Radiografia mikroogniskowa Jan Kielczyk Energomontaż-Północ- Technika Spawalnicza i Laboratorium Sp. z o.o. Warszawa 1. Wstęp W badaniach radiograficznych wymiar ogniska lampy rentgenowskiej jest źródłem nieostrości geometrycznej i powinien być możliwie mały. W aparatach do rutynowych badań waha się zwykle w granicach 2-4 mm. Przy mniejszych wymiarach ogniska mniejsza jest moc cieplna lampy, co powoduje wydłużenie czasów ekspozycji. Większy wymiar ogniska rekompensowany jest, dla utrzymania małej nieostrości geometrycznej, zwiększeniem odległości ogniskowej, co również zwiększa czas ekspozycji. Odległość obiektu od detektora powinna być możliwie mała. Celem uwidocznienia na otrzymanym obrazie bardzo małych szczegółów stosuje się technikę projekcyjną, polegającą na celowym zwiększeniu odległości obiektu od detektora. Uzyskuje się powiększony obraz szczegółu, a powiększenie oblicza się ze wzoru: V FFA f b (1) f f FFA f b d obiekt Rys. 1 Zależności geometryczne u g obraz obiektu Wraz z powiększeniem wymiarów obiektu następuje również powiększenie nieostrości geometrycznej, i aby uzyskać dobrą wykrywalność szczegółów, wymiary ogniska powinny być bardzo małe. 2. Zasady radiografii mikroogniskowej Zgodnie z definicją podaną w p. 2.87 normy PN-EN 1330-3 radiografia mikroogniskowa jest to radiografia z zastosowaniem lampy rentgenowskiej o bardzo małym ognisku, którego wymiar jest mniejszy niż 100 µm. Zwykle używana do bezpośredniego 23
geometrycznego powiększenia obrazu w wyniku rzutowania.im wymiary ogniska będą mniejsze, tym mniejsza jest moc cieplna anody. Dla tarczy wykonanej z wolframu dopuszczalne obciążenie cieplne na jednostkę powierzchni wynosi 150 do 350 W/mm 2. W lampach mikroogniskowych, wskutek zmiany warunków odprowadzania ciepła z tarczy anody, dopuszczalne obciążenie cieplne jest dużo większe i może osiągać wartości do 10 6 N/mm 2, jednak natężenie promieniowania w aparatach mikroogniskowych jest mniejsze niż w tradycyjnych i należy stosować bardziej czułe detektory i małe odległości aparatu od detektora. Oprócz wysokoczułych błon jako detektory stosuje się pamięciowe, luminoforowe płyty obrazowe lub detektory typu płaski panel, szczególnie w zastosowaniach do tomografii komputerowej. Stosowane powiększenie projekcyjne nie może być przyjmowane dowolnie. Przy zbyt małym powiększeniu obraz posiada zaniżoną rozdzielczość, przy zbyt dużym występuje nadmierna nieostrość geometryczna. Teoretycznie optymalna wartość powiększenia projekcyjnego występuje wtedy, gdy nieostrość geometryczna równa jest nieostrości wewnętrznej błon lub wartości podziałki piksela dla detektorów cyfrowych. ognisko obiek t podziałka piksela p Nieostrość Ug = p Rys.2 Wykres powiększenia projekcyjnego Gdy znana jest odległość b ogniska od detektora, obliczana jest odległość ogniska do obiektu z następującego równania: gdzie: p - podziałka piksela f - wymiar ogniska b a f (2) p f Wymiar ogniska powinien być wymiarem rzeczywistym, a nie przyjętym z dokumentacji producenta, który zwykle podaje zaniżoną wartość. Rzeczywisty wymiar ogniska można pomierzyć eksperymentalnie, tak jak przedstawia to Rys. 3. 24
Wymiar ogniska f 125 µm Pb Nieostrość U g Rys. 3 Układ do pomiaru wielkości ogniska Stosowana jest płyta ołowiana o grubości 125 µm z ostrą krawędzią, położona blisko ogniska, aby uzyskać wysoką wartość nieostrości geometrycznej. W wyniku ekspozycji uzyskuje się obraz, na którym zmierzona jest wartość nieostrości u g. Wymiar ogniska oblicza się ze wzoru: f a U g (3) b a Poniżej podany jest przykład aparatu rentgenowskiego posiadającego zmienny wymiar ogniska. Poniżej podane są dokumentacyjne wymiary ogniska, a obok wymiary uzyskane w wyniku opisanego powyżej pomiaru. małe 5µm 20 µm średnie 20µm -65 µm duże 50µm 75 µm Gdy znany jest faktyczny wymiar ogniska, z równania (2) można obliczyć optymalną odległość ogniska od obiektu. Optymalną wartość powiększenia projekcyjnego (PP) można obliczyć ze wzoru: b PP (4) a Jeśli zastosuje się zbyt małe powiększenie, rozdzielczość otrzymanego obrazu jest ograniczona przez podziałkę piksela detektora, przy zbyt dużym powiększeniu wysoka będzie nieostrość geometryczna. Rys. 4 demonstruje tą zasadę. 25
