Bài viết trình bày về kết quả nghiên cứu, chế tạo phần cứng cơ khí thiết bị CT thế hệ thứ tư khảo sát tháp công nghiệp kích thước lớn, các thuật toán tái tạo ảnh và quan trọng nhất là hình học dựng ảnh thế hệ thứ tư. Một số kết quả thử nghiệm trên mẫu thử trong phòng thí nghiệm cũng được trình bày ở bài viết này.
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu phương pháp chụp ảnh cắt lớp điện toán hệ thứ tư khảo sát tháp cơng nghiệp kích thước lớn Đặng Nguyễn Thế Duy*, Nguyễn Thanh Châu, Trần Thanh Minh, Nguyễn Văn Chuẩn, Nguyễn Ngọc Nhật Anh Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Ngày nhận 1/7/2019; ngày chuyển phản biện 4/7/2019; ngày nhận phản biện 5/8/2019; ngày chấp nhận đăng 19/8/2019 Tóm tắt: Ngay sau hệ thứ phát minh vào cuối thập niên 60 kỷ XX, công nghệ chụp cắt lớp điện tốn (CT) phát triển cách nhanh chóng khoảng thời gian 10 năm sau Thế hệ thứ thương mại xuất vào năm 1975, giúp giải vấn đề thời gian đo đạc hai hệ trước Năm 1976, hệ thứ tư đời để giải tiếp vấn đề kích thước mẫu, ảnh tròn giả độ ổn định chung thiết bị Ngày nay, bên cạnh CT y tế, phạm vi ứng dụng CT ngày mở rộng, với nhu cầu thực tiễn gia tăng nhanh chóng CT xem công cụ kiểm tra không phá hủy đại, áp dụng đối tượng có kích thước từ vài mm vài mét nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội, có việc kiểm tra khảo sát thiết bị, tháp lọc hóa dầu vận hành Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân cơng nghiệp (CANTI) số đơn vị Việt Nam nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị CT công nghiệp Bài báo trình bày kết nghiên cứu, chế tạo phần cứng khí thiết bị CT hệ thứ tư khảo sát tháp cơng nghiệp kích thước lớn, thuật toán tái tạo ảnh quan trọng hình học dựng ảnh hệ thứ tư Một số kết thử nghiệm mẫu thử phòng thí nghiệm trình bày báo Từ khóa: ART, chụp cắt lớp điện tốn, CT, CT hệ thứ tư Chỉ số phân loại: 2.3 Mở đầu Chụp cắt lớp điện tốn CT cơng cụ chẩn đoán hiệu y tế từ nhiều năm qua Với tính ưu việt, CT ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Từ thời điểm phát minh vào năm cuối thập niên 60 kỷ trước, hệ CT thương mại sử dụng y tế, công nghiệp, nghiên cứu khoa học phân thành nhóm theo độ phân giải bao gồm: nanoCT, microCT macroCT Thiết bị nanoCT đạt đến độ phân giải 100 nm với kích thước mẫu cỡ vài mm Cơng nghệ microCT có độ phân giải khơng gian từ vài µm đến 100 µm với kích thước mẫu khơng 100 mm MacroCT bao gồm CT y tế với độ phân giải không gian từ 0,1 mm đến vài mm Một số thiết bị CT công nghiệp sử dụng máy gia tốc tuyến tính chụp mẫu van cỡ lớn với khối lượng lên tới [1], khoảng cách từ máy phát đến đầu dò lên đến vài mét [2] Đa số thiết bị CT nêu sử dụng máy phát tia X vận hành nhà Một số thiết bị CT cơng nghiệp di chuyển để ứng dụng đối tượng ngồi cơng trường Khả thiết bị dạng hạn chế, hình ảnh đạt có độ phân giải khơng gian khơng cao, thời gian chụp lâu có nhiều tiềm ứng dụng để giải toán q trình vận hành thiết bị cơng nghiệp, đặc biệt cơng nghiệp lọc hóa dầu Tháp cơng nghiệp ln có hình trụ tròn, cao, thành tháp thép dày, xung quanh tháp có nhiều kết cấu sàn cơng tác, ống dẫn, van… Do thiết bị CT khảo sát tháp cần có cấu trúc khí tinh gọn, tránh vướng víu cấu kiện bên ngồi tháp vận hành Hình 1B mơ tả cấu hình CT hệ thứ tư khảo sát tháp công nghiệp đề xuất chương trình hợp tác kỹ thuật chụp cắt lớp điện tốn cơng nghiệp Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) [3] Cấu hình cần nhiều đầu dò phóng xạ bố