Определение размера фокусного пятна высокоэнергетической томографической системы на основе бетатрона
|
Введение 15
1 Определение размера фокусного пятна бетатрона 20
1.1 Влияние размера фокусного пятна на нерезкость изображения .. 25
1.2 Общий принцип работы и устройство бетатрона 28
1.3 Обзор существующих стандартов 31
1.4 Методы определение размера фокусного пятна при помощи
диафрагмы с отверстием 33
1.5 Методы определение размера фокусного пятна щелевой
диафрагмой 39
1.6 Методы определение размера фокусного пятна методом «Края» 44
1.7 Измерение фокусного пятна при помощи эталонов нерезкости
QIQ Duplex 50
2 Детекторы рентгеновского излучения 56
2.1 Калибровка цифровых детекторных систем 62
2.2 Коррекция «плохих» пикселей 64
2.3 Основные параметры качества изображения 64
3 Практическая часть 67
3.1 Определение фокусного пятна при помощи щелевой диафрагмы 69
3.2 Определение фокусного пятна при помощи эталона IQI Duplex . 74
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 79
4.1 Планирование научно-исследовательских работ 81
4.2 Бюджет научно-технического исследования 84
5 Социальная ответственность
5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 90
5.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного и вредного воздействия и устранению их влияния на работающих 91
5.2.1 Требования к ПЭВМ и организация работы организационные мероприятия 91
5.2.2 Условия безопасной работы 94
5.3 Расчет искусственной освещенности 96
5.4 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды 98
5.4.1 Электробезопасность 99
5.4.2 Пожаровзрывобезопасность 100
5.5 Радиационная безопасность 104
5.6 Охрана окружающей среды 107
5.7 Защита в чрезвычайных ситуациях 108
Заключение 111
Список литературы 112
1 Определение размера фокусного пятна бетатрона 20
1.1 Влияние размера фокусного пятна на нерезкость изображения .. 25
1.2 Общий принцип работы и устройство бетатрона 28
1.3 Обзор существующих стандартов 31
1.4 Методы определение размера фокусного пятна при помощи
диафрагмы с отверстием 33
1.5 Методы определение размера фокусного пятна щелевой
диафрагмой 39
1.6 Методы определение размера фокусного пятна методом «Края» 44
1.7 Измерение фокусного пятна при помощи эталонов нерезкости
QIQ Duplex 50
2 Детекторы рентгеновского излучения 56
2.1 Калибровка цифровых детекторных систем 62
2.2 Коррекция «плохих» пикселей 64
2.3 Основные параметры качества изображения 64
3 Практическая часть 67
3.1 Определение фокусного пятна при помощи щелевой диафрагмы 69
3.2 Определение фокусного пятна при помощи эталона IQI Duplex . 74
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 79
4.1 Планирование научно-исследовательских работ 81
4.2 Бюджет научно-технического исследования 84
5 Социальная ответственность
5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 90
5.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного и вредного воздействия и устранению их влияния на работающих 91
5.2.1 Требования к ПЭВМ и организация работы организационные мероприятия 91
5.2.2 Условия безопасной работы 94
5.3 Расчет искусственной освещенности 96
5.4 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды 98
5.4.1 Электробезопасность 99
5.4.2 Пожаровзрывобезопасность 100
5.5 Радиационная безопасность 104
5.6 Охрана окружающей среды 107
5.7 Защита в чрезвычайных ситуациях 108
Заключение 111
Список литературы 112
Современным средством обследования внешней формы и внутренней структуры деталей технических систем является рентгеновская компьютерная томография (КТ). Её достоинства наиболее полно проявляются при неразрушающей диагностике деталей и сборок со сложной внутренней структурой.
Её появление обусловлено недостатками обычной рентгенографии, заключавшего в себе идею получения не одного, а ряда снимков, выполненных под разными ракурсами, и определения по ним путём математической обработки плотностей исследуемого вещества в ряде сечений [1]. Преимуществами КТ по сравнению с традиционной рентгенографией стали:
- отсутствие теневых наложений на изображении;
- более высокая точность измерения геометрических соотношений;
- более высокая чувствительность, на порядок выше, чем при обычной рентгенографии.
Задача реконструкции изображения впервые была рассмотрена в 1917 году австрийским математиком Иоганном Радоном, который вывел зависимости поглощения от плотности вещества на некотором луче зрения. Первую систему реконструкции рентгеновских изображений разработали советские учёные Тетельбаум, Коренблюм и Тютин. С тех времен системы томографического сканирования значительно усовершенствовались в инженерном плане и в зависимости от области применения.
КТ является методом неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, основанная на измерении и компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности веществами. Была предложена в 1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком [2].
