Помощь студентам в учебе
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК РЕНТГЕНОВСКИХ ТОМОГРАФОВ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Современные исследовательские рентгеновские томографические установки 13
1.1. Принципы классификация исследовательских томографических
установок 13
1.2. Геометрические схемы сканирования в исследовательских
томографических установках 14
1.3. Источники рентгеновского излучения в исследовательских
томографических установках 18
1.3.1. Рентгеновские аппараты 18
1.3.2. Синхротронное излучение 24
1.4. Детектирующие системы в исследовательских томографических
установках 26
1.4.1. Детекторы прямого преобразования 26
1.4.2. Детекторы непрямого преобразования 27
1.4.3. Формирование и считывание сигналов в детекторах 29
1.4.3.2. CCD-технология 30
1.4.3.2. TFT-технология 31
1.4.3.3. CMOS-технология 33
1.4.4. Выбор детектирующих систем для томографических установок 35
1.5. Отечественные разработки исследовательских томографических
установок 37
1.6. Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2. Конструкция исследовательского томографа высокого разрешения
TOLMI-150-10 39
2.1. Источник излучения 39
2.2. Детектор излучения 41
2.3. Система позиционирования объекта исследования 43
2.4. Конструкция томографа 46
2.5. Требования к программе управления томографом 50
2.5.1. Основная функция программы управления 50
2.5.2. Вспомогательные функции отдельных устройств томографа 50
2.5.2.1. Рентгеновский аппарат 50
2.5.2.2. Манипуляторы 51
2.5.2.3. Детектор 51
2.6. Интерфейс программы управления 52
2.6.1. Сквозные элементы программы 52
2.6.1. Сбор данных (сканирование) 53
2.6.2. Управление рентгеновским аппаратом 53
2.6.3. Управление манипуляторами 54
2.6.4. Управление детектором 55
2.7. Выбор параметров сканирования 56
2.7.1. Размер вокселя 57
2.7.2. Шаг сканирования 59
2.7.3. Выбор энергии излучения 62
2.7.3.1. Влияние ускоряющего напряжения на тормозной спектр 64
2.7.3.2. Влияние дополнительной фильтрации на тормозной спектр 65
2.7.4. Выбор параметров детектора 67
2.8. Выводы по главе 2 75
ГЛАВА 3. Погрешности измерений в исследовательской томографии 77
3.1. Классификация ошибок измерений в процессе томографии 77
3.2. Размер фокального пятна 79
3.3. Дрейф фокального пятна 84
3.4. Определение базового пространственного разрешения детектора 88
3.5. Нерезкость теневых проекций при различных увеличениях 91
3.6. Функция передачи модуляции 93
3.7. Выводы по главе 101
ГЛАВА 4. Практическое применение томографа TOLMI-150-10 103
4.1. Исследование каменных углей 103
4.1.1. Исследование пористой структуры углей и фрактальная размерность
«облаков» пор 103
4.1.2. Исследование структуры углей, не склонных к самовозгоранию, и
углей с низкой пылеобразующей способностью 107
4.1.3. Предварительные выводы по исследованию каменных углей 108
4.2. Сравнение результатов томографии, полученных на TOLMI-150-10 и
GE Phoenix v|tome|x s 109
4.3. Определение толщины покрытий с помощью TOLMI-150-10 112
4.3.1. Объект и метод исследования 113
4.3.2. Метрологическая проверка метода 117
4.4. Исследование древесины 120
4.4.1. Научные дисциплины, изучающие древесину 121
4.4.2. Томография различных пород древесины 122
4.4.3. Влияние влажности древесины на распределение плотности 123
4.4.4. Влияние ультрафиолетового излучения на рост вечнозеленых ... 125
4.5. Выводы по главе 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 148
ГЛАВА 1. Современные исследовательские рентгеновские томографические установки 13
