Jan Kielczyk

Komentarze

Transkrypt

Jan Kielczyk
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
Radiografia mikroogniskowa
Jan Kielczyk
Energomontaż-PółnocTechnika Spawalnicza i Laboratorium
Sp. z o.o. Warszawa
1. Wstęp
W badaniach radiograficznych wymiar ogniska lampy rentgenowskiej jest źródłem
nieostrości geometrycznej i powinien być możliwie mały. W aparatach do rutynowych badań
waha się zwykle w granicach 2-4 mm. Przy mniejszych wymiarach ogniska mniejsza jest
moc cieplna lampy, co powoduje wydłużenie czasów ekspozycji. Większy wymiar ogniska
rekompensowany jest, dla utrzymania małej nieostrości geometrycznej, zwiększeniem
odległości ogniskowej, co również zwiększa czas ekspozycji. Odległość obiektu od detektora
powinna być możliwie mała.
Celem uwidocznienia na otrzymanym obrazie bardzo małych szczegółów stosuje się
technikę projekcyjną, polegającą na celowym zwiększeniu odległości obiektu od detektora.
Uzyskuje się powiększony obraz szczegółu, a powiększenie oblicza się ze wzoru:
V
FFA f  b

f
f
(1)
FFA
b
f
ug
d
obiekt
obraz
obiektu
Rys. 1 Zależności geometryczne
Wraz z powiększeniem wymiarów obiektu następuje również powiększenie nieostrości
geometrycznej, i aby uzyskać dobrą wykrywalność szczegółów, wymiary ogniska powinny
być bardzo małe.
2. Zasady radiografii mikroogniskowej
Zgodnie z definicją podaną w p. 2.87 normy PN-EN 1330-3 radiografia
mikroogniskowa jest to radiografia z zastosowaniem lampy rentgenowskiej o bardzo małym
ognisku, którego wymiar jest mniejszy niż 100 µm. Zwykle używana do bezpośredniego
23
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
geometrycznego powiększenia obrazu w wyniku rzutowania .Im wymiary ogniska będą
mniejsze, tym mniejsza jest moc cieplna anody. Dla tarczy wykonanej z wolframu
dopuszczalne obciążenie cieplne na jednostkę powierzchni wynosi 150 do 350 W/mm2.
W lampach mikroogniskowych, wskutek zmiany warunków odprowadzania ciepła z
tarczy anody, dopuszczalne obciążenie cieplne jest dużo większe i może osiągać wartości do
106 N/mm2, jednak natężenie promieniowania w aparatach mikroogniskowych jest mniejsze
niż w tradycyjnych i należy stosować bardziej czułe detektory i małe odległości aparatu od
detektora. Oprócz wysokoczułych błon jako detektory stosuje się pamięciowe, luminoforowe
płyty obrazowe lub detektory typu płaski panel, szczególnie w zastosowaniach do tomografii
komputerowej.
Stosowane powiększenie projekcyjne nie może być przyjmowane dowolnie. Przy zbyt
małym powiększeniu obraz posiada zaniżoną rozdzielczość, przy zbyt dużym występuje
nadmierna nieostrość geometryczna. Teoretycznie optymalna wartość powiększenia
projekcyjnego występuje wtedy, gdy nieostrość geometryczna równa jest nieostrości
wewnętrznej błon lub wartości podziałki piksela dla detektorów cyfrowych.
ognisko
obiek
t
podziałka
piksela ‘p’
Nieostrość ‘Ug’= p
Rys.2 Wykres powiększenia projekcyjnego
Gdy znana jest odległość b ogniska od detektora, obliczana jest odległość ogniska do obiektu
z następującego równania:
a f
b
p  f 
(2)
gdzie:
p - podziałka piksela
f - wymiar ogniska
Wymiar ogniska powinien być wymiarem rzeczywistym, a nie przyjętym z
dokumentacji producenta, który zwykle podaje zaniżoną wartość. Rzeczywisty wymiar
ogniska można pomierzyć eksperymentalnie, tak jak przedstawia to Rys. 3.
