Состояние и перспективы китайской высокоэнергетической компьютерной томографии
УДК 620.179.15
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ КИТАЙСКОЙ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
Чжун Ян,
Российско-китайская научная лаборатория радиационного контроля и досмотра, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск 634050, Россия.
E-mail: *****@***ru
Аннотация.
В последние годы в Китае быстро развиваются производства высокоскоростных железных дорог, автомобилей, самолетов, ракет-носителей и т. д. В соответствии с высокими требованиями к ответственным высокотехнологичным изделиям необходимо контролировать их качество до использования. Высокоэнергетическая компьютерная томография (ВКТ) характеризуется большой проникающей способностью, высокой чувствительностью обнаружения дефектов и позволяет качественно измерять и визуализировать сложные внутренние структуры при контроле толстостенных ответственных изделий.
В данной работе представлен обзор развития и применения ВКТ в Китае. Рассмотрены области применения ВКТ и приведены конкретные примеры.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, высокоэнергетическая компьютерная томография, ответственные изделие, дефекты, области применения.
THE STATE AND PROSPECTS OF CHINESE HIGH-ENERGY COMPUTED TOMOGRAPHY
Zhong Yang, Chakhlov S. V.
Russian-Chinese Laboratory of Radiation Control and Inspection, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russian.
E-mail: *****@***ru
Abstract.
Computed tomography (CT) is an advanced method of non-destructive testing (NDT) not only to detect inhomogeneities, inclusions and defects of products, but also to obtain accurate information about the materials and structure of the test object. Currently, CT is widely used in almost all areas of industrial production and has become a necessary technical guarantee for quality control, technical research, innovation in processes, etc.
As is well known, the production of high-speed railways, cars, aircraft, carrier rockets, etc. has been rapidly developing in China in recent years. According to the high requirements for responsible high-tech products, it is necessary to monitor their quality before using them. High-energy computed tomography (HECT) has a large penetrating ability, high sensitivity of defects and allows qualitatively measuring and visualizing complex internal structures when controlling responsible products with large thickness.
This paper is an overview of the development and application of HECT in China. The fields of HECT application are considered and specific examples are given.
Keywords: non-destructive testing, high-energy computed tomography, responsible products, defects, fields of application.
Введение
Метод неразрушающего контроля (НК) – компьютерная томография КТ – нашел широкое применение во всех областях промышленного производства. Для обеспечения надежности при эксплуатации ответственных высокотехнологичных изделий необходимо контролировать их качество перед использованием. Обычная КТ с рентгеновской трубкой напряжением до 450 кВ способна просветить объект толщиной до 50 мм в стальном эквиваленте, а для контроля изделий толщиной свыше 50 мм подходит только высокоэнергетическая компьютерная томография (ВКТ). Ответственные высокотехнологичные изделия обычно имеют сложные структуры и большую толщину, такие объекты контролирует именно ВКТ.
ВКТ является КТ с энергией источника излучения больше 1 МэВ. При энергии выше 9 МэВ происходит активация облученных веществ и образование озона, что обусловливает повышение требований к безопасности. По этой причине, энергия ВКТ обычно ограничена 9 МэВ.
В связи с дороговизной и сложностью систем ВКТ, они сначала применялись в оборонной промышленности для контроля твердотопливных ракетных двигателей в 1980-х гг. С 1980-х гг. промышленная КТ быстро развивается в первую очередь в таких странах как США, Россия, Германия и др. В конце 1980-х гг. Китай тоже начал уделять внимание изучению и исследованиям КТ. В 1997 году китайская академия инженерной физики купила у компании «Проминтро» высокоэнергетическую рентгеновскую КТ ВТ-300 [1]. В 2000 году разработка ВКТ была включена в список основных научно-исследовательских проектов в университете Цинхуа, и спустя 4 года была создана первая система ВКТ в Китае [2].
С момента создания первой системы ВКТ, в Китае быстро развивается и совершенствуется технология ВКТ, находящая применение в разных областях промышленности: оборонной, авиакосмической, производстве ключевых компонентов железнодорожной системы, автомобилей и самолетов, а также для научных исследований.
В настоящий момент существует много стандартов для разработки и применения ВКТ, таких как: DIN EN 16016-1-4: 2011, ISO 15708-1 и 2, ASTM E 1695, ASTM E 1441 и ASTM E 1570. Эти стандарты определили основные требования к техническим характеристикам ВКТ.
