工业CT技术综述
工业CT技术综述
摘要：随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量,作为先进无损检测方法的工业CT技术也随着被开发并应用于这些领域。本文主要介绍了工业CT技术。
关键词：X射线 工业CT 无损检测 计算机
1．引 言
在1985年伦琴发现X射线以前想要在不打开盒子的情况下看清盒子里放的东西，几乎是不可能的，除非盒子是用透明材料做成的。如今在车站或机场，不打开旅客行李进行安全检查已是司空见惯了。
X射线问世后，很快便应用到医学领域．开始有了伦琴摄影． 不用手术就能初步观察到人体内部组织[1]。经过一个多世纪的努力， 在利用方法上发生了翻天覆地的变化，呈现出多样化。随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。传统的无损检测方法如超声波检
测、射线照相检测等测量方法已不能满足要求。于是，ICT（Industrial Computed Tomography--简称工业CT）这种先进的无损检测技术也被开发应用于这些领域[2]。
工业CT（ICT）就是计算机层析照相或称工业计算机断层扫描成象。虽然层析成象有关理论的有关数学理论早在1917年由J.Radon提出，但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成象技术。在工业方面特别是在无损检测（NDT）与无损评价（NDE）领域更加显示出其独特之处。因此，国际无损检测界把工业CT称为最佳的无损检测手段。进入80年代以来，国际上主要的工业化国家已把X射线或γ射线的ICT用于航天、航空、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等部门的NDT和NDE，检测对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及复合材料、海关、考古化石等。我国90年代也已逐步把ICT技术用于工业无损检测领域[2]。进入21世纪ICT更是得到了进一步发展已成为一种重要的先进无损伤检测技术。
2.工业CT的发展
按扫描获取数据方式的不同，CT技术已发展经历了五个阶段,如图1所示。
图1 五种不同的扫描方式[2]
第一代CT（见图1a），使用单源（一条射线）单探测器系统，系统相对于被检物作平行步进式移动扫描以获得N个投影值（I），被检物则按M个分度作旋转运动。这种扫描方式被检物仅需转动180度即可。第一代CT机结构简单、成本低、图象清晰，但检测效率低，在工业CT中则很少采用。
第二代CT（见图1b），是在第一代CT基础上发展起来的。使用单源小角度扇形射线束多探头。射线扇形束角小、探测器数目少，因此扇束不能全包容被检物断层，其扫描运动除被检物需作M个分度旋转外，射线扇束与探测器阵列架一道相对于被检物还需作平移运动，直至全部覆盖被检物，求得所需的成象数据为止。
第三代CT(见图1c)，它是单射线源，具有大扇角、宽扇束、全包容被检断面的扫描方式。对应宽扇束有N个探测器，保证一次分度取得N个投影计数和I值，被检物仅作M个分度旋转运动。因此，第三代CT运动单一、好控制、效率高，理论上被检物只需旋转一周即可检测一个断面。
第四代CT(见图1d)，也是一种大扇角全包容，只有旋转运动的扫描方式，但它有相当多的探测器形成固定圆环，仅由辐射源转动实现扫描。其特点是扫描速度快、成本高。
第五代CT(见图1e)，是一种多源多探测器，用于实时检测与生产控制系统，图中是一种钢管生产在线检测与控制壁厚的CT系统。源与探测器按120度分布，工件与源到探测器间不作相对转动，仅有管子沿轴向的快速分层运动。
上述五种CT扫描方式，在ICT毫米微米机中用得最普遍的是第二代与第三代扫描，其中尤以第三代扫描方式用得最多。这是因为它运动单一，易于控制，适合于被检物回转直径不太大的中小型产品的检测，且具有成本低，检测效率高等优点。
3.工业CT的基本原理
工业CT机一般由射线源、机械扫描系统、探测器系统、计算机系统和屏蔽设施等部分组成。其结构工作原理如图2所示。
图2 ICT 结构工作原理简图[2]
射线源提供CT扫描成象的能量线束用以穿透试件，根据射线在试件内的衰减情况实现以各点的衰减系数表征的CT图象重建。与射线源紧密相关的前直准器用以将射线源发出的锥形射线束处理成扇形射束。后准直器用以屏蔽散射信号，改进接受数据质量。机械扫描系统实现CT扫描时试件的旋转或平移，以及射线源——试件——探测器空间位置的调整，它包括机械实现系统及电器控制系统。探测器系统用来测量穿过试件的射线信号，经放大和模数转换后送入计算机进行图象重建。ICT机一般使用数百到上千个探测器，排列成线状。探测器数量越多，每次采样的点数也就越多，有利于缩短扫描时间、提高图象分辨率。计算机系统用于扫描过程控制、参数调整，完成图象重建、显示及处理等。屏蔽设施用于射线安全防护，一般小型设备自带屏蔽设施，大型设备则需在现场安装屏蔽设施。
4.工业CT的组成及其各自特点
4.1 工业CT的组成
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。
4.2 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。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[3]，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。

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