24
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
Wymiar ogniska ‘f’
125 µm
Pb
Nieostrość ‘Ug’
Rys. 3 Układ do pomiaru wielkości ogniska
Stosowana jest płyta ołowiana o grubości 125 µm z ostrą krawędzią, położona blisko
ogniska, aby uzyskać wysoką wartość nieostrości geometrycznej. W wyniku ekspozycji
uzyskuje się obraz, na którym zmierzona jest wartość nieostrości ug. Wymiar ogniska oblicza
się ze wzoru:
f Ug 
a
ba
(3)
Poniżej podany jest przykład aparatu rentgenowskiego posiadającego zmienny wymiar
ogniska. Poniżej podane są dokumentacyjne wymiary ogniska, a obok wymiary uzyskane w
wyniku opisanego powyżej pomiaru.
• małe 5µm – 20 µm
• średnie 20µm -65 µm
• duże 50µm – 75 µm
Gdy znany jest faktyczny wymiar ogniska, z równania (2) można obliczyć optymalną
odległość ogniska od obiektu. Optymalną wartość powiększenia projekcyjnego (PP) można
obliczyć ze wzoru:
PP 
b
a
(4)
Jeśli zastosuje się zbyt małe powiększenie, rozdzielczość otrzymanego obrazu jest
ograniczona przez podziałkę piksela detektora, przy zbyt dużym powiększeniu wysoka będzie
nieostrość geometryczna. Rys. 4 demonstruje tą zasadę.
25
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
Powiększenie projekcyjne
Rys. 4 Optymalna wartość powiększenia projekcyjnego
Przy zbędnie dużym powiększeniu zmniejsza się efektywny wymiar obrazowania na
detektorze i nie ujawnia się więcej szczegółów obrazu.
Aby udowodnić teorię o optymalnej wartości powiększenia projekcyjnego, wykonano
ekspozycje wskaźnika jakości typu podwójny pręcik wg. EN 462-5 dla szerokiego zakresu
powiększeń projekcyjnych. Profil pręcików był mierzony na parze pręcików o najmniejszych
wymiarach. Rys. 5 pokazuje obrazy radiograficzne tej pary przy różnych wartościach
powiększenia.
PP zbyt małe. Para widoczna
jako pojedynczy pręcik.
Optymalna wartość PP
Dobrze widoczne oba
pręciki.
PP zbyt duże. Nieostrość
geometryczna spowodowała
rozmycie obrazu pręcików.
Rys. 5 Obrazy radiograficzne pary najcieńszych pręcików
Powyżej opisane badania przeprowadzone zostały z użyciem aparatu rentgenowskiego z
ogniskiem o wymiarze 75 µm przy napięciu 150 kV i prądzie 0,5 mA. IQI ułożony był na
płycie stalowej o grubości 10 mm. Zastosowany detektor cyfrowy Ajat SCAN 300 z
wielkością piksela 100 µm.
26
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
3. Przykłady zastosowania mikroogniskowego aparatu rentgenowskiego
3.1 Mikrotomografia komputerowa (Micro-CT) do badania małych obiektów
Obecnie mikrotomografia komputerowa stała się podstawowym narzędziem w przemyśle
półprzewodników i elektronicznym do wykrywania i lokalizacji wad małych wymiarów, jak
techniki upakowania wysokiej gęstości i struktury multiwarstwowe. Rys. 6 ilustruje schemat
typowego systemu Micro-CT.
Rys. 6 Schematyczny rysunek typowego systemu Micro- CT
System składa się z nieruchomego aparatu rentgenowskiego, nieruchomego detektora
typu płaski panel i manipulatora do przesuwu i obrotu badanego obiektu. Powiększenie
systemu jest regulowane przez zmianę odległości między obiektem i źródłem. Badany obiekt
wykonuje albo pełny obrót, albo obraca się o kąt 1800 plus kąt wiązki wachlarzowej i obrazy
projekcyjne są otrzymywane są przy równych przyrostach kątowych.