Как и все системы КТ, ВКТ состоит из источника рентгеновского излучения (линейного ускорителя, бетатрона или изотопа), механизма перемещения, детектора (линейки или панели), управляющих систем и программы реконструкции изображений и т. д. На рис.1. представлена система ВКТ компании GRANPECT [3].
Рис.1. ВКТ на основе линейного ускорителя и линейного детектора
Для обнаружения мелких дефектов в изделиях больших размеров и толщины, выполнения качественного контроля требования к ВКТ по пространственному и плотностному разрешениям должны быть строже, чем для обычной КТ. Источник рентгеновского излучения, детектор, алгоритмы реконструкции являются ключевыми компонентами в системе ВКТ для повышения производительности и обеспечения эффективного обнаружения и распознавания дефектов. Рассмотрим технические характеристики этих компонентов.
Источники высокоэнергетического излучения. В качестве источников высокоэнергетического излучения используются изотопы, линейные ускорители и бетатроны. Цунцинский университет использовал изотоп Co-60 и разработал на его основе ВТК CD-300BG [4], Пекинский научно-исследовательский институт автоматизации машиностроения (RIAMB) использовал бетатрон на 25 МэВ и линейный ускоритель на 9 МэВ для ВКТ [5]. Сравнение основных параметров источников высокоэнергетического излучения приведено в таблице 1.
1. Основные технические параметры
источников высокоэнергетического излучения.
Параметр | Тип источника | ||
Изотопы | Линейные ускорители | Бетатроны | |
Энергия (МэВ) | 1,25 | 2…15 | 2…10 |
Монохроматичность | монохроматично | немонохроматично | немонохроматично |
Фокусное пятно, мм2 | ≥ 1 | ≤2 | 0,3 |
Проницаемость, мм | 220–250 | >400 | >350 |
1По сравнению с линейными ускорителями, Co-60 имеет хорошую монохроматичность, но его энергия очень низка. Бетатроны имеют малое фокусное пятно, что повышает пространственное разрешение ВКТ, но интенсивность их излучения слишком низка. В связи с этим, основное внимание было уделено развитию линейных ускорителей.
2. Основные производители линейных ускорителей в Китае.
Производитель | Области применения | Производитель | Области применения |
IHEP | НК и Облучение | HTA | НК и Облучение |
CIAE | НК и Облучение | GRANPECT | КТ и НК |
NUCTECH | Досмотр и Облучение | SHINVA | Радиотерапия |
TUB | НК и Облучение, Радиотерапия | HaiMing | Радиотерапия |
RIAMB | НК и Облучение | EL Pont | Облучение |
Ningbo | Облучение | SPRI | КТ |
В таблице 2 перечислены основные производители линейных ускорителей в Китае [6]. Среди них GRANPECT и SPRI специализируются на выпуске линейных ускорителей с энергией от 2 МэВ до 15 МэВ для ВКТ.
Как указано в работах [6 – 9], GRANPECT вместе с TUB разработали несколько видов систем ВКТ с использованием серийно выпускаемых линейных ускорителей HEXTRON в качестве источника излучения. На рис.2 показан линейный ускоритель HEXTRON-3000 с энергией 9 МэВ, мощностью дозы – 3000 Р/мин, размером фокусного пятна – 1,5 мм, и полученное на нем ВКТ изображение с пространственным разрешением 2,5 пар линий/мм и разрешением по плотности 0,5%.
а) б)
Рис.2. Линейный ускоритель HEXTRON-3000 (а) и ВКТ - изображение (б)
Детекторы высокоэнергетического излучения. Сбор данных является важной частью системы ВКТ. В зависимости от конструкции детектора различают два типа ВКТ: веерная ВКТ с использованием линейного детектора и коническая ВКТ на основе плоско-панельного детектора. В первом случае используется веерное излучение для сканирования объекта. С помощью коллиматора, устраняется эффект рассеяния. Изображения ВКТ очень четкие, но сканирование требует много времени. В конической ВКТ используется конусное излучение, что повышает эффективность использования излучения, но из-за эффекта рассеяния, качество изображения заметно хуже.
В статье [10] описана система сбора данных для ВКТ с использованием плоско-панельного детектора. С помощью метода Монте-Карло GRANPECT вместе с университетом Цинхуа разработали линейный детектор из CdWO4 [2, 9].
В работах [11 – 15] линейный детектор из CdWO4 использовался для контроля компонентов железнодорожной системы, автомобильных отливок и литейных изделий, твердотопливных ракетных двигателей и исследования сланца.
