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工业CT技术参数对性能指标的影响
编辑:商辉自动化设备(上海)有限公司  时间:2017-06-20

工业CT技术参数对性能指标的影响


1 工业CT 的基本特点


1.1 工业CT 概述


CT 即计算机断层成像技术,是英语Computed Tomography 的缩写。而tomography 一词源于希腊字tomos,意思是一种能对单个平面照相,同时去除其他平面结构影响的X 射线照相技术。用传统人体透视方法,三维的人体沿X 射线的方向被压缩成了两维的图像,体内所有骨骼结构和组织都重叠在一起,使得感兴趣对象的清晰程度大为下降。这样尽管它有极好的空间分辨率(分辨紧邻的高反差物体的能力),可是最后只有很差的低反差分辨率(从背景上区分低反差物体的能力)。因此导致了传统断层成像技术的出现[8]。


传统断层成像的基本原理如图1 所示。先考虑病人体内两个孤立的点A 和B:A 点在焦平面上而B 点在焦平面以外。A 点和B 点投射到X 胶片上的阴影对应地标注为A1 和B1,如图 1(a)。这时胶片上生成的图像和传统照相完全没有区别,然后使X 射线源和X 胶片同步地沿相反方向运动(例如如图所示,X 射线源向左运动而X胶片向右运动)到第二个位置。我们要确保固定点A 生成的阴影A2 与A 点在第一位置生成的阴影A1 重合。这一点很容易通过设置X 射线源和X 胶片移动的距离,使它们正比于对A 点相应的距离来实现,如图 1(b)。然而固定点B 在第二位置生成的阴影B2 与B1 是不重合的。这就是因为B 点不在焦平面上,从B 点到X 射线源和B 点到胶片的距离比偏离了对A 点相应的距离比。当X 射线源和胶片沿一条直线(自然是相反方向)连续运动时,B 点生成的阴影形成了一个直线段,这个性质对焦平面以外上下的任何点都是适用的。应该注意到不聚焦的那些点生成的阴影强度降低了,这是由于阴影分布到一个扩展了的面积上。而所有焦平面上的点都保持了原来胶片上的图像位置,其阴影仍然是一个点,相应的强度没有减小。


图1 传统断层成像的原理

虽然这种断层成像技术在生成清晰的感兴趣平面的图像方面取得一些成功,但它们并没有增加物体的反差,也不能根本上去除焦平面以外的其他结构。明显损害了图像的质量。


现代断层成像技术——即CT,是基于从多个投影数据应用计算机重建图像的一种方法,现代断层成像过程中仅仅采集通过特定剖面(被检测对象的薄层,或称为切片)的投影数据,用来重建该剖面的图像,因此也就从根本上消除了传统断层成像的“焦平面”以外其他结构对感兴趣剖面的干扰,“焦平面”内结构的对比度得到了明显的增强;同时断层图像中图像强度(灰度)数值能真正与被检对象材料的辐射密度产生对应的关系,发现被检对象内部辐射密度的微小变化。事实上,低对比度可探测能力(LCD)是CT 和常规射线照相之间的关键区别。这也是CT 在临床上迅速得到接受的最主要因素。


需要强调的是,除了CT 技术以外的所有无损检测技术都没有这个能力。因为没有重叠结构的干扰,图像的解释要比传统射线照相容易得多。新的购买者能很快看懂CT 的结果因此从上世纪70 年代初英国EMI 出现世界上第一台医用CT 扫描设备以来,CT 技术一直迅速发展。现在CT 已成为最常用的临床诊断工具之一。而近年来螺旋CT 的出现又使这个技术前进一大步。


工业CT 的基本原理与医用CT 相同,因此也具有医用CT 所有的基本特点。其检测图像没有被检测的“切片”以外结构材料的干扰可发现检测对象内部极小的材料密度变化。同时图像的解释要比传统射线照相容易得多。


因此工业CT 也被广泛用来检查机械零部件内部结构或装配正确性,还可以用于非破坏测量零件内部尺寸。近年来,鉴于各种其他无损检测手段的大量研究没有得到令人满意的结果,工业CT 又被认为是检查毒品和爆炸物最有应用前景的手段。


值得注意的是CT 检测得到的是辐射密度分布图像,更专业一些应当称之为射线线性衰减系数的分布图像。由于在大多数情况下辐射密度与材料密度有近似的对应关系,人们往往把CT 图像误认为就是一般(材料)密度的分布图像。这种混淆在很多实际应用情况下并无很大害处,然而在精确定量分析检测结果时就有可能导致一些错觉。


由于检测对象的不同,工业CT 与医用CT 差别很大,以至从外表上几乎看不出多少相似的地方。医用CT 的检测对象基本上是人体或器官,材料密度和外形尺寸的变化范围相对比较小。但是工业CT 的检测对象就要广泛得多,从微米级的集成电路到超过一米的大型工件,从密度低于水的木材或其它多孔材料到高原子序数的重金属材料都是CT 检测对象;关心的检测要求从各类内部缺陷到装配结构和尺寸测量,也各不相同。这就使不同用途的工业CT 系统所用的射线源、射线探测器和系统结构很不相同,甚至工业CT 系统之间的外形也大不相同。从这个意义上说,理解工业CT 比理解医用CT 也许更加困难。


工业CT 的缺点是因为其技术复杂,设备价格相对高昂。设备的使用和维护相对难度也较大。另外重建断层图像需要采集的数据量庞大检测速度较慢。


1.2 工业CT 的主要部件和它们的特点


一个工业CT 系统至少应当包括射线源,辐射探测器,样品扫描系统,计算机系统(硬件和软件)等。


1.2.1 射线源的种类


射线源常用X 射线机和直线加速器,统称电子辐射发生器。电子回旋加速器从原则上说可以作CT 的射线源,但是因为强度低,几乎没有得到实际的应用。X 射线机的峰值射线能量和强度都是可调的,实际应用的峰值射线能量范围从几KeV 到450KeV;直线加速器的峰值射线能量一般不可调,实际应用的峰值射线能量范围从1 ~16MeV,更高的能量虽可以达到,主要仅用于实验。电子辐射发生器的共同优点是切断电源以后就不再产生射线,这种内在的安全性对于工业现场使用是非常有益的。电子辐射发生器的焦点尺寸为几微米到几毫米。在高能电子束转换为X 射线的过程中,仅有小部分能量转换为X 射线,大部分能量都转换成了热,焦点尺寸越小,阳极靶上局部功率密度越大,局部温度也越高。实际应用的功率是以阳极靶可以长期工作所能耐受的功率密度确定的。因此,小焦点乃至微焦点的的射线源的使用功率或最大电压都要比大焦点的射线源低。电子辐射发生器的共同缺点是X 射线能谱的多色性,这种连续能谱的X 射线会引起衰减过程中的能谱硬化,导致各种与硬化相关的伪像。


同位素辐射源的最大优点是它的能谱简单,同时有消耗电能很少,设备体积小且相对简单,而且输出稳定的特点。但是其缺点是辐射源的强度低,为了提高源的强度必须加大源的体积,导致“焦点”尺寸增大。在工业CT 中较少实际应用。


同步辐射本来是连续能谱,经过单色器选择可以得到定向的几乎单能的高强度X 射线,因此可以做成高空间分辨率的CT 系统。但是由于射线能量为20KeV 到30KeV,实际只能用于检测1mm 左右的小样品,用于一些特殊的场合。


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