МЕТОД И СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО РАДИАЦИОННОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2016 года по МПК G01N23/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к методу и системе комбинированного радиационного неразрушающего контроля и, в частности, к методу и системе комбинированного радиационного неразрушающего контроля с использованием источника проникающих излучений рентгеновских и гамма-лучей, а также линейных и планарных матричных детекторов, чей метод и система позволяют выполнять высокоточную лучевую дефектоскопию методом ЦР (цифровой рентгенографии)/КТ (компьютерной томографии) заготовки при различных комбинациях детектора и источника радиационного излучения. Настоящее изобретение относится к области техники радиационного неразрушающего контроля и может применяться для использования сложных методов неразрушающего контроля в области национальной обороны, аэрокосмонавтики, промышленности, научных исследований и им подобных.

Предшествующий уровень техники

Методы ЦР (цифровой рентгенографии) и КТ (компьютерной томографии) представляют собой широко распространенные технологии радиационного неразрушающего контроля в медицинской и промышленной области техники. Существующие системы радиационного неразрушающего контроля, как правило, имеют одну функцию и используются в основном для тестирования определенного типа заготовок или дефектов. Большинство их показателей эффективности, таких как контрастная чувствительность, пространственное разрешение, проникающая способность, долгосрочная стабильность и им подобные, отличаются индивидуальной значимостью и с трудом могут быть сбалансированы между собой.

В зависимости от разницы в использовании источников излучения системы радиационного неразрушающего контроля подразделяются на высокоэнергетические системы и средне- и низкоэнергетические системы. В высокоэнергетических системах в качестве источника излучения обычно используется ускоритель рентгеновского излучения, а в средне- и низкоэнергетических системах в качестве источника излучения, как правило, используется рентгеновский аппарат или радиоактивный изотоп. Помимо различных источников излучения индикаторы обнаружения, такие как применимый диапазон толщины тестируемой заготовки и разрешающая способность при обнаружении дефектов, также отличаются из-за своих отличий в энергии излучения, его интенсивности, размере фокусного пятна и стабильности выходных характеристик. С другой стороны, также существуют различные детекторы излучения для визуализации изображения, которые отличаются по эффективности обнаружения, чувствительности обнаружения, размерам пикселя, скорости визуализации, радиационной стойкости, адаптивности к окружающей среде и т.д. Кроме того, характеристика обнаружения напрямую зависит от энергии падающего луча. Это означает, что характеристики ответных сигналов детекторов одного и того же типа также значительно отличаются, поскольку рентгеновские и гамма-лучи обладают различными диапазонами энергии, а характеристики ответных сигналов, которые не подходят для лучей с одним диапазоном энергии, могут идеально сочетаться с лучами, имеющими другой диапазон энергии. Тем не менее, системы радиационного неразрушающего контроля, раскрытые в предшествующих уровнях техники, имеют одну общую для всех характеристику - обычно используется только один источник излучения и один детектор, а именно независимо используется только один из рентгеновских аппаратов, ускорителей рентгеновского излучения и источников гамма-излучения, и соответственно может использоваться только один из планарных и линейных матричных детекторов. Таким образом, возможность работы в широком диапазоне энергий с одновременной высокой стабильностью весьма затруднительна. Также очень сложно в полной мере использовать преимущества детекторов различных типов. Разрешающая способность обнаружения дефектов ограничена, поэтому обнаружение дефекта при широком диапазоне энергии труднодостижимо. Ограничения и недостатки подробно описаны ниже.

1. Диапазон энергии излучения узкий, а объекты, подходящие для тестирования, ограничены.

В целом, чем выше энергия излучения, тем выше проникающая способность. Тем не менее, более высокая энергия излучения необязательно приводит к повышению точности обнаружения. Относительно низкая энергия излучения повлечет за собой недостаточный уровень проникающей способности; если энергия излучения слишком высокая, то уровень проникающей способности также повысится, слишком незначительное поглощение излучения приведет к снижению контрастной чувствительности системы формирования изображений, а следовательно, повлияет на качество самих изображений. Для тестирования заготовок с различными размерами и для тестирования дефектов заготовок с различными размерами необходимо использовать излучение с разным уровнем энергии, либо для измерения излучения с определенным уровнем энергии существует оптимальный диапазон толщины. Например, оптимальная толщина тестирования для рентгеновского аппарата на 450 кВ составляет около 2,3 см эквивалентной толщины железа; оптимальная толщина тестирования для источника гамма-излучения Co-60 составляет около 4,7 см эквивалентной толщины железа; а оптимальная толщина тестирования для ускорителя рентгеновского излучения на 15 МэВ составляет около 8 см эквивалентной толщины железа и т.д. Система контроля с использованием различных источников излучения может приобрести высочайшую точность тестирования при оптимальной толщине тестирования и показать самые лучшие результаты тестирования. Потенциал тестирования снижается, если система контроля отклоняется от этого диапазона. Тем не менее, системы контроля, использующие один источник излучения, ограничены диапазоном энергии излучения и обладают узким диапазоном для походящих для тестирования объектов и ограниченной разрешающей способностью обнаружения дефектов, что также является важной причиной того, что промышленные системы КТ, как правило, нуждаются в настройке в соответствии с тестируемым объектом.

2. Способность обнаружения не подлежит дальнейшему улучшению путем всестороннего использования преимуществ различных типов источников излучения.

