Радиационный интроскоп на основе ПЗС-камеры с цифровой обработкой изображений для диапазона энергий излучений до 10 МэВ

УДК 620.179.152

Ю.А.МОСКАЛЕВ, С.В.ГРИГОРЬЕВ

РАДИАЦИОННЫЙ ИНТРОСКОП НА ОСНОВЕ ПЗС-КАМЕРЫ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ДИАПАЗОНА ЭНЕРГИЙ ИЗЛУЧЕНИЙ ДО 10 МэВ

Проведены исследования радиационного интроскопа на основе ПЗС - камеры и экранов -преобразователей Сз1(Т1) при неразрушающем контроле различных объектов в диапазоне энергий до 10 МэВ.

Проблема создания высокоэффективных радиационных интроскопов для широкого диапазона энергий излучения обусловлена, прежде всего, проблемами регистрации излучения и преобразования его в видимое изображение с последующей цифровой обработкой. При этом основная сложность решаемой задачи заключается в высокой проникающей способности излучения с энергией до 10 МэВ. Поскольку, с одной стороны, необходимо обеспечить просвечивание и выявление дефектов в объектах большой толщины, а с другой стороны - прошедшее через объект контроля излучение необходимо эффективно зарегистрировать в преобразователе излучения - экране, относительно небольшой толщины.

В большинстве существующих и разрабатываемых интроскопах используется классическая схема (рис.1) компоновки: люминесцентный экран - преобразователь излучения - поворотное зеркало - объектив - ПЗС-камера - процессор - компьютер с программным обеспечением._

Сциншлляционный экран

Бетатрон 10 МзВ

Рис. 1. Схема интроскопа на основе ПЗС - камеры

Поскольку излучение с энергией до 10 МэВ обладает высокой проникающей способностью и создает весьма слабый радиационный контраст, разработка интроскопов с цифровой обработкой изображений с высокой контрастной чувствительностью является достаточно сложной научной и технической задачей. При этом для успешного решения этой задачи все элементы интроскопа должны обеспечивать достижение максимальных значений эффективности регистрации излучения, снижения фона рассеянного излучения и повышения радиационного и светового контраста изображения.

Условно в интроскопах можно выделить два основных блока - рентгено-чувствительный (X-Ray Detector/Image) и блок обработки изображений. Первый находится в поле излучения и включает в себя сцинтилляционный экран-преобразователь, зеркало, объектив, ПЗС-камеру в защите и процессор. Второй находится в радиационно безопасном помещении и включает в себя адаптер и компьютер с программным обеспечением.

В настоящее время для преобразования излучений с высокой энергией используется три вида экранов: сцинтилляционные экраны на основе монокристаллического

С81(Т1), поликристаллические люминесцентные экраны из фосфоров различного состава и волоконные экраны из люминесцирующего стекла с добавлением тербия. Однако по данным работы [1] волоконные экраны не имеют преимуществ перед другими типами экранов при энергиях излучения свыше 1 МэВ и, кроме того, кванты излучения с высокой энергией вызывают радиационное повреждение сцинтилляционного материала волокон.

Для определения эффективности применения экранов различного состава для преобразования излучения высокой энергии был проведен расчет доли энергии кванта излучения, поглощаемой люминесцентным экраном Р(Е). Расчет проведен по методике работы [2]. При расчете толщина фосфорных экранов принималась равной 500 мкм. Толщина монокристаллического экрана СбТ-Т! была равна 5 мм. Результаты приведены в табл. 1.

Из данных таблицы следует, что среди фосфорных экранов наиболее эффективными по поглощению излучения являются составы Сз1-Т1, Ос^ОгЗ-ТЬ и РЬУ/О^ при этом в диапазоне 5-20 МэВ поглощенная энергия излучения в РЬ\\^04 в 2 раза больше, чем в СвКП. Однако учитывая, что фосфор РЬ\\'04 находится еще в стадии разработки и не имеет высокой эффективности преобразования поглощенной энергии в кванты люминесценции реально применяемыми на сегодняшний день являются экраны из Сэ-И и (ЗсЫЬЗ-ТЬ.

