高分辨率工业CT系统：进展与基于同步加速器的CT比较

高分辨率工业CT系统：进展与基于同步加速器的CT比较

1。介绍

高分辨CT时下是一个完善的方法，为众多工业应用[1] [2] [3]以及广泛的研究领域[4] [5]。对于这两个领域的最佳方法是选择许多不同的因素，如样本规模和组成，需要空间和对比分辨率或扫描体积和时间，例如在今天的质量市场等，实现最小特征识别可能在极力的推动检查过程中已经成为比以往更高的优先级。由于复杂的几何形状和许多高可靠性元件的小型化，在汽车，电子和航空航天等行业，实现这一级别的特征识别也变得越来越困难。 CT技术被用于测量内部的距离或复杂的铸件，这往往是不可访问的光学扫描仪或传统的触觉坐标测量机的内部壁厚。 CT容积数据提供的信息进行逆向工程或整个零件的首件检验通过合并与CAD模型到产生方差地图，这两个数据集[6] [7] [8]。这些功能相结合，有助于早期检测过程和产品的弱点，从而提高产量和生产率。对于高分辨率的计算机断层扫描与几微米或亚微米范围内，即使在本​​领域的状态的基准是指由使用同步辐射X射线源的CT设置的体素的体积。在20世纪80年代被引入Bonse同步辐射基于CT等[9]。如今它是一个标准的用户来自科研以及行业在众多全球同步辐射实验室实验。这些设置的主要优点是高度准直的和几乎平行的光束和几个数量级高于传统的X射线源的光子通量。由于可以有效地使用这种高通量单色器执行CT扫描单色辐射，在所需的能量水平。然而，近年来主要步骤等重要硬件组件开放的微聚焦，甚至一方和发展高效纳米焦点X射线管技术（后来被商业化推出首次由凤凰| X射线，2001年）大型平板探测器（如GE，Perkin-Elmer公司，瓦里安或滨松）使用其他的CCD或CMOS技术，允许开发非常灵活，高分辨率CT系统，如实验室的nanotom m（见下一节）市场上买到。电磁聚焦的电子束使产生的X射线束的发射下降到远低于1微米，这是必不可少的CT检查与在亚微米范围内的体素的光点直径。这些特性主要允许，相对于空间分辨率的，能与之抗衡许多吸收的对比度的设置在同步加速器辐射设施的CT测量[10]。实验室X射线管的设置的优点，例如像其交通方便，用户友好性，成本效益高，扫描面积大，因而相对较高的扫描速度（尤其是基于锥形束像nanotom系统）不幸的是，还经常不知道或忽视。这项工作的目的是作为一个强大的互补的做法，支持同步设备昂贵，费时和复杂的检查显示高分辨率实验室CT扫描仪的潜力。在下文中，既获得的数据集的比较，一个的吸收对比度SRμCT设置和最近开发的高分辨率的锥形束实验室扫描器将显示这两种方法的独特性能。这两种方法的优点（和限制）所示几个例子标本有高有低吸收特性。这些涵盖了材料科学领域，以及生物医学世界。此外，本领域子μCT系统较旧的状态的比较，与制成。

2。 CT系统

2.1凤凰nanotom米实验室CT系统

第一nanotom CT亚微米扫描系统于2006年推出，由凤凰| X射线为了掩盖一个紧凑的实验室CT系统空间分辨率可以达到只基于同步辐射的设置，一方面不断增长的需求。另一方面，它应该给用户极高的灵活性，应用领域，如材料科学，微力学，电子学，地质学，生物学，仅举几例。因此，它是特别适合于检查的传感器，复杂的机电一体化样品，微电子元件，以及用于材料样品，如合成材料，陶瓷，烧结合金，复合材料，矿物和有机样品。材料科学实验室的的艺术断层扫描系统的状态用了好几年的nanotom系统，本文也将被称为作为一个国家的艺术分μCT设备。

