Привет, Хабр! Спустя много лет режима ReadOnly, решила зарегистрироваться, чтобы рассказать о своем опыте работы с промышленным томографом. Когда люди узнают, что я занимаюсь компьютерной томографией, то обычно задают два вопроса: первый - «Это неопасно? Там же излучение и всё такое….», а второй - «Можно у тебя флюорографию сделать?». Дальше я объясняю, что для меня это точно безопасно, а вот для вас – вряд ли. Флюорографию, конечно, сделать можно, но только один раз. Потому что я работаю не с медицинским томографом, а с промышленным. После этого обычно следует еще целый ряд вопросов…
Вопрос третий: «А промышленный – это как?»
Промышленный томограф – это тот же томограф, только более мощный, так как предназначен для исследования промышленных изделий (сборок, отдельных деталей). Он позволяет заглянуть внутрь различных объектов, рассмотреть структуру, выявить пустоты или включения, обнаружить трещины или поры. Например, можно «просвечивать» сталь, медь, любые другие материалы. А полученные в итоге томограммы просматривать послойно, как бы «перемещаться» сквозь 3D модель.
Вопрос четвертый: «А зачем это нужно?»
Смотря, какая задача стоит. Но если «в двух словах», то в основном это нужно для выявления «слабых мест» у объекта. Допустим, вы стали замечать, что большинство рекламаций на вашу продукцию касаются того, что быстро отламывается или деформируется какая-то часть. Вы решаете провести работу над ошибками, но ничего не находите, так как не можете заглянуть внутрь объекта, не сломав его при этом. В таком случае на помощь приходят технологии неразрушающего контроля: томография, ультразвук, микроскопия, координатные измерения.
Глядя на снимок, можно полностью увидеть внутреннюю структуру материалов: все поры, трещины, включения и т.д. Если мы видим на каком-то участке объекта трещины, то нетрудно догадаться, что именно здесь он и сломается.
Также можно увидеть пустоты и рассчитать их процентное соотношение. Некоторые компании даже задают максимальный предел по наличию пустот: то есть суммарный процент этих пустот не должен превышать допустимый предел. Иначе вещь считается уже слишком хрупкой, то есть по сути – бракованной, хотя внешне она будет выглядеть вполне себе целой и невредимой.
Еще можно проконтролировать размеры внутренних элементов. Например, скрытые каналы охлаждения можно проверить не только на предмет засоров, но и определить их диаметр, соответствие САПР и т.д.
Данный образец был напечатан на 3D принтере. Критически важным здесь является углубление под разъём в центре, так как детали должны совпадать абсолютно точно. После сканирования детали мы накладываем сверху оригинальную модель и проводим анализ отклонений в геометрии. Всё, что на рисунке выделено зелеными перпендикулярными линиями - точное попадание. Различная длина этих линий показывает величину отклонения от оригинальной модели.
Вопрос пятый: «И что с этим дальше делать?»
Как правило, такие исследования позволяют вовремя внести корректировки в процесс изготовления изделия, что впоследствии значительно экономит заказчикам время и деньги. Порой для этого достаточно изменить настройки 3D-принтера (если деталь была напечатана), а иногда приходится менять технологию производства или вносить конструктивные изменения. Но в конечном итоге, это всё способствует повышению уровня качества выпускаемых изделий. А для таких отраслей, как авиакосмическая, транспортная, военная промышленность, этот пункт является критически важным.
Вопрос шестой: «А почему нельзя просто разобрать и посмотреть, что внутри?»
Иногда это просто невозможно сделать. Например, если это цельное изделие, а не сборное. Сейчас очень много изделий с нестандартной индивидуальной формой, включающей в себя сложные внутренние каналы. То есть мы не сможем распилить его на тонкие слои и посмотреть, какой из каналов где-то сужается/расширяется и насколько. А с помощью томографии – сможем, виртуально.
Бывают и такие случаи, когда нужно произвести контроль стыковки деталей, то есть само изделие разбирать нельзя.
