引言
装备在海军无损检测中心的HICT-450型固体火箭发动机无损检测自动化系统是我们自行研制的工业CT装置,它是目前国内唯一能对发动机进行整体检测的最大的一台ICT。投入运行一年多来该ICT已为部队和工业部门检测了多批次不同型号的导弹发动机和零部件,性能稳定,工作可靠,图像质量和性能指标达到和超过了国内引进的同类产品,实践证明, HICT-450型是ICT设计成功的一个典型。
工业CT(ICT)比医用CT(MCT)的研制有更大难度, MCT检测对象是人体,人体的CT值跨度不大,约2 000左右(空气CT值为-1000;水为0;密骨质约为+1 000),且被测对象形状差异不大。而ICT的检测对象可从空气到重金属、高密度生物材料等,其CT值跨度可达上万以上,且形状千变万化,因此要研制高质量的ICT难度甚大。
国际上20世纪70年代中就有了MCT,然后第一台ICT到80年代中才正式问世。我国ICT起步更晚,90年代中出现了实验室用的小型ICT装置,直至90年代末HICT-450工业CT装置的研制成功,正式开创了在军事和工业领域应用的先例,它也是ICT优化设计的一个范例。
1 工业CT的基本原理与结构
ICT的基本原理是以物体对射线的吸收为基础的,射线束的能量衰减值I与通过被测物的密度、厚度及成份有密切关系,且满足比尔定律gongshi1
其中:
对于密度不均匀任意形状的被测物,则沿某方向的总衰减为
μ=μ(x, y),即层析平面上任意点的衰减系数,因此欲得M×N个像素组成的图像,必须有M×N个独立方程,才能得出平面内各点(体素)的μ值,从而可重建二维衰减系数(即密度)分布的灰度图像。为了得到矩阵量很大的衰减系数分布值,要求ICT必须有下列基本部件:射线源及准直器;样品机械扫描数控台;探测器阵列;计算机系统。
如何选择这些基本部件及其运动方式是ICT总体设计的关键。这些问题是:选择合适的射线源;确定扫描台形式和扫描方式;确定探测器阵列形式;采用恰当的数采系统和控制形式。
下面以HICT-450型卧式工业CT的设计过程谈几点体会。
2 系统总体设计的几个关键问题
2.1 HICT-450型工业CT简介
HICT-450型工业CT(见图1)的任务是测试战术导弹固体火箭发动机内部缺陷,它是一台大型卧式工业CT,在数控扫描台上安装了450kV的X射线源和光电探测器阵列,在射线源和探测器之间是被测件,前台工控机完成扫描运动控制、数据采集和与后台主计算机通讯等任务,后台主机主要完成数据重排、图像重建、处理等任务。该系统达到的性能指标如下:
———被测件最大直径450mm;
———切片厚度1mm~5mm可调,切片范围最长1 400mm;
———受检层平面上空间分辨率为1.7Lp/mm(用0.1mm钨丝检测其图像半高宽得出的空间分辨率可达2.5Lp/mm以上);
———密度分辨率0.5%;
———每个断层扫描时间(含重建)不大于6min(最大扫描范围时);
———兼有数字照相(DR)功能
2.2 明确设计指标
CT专用性很强,设计主要依据是被测对象的结构和形状,并依此确定合理的设计指标,它包括以下4方面。
1)需达到的主要性能指标
空间分辨率
它是对ICT系统鉴别和区分微小缺陷能力的量度,定量地表示为能分辨两个细节特征的最小间隔,常用等距宽的标准模体检测,近似测出ICT机的调制传递函数(MTF)曲线,用曲线中能分辨黑白相间的条形带的成对数,即每毫米线对数(Lp/mm)作为空间分辨率。影响空间分辨率的因素主要有扫描矩阵大小、准直缝隙宽度、采样步长、扫描机械精度及重建算法等。
密度分辨率
又称对比度分辨率,以密度变化的百分比来表示(%),影响密度分辨率的主要因素是信噪比。噪声主要来源于射线源的量子噪声、电子元件噪声、重建算法反映在图像上的噪声。其中射线光子的量子统计噪声是理论极限,量子噪声大约为探测到光子数N的N倍。因此增加射线强度,提高采样积分/计数时间,增加切片厚度,减少射线源至探测器距离等都有利于增大光子数N,从而改善信噪比。
伪像
是与物体结构不符的图像特征。伪像出现会影响判图,因此要尽力抑制伪像,引起伪像除了与CT本身原理有关外,主要与ICT硬软件质量和扫描定位精度有关,如射束硬化、数据精度误差等。对XICT主要是尽力减少硬化,抑制图像中心部位的麻点。
2)主被测对象层析图像的缺陷尺寸
如检测出最小裂纹宽度,缩孔大小,脱粘间隙等。该机可探测:裂纹长度0.1mm(在裂纹长度大于5mm时),缩孔当量直径0.5mm,脱粘间隙0.3mm。
3)一个断层的扫描重建时间
在保证足够信噪比下,时间越短,不仅光机耗时少,且可在短时间内完成特定的任务,具有良好的使用性能。
4)较好的性能价格比
HICT-450型的性能价格比较好,比国外高1.5~1.7倍。
