4 курс / Лучевая диагностика / Введение_в_комп_рентг_и_нейтронную_томографию

40	Глава 3

В геологии рентгеновская томография позволяет исследовать образцы горных пород различных размеров. Она обеспечивает визуализацию породы в виде 3D изображения, позволяет выделить в породе трещины, поры, каверны, включения, а также неоднородности, различные слои породы, определить их плотности.

Рис. 38. Распределение многофазной жидкости в порах размером несколько миллиметров. Белый цвет - нефтяные капли, темный цвет – минерализованная вода (длина отрезка вверху справа – 1 мм)

В нефтегазовой геологии рентгеновская томография позволяет исследовать горные породы на различных уровнях разрешения и получать большой объем данных по фильтрационно-емкостным свойствам пород. В настоящее время она используется для изучения:

-структурно-текстурных особенностей строения горных пород, руд, минералов, твердых горючих ископаемых;

-строения пустотного пространства нефтегазоносных пород;

-фильтрационно-емкостных свойств пород;

-анализа распределения жидких фаз, взаимодействия жидкости с горной породой и структуры смачивающей и не смачивающей фазы в пористых материалах (рис. 38) [54];

-методов увеличения нефтеотдачи (ПАВ, полимеры, кислотная обработка, ГРП, внутрипластовое горение и т.д.).

Примером использования нейтронной томографии в биологии является визуализация пространственного распределения и ориентации корневой системы растений в динамике (рис. 39) [55], изучение воздействия внешних условий на рост и развитие корней.

Области применения рентгеновской и нейтронной томографии	41

Наличие у нейтронов магнитного момента дает возможность визуализировать с помощью томографии в поляризованных нейтронах пространственную структуру магнитных полей [56].

Рис. 39. Томограммы корневой системы люпина в зависимости

от времени после инъекции 4 мл тяжелой воды снизу. Зеленым цветом

обозначено пространственное распределение обычной воды

42	Глава 3

Контрольные вопросы к главе 3

1.Основные области применения радиационной томографии.

2.Научно-технические задачи, решаемые нейтронной и рентгеновской томографией.

3.Задачи контроля, решаемые радиационной томографией в атомной промышленности.

4.Применение радиационной томографии в аэрокосмической промышленности.

5.Изделия, контролируемые с помощью радиационной томографии в автомобильной промышленности.

6.Виды дефектов, выявляемых при производстве печатных плат.

7.Задачи контроля пластмассовых изделий.

8.Основные направления научных исследований с использованием томографических методов.

9.Задачи, решаемые с помощью рентгеновской томографии в нефтегазовой геологии.

10.Свойства нейтрона и особенности применения нейтронной томографии.

11.Характеристики геологических кернов, выявляемые с помощью рентгеновской томографии.

Томографическое оборудование	43

Глава 4. Томографическое оборудование

Современные томографы [57, 58] обычно обеспечивают несколько режимов работы: цифровую радиографию, томографию выбранного слоя, томографию выбранной области или всего исследуемого объекта, томографию с фильтрацией.

В состав компьютерного томографа входят:

-источник излучения;

-регистратор излучения;

-подвижный стол (стол образца);

-сменные коллиматоры, фильтры, стандартные образцы;

-вычислительный комплекс;

-специальное программное обеспечение.

Ниже приводится описание технических характеристик некоторых современных томографических установок.

4.1. Установки с портативными источниками быстрых нейтронов

Относительно невысокий нейтронный выход портативных нейтронных источников и низкая эффективность использования быстрых нейтронов являются причиной того, что такого рода установки используются пока только в лабораториях.

Одним из примеров является установка с изотопным 252Cf источником (рис. 40). На установке продемонстрирована возможность исследования структуры образца бетона размером 100×100×100 мм3 при выходе источника 107 нейтрон/с и времени набора томографических данных в течение 2 часов [59].

44	Глава 4

Рис. 40. Томографическая установка на базе изотопного источника

быстрых нейтронов

В качестве примера установок на базе портативного нейтронного генератора можно привести установку с D-T генератором, использующую метод «меченых» нейтронов и созданную в национальной лаборатории Oak Ridge (рис. 41) Министерства энергетики США [60], а также установку ФГУП «ВНИИА» с двухкоординатным ПЗС-детектором (рис. 42) [61].

Рис. 41. Установка для томографии в быстрых нейтронах лаборатории Oak Ridge

Известны планы использовать томографию на базе портативного нейтронного генератора для контроля содержания пара в водо-паровой смеси, образующейся в теплообменниках ядерных реакторов [62].