Любой тип источников излучения обладает собственными преимуществами и недостатками в случае его использования для визуализации результатов радиационной диагностики, в частности: (а) источник излучения рентгеновского аппарата имеет маленький размер фокусного пятна и высокую интенсивность излучения, а также позволяет достаточно высокое пространственное разрешение, но излучение обладает низким уровнем энергии и непрерывным энергетическим спектром, в результате чего снижается эффективность проникающей способности и возникает ужесточение спектра пучка. Для заготовок с маленькой толщиной массы достигается хороший результат тестирования, в то время как для заготовок с относительно высокой толщиной массы и характеризующимися жесткими требованиями к устойчивости будет очень сложно соответствовать тем требованиям, в соответствии с которыми размеры дефектов подлежат высокоточному количественному контролю; (б) рентгеновский луч, вырабатываемый ускорителем рентгеновского излучения, обладает высоким уровнем энергии и высокой интенсивностью и может проникать через толстые заготовки, но он также имеет слишком большое фокусное пятно, четкие пространственные распределения интенсивности излучения и энергии, сильные прямые пучки, незначительную стабильность выходных характеристик рентгеновского излучения. Также существует проблема ужесточения спектра пучка, поскольку его энергетический спектр непрерывен. Хотя заготовки с большой толщиной массы могут быть протестированы, но пространственное разрешение, чувствительность тестирования, стабильность измерения и другие подобные факторы остаются ограниченными. Кроме того, вследствие незначительного по размерам углового поля пучка рентгеновских лучей, выпускаемых ускорителем, система контроля будет занимать значительную площадь в случае необходимости тестирования заготовок большого размера. Механическая конструкция также очень сложная, а требования к радиационной защите - высокие; (в) в отношении источника гамма-излучения, например, Co-60, интенсивность излучения постепенно снижается, но может быть определена и измерена в любое время ввиду фиксированного периода полураспада. Пространственное распределение его интенсивности изотропно, а генерируемые гамма-лучи являются гамма-лучами 1,17 МэВ и 1,33 МэВ с одним источником энергии. По существу, проблемы ужесточения спектра излучения не существует, а источник гамма-излучения обладает сильной проникающей способностью, сравнимой с проникающей способностью ускорителя на 4 МэВ, и особенно подходит для тестирования незначительных изменений в толщине массы заготовки в течение длительного периода времени. Тем не менее, по-прежнему присутствуют недостатки такого излучения - большие размеры целевого источника и низкая интенсивность излучения. Любой из вышеперечисленных типов источника излучения имеет ограничения, если он используется независимо от других источников. Если же эти типы источников излучения используются в комбинации, в частности источник гамма-излучения, например, Co-60, используется в комбинации с рентгеновским аппаратом, их соответствующие недостатки могут быть компенсированы друг другом. Таким образом, комбинированная система контроля может достичь максимальной эффективности.

3. Преимущества различных детекторов не могут быть полностью использованы, а эффективность тестирования не может быть в значительной степени улучшена.

Различные типы детекторов обладают различными характеристиками, у каждого есть преимущества и ограничения, в частности: (а) планарный матричный детектор: пространственное разрешение высокое и может быть поднято до уровня мкм; скорость визуализации высокая, но толщина чувствительного тела составляет всего 0,2-0,5 мм; эффективность обнаружения низкая, трудно избавиться от вторичных наводок на изображение, а следовательно, планарный матричный детектор подходит для тестирования низкоэнергетического излучения; (б) твердотельный линейный матричный детектор: толщина чувствительного тела может быть повышена до уровня см; эффективность обнаружения высокая; чувствительность тестирования высокая, но пространственное разрешение сложно поднять до уровня мкм; требуется построчное сканирование; скорость визуализации медленная, а твердотельный линейный матричный детектор легко поддается воздействию радиации, температуры окружающей среды, влажности и другим факторам, а также обладает низкой долгосрочной стабильностью; (в) газовый линейный матричный детектор: производительность стабильная; адаптивность к окружающей среде высокая; может оказывать сопротивление излучению, но размеры детектора нельзя уменьшить, а пространственное разрешение значительно ограничено. Тем не менее, в связи с различным уровнем энергии излучения и различными дефектами, оптимальная эффективность тестирования может быть достигнута только путем использования различных типов детекторов. Один тип детектора не может одновременно соответствовать всем требованиям комплексного тестирования.

4. Процесс тестирования нуждается в высоком уровне чувствительности, а высокая проникающая способность и хорошая долгосрочная стабильность не могут быть достигнуты одновременно.

В некоторых особых областях техники тестируемые объекты отличаются относительно большой толщиной (эквивалентной нескольким сантиметрам железа) и нуждаются в высоких требованиях к точности тестирования, поскольку определению подлежат дефекты в виде мельчайших трещин (размером несколько микрон), отслаиваний, вспучиваний и т.д., а также незначительные изменения в 0,1% в толщине, возникающие в течение длительного периода времени (несколько месяцев или даже лет). В этом случае требования к показателям пространственного разрешения, чувствительности тестирования, долгосрочной стабильности и подобным факторам должны быть очень высокими, что является сложно достижимым при существующих системах контроля визуализации изображения радиационного излучения.

Описание изобретения

Техническая задача, подлежащая решению настоящим изобретением, заключается в преодолении недостатков использования одного источника излучения и одного детектора в рабочем режиме существующей системы контроля визуализации изображения радиационного излучения, а также в осуществлении комбинированного, многоуровневого и многорежимного тестирования заготовки в рамках одной интегрированной миниатюрой системы, и, кроме того, в соответствии требованиям высокого разрешения тестирования, высокой чувствительности обнаружения, высокой проникающей способности излучения, хорошей долгосрочной стабильности и т.д.

Для того чтобы решить вышеобозначенную техническую задачу, настоящее изобретение раскрывает комбинированный метод радиационного неразрушающего контроля и комбинированную систему радиационного неразрушающего контроля с использованием метода. В соответствии с методом и системой осуществляется многоуровневый и многорежимный ЦР/КТ радиационный неразрушающий контроль с высоким разрешением, высокой точностью и высокой стабильностью на основе комбинированной системы радиационного неразрушающего контроля, включающей в себя источник гамма-излучения, источник рентгеновского излучения, линейный матричный детектор и планарный матричный детектор, которая реализуется посредством различных комбинаций различных источников излучения и различных детекторов.

