автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Радионуклидная компьютерная томография объектов техники

УЛ ' ^

х/> I

(о<> ^Я^г/оГ^

'

Г ВеёрМссад институт технической физики

^ и //

и автоматизации

^гления ВАк I-

ОСС1

На правах рукописи УДК 620.179.15

Кузелев Николай Ревокатович

Научный консультант:

Добромыслов Валентин Александрович, д.т.н.

7

РАДИОНУКЛИДНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ

ОБЪЕКТОВ ТЕХНИКИ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Основные обозначения 4

Введение 6 Глава 1. Анализ современного состояния методов и средств компьютерной

томографии и особенностей контроля объектов техники 8

• Анализ научно-технических основ трансмиссионной КТ 11

• Анализ научно-технических основ эмиссионной КТ 16

• Обзор томографических систем для промышленности 19

• Анализ актуальных задач контроля объектов техники 22

• Выводы по главе 1 26 Глава 2. Развитие теории радионуклидной томографии применительно к контролю промышленных объектов 28

• Радиометрический метод регистрации 28

• Радиографический метод регистрации 29

• Радиоскопический метод регистрации 32

• Оценка точностных характеристик РКТ 36

• Анализ возможностей РКТ по выявлению дефектов 43

• Сравнение возможностей алгоритмов восстановления 45

• Выводы по главе 2 48 Глава 3. Исследование возможностей радионуклидной томографии при контроле изделий ответственного назначения 50

• Контроль распределения топлива в твэлах 50

• Комплексный контроль распределения топлива в твэлах 61

• Контроль наличия и расположения твэлов в ТВС 67

• Определение положения конструктивных элементов в объектах авиатехники 71

• Контроль распределения радиоактивных материалов в объектах 73

• Выводы по главе 3 82 Глава 4. Количественный анализ распределения материалов в объектах на основе данных радионуклидной томографии 84

• Обоснование количественного анализа распределения материалов 84

• Методика определения массы ядерного топлива в твэле 87

• Методика контроля содержания утяжелителя в многослойных объектах 95

• Методики и алгоритмы восстановления активности изотопов в объекте 102

• Выводы по главе 4 107 Глава 5. Разработка и исследование способов сканирования для оптимизации радионуклид ной компьютерной томографии 109

• Особенности современных сканирующих систем 109

• Нестабильность положения объекта и системы измерений 112

• Усовершенствования способов сканирования для повышения 116 производительности РКТ

• Усовершенствования способов сканирования для повышения точности РКТ 126

• Совместное использование интроскопии и томографии 131

• Выводы по главе 5 133 Глава 6. Разработка радионуклидных компьютерных томографов для

контроля объектов техники 137

• Специализированный томограф для исследования шаровых твэлов 137

• Специализированные системы для контроля стержневых твэлов 143

• Универсальные томографы-интроскопы 152

• Томограф для диагностики состояния высоконагруженных объектов 161

• Эмиссионный компьютерный томограф для исследования облученных твэлов 162

• Томографическая установка для контроля радиоактивных отходов 169

• Выводы по главе 6 171 Глава 7. Исследование возможностей расширения областей применения радионуклидных систем компьютерной томографии 173

• Направления исследований теории и практики РКТ 173

• Применение РКТ для контроля объектов газопроводов 180

• Применение РКТ для исследования геологических объектов 186

• Выводы по главе 7 190 Основные результаты работы 192 Список литературы 196

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

РКТ

ткт экт

твэл ТВС

/М Р(г,<р)

1(г,<р) 1о

Цг,<р)

Жх>у)

м(х,у) Р*(г,(р) Я

А(г) МххЫу

0(*,У) Р(х,у)

ш

м

к

Лг

радионуклидная компьютерная томография, трансмиссионная компьютерная томография, эмиссионная компьютерная томография, тепловыделяющий элемент атомного реактора, тепловыделяющая сборка атомного реактора, функция описывающая распределение материала в объекте, проекция функции /(х,у),

