Малоракурсная томография в науке и технике

Обратные некорректные задачи в физическом эксперименте

Представлены разработки профессора, д.т.н., Филонина О.В. в области малоракурсной томографии для научно-технических приложений

Томографические системы для исследования структуры материалов и контроля качества изделий

Структурные и кинематические схемы малоракурсных томографических систем для исследования структуры ТТ

Кинематическая схема электромеханического оптико - электронного сканера для считывания  данных с рентгеновских снимков большого формата

Особенностью конструкции данного сканера является то обстоятельство, что исследуемая рентгеновская пленка закрепляется на двух торцевых фланцевых электродвигателях, вращающихся синхронно. Источники света и фоторегистраторы располагаются с противоположных сторон снимка, при достаточно высокой точности изготовления механических элементов становиться возможным фокусировать считывающий луч на определенном слое пленки, что значительно повышает информационную отдачу, и в дальнейшем упрощает переход к квазицветам.

Кинематическая схема электромеханического оптико – электронного сканера для считывания 9 рентгеновских пленок - двумерных проекций исследуемого объекта

В данной схеме лазерный источник освещения и фотодетекторы неподвижно закреплены на плите – основании, перемещаются только полупрозрачные и прозрачные зеркала, это дает возможность увеличить скорости сканирования и уменьшить погрешности преобразования плотности почернения в амплитуду сигнала.

Один из вариантов схемы сопряжения электромеханического сканера с персональным компьютеров показана на рисунке ниже:

Разработанные системы сбора исходных данных, представленные на этой странице сопрягаются со стандартными РС через универсальные платы сопряжения, структурная схема, одной из таких плат приведена на рисунке справа. Мы посчитали целесообразным. Для разгрузки центральных процессоров РС, снабжать такие системы буферными устройствами, для промежуточного хранения данных.

Внешний вид систем томографической диагностики для исследования структуры материалов, обнаружения дефектов, интроскопии неразъемных изделий

Оптико-механический сканер для считывания информации с  большеформатных рентгеновских снимков

Данная система предназначена для считывания информации с рентгеновских формата 300 х400 мм2 при разрешении до 0,01 мм, система представляет собой электромеханический сканер барабанного типа, источником светового излучения в котором могут служить низковольтные лампы накаливания, линейные газоразрядные лампы высокого давления, лазерные излучатели. Информация считывается либо малогабаритными ФЭУ, либо фотодиодными матрицами.

Разработан вариант считывания с различных слоев рентгеновских снимков, используемых при промышленной дефектоскопии. Управление параметрами считывания: скорость сканирования, разрешение, величина динамического диапазона входного сигнала осуществляется с персонального компьютера, через плату сопряжения. Сканеры подобного типа предназначены для  считывания данных с рентгеновских пленок используемых в неразрушающем контроле, медицине, в научных исследованиях.

Оптико-механический сканер для одновременного считывания информации с 9  рентгеновских снимков

сканер позволяет считывать рентгеновские снимки (проекции) размеров (150 х 100) мм2 при разрешении 100 линий на мм, угловая скорость барабана 1 об/с. Его АЦП позволяет формировать 16, 32, 64 разрядные изображения (по амплитуде). Информация считывается тремя параллельными сфокусированными лазерными лучами (см. кинематическую схему), информация регистрируется фотоэлектрическими множителями, имеющими большой динамический диапазон, блок усилителей видеосигналов содержит шумоподавляющие системы.

В канале обработки видеосигналов проекций содержатся также блоки предварительной обработки информации и фильтрации. Электромеханика сканера управляется отдельным микропроцессором, что позволило получить достаточно высокие эксплуатационные характеристики. Для выбора требуемого сечения в сканер включен дополнительный монитор с малым разрешением позволяющий отслеживать качество фильтрации, сигналов, наблюдать томограммы в данном сечении невысокого разрежения, что дает возможность сформировать оптимальный алгоритм реконструкции требуемого сечения

Радиометрический сцинтилляционный сканер малоракурсного  томографа для исследования крупногабаритных изделий

Основные технические характеристики: зона сканирования (800 х 900) мм2, диаметр коллиматора центрального детектора 6 мм, скорость перемещения по вертикали 0, 05 м/с, скорость перемещения по горизонтали (средняя) 0,01 м/с, максимальная энергия тормозного излучения регистрируемая блоком детекторов до 8 МэВ, максимальная толщина просвечивания материала с эквивалентом плотности 2,3 г/см3 до 0, 8 м, количество двумерных проекций может быть выбрано от 6 до 24, параметрами сканирования можно управлять через персональный компьютер, с которым сканер связан отдельной платой сопряжения, сигналы с детекторов поступают на РС через другую плату сопряжения

Данный двумерный сканер предусматривает возможность использования манипулятора для получения исходных двумерных проекционных данных в сферотангенциальной или цилиндротангенциальной геометрии.

В веерном пучке излучения при контроле крупногабаритных изделий необходимо автоматически ориентировать сцинтилляционные детекторы таким образом, что бы ось коллиматора была коллиниарна пучку фотонов, для этой цели в рассматриваемой системе предусмотрены четыре детектора ориентации см. рисунок.

Пример послойной 3D-реконструкции  стального эталона в ж/б фантоме показан на рисунке.

3D-реконструкция пространственного поля излучения интенсивности малогабаритного бетатрона (энергия 6 МэВ).

Кинематическая схема радиометрического  сцинтилляционного сканера для исследования крупногабаритных изделий

Достаточно простая  схема сканера для 3D- томографической диагностики крупногабаритных изделий. Зона сканирования для одной проекции составляет порядка квадратного метра, источником просвечивающего излучения могут служить малогабаритные ускорители – бетатроны, микротроны, линейные ускорители… Для реализации томографической геометрии сканирования служит гидравлический манипулятор (на схеме не показан).

Так как при рассматриваемых объемах  сканирования приходится использовать веерную методику, то для ориентации коллиматора центрального детектора предложено использовать 4 дополнительных детектора ориентации.

Примеры малоракурсных томограмм образцов композиционных материалов, полученных с помощью сканера для считывания данных с 9 изображений проекций, показаны на рисунках ниже.

На верхнем рисунке заметно влияние радиальных артефактов, что обусловлено недостаточной интерполяцией количества проекций.

К недостаткам изображения (см нижний рисунок) следует отнести неэффективную интерполяцию промежуточных отсчетов в каждой исходной проекции.

Малоракурсный радиографический томограф для задач промышленной диагностики

В промышленной диагностике широкое применение находит радиография, и надо сказать, что не смотря на развитие альтернативных методов и средств диагностики, радиография будет еще долго удерживать лидирующие позиции в силу ее простоты, доступности, высокой достоверности получаемой информации. Узким местом здесь является ввод информации зафиксированной на рентгеновской пленке в персональный компьютер. Для решения данной задачи  разработан малоракурсный рентгенографический томограф для использования его при контроле таких протяженных объектов как сварные швы, ответственные неразъемные соединения и т. д.  В указанных областях применения, томографы такого типа, отличаются лишь  параметрами оптико-электронных систем. 

Данный томограф может работать совершенно автономно, имеет свои подсистемы предварительной реконструкции, мониторы и т. .д. Однако более качественную информацию можно получить при обработке исходных данных на многопроцессорных РС. Размер сканируемой пленки составляет 300 х 400 мм2 , что позволяет при анализе например переломов конечностей на одну и ту же пленку зафиксировать 2, 3 проекции. Внешний вид томографа представлен на рисунке. Аналогичный радиографический томограф был разработан и изготовлен для контроля качества сварных соединений особо ответственных изделий.