Таблица 1

Эффективность преобразования излучения экранами различного состава

Материал экрана F(E)10"4

5 МэВ 10 МэВ 20 МэВ

ZnCdS-Ag 0,32 0,26 0,2

BaS04-Eu 0,37 0,3 0,22

Csl-Tl 0,5 0,4 0,3

Gd202S-Tb 0,8 0,65 0,5

PbW04 1,1 0,9 0,7

Csl-Tl монокристалл 5 мм 46 38 29

Следует отметить, что эффективность преобразования излучения монокристаллическим экраном Csl-Tl в десятки раз выше, чем у фосфорных экранов, даже при использовании подложек из тяжелых металлов - вольфрама и тантала. Поэтому максимальные значения контрастной чувствительности и отношения сигнал/шум в настоящее время достигаются в интроскопах с использованием монокристаллических экранов. Применение фосфорных экранов с подложками из тяжелых металлов имеет преимущество при контроле крупногабаритных объектов, поскольку экраны из монокристалла Csl-Tl технологически трудно изготовить больше, чем 200 мм в диаметре. В данной работе при создании интроскопа использовались монокристаллические экраны Csl-Tl толщиной 5 мм и диаметром 200 мм, а также поликристаллические экраны из Csl-Tl размером 200 х 400 мм с подложкой из свинца толщиной 1 мм.

Для получения максимально контрастных изображений и низкого фонового уровня рассеянного рентгеновского излучения при разработке радиационно чувствительного блока были использованы следующие технические решения. Зеркало представляет собой слой алюминия, напыленный на пластиковую подложку. Был применен объектив 'Avenir' 75/1.3. ПЗС-камера защищена слоем свинца толщиной 20 мм. Контроллер камеры смонтирован внутри рентгеночувствительного блока. Фоточувствительный массив сенсора состоит из 1160x1040 пикселей размером 16x16 мкм. Сенсор установлен

внутри газонаполненного корпуса, охлаждаемого холодильником Пельтье, что позволяет поддерживать температуру -35 °С. Это позволяет уменьшить внутренние шумы сенсора и повысить время накопления до 15 минут, что особенно важно при контроле объектов большой толщины и плотности. Контроллер устанавливает режим накопления, необходимый для слабоконтрастных изображений, поддерживает оптимальную температуру сенсора, считывает накопленный заряд и передает сигнал адаптеру через двадцатиметровый кабель. Адаптер последовательно принимает аналоговый сигнал, преобразует его в 12-битный код и обеспечивает ввод данных в компьютер через параллельный порт, работающий в режиме ЕРР. Контроль процесса сканирования, так же, как обработка и сохранение изображений происходит при использовании программного обеспечения Diada 2.3.

В результате экспериментов, в ходе которых стальная плита толщиной 50 мм была просвечена излучением бетатрона на 10 МэВ установлено, что использование интро-скопа с монокристаллом Csl-Tl толщиной 5 мм позволяет обнаружить канавку глубиной 0,2 мм в канавчатом эталоне № 2 по ГОСТ 7512-82. Канавки глубиной 0,4 и 1,0 мм выявляются при просвечивании стальных плит толщиной 100 и 150 мм соответственно. Это означает, что чувствительность интроскопа меняется от 0,4 до 0,7 % при изменении толщин объектов контроля от 50 до 150 мм.

Использование интроскопа с поликристаллическим экраном из Csl-Tl толщиной 0,4 мм в сочетании со свинцовым фильтром толщиной 1 мм дает контрастную чувствительность в 1 % при толщине стального изделия 100 мм, при использовании канавча-тых эталонов.

Таким образом, применение интроскопа может полностью заменить рентгеновскую пленку при контроле качества изделий большой толщины.