интенсивность излучения, прошедшего через объект или испускаемого источниками, находящимися внутри объекта,

интенсивность излучения внешнего источника, при отсутствии объекта,

траектория по которой проводятся измерения 1(г,<р),

функция описывающая распределение линейного коэффициента ослабления материала объекта,

восстановленное значение линейного коэффициента ослабления, отфильтрованная проекция функции /(х,у), радиус области восстановления томограммы, функция фильтра,

размеры томограммы (восстанавливаемой цифровой матрицы),

функция описывающая распределение активности излучателей в объекте,

функция описывающая распределение плотности материала в объекте, массовый коэффициент ослабления материала объекта, масса компонента (металла) в материале объекта, число измеряемых проекций, число измерений в проекции,

шаг линейного перемещения объекта (системы источник- детектор),

Дф - шаг поворота объекта (системы источник детектор) вокруг оси,

/г - ширина коллиматора (регистрируемого потока излучения),

(уц - среднее квадратическое отклонение восстановленных значений

томограммы,

Ау(х,у ~ величина отличия коэффициента ослабления дефектной области и

основного материала, ее - отношение сигнал/шум - отношение коэффициента ослабления

дефектной области к величине сг/л $ - чувствительность - отношение восстановленных и истинных разностей

коэффициентов ослабления дефектной зоны и основного материала, 0 - относительная величина систематической составляющей погрешности

восстановления /г(х,у),

§ - относительная величина случайной составляющей погрешности

восстановления ]й(х,у).

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших направлений в обеспечении качества изготовления, надежности при эксплуатации, предупреждении аварий объектов техники является разработка и внедрение современных методов контроля и диагностики. При этом во многих случаях необходимо применение неразрушающего контроля, в том числе радиационных методов контроля внутренней структуры объектов (рентгенографии, интроскопии, компьютерной томографии).

Совершенствование технологии изготовления изделий требует создания средств контроля с повышенной точностью и информативностью. Предупреждение аварийных ситуаций в сложных современных агрегатах уже нельзя гарантировать традиционными методами контроля, и нужна разработка новых средств. Для детальных исследований объектов (структуры, оценки размеров и положения дефектов, отклонений геометрии) в мировой практике рассматривается как чрезвычайно перспективное применение компьютерной томографии. Компьютерная томография является одним из самых информативных методов неразрушающих исследований и позволяет получить изображения внутреннего строения объекта контроля по слоям (поперечным сечениям).

Повышение информативности и точности средств неразрушающего контроля особенно актуально для в ысо ко нагруженных деталей и узлов сложных промышленных агрегатов, эксплуатация которых ведется в экстремальных условиях работы и требует обеспечения безопасности для персонала и окружающей среды. Эта задача важна для большинства объектов атомной энергетики и авиокосмической техники. Причем в этих областях техники объекты из высокоплотных материалов (сталь, свинец, вольфрам, уран, плутоний и т.п.) составляют до 80% среди всех подлежащих контролю, и в целом ряде случаев применение традиционных методов дефектоскопии малоэффективно или невозможно. Например, наличие в объектах корпусов, оболочек, слоев из материалов сильно, ослабляющих излучение, и в тоже время необходимость выявлять детали из слабопоглощаю-щих материалов типа пластмасс или резины, контролировать разрушения металлических слоев в органопластиках часто затрудняют применение рентгеновских методов.

Первой задачей при контроле указанного класса объектов является оптимальное сочетание точностных характеристик и производительности, так как часто не требуется достижение предельных параметров средств контроля, а необходимо выявлять значимые с позиций эксплуатации изделий дефектов. Например, для тепловыделяющих элементов

(твэлов) атомных реакторов разрешение средств контроля будет определяться требованиями по неравномерности распределения топлива, определяемыми теплофизическими параметрами работы твэла в реакторе.

Второй задачей контроля является необходимость получения количественной информации о материалах объекта контроля. Для топливных элементов - это плотность или масса ядерного топлива, для композитных материалов авиатехники - содержание отдельных компонент материале объекта.