Или, допустим, изделие сборное, то есть разобрать его можно, но велика вероятность, что в процессе разборки что-то сместится или выпадет. Как, например, было в случае с заклинившим ремнем безопасности. Заказчик попросил «просветить» катушку и посмотреть, что там случилось.
Увидев расположение внутренних элементов, заказчик сразу понял причину проблемы. Саму катушку разбирать не пришлось.
Вопрос седьмой: «А что еще с ним можно делать?»
Компьютерный промышленный томограф позволяет также выполнять обратное проектирование деталей и печатных плат без их физического разрушения. ПО для обработки данных томографии содержит модули координатных измерений, обратного проектирования и коррекции геометрии.
Если, допустим, у заказчика есть старые образцы изделий, и ему потребовалось вновь начать их выпуск, при этом никаких чертежей и данных у него не сохранилось, то реверс-инжиниринг позволяет решить эту проблему, опять же не разбирая и не разрушая самих изделий.
За 5 лет работы в Центре технологий неразрушающего контроля я и мои коллеги провели больше 150 исследований объектов из самых различных отраслей. Про большинство из них, к сожалению, рассказывать нельзя, так как нами подписаны кипы бумаг про неразглашение «военной тайны». Каждый новый проект не похож на предыдущий. Сегодня сканируем микросхемы, завтра - огромную отливку или часть турбины. Всегда интересно демонстрировать результаты томографии заказчикам, которые ещё не знают, насколько широкий спектр возможностей у данного метода исследования.
Если эта тема окажется интересной и вам, с удовольствием раскрою её подробнее в следующих публикациях.
Комментарии (51)
Sdima1357
02.01.2022 13:57+4Промышленный томограф – это тот же томограф, только более мощный
Это неправда. У промышленного томографа шире интервал напряжений , обычно до 500kV( у медицинского до 140 kV). С мощностью это никак не связано. Как правило наоборот, медицинские значительно мощнее , до 120 киловатт, против нескольких киловатт(а чаще десятков ватт с микрофокусом) у дефектоскопов. Причем, судя по картинкам, это однозначно сканнер с микрофокусом (меньше 0,2 мм), а у них в принципе низкая мощность. Это связано с ограничениями на отвод тепла от анода рентгеновской трубки
Gritsuk
02.01.2022 14:39+2Думаю, имелась в виду энергия излучения, так что 500 килоэлектрон-вольт таки «мощнее», чем 140 :)
Sdima1357
02.01.2022 14:54+10энергия излучения
Не, это энергия единичного фотона. Причем максимальная.
А вообще на Хабре :) , энергия в джоулях, а мощность в ваттах .
alexzeed
03.01.2022 10:54+2Эх, это в этих ваших старинных учебниках так. А на Хабре давно энергия в киловаттах, а мощность в кВт/ч! Сам видел :)
AndreyDmitriev
03.01.2022 13:25+1Вот только не кВт/ч, а кВт*ч. Вообще это универсальная единица, в которую нынче можно перевести всё что угодно, дело лишь в подходящей фундаментально-эмпирической константе. Вот, к примеру, мегабайты запросто переводятся:
Чтобы вычислить число кВт*ч, умножьте общее количество мегабайтов <...> на 0,0023.
Это не я придумал, это вот отсюда, из курса "Принципы устойчивой программной инженерии":
googoosik
02.01.2022 16:04Хм. В статье было упомянуто, что ведется работа с металлами. Я не специалист в рентгенографии, но помоему такая задача сложнее, чем "просветить" наше мягкое тело -> рентеговская трубка нужна мощнее.
Первая ссылка в гугле к сожалению информации о мощности не дала, но вот вторая и третья:
250кВ - https://mega-nk.ru/ftpgetfile.php?id=47&module=files
до 450кВ- https://sntf.ru/catalog/promishlennaya_tomografiya/promyshlennyy-mikrofokusnyy-tomograf-d2/
primogengrout
02.01.2022 19:47Есть график зависимости напряжение - толщина/материал металла.
В целом в медицинском (до 150 кВ) диапазоне можно просмотреть до 10 мм стали
primogengrout
02.01.2022 20:04+2В целом да.