Комбинированный метод радиационного неразрушающего контроля, раскрытый настоящим изобретением, заключается в следующем. Заготовки подвергаются облучению рентгеновскими и гамма-лучами, вырабатываемыми источником излучения; лучи, проникающие через заготовки, улавливаются детектором и преобразуются в цифровые сигналы, а затем радиационные изображения заготовок получаются в процессе обработки сигналов, где комбинированный источник излучения, включающий в себя источник рентгеновского излучения и источник гамма-излучения, используется в качестве источника излучения, комбинированный детектор, включающий в себя твердотельный линейный матричный детектор, газовый линейный матричный детектор и планарный матричный детектор, используется в качестве детектора, а визуализация изображения ЦР сканирования или визуализация изображения среза КТ или визуализация изображения конусообразного луча КТ для заготовки осуществляется путем переключения между различными источниками излучения и тестирующими аппаратами, включающими в себя различные детекторы. Кроме того, комбинированный источник излучения, комбинированные детекторы и поворотный стол для заготовки устанавливаются на одном жестком основании.

Кроме того, передний коллиматор расположен на отверстии для выхода луча из комбинированного источника излучения, передний коллиматор используется для коллимации лучей в веерообразные или конусообразные пучки, а задний коллиматор расположен на отверстии для входа луча в комбинированный детектор; если включенный детектор является твердотельным линейным матричным детектором или газовым линейным матричным детектором, задний коллиматор используется для коллимации лучей в небольшие пучки лучей, высота и количество которых сопоставимы с детектором, а ширина коллиматорной щели заднего коллиматора меньше, чем ширина детектора; во время ЦР визуализации задний коллиматор может смещаться вдоль ширины обнаружения детектора; один набор проекционных данных получается для каждого смещения заднего коллиматора, а расстояние каждого смещения соответствует ширине коллиматорной щели.

Комбинированная система радиационного неразрушающего контроля, использующая выше описанный метод, состоит из:

жесткого основания, на котором крепятся опоры для источника излучения, поворотного стола для заготовки и детектора, которые последовательно расположены на опорах с промежуточными интервалами;

опоры источника излучения, оснащенного комбинированным источником излучения, который состоит из источника гамма-излучения и источника рентгеновского излучения, переключающего механизма для смещения различных источников излучения в комбинированном источнике излучения на рабочие позиции и механизма, позволяющего перемещать смещенные детекторы вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо, и вращать на месте;

опоры детектора, оснащенного комбинированным детектором, который состоит из твердотельного линейного матричного детектора, газового линейного матричного детектора и планарного матричного детектора, переключающего механизма для смещения различных детекторов в комбинированном детекторе на рабочие позиции и механизма, позволяющего перемещать смещенные детекторы вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо, и вращать на месте;

опоры источника излучения, оснащенного передним коллиматором, способным коллимировать лучи, испускаемые источниками излучения, в веерообразные или конусообразные пучки, а опора детектора оснащена задним коллиматором, используемым для проведения дальнейшей коллимационной обработки на лучах;

газового линейного матричного детектора и твердотельного линейного матричного детектора дугообразной конструкции. После того как газовый линейный матричный детектор и твердотельный линейный матричный детектор смещаются на рабочую позицию, окна падения лучей различных детекторов в комбинированном детекторе равномерно и плотно располагаются вдоль дуги окружности, приводя центр источника излучения в рабочее положение, благодаря центру круга, через который проходит центральная линия каждого блока детектора, каждый задний коллиматор, сопоставляемый с газовым линейным матричным детектором или твердотельным линейным матричным детектором, также имеет дугообразную форму, которая приводит центр источника излучения в рабочее положение, благодаря центру круга, коллиматорная щель заднего коллиматора способна коллимировать пучки веерообразных лучей в маленькие пучки лучей, которые находятся в поочередном соответствии с отдельными блоками комбинированного детектора, а ширина коллиматорной щели меньше, чем ширина блока детектора;

во время визуализации ЦР изображения задний коллиматор плотно прилегает к газовому линейному матричному детектору или твердотельному линейному матричному детектору и может смещаться в направлении расположения блоков детектора, а расстояние каждого смещения соответствует ширине коллиматорной щели.

Кроме того, ширина каждой коллиматорной щели составляет 1/2, или 1/3, или 1/4 ширины блока детектора.

Кроме того, источник гамма-излучения представляет собой радиоизотопный Co-60, или Cs-137, или Ir-192 источник гамма-излучения.

Кроме того, источник рентгеновского излучения представляет собой рентгеновский аппарат с маленьким фокусным пятном, микрофокусный рентгеновский аппарат и/или ускоритель рентгеновского излучения.

Кроме того, планарный матричный детектор представляет собой планарный матричный детектор на основе аморфного кремния, планарный матричный детектор на основе аморфного селена или планарный матричный КМОП-детектор.

Кроме того, газовый линейный матричный детектор представляет собой линейный матричный детектор с газонаполненной ионизационной камерой, или линейный матричный детектор с многопроволочной пропорциональной камерой, или линейный матричный детектор со счетчиком Гейгера.

Кроме того, твердотельный линейный матричный детектор представляет собой твердотельный сцинтилляционный линейный матричный детектор или полупроводниковый линейный матричный детектор.

Кроме того, сцинтиллятор твердотельного сцинтилляционного линейного матричного детектор является NaI, CsI, CdWO₄, LaBr₃, или LaCl₃.

Доказано на практике, что многоуровневые, многорежимные, с большим разрешением комбинированные методы и система радиационного неразрушающего контроля настоящего изобретения высокоэффективны при тестировании заготовок и имеющихся в них дефектах. Кроме того, может быть достигнуто достаточно высокое пространственное разрешение и разрешение плотности, а также тестирование незначительных изменений в толщине массы во внутренних исследуемых областях заготовки в течение длительного периода времени.