1.1. Принципы классификация исследовательских томографических
установок 13
1.2. Геометрические схемы сканирования в исследовательских
томографических установках 14
1.3. Источники рентгеновского излучения в исследовательских
томографических установках 18
1.3.1. Рентгеновские аппараты 18
1.3.2. Синхротронное излучение 24
1.4. Детектирующие системы в исследовательских томографических
установках 26
1.4.1. Детекторы прямого преобразования 26
1.4.2. Детекторы непрямого преобразования 27
1.4.3. Формирование и считывание сигналов в детекторах 29
1.4.3.2. CCD-технология 30
1.4.3.2. TFT-технология 31
1.4.3.3. CMOS-технология 33
1.4.4. Выбор детектирующих систем для томографических установок 35
1.5. Отечественные разработки исследовательских томографических
установок 37
1.6. Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2. Конструкция исследовательского томографа высокого разрешения
TOLMI-150-10 39
2.1. Источник излучения 39
2.2. Детектор излучения 41
2.3. Система позиционирования объекта исследования 43
2.4. Конструкция томографа 46
2.5. Требования к программе управления томографом 50
2.5.1. Основная функция программы управления 50
2.5.2. Вспомогательные функции отдельных устройств томографа 50
2.5.2.1. Рентгеновский аппарат 50
2.5.2.2. Манипуляторы 51
2.5.2.3. Детектор 51
2.6. Интерфейс программы управления 52
2.6.1. Сквозные элементы программы 52
2.6.1. Сбор данных (сканирование) 53
2.6.2. Управление рентгеновским аппаратом 53
2.6.3. Управление манипуляторами 54
2.6.4. Управление детектором 55
2.7. Выбор параметров сканирования 56
2.7.1. Размер вокселя 57
2.7.2. Шаг сканирования 59
2.7.3. Выбор энергии излучения 62
2.7.3.1. Влияние ускоряющего напряжения на тормозной спектр 64
2.7.3.2. Влияние дополнительной фильтрации на тормозной спектр 65
2.7.4. Выбор параметров детектора 67
2.8. Выводы по главе 2 75
ГЛАВА 3. Погрешности измерений в исследовательской томографии 77
3.1. Классификация ошибок измерений в процессе томографии 77
3.2. Размер фокального пятна 79
3.3. Дрейф фокального пятна 84
3.4. Определение базового пространственного разрешения детектора 88
3.5. Нерезкость теневых проекций при различных увеличениях 91
3.6. Функция передачи модуляции 93
3.7. Выводы по главе 101
ГЛАВА 4. Практическое применение томографа TOLMI-150-10 103
4.1. Исследование каменных углей 103
4.1.1. Исследование пористой структуры углей и фрактальная размерность
«облаков» пор 103
4.1.2. Исследование структуры углей, не склонных к самовозгоранию, и
углей с низкой пылеобразующей способностью 107
4.1.3. Предварительные выводы по исследованию каменных углей 108
4.2. Сравнение результатов томографии, полученных на TOLMI-150-10 и
GE Phoenix v|tome|x s 109
4.3. Определение толщины покрытий с помощью TOLMI-150-10 112
4.3.1. Объект и метод исследования 113
4.3.2. Метрологическая проверка метода 117
4.4. Исследование древесины 120
4.4.1. Научные дисциплины, изучающие древесину 121
4.4.2. Томография различных пород древесины 122
4.4.3. Влияние влажности древесины на распределение плотности 123
4.4.4. Влияние ультрафиолетового излучения на рост вечнозеленых ... 125
4.5. Выводы по главе 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 148
Рентгеновская трансмиссионная томография, более известная как компьютерная томография (КТ), прочно заняла одно из ведущих мест среди методов неразрушающего контроля не только в сфере медицины и биологии, но и в области естественных и технических наук. Развитие компьютерной томографии связано как с прогрессом вычислительной, так и рентгеновской техники.
