Рентгеновское телевидение в промышленном неразрушающем контроле

А.А.Майоров,

доктор технических наук

Современное промышленное производство предъявляет жесточайшие требования к контролю качества, который зачастую  должен производиться в автоматизированном режиме в условиях крупносерийного или массового производства. Рентгеновский неразрушающий контроль является одним из важнейших и наиболее информативных методов, используемых для решения этой задачи в таких отраслях промышленности, как автомобильная, авиационно-космическая, атомная, химическая, металлургическая и других. Важнейшим преимуществом рентгенотелевизионного метода контроля по сравнению с пленочной радиографией является его оперативность. В то же время современные технические средства, применяемые при реализации метода, позволяют получать результаты контроля не хуже, а зачастую лучше, чем при использовании пленки. Принцип метода ясен из следующей функциональной схемы (Рис.1).

Рис. 1

Рентгеновское излучение, генерируемое источником, проходит сквозь объект контроля, при этом вследствие поглощения излучения объектом пространственное распределение интенсивности прошедшего излучения несет информацию о распределении плотности вещества внутри объекта, т. е. является рентгеновским изображением его внутренней структуры. С целью получения всей возможной информации о структуре объекта рентегнотелевизионный комплекс оснащается манипулятором объекта с несколькими степенями свободы механического перемещения объекта. После объекта рентгеновское излучение попадает на входной экран приемника рентгеновского излучения. После преобразования рентгеновского изображения в видимое (телевизионный монитор, компьютерный монитор) это изображение может архивироваться, обрабатываться и анализироваться для принятия решения о годности контролируемой детали. Перед входным экраном приемника может устанавливаться диафрагма с регулируемыми программно или вручную с пульта размерами окна, чаще называемая шторками. Шторки необходимы для исключения прямой засветки приемника (это особенно актуально, если в  качестве приемника используется рентгеновский электроннооптический преобразователь (РЭОП) во избежание  его  выхода  из  строя),  а  также для  механического  форматирования  и  выбора участка для просвечивания. Кроме того, применение шторок способствует улучшению рентгеновского изображения вследствие защиты приемника от нежелательного рассеянного рентгеновского излучения. Автоматизированная заслонка перекрывает рентгеновский пучок во время подготовительных работ (установка объекта контроля в нужное положение, предварительная установка окна шторок и др.). Для защиты персонала от вредного воздействия рентгеновского излучения основные элементы рентгенотелевизионного комплекса помещаются в кабину или помещение с радиационной защитой.

Рассмотрим более подробно основные элементы рентгенотелевизинного комплекса.

Источники рентгеновского излучения

Выбор источника рентгеновского излучения для использования в рентгеновском телевидении (радиоскопии) имеет свою специфику по сравнению с  пленочной радиографией. В основном это связано с требованием минимизации размеров фокусного пятна.

Специфика рентгеновских источников для радиоскопии:

Фокусное пятно

На рис. 2 представлены типичные варианты геометрии просвечивания в радиографии и радиоскопии.

Рис. 2

В радиографии чаще всего реализуется проекционный вариант, когда приемник (рентгеновская пленка) находится в контакте с объектом, а увеличение изображения при этом равно 1. Поэтому, даже используя рентгеновский источник с большим фокусным пятном, удается получать изображения на пленке с большим пространственным разрешением (малым размытием деталей, как на рис. 2 слева). В радиоскопии практически не удается реализовать вариант с увеличением, равным 1, из-за необходимости установки дополнительных элементов между объектом и приемником (шторок), а также необходимости позиционирования объекта (линейных перемещений, вращения и наклона) для реализации возможностей метода, что требует определенного расстояния от объекта до приемника. Поэтому при использовании в радиоскопии рентгеновских источников с большим фокусным пятном (рис. 2 в центре) пространственное разрешение становится низким, что неприемлемо для целей неразрушающего контроля. Применение рентгеновских источников с малым фокусным пятном (минифокусные и микрофокусные рентгеновские трубки, рис. 2 справа) снимает это ограничение. Разговор о микрофокусных трубках выходит

за рамки настоящей статьи. Что касается минифокусных трубок, то ведущими мировыми производителями выпускаются трубки с размерами фокусного пятна 0,2 и 0,4мм по международному стандарту IEC 336 (или соответственно 0,5 и 1,0мм по европейскому стандарту EN 12543), которые считаются наиболее подходящими для целей рентгеновского телевидения.

Другие особенности

Приемники рентгеновского излучения

На  рис.  3  представлена  схема,  иллюстрирующая  основные  типы  применяемых приемников рентгеновского излучения, служащих для получения изображения.

Рис. 3

Основные типы приемников рентгеновского излучения, используемых в неразрушающем контроле:

Рентгеновская пленка

Рентгеновская пленка до сих пор является наиболее широко используемым в промышленности приемником рентгеновского излучения в силу хорошо отработанной законодательной базы применения во всех отраслях промышленности,

существующей инфраструктуры применения (фотолаборатории, оборудование, обученный персонал и т.п.). Однако объемы применения пленки с каждым годом уменьшаются в связи с развитием новых методов регистрации рентгеновских изображений, о которых речь пойдет дальше.

Запоминающие пластины

В последние годы интенсивно развивается новый метод регистрации рентгеновских изображений на основе использования специальных «фосфорных» запоминающих пластин многоразового использования. Метод обладает существенными преимуществами перед пленочной технологией, поскольку а) не требует фотолабораторий, химикатов, соответствующего персонала и т.п. б) каждая пластина может использоваться несколько тысяч раз в) время экспозиции по сравнению с пленкой в несколько раз меньше г) изображение архивируется в цифровом виде. Более подробное описание метода и его особенностей можно найти в статье [1].