Третьей чрезвычайно важной задачей является контроль распределения активности нуклидов внутри опасных энергетических объектов. В данном случае сам объект является источником ионизирующих излучений. Такими являются контейнеры с отходами ядерных производств и атомных станций.

Рассмотрение указанных задач показало, что в сравнении с решениями, используемыми как в промышленной рентгеновской, так и в медицинской компьютерной томографии, имеется спектр новых возможностей развития теории и практики радионуклид-ной компьютерной томографии (РКТ) для контроля объектов техники.

Более высокая проникающая способность гамма - излучения обеспечивает расширение номенклатуры исследуемых объектов. Стабильность и монохроматичность энергий излучения большинства нуклидов являются основой для получения количественной информации о массе материалов внутри объекта по результатам РКТ, причем как в трансмиссионном, так и в эмиссионном вариантах.

В сравнении с рентгеновской томографией стабильности результатов при РКТ будет способствовать высокая равномерность распределения плотности потока излучения от радионуклидного источника, причем практически не существует ограничений по геометрии пучка. Последний факт является важной предпосылкой в части повышения производительности контроля как за счет формирования широких пучков, так и контроля одновременно нескольких объектов при использовании одного источника излучения.

В соответствии с вышеизложенным развитие теории и создание методических и технических основ радионуклидной компьютерной томографии объектов техники является актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, решение которой способствует повышению качества материалов и изделий, надежности агрегатов и узлов, безопасности эксплуатации объектов во многих отраслях промышленности.

ГЛАВА 1.

Анализ современного состояния методов и средств компьютерной томографии и особенностей контроля объектов техники.

Обобщение современного состояния методов и средств компьютерной томографии для решения задач контроля в промышленности проведено на основе анализа:

• основных принципов трансмиссионной компьютерной томографии,

• основных принципов эмиссионной компьютерной томографии,

• особенностей реализации томографов промышленного назначения,

• актуальных задач контроля объектов атомной энергетики,

• актуальных задач контроля объектов авиатехники.

Компьютерная томография является методом, который позволяет получить изображения внутреннего строения объекта контроля по слоям (поперечным сечениям). Метод компьютерной томографии основан на получении изображения (матрицы томограммы) по совокупности проекционных данных, измеренных под многими углами. То есть восстановление (реконструкция) томограммы есть процесс получения двухмерной матрицы физической величины по значениям конечного числа линейных интегралов (проекций), измеренных при просвечивании с различных направлений.

Идея реконструкции изображений по их проекциям возникла независимо в ряде разделов науки: астрофизике, биологии, математике. Важность совершенствования медицинской диагностики стала основой для скорейшего развития метода компьютерной томографии в медицине. В его сегодняшнем понимании, метод был сформулирован, практически проверен и защищен патентными документами в 70-х годах [1,2].

Основополагающим шагом в становлении томографии, как самостоятельной и важной области научно- технической деятельности общества, можно считать разработку теории и математического аппарата для компьютерной томографии А. Кормаком (работы 1963 - 1964гг.) и создание медицинского рентгеновского томографа в 1972г. под руководством Г. Хаунсфилда (патент 1968г.) . За десятилетие было выпущено около 1000 рентгеновских томографов медицинского назначения. За эти достижения А. Кормак и Г. Ха-унсфилд в 1979г. были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Практически сразу за созданием первого медицинского аппарата компьютерная томография стала рассматриваться как чрезвычайно перспективный метод неразрушаю-щего контроля внутреннего строения и свойств веществ, материалов и изделий [3,4].

ВНИИТФА, при непосредственном участии автора, в 1975г. одним из первых в мировой практике начал работы в области радионуклидной компьютерной томографии применительно к промышленным задачам.

В 1975-1978гг. были инициированы работы по промышленной томографии в ряде ведущих организаций нашей страны: МНПО "Спектр", Институте сварки в Киеве, Томском институте интроскопии, Новосибирском отделении АН, МГУ, Куйбышевском авиационном институте и др.