Линейный детектор широко применяется в системах ВКТ. Результаты сравнения работ [16 – 19] на рис. 3 показывают, что качество изображения для линейного детектора лучше, чем для плоско-панельного детектора. Даже при использовании современного алгоритма реконструкции [17], качество изображения для плоско-панельного детектора не сравнилось с качеством изображения для линейки детекторов (рис. 4).
а) б) в)
Рис.3. Сравнение результатов сканирования конусным лучом для плоско-панельного детектора (а) и сканирования веерным лучом для линейного детектора (б) для 9 МэВ оригинального литого стального изделия (в)
а) б)
Рис.4. Реконструированное поперечное сечение чугунного изделия, отсканированное плоско-панельным детектором (а) и исправленное с использованием метода IAR (б)
Веерное сканирование имеет меньшее число артефактов, меньший шум, большее отношение сигнал/шум и большую способность различать объекты с низкой контрастностью по сравнению со сканированием коническим пучком [20]. В то же время конический пучок показал относительное превосходство в передаточной функции модуляции [20].
Алгоритм реконструкции. Обработка данных играет важную роль в системе ВКТ. Существуют разные алгоритмы реконструкции изображений, такие как filtered backprojection (FBP), algebraic reconstruction techniques (ART), simultaneous algebraic reconstruction techniques (SART) и др. Более 10 компаний поставляют программное обеспечение для промышленных КТ (например: Volume Graphics VGStudioMax, FEI Visualization Sciences Group Avizo и др.) [21 – 23].
По сравнению с алгоритмом FBP, алгоритмыы ART и SART имеют лучшие результаты реконструкции для малого числа проекций, но требуют много времени из-за сложных вычислений. В работе [24] сравниваются результаты реконструкции с помощью алгоритмов FBP, ART и SART при контроле мостов. Сравнение показывает, что алгоритм FBP лучше всего подходит для этого случая.
Артефакт ужесточения излучения является одним из основных артефактов в ВКТ. В работе [25] разработано компьютерное программное обеспечение, называемое платформой имитационной томографической машины (STM). Платформа STM предназначена для моделирования процедуры работы ВКТ и разработки алгоритма обработки данных. С помощью платформы STM был представлен новый метод, который может эффективно устранять артефакт ужесточения излучения.
Системы высокоэнергетической компьютерной томографии. С момента успешного выпуска первой системы ВКТ в 2004 г, прошло 13 лет. В настоящее время, существуют три основных компании, которые серийно выпускают ВКТ с энергией от 2 МэВ до 15 МэВ, это Granpect [3], KEXUECHENG JJRD. CO. LTD (KXCJJRD) [26] и Chongqing Zhence Science and Technology Co., ltd (CZST) [27]. Для сравнения, в табл. 3 приведены основные технические характеристики ВКТ, производимых этими компаниями.
3. Основные технические характеристики ВКТ на китайском рынке.
Параметр | Компания | ||
Granpect | KXCJJRD | CZST | |
Источник | Линейный ускоритель | ||
Энергия, МэВ | 2,4,6,9,15 | 6,9 | 2,4,6,9,12,15 |
Диаметр ОК, мм | по заказу | 1000 | 300~2500 |
Вес ОК, кг | по заказу | 1000 | по заказу |
Пространственное разрешение, LP/mm | 1~2,5 | 2,0 | 1,0~5,0 |
Разрешение по плотности, % | 0,3~1 | 0,3 | 0,2~0,5 |
Проникающая способность, мм (сталь) | 320 | 240 | 320 |
Из табл. 3 видно, что производятся ВКТ с энергией от 2 МэВ до 15МэВ, диаметры объектов контроля (ОК) могут достигать 2500 мм, а проникающая способность в стальном эквиваленте достигает 320 мм. ВКТ с такими характеристиками действительно повышает эффективность неразрушающего контроля и расширяет область своего применения. Для определенных ОК, заказчики могут задавать производителям особые требования и производители спроектируют ВКТ с наилучшими характеристиками для выполнения конкретных задач.
Области применения ВКТ и конкретные примеры. В данный момент ВКТ применяется практически во всех областях промышленного производства толстостенных ответственных изделий благодаря ее большой проникающей способности и высокой чувствительности. В соответствии с высокими требованиями к ответственным высокотехнологичным изделиям необходимо контролировать их качество перед использованием. Среди всех методов НК, только ВКТ удовлетворяет всем требованиям и позволяет качественно измерять и визуализировать сложные внутренние структуры при контроле толстостенных ответственных изделий.