Система контроля настоящего изобретения обеспечивает широкий спектр энергии источника излучения, который может состоять из средне- и высокоэнергетических источников гамма-излучения (энергия излучения в диапазоне от нескольких сотен кэВ до нескольких тысяч кэВ), а также из средне- и низкоэнергетических источников рентгеновского излучения (энергия излучения в диапазоне от нескольких десятков кэВ до нескольких сотен кэВ). Метод и система настоящего изобретения могут всесторонне использовать преимущества множества диапазонов энергии и лучей различных атрибутов и подходят для обнаружения дефектов в заготовках с более широким диапазоном толщины массы. В связи с этим могут быть реализованы более сильные функции, и может быть достигнута более высокая производительность тестирования. Различные источники излучения комбинированы с планарным матричным детектором, газовым линейным матричным детектором или твердотельным линейным матричным детектором соответственно для формирования различных детекторных блоков источника излучения-детектора. Таким образом, может быть выполнено быстрое тестирование методом формирования стереоизображений с различными разрешениями посредством трехмерной конусно-лучевой компьютерной томографии, формирования изображений посредством двумерной цифровой рентгенографии. В ключевых областях также может быть выполнен высокоточный томографический неразрушающий контроль методом двухмерной КТ. Таким образом, преимущества различных визуализирующих детекторов могут быть полностью осуществимы; различные типы источников излучения и различные типы детекторов комбинируются в одну систему посредством инновационного дизайна конструкции, где одно устройство может обеспечить от нескольких единиц до десятков вариантов комбинирования источников излучения и детекторов, что эквивалентно нескольким различным типам систем контроля. Таким образом, достигается высокий уровень адаптации объекта, полное проявление характеристик различных типов источников излучения и различных типов детекторов, а также достигается более высокий уровень обнаружения дефектов. Система контроля настоящего изобретения отличается компактной конструкцией, небольшим размером, меньшей площадью напольной опоры, высоким уровнем адаптации к толщине, формам и размерам заготовок, обеспечивает высокую точность обнаружения дефектов, мощный функционал, высокий показатель эффективности затрат, и особенно подходит для применения в местах со значительными различиями в тестируемых объектах и строгих требованиях тестирования. Таким образом, достигается соответствие различным требованиям к высокой точности и сложности тестирования в таких секторах, как национальная оборона, аэрокосмонавтика, промышленность, научные исследования и им подобные.

Краткое писание чертежей

На фиг. 1 показана схема в перспективе комбинированной системы радиационного неразрушающего контроля настоящего изобретения.

На фиг. 2 показана конструкция детекторных блоков линейного матричного детектора и коллиматорные щели заднего коллиматора, и частично увеличенное направление смещения задних коллиматоров.

На фиг. 3 показан боковой вид в разрезе источника гамма-излучения.

Детальное описание вариантов осуществления изобретения

Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Как показано на фиг. 1, комбинированная система радиационного неразрушающего контроля настоящего изобретения включает в себя: основание 5 и металлические ножки 14, расположенные на нижней части основания; опору 10 источника излучения и опору 1 детектора, перпендикулярно зафиксированные на основании; рейку 12 источника излучения, которая может подниматься или передвигаться и закрепляться вдоль опоры 10 источника излучения; рейку 7 детектора, которая может подниматься или передвигаться и закрепляться вдоль опоры 1 детектора; источник 9 рентгеновского излучения и источник 13 гамма-излучения, прикрепленные к рейке 12 источника излучения; планарный матричный детектор 6, твердотельный линейный матричный детектор 2 и газовый линейный матричный детектор 4, зафиксированные на рейке 7 детектора; поворотный стол 15 для заготовки и расположенный на нем зажим 8 для заготовки; а также передний коллиматор 11 для источников излучения и задний коллиматор 3 для линейных матричных детекторов.

Поворотный стол 15 для заготовки может вращаться, подниматься или передвигаться по направлению, параллельному или перпендикулярному соединительной линии, между источником излучения и детектором. Источник излучения и детектор могут подниматься или передвигаться вместе с их соответствующими рейками и могут точно закрепляться в требуемой позиции. Выпускные отверстия лучей для источника 9 рентгеновского излучения и источника 13 гамма-излучения соответственно оснащены передним коллиматором 11, который изготовлен из свинцового сплава, вольфрамового сплава или обедненного урана, а также горизонтальной роговидной щелью и квадратными конусообразными отверстиями, которые сформированы внутри переднего коллиматора и могут переключаться посредством горизонтального смещения с тем, чтобы коллимировать лучи в веерообразные пучки или квадратные конусообразные пучки для проецирования на линейный матричный детектор или планарный матричный детектор соответственно. Со стороны впускного отверстия лучей твердотельного линейного матричного детектора 2 и газового линейного матричного детектора 4 соответствующим образом установлен задний коллиматор 3 для последующей коллимации веерообразных лучей, поступающих в линейные матричные детекторы, в множество мелких пучков лучей, соответствующих детекторным блокам. Коробчатые области за пределами активных зон (т.е. квадратные области, сформированные чувствительными материалами для обнаружения рентгеновских или гамма-лучей) планарного матричного детектора 6 покрыты плоским защитным слоем свинцового сплава или вольфрамового сплава (не показано на фиг. 1), предназначенным для защиты электронных компонентов планарного матричного детектора 6 от радиационных повреждений, вызванных лучами. Основание 5 изготовлено из литого чугуна, камня или стальной рамы, выполняет функцию жесткой опоры и амортизации, а также служит в качестве опорной плоскости для установки и настройки всей системы контроля. Металлические ножки 14 используются для установки основания 5 в горизонтальное положение, металлические ножки 14 в количестве 4, 6 или 8 штук, как правило, предоставляются и распределяются по четырем углам нижней поверхности основания 5 или по центру четырех сторон.