В этот период были начаты серьезные работы по созданию методов и средств радиационной томографии для неразрушающих исследований в США (Лоренс Ливермор-ская лаборатория, компании "Дженерал электрик", "Научно - измерительные системы", "Аэроджет стратеджик", Лос- Аламосская лаборатория), Великобритании (EMI Ltd, университет г. Суррей), ВАМ Corp. в Германии, Токийским университетом и фирмой Тошиба в Японии.

В 1980-90гг. наблюдается интенсивное развитие теории и практики радиационной томографии, разработка и внедрение ряда систем для промышленности [4-8].

Наиболее комплексно и всесторонне получила развитие рентгеновская трансмиссионная томография для неразрушающего контроля в МНПО "Спектр", где под непосредственным руководством члена- корреспондента РАН, проф. В.В. Клюева были разработаны физические и математические основы рентгеновской томографии для промышленности, исследованы вопросы дискретизации информации при измерениях, пространственного разрешения и чувствительности, метрологии, а также разработан типовой ряд томографов. Этому способствовали работы ученых Э.А. Лукьяненко, В.Н. Филинова, Э.И. Вайнберга, И.А. Козака, В.П. Курозаева и др.

Вопросы развития теории и алгоритмов томографии всегда были сложной задачей, решению которой в 80 - 90 годы были посвящены зарубежные работы Г. Хермена, Ф. Натгерера, У. Суинделла и др. Существенен вклад отечественных ученых, среди которых Б.К. Вайнштейн, А.И. Тихонов, И.Н. Троицкий, М.М. Лаврентьев, Н.Г., И.Б. Рубашов, Н.Г. Преображенский и др.

Нельзя не отметить работу ведущих отраслевых специалистов по созданию и внедрению в практику средств промышленной томографии В. Л Чахлова, В.И. Гончарова, Ф.М. Завьялкина, В С Парнасова, В.Я. Маклашевского и многих др.

ВНИИТФА при непосредственном участии автора в 1975г. одним из первых в мировой практике начал работы в области радионуклидной компьютерной томографии

применительно к промышленным задачам. Во ВНИИТФА над развитием этого направления работала группа специалистов, среди которых: Э.Ю Васильева, Л И. Косарев, С.Ю. Дьяченко, В.М. Юмашев, В Н. Любаков, Д.Ю Коровкин и др.

Особенный прогресс развитие РКТ получило на стадии реализации томографических систем применительно к конкретным задачам, когда в разработках стали участвовать ведущие предприятия отрасли: НИИ неорганических материалов (Т.С. Меньшикова, В.Д. Пашков и др.), Подольский НИИ технологических исследований (Б.Г. Киров, В. А. Ордынцев), ГНЦ "ИАЭ им. И.В. Курчатова" (В.Ф. Соленков, И.В. Закржевская и др.), ГНЦ "НИИ атомных реакторов" (В.П. Смирнов, В.Г. Дворецкий и др.), Электростальский машиностроительный завод "Элемаш" (Ю.П. Шульман, В.В. Зеленин и др.), комбинат "Маяк" (В.И. Полянский и др.).

Расширению технологических возможностей РКТ для различных отраслей народного хозяйства способствовали совместные работы с АО "Спецнефтегаз" (П.М. Вайсберг и др.), НИИ эксплуатации и ремонта техники (В.Я. Маклашевский и др.), ВИМС (А.Л. Якубович).

Практически на начальной стадии исследований автором были сформулированы главные направления развития РКТ для решения вышеуказанных задач. Среди них: развитие физико- технических основ трансмиссионной и эмиссионной радионуклидной томографии, исследование и оптимизация процессов регистрации и обработки информации, обоснование методик получения количественной информации о распределении плотности, массы или активности материалов внутри изделий, разработка нового класса томографов. Эти задачи были поставлены для