Чаще всего для целей КТ используются рентгеновские трубки с рабочим напряжением до 600 кВ. Большую сложность для обычных рентгеновских трубок представляют изделия с произведением плотности на толщину порядка от 40 до 120 г/см2 [3]. Для решения этой проблемы требуется более высокоэнергетический источник рентгеновского излучения. В настоящее время среди серийно выпускаемых приборов на эту роль могут претендовать линейные ускорители, бетатроны и микротроны.
Сегодня уже более десятка фирм из разных стран предлагают промышленные компьютерные томографы самых разнообразных моделей [4]. В США следует отметить фирму North Star Imaging и ее подразделение X-View CT, выпускающие промышленные томографы серий Х-CT, eXpress- CT и CXMM, а также фирму Varian Medical, предлагающую несколько моделей промышленных томографов серии BIR и InspeCT.
В Японии промышленные томографы разрабатывают фирмы Toshiba IT & Control Systems, Hitachi, Shimadzu и Saki.
В Европе предложения томографического оборудования чрезвычайно разнообразны: немецкая фирма Phoenix|x-ray (купленная американской фирмой GE, отделение GE Measurement & Control Solutions) предлагает множество моделей томографов, в том числе серии v|tome|x; немецкая фирма YXLON Intemational(объединившаяся с фирмой Feinfocus и входящая в группу Comet) предлагает 4 модели томографов серии Y.CT; английская фирма X-Tek Systems (купленная ранее бельгийской фирмой Metris, а затем Nikon Metrology) предлагает несколько моделей томографов серии XT; немецкая фирма RayScan Technologies (входящая в группу BELT) производит ряд промышленных томографов серии RayScan. В России - многолетний производитель и экспортер промышленных томографов фирма ПРОМИНТРО - предлагает 4 модели промышленных томографов серии ВТ.
При выборе среди многообразия томографических комплексов следует выделить основные технические характеристики [5]:
- диаметр, длина и масса ОК;
- энергия источника излучения, определяющая проникающую способность;
- предел пространственного разрешения внутри ОК;
- формат и качество томограмм ОК, наиболее значимых для покупателя;
- чувствительность к локальным дефектам и разноплотностям;
- точность измерения размеров внутри ОК;
- производительность;
- надежность оборудования и наличие оперативной технической и методической поддержки в процессе многолетней эксплуатации оборудования;
- средства радиационной защиты;
- цена.
По сравнению с линейными ускорителями, бетатроны имею ряд преимуществ. Конструкция бетатрона имеет малый вес, компактность, мобильность, работоспособность при произвольной ориентации в пространстве, отсутствие необходимости в сложной системе охлаждения. Высокая точность взаимного позиционирования бетатрона и приемника излучения в пространстве с помощью промышленных роботов позволяет реализовать любые схемы просвечивания объекта контроля (ОК) в автоматическом режиме.
Возможность произвольно и быстро с высокой точностью менять взаимное положение ускорителя и приемника в пространстве позволяет реализовать процесс НК при переходе от одной модели ОК к другой лишь переключением программ на пульте оператора. При появлении новой модели ОК для процедуры НК потребуется лишь перепрограммирование роботов и режимов работы ускорителя.Точность позиционирования и произвольность пространственной ориентации бетатрона и приемника позволяет проводить НК путем сканирования с применением линейных приемников излучения,экспонированием на пленку или планшетный приемник излучения без дополнительного оборудования программным путем.
Разница в длительности экспозиции при использовании бетатрона и линейного ускорителя (вследствие существенно более высокой плотности потока фотонов у линейного ускорителя), проявляется заметно лишь при экстремальных толщинах стали (более 200 мм).
Применение бетатрона не требует создания системы принудительной вентиляции испытательной камеры и соблюдения интервалов (запретное время) между НК отдельных объектов контроля, что существенно снижает время НК. Замена отработавших ресурс узлов бетатрона (камера) может быть осуществлено специалистами предприятия, использующего ускоритель в течение 30 минут в рабочее время. Разница в цене бетатрона и линейного ускорителя такова, что стоимость одного линейного ускорителя близка к стоимости всего автоматизированного радиографического комплекса на основе бетатрона и высокоточных промышленных роботов.
Большинство из выпускаемых серийно промышленных томографов на базе линейных ускорителей не удовлетворяют потребности рынка. Решающим в данном случае становится пространственное разрешение томограмм. Эта характеристика определяет качество контроля. В свою очередь пространственная разрешающая способность зависит от размера фокусного пятна.