ВКТ применяется для контроля компонентов железнодорожной системы (рис. 5) [9, 11], автомобильных двигателей (рис. 6) [9, 18], железобетонных конструкций (рис. 7) [9], твердотопливных ракетных двигателей [14] и т. д. На рисунках представлены только типичные изображения. Эти примеры использования ВКТ показывают ее эффективность для обнаружения дефектов при контроле толстостенных ответственных изделий.
а) б) в)
Рис.5. КТ - изображения (а) железнодорожной лягушки (railway frog) и 3D визуализация дефектов (б, в)
а) б)
Рис.6. КТ - изображения головки (а) автомобильного двигателя и 3D визуализация дефектов (б)
а) б) в)
Рис.7. КТ-изображения бетонной конструкции
В работе [28] отмечено, что за последние десять лет общая тенденция развития ВКТ и ее применения в Китае. Технический прогресс расширяет область применения ВКТ, а применение ВКТ содействует технологическому прогрессу. Поскольку область применения ВКТ расширяется со временем, ВКТ не только играет важную роль в промышленных производствах, но и занимает ведущее положение в процессе развития науки и техники.
Выводы. ВКТ быстро развивается в Китае и достигла большого прогресса за последние 10 лет. Широкое применение ВКТ в разных областях промышленности для контроля ответственных высокотехнологичных изделий способствует развитию технологии производства и повышает в целом уровень обрабатывающей промышленности в Китае. В настоящий момент китайские производители могут поставлять ВКТ с энергией от 2 МэВ до 15 МэВ для контроля ОК диаметрами до 2500 мм и толщиной до 320 мм в стальном эквиваленте.
ВКТ играет важную роль в области НК, промышленном производстве и научных исследованиях. Основная тенденция развития КТ – совершенствование технологии ВКТ и расширение областей ее применения.
Библиографический список
1. 李炬, 线阵高能工业CT研制进展 // 中国工程物理研究院科技年报, 2009, pp. 71-73.
2. Chen Zhiqiang, Li Liang, Feng Jianchuan. New Development of High Energy Industrial Computed Tomography (ICT) // CT Theory and Applications, Nov., 2005, Vol.14, No.4, pp. 1-4.
3. IPT Series of Industrial CT NDT System.
URL: http://www. . cn/english/products/p1/27.html (2018)
4. Zhang Ping, Xu Wenzhi. Data Collect System Design and Realize for CD-300BG type Industry Computerized Tomography // CT Theory and Applications. Feb., 2000, Vol.9, No.1, pp. 17-21.
5. Xia Yuzheng, Chen Guangjie, Wang Lan. The Key Technique for High X-Ray ICT // CT Theory and Applications, Feb., 1997, Vol.6, No.1, pp. 37-39.
6. Tang. C. Present Status of the Accelerator Industry in Asia // Proceedings of IPAC’10, Kyoto, Japan, May, 2010, pp. 2447-51.
7. Tang C. The Development of Accelerator Applications in China // Proceedings of APAC 2004, Gyeongju, Korea, 2004, pp. 528-532.
8. Tang C., Chen H. B., Liu Y. H. Electron Linacs for Cargo Inspection and Other Industrial Applications // Proceedings of International Topical Meeting on Nuclear Research Applications and Utilization of Accelerators, 4-8 May 2009, Vienna, pp. 1-8.
9. Xiao Yongshun, Chen Zhiqiang, Li Yantao, Ye Liang. Development and Applications of High Energy Industrial Computed Tomography in China // 19th World Conference on Non-Destructive Testing, 2016, pp. 1-8.
10. Wang Yuan, Xu Zhou, Chen Hao et al. Data Acquiring System for High Energy Industrial CT Based on Flat-Panel Detector // CT Theory and Applications, July, 2006, Vol.15, No.3, pp.53-56.
11. Xiao Yongshun, Hu Haifeng, Chen Zhiqiang et al. Application of Large Industrial Computed Tomography in Nondestructive Testing of Key Components of Railway Vehicles // CT Theory and Applications, Sep., 2009, Vol.18, No.3, pp.72-78.