Микрофокус редко где больше 100 Вт даёт.
Однако есть технология микрофокуса с жидким анодом, помпа качает жилкий металл и можно вбухать в фокус большую мощность
AntoBro
03.01.2022 15:36С мощностью это никак не связано.
Ещё как связано
-
Это можность установки
P=I*U* cos ф
электроны ускоряются разницей потенциала(напряжением) , чем выше напряжение, тем энергия (кинетическая) выше. Чем выше Ек, тем выше энергия ри (там ещё длина волны уменьшается Лямбда~1/U, проникающая способность увеличивается)
максимальная энергия ренгеновского излучения в кЭВ численно равна напряжению на аноде (Ua) ренгеновской трубки в кв, а Есреднее=Ua/ (1+0,7*Re)
Re-спектральное разрешение РИНу а чем выше энергия, тем выше мощность dE/d(t)
Энергия излучения рентгеновского источника в аппарате для дефектации ТВЭЛ от 100 ÷ 150 кэВ
Sdima1357
03.01.2022 16:37+1Это не энергия излучения, а энергия отдельных фотонов. А мощностью будет произведение средней энергии фотонов на их количество в единицу времени и это будет составлять меньше процента от мощности трубки, которая есть произведение проходящего через нее тока на напряжение. Что тут не понятно?
AntoBro
04.01.2022 00:20Мне все понятно.
Вам нет. Фантазии с кол-вом фотонов: это фантазии.
Мощность гидроэлектростанции "это произведение средней потенциальной энергии молекулы воды, помноженное на их кол-во ( молекул) в единицу времени"
Занятное мировоззрение.
Определение Макс. Энергии ри- это от разработчиков
Зачем это "Что тутне понятно?"
Зы. + от меня, за оригинальность.
Sdima1357
04.01.2022 00:49Медицинский сканер 140 киловольт на 800 миллиампер - это 112 киловатт.
Дефектоскоп 420 киловольт на 10 миллиампер это 4.2 киловатта.
Какой из них мощнее ?
У фотонов нет мощности. Есть только энергия
Сорри, но мне лень объяснять вам школьную физику. Откройте Википедию с определением мощности и энергии если вы уж пропустили это в школе...
AndreyDmitriev
04.01.2022 07:51Минуточку, тут есть одна тонкость. Формально вы правы, но медицинский сканер делает "чпок" своей сотней киловатт, и потом долго остывает, а промышленный дефектоскоп может сутки напролёт фигачить на своих четырёх киловаттах. В медицине даже и доза чуть иначе меряется - там используется пиковое значение напряжения kVp и эффективная доза в mAs (которую стараются всеми силами уменьшить). Если человека засунуть в промышленный томограф и просканировать как головку блока цилиндров, то он оттуда с радиационным загаром вылезет, не хуже чем из солярия. Я не помню точных цифр, но вроде в медицине типично получить единицы или десятки mAs, а в промышленности детальки получат сотни и тысячи.
Sdima1357
04.01.2022 09:09Рентгеновская трубка медицинского КТ сканера это фигня весом в 400 кило со вращающимся с большой скоростью анодом и может работать непрерывно. Дефектоскопы работают медленно и долго именно из-за маленького тока и медленного отвода тепла от анода. Вторая причина медленного сканирования у дефектоскопов это низкая эффективность сцинтиллятора детекторов на высоких энергиях фотонов у дефектоскопов. Третья причина -с ростом разрешающей способности (как правило она выше у дефектоскопов) необходимо больше проекций. Я 20 лет разрабатываю КТ медицинские сканеры . А вам , прежде чем писать чепуху, стоило хоть немного поинтересоваться вопросом и посмотреть параметры тех и других сканеров и их трубок и режимы сканирования. В Гугле ведь вас не забанили?
AntoBro
04.01.2022 15:11Сорри, но мне лень объяснять вам школьную физику. Откройте Википедию с определением мощности и энергии если вы уж пропустили это в школе..
kein Problem, entschuldige dich nicht....Тем паче вам и не под силу,даже если бы не лень
Медицинский сканер 140 киловольт на 800 миллиампер - это 112 киловатт.
