Метрологическое обеспечение цифровых рентгеновских микротомографов

УДК 006.053

В.И. Сырямкин, А.Ж. Казтаев, Д.С. Жданов, В.В. Бразовский, Г.С. Глушков, С.И. Бурмантов, С. О. Лунев, В.А. Бородин Метрологическое обеспечение цифровых

*

рентгеновских микротомографов

V.I. Syryamkin, A.Zh. Kaztaev, D.S. Zhdanov, V.V. Brazovsky, G.S. Glushkov, S.I. Burmantov, S.O. Lunev, V.A. Borodin Metrological Support for X-ray Computed Microtomography Systems

Рассмотрены основные принципы работы разрабатываемого рентгеновского дефектоскопа (применимые к рентгеновскому томографу), проведен анализ современного состояния нормативной и законодательной базы метрологического обеспечения рентгеновского микротомографа.

Ключевые слова.. метрологическое обеспечение, методы поверки, рентгеновский микротомограф, средства неразрушающего контроля, стандартизация.

This article describes the basic principles of the developed X-ray computed tomography system and the current state of normative and legislative base of metrological support for X-ray computed micro tomography system.

Key words: metrological support, verification methods, X-ray computed micro tomography system, standardization.

Введение. Неразрушающий контроль и рентгеновская микротомография, в частности, применяются в тех областях, где метрологическое обеспечение является законодательно обязательным, имеет большое значение обеспечение единства и достоверности измерений с применением средств неразрушающего контроля, позволяющих получить при проведении контроля количественную информацию

о параметрах или характеристиках объекта, прямо или косвенно влияющих на качество контроля. При этом технические средства, применяемые рентгеновские микротомографии позволяют оператору определиться с выбором того или иного своего решения (выявление дефекта, его развитие, выбор метода устранения дефекта и т.д.) при проведении контроля и диагностики.

Наиболее важное требование к техническим средствам неразрушающего контроля - предоставление дефектоскописту объективной, достоверной и точной информации об интересующих параметрах или характеристиках диагностируемого объекта. Получение недостоверных сведений может привести к порче оборудования, авариям и катастрофам в технических системах.

Принцип получения изображения в рентгеновском микротомографе. При прохождении через контролируемое изделие ионизирующего излучения оно поглощается и рассеивается. Степень ослабления зависит от толщины д и плотности р контролируемого объекта, а также интенсивности М

и энергии Е излучения. При наличии в изделии внутренних дефектов размером Ад изменяются интенсивность и энергия пучка излучения. Рисунок 1 иллюстрирует общие принципы получения изображения в рентгеновских методах неразрушающего контроля и рентгеновской микротомографии.

Из рисунка 1 видно, что засветка детектора (более темный участок) происходит больше в том месте, куда попало больше квантов ионизирующего излучения (в месте дефекта изделия 2), так можно определить размеры и локализацию дефекта в рентгеновской микротомографии [1].

Физические характеристики дефекта определяются тем, что при прохождении через вещество интенсивность рентгеновского излучения уменьшается по общему закону, характерному для электромагнитных волн (закон Ламберта-Бугера):

I = 1о ехр

где I и 10 - конечная и начальная интенсивности излучения соответственно; ^ - полный линейный коэффициент ослабления; х - толщина слоя вещества.

Причем коэффициент ^ зависит от длины волны и плотности поглощающего материала.

Основываясь на зафиксированной прибором томограмме, известных зависимостях ^ = /(Л, р) материала, размерах и других параметрах изделия, а также с учетом уравнения 1, удается получить максимальную информацию о дефекте.

* Работа выполнена по госконтракту «Разработка и организация опытного производства рентгеновского микротомографа для исследования органических и неорганических объектов» (проект №6.523.11.3009) Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг».

Рис. 1. Схема просвечивания и получения изображения в рентгеновской микротомографии: 1 - источник; 2 - изделие; 3 - детектор

Источники возникновения погрешностей рентгеновской микротомографии. Суммарная погрешность рентгеновской микротомографии складывается из параметров рентгеновской трубки (размера фокусного пятна) и разрешающей способности детектора (для томографа добавляется еще и погрешность системы позиционирования объекта). Поэтому суммарную погрешность дефектоскопов и томографов иногда называют степенью геометрической нерезкости [2]. Для расчета геометрической нерезкости рентгеновской микротомографии нужно знать: ё - размер источника излучения; - рас-

стояние от элемента объекта контроля до детектора; Г0 - расстояние от источника излучения до объекта контроля; Г - фокусное расстояние (рис. 2).

