1.2 Общие сведения

Рентгеновские методы неразрушающего контроля (НК) базируются на «просвечивании» объектов рентгеновским излучением с непосредственной или последующей регистрацией теневого изображения. Типовая схема рентгеновского неразрушающего контроля представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема рентгеновского НК:

1 - источник; 2 - объект; 3 - детектор; 4 - дефект

Образованные в трубке рентгеновские лучи облучают образец точечным источником рентгеновских лучей (фокальным пятном), созданным в трубке, и изображение проецируется на приемник (детектор). Детектор, в свою очередь, имеет:

- преобразователь рентгеновского изображения;

- усилитель радиационного изображения, в котором за счет дополнительного источника энергии происходит усиление яркости.

При прохождении через объект, ионизирующее излучение ослабляется в результате поглощения и рассеяния. Степень ослабления зависит от толщины и плотности контролируемого объекта. При наличии в веществе внутренних дефектов с определёнными размерами резко изменяются интенсивность и энергия проходящего через эти дефекты пучка излучения [15].

Метод рентгеновской томографии основан на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изображение.

В современных рентгеновских томографах используется 3D - визуализация исследуемого объекта. Рентгеновская трубка освещает объект и получаются увеличенные теневые проекции. На основе сотен проекций, собранных под разными углами при перемещении объекта системой позиционирования компьютер реконструирует набор виртуальных сечений объекта. Оператор может получать сечения под любым углом и создавать трехмерные изображения объекта и его структуры для виртуального перемещения внутри объекта исследования.

Важным параметром получаемого изображения является разрешение, зависящее от величины фокусного пятна. Уменьшение фокального пятна приводит к увеличению разрешения.

1.2.1 Задачи и требования к современным томографам

В современных системах применяются рентгеновские трубки открытого типа, так как они отличаются большим разрешением, увеличением и ремонтопригодностью. Так же данная трубка позволяет исследовать детали большей плотности, за счет большей энергии на аноде трубки.

По размеру фокального пятна трубки делятся на 2 типа: микрофокусные и нанофокусные. Размер фокусного пятна в микрофокусных трубках составляет 3мкм. Детектор излучения состоит из следующих элементов:

1) преобразователь рентгеновского изображения;

2) радиационно-оптические преобразователи.

Качество радиационно-оптических преобразователей зависит от свойств входных экранов. Входной экран должен обладать следующими свойствами:

1) высоким уровнем поглощения пучка излучения;

2) высокой эффективностью преобразования;

3) согласованностью спектральной характеристики экрана со спектральной характеристикой работающего с ним фотокотода.

Прикладные требования:

1) удобный интерфейс;

2) гибкие возможности обработки информации;

3) автоматизация программируемого управления.

Требования по безопасности.

Согласно мировому опыту, международным требованиям и стандартам по защите от радиационного излучения для защиты от излучения в установках применяют свинцовые экраны и корпуса со свинцовыми пластинами. При напряжении на трубке 160 кВ, а мощности 10 Вт доза рентгеновского излучения на поверхности не должна превышать 1мкЗв/ч.

Габариты современных томографов уменьшаются, за счет внедрения автоматизации управления.

1.3 Описание разрабатываемого РМТ

Для проведения рентгеновской томографии необходимы по крайней мере следующие функциональный блоки:

- блок питания;

- блок управления;

- источник излучения;

- система позиционирования (предметный стол);

- приемник излучения.

Источником излучения в РМТ является рентгеновская трубка, приемником излучения - детектор на ПЗС-матрице, системой позиционирования - подвижный предметный стол с тремя степенями свободы, также для построения 3D изображения исследуемого образца необходимо программное обеспечение. Исходя из этого предложены следующие структурные и функциональные схемы РМТ (рисунок 1.2-1.3):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 - Структурная схема рентгеновского микротомографа (РМТ)

Рисунок 1.3 - Функциональная схема рентгеновского микротомографа (РМТ)

РМТ состоит из следующих блоков:

- программное обеспечение (для восстановления 2D и 3D изображений);

- блок управления 1;

- корпус с высоковольтным источником питания;

- программное обеспечение для диагностики материалов;

- управляющее устройство (микроконтроллер или ПК-клиент);

- источник излучения (рентгеновская трубка);

- мехатронная система (позиционирование по осям x, y, z);

- рабочий стол (рабочая зона);

- блок управления 2;

- приемник излучения (рентгеновский детектор на ПЗС-матрице).