为了进一步提高应用范围，的后继系统nanotom米介绍了2010年由GE传感与检测科技在其PHÖNIX| X射线产品线。此系统采用了属于的CT系统，如X-射线管，X射线探测器和非常用户友好的软件包的主要组成部分的最近期的发展状况。此外，整体系统设计（花岗石机械臂，空调柜，高精确度的直接测量系统，一个非常精确的空气轴承旋转单元以及振动绝缘的操盘）显着贡献，整体成像质量出色。

2.1.1组件的nanotom m

为了尽量扩大覆盖范围的样品，该系统配备，第一市售180kV高功率纳米焦点管（HPNF）。该管进​​一步优化特别为米nanotom系统长期稳定。管的内部冷却，有效地降低了热漂移，因此可以更清晰的成像时也运行很长的扫描时间。或者，钻石目标是焦点稳定性极高，高达2倍的速度在相同的高图像质量水平数据采集。
这个源可以在四种不同的模式运作。一方面，在所谓的纳米焦点模式下，它提供的X-射线的光斑大小为向下约0.9微米允许极好的细节检测和可用于最高分辨率CT扫描与亚微米体素大小。由于半影效应，光斑大小为主的图像清晰度极端的放大倍率（详见例如，[11]）。在图1高​​功率纳米焦点射线源的分辨能力是证明。它表明
0.6微米结构的的JIMA测试图案（设计通过日本检测仪器制造商协会的测试高分辨率的X射线设备[12]）（线宽），可以清楚地解决了超过约20％，周大福，显示了X射线源的尺寸可以小到低于0.9微米。

图1。 X射线图像显示分辨率和细节探测凤| X-射线的高功率纳米焦点射线管的能力的测试模式。在左侧，清楚地分辨出来的0.6微米线对结构的JIMA测试图案

另一方面在高功率模式下（高达15瓦上面的目标），该管具有足够的穿透能力检查，如铜，钢或锡合金的高吸收样品，例如，从而使分析用于电子设备的新的连接系统或高吸收地质样品，等。管配用透射型靶。这意味着目标是一薄层（几微米）的W或Mo已铍溅射或化学气相沉积（CVD）的金刚石的出射窗口的聚焦电子束击中。用于传输的几何形状，射出的X射线在入射电子束的方向相同的方向。
在检测方面，一个独特的GE平板检测器首先使用在工业CT装置。此检测器的温度稳定，是基于非晶硅（α-Si）的碘化铯闪烁器面板，沉积针结构。它提供了3,072×2,400像素，与的100mm的pixelsize和优异的动态范围高达10,000：1，这是最多～10倍高于旧的nanotom系统中的检测器。的高动态范围的信号 - 噪声比（SNR）允许在同一时间更快的CT图像采集的信噪比。为了进一步提高视场，1.5倍的虚拟探测器可能都可以使用。
对于重建卷数据的GE传感与检测技术采用了专有的实现基于Feldkamps锥束重建算法[13]。重建软件包含几个模块，减少人工制品（如束硬化，环文物，漂移补偿），以优化的结果。在图图2所示的环加工过的食品的抑制方法，效果。在这里，两个相同的横截面显示的皮质骨样品（人骨）与nanotom扫描在90千伏和150μA和1.8微米的体素大小。最初的研究中，由M. Dalstra等在HASYLAB / DESY使用的SRμCT设置定量评价骨质疏松骨皮质[14]中的重构过程。对于定量分析的数据集，它是必不可少的，以尽量减少文物重建体积。因为它可以在图看出。 2，实施办法凤凰| X射线有效地消除了环的文物，因此进一步的定量分析，也可以进行的nanotom CT数据集，因为它是做的结果的SRμCT扫描。一个显着结果所示的nanotom数据的高对比度分辨率，甚至允许骨[14]中的不同密度的相分离。