trí cố định đường tròn quanh tháp Một nguồn phóng xạ hoạt độ cao, khơng che chắn chạy quanh đường tròn có đường kính nhỏ đường tròn đầu dò Cấu hình có ưu điểm kích thước nguyên lý vận hành Kích thước khí cấu hình nhỏ nhiều so với cấu hình hệ thứ ba (hình 1A) với kích thước mẫu Tuy nhiên nhược điểm cấu hình hình ảnh có độ phân giải thấp, liều xạ vận hành cao nguồn phóng xạ hồn tồn khơng che chắn Tác giả liên hệ: Email: theduy@canti.vn * 61(11) 11.2019 23 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ A research into the fourth generation computed tomography method for investigation of large-sized industrial towers Nguyen The Duy Dang*, Thanh Chau Nguyen, Thanh Minh Tran, Van Chuan Nguyen, Ngoc Nhat Anh Nguyen Centre for Applications of Nuclear Technique in Industry, Vietnam Atomic Energy Insitute Received July 2019; accepted 19 August 2019 Abstract: Right after the invention of first generation scanner in the late 1960s of the 20th century, the computed tomography (CT) technology had developed rapidly within 10 years later The third generation scanner was introduced into the market in 1975 to solve the problem of measurement time of previous generations In 1976, the first scanner of the fourth generation was available to solve the problem of object size, ring artifacts as well as the general stability of the third generation Nowadays along with medical imaging, CT has been widely used in many fields with an increasing demand CT is considered as the modern non-destructive testing tool that can be applied on object sizes ranging from millimeters to meters in many socioeconomic fields, including the inspection of currently running equipment and petrochemical towers In Vietnam, Center for Applications of Nuclear Technique in Industry (CANTI) is one of very few organizations that has carried out the research, design and construction of industrial CT scanners This paper presents the results on the research and manufacture of the hardware of the fourth generation CT scanner for inspecting large-sized industrial towers, the image reconstruction algorithms, and the most important, the geometric matrix for image recontruction Test results on the laboratorial specimen is also presented in this paper Hình Cấu hình CT hệ thứ ba (A) cấu hình hệ thứ tư khảo sát tháp công nghiệp (B) Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng kỹ thuật tiên tiến hiệu để kiểm tra tình trạng hoạt động tháp lọc hóa dầu vận hành ngày tăng cao Một số tốn cụ thể kiểm tra tình trạng gạch/bê tông chịu lửa hệ thống tái sinh xúc tác, kiểm tra tình trạng vùng vật liệu đệm, tầng phá sương tháp chưng cất giải kỹ thuật xạ soi gamma chụp cắt lớp điện tốn Đứng trước nhu cầu đó, nhóm nghiên cứu hình ảnh hạt nhân CANTI nghiên cứu phát triển thành công phương pháp chụp cắt lớp khảo sát tháp cơng nghiệp có kích thước đến m Phương pháp chụp dựa cấu hình khí hệ thứ tư với số lượng đầu dò hạn chế (8 đầu dò NaI(Tl) có kích thước tinh thể 50x50 mm) Thành công nghiên cứu tiền CANTI hoàn thiện thiết bị nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng, góp phần khai thác vận hành hiệu quả, an toàn nhà máy công nghiệp Cơ sở lý thuyết phương pháp thực Nguyên lý chụp cắt lớp điện toán Phương pháp chụp ảnh cắt lớp CT xác định phân bố mật độ vật chất mẫu vật dựa tính tốn từ tập số liệu hình chiếu (số liệu phép đo phóng xạ) Đặc trưng ảnh cắt CTthập xác định bố mật độ vật chất củaPhương phươngpháp