К настоящему времени сложилось отдельное направление исследовательской томографии, которая отличается от традиционной клинической КТ по ряду ключевых моментов, хотя оба метода используют те же принципы получения информации об объекте исследования. Во-первых, исследовательская томография, как правило, не предназначена для медицинских применений, поэтому дозовые нагрузки чаще всего не ограничиваются. Во-вторых, конструкция исследовательских и медицинских рентгеновских томографов существенно отличаются. В-третьих, достигаемое пространственное разрешение в сотни раз может превышать значения, характерные для медицинских установок. Благодаря этому факту исследовательская томография часто определяется как «микротомография», «микрокомпьютерная томография» или «томография высокого разрешения».
Актуальность проблемы
Первые работы по созданию томографических установок высокого разрешения датируются серединой 80-х годов XX века. Здесь можно упомянуть вклад таких исследователей как B.P. Flannery, A.Y. Sasov, L.A. Feldkamp, J.H. Kinney [1-4]. Среди отечественных исследователей, сделавших существенный вклад в развитие рентгеновского томографического метода в последние годы, следует отметить Э.И. Вайнберга, В.Л. Венгриновича, В.Е. Асадчикова, Б.И. Капранова, В.П. Карих, В.И. Сырямкина, И.Г. Казанцева, С.А. Терещенко, О.В. Филонина, В.Я. Маклашевского [5-13].
Предпосылкой микротомографии стало создание цифровых детекторов с малым размером детектирующего элемента - пикселя, а также прогресс в области рентгеновской оптики, синхротронного излучения и рентгеновских аппаратов с малым размером фокального пятна.
Другой предпосылкой явилось развитие вычислительной техники. Сам термин «компьютерная томография», в русскоязычной технической литературе также известный как «рентгеновская вычислительная томография», предполагает ключевую роль вычислительной техники в процессе получения томографических результатов. В настоящее время объем данных одного томографического сканирования измеряется гигабайтами. Для оперирования такими объемами данных требуются вычислительные мощности на уровне гигафлопс и выше. Если сейчас такую мощность имеет обычный персональный компьютер, то 30 лет назад только отдельные суперкомпьютеры могли продемонстрировать подобную производительность.
Рынок томографических установок высокого разрешения активно развивается. Крупные производители измерительного и аналитического оборудования, такие как Carl Zeiss, General Electric, Bruker, Nikon Metrology, а также ряд небольших компаний предлагают готовые исследовательские томографы. Помимо этого, в крупных научных центрах создаются лабораторные установки, отвечающие специфическим задачам исследователей. Большая часть созданных томографов комплектуется компонентами различных производителей, специализирующихся на разработке источников, детекторов, механических манипуляторов. Отечественные разработки, в целом, следуют этой тенденции, хотя число производимых установок в России заметно уступает зарубежным лидерам.
Большинство исследовательских томографов имеют значительные габариты: от 2 м3 и массой свыше 1000 кг. Фактически на сегодняшний день, только компания Bruker micro-CT предлагает настольные установки [14]. Самый компактный томографический сканер Skyscan 1174 является и самым недорогим, однако его производительность сильно ограничена в сравнении с остальными, более дорогими устройствами. Ускоряющее напряжение аппарата составляет 50 кВ, что не позволяет исследовать плотные материалы, например, из стали. Размеры исследуемых объектов не могут превышать 3 см в диаметре.
Сканер с аналогичными массогабаритными характеристиками, но оснащенный более высокоэнергетичным источником излучения позволил бы исследовать более крупные образцы и мог бы стать востребованным у потенциальных потребителей.
Информация, посвященная разработке томографических систем высокого разрешения, в открытом доступе отсутствует. Производители оборудования не разглашают эту информацию по вполне очевидным причинам. Научная литература, в подавляющем большинстве, посвящена вопросам применения микротомографии для исследования различных объектов. Вопросы разработки чаще всего остаются за рамками публикуемых результатов. Таким образом, создание, настройка и исследование параметров микротомографических систем является актуальной научной задачей.