Система контроля настоящего изобретения включает в себя планарный матричный детектор и линейный матричный детектор, каждый из которых может комбинироваться с источником рентгеновского или гамма-излучения соответственно, таким образом, чтобы выполнять ЦР и КТ визуализацию. Рабочие режимы включают в себя:

(1) Визуализация цифровой рентгенографии посредством планарного матричного детектора: выбранный источник излучения и планарный матричный детектор поднимаются или передвигаются на заданную позицию с тем, чтобы центр источника излучения и центр планарного матричного детектора находились в одной и той же горизонтальной плоскости, а заготовка полностью помещалась в области изображения планарного матричного детектора; передний коллиматор смещается горизонтально относительно позиции конусообразного отверстия, затвор источника излучения открыт, а лучи коллимируются передним коллиматором 11 в конусообразные пучки, проникают в заготовки и впоследствии принимаются планарным матричным детектором 6, с целью получения двухмерных проекционных изображений методом ЦР.

(2) Визуализация компьютерной томографии посредством планарного матричного детектора: выбранный источник излучения и планарный матричный детектор поднимаются или передвигаются на заданную позицию с тем, чтобы центр источника излучения и центр планарного матричного детектора находились в одной и той же горизонтальной плоскости, а заготовка полностью помещалась в области изображения планарного матричного детектора; передний коллиматор смещается горизонтально относительно позиции конусообразного отверстия, затвор источника излучения открыт, поворотный стол для заготовки вращается на 360 градусов на заданной скорости вращения, для каждого шага вращения получается одна рамка проекционного изображения, после завершения процесса получения всех проекционных данных, посредством обработки данных и реконструкции изображения получаются трехмерные конусно-лучевые КТ изображения заготовки.

Визуализация цифровой рентгенографии посредством линейного матричного детектора может выполняться в двух режимах сканирования:

1) выбранный источник излучения и линейный матричный детектор поднимаются или передвигаются на заданную позицию с тем, чтобы центр источника излучения и центр линейного матричного детектора располагались в одной и той же горизонтальной плоскости (плоскости тестирования), при этом плоскость тестирования должна быть незначительно выше верхнего края заготовки или незначительно ниже нижнего края заготовки (снаружи тестируемой области), передний коллиматор смещается на позицию щели, затвор источника излучения открыт, поворотный стол 15 поддерживает тестируемую заготовку, позволяя ей подниматься и опускаться на установленной постоянной скорости, листовидные пучки лучей, коллимированные передним коллиматором 11, используются для перпендикулярного сканирования тестируемой заготовки. Проникающие через заготовку лучи принимаются твердотельным линейным матричным детектором 2 или газовым линейным матричным детектором 4 после их коллимации задним коллиматором 3 и преобразуются в ЦР проекционные изображения при помощи системы обработки данных.

2) Выбранный источник излучения и линейные матричные детекторы поднимаются или передвигаются на заданную позицию с тем, чтобы центр источника излучения и центр линейного матричного детектора располагались в одной и той же горизонтальной плоскости (плоскости тестирования), при этом плоскость тестирования должна быть незначительно выше верхнего края заготовки или незначительно ниже нижнего края заготовки (снаружи тестируемой области), передний коллиматор смещается на позицию щели, затвор источника излучения открыт; источники излучения и линейные матричные детекторы синхронно опускаются или поднимаются на заданной постоянной скорости, листовидные пучки лучей, коллимированные передним коллиматором 11, используются для перпендикулярного сканирования тестируемой заготовки. Проникающие через заготовку лучи принимаются твердотельным линейным матричным детектором 2 или газовым линейным матричным детектором 4 после их коллимации задним коллиматором 3 и преобразуются в ЦР проекционные изображения при помощи системы обработки данных.

Как показано на фиг. 2, газовый линейный матричный детектор или твердотельный линейный матричный детектор имеют дугообразное строение и состоят из множества детекторных блоков 21. Торцевая поверхность детекторного блока 21, т.е. окна падения лучей, лицевая часть которых направлена к источникам излучения, равномерно и плотно расположены вдоль первой дугообразной линии 24, которая использует центр источника излучения (т.е. целевой центр источника рентгеновского излучения или радиоактивный источник гамма-излучения) в качестве центра круга, и принимает расстояние от окна падения лучей к центру источника излучения в качестве радиуса. Высота и ширина детекторного блока 21 соотносятся с высотой и шириной окна падения лучей, а произведение высоты и ширины является значением в пикселях линейного матричного детектора. Количество детекторных блоков 21 должно быть таким, чтобы веерообразная область, сформированная длиной первой дугообразной линии 24, могла определять окна падения лучей и центр источников излучения над каждой подлежащей тестированию секцией для тестируемой заготовки, и в предпочтительном варианте осуществления являлась целым числом, кратным 8. Ширина окна падения луча каждого детекторного блока 21 вдоль дуги должна соответствовать требованиям к разрешению тестирования системы контроля настоящего изобретения. Центральная линия в направлении длины каждого детекторного блока 21 (т.е. в параллельном лучам направлении) указывает на центр источника излучения. Задний коллиматор 3 линейного матричного детектора также имеет дугообразно строение, вторая дугообразная линия 25 заднего коллиматора также принимает центр источника излучения в качестве центра круга, а его радиус незначительно меньше, чем радиус первой дугообразной линии 24. Задний коллиматор 3 состоит из изоляционных листов 23, которые равномерно располагаются вдоль второй дугообразной линии 25 параллельно друг другу и изготовлены из прямоугольных листов из вольфрамового сплава, а две (верхняя и нижняя) параллельные зажимные пластины (не показаны на фиг. 2) используются для точной фиксации изоляционных листов 23 и изготовлены из красной меди или свинцового или вольфрамового сплава. Множество коллиматорных щелей 22 формируются между изоляционными листами 23 и зажимными пластинами и используются для последующей коллимации лучей перед их попаданием в детекторы во множество маленьких пучков лучей. Высота коллиматорной щели 22 равна расстоянию между двумя зажимными пластинами, а ширина равна расстоянию между двумя прилегающими изоляционными листами 23. Высота коллиматорной щели 22 равна или немного превышает высоту детекторного блока 21, ширина составляет 1/2, или 1/3, или 1/4 от ширины детекторного блока 21, а количество коллиматорных щелей равно количеству детекторных блоков 21. Линия расширения в направлении длины (т.е. в параллельном лучам направлении) изоляционного листа 23 проходит через центр источника излучения таким образом, что центральная линия коллиматорной щели 22 также проходит через центр источника излучения, тем самым увеличивая эффективность передачи лучей, попадающих в детекторные блоки после прохождения через коллиматорные щели, эффективно блокируя рассеивание лучей и снижая сигнал перекрестных помех между прилегающими детекторными блоками 21. Во время визуализации цифровой рентгенографии посредством линейных матричных детекторов задний коллиматор 3 адаптируется к двунаправленному смещению вдоль второй дугообразной линии 25, набор проекционных данных получается для каждого смещения заднего коллиматора 3, а расстояние для каждого смещения соответствует ширине коллиматорной щели 22, после чего пространственное разрешение визуализации цифровой рентгеноскопии достигает 1/2, или 1/3, или 1/4 от ширины детекторного блока 21, а разрешение тестирования системы контроля настоящего изобретения может быть дополнительно улучшено.