Палатный аппарат KUB-250 ( KUB Technologies, Inc, США)
типичные режим работы аппарата составляют от 53 до 60 кВ, времени снимка не более 0,1 с и токе при этом 15-20 мА
Рентгенодиагностический аппарат NeoRay DR
напряжение до 80 кВ, обеспечивающим ток рентгеновской трубки до 10 мА.
времени снимка не более 0.1 до 30 мс
/ Дальше надо пояснять?
Не стоит жонглировать данными.
Какой из них мощнее ?
У фотонов нет мощности. Есть только энергия
1.О какой мощности идёт речь? ("кто мощнее")
-
о фотонах и мощности.
"бедная" лазерная указка излучающая мощностью 2 мВт и за 1 сек исторгающая из себя 4*10^15 штук фотонов длиной волны 400 нм
Еф=h*c/ лямбда
Еф*N=P*t
Pф=N*h*c/ (лямбда*1 сек)=N*h*c/ (лямбда)
ежели фотон один, то Р=h*c/ (лямбда)
Sdima1357
04.01.2022 18:04Палатный аппарат KUB-250
Где Вы нашли это смешной самовар ?
Вот СТ Сканеры
Simens
Из них по первой ссылке(типичный на сегодня сканер):
GE Discovery CT750 HD (я для него писал рекон). 100 киловатт (140 киловольт up to 800 миллиампер) 3 оборота в секунду около 1000 проекций на оборот (3000 fps!)
Промышленные томографы:
https://mega-nk.ru/i/cat/promyshlennaja-tomografija/promyshlennye-tomografy-nikon
Самый большой по ссылке
Максимальное напряжение (кВ)
450
Номинальная мощность (В)
450
Макс. частота
кадров10-30 fps
С фотонами даже обсуждать лень. Сначала написал тоже что и я , только из википедии и другими буквами. А в конце просто чушь. Мошность одного фотона в секунду? У Вас проблема с размерностями.
На сем заканчаваю, мне с вами нечего обсуждать, Вы тут откровенно плаваете.
-
-
Goupil
02.01.2022 14:12Металл на медицинском КТ обычно приводит к неприятным артефактам.Интересно, что приводит к артефактам на таких промышленных томографах?
Gritsuk
02.01.2022 14:37+3А вы не путаете КТ и МРТ? В случае МРТ металл, понятно, будет искажать картинку, а вот КТ — это же рентгеновское излучение, ему все равно на магнитные свойства материала в сканере.
Sdima1357
02.01.2022 14:46+11Дело в том что на типичных для медицинских томографов ~100 kV тяжелые металлы поглощают излучение почти полностью. Поэтому возникают заметные атрефакты, с которыми трудно бороться. Это связано с тем что поглощение примерно пропорционально третьей степени заряда ядра и обратно пропорционально энергии фотонов . Выглядит вот так https://www.researchgate.net/figure/Metal-streak-artifacts-due-to-the-presence-of-amalgam-dental-fillings_fig1_3136986
AndreyDmitriev
02.01.2022 15:28+6На промышленных всё тоже самое, что и на медицинских (если мы о рентгеновской томографии говорим) ведь физика и математика одна и та же.
На самом деле основными источниками артефактов являются прежде всего beam hardening (я не знаю, как правильно по-русски - увеличение жёсткости?) - тут суть в том, что низкоэнергетические фотоны поглощаются сильнее чем высокоэнергетические, особенно металлами. По понятным причинам мы не можем вдуть пациенту ту же дозу, которая требуется для просвечивания, скажем, головки блока цилиндров, отсюда и низкое качество картинки. Затем рассеянное излучение (scattered radiation) - это когда фотоны переотражаются на внутренней структуре объекта и деталях самого томографа, ну и дефекты детектора - там могут быть битые или "горячие" пиксели. Кроме того, требуется очень точное позиционирование объекта. Угловая ошибка при вращении приводит к нерезкости. Со всеми этими артефактами борются различными методами.
