高能工业CT原理－无损检测－CT检测

　　计算机断层成像技术 (CT) 是一种重要的无损检测技术 (NDT) ，是物理学与计算机科学的发展产物。基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，全面解决了传统X射线摄影装置的几个缺点（影像重叠，密度分辨率低等）。 CT 技术最引人瞩目的应用是在医学临床诊断领域，这种 CT 被称为医用 CT(MCT) ，医用 CT 技术已发展到第五代，即超高速动态三维 CT 。

　　工业 CT(ICT) 是计算机断层成像技术的工业应用，目前也是一种飞速发展的高技术。工业 CT 主要用于工业产品的无损检测和探伤，根据被检工件的材料及尺寸选择不同能量的 X 射线。 ICT 技术能紧密、准确地再现物体内部地三维立体结构，能定量地提供物体内部的物理、力学特性，如缺陷地位置及尺寸、密度的变化及水平 , 异型结构的形状及精确尺寸，物体内部的杂质及分布等。 ICT 的功能和特性在很多方面超过其他无损检测手段，如常规 X 光检测，超声检测，涡流检测技术。为航空、航天、兵器等工业领域的精密零部件的无损检测提供了新的手段。工业 CT 技术被国际无损检测届称为最佳无损检测手段。

　　工业 CT 系统中使用的射线源可分为 X 射线源和 γ 射线源，其中 X 射线源又可分为低能 X 射线源 (Kev 量级 ) 和高能 X 射线源 (Mev 量级 ) 。低能 X 射线一般从放射性同位素或 X 光管中获得，高能 X 射线主要从加速器 ( 高压加速器 , 电子直线加速器，回旋加速器等 ) 中获得，而 γ 射线源一般是从放射性同位素源例如 等 . 射线能量的高低决定了被检测工件的尺寸大小，因为射线能量越高，波长越短，穿透能力越强，同时射线能量也对成像质量产生重要影响。需要指出的是目前基于加速器的高能 X 射线工业 CT 系统国外是对我国严格禁运的，而对一些大型工件例如导弹，固体火箭发动机以及一些高密度特种材料（铀、钚等）的无损检测只能使用高能 X 射线 CT 。图 1 是典型的高能工业 CT 系统原理框图。

图 1

? ICT 系统与性能指标

4.1ICT 系统总体设计问题

　　工业 CT 的基本结构包括射线源、前后准直器、探测器、机械扫描装置、电子学系统与接口、计算机及外围设备、射线防护措施等。如图 20 所示。

　　射线源从能量上分，有低能 X 射线源－ X 射线管，高能 X 射线源－加速器；探测器的种类很多，性能差异较大，成本也有高有低。应根据不同的使用场合及检测指标选择合适的探测器。机械扫描装置（如回转检台）的性能－步进与旋转精度决定了射线扫描的精度，应使用高精度的交流伺服电机直接驱动机扫装置，当完成一个步长时，机扫装置一次步进或旋转动作完成，则发出触发加速器的指令，完成射线扫描。

　　电子学系统包括：前端数据采集与控制系统，后端图像处理系统。因此至少需要两台计算机来完成，一台是前端计算机负责数据采集、发送电机运动信号、并协调整个 CT 系统运转（包括系统监测，停机措施等）、还承担前后端的数据分离与校验。后端计算机主要承担图像重建运算和数字图像处理任务。在前端数据采集与控制系统中需防止高能 X 射线对数采及传输的影响，应使用高速数采板和光纤传输。对前端控制计算机可使用高性能的工业控制计算机及 Unix 操作系统。后端图像获取与处理系统视实际需要选择低端的微型计算机或高端的图形工作站。由于 CT 重建图像的计算量极其巨大，特别是检测大型工件获取全三维数字图像，若使用英特尔奔腾 III 处理器的计算机，大约需数小时。为了提高图像获取速度，一般使用具有特殊硬件处理能力的专用工作站。美国 BIR 公司生产的 ACTIS-6000 型 9Mev 工业 CT 则使用高速并行处理机作为图像处理系统，其一个切面数据量为 11 － 150Mbytes ，像素矩阵为 1024 × 1024 ，重建时间为 2.7-18.5 min 。此外对获取的 CT 影像的输出可用高质量的胶片输出设备、视频拷贝输出设备或高质量的激光打印输出设备； CT 影像的存储也是重要的一个环节，存储介质可用磁盘、光盘等，存储的数字影像可建成影像数据库，这对产品作数字化全寿命检查是必需的。

　　对获取的 CT 影像数据的后续处理多平面重组、交互可视化、图像的增强、逆向 CAD 处理技术、图像的缩放、旋转、镜像、锐化、平滑滤波、边缘提取、亮度 / 对比度调整、伪彩色处理以及对图像进行标注、编辑等。多平面重组技术是把一系列的 CT 图像组合起来，提取目标对象的空间信息，在此基础上重建出三维图形，获得矢状、冠状、斜面及曲线面的影像。根据重建目标，可分为体数据生成和表面生成两大类。而交互可视化技术矢最近新兴的一项技术，主要是把大量抽象的数据以及相互间的关系用图形、图像表示出来，达到直观、利于分析的目的，而且在用户和图形、图象数据间实现交互功能，使得用户可以按照自己的需要对图像进行各种操作，以提高更直观有效的视觉效果，提高信息的利用率，如图 21a,b 。

　　在整个高能 XCT 系统中，射线的防护措施必不可少。有两类一是对操作人员的，特别是对泄漏的（散射） X 射线会引起空气电离产生二次辐射的防护；二是对一些精密电子设备的防护，例如对探测器放大电路、数据传输的防护。图 21a,b 是两幅重组 3D 图像

4.2 高能 X 射线源

　　高能 X 射线源是指基于加速器的 X 射线源。加速器可分回旋加速器、直线加速器两种。回旋加速器作为 X 射线源的优点是电子束斑非常小（ 0.3 － 1mm ），缺点是体积，重量都比较大，不利于作便携式高能 X 射线源。直线加速器又可分为感应直线加速器 (LIA) 和射频直线加速器 (RFA) 。但由于 LIA 存在着流强度低、照射时间长、体积庞大、技术比较复杂的缺点，目前很多国家又研制并应用了 RFA ，采用 RFA 进行无损探伤更有发展前途， RFA 有辐射损失小、束流强度大、照射时间短的优点因此逐渐被广泛利用到工业无掘探伤上来。 RFA 的缺点是焦点比回旋加速器大一般在 1 － 4mm 左右，造价也较高。

RFA 按加速方式又可分为行波加速器和驻波加速器。两者各有优缺点 : 行波加速工作稳定，俘获系数高；但驻波加速器可以小型化，甚至可以做成便携式的。低能加速器一般使用驻波加速方式。图 22 是一台安装在机器手臂上的小型驻波加速器。

　　从波段上分目前驻波加速器大多采用 S 波段，最近出现了 C 波段及 X 波段的驻波加速器。 X 波段的突出优点是可以做成结构紧凑小巧的便携式加速器，同时又有分流阻抗高、建场时间短、加速梯度高、电场击穿阈值高的特点，缺点主要是腔体加工困难。文献 16 给出了一种 X 波段 2Mev 轴耦合驻波加速器的物理设计。其加速结构腔体尺寸内径