Как правило, словосочетание «компьютерная томография» ассоциируется у нас с диагностикой заболеваний, но данная технология используется далеко не только в стенах медицинских учреждений. Одной из особенностей КТ является тот факт, что она отлично справляется с мягкими тканями, но не с плотными объектами, что сильно ограничивает ее применимость. Однако ученым из Университета штата Колорадо удалось разработать новую версию КТ, способную сканировать плотные объекты. Как именно работает данная разработка, в чем ее особенности, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Источники рентгеновского излучения с высокой яркостью и энергией МэВ имеют решающее значение для радиографии плотных объектов, используемых в промышленных приложениях, сжатых инерционных термоядерных имплозиях и т.д. Особый интерес представляет рентгеновская томография с энергией МэВ для наблюдения за трехмерной структурой плотных крупных объектов. Потребность в изучении крупных объектов в высоком разрешении быстро растет, поскольку изготовление критических деталей с помощью 3D-печати на металле становится все более широко используемым в таких сложных приложениях, как аэрокосмическая промышленность. Традиционно рентгеновская компьютерная томография с энергией МэВ выполняется с использованием рентгеновских лучей, производимых линейным ускорителем (LINAC от linear accelerator), в котором размер источника обычно ограничен миллиметровыми масштабами из-за расширения пространственного заряда. Другим перспективным подходом являются источники рентгеновского тормозного излучения, управляемые лазером, в которых лазерный импульс релятивистской интенсивности (> 1018 Вт/см2) ускоряет высокоэнергетические электроны от поверхности мишени в ее объем, где они генерируют яркий точечный источник рентгеновского излучения пикосекундной длительности, в основном за счет тормозного излучения.
Изображение №1
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые рассказывают о первой демонстрации МэВ компьютерной томографии высокого разрешения плотного, большого объекта с помощью лазерного источника рентгеновского излучения. Это было достигнуто путем фокусировки 300 ТВт лазерных импульсов с частотой повторения 0.5 Гц от лазера ALEPH на мишень W толщиной 3 мм. Лазерные импульсы были сфокусированы в фокусное пятно 6 мкм с помощью внеосевого параболического зеркала f/3, достигая интенсивности 1021 Вт/см2. Источник рентгеновского излучения и установка для получения изображений схематически показаны выше. Мишень была помещена в вакуумную камеру, где она облучалась под углом 45 градусов по отношению к нормали мишени. Лазерная цель удерживалась в пределах половины длины Рэлея (35 мкм) для обеспечения повторяемой фокусной интенсивности и вращалась после каждого снимка, чтобы экспонировать новую область. Чтобы учесть неравномерность диска W, поверхность изначально картировалась с помощью конфокального датчика смещения перед каждой серией снимков, а система управления движением была запрограммирована на автоматическую компенсацию деформации диска в каждой позиции снимка. Это дало стабильный источник рентгеновского излучения для быстрого получения нескольких тысяч снимков, необходимых для томографической реконструкции.
Изображение №2
Полная система визуализации (источник рентгеновского излучения, свернутый с откликом детектора) была охарактеризована с использованием тестового объекта из вольфрама толщиной 16.2 мм (KTO от kaleidoscope test object) (2a). KTO состоит из пенетрометра вокруг внешнего кольца для реконструкции спектра рентгеновского излучения и серии периодических узких щелей с различными пространственными разделениями, образующих решетки с полушагом от 0.125 до 4 мм. Эти решетки можно использовать для прямой оценки функции передачи контраста (CTF от contrast transfer function). Расстояние от источника до объекта составляло 57 см, а расстояние от источника до детектора составляло 320 см для увеличения 5.61. Никакой фильтрации, кроме алюминиевой стенки вакуумной камеры толщиной 19 мм, не использовалось. Рентгеновские лучи были обнаружены с помощью промышленной аморфной кремниевой панели Varex 4343HE (размер пикселя 139 мкм), сконфигурированной с Cu усилителем толщиной 0.5 мм и сцинтиллятором Gadox (DRZ Fine). Отношение сигнал/шум (SNR от signal-to-noise ratio) рентгеновского изображения было равным 150. Оно было измерено путем взятия отношения среднего значения сигнала детектора к стандартному отклонению для 55-пиксельного участка, расположенного на внешнем кольце KTO.
CTF (2b) была построена с использованием данных модуляции интенсивности пар линий на 2a. Контраст C = [Imax — Imin]/Imax для полушага 125 мкм составляет приблизительно 15%. Пространственное разрешение рентгенограммы определяется CTF сцинтиллятора и размером пикселя панели, который ранее был измерен как соответствующий 10% контрасту на той же пространственной частоте при освещении рентгеновской трубкой 220 кВ.
