4 курс / Лучевая диагностика / Введение_в_комп_рентг_и_нейтронную_томографию
.pdf
Введение в компьютерную рентгеновскую и нейтронную томографию
Учебное пособие
Допущено ФУМО по УГСН 14.00.00 Ядерная энергетика и технологии
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии»
Москва
2018
УДК [539.26+539.27]:519.876.5(075) ББК 22.34я7 Б25
Бармаков Ю.Н., Микеров В.И., Юрков Д.И.
Введение в компьютерную рентгеновскую и нейтронную томографию: Учебное пособие. – М.: Буки Веди, 2018. – 116 с.
Книга описывает современный уровень развития методов рентгеновской и нейтронной томографии, применяемых в промышленности и научных исследованиях.
Пособие предназначено для студентов магистратуры и бакалавриата по направлению 14.04.02 «Ядерная физика и технологии» и может быть полезным для специалистов в области неразрушающего контроля.
Для более глубокого изучения вопросов, относящихся к рентгеновской и нейтронной томографии, можно обратиться к работам из прилагаемого списка использованных источников. Приведенные в нем ссылки могут использоваться в практической деятельности при выборе томографического оборудования и программного обеспечения.
Одобрено НТС ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».
Рецензенты:
главный научный сотрудник НИЦ«Курчатовский институт» д-р физ.-мат. наук Подурец К.М.;
заведующий лабораторией рефлектометрии и малоуглового рассеяния ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» д-р физ.-мат. наук, профессор Асадчиков В.Е.
ISBN 978-5-4465-2002-2
©Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова», 2018
©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2018
3
Оглавление |
|
Введение ................................................................................................................................. |
6 |
Глава 1. Виды томографии......................................................................................... |
8 |
1.1. Томография в параллельном пучке..................................................... |
10 |
1.2. Томография в расходящихся пучках.................................................. |
13 |
1.3. Послойная томография............................................................................... |
14 |
1.4. Томография в обратно рассеянном излучении............................ |
17 |
1.5. Томография с использованием фазового контраста................ |
19 |
1.6. Гамма-эмиссионная томография, вызванная нейтронами ..... |
22 |
Контрольные вопросы к главе 1..................................................................... |
27 |
Глава 2. Особенности томографии в рентгеновском |
|
и нейтронном излучениях...................................................................................... |
28 |
Контрольные вопросы к главе 2..................................................................... |
32 |
Глава 3. Области применения рентгеновской |
|
и нейтронной томографии..................................................................................... |
33 |
Контрольные вопросы к главе 3..................................................................... |
42 |
Глава 4. Томографическое оборудование .................................................... |
43 |
4.1. Установки с портативными источниками быстрых |
|
нейтронов....................................................................................................................... |
43 |
4.2. Томограф для дефектации ТВЭЛов......................................................... |
46 |
4.3. Промышленный томограф ВТ-600ХА производства МАИ..... |
46 |
4.4. Томограф высокого разрешения TOLMI-150-10.......................... |
48 |
4.5. Системы компании Werth Messertechnik (Германия)..................... |
50 |
4.6. Микротомограф TDM-100 фирмы Yamato (Япония)................ |
50 |
4.7. Томограф для контроля печатных плат TR7600 SII............................ |
52 |
4.8. Рентген-система с послойным анализом изображений |
|
ACT-160 японской фирмы Pony Industry..................................................... |
52 |
4
4.9. Компьютерный томограф Y.CT Precision компании |
|
YXLON (Германия)................................................................................................... |
53 |
4.10. Компьютерный томограф для контроля печатных плат |
|
XT V 160 компании Nikon Metrology (Япония)..................................... |
54 |
4.11. Промышленные компьютерные томографические системы |
|
X-View CT фирмы Noth Star Imaging Inc. (США)...................................... |
54 |
4.12. Системы SkyScan-N фирмы Bruker (Германия).......................... |
56 |
4.13. Томографы компании GRANPECT (Китай) ................................. |
57 |
4.14. Томографы компании General Electric |
|
Measurement & Control (США) ......................................................................... |
58 |
4.15. Компьютерный томограф Cobra компании Analogic (США).... |
59 |
Контрольные вопросы к главе 4...................................................................... |
60 |
Глава 5. Математические основы томографии......................................... |
61 |
5.1. Классификация методов и алгоритмов.............................................. |
61 |
5.2. Теорема о проекциях.......................................................................................... |
63 |
5.3. Метод обратных проекций: достоинства и недостатки .......... |
65 |
5.4. Метод максимального правдоподобия .............................................. |
68 |
5.5. Алгоритмы для конического пучка ...................................................... |
69 |
5.6. Реконструкция при использовании обратно рассеянного |
|
излучения....................................................................................................................... |
72 |
5.7. Реконструкция при использовании фазового контраста....... |
73 |
Контрольные вопросы к главе 5...................................................................... |
74 |
Глава 6. Процесс измерения .................................................................................. |
75 |
Контрольные вопросы к главе 6...................................................................... |
81 |
Глава 7. Артефакты реконструкции и способы |
|
их устранения .................................................................................................................. |
82 |
Контрольные вопросы к главе 7...................................................................... |
87 |
5
Глава 8. Программное обеспечение, используемое |
|
при томографической реконструкции.......................................................... |
88 |
8.1. Программа Н1 .................................................................................................... |
88 |
8.2. Программный комплекс Octopus.............................................................. |
89 |
8.3. Приложение VGStudio MaX....................................................................... |
90 |
8.4. Программное обеспечение NRECON.................................................. |
91 |
8.5. Программный комплекс MuhRec........................................................... |
91 |
8.6. Пакет программ VG InLine......................................................................... |
92 |
8.7. Программа Диада............................................................................................. |
92 |
8.8. Программа COBRA ......................................................................................... |
93 |
8.9. Программное обеспечение H-PITRE................................................... |
93 |
8.10. Программный комплекс MMX-I.......................................................... |
94 |
8.11. Программа NiftyRec...................................................................................... |
94 |
8.12. Комплект программ DigiXCT................................................................. |
94 |
8.13. Дополнительные средства........................................................................ |
94 |
Контрольные вопросы к главе 8...................................................................... |
95 |
Глава 9. Перспективы развития методов..................................................... |
96 |
Контрольные вопросы к главе 9...................................................................... |
98 |
Заключение........................................................................................................................ |
99 |
Список литературы ................................................................................................... |
100 |
Историческая справка............................................................................................. |
113 |
6
Введение
В настоящее время компьютерная томография [1–4] широко используется как в неразрушающем контроле промышленных изделий, так и в научных исследованиях, в частности, в физике твердого тела, биологии, геофизике, астрофизике.