Процесс визуализации КТ посредством линейных матричных детекторов: выбранный источник излучения и линейный матричный детектор поднимаются или передвигаются на заданную позицию с тем, чтобы центр источника излучения и центр линейного матричного детектора располагались в одной и той же горизонтальной плоскости (плоскости тестирования), поворотный стол 15 для заготовки поднимается в заданную позицию, а часть тестируемой заготовки располагается в плоскости тестирования; передний коллиматор горизонтально смещается на позицию конусообразного отверстия, источник излучения открыт, поворотный стол 15 для заготовки вращается на 360 градусов на заданной скорости вращения, набор проекционных данных получается, когда поворотный стол 15 для заготовки поворачивается на постоянный угол. Все данные подлежат обработке и реконструкции изображения после завершения процесса их получения для того, чтобы предоставить КТ изображения тестируемой части заготовки.

Как показано на фиг. 3, источник гамма-излучения включает в себя: защитный корпус 36, изготовленный из свинцового или вольфрамового сплава или обедненного урана, в котором размещены впускное отверстие 37 для лучей и выпускное отверстие 38 для лучей; поворотный затвор 35, который расположен в защитном корпусе 36 и вращается относительно защитного корпуса, а также оснащен горизонтально расположенными осями вращения, где адаптирован соединительный канал 39, который выборочно соединяет и разъединяет впускное отверстие 37 для лучей и выпускное отверстие 38 для лучей внутри защитного корпуса 36 в тот момент, когда внутри защитного корпуса происходит вращение, соединительный канал 39 расширяется в форме рога из впускного отверстия 37 для лучей в выпускное отверстие 38 для лучей, образуя лучевой канал, который расширяется в форме рога вместе с впускным отверстием 37 для лучей и выпускным отверстием 38 для лучей защитного корпуса 36 таким образом, что гамма-лучи приобретают форму веерообразных или конусообразных пучков; и радиоактивный источник 34, расположенный в исходном положении впускного отверстия 37 для лучей.

Источник гамма-излучения состоит из защитного корпуса 36 и горизонтально расположенного поворотного затвора 35, где поворотный затвор оснащен соединительным каналом 39, расширяющимся в форме рога в поворотный затвор 35. Поскольку центр тяжести поворотного затвора 35 отклоняется от своей оси вращения таким образом, что поворотный затвор 35 может перевернуться под действием собственной силы тяжести в случае, когда отсутствуют внешние силы воздействия, он тем самым прерывает поток излучения, обеспечивая источник гамма-излучения присущими характеристиками защиты от автоматического отключения излучения в случае отключения электропитания.

В соответствии с настоящим изобретением, источник рентгеновского излучения и источник гамма-излучения расположены внутри интегрированной миниатюрной системы контроля. При подъеме или поступательном смещении источника излучения и детекторов различные источники излучения и различные детекторы могут быть объединены в пары для формирования десятков режимов тестирования. Различные режимы тестирования подходят для обнаружения дефектов различных объектов различных типов и размеров с тем, чтобы соответствовать различным требованиям к процессу тестирования. Например, в комбинации 450 кВ рентгеновского аппарата и Со-60 источника гамма-излучения, 450 кВ рентгеновский аппарат имеет маленький прицел (до 0,4 мм), высокую интенсивность радиации (мощность дозы облучения на расстоянии 1 м от цели достигает сотен мГр/мин), а достаточно высокое пространственное разрешение (например, до 4,4 пл/мм при сопоставлении с планарным матричным детектором) может быть достигнуто для заготовок с эквивалентной толщиной массы, меньшей 60 мм железа; Co-60 источник гамма-излучения имеет высокий уровень энергии (среднее значение энергии составляет 1,25 МэВ), проникающая способность его лучей эквивалентна проникающей способности лучей 4 МэВ ускорителя, и он подходит для тестирования заготовок с толщиной массы, эквивалентной 30-130 мм железа, достигая разрешения плотности до 0,1%. При использовании характеристик интенсивности стабильного выхода излучения источника гамма-излучения расстояние между любыми двумя точками в заготовке также может быть измерено, и незначительные изменения в толщине массы любой внутренней локальной области заготовки в течение длительного периода времени также могут быть установлены. Если выбран микрофокусный рентгеновский аппарат, разрешение тестирования системы контроля может быть дополнительно повышено на порядок нескольких микронов.

