За последние два десятилетия промышленные рентгеновские компьютерные томографы стали привычным инструментом отработки технологии и повышения надежности ответственных изделий аэрокосмической, автомобильной и оборонных отраслей ведущих промышленных стран [1, 2].
Основные области применения промышленных томографов связаны с количественным изучением внутренней структуры сложных металлических и диэлектрических деталей, сборок и много слойных композитных конструкций, контроль которых с помощью радиографии или других традиционных методов НК неэффективен. Типичные примеры применения томографов: измерение толщины стенок охлаждаемых турбинных лопаток газотурбинных двигателей; дефектоскопия каталитических нейтрализаторов и головок блока цилиндров автомобильных двигателей внутреннего сгорания; диагностика правильности сборки и разноплотностей высокоэффективных боеприпасов; сертификация критических элементов космической техники – теплозащиты, обтекателей, турбинных колес, клапанов, навигационных и пиродатчиков; дефектоскопия композитных сопловых блоков и камер сгорания твердотопливных ракет; НК композитных лопастей и элементов авиационных конструкций; дефектоскопия ответственных резинокордных изделий; отработка технологии и сертификация разнообразных изделий из графита и углеродного волокна; дефектоскопия сложного корпусного литья, паяных и сварных соединений.
Представленные на рис.1–3 примеры обзорных и локальных томограмм (формата 2048 × 2048) композитных конструкций, сложных сборок, литья и турбинной лопатки, полученные с помощью томографов ООО «Промышленная интроскопия», дают представление об уникальных возможностях современных промышленных томографов.
В то же время, если сопоставить современный уровень развития техники и рынка промышленной томографии с успехами ее «прародителя» – медицинской томографической диагностики, то неизбежна более скромная оценка многолетних достижений промышленной томографии. Основных причин три:
- кардинальные отличия физических свойств промышленных объектов контроля (плотности, элементного состава, размеров) и их несоответствие проникающей способности и техническим характеристикам современных источников тормозного излучения;
- существенно меньшие размеры подлежащих обнаружению дефектов;
- узость рынка инновационных технологий ответственных промышленных изделий аэрокосмического, автомобильного и оборонного назначения.
Эти факторы носят фундаментальный характер и определяют тенденции и перспективы развития промышленной рентгеновской томографии. Из таблицы, рассчитанной для стали (ρ = 7,8 г/cм3; Z = 26), исходя из предельной толщины в 6 слоев половинного ослабления L6 = 6 ∙ 0,693/µFe, видно, что при увеличении рабочего напряжения рентгеновских трубок от 100 до 450 кВ резко (в 3,3 раза) увеличивается и просвечиваемая толщина стали (область превалирующего фотоэлектрического поглощения для Z = 26). Однако при дальнейшем повышении ускоряющего напряжения от 450 до 9000 кВ (в области доминирующего комптоновского рассеяния) просвечиваемая толщина увеличивается крайне медленно, достигая трехкратного увеличения только при 5 МэВ, а при более высоких энергиях растет незначительно, а затем даже снижается. Для практически значимого увеличения контролируемой толщины стальных объектов не поможет переход на 600 кВ, а необходимы минифокусные источники излучения с энергией электронов не менее 1,5 МэВ, а еще лучше – минифокусные ускорители с энергией электронов 5 МэВ [7] при учете повышенных требований к радиационной защите подобных высокоэнергетических томографов. Однако и при этом стальное литье суммарной толщиной более 350 мм останется для рентгеновской томографии контроленепригодным. Правда для крупных, но тонкостенных стальных и титановых изделий, для алюминиевого литья и композитов ситуация более оптимистична. Для сравнения напомним, что в медицинской рентгеновской томографии физические свойства объекта контроля принципиально более адекватны проникающей способности низкоэнергетического тормозного излучения (ρ 1 г/cм3; Z 7,5), и для диагностики наиболее плотного медицинского объекта – голо- вы человека диаметром 20 см, достаточно невысокого напряжения 120 кВ (L6 20 cм).