Для неразрушающего контроля качества в диапазоне энергий рентгеновского излучения 40-300 кВ в НИИ ИН при ТПУ разработан ряд интроскопов, специализированных по видам объектов контроля. В частности, разработаны интроскопы для контроля качества стального и титанового литья, сварных швов газовых баллонов, насосно-компрессорных, обсадных и буровых труб, а также для контроля сварных швов трубопроводов. Конструктивно интроскопы разработаны на основе экранов Csl-Tl диаметром от 80 до 200мм и камер с ПЗС матрицами, что обеспечивает их высокую надежность и позволяет применять их как в цеховых, так и в полевых условиях.

В НИИ ИН при ТПУ также разработан рентгеновский дефектоскопический комплекс, предназначенный для оперативного контроля качества и технической диагностики основной номенклатуры особо ответственных объектов нефтегазодобывающей отрасли. Он позволяет непосредственно на месте проведения сварочных и других технологических работ обнаруживать дефекты, отмечать их местоположение и производить повторный контроль после ремонта и восстановления нефтедобывающего оборудования.

Дефектоскопический комплекс представляет собой рентгенотелевизионную установку, смонтированную на базе автомобиля. Установка состоит из трех частей: выносного рентгеночувствительного блока (РЧБ); блока визуализации, обработки и хранения изображений (БВИ); механизма крепления и перемещения (МКП).

РЧБ дефектоскопа состоит из монокристаллического экрана CsI-TI толщиной 3 мм и диаметром 150 мм, поворотного зеркала и широкоугольного объектива со светосилой 1,2 и телевизионной камеры. Монокристаллический экран предназначен для преобразования рентгеновского излучения в видимое изображение. Поворотное зеркало с внешним напылением отражающего слоя устанавливается под углом 45° к монокристаллу и объективу и служит для исключения попадания рентгеновского излучения на

оптические и электронные элементы телевизионной аппаратуры. Объектив предназначен для фокусировки светового изображения с монокристаллического экрана на входное окно телевизионной передающей камеры. Корпус РЧБ обеспечивает защиту аппаратуры от внешних климатических факторов. Длина кабеля между РЧБ и БВИ составляет 20 м.

Принцип работы дефектоскопа основан на преобразовании энергии рентгеновского излучения при облучении объекта контроля в видимое изображение на экране-преобразователе РЧБ. Дефектоскоп работает совместно с рентгеновским аппаратом любого типа.

Просвечивание сварного шва осуществляется при пошаговом перемещении рентгеновского аппарата и РЧБ, которые закрепляются на контролируемой трубе. Изображение сварного шва наблюдается оператором на экране видеомонитора. Регистрация результатов контроля производится с помощью компьютера, входящего в комплект БВИ. Цифровой видеопроцессор в составе БВИ предназначен для оцифровки и усреднения сигнала от 4 до 256 кадров телевизионного изображения. Это позволяет отфильтровать нерегулярные помехи и повысить отношение сигнал/шум.

Преобразованный в аналоговую форму обработанный видеосигнал с видеопроцессора поступает на видеомонитор, на котором оператором производится визуальный анализ изображения сварного шва и делается заключение о его качестве. При необходимости производится документирование результатов контроля путем записи изображений при помощи компьютера на цифровой носитель.

Все составные части дефектоскопа, кроме РЧБ, смонтированы на специальной аппаратурной стойке, которая устанавливается в салоне автомобиля. РЧБ с комплектом соединительных кабелей при транспортировке также закрепляется в салоне автомобиля.

Источником питания комплекса является автомобильная аккумуляторная батарея напряжением 12 В.