Существуют различные методы измерения размера источника рентгеновского излучения, и ведутся споры о том, какой метод является наиболее точным, особенно при энергиях МэВ, из-за высокой проникающей способности высокоэнергетических рентгеновских лучей. Используя измерение KTO, был использован метод Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL от Los Alamos National Laboratory), который дает консервативные измерения размера источника рентгеновского излучения по сравнению с методами функции рассеяния края (ESF от edge spread function). Метод LANL учитывает точку контраста 50% (υ1/2) в CTF и использует ее для оценки размера источника из уравнения dCTF = 0.70508 / υ1/2. Используя подробный метод, оценка размера источника рентгеновского излучения составляет 0.41 мм; используя эквивалентный метод ESF, ожидается, что размер источника будет ближе к 0.32 мм.
Размер источника можно использовать для оценки функции рассеяния точки (PSF от point spread function) с использованием функции Беннетта, 1 / (πα2[1+(r/α)2]2), α = 0.119. Используя приближение Беннетта для PSF, предельное разрешение, где контраст достигает 5%, было рассчитано как 5.33 пар линий/мм или 0.19 мм.
Изображение №3
Реконструированный спектр рентгеновского тормозного излучения, показанный выше, был измерен с помощью спектрометра со ступенчатым клином из вольфрамового сплава, который показал, что пик излучения находится в диапазоне от 1 до 2 МэВ с конечной энергией 19 МэВ. Рентгенограмма ступенчатого клина, использованного при реконструкции, показана на вставке изображения №3. Расстояние от источника до объекта составляло 44 см, а расстояние от источника до детектора — 158 см при увеличении 3.60. Рентгеновские лучи были отфильтрованы 19-миллиметровой стенкой вакуумной камеры из алюминия и 1-миллиметровыми пластинами из меди и 1-миллиметровыми пластинами из олова, расположенными перед объектом. Общая интегрированная доза спектра составила 500 мкГр (50 мрад), которая была откалибрована с помощью источника из кобальта-60. Синтетические проекции той же экспериментальной конфигурации были созданы с использованием внутреннего программного обеспечения для прямого моделирования. Было найдено согласие между синтетическими и измеренными (с вычтенным рассеянием) проекциями для каждого шага для различных известных спектров источников рентгеновского излучения высокой энергии.
Современная томография рентгеновского излучения в диапазоне МэВ обычно выполняется с использованием линейных ускорителей (LINAC), размеры источника которых составляют порядка 1–2 мм. В линейных ускорителях большой размер источника определяет геометрию системы формирования изображений, требуя, чтобы объект располагался намного дальше от источника, что на практике составляет расстояние в несколько метров. Следовательно, падающие рентгеновские лучи становятся почти параллельными на требуемых расстояниях, ограничивая увеличение. Рассеивание объекта также ухудшает SNR, поскольку детектор располагается непосредственно за рассеивающим источником (объектом). Преимущества микрофокусного источника рентгеновского излучения с лазерным приводом, представленного здесь, значительны. Во-первых, разрешение изображения значительно выше из-за уменьшения размытия полутени. Во-вторых, он может выполнять визуализацию с большим увеличением. В-третьих, пикосекундная длительность источников рентгеновского излучения с лазерным приводом позволяет проводить томографию высокоскоростных систем, таких как вращающиеся турбины, с надлежащей синхронизацией источника и турбины. Наконец, он имеет значительно меньший общий физический след, что снижает требуемую радиационную защиту, поскольку LINAC могут генерировать до 10000 рад/мин, что требует дорогостоящего, хорошо экранированного объекта для работы. Для сравнения, этот источник генерирует до 500 мкГр (50 мрад) за кадр на расстоянии 1 м.
Изображение №4
Чтобы проиллюстрировать преимущества этого лазерного микрофокусного источника MeV рентгеновского излучения, ученые провели томографическую реконструкцию лопатки турбины GE 7FA Stage 1, изготовленной из монокристаллического никелевого суперсплава. Фотография лопатки турбины показана на вставке 4d. Состав, вероятно, близок к Inconel, который варьируется от 50% до 80% Ni, 3%–18% Cr, 0%–20% Fe, 0%–10% Mo и следовых элементов Ti, Co, Nb и Ta. Лопатка турбины имеет максимальный ρr = 123 г/см2 в лопатке и 139.8 г/см2 в основании, что соответствует минимально необходимой энергии рентгеновского фотона 8 МэВ для проникновения через самые толстые секции. Эти лопатки турбины имеют критические охлаждающие каналы и особенности ребер турбулентного потока, которые должны быть хорошо сформированы и не содержать остатков мусора от процесса литья. Объект был помещен на расстоянии 85 см от источника, а детектор на расстоянии 150 см, что дало увеличение 1.76. Для снижения шума были получены две отдельные рентгеновские импульсные рентгенограммы на вид, вращая объект на 0.33 градуса при каждой экспозиции в общей сложности на 720 градусов, что дало 2160 общих рентгенограмм. Они были записаны с частотой повторения 0.5 Гц (общее время сканирования 1.2 часа) со средней дозой МэВ рентгеновского излучения 60 ± 20 мкГр (6 ± 2 мрад) на вид, после стека фильтров, состоящего из пластин 19 мм Al, 1 мм Cu и 1 мм Sn. Все изображения были изначально откалиброваны с использованием темных и плоских полей.