12. Jiang Baoyu, Tang Jian, Li Puming et al. High Energy X-ray Industrial CT Technology and Its Application in Automotive Industry // Proceeding of the 10th Annual Meeting of Chinese Society for Non-destructive Testing, Sep., 2013, Nanchang, China, pp. 913-917.
13. Xiao Yongshun, Li Yantao, Ye Qing. The Application of High Energy Industrial CT System in Large Casting NDT // Proceeding of the 10th Annual Meeting of Chinese Society for Non-destructive Testing, Sep., 2013, Nanchang, China, pp. 840-847.
14. Ding Guofu. Application of high Energy Industrial Computed Tomography in Testing Solid Rocket Engine // CT Theory and Applications, Vol.14, No.3, Aug., 2005, pp.35-39.
15. Xiao Yongshun, Chen Zhiqiang, Yu Daiwei et al. The Applications of Industrial CT NDT Technology in Geological Research // 19th World Conference on Non-Destructive Testing 2016, 2016, pp. 1-7.
16. Salamon M., Boehnel M., Reims N. et al. Applications and Methods with High Energy CT Systems // 5th International Symposium on NDT in Aerospace, 13-15th November 2013, Singapore, pp. 1-8.
17. Salamon M., Errmann G., Reims N., Uhlmann N. High Energy X-ray Imaging for application in aerospace industry // 4th International Symposium on NDT in Aerospace, Augsburg 13-15, November 2012, pp. 1-8.
18. N. Uhlmann N. Voland V., Salamon M. et al. Metrology, Applications and Methods with High Energy CT Systems // January 2014, pp. 1-8. DOI: 10.1063/1.4865039
19. Reims N., Schoen T., Boehnel M. et al. Strategies for Efficient Scanning and Reconstruction Methods on Very Large Objects with High Energy X-ray Computed Tomography // Developments in X-Ray Tomography IX, edited by Stuart R. Stock, Proc. of SPIE, 2014, Vol. 9212, 921209, pp. 1-9. DOI: 10.1117/12.2062002.
20. Lechuga L., Weidlich G. A. Cone Beam CT vs. Fan Beam CT: A Comparison of Image Quality and Dose Delivered Between Two Differing CT Imaging Modalities // Cureus. 2016 Sep; 8(9): e778, DOI: 10.7759/cureus.778
21. Kastner J., Plank B., Heinzl C. Advanced X-ray computed tomography methods: High resolution CT, quantitative CT, 4DCT and phase contrast CT // Digital Industrial Radiology and Computed Tomography (DIR 2015), 22-25 June 2015, pp.1-13.
22. Case studies in nondestructive testing and evaluation / J. Kastner (Editor) // Special Issue 6th conference on industrial CT 2016 (iCT2016), Wels, Austria, 2016, Vol. 6/B, p.1-131.
23. Kastner J., Heinzl C., Plank B. et al. New X-ray computed tomography methods for research and industry // 7th Conference on Industrial Computed Tomography, Leuven, Belgium (ICT 2017), 2017, pp. 1-10.
24. Wenjing Wu, Haitao Zhu, Ming Jin et al. Partial CT and Structural Analysis with 950 keV/3.95 MeV X-Band Linac X-Ray Sources // E-Journal of Advanced Maintenance, 2013, Vol.5 No.2, pp.121-127.
25. Kang Kejun, Zhao Ziran, Chen Zhiqiang, Zhang Li. Eliminating beam-hardening artifacts in high-energy industrial computed tomography(ICT) // Developments in X-Ray Tomography IV, edited by Ulrich Bonse, Proc. of SPIE, Vol. 5535 (SPIE, Bellingham, WA, 2004), 0277-786X/04/$15, DOI: 10.1117/12.559289.
26. High energy industrial CT.
URL: http://www. /products_list/pmcId=30.html (2018).
27. High energy CT.
URL: http://www. /index. php? m=product&a=index&cid=11 (2018).
28. Wang Jue. The Latest Development of High Energy Industrial CT/DR Technology and its Application in China // Proceeding of the 10th Annual Meeting of Chinese Society for Non-destructive Testing, Sep., 2013, Nanchang, China, pp. 7-8.
Сведения об авторах.
Чжун Ян, Аспирант, Российско-китайская научная лаборатория радиационного контроля и досмотра, Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск 634050, Россия. Тел.: +79234260588, e-mail: *****@***ru.
, заведующий лабораторией, Российско-китайская научная лаборатория радиационного контроля и досмотра, Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск 634050, Россия. Тел.: +79138222194, e-mail: *****@***ru