Powiększenie projekcyjne Rys. 4 Optymalna wartość powiększenia projekcyjnego Przy zbędnie dużym powiększeniu zmniejsza się efektywny wymiar obrazowania na detektorze i nie ujawnia się więcej szczegółów obrazu. Aby udowodnić teorię o optymalnej wartości powiększenia projekcyjnego, wykonano ekspozycje wskaźnika jakości typu podwójny pręcik wg. EN 462-5 dla szerokiego zakresu powiększeń projekcyjnych. Profil pręcików był mierzony na parze pręcików o najmniejszych wymiarach. Rys. 5 pokazuje obrazy radiograficzne tej pary przy różnych wartościach powiększenia. PP zbyt małe. Para widoczna Optymalna wartość PP PP zbyt duże. Nieostrość jako pojedynczy pręcik. Dobrze widoczne oba geometryczna spowodowała pręciki. rozmycie obrazu pręcików. Rys. 5 Obrazy radiograficzne pary najcieńszych pręcików Powyżej opisane badania przeprowadzone zostały z użyciem aparatu rentgenowskiego z ogniskiem o wymiarze 75 µm przy napięciu 150 kv i prądzie 0,5 ma. IQI ułożony był na płycie stalowej o grubości 10 mm. Zastosowany detektor cyfrowy Ajat SCAN 300 z wielkością piksela 100 µm. 26
3. Przykłady zastosowania mikroogniskowego aparatu rentgenowskiego 3.1 Mikrotomografia komputerowa (Micro-CT) do badania małych obiektów Obecnie mikrotomografia komputerowa stała się podstawowym narzędziem w przemyśle półprzewodników i elektronicznym do wykrywania i lokalizacji wad małych wymiarów, jak techniki upakowania wysokiej gęstości i struktury multiwarstwowe. Rys. 6 ilustruje schemat typowego systemu Micro-CT. Rys. 6 Schematyczny rysunek typowego systemu Micro- CT System składa się z nieruchomego aparatu rentgenowskiego, nieruchomego detektora typu płaski panel i manipulatora do przesuwu i obrotu badanego obiektu. Powiększenie systemu jest regulowane przez zmianę odległości między obiektem i źródłem. Badany obiekt wykonuje albo pełny obrót, albo obraca się o kąt 180 0 plus kąt wiązki wachlarzowej i obrazy projekcyjne są otrzymywane są przy równych przyrostach kątowych. Badaniu poddano płytkę półprzewodnikową aparatu słuchowego i cienką wiązkę przewodów elektrycznych. Płytka ma kształt prostokąta o wymiarach 3,8 x 5 mm. Wiązka przewodów ma średnicę ok. 1 mm i składa się z 16 drutów metalowych zamkniętych w plastikowej rurce. Zastosowano mikroogniskowy aparat rentgenowski o wymiarach ogniska 1-2 mikronów przy mocy 1-3 W i bezpośredni detektor cyfrowy (DDD-Model Paxscan 2520) o aktywnej powierzchni 179x234 mm. Obróbka danych jest dokonywana za pomocą programu Matlab. Aparat słuchowy był skanowany przy napięciu aparatu 115 kv i prądzie 13 µa, odległość źródło-obiekt wynosiła 15,58 mm, a powiększenie projekcyjne 44 razy. Wiązka drutów przewodu elektrycznego była skanowana przy napięciu 108 kv, prądzie 7 ma i odległości źródła od obiektu 10 mm. Uzyskano powiększenie 68 razy. Rys. 7 przedstawia projekcję 2D płytki aparatu słuchowego, a Rys. 8 obraz skanowanej wiązki drutów przewodu elektrycznego. Rys. 7. Projekcja 2D płytki aparatu słuchowego 27
(a) projekcja 2D; (b) sinogram jednej warstwy wiązki; (c) zrekonstruowany obraz warstwy z (b) Rys. 8. Obraz skanowanej wiązki drutów elektrycznych 3.1 Laboratoryjny rentgenowski system nanotomografii komputerowej (Nano-CT) Stosując nowoczesne technologie produkcji aparatów rentgenowskich, precyzyjną mechanikę i czuły system detekcji, skonstruowano laboratoryjny skaner rentgenowski do obrazowania mikrostruktury obiektów z 3-wymiarową izotropową rozdzielczością przestrzenną rzędu 150-200 nm. Działanie systemu oparte jest na tej samej zasadzie, co kliniczne skanery CT lub inne systemy micro-ct. Przedmiot obracany jest wewnątrz wiązki promieniowania rentgenowskiego, a kamera