Томографическое оборудование	45

Рис. 42. Установка для томографии в быстрых нейтронах ФГУП «ВНИИА»

На рис. 43 приведен общий вид установки, реализующей метод «меченых» нейтронов и разработанной во ФГУП «ВНИИА» на базе генератора ИНГ-27 для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ [34].

Рис. 43. Общий вид установки для реализации метода

«меченых» нейтронов:

1 – ИНГ-27, 2 – сцинтилляционные гамма-детекторы,

3 – электроника, 4 – транспортное устройство

46	Глава 4

4.2. Томограф для дефектации ТВЭЛов [63]

Конструкторско-технологическим институтом научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук была создана томографическая установка для контроля сварных соединений тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) атомных станций.

Таблица 2

Спецификация томографа для дефектации ТВЭЛов

	Энергия излучения рентгеновского источника	100–150 кэВ
	Диаметр объекта контроля (из циркония)	9,1 мм
	Время сканирования объекта контроля	50 с
	Время реконструкции одного сечения	8–12 с
	Время реконструкции одной панорамы	2,5–5 с
	Чувствительность к локальным дефектам в виде	100/130 мкм
	пор в ручном /автоматическом режиме

Энергия рентгеновского источника составляет 100–150 кэВ (табл. 2), пространственное разрешение достигает 100 мкм.

4.3. Промышленный томограф ВТ-600ХА производства МАИ [64]

Предназначен для количественного рентгеновского неразрушающего контроля и дефектоскопии внутренней пространственной структуры широкого класса промышленных изделий аэрокосмического назначения (металлических, композитных и комбинированных) (рис. 44).

В его задачи входит получение количественных оценок свойств материала с точной пространственной привязкой каждого элемента томограммы.

Томограф ВТ-600XА характеризуется (табл. 3):

- широким диапазоном длин, диаметров и весов контролируемых изделий;

Томографическое оборудование	47

-сочетанием рентгеновского источника с ускорителем, предназначенным для просвечивания более 150 мм стали;

-возможностью сканирования и реконструкции локальных зон внутри контролируемого сечения;

-высокой чувствительностью к локальным дефектам и малым раз- но-плотностям в объеме изделий со сложной внутренней структурой;

-высоким пространственным разрешением и точностью измерения размеров внутренних структурных элементов при формате томограмм до 2048×2048;

-наличием режима многослойного сканирования и 3Dреконструкции;

-наличием режима цифровой рентгенографии;

-оригинальным программным обеспечением;

-специализированным метрологическим обеспечением.

	Спецификация томографа ВТ-600ХА	Таблица 3
	Максимальный диаметр объекта контроля, мм	600
	Максимальный вес объекта контроля, кг	300
	Диаметр рабочего поля томограммы, мм	600–20
	Эффективная толщина контролируемого слоя, мм	2–0,5
	Геометрическая чувствительность контроля, мм	0,05
	Чувствительность к трещинам, мм	0,05
		450 кВ
	Максимальное напряжение рентгеновской трубки	Fe – 150 мм;
		Al – 200 мм;
		Mg – 300 мм
		5 МэВ
	Максимальная энергия ускоренных электронов	Fe – 150 мм;
		Al – 460 мм;
		Mg – 700 мм
	Минимальное время сканирования и реконструкции	3
	томограммы на поле 600 мм, мин
	Диапазон перемещения положения контролируемого	1000
	сечения по высоте, мм
	Среднеквадратичная погрешность измерения отклонения	0,5
	плотности, %
	Число элементов в томограммах	от 1024×1024
		до 2048×2048

48	Глава 4

Рис. 44. Промышленный томограф ВТ-600ХА

4.4. Томограф высокого разрешения TOLMI-150-10 [65, 66]

Томограф TOLMI-150-10, разработанный в Томском политехническом университете (рис. 45, табл. 4), реализует схему сканирования в коническом пучке рентгеновского излучения с регистрацией его плоско-панельным детектором.

Рис. 45. Томограф TOLMI-150-10

Томографическое оборудование	49

		Таблица 4
	Спецификация томографа TOLMI-150-10
	Напряжение на рентгеновском источнике, кВ	40–150
	Размер фокуса, мкм	<10
	Тип детектора	FlatPanel 1024×000,
		16 bit
	Размер чувствительной площади детектора, см	10×10
	Максимальная просвечиваемая толщина, мм:
	- сталь	10
	- алюминий	40
	- пластик	100
	Толщина реконструируемого сечения, мкм	10
	Шаг в сечении, мкм	10 и более
	Точность позиционирования, мкм	0,1
	Максимальный размер объекта, мм	100
	Габариты, мм	800×300×400
	Вес, кг	150

Рис. 46. Томографическое изображение наноспутника