А что касается медицинских томографов, то они вполне себе успешно применяются в промышленности после небольшого тюнинга. Вот, к примеру промышленный томограф, который переделан из медицинского:
Там стол для пациента заменён, сверху надета кабина радиационной защиты с задвижкой, усилено охлаждение трубки, её параметры выкручены до предела, но внутри там крутится старая добрая Optima CT660.
primogengrout
02.01.2022 19:49К гигантским артефактам. Тема подавления артефактов на фоне пластика, например, уже десятки лет развивается. Куча алгоритмов модифицируются под это дело.
Грубо - чем больше проекций на полный оборот, тем меньше артефактов
Sdima1357
02.01.2022 20:46Грубо - чем больше проекций на полный оборот, тем меньше артефактов
Это очень грубо. Количество проекций должно быть примерно равно или больше количества семплов детектора по X. Грубо говоря, на краю FOV(восстанавливаемого объема), две соседних проекции одного пихеля детектора должны задевать один и тот же воксел FOV. Если проекций меньше - получите артефакты типа звездочка на краях. И это связано не с металлом. Просто с большими градиентами это заметней.
engine9
02.01.2022 15:04+1Интересно! Помню один хабраюзер сканировал винтажную немецкую радиолампу с металлическим баллоном.
https://www.youtube.com/watch?v=w-rYR2FQ1q8
AndreyDmitriev
02.01.2022 15:45+8Я как раз на этих новогодних праздниках объяснял детишкам принципы неразрушающего контроля и томографии в частности при помощи вот такого нехитрого учебного пособия из Лего:
Это томограф с С-Arm, трубка слева, детектор справа, четыре мотора. Высокое пока не включали, поскольку не доделали кабину радиационной защиты ;). В принципе и как 2D система мoжет использоваться.
Вообще идея была генерить из CAD модели детали на столике рентгеновскую картинку и показывать её на экранчике детектора, синхронизируя с положением осей. Может к весне доделаем.
Sdima1357
02.01.2022 15:52+1Не хватает anti-scatter grid на детекторе :)
объяснял детишкам принципы неразрушающего контроля
Я для начальства на blender-е делал
AndreyDmitriev
02.01.2022 16:07+3Такое я тоже делал, но когда можно потрогать — оно во сто крат нагляднее
primogengrout
02.01.2022 19:58Антискаттер только движущийся. Если Статик решетка - даст артефакты на КТ
vladimirfrost882
02.01.2022 16:04Некоторое время назад попробовал это дело для изучения содежимого металостеклянных корпусов микросхем. Не особенно вдохновил результат. Вот пластиковые скорее всего хорошо бы удалось разглядеть, но такой задачи не стояло.
SShtole
02.01.2022 17:36А на чём сейчас пишут для этих аппаратов визуализацию, в частности упомянутую послойную? Лет 15 назад в тренде был VTK, интересно, он всё ещё используется?
AndreyDmitriev
02.01.2022 18:05+3Всё ещё используется. Хотя сейчас VGStudio Max (volumegraphics.com) практически стандарт де факто в промышленности и используется как готовое решение для промотра и анализа данных. Я не смотрел дотошно на чём там сделано, но хорошо помню, что там лежали Qt библиотеки, по крайней мере в третьей версии. Ещё видел связку C#/WPF.
Radisto
02.01.2022 18:09А какова максимальная радиационная толщина у такого томографа (по стали)? Если по лучу миллиметров 200 будет, он сможет что-нибудь показать? Кажется, комптоновское рассеяние в этом случае будет сильным даже на 0,5 МэВ. А тяжелые металлы берет? Если объект контроля будет из свинцового сплава или вольфрама
primogengrout
02.01.2022 19:52+2Завихсит от напряжения. Ребята из Frauhofer на ускорителе делали полное КТ автомобиля легкового
AndreyDmitriev
02.01.2022 19:59+3Это зависит от оборудования (я не смотрел детально что у авторов используется - кажется что-то от Nikon). Но 200 мм так вот запросто в любом случае не получится. У меня под рукой к сожалению нет номограмм, но насколько я помню эмпирическое правило для стали нам потребуется минимум 100 кВ плюс где-то 8 кВ на каждый миллиметр материала. Типичные промышленные томографы комплектуются трубками 160/225/320 кВ, в редких случаях 450 кВ. 450-я трубка даёт возможность просветить где-то миллиметров 35-40. Тут ещё проблема в том, что нам надо получить приемлемое соотношения сигнал/шум - так что время сканирования тоже будет приличное.
