с. 5], в третьем случае производилась переупаковка фрагментов веерного пучка в параллельные с последующей реконструкцией, как в первом пункте. Заметного различия качества томограмм не наблюдается.
Таким образом, заявляемый промышленный томограф позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.