Цель и задачи
В Томском политехническом университете под руководством профессора Капранова Б.И. был разработан и создан переносной рентгеновский томограф высокого разрешения. Необходимой частью работы является оценка основных параметров разрабатываемой установки. Цель исследования состоит в измерении характеристик рентгеновского томографа и проверка его пригодности для исследования разнообразных изделий, материалов и природных объектов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. провести анализ существующих томографических установок;
2. обосновать выбор основных составляющих узлов для разрабатываемого томографа;
3. создать алгоритмы и программу, управляющую работой томографа;
4. разработать методику настройки и тестирования томографа;
5. теоретически и экспериментально оценить основные параметры томографа;
6. экспериментально подтвердить применимость установки для решения научных и практических задач.
Обоснование структуры работы
Структура диссертации соответствует порядку решения поставленных задач.
В первой главе проведен анализ существующих исследовательских томографических систем с точки зрения конструктивных особенностей, применяемых компонентов и производительности. Приводится классификация исследовательских томографов, формируются критерии выбора компонентов и конструктивного принципа для разрабатываемой установки.
Во второй главе приводятся характеристики использованных компонентов, описывается конструкция и порядок работы установки. Разработана методика выбора параметров томографического сканирования в зависимости от объекта исследования. Экспериментально исследуется работа детектирующей системы. Описаны программы управления томографом.
В третье главе проведен анализ погрешностей томографических измерений, приведены экспериментальные данные по оценке погрешностей разработанного томографа. Оценены основные параметры разрабатываемой установки.
В четвертой главе демонстрируется работа созданного томографа на примере решения научных и практических задач.
Научная новизна работы:
1. Разработана методика и специализированное программное обеспечение для выбора параметров томографического сканирования при использовании установок с конической геометрией пучка.
2. Экспериментально оценено влияние основных факторов: размера, формы и дрейфа фокального пятна источника, пространственного разрешения детектора и фильтрации в процессе реконструкции на качество томографических изображений и функцию передачи модуляции исследовательских томографов с конической геометрией пучка.
3. Разработан томографический метод определения толщины покрытий и проведена его метрологическая проверка для тех случаев, когда плотность покрытия превышает плотность основного материала.
Практическая ценность работы
Разработана методика выбора режимов томографического сканирования, основанная на физических закономерностях взаимодействия излучения с веществом, геометрической оптике и специфике работы цифровых рентгеновских детекторов.
Разработана методика выявления и оценки источников ошибок и их влияния на конечное значение функции передачи модуляции томографической системы.
Проведена оценка характеристик рентгеновского томографа, предназначенного для контроля и исследования разнообразных изделий, материалов и природных объектов с пространственным разрешением от 100 мкм и меньше, при максимальном ускоряющем напряжении до 150 кВ.
Экспериментально продемонстрирована возможность томографических исследований природных объектов на примере древесины и каменных углей, а также промышленных изделий и конструкционных материалов на примере углерод-углеродных композитов и карбидокремниевых покрытий. Результаты исследований соответствуют результатам, полученным на аналогичных томографических установках.
На публичную защиту выносятся следующие положения:
1. Методика выбора параметров томографического сканирования.
2. Методика оценки основных параметров и характеристик рентгеновских томографов высокого разрешения с конической геометрией пучка.
3. Томографический метод определения толщины покрытий.
4. Применение томографического метода для исследования внутренней структуры каменных углей.
5. Применение томографического метода для определения относительной плотности и размеров годичных колец древесины.
Достоверность полученных результатов
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается систематическим характером исследования, применением проверенных методик измерения, воспроизводимостью полученных результатов, использованием сертифицированного программного обеспечения.
Личный вклад автора состоит в написании литературного обзора по теме диссертации, постановке задач диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций.