图2。十字部分骨皮质扫描与nanotom的样品。由于有效的环状伪影抑制骨结构分割的不同阶段成为可能。

CT整个过程链与DATOS×2.0，可以完全自动化，大大减少了操作时间：一旦有适当的设置进行编程，整个扫描和重建进程，包括音量优化功能或表面提取的运行没有任何运营商的互动。此外，3D的计量或失败分析与第三方程序执行的任务也可以被自动执行。一旦编程，自动创建的第一篇文章检验报告，即使有复杂的内部几何形状，可以在一个小时内提供。

2.1.2性能比较先进的亚微米CT状态

要比较新nanotom M CT设备的性能，从材料科学的应用范围是一个典型的样本选择：金属泡沫材料的开发和鉴定实验室，在汽车行业，样本大小约。 2x2x3厘米，无花果。 3。由与nanotom米的结果表现出明显的改进，较最先进的亚微米级的CT系统的状态的信号 - 噪比提高了100％，因此，更精细的细节的体数据中，可以区分的。这样做的好处，可以实现由于一方面的高对比度和低噪声GE X-射线检测器，在另一方面，X射线管的金刚石窗口。

图3。金属泡沫状态的最先进的亚微米CT系统（旧nanotom）（左）和新凤| X射线nanotom M CT系统（右）的扫描比较。在这两种情况下，体素的大小为15μm，管设置和扫描时间为1小时是相同的

2.2同步CT设置

基于同步辐射显微CT系统（SRμCT）提供显着的优势，通过可调，部分的连贯性和近于平行的光束亮度高[18]。这些优势导致更少的文物，改善对比度和分辨率，以及更快的同步断层记录。 [16]中，基于同步的CT系统和实验室之间的比较示出。有，同步的μCT设置在HASYLAB / DESY在汉堡/德国被用来研究一些更高的吸波材料，并与国家的艺术分μCT的结果进行比较。
ID19光束ESRF欧洲同步辐射装置在格勒诺布尔[17，18]单色X射线束能量29千伏平行光束几何。记录，可的SRμCT突起由2D-CCD摄像机具有2048×2048像素的有效像素尺寸为0.3毫米。收购重建1500预测。测量样品在相衬模式下使用样品到检测器的距离为39mm。记录了约15分钟。

3。对照

两种不同的类型的样品已被选定为研究SRμCT以及具有高分辨率工业实验室亚微米CT系统。已被描述在下面的检体的相同区域由这两个系统扫描。为了允许定量比较，由此产生的体数据登记彼此使用的软件[15]中描述的或手动的使用，例如音量图形VGStudio MAX，德国海德堡/。
在材料科学利用CT技术，可以解决几个典型任务。一个常见的​​任务是定量和定性调查的不均匀性，如气孔，裂纹，夹杂物较高和较低的密度，....经典使用的标准方法是机械切片，连同后续评估可以使用光学显微镜，甚至扫描电子显微镜（SEM）。在过去的几年中，X-射线CT变得越来越受欢迎，由于其能力的材料的体积和非破坏性评价。

3.1。低碳钢样品

本文所研究的低碳钢生产连续铸造的条件下，具有最大。直径约。 0.5毫米的特别感兴趣的是这种样品的不均匀性CAAL，氧化镁，CAS，NiCphases毛孔等不同阶段。下表1示出的CT设置被用来实现的结果。比较，其结果显示在图中。 4。

表1中。低碳钢样品的CT设置

图4。 CT结果比较低碳钢样品状态之间的艺术分μCT（左），新nanotom米（中间）和SRμCT（右subμCT）

由于它已经被报道[17]，环文物最为明显的数据SRμCT，而这两个实验室设备几乎没有环文物由于特殊的硬件和软件的设置，一方面也由于独特的温度稳定的探测器在米nanotom设备。戒指文物是众所周知的，所造成的不稳定性或故障的检测器像素。 [17]中，它也被报道说，国家的艺术分μCT以及SRμCT的，显示了非常相似的对比度和空间分辨率。实验室系统，但也有一些缺点：是这样的信号 - 噪声比和体积数据中边缘的清晰度。
随着新的nanotom米，锋利度可以增加40％，较子μCT本领域的旧状态。这其实也可以清楚地看到，在无花果。 4。此外，信噪比增加约。 100％，比较，也与无花果。 3。这些都积极进展，不仅是由于新的GE检测技术，首先是为工业应用在新nanotom的m系统，但也由于热稳定性增加整个系统（比较第2.1节）。
无花果。图5说明了出色的对比度分辨率米nanotom，开始可比对比度分辨率SRμCT的甚至低吸收高吸收钢样品夹杂物。这是唯一的工业CT系统。

