工業CT

工業CT（industrial computerized tomography）是指套用於工業中的核成像技術。其基本原理是依據輻射在被檢測物體中的減弱和吸收特性。同物質對輻射的吸收本領與物質性質有關。所以，利用放射性核素或其他輻射源發射出的、具有一定能量和強度的X射線或γ射線，在被檢測物體中的衰減規律及分布情況，就有可能由探測器陳列獲得物體內部的詳細信息，最後用計算機信息處理和圖像重建技術，以圖像形式顯示出來。

基本介紹

• 中文名：工業CT
• 外文名：industrial computerized tomography
• 全稱：工業用計算機斷層成像技術
• 套用：汽車、材料、鐵路、航天等
• 檢測範圍：主要說明該CT系統的檢測對象

概念說明

工業CT是工業用計算機斷層成像技術的簡稱，它能在對檢測物體無損傷條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、直觀地展示被檢測物體的內部結構、組成、材質及缺損狀況，被譽為當今最佳無損檢測和無損評估技術。工業CT技術涉及了核物理學、微電子學、光電子技術、儀器儀表、精密機械與控制、計算機圖像處理與模式識別等多學科領域，是一個技術密集型的高科技產品。

工業CT廣泛套用在汽車、材料、鐵路、航天、航空、軍工、國防等產業領域，為航天運載火箭及飛船與太空飛行器的成功發射、航空發動機的研製、大型武器系統檢驗與試驗、地質結構分析、鐵道車輛提速重載安全、石油儲量預測、機械產品質量判定等提供了的重要技術手段。

技術原理

工業CT是在射線檢測的基礎上發展起來的，其基本原理是當經過準直且能量I0的射線束穿過被檢物時，根據各個透射方向上各體積元的衰減係數從不同，探測器接收到的透射能量I也不同。按照一定的圖像重建算法，即可獲得被檢工件截面一薄層無影像重疊的斷層掃描圖像(圖1），重複上述過程又可獲得一個新的斷層圖像，當測得足夠多的二維斷層圖像就可重建出三維圖像。當單能射線束穿過非均勻物質後，其衰減遵從比爾定律： 即

式中 、 為已知量，未知量為μ。一幅M×N個像素組成的圖像，必須有M×N個獨立的方程才能解出衰減係數矩陣內每一點的μ值。當射線從各個方向透射被檢物體，通過掃描探測器可得到MXN個射線計數和值，按照一定的圖像重建算法，即可重建出MXN個μ值組成的二維CT灰度圖像。

工業CT結構原理圖

性能指標

檢測範圍：主要說明該CT系統的檢測對象。如能透射鋼的最大厚度，檢測工件的最大迴轉直徑，檢測工件的最大高度或長度，檢測工件的最大重量等。

使用的射線源：射線能量大小、工作電壓、工作電流及焦點尺寸。射線能量是穿透等效鋼厚度的能力的主要影響因素。

掃描模式：常用的CT掃描模式有II代掃描、III代掃描。III代掃描具有更高的效率，但是容易由於校正方法不佳而導致環狀偽影（所以減弱或消除環狀偽影是體現CT系統製造商技術水平的主要內容之一）；II代掃描效率大約是III代掃描的1/10—1/5，但其對大迴轉直徑工件檢測有益。此外CT系統通常會具備數字射線檢測成像（DR）功能。

掃描檢測時間：指掃描一個典型斷層數據（如圖像矩陣1024×1024）所需要的時間。

圖像重建時間：指重建圖像所需的時間。由於現代計算機的運行速度較快，所以掃描結束後，幾乎是立即就能把重建圖像顯示出來，一般不超過3s。

分辨能力：工業CT系統的核心性能指標包括：

①空間解析度：從CT圖像中能夠辨別最小結構細節的能力。

②密度解析度：從CT圖像中能夠分辨出最小密度差異的能力（通常跟特徵區域大小結合在一起評定）。

空間解析度與密度解析度的關係。在輻射劑量一定的情況下，空間解析度與密度解析度是相互矛盾的兩個指標。提高空間解析度會降低密度解析度，反之亦然。

對於普通的工業CT系統，其核心性能指標只有空間解析度和密度解析度；而對於一台高精度測量工業CT系統而言，除了上述兩個核心性能指標外，還有另外兩個核心性能指標：

①幾何測量精度：在CT圖像上測得某對象的幾何尺寸與該對象真實尺寸之間的絕對誤差。

②密度測量精度：在CT圖像上測得某對象的密度值與該對象真實密度值之間的相對誤差。

工業套用

工業CT現有X射線斷層掃描（XCT）、康普頓散射斷層掃描（CST）、穆斯堡爾效應斷層掃描（MCT）等。主要套用於工業線上過程的實時檢測和大型工業部件的探查。工業CT與傳統的X射線探傷和超音波探傷相比，具有空間解析度高、無損檢測、速度快等特點，因而在工業產品的檢測中具有其他方法無可取代的作用。在實時檢測方面，可用於線上檢測熱軋無縫鋼管中的氣孔、劃痕、裂縫、分層等各種缺陷，同時給出鋼管的壁厚、同心度、單位長度的重量等；亦可用於發電設備的實時檢測。在大型部件檢測方面，特別適用於火箭、核燃料元件、彈藥、飛機發動機等的無損檢測。大型工業CT的主要技術指標大約為待測物體直徑1—2.5米，有效掃描高度2—8米，最大承重可達數十噸，空間解析度為1線對/毫米，密度解析度0.5%，裂紋分辨0.05毫米×15毫米，掃描時間每層3分鐘，圖像重建時間6秒，工作檯平移空位精度0.02毫米，工作檯旋轉空位精度10角秒。所用的輻射裝置可用X射線機、加速器，亦可用⁶⁰Co、¹³⁷Cs或¹⁹²Ir的γ射線源。

工業CT部件的發展現狀

輻射源

射線源常用X射線機和直線加速器。X射線機的峰值能量範圍從數十到450 keV，且射線能量和強度都是可調的;直線加速器的射線能量一般不可調，常用的峰值射線能量範圍在1一16 MeV。其共同優點是切斷電源以後就不再產生射線，焦點尺寸可做到微米量級。

探測器

目前常用的探測器主要有高分辨CMOS半導體晶片、平板探測器和閃爍探測器三種類型。半導體晶片具有最小的像素尺寸和最大的探測單元數，像素尺寸可小到10 μm左右。平板探測器通常用表面覆蓋數百微米的閃爍晶體(如CsI)的非晶態矽或非晶態硒做成，像素尺寸約127 μm，其圖像質量接近於膠片照相。閃爍探測器的優點是探測效率高，尤其在高能條件下，它可以達到16 ~ 20 bit的動態範圍，且讀出速度在微秒量級。其主要缺點是像素尺寸較大，其相鄰間隔(節距)一般≥0. 1 mm。

樣品掃描系統

樣品掃描系統從本質上說是一個位置數據採集系統。工業CT常用的掃描方式是平移一旋轉((TR)方式和只旋轉(RO)方式兩種。RO掃描方式射線利用效率較高，成像速度較快。但TR掃描方式的偽像水平遠低於RO掃描方式，且可以根據樣品大小方便地改變掃描參數(採樣數據密度和掃描範圍)。特別是檢測大尺寸樣品時其優越性更加明顯，源探測器距離可以較小，以提高信號幅度等。