Публикации и апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях:
1. Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД - 2015), Санкт-Петербург, 2015;
2. 9th International Topical Meeting on Industrial Radiation and Radioisotope Measurement Applications (IRRMA 9), Valencia, 2014;
3. 5th Conference on Industrial Computed Tomography, Wels, Austria, 2014;
4. Международная дендрохронологическая конференция «РусДендро-2014», Иссык-Куль, Киргизия, 2014;
5. VI Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной энергетики и промышленности», Томск, 2014;
6. 8-я Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды (ENVIROMIS-2014), Томск, 2014;
7. XX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2014;
8. XX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике, Москва, 2014;
9. X International Symposium Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-13), Erevan, Armenia, 2013;
10. II Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», Томск, 2013;
11. II Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле (SibTest 2013), Томск, 2013;
12. IV Международная школа-конференция молодых атомщиков Сибири, Томск, 2013;
13. XXXXII Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления, Миасс, 2012;
14. Первая всероссийская научная конференция «Практическая микротомография», Казань, 2012;
15. I Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», Томск, 2012.
Результаты работы опубликованы в 26 печатных работах, из которых 4 статьи в изданиях, включенных в список ВАК, 3 статьи индексируются базой данных Scopus, а также 15 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 6 приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 141 библиографическую ссылку. Общий объем диссертации составляет 148 страниц и включает 92 рисунка, 13 таблиц и 32 формулы.
Благодарности
Автор выражает благодарность коллегам: Капранову Б.И., Чахлову С.В., Осипову С.П., Темнику А.К., Удоду В.А. за помощь в работе над диссертацией. Коллегам Стучеброву С.Г., Ивашкову Д.В. за помощь в проведении экспериментов и публикации результатов, а также своим соавторам за работу над публикациями.
К настоящему времени сложилось отдельное направление исследовательской томографии, которая отличается от традиционной клинической КТ по ряду ключевых моментов, хотя оба метода используют те же принципы получения информации об объекте исследования. Во-первых, исследовательская томография, как правило, не предназначена для медицинских применений, поэтому дозовые нагрузки чаще всего не ограничиваются. Во-вторых, конструкция исследовательских и медицинских рентгеновских томографов существенно отличаются. В-третьих, достигаемое пространственное разрешение в сотни раз может превышать значения, характерные для медицинских установок. Благодаря этому факту исследовательская томография часто определяется как «микротомография», «микрокомпьютерная томография» или «томография высокого разрешения».
Актуальность проблемы
Первые работы по созданию томографических установок высокого разрешения датируются серединой 80-х годов XX века. Здесь можно упомянуть вклад таких исследователей как B.P. Flannery, A.Y. Sasov, L.A. Feldkamp, J.H. Kinney [1-4]. Среди отечественных исследователей, сделавших существенный вклад в развитие рентгеновского томографического метода в последние годы, следует отметить Э.И. Вайнберга, В.Л. Венгриновича, В.Е. Асадчикова, Б.И. Капранова, В.П. Карих, В.И. Сырямкина, И.Г. Казанцева, С.А. Терещенко, О.В. Филонина, В.Я. Маклашевского [5-13].
Предпосылкой микротомографии стало создание цифровых детекторов с малым размером детектирующего элемента - пикселя, а также прогресс в области рентгеновской оптики, синхротронного излучения и рентгеновских аппаратов с малым размером фокального пятна.
Другой предпосылкой явилось развитие вычислительной техники. Сам термин «компьютерная томография», в русскоязычной технической литературе также известный как «рентгеновская вычислительная томография», предполагает ключевую роль вычислительной техники в процессе получения томографических результатов. В настоящее время объем данных одного томографического сканирования измеряется гигабайтами. Для оперирования такими объемами данных требуются вычислительные мощности на уровне гигафлопс и выше. Если сейчас такую мощность имеет обычный персональный компьютер, то 30 лет назад только отдельные суперкомпьютеры могли продемонстрировать подобную производительность.
Рынок томографических установок высокого разрешения активно развивается. Крупные производители измерительного и аналитического оборудования, такие как Carl Zeiss, General Electric, Bruker, Nikon Metrology, а также ряд небольших компаний предлагают готовые исследовательские томографы. Помимо этого, в крупных научных центрах создаются лабораторные установки, отвечающие специфическим задачам исследователей. Большая часть созданных томографов комплектуется компонентами различных производителей, специализирующихся на разработке источников, детекторов, механических манипуляторов. Отечественные разработки, в целом, следуют этой тенденции, хотя число производимых установок в России заметно уступает зарубежным лидерам.