Рис. 2. Схема формирования геометрической нерезкости от фокусного расстояния: 1 - источник излучения;

2 - элемент объекта контроля; 3 - матрица детектора

Если детектор помещать в непосредственной близости от объекта контроля, то д* можно считать равной толщине объекта д. Тогда условие соразмер-

ности геометрической и внутренней нерезкости определяют из неравенств: иг < ив - при просвечивании тонкостенных изделий; иг < ир - при просвечивании изделий большой толщины, когда рассеянное излучение существенным образом ухудшает выявляе-мость дефектов.

Для уменьшения геометрической нерезкости следует применять источники излучения с малым фокусным пятном, что конструктивно и достигается рентгеновской микротомографией.

Фокусное расстояние Г следует выбирать таким образом, чтобы геометрическая нерезкость иг была соизмерима со значением внутренней нерезкости ив (ие ~ иг).

Для определения фокусного расстояния в рентгеновской микротомографии используют соотношение 2:

й

11.

Увеличение фокусного расстояния Г позволяет уменьшить нерезкость, но при этом снижается интенсивность излучения и увеличивается время экспозиции, поэтому в рентгеновской микротомографии этим параметрам уделяется основное внимание. Они же являются и главными источниками возникновения погрешности метода.

Нормативная и законодательная база для метрологического обеспечения рентгеновской микротомографии. Развитие и повышение уровня надежности средств неразрушающего контроля и рентгеновской микротомографии, в частности, невозможны без создания высокоразвитой нормативно-технической базы, которая должна быть взаимоувязана и с законодательной, и с правовой базой методов неразрушающего контроля [3].

Анализ зарубежного (страны ЕС) опыта в области неразрушающего контроля показывает, что нормативное обеспечение этой сферы деятельности охватывает полный «жизненный цикл» средства

неразрушающего контроля - стадию разработки, производства, размещения на рынке, обслуживания в процессе эксплуатации изделия - и гарантирует соблюдение всех требуемых характеристик, обусловливающих функциональное назначение изделия [4].

К сожалению, на сегодняшний день нормативнотехническая база метрологического обеспечения в России в области неразрушающего контроля и рентгеновской томографии недостаточно полна и рассредоточена по отдельным областям промышленности в виде инструкций, предписаний и других регламентирующих документов.

Так, методики поверки средств неразрушающего контроля на уровне ГОСТов имеются только на ультразвуковые дефектоскопы (ГОСТ 23667-85), ультразвуковые толщиномеры (ГОСТ 8.495-83), электромагнитные дефектоскопы (ГОСТ 8.273-78), радиационные толщиномеры (ГОСТ 8.112-74), структуроскопы (ГОСТ 8.518-84), рентгенорадиометрические дефектоскопы (ГОСТ 8.452-82).

В последнее время в неразрушающем контроле все больше находят применение такие приборы, как феррозондовые, акусто-эмиссионные, приборы для оптических методов контроля и т.д., на которые не существовало и не существует ГОСТ-ированных методик проверки ни в СССР, ни в Российской Федерации [3].

Существуют ГОСТы и на рентгеновские томографические методы и средства неразрушающего контроля (ГОСТ 29025-91, ГОСТ 25113-86 и др.), однако они не распространяются на дефектоскопы с устройствами цифровой обработки изображения.

Из сказанного можно сделать вывод о необходимости разработки и представления в Госстандарт проекта нормативно-технического документа для рентгеновской микротомографии.

Методики контроля ПО для цифровой обработки изображений рентгеновской микротомографии. В настоящее время для использования в рентгеновской микротомографии можно рекомендовать следующие методики контроля программного обеспечения, используемого для визуализации и обработки результатов измерений - метрики Холстеда и Тейнера [5].