Вариант осуществления изобретения 1

В данном варианте осуществления изобретения адоптированы два источника излучения, т.е. Co-60 источник гамма-излучения и 450 кэВ рентгеновский аппарат с малым фокусом, а также планарный матричный детектор, сцинтилляционный твердотельный линейный матричный детектор и газонаполненная ионизационная камера газового линейного матричного детектора используются в качестве детекторов. Активность используемого Co-60 - источника излучения составляет примерно 3,7 ТБк (100 Кюри), размер фокуса 450 кэВ рентгеновского аппарата составляет 0,4 мм, максимальный ток разряда в трубке составляет 3,3 мА. Размеры области изображения планарного матричного детектора составляют 409,6×409,6 мм², размеры пикселя составляют 0,2×0,2 мм²; в твердотельном линейном матричном детекторе кристалл CdWO₄ используется в качестве сцинтиллятора, а размеры пикселя составляют 0,4×5×30 мм³. В газовом линейном матричном детекторе применяется газонаполненная ионизационная камера, ксенон используется в качестве рабочей среды, а давление заполнения газом составляет 3,5 МПа. Защитный контейнер для источника гамма-излучения, передний коллиматор и задний коллиматор изготовлены из вольфрамового сплава с плотностью превышающей 18 г/см³. Поднятие или перемещение рейки источника излучения и рейки детектора, а также поднятие и двунаправленное перемещение поворотного стола для заготовки выполняются при помощи линейной направляющей рейки и серводвигателя, измерения позиций осуществляются за счет поворотного регулятора и измерительной линейки, а повторяемая точность позиционирования ниже, чем 10 мкм; минимальная длина поворотного шага поворотного стола для заготовки составляет 15′′, а повторяемая точность позиционирования меньше 2′′. Общие размеры всей системы контроля составляют 2,5×1,8×2,2 м (длина×ширина×высота), а вес около 5 тонн. Используя систему контроля, можно тестировать заготовки с эквивалентной толщиной массы менее 130 мм железа и диаметром, не превышающим 500 мм, можно выполнять обнаружение тонкого листа железа с толщиной 30 мкм за железной пластиной толщиной 3 см, также можно осуществлять обнаружение мелких трещин или шовных зазоров с шириной менее 20 мкм.

В настоящем варианте осуществления изобретения такие задачи тестирования, как тестирование швов на зазоры и незначительные изменения в толщине массы, а также тестирование на наличие вздутий подразделяются и выполняются системами контроля с различными параметрами и различными режимами тестирования.

В настоящем варианте осуществления изобретения тестирование швов на зазоры и незначительные изменения в толщине массы заготовки осуществляются в режиме «Со-60 источник + высокопиксельный газовый линейный матричный детектор с визуализацией изображения методом ЦР сканирования». Детектор имеет незначительные статистические флуктуации сильного выходного сигнала и приспосабливает процесс тестирования к изменениям в толщине массы. Источник Со-60 характеризуется стабильностью в течение длительного времени, легок в управлении и имеет высокую надежность; газовый детектор отличается низким уровнем тока утечки, высокой стабильностью, незначительным температурным дрейфом, радиационной устойчивостью. Система ЦР сканирования состоит из Co-60 источника и газового детектора с высокой точностью измерений, стабильной производительностью в течение длительного времени и полностью подходит для тестирования швов на зазоры и незначительные изменения в толщине массы.

В настоящем варианте осуществления изобретения тестирование на наличие вздутий в заготовке выполняется в режиме «Рентгеновский аппарат + низкопиксельный твердотельный линейный матричный детектор с КТ визуализацией». КТ визуализация обеспечивает распределение плотности тестируемых объектов, обнаружение малых дефектов и точное позиционирование дефектов, а также является оптимальным средством для тестирования на предмет вздутия и отслоения.

Система контроля настоящего изобретения оснащена двумя источниками излучения (Co-60 и 450 кВ рентгеновский аппарат) и тремя детекторами (низкопиксельный твердотельный линейный матричный детектор, высокопиксельный газовый линейный матричный детектор и микропиксельный планарный матричный детектор), которые используются в комбинации для максимально эффективного использования всех преимуществ различных источников излучения и различных детекторов, тем самым соответствуя требованиям к тестированию. Рентгеновский аппарат обладает высокой радиационной интенсивностью, малым размером фокусного пятна источника, а также способствует улучшению разрешающей способности системы формирования изображений. Источник Co-60 обеспечивает хорошее свойство одного источника энергии, для которого отсутствует фактор ужесточения спектра пучка, а Co-60 характеризуется относительно высокой энергией излучения, более сильной проникающей способностью и может использоваться для тестирования предметов с более высокой толщиной массы. Низкопиксельный твердотельный линейный матричный детектор обладает лучшей способностью экранирования рассеивающих лучей, обладает более высокой эффективностью обнаружения и способствует получению более четких изображений; а микропиксельный планарный матричный детектор отличается меньшим размером пикселя, способствует достижению более высокого пространственного разрешения и обеспечивает трехмерные изображения объектов одним действием, при котором процесс визуализации проходит быстрее.

В настоящем варианте осуществления изобретения вышеописанные два источника излучения и три детектора интегрируются в одну тестирующую платформу, где обеспечивается перемещение в верхнем и нижнем направлении, а также композитный и модульный принцип конструкции. Таким образом, обеспечиваются переключаемые комбинации различных источников излучения и различных детекторов, а также органично сочетаются различные режимы тестирования, тем самым образуя комплексную систему контроля.

Выше были описаны конкретные методы осуществления настоящего изобретения, но настоящее изобретение не ограничивается этими методами, например, миниатюризированный ускоритель рентгеновского излучения может быть использован в качестве средне- и высокоэнергетического источника рентгеновского излучения.

Даже в случае внесения различных дополнений к настоящему изобретению шаги или процессы, осуществляемые на основе сущности настоящего изобретения, а также система контроля, описанная в настоящем изобретении, должны рассматриваться как попадающие в объем патентной защиты настоящего изобретения.