应当指出,以上指标是有机联系互相制约的,不能一味追求某些指标要高,例如一味追求空间分辨率高,则势必将准直缝隙做得很小,以致射线强度大大削弱,信噪比很小,不仅降低图像质量,且导致主被测件的一个断层的扫描时间太长,无实用价值。因此,指标制订要合理,笔者认为确定被测对象最小缺陷尺寸是关键。
2.3 基本构件和运动方式的确定
1)射线源选择
HICT-450型工业CT选用450kV的X光管作为探测源,这也是目前世界上能量最大的X光管,它可透过等效钢100mm以下的材料,本机的主被测对象为战术导弹发动机,大部分发动机其等效钢厚在80mm左右,加之X光管焦点很小,因而优选X光管。虽X光连续谱会产生射束硬化,但只要措施得当,硬化可减得很小。当然也可选用Co60γ源,γ源的优点是价廉、能高、单峰(1.33MeV),但γ源焦点大(1居里的Co60约为2mm),且准直后定向剂量小,因此一个断层的扫描时间比X光管要大一个数量级,这对检测一台细长型的固体发动机而言,时间过长,不利于部队实际应用。也可用驻波型加速器,但价格昂贵,且结构庞杂,只有对等效钢厚极大的战略导弹测试才用它。
2)扫描台形式及扫描方式的确定
数控扫描台在ICT的成本中占重要比例,对不同的对象不同场合应有不同的结构和扫描方式,大体可分卧式和立式两种,卧式的旋转轴水平取向,适用于细长部件,立式的旋转轴垂直取向,是目前国际上常用的形式。HICT-450的检测对象是长细比大的固体发动机,综合考虑卧式为宜,一是方便部队吊装,无需高大厂房,二是测试状态和贮存状态一致,符合火工品技安要求。虽卧式结构要解决射线源和探测器同步精确运动的难点,而靠科学的结构设计是可以解决的
至于扫描方式,由于多数固体发动机截面较大,用旋转+平移(TR)的二代扫描方式较适合,尤其用小射角的二代方式,有利于图形清晰、细腻,因二代方式探测单元的不均匀可相互补偿。而三代扫描虽运动简单(纯旋转RO形式),但每个探测单元对应固定的圆周,因此单元的不均匀性反映在图像上有明显的灰度不均的圆圈。
为保证运动精度,我们把TR运动分解成两部分,被测件只旋转,探测器和射线源作平动,不仅简化了扫描台结构,且易保证精度。3)探测器阵列形式
探测器阵列是ICT的核心部件,其性能对图像质量影响很大,现代ICT常用固态阵列探测器、闪烁光电倍增探测器和气体电离探测器。
固态探测器即闪烁光电二极管探测器,由于它能高密度组合,在短距离上可组成数千个通道,所以常用于三代扫描系统的小型ICT上。
闪烁光电倍增探测器的优点是输出信号大,但由于是离散型,通道不可能很多,因此较适用于大工件二代扫描系统,若要用于三代需探测器进动,这将导致结构复杂化。
气体电离探测器的优点是一致性好,尺寸也不大,缺点是动态范围小,探测效率不高,适用于加速器源的实时成像系统中。
针对主被测对象为固体发动机的HICT-450采用了闪烁光电倍增探测器。为适应小射角的需要,进行了巧妙的结构设计,尽力提高其组装密度。
4)数采系统及控制形式
数采系统是探测器和计算机之间的电路接口,因探测器出口信号很弱,必须通过前置积分放大电路将信号放大,并通过A/D转换送入计算机,由于ICT数据量大,同时要求很高的精度及动态范围,因而必须采用高分辨率,高速多位采集系统。另外为适应火工品测试要求,控制室和检测室距离较远,本机采用前后台微机通讯形式,其优点是馈线短信号损失小;二是现场调试方便;三是改变结构时后台主机可摆脱繁琐的硬件编程。
3 高质量ICT的研制要靠先进技术的支持
ICT是光、机、电综合集成技术的反映,一台性能优良的工业CT光靠理论上的优化设计是不够的,要得到理想的原始数据和图像,还必须有先进技术和手段的支持才能实现。我们认为必须有如下技术:
1)精确的光轴(重建中心线)校正技术;
2)精确的扫描运动定位技术;
3)在小信号、宽能谱条件下,晶体—光导—光电器件匹配优良的探测器设计技术;
4)准直系统的精确分度和加工技术;
5)有效抑制干扰抗硬化技术;
6)具有特色的ICT专用软件编程技术(包括数采、重排、重建、运动控制、通讯等)。HICT-450型工业CT装置在研制过程由于创造性地运用了先进技术和先进工艺,因而使HICT-450无论从测试范围、应用功能、性能指标、图像质量、性能价格比等诸方面均优于国内的同类产品,充分说明了HICT-450是工业CT领域内的一株独秀。
参考文献
1 E.A.Sivers, etc. Performance of X-ray Computed TomographicImaging Systems.Materials Evaouation,1990(6)
2 张俊哲.国外ICT的发展与应用.国外科技资料,1993(5)
3 倪培君,王存龙,李旭东.工业CT系统的结构及配置.无损检测, 1996(6)
4 张朝宗,郭志平等.工业CT的系统结构与性能指标.CT理论与应用研究, 1994(3)
5 杨兴根,陈宇杰.固体火箭发动机专用ICT机械扫描系统.推进技术, 1996(6)
本文作者：杨兴根 侯本学 张存厚