phápchụp cách bố lớp trí thu liệu trênphân lát cắt mẫu vật dựa tính tốn từ tập số liệu hình chiếu (số liệu phépđộđo Phương pháp chụp ảnh cắt lớp CT xác định phân bố mật vậtphón chấ vật thể Một số lượng lớn phép đo ghi nhận Đặc trưng phương pháp cách bố trí thu thập liệu lát cắt vật thể mẫu tập đo số liệu mộtvật lát dựa cắt, trongtính tốn từ phép liên hình quanchiếu đến vị(sốtríliệu củacác phép đo phóM lượng lớnkết phép ghi cắt,dữ đothể liên nguồn hợp vớiđovịđược trí dò.trên Đặc trưng phương pháp đầu ởnhận cách bố trí thulátthập liệu trênmỗi lát phép cắt vật đến vị trí kết hợp với trí đầu dò.lát cắt, phép đo liê lượng lớncủa cácnguồn phép ghivị nhận Xét trường hợpđo chùm xạtrên có cường độ ban đầu I0 đến vị trímẫu vật nguồn hợp với ởbức vịhình tríxạ đầu dò độ Xét trường hợp chùm cường độchùm ban đầu qua nhưkết biểu diễn 2.cóCường bứcI0 qua mẫu vậ Keywords: ART, computed tomography, CT, fourth biểu xạ diễn I Xét sauởkhi đi2.qua mẫu vật nhưbức sau: hình Cường chùm bứcxạxạcóI sau sau: qua mẫu v trường hợp mộtđộ chùm cường độqua banmẫu đầu vật I0 generation CT biểu diễn hình Cường độ chùm xạ I sau qua mẫu vật sau: ) + * ∫ ( (1) Classification number: 2.3 ) + * ∫ ( Giá trị chiếu g(s,) tích phân đường (line integral) qua mẫu vật đượ Giá trị chiếu g(s,θ) tích phân đường (line integral) qua định theo phân gọi tổng phân tiaqua (raymẫu sum): Giá trị g(s,(2) định ) làTích tích phân đường (line integral) vật đư mẫu vậtphương chiếu đượctrình xác theo phương trình (2).là Tích định phương tổng trình (2) Tích phân gọi tổng tia (ray sum): theo ( )gọi *là ∫ ( tia)(ray+ sum):( ) ( ) *∫ ( ) + ( ) (2) Ta thấy, mặt phẳng uOs mặt phẳng xOy xoay góc xoay khơng Ta gian chiều, hệ phẳng gốc xOy mặt phẳng có2thể thấy,mối mặtliên phẳng uOsmặt mặt phẳng xoay gócxoay xoay sau: khơng gian chiều, mối liên hệ mặt phẳng gốc mặt phẳng xoay mộ 61(11) 11.2019 sau: 24 lượng lớn phép đo ghi nhận lát phép lượng lớncủa cácphương phép pháp đo được ghi bố nhận lát cắt, cắt, đóthể mỗiMột phép đo liên liên quan quan Đặc trưng cách trí thu thậpmột liệu lát cắt vật số đo ( ) * ( )+ (7) đến vị trí nguồn kết hợp với vị trí đầu dò đến vị lớn trí nguồn kết hợp với vị củalátđầu lượng phép đo ghi nhận trêntrímột cắt, dò phép đo liên quan Các thuật toán phổ biến áp dụng kỹ thuật chụp cắt lớp điện tốn bao đến vịXét trí nguồnhợp kết hợp vớichùm vị trí vật trường qua qua mẫu mẫuBiến vật đổi nhưadon ngược (iadon) trình ngược biến đổi adon, tức qu Xét trường hợp chùm bứcđầuxạ xạdò.có có cường cường độ độ ban ban đầu đầu II00 gồm thuật toán tái tạo đại sốdữ(ART), chiếu ngược có lọcbằng (FBP), tốisửđadụng hóa kỳ trình liệuhọc hình chiếu đo cách cácvọng thuậ biểu ởở hình chùm xạ mẫu vật sau: Kỹ thuật Công nghệ biểu diễn diễn hìnhhợp Cường Cường độbức chùm xạ IIđộsau sau điI0qua qua mẫumẫu vậtvậtnhư sau: tái dựng lại hình ảnh từKhoa qua Xét trường chùmđộ xạ cóbức cường bankhi đầuđi (EM), thuật toán FBP sử dụng phổ biến toán khác biểu diễn hình *Cường độ(chùm)bức+xạ I sau qua mẫu vật sau: (1) * ∫ (1) ∫ ( ) + Hình ( học ) dựng *ảnh ( thế)+hệ thứ tư (7 ( ) + * (1) ∫ Giá trị chiếu g(s, ) tích phân đường (line integral) qua mẫu vật xác ảnh điện tốnáplàdụng q trình tính tốn giá củađiện điểm Giá trị chiếu g(s,) tích phân đường (line integral) qua mẫu vật vàDựng đượcthuật xácchụp tốn cắt phổlớp biến chụp cắttrịlớp tốn ba hìnhCác ảnh Trong cấu hình CT hệ thứ tư, kỹ bấtthuật kỳ tia chiếu định phương trình (2) Tích phân gọi tổng tia (ray