Размер фокусного пятна является ключевым параметром любого источника излучения, как для томографии, так и для радиографии. Чем меньше размеры фокусного пятна, тем лучше изображение просвечиваемых изделий, тем выше чувствительность, то есть тем более мелкие дефекты можно обнаружить с помощью данного источника излучения.
Для решения задач НК применяются источники излучения с различными размерами фокусного пятна. Следует различать микрофокусные (от 1 до 100 микрон) и минифокусные (от 0,1 до 0,5 мм) размеры пятна. В настоящее время ширина фокусного пятна бетатрона составляет 0,2 мм. В данном направлении, бетатрон имеет хорошие перспективы, т. к. размеры его фокусного пятна весьма малы. Для успешной конкуренции с линейными ускорителями в данном секторе требуется изучение его характеристики, а именно, размера фокусного пятна.
Её появление обусловлено недостатками обычной рентгенографии, заключавшего в себе идею получения не одного, а ряда снимков, выполненных под разными ракурсами, и определения по ним путём математической обработки плотностей исследуемого вещества в ряде сечений [1]. Преимуществами КТ по сравнению с традиционной рентгенографией стали:
- отсутствие теневых наложений на изображении;
- более высокая точность измерения геометрических соотношений;
- более высокая чувствительность, на порядок выше, чем при обычной рентгенографии.
Задача реконструкции изображения впервые была рассмотрена в 1917 году австрийским математиком Иоганном Радоном, который вывел зависимости поглощения от плотности вещества на некотором луче зрения. Первую систему реконструкции рентгеновских изображений разработали советские учёные Тетельбаум, Коренблюм и Тютин. С тех времен системы томографического сканирования значительно усовершенствовались в инженерном плане и в зависимости от области применения.
КТ является методом неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, основанная на измерении и компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности веществами. Была предложена в 1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком [2].
Чаще всего для целей КТ используются рентгеновские трубки с рабочим напряжением до 600 кВ. Большую сложность для обычных рентгеновских трубок представляют изделия с произведением плотности на толщину порядка от 40 до 120 г/см2 [3]. Для решения этой проблемы требуется более высокоэнергетический источник рентгеновского излучения. В настоящее время среди серийно выпускаемых приборов на эту роль могут претендовать линейные ускорители, бетатроны и микротроны.
Сегодня уже более десятка фирм из разных стран предлагают промышленные компьютерные томографы самых разнообразных моделей [4]. В США следует отметить фирму North Star Imaging и ее подразделение X-View CT, выпускающие промышленные томографы серий Х-CT, eXpress- CT и CXMM, а также фирму Varian Medical, предлагающую несколько моделей промышленных томографов серии BIR и InspeCT.
В Японии промышленные томографы разрабатывают фирмы Toshiba IT & Control Systems, Hitachi, Shimadzu и Saki.
В Европе предложения томографического оборудования чрезвычайно разнообразны: немецкая фирма Phoenix|x-ray (купленная американской фирмой GE, отделение GE Measurement & Control Solutions) предлагает множество моделей томографов, в том числе серии v|tome|x; немецкая фирма YXLON Intemational(объединившаяся с фирмой Feinfocus и входящая в группу Comet) предлагает 4 модели томографов серии Y.CT; английская фирма X-Tek Systems (купленная ранее бельгийской фирмой Metris, а затем Nikon Metrology) предлагает несколько моделей томографов серии XT; немецкая фирма RayScan Technologies (входящая в группу BELT) производит ряд промышленных томографов серии RayScan. В России - многолетний производитель и экспортер промышленных томографов фирма ПРОМИНТРО - предлагает 4 модели промышленных томографов серии ВТ.
При выборе среди многообразия томографических комплексов следует выделить основные технические характеристики [5]:
- диаметр, длина и масса ОК;
- энергия источника излучения, определяющая проникающую способность;
- предел пространственного разрешения внутри ОК;
- формат и качество томограмм ОК, наиболее значимых для покупателя;
- чувствительность к локальным дефектам и разноплотностям;
- точность измерения размеров внутри ОК;
- производительность;
- надежность оборудования и наличие оперативной технической и методической поддержки в процессе многолетней эксплуатации оборудования;
- средства радиационной защиты;
- цена.
По сравнению с линейными ускорителями, бетатроны имею ряд преимуществ. Конструкция бетатрона имеет малый вес, компактность, мобильность, работоспособность при произвольной ориентации в пространстве, отсутствие необходимости в сложной системе охлаждения. Высокая точность взаимного позиционирования бетатрона и приемника излучения в пространстве с помощью промышленных роботов позволяет реализовать любые схемы просвечивания объекта контроля (ОК) в автоматическом режиме.