В качестве источника излучения используются переносные импульсные рентгеновские аппараты типа АРИНА, РАДАН или другие подобного класса. Данные рентгеновские аппараты, при массе до 7 кг, генерируют импульсный поток рентгеновского излучения с напряжением до 250 кВ и обеспечивают возможность контроля качества трубопроводов с толщиной двух стенок до 30 мм стали. Для проведения контроля качества сварных швов автомобиль с дефектоскопом располагается на расстоянии 20-30 м от места контроля трубопровода. На трубе помещается МКП, на котором, в свою очередь, устанавливается рентгеновский аппарат и РЧБ дефектоскопа. При включении рентгеновского аппарата в РЧБ установки формируется рентгенотелевизионное изображение сварного шва, которое через 10-20 секунд преобразуется в рентгенограмму на мониторе, установленном в салоне автомобиля.

Рентгенограмма анализируется оператором, определяется наличие дефектов и качество сварного шва. После окончания экспозиции, длительность которой составляет 5-15 секунд, с помощью механизма перемещения устанавливается следующий участок контролируемого сварного шва. За одну экспозицию контролируется шов длиной 90-150 мм для труб различного диаметра. РЧБ дефектоскопа работоспособен в диапазоне температур (-20...+40)° С.

Эксплуатация дефектоскопа в условиях сибирских нефтегазовых предприятий показала его высокую надежность и удобство в работе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cliff Bueno and Marlon D.Baker. High-resolution digital radiography and three-dimensional computed tomography.

2. V.L. Chakhlov, Ju.A. Moskalyov, S.V. Grigoryev. "System of digital radiography for nondestructive testing in the radiation energy range of 0.01-20 MeV". The Third international symposium "Application of the conversion research result for international cooperation" Sibconvers'99 Tomsk, Russia.

УДК 519.272

А. К. ТЕМНИК, ЕВ. МОСКВИТИН, Е.Ю. УСАЧЕВ ЦИФРОВОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТЕНЕВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

В работе рассмотрены теоретические предпосылки, позволяющие определить необходимое число уровней квантования исходного изображения внутренней структуры контролируемого изделия с целью минимизации искажения исходной информации.

Проблема формирования полутонового изображения состоит из оценки распределения интенсивности светового излучения за объектом F. Эта оценка F называется восстановление изображения. Если не учитывать влияние записи изображения на монитор, то проблема восстановления изображения сводится к решению интегрального уравнения вида

00 00

—00—со

относительно функции К

Однако аналитическое решение данного уравнения связано с большими математическими допущениями. Принимая за предпосылку лемму Римана-Леберга, имеем, что сколь угодно малое возмущение g в левой части уравнения (1) приводит к сколь угодно большой погрешности при определении функции Р .

Цифровое восстановление изображения формируется как решение уравнения, представляющего собой дискретную аппроксимацию уравнения (1).

Дискретная аппроксимация этих уравнений требует использования квадратурных методов, позаимствованных из численного анализа. В начале нужно взять отсчеты входящих в (1) функций с шагом, равным интервалу Найквиста, а затем применить квадратурный метод. Простейшим представлением уравнения (1), для его аппроксимации квадратурным методом, является метод прямоугольников, отсюда следует:

§{]Ах, кАу) = £ £ //[

п=а2 т-а1

где а,, Ьп / = 1, 2 - размеры изображения.

Дискретизированное изображение g(i, к) создается совокупностью отсчетов, образующих матрицу из NxN элементов, причем каждый элемент квантован на 2К уровней, где Я = 12. Для представления всего дискретизованного изображения требуется бит.

Сформируем вектор-столбец из ТУ2 элементов, образуемый в результате построчного упорядочивания матрицы-изображения g(i,k), т.е. первые N элементов вектора g образуются первой строкой этой матрицы, элементы с N +1 по gN вектора - второй строкой и т.д. В этом случае сумма (2) может быть представлена как матричное произведение. Элементы матрицы, соответствующие коэффициентам И, Ь (2) в надлежащем порядке умножаются на элементы вектора Г, полученного упорядочиванием матрицы . Таким образом, (2) в матричной форме имеет вид