sum): ảnh dựa số liệu hình chiếu đo đạc thơng qua thuật tốn Các giá trị tính định theo theo phương trình (2) Tích phân gọi tổng tia (ray sum): Giá trị chiếu g(s,) tích phân đường (line integral) qua mẫu vật xácgồm thuật tốn tái tạo đại số (ART), chiếu ngược có lọc (FBP), tối đa hóa kỳ vọn có thểtrong xác định tham số γ β, Phương pháp chụp ảnh cắt lớp CT xác định phân bố cần mật vật 1độđịa chỉchất trêntoán maFBP trận ảnh để phần hiển thị thành hình ảnh Trong cấu định theo phương trình (2) Tích) phân gọi tổng tia (ray sum): (EM), thuật sử góp dụng phổđibiến γ góc tạo tia tính với tia qua tâm, β ( ) ( * + ( ) (2) ∫ tính ( dựa ) ( tốn ) từ *∫ + tập (số)liệu hình chiếu (số liệu cáchình (2)thứ tư, mẫu vật phép đo phóng xạ).bất kỳ tia chiếu xác định tham số γ CT hệ gócHình tao tia qua tâm nêu trục y mô tả học dựng hệ thứ tư tính Đặc trưng là( ở) cách bố trí thu thập liệu (2) láttrong cắt vật thể Một sốảnh ( )của*∫phương ( ) pháp +phẳng β, γ góc tạo tia với tia tâm, tia β góc tao tia Ta thấy, mặt uOs mặt phẳng xOy xoay góc xoay Trong hình γ gọi góc dò xác định vịđitríqua Ta thấy, mặt phẳng uOs mặt phẳng xOy xoay góc xoay Trong lượng lớn phép đo ghi nhận lát cắt, phép đo liên quan Dựng ảnh chụp cắt lớp điệnmô tốn mộthình q 3.trình tính gọi tốnlàgiá điểm qua tâmchùm nêu trụcquạt y tả γ góctrịdòcủa xác định tia hình khơng gian gianthể chiều, mối liênuOs hệ làgiữa mặt phẳngxoay gốc và mặt mặt phẳng phẳng đã xoay góc khơng 22 chiều, mối liên hệ mặt phẳng gốc xoay góc trên thấy, mặt phẳng mặt phẳng đến vịTatrícócủa nguồn kết hợp với vị trí củaxOy đầu dò.một góc xoay Trong ảnh dựa số liệu hình chiếu đo đạc thơng qua thuật tốn Các giá trị tín vị trí tia chùm tia hình quạt sau: sau: khơng gian chiều, mối liên hệ mặt phẳng gốc mặt phẳng xoay góc Một tia chiếu g(γ, β) chùm tia chiếu hình quạt địamẫu vật đúngnhư ma trận ảnh để góp phần hiển thị thành hình ảnh Trong cấ qua Xét trường hợp chùm xạ có cường độ ban đầu I0 cần tia chiếu chùmtiatiasong chiếusong hìnhnếu quạtcác sau: mộtMột tia chiếu g(s,g(γ, θ) β) chùm điềutia chiếu g(s, θ) hình CT hệ thứ tư, tia chiếu xác định tham số γ v (3) biểu diễn hình Cường độ chùm xạ I sau qua mẫu vật sau: (3) chùm tia song song điều kiện sau thỏa mãn: kiện sau thỏa mãn: (3)β, γ góc tạo tia tính với tia qua tâm, β góc tao ti ) + * ∫ ( qua tâm nêu trên(1) trục y mô tả hình γ gọi là(8) góc dò xác(8) địn vị trí tia chùm tia hình quạt Giá trị chiếu g(s,) tích phân đường (line integral) qua mẫu vật xác Với RRlàlàkhoảng cách giữagiữa nguồn phát tia qua tâmqua hệ đo, L khoảng cách Với khoảng nguồn tia Một tia chiếu g(γ,cách β) chùm tiaphát chiếuvàhình quạt tâm tia chiếu g(s, θ định theo phương trình (2) Tích phân gọi tổng tia (ray sum): từ nguồn phát đến điểm ảnh (x,y) hệ đo, L khoảng cách từ nguồn phátsauđến điểm ảnh (x,y) chùm tia song song điều kiện thỏa mãn: Hình (2 Phép ) lấy ( chiếu ) +vật thể(tại)góc θ sử dụng chùm tia *∫ hình (2) song song (8) Ta thấy, mặt phẳng uOs mặt phẳng xOy xoay góc xoay Trong Ta thấy, mặt phẳng uOs mặt phẳng xOy xoay không gian chiều, mối liên hệ mặt phẳng gốc mặt phẳng xoay góc cách nguồn phát tia qua tâm hệ đo, L khoảng Với R khoảng góc xoay θ Trong khơng gian chiều, mối liên hệ sau: từ nguồn phát đến điểm ảnh (x,y) mặt phẳng gốc mặt phẳng xoay góc θ sau: (3) (3) Hình Hình 2 Phép Phép lấy lấy hình hình chiếu chiếu vật vật thể thể tại góc góc θθ sử sử dụng dụng chùm chùm tia tia song song song song HìnhThế Phép vật thể