Метрика Холстеда характеризуется следующими параметрами: п - число уникальных, различных операторов программы, включая символы-разделители, знаки операций, имена процедур и функций (словарь операций); щ2 - число уникальных, различных операндов программы (словарь операндов); щ = щ + щ2 - словарь модуля; N - общее количество операторов в программе; N - общее количество операторов в программе.

Метрика использует следующие параметры: информационная длина программ модуля: N = = П11°ё2 П + П21°ё2 П2; информационный объем моду-

2Л2

ля: V = Mog2 п; уровень записи модуля: Ь =

где Ь - уровень концентрированности вычислений; сложность модуля по Холстеду:

N 1^2 у-уі • N2

Е = V/Ь; Е =

У2

Метрика Тетера включает в себя показатель логической сложности, состоящий из N - общего количества операторов; ЬЪоо1 - общего количества логических операторов; Ь1оор - показателя сложности циклов, рассчитываемого по уравнению

ш°і , где Q - наивысший уровень вло-

женности цикла в модуле; шг - количество циклов в модуле, имеющих г-й уровень вложенности; тг -

3 ^ е

весовой множитель

о, = 4'

4Q -

ті; 5°'=1’

Ь$ - показатель сложности условных операторов

е

= X ; п - количество условных операторов

г=1

г-го уровня вложенности; Ьвя - количество ветвлений в условных операторах (обычно это 0,001).

Общий показатель логической сложности в метрике Тейнера Ьтот ЬЪоо1 / N + Ь1оор + ЬТГ + ЬВЯ.

Показатель сложности взаимосвязи: СТМР = = АР + 0,5 * 575”, где АР - количество связей с прикладными программами; 575 - количество связей с системными программами или утилитами.

А показатель сложности вычисления:

СС =

где ЬВЕСН - количество

N X

по модулям

операторов вычислительного характера в конкретном модуле; N - общее количество операторов этого модуля; Ь575 - суммарная логическая сложность всех модулей; X ЬКЕСН - сумма вычислитель-

по модулям

ных операторов по всем модулям.

Метрика также характеризуется показателями:

5 Ь

Г ТО 575

. . . . ю =------

N 5

где 8Ю - количество операторов ввода-вывода в конкретном модуле;

- удобочитаемости: иКЕАВ = N , гдЄ С0М

количество строк комментариев; N - общее количество строк;

- и, наконец, общим показателем метрики

Сп

I Ьтот + 0,1 С™* + 0,2СС + 0,4Со - 0,1

Приведенная метрика имеет коэффициент корреляции с метрикой Холстеда в интервале от 0,6 до 0,9.

Заключение. В работе были описаны принцип получения изображения, источники возникновения ошибок метода, рассмотрены методики контроля, рентгеновской микротомографии, а также проведен анализ современного состояния нормативной и за-

'=1

конодательной базы метрологического обеспечения рентгеновского микротомографа.

Установлено, что методики поверки в виде нормативных документов существуют только для некоторых видов неразрушающего контроля, за исключением рентгеновской микротомографии, в которых используются устройства цифровой обработки изображения.

Многие из имеющихся метрологических ГОСТов не соответствуют уровню используемого

оборудования в рентгеновской микротомографии, так как в настоящее время рынок насыщен импортными автоматизированными приборами ведущих фирм, а имеющиеся методики поверки не способны в полной мере осуществить контроль всех характеристик приборов неразрушающего контроля.

Полностью отсутствуют и требуют разработки нормативно-технические документы на методики поверки рентгеновской микротомографии.

Библиографический список

1. Промышленная радиационная интроскопия / В.В. Клюев, Б.И. Леонов, Е.А. Гусев и др. - М., 1985.

2. Поверка и калибровка средств измерений ионизирующего излучения: учеб. пособие / В.К. Кулешов, Ю.И. Сертаков. - Томск, 2009.

3. Клюев С.В., Коновалов Н.Н., Копытов С.Г., Соловьева М.О. Аттестация персонала в области неразрушающего контроля. - М., 2011.

4. ГОСТ Р 1.2-92. Порядок разработки государственных стандартов.

5. Томография плазмы. Т. 13: Низкотемпературная плазма / В.В. Пикалов, Т.С. Мельникова. - Новосибирск, 1995.