Большинство исследовательских томографов имеют значительные габариты: от 2 м3 и массой свыше 1000 кг. Фактически на сегодняшний день, только компания Bruker micro-CT предлагает настольные установки [14]. Самый компактный томографический сканер Skyscan 1174 является и самым недорогим, однако его производительность сильно ограничена в сравнении с остальными, более дорогими устройствами. Ускоряющее напряжение аппарата составляет 50 кВ, что не позволяет исследовать плотные материалы, например, из стали. Размеры исследуемых объектов не могут превышать 3 см в диаметре.
Сканер с аналогичными массогабаритными характеристиками, но оснащенный более высокоэнергетичным источником излучения позволил бы исследовать более крупные образцы и мог бы стать востребованным у потенциальных потребителей.
Информация, посвященная разработке томографических систем высокого разрешения, в открытом доступе отсутствует. Производители оборудования не разглашают эту информацию по вполне очевидным причинам. Научная литература, в подавляющем большинстве, посвящена вопросам применения микротомографии для исследования различных объектов. Вопросы разработки чаще всего остаются за рамками публикуемых результатов. Таким образом, создание, настройка и исследование параметров микротомографических систем является актуальной научной задачей.
Цель и задачи
В Томском политехническом университете под руководством профессора Капранова Б.И. был разработан и создан переносной рентгеновский томограф высокого разрешения. Необходимой частью работы является оценка основных параметров разрабатываемой установки. Цель исследования состоит в измерении характеристик рентгеновского томографа и проверка его пригодности для исследования разнообразных изделий, материалов и природных объектов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. провести анализ существующих томографических установок;
2. обосновать выбор основных составляющих узлов для разрабатываемого томографа;
3. создать алгоритмы и программу, управляющую работой томографа;
4. разработать методику настройки и тестирования томографа;
5. теоретически и экспериментально оценить основные параметры томографа;
6. экспериментально подтвердить применимость установки для решения научных и практических задач.
Обоснование структуры работы
Структура диссертации соответствует порядку решения поставленных задач.
В первой главе проведен анализ существующих исследовательских томографических систем с точки зрения конструктивных особенностей, применяемых компонентов и производительности. Приводится классификация исследовательских томографов, формируются критерии выбора компонентов и конструктивного принципа для разрабатываемой установки.
Во второй главе приводятся характеристики использованных компонентов, описывается конструкция и порядок работы установки. Разработана методика выбора параметров томографического сканирования в зависимости от объекта исследования. Экспериментально исследуется работа детектирующей системы. Описаны программы управления томографом.
В третье главе проведен анализ погрешностей томографических измерений, приведены экспериментальные данные по оценке погрешностей разработанного томографа. Оценены основные параметры разрабатываемой установки.
В четвертой главе демонстрируется работа созданного томографа на примере решения научных и практических задач.
Научная новизна работы:
1. Разработана методика и специализированное программное обеспечение для выбора параметров томографического сканирования при использовании установок с конической геометрией пучка.
2. Экспериментально оценено влияние основных факторов: размера, формы и дрейфа фокального пятна источника, пространственного разрешения детектора и фильтрации в процессе реконструкции на качество томографических изображений и функцию передачи модуляции исследовательских томографов с конической геометрией пучка.
3. Разработан томографический метод определения толщины покрытий и проведена его метрологическая проверка для тех случаев, когда плотность покрытия превышает плотность основного материала.
Практическая ценность работы
Разработана методика выбора режимов томографического сканирования, основанная на физических закономерностях взаимодействия излучения с веществом, геометрической оптике и специфике работы цифровых рентгеновских детекторов.
Разработана методика выявления и оценки источников ошибок и их влияния на конечное значение функции передачи модуляции томографической системы.