Таким образом, для построения томографов толстостенного тяжелого стального литья и сборок необходимы иные подходы с выходом за рамки тормозного излучения. Повышение пространственного разрешения промышленных томографов является генеральным направлением повышения чувствительности к локальным дефектам в виде пор и включений, а также для повышения точности измерения элементов сложной внутренней структуры. Поэтому современная высококачественная томограмма промышленного объекта контроля содержит не менее 1024 × 1024 расчетных элементов, а представленные в этой статье томограммы – даже более 2048 × 2048. Сверх этого, благодаря ис- пользованию метода локальной томографии [8], общее отношение D/ l диаметра объекта контроля и минимально разрешаемого элемента томограммы может превосходить 104. Для сравнения укажем, что стандартом современной медицинской рентгеновской томографии является формат реконструируемых томограмм 512 × 512 при визуализации с интерполяцией до 1024 × 1024. Тем не менее, дальнейшее совершенствование промышленных томографов потребует еще большего роста значений D/ l, а, следовательно, пропорционального увеличения числа угловых ракурсов просвечивания, квадратичного роста размера файла томограммы и кубического роста трудоемкости реконструкции.
|
Рис. 1. Томограммы композитной лопасти и стального клапана |
Важнейшим условием достижения высокого пространственного разрешения остается разработка новых минифокусных (0,2 мм) источников тормозного излучения с энергией от 1,5 до 5 МэВ и увеличенной в десятки раз мощностью экспозиционной дозы. Значительны перспективы повышения производительности промышленных томографов с использованием опыта медицинских многослойных спиральных томографов и томографов с двумерными цифровыми детекторами. Тем не менее, исследования динамики объемного разрушения, взрыва или других апериодических быстропротекающих процессов остаются пока недоступными для томографии из-за требования многоракурсности.
|
| Таблица. Зависимость просвечиваемой толщины стали L6 от напряжения на рентгеновской трубке или энергии ускоренных электронов ускорителя Emax |
Для практически значимого увеличения контролируемой толщины стальных объектов не поможет переход на 600 кВ, а необходимы минифокусные источники излучения с энергией электронов не менее 1,5 МэВ, а еще лучшеминифокусные ускорители с энергией электронов 5 МэВ при учете повышенных требований к радиационной защите подобных высокоэнергетических томографов. Однако и при этом стальное литье суммарной толщиной более 350 мм останется для рентгеновской томографии контроленепригодным. Правда для крупных, но тонкостенных стальных и титановых изделий, для алюминиевого литья и композитов ситуация более оптимистична.
Для сравнения напомним, что в медицинской рентгеновской томографии физические свойства объекта контроля принципиально более адекватны проникающей способности низкоэнергетического тормозного излучения (ρ 1 г/cм3);
Повышение пространственного разрешения промышленных томографов является генеральным направлением повышения чувствительности к локальным дефектам в виде пор и включений, а также для повышения точности измерения элементов сложной внутренней структуры. Поэтому современная высококачественная томограмма промышленного объекта контроля содержит не менее 1024 × 1024 расчетных элементов, а представленные в этой статье томограммы – даже более 2048 × 2048. Сверх этого, благодаря использованию метода локальной томографии [8], общее отношение D/ l диаметра объекта контроля и минимально разрешаемого элемента томограммы может превосходить 104. Для сравнения укажем, что стандартом современной медицинской рентгеновской томографии является формат реконструируемых томограмм 512 × 512 при визуализации с интерполяцией до 1024 × 1024.
В связи с непрерывным увеличением объема данных двумерных и трехмерных результатов томографического контроля неизбежен переход от интерактивной расшифровки томограмм опытным оператором к автоматической диагностике с формированием итогового протокола количественной оценки соответствия томографических результатов контроля и требований конструкторской документации на изделие. Автоматизация полного цикла количественной томографической диагностики наиболее оправ- дана для специализированных томографов узкого класса изделий, что повысит производительность и понизит зависимость от «человеческого» фактора при интерпретации результатов контроля. К сожалению, роль средств визуализации томограмм, затрат на двумерную и трехмерную графику и даже функции оператора ослабевают. Красота томографии уступает рациональности цифровых оценок
Таким образом, промышленные рентгеновские томографы вступили в пору зрелости и дальнейшие направления их развития обусловлены в основном фундаментальными факторами.
|
| Рис.2. Обзорная и локальные томограммы композитного крыла |
|
| Рис.3. Томограммы головки блока цилиндров и турбинной лопатки |