子μCT新nanotom米SRμCTID19光束/ ESRF格勒诺布尔的[17]

查看在钢铁样品在两个不同的细节。细节展示毛孔四周低和高吸收夹杂左：结果从nanotom M;右：从SRμCT结果。在

3.2铝铸造合金AlMg5Si7

其他材料科学的调查，比较不同的CT系统的示例是一个圆筒形的AlMg5Si7重力铸造样品，其直径为约。 0.4毫米。这里是利益的不均匀性包括毛孔，共晶硅相以及不同的Al-Fe-Si系相。表2显示了使用不同的设备和无花果CT参数。 6。示出的CT的结果。

表2中。 CT设置铝铸造合金AlMg5Si7

图6。先进的CT结果比较为AlMg5Si7：子μCT（左），分μCT新nanotom米（中间）和SRμCT（右）

毛孔和ferroaluminides都清晰可见，在所有三个结果，以及Mg2Si的相。但同样，nanotom米的成绩表现出更好的信噪比和对比度分辨率较分μCT艺术的状态。在的STμCT结果，也相衬效果清楚地观察到。这是由于非常单色的X-射线光谱，这是典型的同步加速器辐射源。相衬导致一种“振铃”RESP。边缘扩增，并进行目视检查，以及自动检测的一个缺点，经常需要一些体积分割可以是有利的。

4。总结和展望

本研究旨在表明一方面实验室子μCT系统和新的进展，另一方面，一个全面的商业高端CT扫描仪与纳米焦点X射线管和吸收基于同步辐射CT设置之间的业绩比较。已扫描的两个样品具有不同的吸收特性（钢和铝样品）中的亚微米级的体素大小。所选择的标本都是很好的例子，从材料科学的典型应用。
扫描分析表明，新凤| X射线nanotom m具有明显的优势，比较旧的艺术实验室子μCT显着改善系统的整体设计，由于系统状态稳定，新的温度检测器具有更好的对比度分辨率和高性能的冷却纳米焦点X射线管的与更好的磁通由于金刚石窗口在同一焦点大小。该系统提供了卓越的数据质量，在许多情况下，甚至可以竞争与SRμCT数据。在文献[16]的报道，特别是在一些情况下，需要更高的电压穿透更大的样本中，本领域的子μCT系统的状态，甚至可以优于SRμCT的系统，相对于空间分辨率。在其他情况下，信噪比和分辨率非常比较。此外，一个锥形束系统像nanotom米的大的扫描体积是一个优势，并可能会导致更大的样品的扫描时间甚至降低。随着新nanotom m系统更好的结果可以预期较大的样品具有较高的吸收材料，都将受到什么样的检查，在下一步的研究步骤。
同步辐射CT另一方面提供了优良的对比度分辨率，精确可调的单色辐射，因此没有束硬化文物。所以，情况最佳的对比度分辨率或工艺品的数据需要，基于同步辐射CT将是系统的首选。
总体而言，实验室的扫描仪的主要优点是大视野，扫描体积大，高渗透力，由于180kV管，扫描速度（每次扫描量），易用性和整体成本效益。此外，最近开发的高性能工业子μCT扫描仪像nanotom米乘凤X射线，可以充分支持和高质量的CT数据，需要补充研究项目。由于它的灵活性，可用于nanotom，极端高分辨率的扫描与亚微米的体素大小一方面的小样本或快速扫描的高吸收（或更大）的试样，使用高功率模式下的另一。

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