Детекторы непрямого преобразования рентгеновского излучения

В детекторах прямого преобразования при воздействии рентгеновского кванта в толще полупроводника сразу генерируются электронно-дырочные пары. При приложении напряжения возникающий электронный ток может быть усилен, и с помощью считывающей электроники преобразован в изображение. Детекторы непрямого преобразования отличаются тем, что рентгеновские кванты сначала взаимодействуют со сцинтиллятором, с образованием фотонов света, а затем свет преобразуется или сразу в электрический сигнал, как в твердотельных плоскопанельных детекторах, или в поток электронов в рентгеновском электроннооптическом преобразователе (РЭОПе), который создает видимое изображение на выходном люминофорном экране. Учитывая, что в настоящее время в силу совокупности характеристик, определяющих соотношение «цена-качество» в радиоскопии наиболее широко используется в качестве детектора именно РЭОП, в дальнейшем мы более подробно рассмотрим принципы его работы, устройство и характеристики. Что касается твердотельных плоскопанельных детекторов, то схематически принцип работы панелей прямого и непрямого преобразования ясен из рис.4

Рис. 4

Механической  основой  любого  плоскопанельного  детектора  является  стеклянная подложка, на которую устанавливается считывающая электроника.

TFT-технология

TFT (thin film transistors) -технология используется в основном в панелях на базе аморфных кремния или селена. Матрица TFT-транзисторов представляет собой достаточно простую структуру электронных переключателей. В накопительном конденсаторе каждой ячейки в процессе экспозиции собираются электрические заряды, которые далее транспортируются к зарядо-чувствительным усилителям и аналого-цифровым преобразователям на выходе матрицы. Панели детекторов непрямого преобразования являются типичными сборками фотодиодов на активной TFT-матрице. Для детекторов с прямым преобразованием, детекторный слой располагается прямо на эту матрицу. Панели могут быть очень больших размеров (30х40см). Они имеют не очень высокое разрешение (типичное значение величины пикселя 127 мкм). Отличительной особенностью аморфного кремния является очень высокая радиационная устойчивость, что позволяет применять такие панели при высоких энергиях рентгеновских квантов. Вследствие не очень высоких физических параметров аморфных материалов как полупроводников, это соответствующим образом сказывается на таких характеристиках панелей, как отношение сигнал/шум и контрастное отношение. Поскольку процесс производства панелей на базе аморфного материала и TFT-технологии требует специфического оборудования и условий производства, такие панели достаточно дороги.

CCD-технология

ССD (coupled charge device)-технология является одной из ведущих для получения высококачественных рентгеновских изображений. В отличие от матричных панелей типа TFT или CMOS, в ССD панелях считывание сигнала происходит путем транспортировки зарядовых пакетов вдоль кремниевой подложки. Преимуществом таких панелей является низкий шум, высокая чувствительность. Обычно в ССD панелях используют оптоволоконные буферные вставки, позволяющие увеличить площадь приемного окна панели и служащие одновременно защитой от радиации. Но даже с таким дополнительным экранированием ССD панели могут работать только при энергиях рентгеновских квантов <50 кэВ. Как и в случае с аморфным кремнием, их производство требует специальных условий, поэтому они достаточно дороги.

CMOS-технология

CMOS (complementary metal oxide semiconductor) – эта технология, как и TFT с аморфным кремнием, является матричной сборкой. Основным преимуществом этой технологии перед остальными является использование хорошо развитой промышленной базы производства интегральных схем. Уровень шумов CMOS- панелей приблизился к уровню ССD-панелей, динамический диапазон в несколько раз выше. На CMOS- панелях получено самое высокое пространственное разрешение (размер пикселя несколько мкм). Стоимость таких панелей хотя еще достаточно высока, тем не менее динамично снижается и скоро, на наш взгляд, станет меньше таковой для РЭОПа со сравнимыми характеристиками.

Система рентгеновского телевидения на основе РЭОПа

Рентгеновские электроннооптические преобразователи используются для получения рентгеновских изображений уже более 50 лет. В настоящее время РЭОПы вследствие достаточно высоких эксплуатационных характеристик и приемлемой цены используются в большинстве рентгенотелевизионных систем, выпускаемых для промышленных целей.

Функциональная схема типовой рентгенотелевизионной системы, построенной с использованием РЭОПа, приведена на рис. 5.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА РЕНТГЕНТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

Рис. 5

РЭОП преобразует рентгеновское изображение на своем входе в изображение в видимом свете на выходном окне. Конденсор формирует параллельный пучок света, который после поворота на 90º на поворотном зеркале попадает на объектив, сфокусированный на бесконечность, который в свою очередь формирует изображение в своей фокальной плоскости. Поворот светового пучка на 90º вызван необходимостью вывода телевизионной камеры из зоны прямого воздействия рентгеновского излучения, которое приводит к выходу ее из строя (как уже говорилось ранее, ПЗС-матрицы радиационно неустойчивы). ПЗС- матрица телевизионной камеры преобразует свет в электрические сигналы, и с выхода камеры стандартный телевизионный сигнал поступает в компьютерную систему для улучшения, обработки и архивирования изображения, на компьютерном мониторе которой можно наблюдать как прямое, так и обработанное изображение тестируемого объекта. Типовая рентгенотелевизионная система жестко настроена таким образом, чтобы рентгеновское изображение максимального размера, определяемого диаметром входного окна РЭОПа, трансформировалось на весь экран телевизионного монитора. Важнейшим параметром рентгентелевизионной системы является пространственное разрешение выходного изображения.