góc θ sử dụng chùm tia song song (3) vào (2), ta Thế (3) lấy vàohình (2),chiếu ta được: được: Thế (3) vào (2), ta được: Thế ta được:(( (( (3) ))vào (2), ∫ ∫ ∫ ∫ )) (( )) (4) (4) (4) ) (( ) ) ∫ ∫ (( ) ( (4) )) (5) (5) ( ) ∫ (5) ( ∫ Hình Hình học cấu hình hệ thứ tư ( ) (bộ ∫ tồn Kếthợp hợptồn tập hình tấtgóc khác góc (5) Kết tập chiếu Kết hợp tồn bộ cáccác tập hình hình chiếu chiếu tất tấttrên cả) các góc khác thu thu được một khác thu(( mộtcòn tậpgọi chiều G(s,θ), hay đổicó Radon trường hợp chùm tia hình quạt sau: tập số liệu chiều hay sinogram (do ảnh số tập sốKết liệu chiều ), hay gọisố làcảliệu sinogram (do ảnhsẽ 22thuchiều chiều số liệu liệu có hợp22 tồn tập ), hình chiếu tấtlà góc khác bộBiến gọi sinogram (do ảnh chiều số liệu có những vệt hình sóng sin) Sự biến đổi tập hợp ( ) sang sinogram ( ) gọi vệt 2hình đổisinogram tập hợp(do (ảnh 2)chiều sangcủa sinogram ( ) gọi tập số liệu chiềusóng ( sin) ), haySựcònbiến gọi số liệu có ( ) ∫ ∫ ( ) ) ( vệt hình sóng sin) Sự biến đổiở tập hợp f(x,y) sang sinogram lànhững biếnvệt đổihình adon Biến đổi adon góc xác định trình bày sau: biến đổi adon Biến đổi adon góc xác định trình bày sau:3 Hình học cấu hình hệ thứ tư.( ) Hình sóng sin) Sự biến đổi tập hợp ( ) sang sinogram ( ) gọinhư G(s,θ) gọi biến đổi Radon Biến đổi Radon (9) làgóc biếnθ((đổixác adon Biến định trình bày sau: trình dựngcấu ảnhhình cần sử dụng ))HìnhQ (6) học bày((góc nhưxác sau: )) định ** ((đổi adon ++trình ∫ở Hình hệ thứmột tư.ma trận hình ảnh hệ thống Hình mô tả ∫ Biến(6) đổi Radon trường hợp chùm tia hình quạt hình họcsong cấu hình hệ thứ tư sử dụng để xác định vị trí điểm ảnh cần tái tạo Hình (6) song ( Phép ) lấy * ( hình + ∫chiếu ( vật thể tại4 góc θ sử dụng)chùm (6)tia nhưBiến sau:đổi Radon trường hợp chùm tia hình quạt sau: Thế (2), tangược được: (iRadon) trình ngược Biến(3) đổivào Radon ( ) ∫ ∫ ( ) (9) ) ( (9) đổi adontức ngược (iadon) làtáiquá trìnhlại ngược biến đổi adon, tức ( ) biếnBiến dựng hìnhcủa ảnh ) từ (đổi Radon, ) ∫ ∫ (quá trình ) ( (4) trình dựngchiếu lại hình từ liệucách hình sử chiếu đo cách thuật liệutáihình đo ảnh dụng thuật toánsử dụngQuá ảnh cầncần sử dụng một ma trận hệ ảnh thống Hình mơ t Q trình trìnhdựng dựng ảnh sử dụng mahình trậnảnh hình (nhau ) ∫ tốn khác khác ) (5) ( hình học cấuHình hình hệ tả thứhình tư sử dụng xáchệđịnh điểm ảnh cần tái tạo hệ thống mơ học cấu hìnhđểthế thứvịtưtríđược ( hợp ) tồn *bộ(các )+ (7) (7) Kết tập hình chiếu tất góc khác thu sử dụng để quạt xác định ảnhpháp cầnxác táiđịnh tạo.vịVới cấu hình Với cấu hình hệ vị thứtrítư,điểm phương trí điểm ảnh qua tia chiếu Với cấu hình quạt hệ thứthứ tư,tư, phương phápđịnh xác định vịđịnh tríđiểm điểm ảnhđiểm qua chiếu Với cấu hình quạt hệ phương pháp xác vị trí qua tia chiế quạt hệ thứ tư, phương pháp xác vị trí ảnh quatiaảnh tập sốCác liệu chiều ( ), hay gọi sinogram (do ảnh chiều số liệu có thuật toán phổ biến áp dụng kỹ thuật Các thuật toán phổ biến áp dụng kỹ thuật chụp cắt lớp điện tính tốnnhư baosau: tính sau: tính sau: chiếu vệt hình sóng sin) Sựsốbiến đổi tập hợp ( có )tạo sang ( kỳ vọng )được tính gọi sau: chụp cắt lớptoán điện bao gồm cácchiếu thuật toán táilọc đạisinogram sốtối đatia gồm thuật táitoán tạo đại (ART), ngược (FBP), hóa (ART), ngược lọc (FBP), tối đa hóa kỳnhất vọngđược (EM), là(EM), biến đổichiếu adon Biến đổi adon góc xác định trình bày sau: (( thuật tốncó FBP sử dụng phổ biến thuật tốn FBP sử dụng phổ biến ( học ) dựng * (ảnh +thế hệ ∫ thứ (tư Hình ) Hình học dựng ảnh hệ thứ tư )) ) ) ((6) (( )) ) (10) (10) (10) (10 (11) (11) (11) (11 Dựng ảnh chụp cắt lớp điện tốn 4q trình tính tốn giá trị điểm √√ L(x, y,y,β) Với: (12) (12) (12) (12 Với:Lx, Lx,y, Dựng chụp lớpđo điện Với: Với: Lx, =√ ảnh dựa trênảnh số liệu hìnhcắt chiếu đạc tốn thơnglàqua cácq thuậttrình tốn.tính Các giá trị tính tốn giá trị điểm ảnh dựa số liệu hình chiếu đo cần địa ma trận ảnh để góp phần hiển thị thành hình ảnh Trong cấu -1 đạc thơng qua thuật tốn Các giá trị tính cần -1-1 ==số + =tan tan hình CT hệ thứ tư, tia chiếu xác định tham γ-1và*** + tan + (13) (13) (13) (13 địa ma trận ảnh để góp phần hiển thị thành β, γ góc tạo tia tính với tia qua tâm, β góc tao tia Mơphỏng cấu cấu hình hệ hệ thứthứ tư phần phần mềm mơ q trình qua tâm nêu trục y mô tả hình γ gọi góc dò vàMơ xác định hìnhthếthế tư mềm mơcác cáchạt q trình hạ Mơ cấu hình hệ thứ tư phần mềm mơ q trình hạt nhân nhân vị trí tia chùm tia hình quạt nhân Việc kiểm chứng hình dựng ảnh thực số liệuqua môsố Một tia chiếu g(γ, β) chùm tia chiếu hình quạt tia25 chiếu g(s,kiểm θ) chứng Việc hìnhhọchọc dựng ảnh thựcthơng hiệnqua thơng liệu mơ phỏn 61(11) 11.2019 Việc kiểm chứng hình qua sốtảliệu trước khitiến tiến hành hành thiết kếkếchihọc tiếtdựng chế tạo phần cứng cơcứng khí.thơng Hình mơHình cấu4 mơ hình chùm tia song song điều kiện sau thỏa mãn: trước thiết chi tiết vàảnh chếđược tạo thực phầnhiện khí mơphỏng tả cấu hìn trước tiến hành thiết kế chi tiết chế tạo phần cứng khí Hình mơ tả cấu liệu hình hình chiếu hệ hệ thứthứ tư chương trình mơtrình q trình đo đo đạcđạcsốsốliệu chiếuthếthế tư chương mơcácphỏng cáchạtqhình trình hạ (8) đonhân đạc(MCNP) số liệu hình hệgồm thứ tư chương trình mơ q trình (MCNP) Cấuchiếu hình gồm 01 nguồn phóng xạ Co-60 chuẩn trựcchuẩn chì với nhân Cấu hìnhbao bao 01bằng nguồn phóng xạ Co-60 trựchạtchì vớ Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Mô cấu hình hệ thứ tư phần mềm mơ trình hạt nhân Việc kiểm chứng hình học dựng ảnh thực thông qua số liệu mô trước tiến hành thiết kế chi tiết chế tạo phần cứng khí Hình mơ tả cấu hình đo đạc số liệu hình chiếu hệ thứ tư chương trình mơ q trình hạt nhân (MCNP) Cấu hình bao gồm 01 nguồn phóng xạ Co-60 chuẩn trực chì với góc mở 950 khe mở chuẩn trực 20 mm cố định, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có kích thước tinh thể 50x50 mm che chắn chì có độ dày thay đổi từ 20-70 mm với khe mở có độ mở vơ tận, chiều cao khe mở thay đổi từ 2-20 mm Nguồn đầu dò bố trí khung tròn có đường kính 2500 mm Mẫu vật hình tròn có đường kính ngồi 1500 mm với hai lớp vật liệu: bê tơng nhẹ có mật độ 1,2 g/cm3 dày 100 mm bên thành thép có mật độ 7,8 g/cm3 dày 10 mm bên ngồi Kết mơ lựa chọn kích thước khe mở đầu dò tối ưu: dày tối thiểu 20 mm cao 20 mm Bộ số liệu hình chiếu mơ thu thập với 128 hình chiếu, hình chiếu có 128 tia chiếu mơ tả hình 5A Hình 5B ảnh cắt lớp tái dựng từ số liệu hình chiếu mơ thuật tốn FBP với hình học dựng ảnh mô tả theo (10), (11), (12) (13) Kết thảo luận Thiết kế chế tạo phần cứng thiết bị CT hệ thứ tư Căn kết mơ hình ảnh từ số liệu mơ tái dựng, cấu hình phần cứng thiết bị CT hệ thứ tư thiết kế mơ tả hình Ở góc chiếu, vào số lượng tia chiếu cần thiết hình chiếu, đầu dò cần phải xoay thêm số lần nguồn phóng xạ đứng yên Hình 6A minh họa trường hợp đầu dò xoay thêm lần để hình chiếu có 40 tia chiếu Sau đo đạc xong tia chiếu (các đường liền nét màu đỏ), đầu dò quay