Возможность произвольно и быстро с высокой точностью менять взаимное положение ускорителя и приемника в пространстве позволяет реализовать процесс НК при переходе от одной модели ОК к другой лишь переключением программ на пульте оператора. При появлении новой модели ОК для процедуры НК потребуется лишь перепрограммирование роботов и режимов работы ускорителя.Точность позиционирования и произвольность пространственной ориентации бетатрона и приемника позволяет проводить НК путем сканирования с применением линейных приемников излучения,экспонированием на пленку или планшетный приемник излучения без дополнительного оборудования программным путем.
Разница в длительности экспозиции при использовании бетатрона и линейного ускорителя (вследствие существенно более высокой плотности потока фотонов у линейного ускорителя), проявляется заметно лишь при экстремальных толщинах стали (более 200 мм).
Применение бетатрона не требует создания системы принудительной вентиляции испытательной камеры и соблюдения интервалов (запретное время) между НК отдельных объектов контроля, что существенно снижает время НК. Замена отработавших ресурс узлов бетатрона (камера) может быть осуществлено специалистами предприятия, использующего ускоритель в течение 30 минут в рабочее время. Разница в цене бетатрона и линейного ускорителя такова, что стоимость одного линейного ускорителя близка к стоимости всего автоматизированного радиографического комплекса на основе бетатрона и высокоточных промышленных роботов.
Большинство из выпускаемых серийно промышленных томографов на базе линейных ускорителей не удовлетворяют потребности рынка. Решающим в данном случае становится пространственное разрешение томограмм. Эта характеристика определяет качество контроля. В свою очередь пространственная разрешающая способность зависит от размера фокусного пятна.
Размер фокусного пятна является ключевым параметром любого источника излучения, как для томографии, так и для радиографии. Чем меньше размеры фокусного пятна, тем лучше изображение просвечиваемых изделий, тем выше чувствительность, то есть тем более мелкие дефекты можно обнаружить с помощью данного источника излучения.
Для решения задач НК применяются источники излучения с различными размерами фокусного пятна. Следует различать микрофокусные (от 1 до 100 микрон) и минифокусные (от 0,1 до 0,5 мм) размеры пятна. В настоящее время ширина фокусного пятна бетатрона составляет 0,2 мм. В данном направлении, бетатрон имеет хорошие перспективы, т. к. размеры его фокусного пятна весьма малы. Для успешной конкуренции с линейными ускорителями в данном секторе требуется изучение его характеристики, а именно, размера фокусного пятна.
Проведены измерения размеров фокусного пятна с помощью эталонов нерезкости IQI и щелевой диафрагмы при различных энергиях ускоренных электронов.
На основе полученных результатов на защиту выносятся следующие положения:
Для измерения параметров фокусного пятна циклических импульсных ускорителей при энергии более 2,5 МэВ могут быть использованы методики щелевой диафрагмы и двойного проволочного эталона QIQ Duplex.
При использовании двойного проволочного эталона QIQ Duplex и заявленном значении фокусного пятна в горизонтальном направлении 0,3 мм и энергии ускоренных электронов 2,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,24 мм, при энергии 3,0 МэВ и 3,5 МэВ размер фокусного пятна составил 0,19 мм.
При использовании в качестве тестового объекта щелевой диафрагмы с диаметром отверстия 0,1 мм и энергии ускоренных электронов 2,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,17 мм. При энергии 3,0 и 3,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,14 и 0,25 мм соответственно. При размере отверстия щелевой диафрагмы 0,2 мм и энергии ускоренных электронов 2,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,34 мм. При энергии 3,0 МэВ и 3,5 МэВ размеры фокусного пятна 0,37 мм и 0,20 мм соответственно.
На основе полученных результатов на защиту выносятся следующие положения:
Для измерения параметров фокусного пятна циклических импульсных ускорителей при энергии более 2,5 МэВ могут быть использованы методики щелевой диафрагмы и двойного проволочного эталона QIQ Duplex.
При использовании двойного проволочного эталона QIQ Duplex и заявленном значении фокусного пятна в горизонтальном направлении 0,3 мм и энергии ускоренных электронов 2,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,24 мм, при энергии 3,0 МэВ и 3,5 МэВ размер фокусного пятна составил 0,19 мм.
При использовании в качестве тестового объекта щелевой диафрагмы с диаметром отверстия 0,1 мм и энергии ускоренных электронов 2,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,17 мм. При энергии 3,0 и 3,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,14 и 0,25 мм соответственно. При размере отверстия щелевой диафрагмы 0,2 мм и энергии ускоренных электронов 2,5 МэВ размер фокусного пятна составляет 0,34 мм. При энергии 3,0 МэВ и 3,5 МэВ размеры фокусного пятна 0,37 мм и 0,20 мм соответственно.