Badaniu poddano płytkę półprzewodnikową aparatu słuchowego i cienką wiązkę
przewodów elektrycznych. Płytka ma kształt prostokąta o wymiarach 3,8 x 5 mm. Wiązka
przewodów ma średnicę ok. 1 mm i składa się z 16 drutów metalowych zamkniętych w
plastikowej rurce. Zastosowano mikroogniskowy aparat rentgenowski o wymiarach ogniska
1-2 mikronów przy mocy 1-3 W i bezpośredni detektor cyfrowy (DDD-Model Paxscan
2520) o aktywnej powierzchni 179x234 mm. Obróbka danych jest dokonywana za pomocą
programu Matlab.
Aparat słuchowy był skanowany przy napięciu aparatu 115 kV i prądzie 13 µA, odległość
źródło-obiekt wynosiła 15,58 mm, a powiększenie projekcyjne 44 razy. Wiązka drutów
przewodu elektrycznego była skanowana przy napięciu 108 kV, prądzie 7 mA i odległości
źródła od obiektu 10 mm. Uzyskano powiększenie 68 razy. Rys. 7 przedstawia projekcję 2D
płytki aparatu słuchowego, a Rys. 8 obraz skanowanej wiązki drutów przewodu
elektrycznego.
Rys. 7. Projekcja 2D płytki aparatu słuchowego
27
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
(a)
projekcja 2D; (b) sinogram jednej warstwy wiązki; (c) zrekonstruowany obraz warstwy z (b)
Rys. 8. Obraz skanowanej wiązki drutów elektrycznych
3.1 Laboratoryjny rentgenowski system nanotomografii komputerowej
(Nano-CT)
Stosując nowoczesne technologie produkcji aparatów rentgenowskich, precyzyjną
mechanikę i czuły system detekcji, skonstruowano laboratoryjny skaner rentgenowski do
obrazowania mikrostruktury obiektów z 3-wymiarową izotropową rozdzielczością
przestrzenną rzędu 150-200 nm. Działanie systemu oparte jest na tej samej zasadzie, co
kliniczne skanery CT lub inne systemy micro-CT. Przedmiot obracany jest wewnątrz wiązki
promieniowania rentgenowskiego, a kamera CCd zbiera setki lub tysiące kątowych projekcji,
co umożliwia rekonstrukcję trzywymiarową mikrostruktury w pamięci komputera przy użyciu
algorytmów projekcji wstecznej.
Różnice nowego systemu w porównaniu do wcześniejszych urządzeń micro-CT,
pozwalające na uzyskiwanie submikroskopowych rozdzielczości, oparte są na innej fizyce
tworzenia kontrastu i specjalnym doborze elementów systemu.
Skaner, pokazany na Rys. 9, posiada kompaktową konstrukcję i osłonę pochłaniającą
promieniowanie rentgenowskie, co pozwala na obecność obsługi w pobliżu pracującego
skanera.
Rys. 9 Laboratoryjny skaner nano-CT
28
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
Lampa rentgenowska z submikronowym wymiarem ogniska posiada katodę z LaB6 i
dwie elektromagnetyczne soczewki ogniskujące. Rozdzielczość tego aparatu w porównaniu
do „standardowego” aparatu mikroogniskowego pokazana jest na Rys. 10 przez porównanie
obrazów wzorca rozdzielczości wykonanego przez firmę XRadia.
Rys. 10 Porównanie rozdzielczości źródeł rentgenowskich: mikroogniskowe źródło rentgenowskie (po
lewej) i źródło rentgenowskie w systemie nano-CT ( po prawej)
Detektor zawiera 12-bitową 1280x1024 pikseli cyfrową kamerę CCD połączoną
bezpośrednio z PC. Ważnym elementem urządzenia jest system pozycjonowania i obrotu
obiektu X-Y-Z. Przeprowadzono skanowanie drutu platynowego (Pt) o nominalnej średnicy
600 nm. Rys.11a pokazuje obraz drutu położonego na oknie sita z otworami 5x5 µm. Rys.