thêm lần, lần 4,50 để đo tia chiếu trung gian (các đường nét đứt màu xanh) Với yêu cầu kích thước khung xoay khí nhỏ nhất, nguồn đầu dò bố trí mơ tả hình 6A mẫu vật có kích thước đến 1700 mm Đối với mẫu có kích thước từ 1700 đến 2000 mm, nguồn đầu dò bố trí hình 6B (A) Kích thước mẫu đến 1700 (B) Kích thước kính mẫu đến mm 2000 mm Hình Thiết kế nguyên lý phần cứng thiết bị CT cấu hình hệ thứ Hình Cấu hình đo đạc hệ thứ tư mơ MCNP A B Hình Bộ số liệu hình chiếu (Sinogram) từ kết mơ MCNP (A) hình ảnh tái dựng thuật tốn FBP hình học dựng ảnh hệ thứ tư (B) 61(11) 11.2019 Khung quay khí A hình khung hình vành khăn có lớp: lớp cố định làm sàn tựa cho lăn quay hai lớp trên, lớp có vòng ray xích chạy quanh đường kính ngồi; lớp thứ hai lớp làm sàn tựa để quay lớp cùng, lớp thứ hai có vòng ray xích chạy quanh đường kính ngồi Nguồn phóng xạ lắp cố định vào lớp thứ hai đầu dò lắp cố định vào lớp Động B hộp số lắp cố định vào lớp thứ hai, bánh gắn vào trục hộp số chạy ray xích lớp Động C hộp số lắp cố định vào lớp cùng, bánh gắn vào trục quay hộp số chạy ray xích lớp thứ hai Hộp số giảm tốc có cấu tạo kiểu trục vít - bánh vít, lớp khung thứ hai thứ ba tự xoay tự trượt động không quay Khi cần thay đổi hình chiếu, động B quay kéo lớp thứ hai lớp xoay (nguồn đầu dò xoay) Khi 26 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ cần tăng số tia chiếu, động C quay kéo lớp quay (nguồn đứng n, đầu dò xoay) Khung quay khí hình vành khăn gia công từ nhiều mảnh ghép nhỏ để dễ vận chuyển dễ lắp đặt vào thiết bị công nghiệp cố định nhà máy B A C Hình Thiết bị CT mẫu (A), số liệu hình chiếu 128 hình chiếu x 512 tia chiếu mặt mẫu (B) số liệu hình chiếu 128 hình chiếu x 512 tia chiếu mặt mẫu (C) (a) Mặt Hình A: khung quay khí lớp, B: động hộp số điều khiển xoay thay đổi hình chiếu, C: động hộp số điều khiển xoay thay đổi tia chiếu, D: khối chì che chắn đầu dò, S: chuẩn trực chứa nguồn phóng xạ Thử nghiệm thiết bị mẫu vật phòng thí nghiệm Mẫu thiết bị chụp CT hệ thứ tư gia công chế tạo theo thơng số từ tính tốn mơ thiết kế kỹ thuật trình bày phần Phần mềm tái dựng hình ảnh cắt lớp xây dựng dựa thuật toán FBP hình học dựng ảnh hệ thứ tư Thiết bị thử nghiệm mẫu vật mô tháp công nghiệp để kiểm chứng đánh giá phương pháp chụp ảnh CT hệ thứ tư khảo sát vật thể có kích thước lớn Hình mô tả cấu trúc mẫu mô đoạn tháp cơng nghiệp có đường kính 1500 mm, thành thép dày 15 mm lớp bê tông dày 125 mm có nhiều vết nứt vỡ bên Hình 9A chụp thiết bị mẫu vật, hình 9B số liệu hình chiếu mặt mẫu vật, hình 9C số liệu hình chiếu mặt mẫu vật Hình 10 hình ảnh tái dựng từ số liệu hình chiếu thu thuật tốn FBP Hình Cấu trúc mẫu tháp có gạch/bê tơng chịu lửa bên 61(11) 11.2019 (b) Mặt (c) Kích thước vết vỡ AB Hình 10 Hình cắt lớp tái dựng từ số liệu hình chiếu thuật tốn FBP Đánh giá cách định tính thấy hình ảnh CT tái dựng có chất lượng tốt nhiễu Vị trí kích thước vết nứt vỡ thể rõ Bằng công cụ phần mềm tái tạo ảnh, kích thước ngang số vết nứt vỡ xác định trình bày bảng Kết cho thấy sai số xác định lớn kích thước vết vỡ nhỏ, lên đến 54% kích thước 10 mm Trong trường hợp này, nguyên nhân kích thước điểm ảnh Với số liệu 512 tia chiếu, kích thước điểm ảnh vào khoảng 7,5x7,5 mm Do vết nứt có chiều ngang 10 mm hiển thị pixel, tương đương 15 mm Để giảm sai số mức 10%, số tia chiếu cần thiết vào khoảng 800, tương đương 100 lần dịch chuyển trung gian đầu dò Bảng Kích thước ngang vết nứt vỡ thực tế đo đạc qua hình ảnh