Проведена оценка характеристик рентгеновского томографа, предназначенного для контроля и исследования разнообразных изделий, материалов и природных объектов с пространственным разрешением от 100 мкм и меньше, при максимальном ускоряющем напряжении до 150 кВ.
Экспериментально продемонстрирована возможность томографических исследований природных объектов на примере древесины и каменных углей, а также промышленных изделий и конструкционных материалов на примере углерод-углеродных композитов и карбидокремниевых покрытий. Результаты исследований соответствуют результатам, полученным на аналогичных томографических установках.
На публичную защиту выносятся следующие положения:
1. Методика выбора параметров томографического сканирования.
2. Методика оценки основных параметров и характеристик рентгеновских томографов высокого разрешения с конической геометрией пучка.
3. Томографический метод определения толщины покрытий.
4. Применение томографического метода для исследования внутренней структуры каменных углей.
5. Применение томографического метода для определения относительной плотности и размеров годичных колец древесины.
Достоверность полученных результатов
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается систематическим характером исследования, применением проверенных методик измерения, воспроизводимостью полученных результатов, использованием сертифицированного программного обеспечения.
Личный вклад автора состоит в написании литературного обзора по теме диссертации, постановке задач диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций.
Публикации и апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях:
1. Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД - 2015), Санкт-Петербург, 2015;
2. 9th International Topical Meeting on Industrial Radiation and Radioisotope Measurement Applications (IRRMA 9), Valencia, 2014;
3. 5th Conference on Industrial Computed Tomography, Wels, Austria, 2014;
4. Международная дендрохронологическая конференция «РусДендро-2014», Иссык-Куль, Киргизия, 2014;
5. VI Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной энергетики и промышленности», Томск, 2014;
6. 8-я Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды (ENVIROMIS-2014), Томск, 2014;
7. XX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2014;
8. XX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике, Москва, 2014;
9. X International Symposium Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-13), Erevan, Armenia, 2013;
10. II Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», Томск, 2013;
11. II Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле (SibTest 2013), Томск, 2013;
12. IV Международная школа-конференция молодых атомщиков Сибири, Томск, 2013;
13. XXXXII Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления, Миасс, 2012;
14. Первая всероссийская научная конференция «Практическая микротомография», Казань, 2012;
15. I Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», Томск, 2012.
Результаты работы опубликованы в 26 печатных работах, из которых 4 статьи в изданиях, включенных в список ВАК, 3 статьи индексируются базой данных Scopus, а также 15 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 6 приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 141 библиографическую ссылку. Общий объем диссертации составляет 148 страниц и включает 92 рисунка, 13 таблиц и 32 формулы.
Благодарности
Автор выражает благодарность коллегам: Капранову Б.И., Чахлову С.В., Осипову С.П., Темнику А.К., Удоду В.А. за помощь в работе над диссертацией. Коллегам Стучеброву С.Г., Ивашкову Д.В. за помощь в проведении экспериментов и публикации результатов, а также своим соавторам за работу над публикациями.
Ниже приведены основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.
1. Сформулированы три основных критерия классификации исследовательских томографических систем: а) геометрическая схема сканирования, б) используемый источник излучения, в) тип применяемого детектора.
2. Обоснован выбор основных узлов переносного томографа. Источником служит рентгеновский аппарат с фокальным пятном диаметром до 50 мкм и мишенью трансмиссионного типа; детектор изготовлен по CMOS-технологии с размером пикселя 96 мкм и сцинтиллятором CsI; механический манипулятор обеспечивает линейное перемещение с точностью до 1 мкм и угловое перемещение с точностью до 0,001°.
3. Разработан алгоритм и программа для управления томографом, обеспечивающая настройку параметров сканирования и сбор исходной информации - теневых проекций.
4. На основании экспериментальных проверок определены основные характеристики TOLMI-150-10. Измерение функции передачи модуляции показало, что установка обеспечивает пространственное разрешение до 10 пар ли- ний/мм при относительном контрасте 10%.