11b pokazuje dwuwymiarowy obraz cienia drutu obok pręta z Ag, a Rys. 11c
zrekonstruowany przekrój drutu z Pt.
Rys.11 Obraz drutu Pt
Innym przykładem pokazanym na Rys. 12 jest rekonstrukcja wewnętrznej struktury próbki z
papieru przedstawiona w formie trzech ortogonalnych przekrojów próbki. Próbki skanowano
z izotropowym wymiarem voksela 360 nm. Czas skanowania dla całej objętości 40 minut.
29
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
Rys.12 Rekonstrukcja trzech ortogonalnych przekrojów próbki papierowej
3.3 Zastosowanie w klasycznej radiografii
Aparat rentgenowski z wydłużoną anodą o średnicy 9 mm z napięciem 150kV i
prądem żarzenia 0.1 mA posiada wymiar ogniska < 0.1 mm. Stosowany do kontroli połączeń
spawanych typu rurka- dno sitowe w wymiennikach typu płaszczowo-rurowego. Bardzo małe
odległości ogniskowe pozwalają na stosunkowo krótkie czasy ekspozycji.
4. Przykłady aparatów mikroogniskowych
4.1
THALES ELECTRON DEVICES – Francja
Hawkeye 130
Zakres napięcia: 40-130 kV
Zakres prądu anodowego: 10-400µA
Moc: 30 W
Wymiar ogniska: (małe-10W) 5-7 µm
(duże-30W) 20 µm
Materiał tarczy: wolfram
Minimalna odległość źródło-obiekt: 13,5 mm
Masa: 15 kG
30
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
4.2 HAMAMATSU- Japonia
L9421-90 kV
Zakres napięcia:20-90 kV
Zakres Prądu: 0-200 µA
Moc: 8W
Wymiar ogniska: 5µm dla 4W
7µm dla 8W
Odległość ognisko-obiekt: 9,5mm
Materiał tarczy: wolfram
Masa: 10 kG
4.3 HAMAMATSU-Japonia
L9631-110kV
Zakres napięcia: 0-110 kV
Zakres prądu: 0-800 µm
Moc: 50 W
Wymiar ogniska: 15-80 µm
Materiał tarczy: wolfram
Ciężar: 10 kG
4.4 Thermo –USA
PXS 10
Zakres napięcia: 25-130 kV
Prąd: 0,356mA dla 45 kV
0,123mA dla 130kV
Moc maks. 16 W
Wymiar ogniska: 5µm przy 2W
6µm przy 4W
9µm przy 4W
21µm przy 16W
Materiał tarczy: wolfram
Masa: 34 lbs
Odległość ognisko-obiekt: 14mm
4.5 WÄLISCHMILLER-Niemcy
RayScan 200
Zakres napięcia: 10-225kV
Wymiar ogniska: 3-250kV
Wymiar badanego obiektu Ø/H: 1-1500mm
31
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2008”
25 - 27 sierpnia 2008 r
4.6 TSNK Laboratory- Rosja
Charakterystyka RE100 RE150 RAP100 RAP150 RAP150
techniczna
MN
MN
MN
MN
MS
Zakres
20-100 20-150 20-150
20-150
20-150
napięcia kV
Wymiar
0,05
0,06
0,05
0,06
0,02
ogniska mm
5
RAP
300M
RAP
300MR
100-300
100-300
0,03
0,02
Literatura
1. PN-EN 1330-3;
2. Jezierski G. Radiografia przemysłowa Wyd. WNT 1993;
3. Blakeley B. Digital Radiography for the Inspection of Small Defects. ECNDT2006 Berlin;
4. Liu T. Micro-CT for Minute Objects with Central Ray Determined Using the Projection D
Data of the Objects. ECNDT2006 Berlin;
5. Sasov A. Laboratory X-ray Nano-CT System. ECNDT2006 Berlin;
6. Materiały z wystawy aparatury na ECNDT2006 Berlin.
32

Podobne dokumenty