tái dựng Kích thước vết vỡ thực tế (sâu x ngang) (mm) Kích thước ngang hình ảnh (mm) Sai số tương đối (%) Mặt trên: 30x70 76,8 9,7 Mặt trên: 50x50 55,4 10,8 Mặt dưới: 50x30 33,9 13,0 Mặt dưới: 70x10 15,4 54,0 Hình 11A giản đồ giá trị điểm ảnh đoạn thẳng AB hình ảnh cắt lớp (hình 11B) cho thấy vùng mật độ khác rõ: thép (giá trị độ xám: 170-175), bê tông (giá trị độ xám: 50) không khí (giá trị độ xám: 15) Bảng giá trị mật độ, hệ số hấp thụ khối (µ/ρ), hệ số hấp thụ tuyến tính (cm-1) [4], giá trị độ xám hình ảnh thép, 27 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ bê tông không khí Hình 12 thể tương quan tuyến tính giá trị tái tạo thang độ xám hệ số hấp thụ tuyến tính vật liệu giá trị trung bình lượng tia gamma phát nguồn Co-60 A B Hình 11 Giản đồ giá trị điểm ảnh (A) thang độ xám đoạn thẳng AB ảnh tái dựng thuật toán FBP (B) Bảng Mật độ, hệ số hấp thụ khối, hệ số hấp thụ tuyến tính, giá trị độ xám vật liệu Mật độ (g/cm3) Hệ số hấp thụ khối (cm2/g) với gamma 1,25 MeV Hệ số hấp thụ tuyến tính (1/cm) với gamma 1,25 MeV Giá trị độ xám ảnh tái tạo Thép 7,8 0,054 4,17x10-1 175 Bê tông 2.2 0,058 1,16x10-1 50 Khơng khí 0,001225 0,057 6,97x10 15 -5 Kết luận Phương pháp chụp CT hệ thứ tư khảo sát tháp cơng nghiệp kích thước lớn nghiên cứu xây dựng thành công Mẫu thiết bị CT hệ thứ tư chế tạo với cấu hình đo đạc nguồn phóng xạ đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) bố trí khung tròn đồng tâm với khung xoay khí Phần mềm tái dựng ảnh cắt lớp với thuật tốn thơng dụng lập trình thành cơng dựa hình học dựng ảnh hệ thứ tư Các kết thử nghiệm cho thấy hình ảnh tái dựng từ số liệu hình chiếu hệ thứ tư với hình dạng kích thước mẫu Hình ảnh có độ phân giải mật độ tốt, độ phân giải không gian đủ để khảo sát đối tượng cơng nghiệp Kích thước khung khí cho phép khảo sát tháp lọc hóa dầu có đường kính lên đến m với nhiều thành phần vật liệu thép, bê tông… Giải pháp xoay đầu dò trung gian để tăng số tia thật hữu ích với điều kiện số đầu dò hạn chế, từ thiết bị cần máy đo hạt nhân hơn, giá thành thiết bị từ giảm đáng kể Người sử dụng chủ động thiết lập thay đổi số tia chiếu dựa vào điều kiện thực tế cơng trường, từ tiết kiệm thời gian đo đạc hay tăng cường chất lượng ảnh số trường hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L de Chiffire, S Carmignato, J.P Kruth, R Chmitt, A Weckenmann (2014), “Industrial application of computer tomography”, CIRP Annals, 63(2), pp.655-667 [2] Daniel Schnebark (2004), CT scan of NASA Booster Nozzle, Lawrence Livermore National Laboratory, USA [3] International Atomic Energy Agency (2008), Industrial Process Gamma Tomography, IAEA TecDoc 1589 Hình 12 Sự tương quan tuyến tính giá trị độ xám tái tạo hệ số hấp thụ tuyến tính vật liệu 61(11) 11.2019 [4]2https://www.nist.gov/pml/x-ray-mass-attenuation-coefficients, NIST X-ray Attenuation Databases 28 ... hình ảnh hạt nhân CANTI nghiên cứu phát triển thành công phương pháp chụp cắt lớp khảo sát tháp cơng nghiệp có kích thước đến m Phương pháp chụp dựa cấu hình khí hệ thứ tư với số lượng đầu dò... thử nghiệm mẫu vật mô tháp công nghiệp để kiểm chứng đánh giá phương pháp chụp ảnh CT hệ thứ tư khảo sát vật thể có kích thước lớn Hình mơ tả cấu trúc mẫu mơ đoạn tháp cơng nghiệp có đường kính... ( học ) dựng * (ảnh +thế hệ ∫ thứ (tư Hình ) Hình học dựng ảnh hệ thứ tư )) ) ) ((6) (( )) ) (10) (10) (10) (10 (11) (11) (11) (11 Dựng ảnh chụp cắt lớp điện tốn 4q trình tính toán giá trị điểm