Томография практически незаменима при разработке новых технологий, в дефектоскопии сложных по структуре и вещественному составу изделий, при обратном проектировании, а также при исследовании объектов, внутренняя структура и вещественный состав которых неизвестны.
Томографические методы, основанные на использовании рентгеновского (гамма-) и нейтронного излучений, обеспечивают детальную визуализацию структуры предметов исследования самого различного происхождения. При этом структура воспроизводится без наложений, отчетливо различаются области разной плотности или состава, размеры внутренних полостей или стенок, недоступные обычным измерительным средствам, измеряются с довольно высокой точностью, которая обычно составляет около 0,05 мм, но в отдельных случаях может достигать 0,05 мкм [5].
Возможности рентгеновской и нейтронной томографии обусловлены спецификой взаимодействия этих излучений с веществом. Рентгеновское излучение эффективно ослабляется материалами с большим атомным номером. Сечение взаимодействия нейтронного излучения от атомного номера вещества не зависит. Очень часто нейтронное излучение обладает более высокой проникающей способностью по сравнению с рентгеновским, что позволяет использовать нейтронную томографию как в обычных условиях, так и при высоких давлениях, температурах и т.п. Кроме того, нейтронное излучение позволяет исследовать магнитную структуру вещества.
Томографические исследования с использованием рентгеновского или гамма-излучений проводятся в основном с использова-
Введение |
7 |
|
|
нием портативных рентгеновских генераторов, изотопных гаммаисточников, а также источников синхротронного рентгеновского излучения.
Нейтронная томография главным образом проводится на ядерных реакторах. Для этого используются нейтроны различных энергий: холодные, тепловые и быстрые. Если не стоит задача получения высокого пространственного разрешения, то томография в тепловых и быстрых нейтронах может проводиться также на источниках генераторного типа или с использованием изотопных источников. При этом для получения тепловых нейтронов используется водородосодержащий замедлитель.
Различают методы, в которых используются пучки различной геометрии: параллельной, веерной или конической. В случае рентгеновских и нейтронных генераторов обычно используется веерная или коническая геометрия. При использовании ядерных реакторов томография проводится на пучках с геометрией, максимально близкой к параллельной или конической.
Целью создания настоящего пособия было изложение современного состояния и перспектив развития методов рентгеновской и нейтронной томографии, применяемых в промышленности и научных исследованиях. Помимо этого, в пособии описываются математические основы радиационной томографии, алгоритмы и программное обеспечение, используемые при реконструкции томографических данных, приводятся примеры ее применения и основные характеристики современного томографического оборудования.
Пособие предназначено для студентов магистратуры и бакалавриата по направлению «Ядерные физика и технологии» и может быть использовано для получения представления о возможностях рентгеновской и нейтронной томографии. Пособие может также использоваться специалистами, работающими в областях, смежных с прикладной ядерной физикой, применяющих, в частности, методы неразрушающего контроля, основанные на использовании проникающих излучений.
Для более глубокого изучения вопросов, относящихся к радиационной томографии, можно обратиться к прилагаемому списку использованных источников.
8 |
Глава 1 |
|
|
Глава 1. Виды томографии
В основе классического томографического метода лежит идея, состоящая в том, что объект можно представить в виде набора параллельных поперечных сечений (рис. 1) [6]. При этом появляется возможность послойной реконструкции структуры (изображения) трехмерного объекта, когда структура каждого слоя реконструируется по набору проекционных изображений независимо от остальных.
Рис. 1. Представление объекта в виде набора параллельных поперечных сечений
Реализация томографического метода состоит из двух этапов. На первом этапе формируются томографические данные, на втором – по томографическим данным восстанавливается структура (изображение) поперечных сечений.
Томографические данные представляют собой совокупность радиографических изображений исследуемого объекта, полученных при различных угловых положениях относительно направления падающего на него излучения (рис. 2). Все радиографические
Виды томографии |
9 |
|
|
изображения разбиваются на слои (рис. 2 и 3), и для каждого слоя вычисляется так называемая синограмма (рис. 4), т.е. двумерная зависимость ослабления излучения от координаты h и угла поворота объекта θ.
Далее синограмма используется для восстановления структуры поперечного сечения с помощью того или иного алгоритма реконструкции. Основы математического аппарата томографии и примеры алгоритмов, используемых в рентгеновской и нейтронной томографии, описываются в главе 5.
Рис. 2. Получение набора проекционных изображений
Рис. 3. Принцип послойного восстановления структуры объекта
Возможность представления объекта в виде набора его поперечных сечений является весьма важной для оценки производительности томографического метода.