5. Экспериментально подтверждена применимость томографа TOLMI- 150-10 для исследований различных объектов: как промышленных изделий, так и объектов живой и неживой природы. Основные результаты практического применения таковы:
• TOLMI-150-10 демонстрирует пространственное разрешение и контрастную чувствительность на уровне лучших мировых образцов, например, томографа Phoenix v|tome|x s производства General Electric.
• Установлена качественная зависимость свойств угля от его внутренней структуры, а именно, слоистая структура характерна для самовозгорающихся углей и углей, склонных к пылеобразованию.
• Для исследованных пород углей системы пор и минеральных слоистых включений имеют облачную структуру, характеристики которой близки для различных пород.
• Томографический метод позволяет проводить прямые измерения толщины покрытий от 50 до 500 мкм, нанесенных на матрицу из углеродного волокна, с точностью ±5 мкм.
• Влажность образцов из хвойных пород деревьев искажает распределение плотности. Для лиственных пород, как более плотных, присутствие влаги не оказывает значимого влияния на точность распределения плотности.
• Показана прямая значимая связь между ежедневными значениями мощности дозы жесткого ультрафиолетового излучения и пространственно-временной структурой плотности хвойных пород древесины.
1. Сформулированы три основных критерия классификации исследовательских томографических систем: а) геометрическая схема сканирования, б) используемый источник излучения, в) тип применяемого детектора.
2. Обоснован выбор основных узлов переносного томографа. Источником служит рентгеновский аппарат с фокальным пятном диаметром до 50 мкм и мишенью трансмиссионного типа; детектор изготовлен по CMOS-технологии с размером пикселя 96 мкм и сцинтиллятором CsI; механический манипулятор обеспечивает линейное перемещение с точностью до 1 мкм и угловое перемещение с точностью до 0,001°.
3. Разработан алгоритм и программа для управления томографом, обеспечивающая настройку параметров сканирования и сбор исходной информации - теневых проекций.
4. На основании экспериментальных проверок определены основные характеристики TOLMI-150-10. Измерение функции передачи модуляции показало, что установка обеспечивает пространственное разрешение до 10 пар ли- ний/мм при относительном контрасте 10%.
5. Экспериментально подтверждена применимость томографа TOLMI- 150-10 для исследований различных объектов: как промышленных изделий, так и объектов живой и неживой природы. Основные результаты практического применения таковы:
• TOLMI-150-10 демонстрирует пространственное разрешение и контрастную чувствительность на уровне лучших мировых образцов, например, томографа Phoenix v|tome|x s производства General Electric.
• Установлена качественная зависимость свойств угля от его внутренней структуры, а именно, слоистая структура характерна для самовозгорающихся углей и углей, склонных к пылеобразованию.
• Для исследованных пород углей системы пор и минеральных слоистых включений имеют облачную структуру, характеристики которой близки для различных пород.
• Томографический метод позволяет проводить прямые измерения толщины покрытий от 50 до 500 мкм, нанесенных на матрицу из углеродного волокна, с точностью ±5 мкм.
• Влажность образцов из хвойных пород деревьев искажает распределение плотности. Для лиственных пород, как более плотных, присутствие влаги не оказывает значимого влияния на точность распределения плотности.
• Показана прямая значимая связь между ежедневными значениями мощности дозы жесткого ультрафиолетового излучения и пространственно-временной структурой плотности хвойных пород древесины.
Подобные работы
- Исследование возможности повышения выявляемости дефектов сварных швов по оцифрованным радиографическим изображениям
Бакалаврская работа, контроль и ревизия. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016 - Определение размера фокусного пятна высокоэнергетической томографической системы на основе бетатрона
Магистерская диссертация, физика. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016 - Анализ структуры порового пространства осадочных пород на основе томографических изображений
Магистерская диссертация, геология и минералогия. Язык работы: Русский. Цена: 4915 р. Год сдачи: 2017