1.3.1 Рентгеновская трубка

Разработка собственного источника излучения не целесообразна из-за большой стоимости необходимых работ. На данный момент в России нет не одного предприятия, способного выпускать рентгеновские трубки с фокальным пятном менее 15 мкм. Поэтому предполагается закупать трубку зарубежного производства.

Одна из самых востребованных фирм является японская Hamamatsu. Выбор этой компании обусловлен большим опытом в данной сфере разработок и производства.

Из всех представленных фирмой рентгеновских трубок была выбрана наиболее подходящая по конструкции и характеристикам.

Технические характеристики рентгеновской трубки L7901-01 (рисунок 1.4):

- напряжение на мишени регулируется от 20 до 100 кВ;

- ток мишени в диапазоне 0-250 мкА;

- размер фокусного пятна 5мкм;

- тип выхода излучения - с торца.

Рисунок 1.4 - Рентгеновская трубка Hamamatsu L7901-01

1.3.2 Характеристики детектора

Приборы с зарядовой связью или ПЗС (CCD) матрицы представляют собой полупроводниковые детекторы изображения, которые позволяют получать изображение в условиях низкой освещенности, с высоким отношением сигнал/шум и в широком динамическом диапазоне. Большинство ПЗС матриц предлагаемых компанией Hamamatsu (рисунок 1.5) представляют собой приборы, формирующие покадровый сигнал со 100% коэффициентом заполнения. Также предлагаются специализированные CCD для научных исследований с обратной засветкой матрицы (back-thinned CCD), обладающие 90% квантовой эффективностью. Эти матрицы имеют высокую квантовую эффективность в диапазоне длин волн от ближней инфракрасной области и до глубокого ультрафиолета и могут даже детектировать рентгеновские лучи с энергиями ниже 0.5 кэВ. ПЗС матрицы с передней засветкой (front-illuminated CCD) могут применяться непосредственно для детектирования рентгеновского излучения с энергиями до 10 кэВ и изображение, полученное в рентгеновских лучах с энергиями более 100 кэВ, может быть визуализировано с помощью оптоволоконных сцинтилляторов (FOS). Матрицы ПЗС фирмы Hamamatsu используются для получения изображения в условиях низкой освещенности, в рамановской спектроскопии, микроскопии, неразрушающем контроле и медицине.

Рисунок 1.5 - детектор фирмы Hamamatsu

Основная характеристика данного детектора - это разрешение (2048*2048) и размер пикселя (0,4*1 мкм).

1.3.3 Мехатронная система позиционирования

В результате проработки вариантов технических решений в соответствии с принятой технологией исследования образцов органической и неорганической природы, принято следующее решение.

Подвижные источник и приемник рентгеновского излучения должны иметь движение вдоль ось рентгенооптического тракта относительно рабочего стола с испытуемым образцом (по горизонтальной оси Х) на ±50 мм. При этом точность позиционирования (линейное движение) при перемещении подвижных источника и приемника рентгеновского излучения вдоль горизонтальной оси Х ± 0,5 мкм, скорость перемещения подвижных источника и приемника рентгеновского излучения вдоль горизонтальной оси Х до 20 мм/с.

Рабочий стол с испытуемым образцом должен вращаться вокруг вертикальной оси Z на 360 град., и не пересекая центральную ось рентгенооптического тракта, опускаться по вертикальной оси Z на 100 мм. При этом точность позиционирования (линейное движение) рабочего стола по вертикальной оси Z: ± 0,5 мкм, скорость линейного движения рабочего стола по вертикальной оси Z до 20 мм/с, скорость вращения вокруг вертикальной оси Z до 20 мм/с.

Кинематическая схема мехатронной системы позиционирования (МСП) представлена на рисунок 1.6. Количество направлений движения в МСП - не менее 4-х [16].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.6 - Кинематическая схема МСП

МСП содержит неподвижный кронштейн, на котором, подвижно по горизонтальной оси Х (вдоль ось рентгенооптического тракта) смонтированы источник и приемник рентгеновского излучения, Внутри неподвижного кронштейна расположен подвижный вокруг и вдоль оси Z рабочий стол с испытуемым образцом.