Использование: для радиационного неразрушающего контроля. Сущность изобретения заключается в том, что в соответствии с методом и системой источник гамма-излучения, источник рентгеновского излучения, твердотельный линейный матричный детектор, газовый линейный матричный детектор и планарный матричный детектор интегрированы на жестком основании при помощи опор источника излучения и детектора соответственно, визуализация цифровой рентгенографии, компьютерной томографии или конусно-лучевой компьютерной томографии выполняются посредством комбинации различных источников излучения и различных детекторов с целью реализации многоуровневого сечения и многорежимного обнаружения на заготовках. Технический результат: обеспечение высокого разрешения обнаружения, высокой чувствительности обнаружения, высокой проникающей способности излучения и хорошей долгосрочной стабильности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Метод комбинированного радиационного неразрушающего контроля, включающий следующие шаги:
а) облучение подлежащей тестированию заготовки;
б) прием лучей, проникающих через заготовку, посредством детектора и их преобразование в цифровые сигналы; и
в) получение радиационных изображений заготовки посредством обработки сигналов;
причем:
- комбинированный детектор, включающий твердотельный линейный матричный детектор, газовый линейный матричный детектор и планарный матричный детектор, используется в качестве детектора, а визуализация цифровой рентгенографии, компьютерной томографии или конусно-лучевой компьютерной рентгенографии заготовки осуществляются путем переключения между различными источниками излучения и тестирующими аппаратами, включающими в себя различные детекторы; и
- комбинированный источник излучения, комбинированные детекторы, поворотный стол для заготовки устанавливаются на одном жестком основании.

2. Метод по п. 1, отличающийся тем, что комбинированный источник излучения оснащен передним коллиматором, расположенным на отверстии для выхода луча из комбинированного источника излучения, и передний коллиматор используется для коллимации лучей в веерообразные или конусообразные пучки, а комбинированный детектор оснащен задним коллиматором, расположенным на отверстии для входа луча в комбинированный детектор;
причем при задействовании твердотельного линейного матричного детектора или газового линейного матричного детектора задний коллиматор используется для коллимации лучей в небольшие пучки лучей, высота и количество которых сопоставимы с детекторным блоком, а ширина коллиматорной щели заднего коллиматора меньше, чем ширина детекторного блока;
и задний коллиматор выполнен с возможностью смещения в направлении ширины детекторного блока в процессе визуализации цифровой рентгенографии, и для каждого смещения заднего коллиматора получается один набор проекционных данных, а расстояние каждого смещения соответствует ширине коллиматорной щели.

3. Система комбинированного радиационного неразрушающего контроля, использующая данный метод по п. 1 или 2, включающая:
- жесткое основание, на котором крепятся опоры для источника излучения, поворотного стола для заготовки и детектора, которые последовательно расположены на опорах с промежуточными интервалами;
- опору источника излучения, которая оснащена комбинированным источником излучения, который состоит из источника гамма-излучения и источника рентгеновского излучения, переключающего механизма для смещения различных источников излучения в комбинированном источнике излучения на рабочие позиции и механизма, позволяющего перемещать смещенные детекторы вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо, и вращать на месте;
- опору детектора, которая оснащена комбинированным детектором, который состоит из твердотелого линейного матричного детектора, газового линейного матричного детектора и планарного матричного детектора, переключающего механизма для смещения различных детекторов в комбинированном детекторе на рабочие позиции и механизма, позволяющего перемещать смещенные детекторы вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо, и вращать на месте;
- опору источника излучения, которая оснащена передним коллиматором, способным коллимировать лучи, испускаемые источниками излучения, в веерообразные или конусообразные пучки, а опора детектора оснащена задним коллиматором, используемым для проведения дальнейшей коллимационной обработки на лучах;
- газовый линейный матричный детектор и твердотельный линейный матричный детектор, которые имеют дугообразную конструкцию, причем после смещения газового линейного матричного детектора и твердотельного линейного матричного детектора на рабочую позицию окна падения лучей различных детекторов в комбинированном детекторе равномерно и плотно располагаются вдоль дуги окружности, центром которой является центр источника излучения в рабочем положении, причем через указанный центр проходит центральная линия каждого блока детектора,
и каждый задний коллиматор, соответствующий газовому линейному матричному детектору или твердотельному линейному матричному детектору, также имеет дугообразную форму, причем центр окружности указанной дуги совпадает с центром источника излучения в рабочем положении,
и коллиматорная щель заднего коллиматора способна коллимировать пучки веерообразных лучей в маленькие пучки лучей, которые находятся в поочередном соответствии с отдельными блоками комбинированного детектора, а ширина коллиматорной щели меньше, чем ширина блока детектора,
и в процессе визуализации цифровой рентгенографии задний коллиматор плотно прилегает к газовому линейному матричному детектору или твердотелому линейному матричному детектору и выполнен с возможностью смещения в направлении расположения блоков детектора, а расстояние каждого смещения соответствует ширине коллиматорной щели.

4. Система контроля по п. 3, отличающаяся тем, что ширина коллиматорных щелей составляет 1/2, 1/3 или 1/4 ширины детекторного блока.

5. Система контроля по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что источник гамма-излучения представляет собой радиоизотопный источник гамма-излучения на Со-60, Cs-137 или Ir-192.

6. Система контроля по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что источник рентгеновского излучения представляет собой рентгеновский аппарат с небольшим размером фокусного пятна, микрофокусный рентгеновский аппарат и/или ускоритель рентгеновского излучения.

7. Система контроля по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что планарный матричный детектор представляет собой планарный матричный детектор на основе аморфного кремния, планарный матричный детектор на основе аморфного селена или планарный матричный КМОП-детектор.

8. Система контроля по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что газовый линейный матричный детектор представляет собой линейный матричный детектор с газонаполненной ионизационной камерой или линейный матричный детектор с многопроволочной пропорциональной камерой или линейный матричный детектор со счетчиком Гейгера.

9. Система контроля по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что твердотельный линейный матричный детектор представляет собой твердотельный сцинтилляционный линейный матричный детектор или полупроводниковый линейный матричный детектор.

10. Система контроля по п. 9, отличающаяся тем, что сцинтиллятор твердотелого сцинтилляционного линейного матричного детектор является NaI, CsI, CdWO₄, LaBr₃ или LaCl₃.