Впрочем нет ничего невозможного - некоторые томографы комплектуются линейным ускорителем (LINAC), вот, к примеру на 9 МэВ:
Это комби система - там и трубка на 450 кэВ и ускоритель. Но результатов с него я не видел.
primogengrout
02.01.2022 20:01+1Снимки, как я понимаю, с Nikon? Или это демки из VGStudio?
Просьба написать параметры скана по каждому объекту: время, проекции, напряжение, материал, радиационная толщина
Ukaru
02.01.2022 20:23+1А это и в магазине вот так стенку можно приподнять?
Интересно насколько это дорого. Насколько доступно для реконструкторов и реверс инженеров мамкиных?
AndreyDmitriev
02.01.2022 20:41+1Тут разброс цен довольно большой. Что-то более-менее приличное начинается где-то от четверти миллиона. Совсем небольшие системы можно вероятно и сотни за полторы тысяч найти. Большие и специализированные системы - полмиллиона и выше, ну до миллиона долларов где-то.
primogengrout
02.01.2022 21:19Мы бюджетные продаем от 6 млн и до 12 млн середнячок, клоны Skyscan. Nikon да, от 30-40 млн вроде
primogengrout
02.01.2022 21:20+1Реверс обычно берут услугами, платят почасовую ставку за работу на томографе
rPman
02.01.2022 22:31а в цифрах, сколько будет стоить скан то? хоть какие то порядки, вот такой то сканер, такую то детальку из такого то материалла потребует столько то часов работы специалиста по таким то деньгам
primogengrout
02.01.2022 23:46+1Обычно 5-10 тыс/час
Прозрачная деталька в час уложится с анализом.
Любой металл или электроника от двух часов для норм картинки лучше
i_andreev
03.01.2022 01:15А какие у вас возможности дифференцировать материалы? Дерево от пластика например? Реально ли увидеть внутреннюю структуру волокон дерева или для рентгена это более-менее однородный материал?
primogengrout
03.01.2022 02:07+3Матрешка. Возможности как у всех - по яркости порогом бьётся гистограмма, дальше алгоритмы пытаются сегментировать 3д объекты
i_andreev
03.01.2022 02:16Спасибо за ответы!
по яркости порогом бьётся гистограмма
можете чуть-чуть развернуть фразу?
Насколько я понимаю, непосредственно измеряемой величиной является коэффициент поглощения, который в рентгене определяется зарядом ядра. Дерево и пластик состоят из сходных атомов (углерод, водород, кислород). Отсюда и вопрос, насколько можно их дифференцировать как друг от друга, так и по сортам дерева/пластика.
primogengrout
03.01.2022 02:26В медицинском и промышленном КТ используются разные схемы получения данных/математика.
Гуглим "преобразование Радона". В мед КТ это позволяет перейти к характеризации объектов через параметр "HU unit" он же шкала Хаусфилда, который бьётся с реальным коэффициентом поглощения вещества.
В пром КТ обычно используется схема КЛКТ (cone beam), она не позволяет вытянуть корреляцию с коэффициентом поглощения и вся сегментация только по шкале серого/гистограмме
Radisto
03.01.2022 17:57+1в пластике часто еще и наполнитель. окись титана совсем не редкость как показывают нехитрые эксперименты с рентгенофлуоресцентным анализатором. Да и окись свинца как оказалось экзотикой не является. какие-то пластики от дерева точно будут отличаться
Gritsuk
Спасибо, очень интересно, реквестирую дополнительные статьи.