Реконструкция изображения была выполнена с использованием метода Фельдкампа с геометрией конусного пучка. При используемом увеличении 1.76 размер вокселя составляет 80 мкм, а отношение сигнал/шум — 95. На 4a показано, что форма аэродинамического профиля четко видна с точными размерами каналов охлаждения. Боковой вид реконструкции на 4b представляет собой самый длинный путь через лопатку и показывает отдельные каналы охлаждения, в то время как изображения в разрезе на 4c и 4e показывают тонкие особенности внутренней части каналов охлаждения. На 4d показан трехмерный вид изоповерхности нижней половины лопатки турбины, при этом форма и каналы охлаждения видны на левом краю.
Видео №1
Высокое качество этой реконструкции обусловлено несколькими факторами. Во-первых, отношение сигнал/шум высокое из-за снижения рассеивания от лопатки турбины, поскольку увеличенная геометрия микрофокуса позволяет отделить деталь от детектора, рассеивая рассеянное излучение до того, как оно достигнет детектора. Во-вторых, меньший размер источника лазерного рентгеновского излучения позволяет использовать увеличенную геометрическую настройку, которая непрактична при использовании традиционных размеров источника LINAC (> 1 мм), так как это приведет к размытию источника. В-третьих, источник рентгеновского излучения достаточно энергичен, чтобы избежать артефактов жесткости пучка, обнаруженных в рентгеновских снимках с более низкой энергией.
Изображение №5
Томографическая реконструкция турбомолекулярного насоса (Pfeiffer TMU 065) также была выполнена с похожей геометрией. Расстояние от источника до объекта составляло 45 см, а расстояние от источника до детектора составляло 90 см для увеличения 2.0. Реконструкция использовала 2000 лазерных кадров по 720 градусов. Насос состоит из корпуса из нержавеющей стали и алюминиевых лопастей, легко различимых на срезе, показанном на 5a. Вид сверху на отдельные алюминиевые лопасти компрессора показан на 5b и видео ниже.
Видео №2
Подводя итог, можно сказать, что демонстрация лазерного источника рентгеновского излучения со значительно меньшим размером источника, что приводит к более высокому разрешению, энергиям МэВ, сверхбыстрой визуализации и общему уменьшению размера, представляет собой значительное улучшение по сравнению с традиционными источниками рентгеновского излучения LINAC, которые в настоящее время используются для компьютерной томографии. Кроме того, появление лазерных установок класса Петаватт, работающих с высокой частотой повторения (например, 10 Гц), сократит время сканирования до нескольких минут, значительно увеличив производительность для быстрой томографии высокого разрешения плотных объектов.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали установку, способную выполнять томографию плотных и крупных объектов.
Имеющиеся на данный момент промышленные КТ-сканеры не только массивны и дороги, но и создают изображения с разрешением в миллиметровом масштабе. Система, созданная учеными, использует лазер, который генерирует гораздо меньший источник рентгеновского излучения, что обеспечивает значительно более высокое разрешение без снижения энергии рентгеновских лучей.
В основе разработанной методики лежит лазер петаваттного класса, сфокусированный на интенсивности 1021 Вт/см2, для ускорения пучка электронов до нескольких миллионов вольт на расстоянии нескольких микрон в пространстве. Электроны в пучке сталкиваются с тяжелыми атомами в мишени, заставляя их замедляться и преобразовывать свою кинетическую энергию в рентгеновские лучи. Эти рентгеновские лучи имеют значительно более высокую энергию, чем те, что используются в традиционных рентгеновских трубках, используемых в больницах. Повышенная энергия рентгеновского излучения необходима для проникновения в плотные объекты, такие как лопатки турбины, использованной в практических испытаниях. Каждый импульс рентгеновского излучения длится всего несколько триллионных долей секунды, что позволяет проводить рентгенографию объектов, движущихся с невероятной скоростью.
Ученые уверены, что в будущем их методика сможет позволить получить полный трехмерный скан внутренней части работающего реактивного двигателя, что ранее было невозможным. Кроме того, подобного рода технологии могут использоваться для изучения энергии инерционного термоядерного синтеза и генерации ярких пучков ГэВ электронов и МэВ рентгеновских лучей.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