CCd zbiera setki lub tysiące kątowych projekcji, co umożliwia rekonstrukcję trzywymiarową mikrostruktury w pamięci komputera przy użyciu algorytmów projekcji wstecznej. Różnice nowego systemu w porównaniu do wcześniejszych urządzeń micro-ct, pozwalające na uzyskiwanie submikroskopowych rozdzielczości, oparte są na innej fizyce tworzenia kontrastu i specjalnym doborze elementów systemu. Skaner, pokazany na Rys. 9, posiada kompaktową konstrukcję i osłonę pochłaniającą promieniowanie rentgenowskie, co pozwala na obecność obsługi w pobliżu pracującego skanera. Rys. 9 Laboratoryjny skaner nano-ct 28
Lampa rentgenowska z submikronowym wymiarem ogniska posiada katodę z LaB 6 i dwie elektromagnetyczne soczewki ogniskujące. Rozdzielczość tego aparatu w porównaniu do standardowego aparatu mikroogniskowego pokazana jest na Rys. 10 przez porównanie obrazów wzorca rozdzielczości wykonanego przez firmę XRadia. Rys. 10 Porównanie rozdzielczości źródeł rentgenowskich: mikroogniskowe źródło rentgenowskie (po lewej) i źródło rentgenowskie w systemie nano-ct ( po prawej) Detektor zawiera 12-bitową 1280x1024 pikseli cyfrową kamerę CCD połączoną bezpośrednio z PC. Ważnym elementem urządzenia jest system pozycjonowania i obrotu obiektu X-Y-Z. Przeprowadzono skanowanie drutu platynowego (Pt) o nominalnej średnicy 600 nm. Rys.11a pokazuje obraz drutu położonego na oknie sita z otworami 5x5 µm. Rys. 11b pokazuje dwuwymiarowy obraz cienia drutu obok pręta z Ag, a Rys. 11c zrekonstruowany przekrój drutu z Pt. Rys.11 Obraz drutu Pt Innym przykładem pokazanym na Rys. 12 jest rekonstrukcja wewnętrznej struktury próbki z papieru przedstawiona w formie trzech ortogonalnych przekrojów próbki. Próbki skanowano z izotropowym wymiarem voksela 360 nm. Czas skanowania dla całej objętości 40 minut. 29
Rys.12 Rekonstrukcja trzech ortogonalnych przekrojów próbki papierowej 3.3 Zastosowanie w klasycznej radiografii Aparat rentgenowski z wydłużoną anodą o średnicy 9 mm z napięciem 150kV i prądem żarzenia 0.1 ma posiada wymiar ogniska < 0.1 mm. Stosowany do kontroli połączeń spawanych typu rurka- dno sitowe w wymiennikach typu płaszczowo-rurowego. Bardzo małe odległości ogniskowe pozwalają na stosunkowo krótkie czasy ekspozycji. 4. Przykłady aparatów mikroogniskowych 4.1 THALES ELECTRON DEVICES Francja Hawkeye 130 Zakres napięcia: 40-130 kv Zakres prądu anodowego: 10-400µA Moc: 30 W Wymiar ogniska: (małe-10w) 5-7 µm (duże-30w) 20 µm Materiał tarczy: wolfram Minimalna odległość źródło-obiekt: 13,5 mm Masa: 15 kg 30
4.2 HAMAMATSU- Japonia L9421-90 kv Zakres napięcia:20-90 kv Zakres Prądu: 0-200 µa Moc: 8W Wymiar ogniska: 5µm dla 4W 7µm dla 8W Odległość ognisko-obiekt: 9,5mm Materiał tarczy: wolfram Masa: 10 kg 4.3 HAMAMATSU-Japonia L9631-110kV Zakres napięcia: 0-110 kv Zakres prądu: 0-800 µm Moc: 50 W Wymiar ogniska: 15-80 µm Materiał tarczy: wolfram Ciężar: 10 kg 4.4 Thermo USA 4.5 WÄLISCHMILLER-Niemcy PXS 10 Zakres napięcia: 25-130 kv Prąd: 0,356mA dla 45 kv 0,123mA dla 130kV Moc maks. 16 W Wymiar ogniska: 5µm przy 2W 6µm przy 4W 9µm przy 4W 21µm przy 16W Materiał tarczy: wolfram Masa: 34 lbs Odległość ognisko-obiekt: 14mm RayScan 200 Zakres napięcia: 10-225kV Wymiar ogniska: 3-250kV Wymiar badanego obiektu Ø/H: 1-1500mm 31
4.6 TSNK Laboratory- Rosja Charakterystyka techniczna Zakres napięcia kv Wymiar ogniska mm RE100 MN RE150 MN RAP100 MN RAP150 MN RAP150 MS RAP 300M RAP 300MR 20-100 20-150 20-150 20-150 20-150 100-300 100-300 0,05 0,06 0,05 0,06 0,02 0,03 0,02 5 Literatura 1. PN-EN 1330-3; 2. Jezierski G. Radiografia przemysłowa Wyd. WNT 1993; 3. Blakeley B. Digital Radiography for the Inspection of Small Defects. ECNDT2006 Berlin; 4. Liu T. Micro-CT for Minute Objects with Central Ray Determined Using the Projection D Data of the Objects. ECNDT2006 Berlin; 5. Sasov A. Laboratory X-ray Nano-CT System. ECNDT2006 Berlin; 6. Materiały z wystawy aparatury na ECNDT2006 Berlin. 32