Показатель стабильности скорости вращения вокруг вертикальной оси Z и показатель точности позиционирования (линейное движение) источника и приемника рентгеновского излучения относительно рабочего стола с испытуемым образцом вдоль горизонтальной оси Х, рабочего стола по вертикальной оси Z, уточняются на этапе испытаний опытного образца.

Принятый вариант технического решения обеспечит:

- точность позиционирования источника и приемника рентгеновского излучения вдоль горизонтальной оси Х ± 0,5 мкм, скорость перемещения до 20 мм/с;

- вращение рабочего стола с испытуемым образцом вокруг вертикальной оси Z на 360 град. и не перемещение по вертикальной оси Z на 100 мм при точности позиционирования рабочего стола по вертикальной оси Z ± 0,5 мкм, скорость линейного движения по вертикальной оси Z до 20 мм/с, скорость вращения вокруг вертикальной оси Z до 20 мм/с.

Общий вид мехатронной системы представлен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Общий вид блока электромеханики

1.3.4 Корпус РМТ

Корпус разработан в соответствии со строжайшими международными стандартами безопасности. Они соответствуют ROV от 18.6.2002 (<1 мкЗв/ч) для механизмов полной защиты, американским стандартам безопасности и защиты от радиации.

Конструкция оснащена свинцовыми экранами с толщиной 2 мм. Что является достаточным ввиду относительно небольшой энергии рентгеновской трубки.

Принцип расположения узлов микротомографа основан на обеспечении радиационной безопасности, поэтому конструкция предусматривает разделение на рабочую и пассивную зону. Рабочая зона включает:

- излучатель;

- манипулятор для позиционирования исследуемого образца;

- рентгеновский детектор.

Так как в рабочей зоне находится источник излучения, она отделяется от пассивной зоны защищенной перегородкой. Следовательно, конструкция рабочей зоны подразумевает «капсулу», она ограничивается от остальных составных элементов.

Пассивная зона включает остальные узлы. Соответственно эти элементы защищены от излучения, что облегчает их процесс ремонта и утилизации, т.е. не требуются дополнительные меры защиты. Конструкция корпуса изображена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Конструкция корпуса РМТ

1.3.5 Программное обеспечение РМТ

Разрабатываемое программное обеспечение аналитического блока РМТ состоит из следующих функционально независимых частей - программных модулей:

1) модуль обработки теневых проекций, выполняющий следующие задачи:

а) анализ и сегментация изображений теневых проекций, с целью выделения совпадающих участков;

б) неискажающее преобразование изображений теневых проекций в изображения малого объема хранимой информации;

в) восстановление изображений теневых проекций из изображений малого объема.

2) модуль анализа 3D-реконструированного изображения. Используя различные методы поиска дефектов, модуль определяет физические и геометрические характеристики неоднородностей исследуемого образца по изображению 3D-реконструкции. Модуль выполняет следующие задачи:

а) определение местоположения и геометрических параметров трещин;

б) определение местоположения и геометрических параметров микротрещин;

в) определение местоположения и геометрических примесей;

г) определение местоположения и геометрических пустот;

д) определение местоположения и геометрических пластичных деформации;

е) определение местоположения и геометрических внутренних напряжений.

3) модуль отображения и классификации дефектов и напряжений на 3D-реконструкции, который выполняет следующие задачи:

а) отображение на 3D-реконструкции трещин и микротрещин с указанием геометрической протяженности и ширины трещины;

б) отображение на 3D-реконструкции примесей с указанием физических и геометрических характеристик;

в) отображение на 3D-реконструкции пустот с указанием геометрических характеристик;

г) отображение на 3D-реконструкции пластичных деформаций с указанием типов деформаций и геометрических характеристик;

д) отображение на 3D-реконструкции внутренних напряжений с указанием степени, направления и геометрических характеристик.

Каждый дефект отображается на 3D-реконструкции специализированными графическими 3D-вставками или пометками. Состав и структура вставок следующая:

- габаритный контейнер дефекта - область 3D-реконструкции, соответствующая предполагаемому дефекту заключается прозрачный параллелепипед (на изображении присутствуют лишь ребра);

- комментарий к габаритному контейнеру - текстовые записи, характеризующие тип и геометрию дефекта;

4) модуль формирования отчетов и статистики, выполняющий следующие задачи:

- формирование отчета о внутренних дефектах образца (список дефектов, их характеристики и локализации);

- формирование количественных и качественных статистических данных о дефектах (объемная доля, процентное соотношение, средние геометрические размеры и области локализации, и т.д.).

Модули реализованы в виде отдельных подпрограмм, обладающих возможностью интегрировать свой интерфейс и функциональную часть в Интегрированную среду управления (ИСУ РМТ). Каждый модуль выполняет специализированные действия и обменивается информацией с остальными через «Интегрированную среду управления» РМТ [17].

2. МАРКЕТИНГОВЫЙ АНАЛИЗ

Список компаний, занимающихся производством рентгеновских микротомографов возглавляют: Siemens, Philips, North Star Imaging, GE Healthcare Xradia, GE Healthcare, Phoenix|x-ray, Scanco Medical AG, Gamma Medica, Bioscan, SkyScan, Fraunhofer, Feinfocus, X-Tek.

Для проведения анализа были рассмотрены модели рентгеновского микротомографа компаний SkyScan, Feinfocus, X-tek, как наиболее близкие по техническим характеристикам.

SkyScan (Бельгия) специализируется на разработке и производстве систем для трехмерного неразрушающего исследования внутренней микроструктуры объекта. Опираясь на более чем двадцатилетний опыт, компании удалось выпустить в продажу первую настольную установку микротомографа в 1995 году. Сегодня микротомографы от SkyScan достигли пространственного разрешения с субмикронным диапазоном.

Feinfocus (Германия), входящая в состав компании "COMET" (Швейцария), является ведущим поставщиком средств микрофокусного рентгеновского контроля с высокой разрешающей способностью. Являясь пионером рентгеновских микро технологий, компания представила первую в мире систему точечного источника в начале 1980-х. Будучи технологическим лидером в рентгеновской микроскопии (2D, 3D, компьютерная томография) компания является компетентным партнером для решения задач в ведущих отраслях промышленности.

X-Tek (Metris) (Великобритания) - став частью компании Nikon в 2009 г., компания предлагает наиболее полный спектр надежных и инновационных решений современной метрологии, оснащенных оптическим и механическим 3D видением, которые находят применение автомобильной, аэрокосмической, электронной, медицинской и других отраслях промышленности.

Анализ конкурентоспособности разрабатываемого микротомографа проведен по следующим техническим параметрам: различимость деталей, высокочувствительность детектора, наличие нанофокусной трубки, габариты, наличие высокого уровня радиационной защиты. В таблице 2.1 рассмотрены параметры ближайших аналогов разрабатываемого устройства.

Таблица 2.1 Сравнительный анализ аналогов РМТ

Таким образом, из таблицы видно, что разрабатываемый рентгеновский при прочих равных условиях превосходит представленные модели по совокупности таких характеристик, как габариты, масса, движению объекта по осям.

2.1 Оценка емкости рынка

2.2 Обоснование региона размещения проекта

Томская область занимает первое место в России по численности персонала, занятого исследованиями и разработками, на душу населения. В Томске на 10 тысяч человек -- 160 исследователей (больше -- только в Японии и в Финляндии).

С точки зрения перспективного развития экономики области, инновационной экономики, с точки зрения инвестиционной привлекательности область получила от правительства высокую оценку деятельности. И 6 октября 2011 г. Владимир Путин подписал распоряжение правительства № 17-56Р, где сказано: «ОДОБРИТЬ концепцию создания в Томской области Центра образования, исследований и разработок».

В распоряжении дано прямое указание министерствам финансов, экономического развития, транспорта, другим федеральным органам исполнительной власти руководствоваться данным документом при формировании бюджетов этих ведомств и утверждении федеральных целевых программ. Это дает гарантию серьезных федеральных бюджетных инвестиций. Правительство одобрило целую концепцию, включающую переход к инновационному типу экономики; создание научно-образовательных комплексов; создание инновационных инфраструктур; создание инновационных предприятий; развитие инновационного предпринимательства - за счет частного, а не бюджетного капитала; создание условий для жизни и работы.

Все это создает на территории нашей области уникальный комплекс факторов, конкурентных преимуществ и огромный потенциал для дальнейшего приоритетного развития региональной инновационной системы, региональной экономики нового типа.

Потенциальные покупатели в г. Томске: