Рентгеноскопия и компьютерная томография - Остек-СМТ
реклама
Рентгеноскопия и компьютерная томография Сборник тезисов докладов 3-й Международной конференции по компьютерной томографии 7–8 апреля 2015 года Москва, Владимир 978-5-9907248-0-8 616-073.756.8:004(082) 51.23я43 СОДЕРЖАНИЕ I. ПЛЕНАРНАЯ ЧАСТЬ Проникающая способность рентгеновского излучения И. А. Проказов, С. И. Румянцев 5 5 Компьютерная томография в материаловедении: возможности и перспективы Е. С. Прусов 10 Применение компьютерной томографии для решения задач нефтегазовой отрасли Д. В. Корост, Г. М. Герке, М. В. Карсанина, Д. Р. Гилязетдинова, Р. А. Хамидуллин 12 II. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕТАЛЛООБРАБОТКА 16 Приветственное слово председателя секции «Материаловедение и металлообработка» Е. С. Прусова 16 Анализ критериев образования усадочной пористости в отливках из алюминиевых сплавов Н. С. Ларичев, О. М. Савохина 17 Возможности метода рентгеновской компьютерной томографии при проведении контроля изделий из углеродных композиционных материалов Д. В. Ярцев, В. А. Воронцов 20 Исследование несплошностей в сварных швах Е. В. Федичкина, Ю. В. Крылов 22 Опыт применения компьютерной томографии при контроле качества отливок и полуфабрикатов Е. С. Прусов, В. А. Копытов 24 Место рентгеновской флуоресцентной томографии среди 3D неразрушающих технологий контроля: успехи и неудачи на пути развития метода М. В. Чукалина, Д. П. Николаев, А. В. Бузмаков, Д. А. Золотов, В. Е. Асадчиков, Е. Ю. Терещенко, В. Е. Прун, А. С. Ингачева 26 III. НЕФТЬ, ГАЗ, ГЕОЛОГИЯ 28 Приветственное слово председателя секции «Нефть, газ, геология» Д. В. Короста 28 Использование рентгеновской томографии при изучении структуры искусственных образцов В. И. Исаев, А. Р. Ликутов, К. Ю. Шепель 29 4 Содержание Применение компьютерной томографии в области исследования морских и озерных осадков Д. Р. Гилязетдинова, Д. В. Корост 31 Применение рентгеноконтрастных агентов для микротомографического исследования образцов горных пород О. А. Ковалева, Д. А. Коробков, И. В. Якимчук 33 Исследование сохранности палеонтологических объектов с помощью рентгеновской микротомографии (на примере брахиопод) А. В. Пахневич 35 Применение РКТ при изучении головоногих моллюсков и конодонтов 38 Е. О. Стаценко, А. М. Фазлиахметов, О. П. Шиловский Исследования карбонатных пород на разных масштабах методом рентгеновской компьютерной томографии Д. Р. Гилязетдинова, К. М. Герке, Р. А. Хамидуллин, Д. В. Корост, М. В. Карсанина, И. О. Баюк 42 Выбор оптимального шага расчета пустотных характеристик (каверзности) карбонатных пород методами рентгеновской компьютерной томографии С. Ю. Филимонов, М. В. Шалдыбин, Ю. М. Лопушняк 45 IV. ЭЛЕКТРОНИКА Воздействие рентгеновского излучения на электронные устройства и компоненты И. А. Проказов, С. И. Румянцев 48 48 Сборник тезисов докладов 7 Поправка по форме При оценке проникающей способности рентгеновского излучения необходимо принимать во внимание форму образца. Ниже приведены примеры формул для оценки суммарной длины участков оси рабочего пучка в материале контролируемого объекта. 2 R2 r 2 Lmax r Образец 2 2Rs s 2 Источник s Lmin = 2s Lmin = 16 мм Lmax = 37 мм Lmax Образец a (a s )2 s 2 as Источник s s Lmin = 2s Детектор Пример: труба 50×8 мм s Детектор R a Пример: труба 50×8 мм Lmin = 16 мм Lmax = 50,9 мм Экспериментальная оценка Для проверки теоретической оценки проникающей способности излучения целесообразно провести экспериментальную оценку на эталонном образце либо (предпочтительно) на образце заказчика (т. к. теоретические выкладки не учитывают вклад фильтров, устанавливаемых на выходном окне трубки, настроек детектора, формы образца, жесткости излучения и т. п.). 8 Рентгеноскопия и компьютерная томография В качестве экспериментального (эталонного) образца для томографии рекомендуется изготовить отливки цилиндрической формы из алюминия диаметром 115 мм, 155 мм, 175 мм, 195 мм, 215 мм, высотой не более 200 мм. А также для более плотного материала — из стали диаметром 30 мм, 35 мм, 45 мм, 55 мм, 65 мм, высотой не более 200 мм. Для оценки точности измерений предлагается сделать отверстие по центральной оси цилиндра диаметром 5 мм. В качестве экспериментального (эталонного) образца для рентгеноскопии рекомендуется изготовить ступенчатые отливки с переменной толщиной (из алюминия — толщиной 115 мм, 155 мм, 175 мм, 195 мм, 215 мм, из стали — толщиной 30 мм, 35 мм, 45 мм, 55 мм, 65 мм). За ступеньками размещается эталонный тестовый образец IQI (с высоким атомным номером). По различимости особенностей на тесте IQI можно судить о просвечиваемости образцов и различимости деталей. Сборник тезисов докладов 9 Эталонные образцы 1 2 3 4 Результаты испытаний Результатом испытаний будут являться: 1) для образцов № 1 и № 2 — томограммы образцов, выполненных при различных значениях анодного напряжения (рекомендуемые диапазоны: 10–100 кВ; 100–180 кВ; 200–250 кВ; 200–300 кВ; 300–450 кВ); 2) для образцов № 3 и № 4 — снимки образцов, выполненных при различных значениях анодного напряжения (рекомендуемые диапазоны: 10–100 кВ; 100–180 кВ; 200–250 кВ; 200–300 кВ; 300–450 кВ). Основным критерием пригодности метода для исследования образцов заданной радиационной толщины должна считаться возможность решить задачи пользователя при инспекции материала заданной толщины, будь то дефектоскопия или проведение геометрических измерений. 10 Рентгеноскопия и компьютерная томография КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ: ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ Е. С. Прусов, Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, г. Владимир E-mail: eprusov@mail.ru Материаловедение в настоящее время является одной из наиболее интенсивно развивающихся отраслей знания. Создание и активное освоение новых методов исследований обусловливает появление новых научных направлений, одним из которых стало трехмерное материаловедение (3D Materials Science). Методологический инструментарий трехмерного материаловедения составляют сбор и обработка 3D-данных, их визуализация и количественный анализ, а также моделирование структуры материалов [1]. В качестве экспериментальной базы для получения исходных данных успешно используется рентгеновская компьютерная томография, применение которой для трехмерного анализа материалов и изделий стало одним из наиболее значимых факторов, способствующих в последние годы быстрому развитию этого направления материаловедения. Растущий интерес к применению методов компьютерной томографии в материаловедении связан с созданием целых классов новых функциональных и конструкционных материалов, большинство из которых являются структурно неоднородными. Примерами могут служить композиционные материалы на металлической, полимерной, керамической и других основах, пористые и порошковые материалы, функциональноградиентные материалы и многие другие. Гетерогенная структура обусловливает возможность появления специфических видов дефектов, многие из которых являются скрытыми, например смещение волокон, их неправильная ориентация или объемная доля, расслоение, пористость, неравномерность распределения структурных составляющих, трещины и повреждения в материале матрицы и др. Дефектоскопия изделий из таких материалов может представлять значительные сложности, поэтому разработка новых материалов и технологических процессов их получения неразрывно связана с необходимостью совершенствования методов количественного неразрушающего контроля. Применение традиционных качественных методик (визуальный контроль, рентгеновская радиография, ультразвук и др.) далеко не всегда позволяет полноценно охарактеризовать дефекты в изделиях из функциональных материалов. Решить эти проблемы можно с помощью компьютерной томографии, позволяющей с прецизионной точностью определить размер и расположение пустот, инородных включений, Сборник тезисов докладов 11 области с пониженной плотностью, трещины и другие несплошности. Получаемая при этом информация используется при разработке основных направлений совершенствования технологии производства материалов и изделий из них. Аналитические возможности компьютерной томографии позволяют использовать ее не только для неразрушающего контроля, но и для трехмерной визуализации структуры новых материалов, что позволяет наряду с выявлением неоднородностей и других дефектов установить характер распределения и размеры различных структурных составляющих, их форму, количество и др. Например, возможность достижения заданного уровня свойств в композиционных материалах зависит от таких структурно-морфологических факторов, как объемная доля, дисперсность, форма и распределение армирующей фазы [2]. Компьютерная томография позволяет наметить эффективные направления оптимизации структуры композитов на основе управления технологическими параметрами их получения, предоставляя необходимые данные для поиска решений по обеспечению минимальной пористости, заданного пространственного распределения и объемной доли армирующей фазы. В настоящее время исследования в этом направлении проводятся совместными усилиями специалистов компании «Остек-СМТ» и ученых кафедры «Литейные процессы и конструкционные материалы» Владимирского государственного университета. Значительный научный и практический интерес представляет использование томографии при изучении строения жидких металлов и сплавов, процессов зарождения и роста кристаллов, образования различных литейных дефектов в режиме реального времени. Уникальность метода при решении этих задач состоит в возможности дать качественную и количественную оценку объемной эволюции твердой и жидкой фаз в процессе кристаллизации, охарактеризовать усадочные явления и формирование дендритной структуры. Перспективы дальнейшего расширения использования томографических методов в практике материаловедческих исследований во многом будут обусловлены повышением скорости получения изображений и пространственной разрешающей способности рентгеновских томографов, а также совершенствованием алгоритмов обработки и анализа трехмерных данных. Библиографический список 1. 2. Lewis A. C., Howe D. // JOM, 2014, Vol. 66, No. 4, р. 670. Prusov E. S. // Machines, Technologies, Materials, 2014, Iss.1, р. 11. 12 Рентгеноскопия и компьютерная томография ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Д. В. Корост1, Г. М. Герке2, М. В. Карсанина 3,4, Д. Р. Гилязетдинова1, Р. А. Хамидуллин1, 1 геологический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова, г. Москва 2 CSIRO Land and Water, Australia, 3 Институт динамики геосфер РАН, г. Москва 4 ООО «Эйр Технолоджи», Москва E-mail: dkorost@mail.ru Сегодня, спустя почти 10 лет после первых попыток найти место технологии в комплексе изучения кернового материала и скважинных флюидов, можно с уверенностью говорить, что компьютерная томография стала неотъемлемым и надежным инструментом в комплексе лабораторных методов исследований. Десятки лабораторий и центров являются обладателями современных аппаратных комплексов. Число же пользователей данных КТ давно перестало быть объектом штучных подсчетов. Обсуждая направления применения КТ в нефтегазовой отрасли (речь прежде всего идет о задачах геологоразведки и частично разработки), сложно определить однозначные тенденции и направления развития. Но связано это прежде всего с динамикой самой отрасли, выдвигающей на повестку дня все новые и новые задачи, требующие высокотехнологичных решений. В связи с чем актуальным видится обсуждение текущих тенденций, основанных в нашем случае на собственном опыте производственных и научных задач, решаемых в течение последних лет. Внедрение аппаратурных комплексов, ориентированных на работу с крупноразмерными образцами, заметно активизировало интерес науки и промышленности к работе с полноразмерным керновым Риc. 1. Примеры текстурных особенностей донных отложений озера Байкал, выделяемых по данным КТ Сборник тезисов докладов 13 материалом. КТ используется как для изучения скважинных материалов (увязка керна со скважинными имейджерами, выявление систем трещиноватости, изучение текстурных особенностей разрезов, выбор участков для отбора образцов на детальные лабораторные исследования и т. д.), так и для исследования слабоконсолидированных образцов: донных грунтов (рис. 1) и почв. Относительно задач микроуровня стоит отметить все более активное привлечение КТ для оценки качества образцов. Очевидно, что все транспортные свойства, определяемые на керне (проницаемость, электропроводность, акустические свойства и т. п.), чувствительны к стереологическому соотношению компонентов (минеральных компонент и пористости) породы. При этом сколько-нибудь серьезного контроля при выборе образцов на специальные исследования (многофазная фильтрация, formation damage test и др.), как правило, не производится. На практике же мы зачастую сталкиваемся с тем, что получаемые нами в лаборатории данные не вписываются в рамки ожидаемых или сколько-нибудь предсказуемых результатов. Причиной этого, как показывает все нарастающая статистика, являются вовсе не погрешности лабораторных замеров, а качество и свойства самих образцов. Ярким примером тому является изменение внутреннего строения, а следовательно, и свойств отдельных образцов в ходе теста по определению влияния на пласт технических жидкостей (formation damage test) (рис. 2). 0 4 , % 8 12 Av. attenuation 16 20 40 60 80 100 120 140 Модель пустотного пространства 0 4 , % 8 12 Av. attenuation 16 20 40 60 80 100 120 140 Модель пустотного пространства Рис. 2. Планшеты составных образцов (рентгеноплотностные срезы в трех осях, кривые расчетной пористости и стереологические модели пустотного пространства) до (слева) и после (справа) воздействия на них моделями буровых растворов. Заметно изменение в строении верхнего цилиндра 14 Рентгеноскопия и компьютерная томография Одной из наиболее востребованных для томографии областей исследований является мультимасштабное моделирование различных сред. Естественно, актуальной данная тематика является и для нефтегазовой отрасли. Вопросы масштабирования свойств и строения породколлекторов, переход от максимально информативных лабораторных образцов размером в первые см к масштабам пластов мощностью в десятки, а порой и сотни метров являются насущными со времен начала петрофизических исследований. Сегодня именно КТ видится методом, позволяющим стать основой для качественного прорыва в этой области. Только за последние два года специалисты нашей научной группы были так или иначе вовлечены в реализацию четырех проектов в этой области. Объектом исследований являлись карбонатные коллектора (рис. 3), отложения баженовской свиты, угольные метаноносные разрезы. Обширный комплекс лабораторных методов как основа для построения модели скважинного керна с детальностью до 50–100 нм: CT, SEM, Pc, MIP, XRD, шлифы, ФЕС 100 мм 30 мм 10 мм 3 мм Рис. 3. Иллюстрация результатов комплекса мультимасштабных исследований строения карбонатных коллекторов Базовым инструментом для проведения разработок в области применения КТ является вычислительный аппарат. Возможность создания собственных алгоритмов обработки данных, построения актуальных математических моделей тех или иных сред и их свойств является необходимым подспорьем в области цифровой петрофизики. Как показывает практика, существующие на рынке готовые пакетные решения не всегда адаптированы к работе с таким сложным объектом, как горная порода. Многокомпонентный состав, большой спектр иерархий Сборник тезисов докладов 15 и масштабов, на которых формируются различные свойства коллекторов, различная природа взаимодействия флюидов и минеральной матрицы породы — все это в высшей степени усложняет процедуры работы с породами-коллекторами нефти и газа и требует скрупулезного и индивидуального подхода для решения каждой новой задачи. Отдельно хотелось бы отметить, что успешное развитие и адаптация любого нового метода требуют вовлечения специалистов из широкого круга областей науки. Не исключение и применение КТ в такой специфической и в то же время разнообразной области знаний, как нефтяная геология. Именно успешная и продуктивная командная работа геологов, физиков, математиков и программистов является залогом достижений и развития работы, которую мы делаем сегодня. 16 Рентгеноскопия и компьютерная томография II. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕТАЛЛООБРАБОТКА ПРИВЕТСТВЕННОЕ СЛОВО ПРЕДСЕДАТЕЛЯ СЕКЦИИ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕТАЛЛООБРАБОТКА» Успехи последних лет, достигнутые в области сбора трехмерной качественной и количественной информации о структуре материалов, а также в сфере ее обработки и анализа, заложили основы для зарождения и развития нового научно-практического направления в материаловедении, которое можно охарактеризовать как материаловедение в 3D или трехмерное материаловедение. При этом именно развитие методов рентгеновской компьютерной томографии стало одним из наиболее значимых факторов становления этого направления науки о материалах. Последние годы ознаменовались бурным интересом к этой тематике, что подтверждается проведением ряда специализированных конференций мирового уровня. Примечательно, что в нашей стране развитию этого перспективного направления способствуют усилия компании «Остек-СМТ», по инициативе которой вот уже третий год подряд мы имеем возможность обсудить последние достижения в области применения компьютерной томографии для решения актуальных научных и производственных задач. С каждым годом повышается уровень докладов, растет число участников, что позволяет с уверенностью судить о росте интереса к компьютерной томографии в нашей стране и о значительном вкладе компании «Остек-СМТ» в эту положительную динамику. Важно, что это начинание находит широкую поддержку научной общественности и вызывает большой интерес со стороны представителей ведущих промышленных предприятий и организаций страны. Так, в 2015 году секция «Материаловедение и металлообработка» объединила ученых и специалистов различных сфер деятельности, включая литейнометаллургическое и сварочное производства, а также технологические процессы получения функциональных и конструкционных материалов нового поколения. Выражаю уверенность, что конференция будет способствовать дальнейшему расширению объемов применения методов трехмерной компьютерной томографии в промышленности при решении задач современного машиностроения и материаловедения. Желаю всем участникам конференции плодотворной и содержательной работы, новых творческих свершений и реализации намеченных планов! Евгений Сергеевич Прусов, кандидат технических наук, доцент кафедры ЛПиКМ Владимирского государственного университета, советник Российской академии естественных наук Сборник тезисов докладов 17 АНАЛИЗ КРИТЕРИЕВ ОБРАЗОВАНИЯ УСАДОЧНОЙ ПОРИСТОСТИ В ОТЛИВКАХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Н. С. Ларичев, О. М. Савохина, МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва E-mail: larnikser@mail.ru, savokhina@mail.ru При разработке технологии изготовления отливки перед технологом встает задача устранения или уменьшения усадочных дефектов при минимальном количестве элементов питания. Наиболее используемым методом уменьшения количества дефектов в отливке является установка прибылей для компенсации усадки. В отечественной и зарубежной технической литературе приводится большое количество методик расчета геометрии прибылей и зоны их действия. Также в помощь технологу разработан ряд пакетов программ математического моделирования литейных процессов, позволяющих определить области расположения усадочной пористости. Расчет зон вероятного расположения усадочной пористости при моделировании основан на использовании различных критериев образования пористости. В рамках работы по исследованию критериев образования пористости были проведены численные и натурный эксперименты. Для этого была разработана геометрия пробы, в которой были учтены зона питания прибыли (ЗПП) и торца (ЗПТ), значения которых взяты из технической литературы. По полученным данным было проведено компьютерное моделирование процесса затвердевания отливки в пакетах программ Flow3D и определены места вероятного образования усадочной пористости. Индикаторами образования пористости служили результаты расчетов «тепловых мешков», критическое значение критерия Нияма и разработанный на кафедре «Литейные технологии» критерий К1. Результаты математического моделирования представлены на рис. 1–3. Критическое значение критерия Нияма для алюминиевых сплавов; для К1 рассчитывается по формуле K1 T , KN где К1 и К N — критические значения критериев, T — интервал затвердевания сплава. В рассматриваемом случае критическое значение критерия К1 = 0,012 м/с 0,5. Из анализа результатов моделирования в Flow3D видно, что вся отливка поражена пористостью ≈ 1 %. Критерий Нияма показал отсутствие пористости в углах отливки. Критерий К1 показал, что вся отливка поражена пористостью. 18 Рентгеноскопия и компьютерная томография Рис. 1. Значение пористости, рассчитанной по термическому модулю Flow3D Рис. 2. Значение критерия Ниямы, рассчитанного в Flow3D Рис. 3. Значение критерия К1, рассчитанного в Flow3D Отливка была подвергнута рентгеноскопическому анализу на GE Phoenix microme|x DXR (минимальный размер пор — 20–30 мкм). Контроль выполнен по центральной линии отливки от прибыли до торца. Результаты приведены на рис. 4. Белый цвет соответствует пористости, черные пятна — включениям. Очевидно, что вся отливка поражена мелкой пористостью. Рис. 4. Результаты рентгеноскопического анализа Сборник тезисов докладов 19 Следующий вид примененного контроля — компьютерная томография. Результаты представлены на рис. 5. Результаты томографии подтвердили, что вся отливка поражена мелкой пористостью. Из обработки результатов томографии следует, что процент пористости соответствует 2,19 %. Рис. 5. Результаты компьютерной томографии Выводы Критерий Нияма показал наличие в отливке областей, свободных от усадочной пористости, однако проведенные исследования на томографии показали, что вся отливка поражена пористостью. Значение пористости, рассчитанной в пакете программ Flow3D, соответствует 1 %, в реальности — 2,19 %. Критерий К1 показал, что вся отливка будет поражена пористостью, что соответствует действительности. Библиографический список 1. 2. 3. 4. Трухов А. П., Сорокин Ю. А., Ершов М. Ю. и др. // Технология литейного производства: Литье в песчаные формы. Учебник для студ. учеб. заведений; под ред. А. П. Трухова, 2005, с. 528. Чуркин Б. С., Гофман Э. Б., Майзель С. Г., Афонаскин А. В., Миляев В. М., Чуркин А. Б., Филиппенков А. А. // Технология литейного производства: учеб.; под ред. Б. С. Чуркина, 2000, с. 662. Галдин Н. М., Чистяков В. В., Шатульский А. А. Литниковые системы и прибыли для фасонных отливок; под общ. ред. В. В. Чистякова. 1992, с. 256. Коротченко А. Ю. Критерии образования усадочной пористости в отливках // Литейщик России, 2010, № 4, c. 43. 20 Рентгеноскопия и компьютерная томография ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Д. В. Ярцев, В. А. Воронцов, АО «НИИграфит», г. Москва E-mail: laboratory41@yandex.ru Проведена оценка применимости метода рентгеновской компьютерной томографии для контроля качества изделий из углеродных композиционных материалов (УКМ) объемного армирования: • обнаружение трещин и посторонних включений; • измерение порового пространства; • исследование внутренней структуры. Для построения трехмерных рентгенографических моделей образцов УКМ использовалась установка v|tome|x s240 (минимальная различимость деталей — менее 1 мкм) производства компании GE Measurement & Control GmbH, Германия. Опробованы режимы сканирования с параметром геометрического увеличения 2,17, 2,47, 20 и 31,7 крат (размеры вокселя — 91, 81, 10 и 6,2 мкм соответственно). Анализ полученных 3Dмоделей проводился по томографическим срезам в программном пакете VGStudio MAX 2.2. На томографических срезах хорошо видна структура армирования материала. Инспекция по срезам позволила выявить в одном из образцов наличие трещины шириной около 116 мкм, а также большое количество пустот с характерными размерами порядка 0,5–1 мм. С помощью модуля анализа дефектов в программе 1500 count VGStudio MAX 2.2 проведена их визуализация и собран массив данных, 1250 включающий в себя информацию о координатах пор, их размерах и фор1000 ме, объеме и площади поверхности, площади проекций на координатные 750 плоскости, расстоянии до границ образца и множестве других параметров. 500 Форма представления результатов мо250 жет быть выбрана в виде различных графических зависимостей, например volume [mm ] 0 гистограмм (рис. 1). 0,00 0,05 0,00 0,15 По 3D-моделям и томографическим срезам возможно контролиро- Рис. 1. Гистограмма распределения объема пор диаметром от 0,3 вать геометрические размеры деталей до 1,4 мм в образце УКМ 3 Сборник тезисов докладов 21 и инородных включений в случае их наличия, что является важным на этапе выходного контроля. Микроструктура образцов УКМ исследовалась по томографическим срезам, для которых размер вокселя составлял 6,2 мкм. Такой режим сканирования позволяет определять размеры жгутов и пустот внутри и между жгутами (рис. 2). а) б) Рис. 2. Томографические изображения элементов структуры УКМ: а) определение размера углеродного жгута; б) пустоты внутри и между жгутами Дополнительный интерес могут представлять такие возможности метода рентгеновской компьютерной томографии, как обнаружение и исследование карбидной составляющей матрицы в силицированных УКМ, диагностика клеевых и сварных швов в сборных конструкциях из УКМ, контроль образцов для определения сдаточных характеристик (например физико-механических свойств) на наличие дефектных областей в объеме рабочей зоны образца для исключения заведомо худших результатов. По результатам проведенных исследований образцов из УКМ объемного армирования можно сделать вывод о том, что метод рентгеновской компьютерной томографии позволяет получить большой объем информации о внутренней структуре и качестве изготовления изделий из УКМ, сочетая в себе возможности рентгенографического (2D) контроля, методов микроскопии и порометрии. Авторы благодарят Стаценко Е. О. — зав. лабораторией рентгеновской компьютерной томографии Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ (г. Казань), Румянцева С. И. — начальника группы технологической поддержки отдела технологий контроля ООО «Остек-СМТ» (г. Москва), Федорова Н. А. — начальника отдела технологий контроля ООО «ОстекСМТ» (г. Москва) за помощь в получении и представлении результатов. 22 Рентгеноскопия и компьютерная томография ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСПЛОШНОСТЕЙ В СВАРНЫХ ШВАХ Е. В. Федичкина, Ю. В. Крылов, ФГУП МНИИРИП, г. Мытищи E-mail: evfedi4kina@ya.ru На базе испытательного центра ФГУП МНИИРИП проводились масштабные исследования совместно с компанией «Газпром». Они проводились для квалификации оборудования неразрушающего контроля наряду с металлографией. Для этого были изготовлены так называемые темплеты — это срез трубы в месте сварного шва. Диаметр трубы — 1420 мм, толщина стенки трубы — 25,8 мм. Исследования проводились на рентгеновском томографе Phoenix v|tome|x m300, максимальное напряжение в трубке — до 300 кВ. По техническому заданию необходимо провести автоматический анализ дефектов и метрологические измерения несплошностей (длина, ширина, глубина залегания, протяженность) и занести их в отчет, также предоставить фото- и видеоотчет. Рентгеновский томограф позволяет с высокой точностью реконструировать 3D-модель и воспроизвести точные размер и форму дефектов; в отличие от простой рентгеновской съемки она дает полное представление о структуре дефектов, а по сравнению с металлографией результат получается намного быстрее, менее затратно мы получаем полную информацию о дефектах, а не в одной точке. Сканирование проводилось со следующими параметрами: • напряжение в рентгеновской трубке — 280 В; • ток — 160 А; • 2200 проекций; • время сканирования 2,5 ч. в режиме multiscan. Рис. 1. Автоматический анализ дефектов Сборник тезисов докладов 23 Далее производилась реконструкция объекта и с помощью возможностей VG studio max проводился автоматический анализ дефектов, то есть программа автоматически выявляла участки с меньшей плотностью с заданным размером более 0,1 мм3, выделяла выявленные области и рассчитывала их размеры. Результаты проведенных измерений: координата начала дефекта, длина, ширина, глубина залегания, протяженность — заносились в таблицу. В дальнейшем эти результаты сравнивались с результатами других испытаний, таких как ультразвук и рентгенография. Также проводилось сравнение результатов КТ и металлографии. Было произведено сканирование образцов металлографических срезов и измерение обнаруженных на их поверхности дефектов и получены сопоставимые результаты измерений. Рис. 2. Сравнение с результатами металлографии 24 Рентгеноскопия и компьютерная томография ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК И ПОЛУФАБРИКАТОВ 1 Е. С. Прусов1, В. А. Копытов2, Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, г. Владимир, 2 ООО «Остек-СМТ», г. Москва E-mail: eprusov@mail.ru Последние десятилетия характеризуются возрастающим интересом к использованию методов трехмерной компьютерной томографии для контроля качества ответственных изделий производственнотехнического назначения. Уникальные возможности этих методов обусловливают их эффективное применение при дефектоскопии ракетных, авиационных и автомобильных двигателей, лопаток турбин, компонентов ядерных реакторов, различных гидромеханических систем, а также продукции литейно-металлургического производства. Направления использования компьютерной томографии в промышленности постоянно расширяются с учетом потребностей современной техники и в настоящее время наряду с анализом внутренних дефектов включают оценку качества сборки узлов и конструкций, бесконтактную пространственную метрологию, сравнение томографических данных с данными компьютерного проектирования, а также создание CAD-моделей по томограммам реальных образцов. В последнее время методы томографии находят широкое применение не только при неразрушающем контроле качества материалов и изделий, но и в практике научных исследований в области материаловедения и литейного производства. К примеру, морфология литейных пор находится в непосредственной зависимости от процесса их формирования: газовые поры имеют, как правило, сферическую форму, усадочные поры представляют собой междендритные полости и имеют неправильную геометрию. Таким образом, при стандартной металлографической диагностике соседние поры усадочного происхождения с высокой степенью вероятности могут принадлежать к одной и той же поре вследствие ее разветвленной пространственной структуры, что было подтверждено экспериментально с применением компьютерной томографии (рис. 1б). Важно отметить, что измерение реальных размеров и протяженности пор при использовании традиционных металлографических методов практически невозможно, поскольку далеко не всегда случайному сечению изучаемого образца соответствует максимальный размер наблюдаемой поры. Сборник тезисов докладов 25 а) б) Рис. 1. Газовые (а) и усадочные (б) поры в литой заготовке из алюминиевого сплава Представленные на рис. 1 результаты трехмерной визуализации пор различного происхождения получены в Центре рентгеновских технологий контроля ООО «Остек-СМТ» с помощью установки nanome|x с функцией томографии (GE Measurement & Control GmbH, Германия). Результаты наглядно демонстрируют возможности компьютерной томографии при определении природы образовавшихся пор. Подобный анализ позволяет более обоснованно подойти к разработке мероприятий по устранению различных литейных дефектов в зависимости от причин их возникновения. Практика показывает, что компьютерная томография дает возможность с высокой точностью определить форму, размеры, объемное содержание и пространственное расположение не только газовых и усадочных пор, но и различных раковин, рыхлот, трещин, ликвационных неоднородностей, инородных включений, флокенов и других нарушений сплошности макроструктуры отливок из сплавов черных и цветных металлов. Это убедительно свидетельствует об эффективности использования томографических методов при входном и выходном контроле литых изделий, к которым предъявляются повышенные требования по эксплуатационной надежности, долговечности, герметичности и прочим показателям. В целом расширение использования методов рентгеновской компьютерной томографии в литейной отрасли будет способствовать повышению качества выпускаемых отливок и снижению затрат времени на оптимизацию технологических процессов их производства. 26 Рентгеноскопия и компьютерная томография МЕСТО РЕНТГЕНОВСКОЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ СРЕДИ 3D НЕРАЗРУШАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ КОНТРОЛЯ: УСПЕХИ И НЕУДАЧИ НА ПУТИ РАЗВИТИЯ МЕТОДА М. В. Чукалина1,2, Д. П. Николаев3, А. В. Бузмаков2, Д. А. Золотов2, В. Е. Асадчиков2, Е. Ю. Терещенко2, В. Е. Прун4, А. С. Ингачева2, 1 Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, г. Черноголовка 2 Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, г. Москва 3 Институт проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН, г. Москва 4 Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный E-mail: chukalinamarina@mail.ru В докладе представлены этапы развития метода рентгеновской флуоресцентной томографии, изначально предложенного для исследования включений сверхнизкой концентрации. Возможности метода были продемонстрированы впервые с применением синхротронного излучения1 в 1987 г. С тех пор основные успехи были достигнуты в аппаратной части. В дополнение к классической измерительной схеме были предложены так называемые аппаратные решения, которые предполагают использование конфокальных коллиматоров2, 3, 4 перед окном детектора для локализации объема, из которого собирается генерируемое флуоресцентное излучение. С введением коллиматора была надежда сильно упростить математический аппарат обработки томографических проекций, однако ожидания не оправдались. Сегодня в каталоге фирмы Bruker можно найти описание прибора SkyScan 2140, которое звучит как 3D micro-XRF scanner for reconstruction of 3D chemical composition. Это фактически означает, что на рынок выпущен лабораторный флуоресцентный томограф. С точки зрения математического аппарата для обработки регистрируемых проекций будет дан обзор текущего состояния дел в этой области. Также будут представлены результаты, полученные в лаборатории рентгеновской рефлектометрии ИК РАН, которые демонстрируют возможности совместного использования метода рентгеновской томографии6 и сканирующей флуоресцентной микроскопии с точки зрения анализа распределения компонентов внутри исследуемого объекта. Отдельным блоком в докладе будет рассмотрена проблема визуализации результатов реконструкции метода и изложен подход к проблеме оценки достоверности получаемых результатов5. Сборник тезисов докладов 27 Библиографический список 1. 2. 3. 4. 5. 6. Boisseau P. and Grodzins L. // Hiperfi ne Interactions, 1987, 33, р. 283. Chukalina M., Simionovici A., Zaitsev S.// X-ray fluorescence microtomography comparison between a standart CT setup and a confocal collimator apparatus. Proceedings of the X-ray Optics Workshop. Nizhnii Novgorod, Russia, May 2–6, 2004, р. 261. Vincze L., Vekemans B., Berker F., Falkenberg G., Rickers K., Somogyi A., Kersten M. and Adams F. // Analytical Chemistry, 2004, 76, р. 6786. Woll A. R., Agyeman-Budu D., Bilderback D. H., Dale D., Kazimirov A. Y., Pfeifer M., Plautz T., Szebenyi T. and Untracht G. // 3D X-ray fluorescence microscopy with 1.7 microns resolution using lithographically fabricated micro-channel arrays. Proc. of SPIE, vol. 8502, 2012, р. 85020K. Nikolaev D., Chukalina M. // X-ray Fluorescence Tomography: Jacobin matrix and confidence of the reconstructed images. Seventh International Conference on Machine Vision (ICMV 2014), Proc. of SPIE, vol. 9445, 2015, р. 94451M. Buzmakov A., Chukalina M., Nikolaev D., Schaefer G., Gulimova V., Saveliev S., Tereschenko E., Seregin A., Senin R., Prun V., Zolotov D. and Asadchikov V. // Computed microtomography and x-ray fluorescence analysis for comprehensive analysis of structural changes in bone. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 35th Annual International Conference of the IEEE 10.1109/EMBC.2013.6610007, 2013, p. 2340. 28 Рентгеноскопия и компьютерная томография III. НЕФТЬ, ГАЗ, ГЕОЛОГИЯ ПРИВЕТСТВЕННОЕ СЛОВО ПРЕДСЕДАТЕЛЯ СЕКЦИИ «НЕФТЬ, ГАЗ, ГЕОЛОГИЯ» Залогом эффективного развития нефтегазовой отрасли всегда являлось активное применение наукоемких технологий и решений. Не стала исключением и рентгеновская компьютерная томография, опыт применения которой в этой сфере насчитывает более 25 лет. КТ-исследования находят свое место в классическом для себя направлении — контроле качества материалов, являются основой для создания цифровых баз данных и электронных хранилищ, обеспечивают получение уникальных стереологических данных, являются основой для создания компьютерных моделей пород-коллекторов и физикоматематического моделирования протекающих в них процессов. Обсуждение текущих наработок, обмен опытом и знакомство с последними достижениями на конференции по КТ проходят при участии специалистов и пользователей из ведущих отечественных компаний и институтов. Корост Дмитрий Вячеславович, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Сборник тезисов докладов 29 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ СТРУКТУРЫ ИСКУССТВЕННЫХ ОБРАЗЦОВ В. И. Исаев1, А. Р. Ликутов2, К. Ю. Шепель1, 2, РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, г. Москва; 2 ОАО «ВНИПИвзрывгеофизика», г. Раменское, Московская область E-mail: isa@gubkin.ru, shepel@vnipivzryv.ru 1 Для исследования структуры образцов горных пород с каждым годом все более широкое применение получают методы неразрушающего контроля, позволяющие проводить регистрацию и анализ различных параметров горных пород без нарушения строения их структуры и целостности. Широко применяют эти методы в РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, в ОАО «ВНИПИвзрывгеофизика», как показывают приведенные ссылки[1–4]. В последнее время (2013–2015 гг.) нами проведены совместные исследования по изучению образцов горных пород с ОАО «НПЦ «Тверьгеофизика» (г. Тверь) и с институтом геологии и нефтегазовых технологий при Казанском (Приволжском) федеральном университете (г. Казань) с использованием рентгеновских томографов, а также продолжаются совместные работы с ОАО «РциХимТех» (г. Казань). Особенно важно в настоящее время провести исследование изменений внутренней структуры искусственных и реальных образцов горной породы до и после воздействия внешних факторов (например до и после перфорации). Эти исследования в значительной степени нами проведены. Также метод рентгеновской томографии использован для анализа экспериментальных исследований заполнения каналов перфорации продуктами взрыва в зависимости от использования различных промывочных жидкостей при проведении перфорации. Библиографический список 1. 2. Исаев В. И., Ликутов А. Р., Шепель К. Ю., Галеев А. А., Стаценко Е. О. // Исследование структуры горных пород после перфорации перфосистемой «Спарка» с использованием рентгеновской томографии. Практическая микротомография // Материалы Всероссийской конференции: ГНУ Почвенный институт имени В. В. Докучаева Россельхозакадемии, 2013, с. 156. Стрельченко В. В., Абросимов А. А., Шумейко А. Э. // Применение компьютерной томографии для определения физико-химических свойств флюидов в горных породах // Практическая микротомография. 30 3. 4. Рентгеноскопия и компьютерная томография Материалы Всероссийской конференции: ГНУ Почвенный институт имени В. В. Докучаева Россельхозакадемии. 2013, с. 184. Мельничук Д. А., Соколов Д. И., Шумейко А. Э. // Прототипирование томографических объектов // Практическая микротомография. Материалы Всероссийской конференции: ГНУ Почвенный институт имени В. В. Докучаева Россельхозакадемии. 2013, с. 156. Пособие по выбору решений на базе компьютерной томографии для задач современного производства. — ООО «Остек-СМТ», отдел технологий контроля, 2013. Сборник тезисов докладов 31 ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ МОРСКИХ И ОЗЕРНЫХ ОСАДКОВ Д. Р. Гилязетдинова, Д. В. Корост, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, г. Москва E-mail: gilyazetdinova_91@mail.ru Рентгеновская компьютерная микротомография является одним из неинвазивных современных методов изучения характеристик состава и строения исследуемого вещества. Микротомография позволяет получить внутреннюю структуру объекта, основываясь на изменениях плотности и атомного состава вещества. Также этот метод позволяет рассчитать пористость и проницаемость исследуемых объектов. Метод компьютерной микротомографии с успехом пользуется в изучении морских донных осадков. В отличие от других методов изучения структур образцов, таких как литологические шлифы, растровая электронная микроскопия и др., микротомография позволяет более подробно изучить структуру породы, а также рассчитать процентные содержания различных фаз. Помимо этого, данный метод является наиболее наглядным, так как с помощью него можно визуализировать различные компоненты исследуемого объекта. Основная цель данной работы — наглядно показать преимущества рентгеновской компьютерной микротомографии и принципы определения основных характеристик исследуемых образцов. Данные, полученные после съемки морских осадков, позволяют понять процессы седиментации исследуемых отложений. Таким образом было идентифицировано три вида текстур в осадках Баренцева моря (рис. 1). Каждая текстура отвечает определенной обстановке осадконакопления. Так, на рис. 1a изображен образец из оползневых отложений, на рис. 1б — отложения турбидитовых потоков и на рис. 1в — осадки с нарушенной слоистостью. Как уже отмечалось выше, каждая текстура отвечает определенной обстановке осадконакопления, что позволяет понять энергию и тип среды, в которой происходило отложение осадков. Помимо осадков Баренцева моря детально исследовались донные отложения озера Байкал, в частности грязевулканические отложения вулкана Новосибирск. Подробное деление осадка на литотипы с использованием данных макро- и микротомографии позволило выявить основные характеристики, присущие грязевулканическим отложениям озера Байкал. В целях изучения непосредственно вышеописанных осадков компьютерная томография стала незаменимым иснтрументом для выявления грязевулканических брекчий (рис. 2), распознание которых было затруднено на борту судна. 32 Рентгеноскопия и компьютерная томография а б в Рис. 1. Рентгеновские срезы и 3D-модели донных осадков Рис. 2. 3D-модель распределения интракластов в грязевулканических отложениях озера Байкал Библиографический список 1. 2. Cuylaerts Myriam, Naudts Lieven, Casier Robbert, Khabuev Andrey V., Belousov Oleg V., Kononov Eugene E., Khlystov Oleg, Marc De Batist // Distribution and morphology of mud volcanoes and other fluid flow-related lake-bed structures in Lake Baikal, Russia // Geo-Mar Lett., 2012, 32, р.383. Staffini Fabio, Spezzaferri Silvia, Aghib Fulvia // Mud diapirs of the mediterranean ridge: sedimentological and micropaleontological study of the mud breccia // riv. it. paleont. strat., 1993, р. 225. Сборник тезисов докладов 33 ПРИМЕНЕНИЕ РЕНТГЕНОКОНТРАСТНЫХ АГЕНТОВ ДЛЯ МИКРОТОМОГРАФИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД О. А. Ковалева1, 2, Д. А. Коробков2, И. В. Якимчук 2, Московский физико-технический институт, г. Москва 2 Московский научно-исследовательский центр «Шлюмберже», г. Москва E-mail: okovaleva@slb.com 1 Решение современных задач нефтедобычи требует использования высокотехнологичных методов прогнозирования разработки месторождений. Неотъемлемой частью изучения резервуара являются исследования на керне. Среди методов исследования кернового материала в настоящее время все более популярным становится метод рентгеновской микротомографии, который позволяет определить морфологию пористого пространства и оценить минеральный состав исследуемой породы, не разрушая образец1. В ходе такого рода исследований возникает ряд проблем, требующих отдельного рассмотрения. Одной из проблем получения и анализа изображений горных пород является разрешение присутствующих на них мелких деталей. Даже мельчайшие структурные особенности могут сказываться на изучаемых петрофизических свойствах породы. К примеру, присутствующие в породе частицы глины размером менее 100 нм оказывают существенное влияние на такие важнейшие параметры породы, как ее смачиваемость и проницаемость2. В ходе представленной работы были рассмотрены следующие вопросы: 1) определение пористости керна с учетом пор, размер которых сравним или меньше разрешения рентгеновского томографа; 2) увеличение контраста между различными жидкими и газовыми фазами, находящимися внутри пористого пространства. Экспериментально показано, что применение рентгеноконтрастных агентов при правильном подборе условий сканирования позволяет успешно решить обе задачи. Все эксперименты в данной работе проводились на образце Bentheimer sandstone с использованием в качестве рентгеноконтрастного агента водного раствора йодида калия в различных его концентрациях. 1. Определение пористости керна Для определения пористости керна образец песчаника предварительно вакуумировался, после чего заполнялся высококонцентрированным водным раствором рентгеноконтрастного агента. Анализ полученных изображений (рис. 1–2) позволил оценить объемную долю пор, размер которых не превосходил разрешение томографа (≤2 мкм). Сборник тезисов докладов 35 ИССЛЕДОВАНИЕ СОХРАННОСТИ ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ РЕНТГЕНОВСКОЙ МИКРОТОМОГРАФИИ (НА ПРИМЕРЕ БРАХИОПОД) А. В. Пахневич, Палеонтологический институт им. А. А. Борисяка РАН, г. Москва E-mail: alvpb@mail.ru Результативность исследования палеонтологических объектов с помощью рентгеновской микротомографии зависит от их сохранности: от изначального минерального состава объекта, степени его разрушения за тысячи и миллионы лет и замещения первичных минералов вторичными в результате диагенеза. Одни и те же объекты, окаменевшие в разных условиях, будут отличаться по результативности их исследования. Чаще она соответствует 60–70 %. В случае если в объекте распознана хотя бы одна искомая структура, микротомография считается успешной. Значение имеют толщина и плотность вещества объекта. В данной работе проведено исследование раковин ископаемых брахиопод девона и карбона из отложений Русской платформы, Казахстана, Средней Азии, Урала (коллекции к публикациям Д. В. Наливкина). Всего изучено 169 экземпляров. Материал хранится в музее ЦНИГР (Санкт-Петербург). Исследование производилось с помощью рентгеновского микротомографа Skyscan 1172. Параметры микротомографии: U = 100 кВ, I = 100 мA, вращение на 180°, шаг вращения — 0,7°, разрешение — 10–34,1 мкм, фильтр — Al (1 мм). Все изученные раковины брахиопод при жизни животных состояли из кальцита. Для определения таксономической принадлежности изучают внутреннее строение и используют шлифы и пришлифовки раковин. Изученные объекты представлены раковинами и внутренними ядрами. В последнем случае, несмотря на отсутствие раковины, во внутренних ядрах сохраняются полости от раковинных структур, а пустоты легко выявляются при микротомографии. Результативность микротомографии раковин связана с контрастностью раковинных структур и внутренней породы (рис. 1). 1. Разница в плотности карбонатных раковин и пород. Как правило, разница в плотности двух карбонатных структур дает самую незначительную контрастность или не влияет на нее совсем. 2. Замещение раковины минералом, отличающимся по контрастности от кальцита, например окремнение или пиритизация. Может происходить как полное, так и частичное замещение раковинного вещества. 3. Замещение породы контрастным минералом. Положительный результат может быть связан и с изменением состава породы (рис. 1а). 36 Рентгеноскопия и компьютерная томография 4. Наличие терригенной составляющей во внутренней породе. По шкале контрастности минералов и горных пород[1] кварц и глины хорошо контрастны с кальцитом. Наличие внутри раковины песка, песчаника или примеси глин улучшает визуализацию внутренних структур. 5. Растворение внутренней породы. При растворении породы могут образовываться полости (рис. 1а), отделяющие внутренние структуры от оставшейся породы. Это ранее было описано в тезисах[2]. 6. Особенности распределения осадка внутри раковины. Неполное заполнение раковины осадком, его отделение от поверхности раковины до фоссилизации хорошо разграничивает структуры и породу. 7. Образование поверхностной пленки на поверхности раковинных структур. На внутренней поверхности раковин иногда возникает тонкая пленка контрастного минерала, разделяющая породу и раковину. 8. Обрастание, «оплывание» раковинных структур контрастными минералами. Вокруг объемных структур в полости раковины, например вокруг ручного аппарата, формируется чехол из контрастного минерала. 9. Образование трещин в зависимости от расположения раковинных структур. По некоторым радиально расположенным внутренним структурам в раковине образуются трещины, что помогает выявлять особенности строения некоторых раковин. 10. Замещение отдельных слоев раковины контрастным минералом. Процесс способствует выявлению слоев раковинного вещества, их Рис. 1. Примеры различной сохранности раковин брахиопод (поперечные виртуальные срезы): а — Plectorhynchella uralica Nalivkin, верхний девон, Урал, р. Ряузяк, б — Orophomesorhynchus zadonicus (Nalivkin), верхний девон, Липецкая область; условные обозначения: квр — высококонтрастный минерал, замещающий вещество раковины, кк — кристаллы кальцита, ок — окремненная порода, р — разрушение вероятно окремненной породы, рв — расслоение раковинного вещества и частичное замещение высококонтрастным минералом, кв — включение высококонтрастного минерала. Черта — 5 мм Сборник тезисов докладов 37 положения в раковинных структурах (рис. 1б). Он же приводит к разрушению раковины. Таким образом, выявлены основные особенности сохранности ископаемого материала (на примере раковин брахиопод), которые увеличивают результативность микротомографических исследований. Работа поддержана грантом РФФИ № 13-04-0933а. Библиографический список 1. 2. Пахневич А. В. / Современная палеонтология. Классические и новейшие методы, 2009, с. 127. Angiolini L., Barberini V., Fusi N., Villa A. // 6th International Brachiopod Congress, Melbourne, Australia, February 2010, Geological Society of Australia, Abstracts. No. 95, р. 7. 38 Рентгеноскопия и компьютерная томография ПРИМЕНЕНИЕ РКТ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГОЛОВОНОГИХ МОЛЛЮСКОВ И КОНОДОНТОВ Е. О. Стаценко1, А. М. Фазлиахметов2, О. П. Шиловский1, 1 Казанский федеральный университет, г. Казань, 2 Институт геологии Уфимского научного центра РАН, г. Уфа E-mail: e.statsenko@yahoo.com, famrb@mail.ru Конодонты широко применяются для определения возраста отложений от позднего кембрия до триаса включительно. Чаще всего их выделяют путем растворения карбонатной составляющей породы в слабом растворе муравьиной или уксусной кислоты и последующего просмотра нерастворенного осадка. Это наиболее простой способ. Гораздо сложнее найти и определить конодонты в глинистых и кремнистых породах. В этих целях прибегают к растворению породы в плавиковой кислоте, кипячению в слабом растворе щелочи, пропитыванию органическим растворителем (керосин, смесь керосина и ацетона и др.) или перекисью водорода с последующим кипячением, сплавлению с тиосульфитом натрия, просмотру на просвет тонких сколов или полированных пластинок. Все перечисленные методы трудоемки и не гарантируют получения удовлетворительного результата. В ряде случаев конодонты или их части, найденные на поверхностях напластования, находятся под слоем породы или в неудобной для определения ориентации. Данное обстоятельство не позволяет определить его родовую и видовую принадлежность без длительного и трудоемкого препарирования, но применение метода РКТ позволяет этого избежать. Рентгеновская компьютерная томография позволяет получать изображения конодонтов высокого качества в виде плоских сечений и проекций цифрового 3D-изображения или в формате видео (конодонт вращается в разных плоскостях). При этом все морфологические элементы конодонтов видны отчетливо, что дало возможность О. В. Артюшковой и Т. М. Мавринской провести их диагностику до вида и уточнить возраст вмещающих отложений — эмсский ярус нижнего девона. Проведенные исследования позволяют дополнить известные подходы к изучению конодонтов в кремнистых породах новым, представленным в следующем виде. • Визуальный поиск конодонтов на плоскостях напластования и сколах в полевых или камеральных условиях с помощью лупы увеличением 4–10 или бинокулярного микроскопа. При нахождении конодонта в неудобной для определения позиции он может быть изучен с помощью РКТ. Сборник тезисов докладов 39 • Сокращение объема образца (обрезка) до размеров его сечения около 5 5 мм. При увеличении геометрических размеров образца снижается детальность съемки, что может стать причиной плохого качества изображения конодонта. • Съемка образца методом РКТ, обработка томографических данных с последующим представлением графических материалов и палеонтологическим определением конодонта. Предложенная методика позволяет существенно сократить трудозатраты специалиста-палеонтолога, заменить многочасовое или многодневное препарирование и определение конодонтов уменьшением объема образца, РКТ-съемкой и просмотром полученных видеофайлов. При изучении головоногих моллюсков получение сведений о внутреннем строении часто затруднено неудовлетворительной сохранностью ископаемого материала. Мы провели предварительные исследования некоторых систематических признаков внешней и внутренней Рис. 1. Объемное изображение конодонта, определенного О. В. Артюшковой как Polygnatus excavatus (Carls et Jandle) Рис. 2. Объемное изображение конодонта, определенного Т. М. Мавринской как Pandorinellina steinhornensis (Ziegler) 40 Рентгеноскопия и компьютерная томография морфологии цефалопод с помощью метода рентгеновской компьютерной томографии. Материалом для исследования послужили цефалоподы казанского яруса Волго-Уральского региона. Были использованы полностью или частично отпрепарированные, а также скрытые в породе экземпляры цефалопод. При традиционных методах изучения самых начальных стадий онтогенеза раковины моллюска обычно требуется разрушить образец для получения зарисовок и фотографий внутренних структур и их измерений. Рентгеновская томография дает возможность получать изображения внутренней структуры непрозрачных объектов с высоким пространственным разрешением без разрушения самих объектов. На полученных с помощью томографа трехмерных изображениях ювенильных раковин наутилоидей хорошо видны особенности скульптуры, образующей сетчатый рисунок, характерный для самых ранних стадий онтогенеза. Рис. 3. Структуры ювенильной раковины Peipetocerassp, образующие сетчатый рисунок Предварительные результаты исследования цефалопод методом рентгеновской компьютерной томографии показали, что применение данного метода в некоторых случаях позволяет получить более детальные сведения о строении и морфометрии раковин наутилоидей. Применение метода расширяет рамки изучения недоступных прямому наблюдению особенностей внутренней морфологии без разрушения объектов. Сборник тезисов докладов 41 Рис. 4. Внутреннее строение раковины Peipetocerassp: а — расположение сифона, б — сифон в разрезе, в — степень вогнутости перегородок Исследования выполнены при поддержке РФФИ (грант № 14-05031271 мол_а), а также за счет субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности. 42 Рентгеноскопия и компьютерная томография ИССЛЕДОВАНИЯ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД НА РАЗНЫХ МАСШТАБАХ МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ Д. Р. Гилязетдинова1, К. М. Герке2, Р. А. Хамидуллин1, Д. В. Корост1, М. В. Карсанина3, И. О. Баюк4, 1 МГУ им. М. В. Ломоносова, г. Москва, 2CSIRO Land and Water, Australia, 3 Институт динамики геосфер РАН, г. Москва, 4 Институт физики Земли РАН, г. Москва E-mail: gilyazetdinova_91@mail.ru Введение Карбонатные породы представляют большой интерес для нефтегазовой промышленности. Резервуарные свойства карбонатных пород в основном зависят от их генезиса и контролируются вторичными преобразованиями в процессе диа- и катагенеза. Такого рода изменения могут как ухудшать, так и улучшать фильтрационные свойства пород. Фиксировать преобразования и исследовать внутреннее строение и состав карбонатов, безусловно, позволяют оптические методы (описание петрографических шлифов и т. д.), но при этом возникает ряд затруднений, выраженных в понимании ориентации основных компонентов пород и их взаимоотношения в объеме, также текстурно-структурные признаки породы зачастую могут искажаться пробоподготовкой. Для того чтобы избежать такого рода упущения, в работе применялся метод рентгеновской компьютерной томографии. Исследования карбонатных пород с помощью метода компьютерной томографии на сегодняшний день весьма актуальны. Основными задачами, с которыми сталкивается рентгеновская томография, являются пространственное и плотностное разрешение съемки. Карбонатные породы, в отличие от терригенных, чаще всего мономинеральны по составу, что упрощает работу с плотностным разрешением. В силу объемной плотности и однородности по составу карбонатного матрикса его идентификация не составляет особого труда в пределах породы. Когда, как в терригенных породах, одни и те же минеральные компоненты часто характеризуются одинаковым рентгеновским поглощением, их отличие друг от друга во многом сильно осложняется. Таким образом, исследование карбонатных пород сводится к преодолению пространственного разрешения. В связи с чем особенно важно исследовать внутреннее строение карбонатов на разных масштабах. Сборник тезисов докладов 43 Целью данного исследования является изучение карбонатных пород, разного генезиса и строения на разных масштабах с помощью компьютерной томографии. Основные методы исследования Для выполнения поставленных целей в ходе работы было выполнено петрографическое описание шлифов, исследовано внутреннее строение пород с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Определение состава пород проводилось методом рентгено-фазового анализа (РФА). Для изучения микростроения карбонатных пород применялся современный неинвазивный метод рентгеновской компьютерной томографии. Благодаря этому методу удалось произвести точный и правильный пробоотбор образцов для дальнейших исследований, а также построить стереологические модели основных рентгеноконтрастных фаз, позволившие в объеме породы оценить ее структурные и текстурные особенности. Помимо вышеописанных исследований на образцах мерились фильтрационно-емкостные свойства газоволюметрическим методом. Томографические исследования были проведены на четырех разных масштабах пород (рис. 1). На каждом этапе томографической съемки были получены наборы рентгеноконтрастных картинок и построены 3D-модели основных рентгеноконтрастных фаз изучаемых пород. Рис. 1. Изучаемые масштабы карбонатных пород (100 мм, 30 мм, 10 мм, 3 мм) 44 Рентгеноскопия и компьютерная томография Выводы Таким образом, изучив отобранную коллекцию образцов путем их детального описания, выделили основные типы пород, характеризующиеся различным строением и генезисом. Также удалось установить связь между фильтрационно-емкостными свойствами и строением пустотного пространства образцов, что, безусловно, контролируется диаи катагенетическими преобразованиями. Исследование пород на разных масштабах позволило более детально углубиться во внутреннее микростроение образцов. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 14-17-00658. Сборник тезисов докладов 45 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ШАГА РАСЧЕТА ПУСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК (КАВЕРЗНОСТИ) КАРБОНАТНЫХ ПОРОД МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ С. Ю. Филимонов, М. В. Шалдыбин, Ю. М. Лопушняк, ОАО «ТомскНИПИнефть», г. Томск E-mail: FilimonovSY@nipineft.tomsk.ru В настоящее время рентгеновская компьютерная томография (РКТ) нашла свое применение главным образом для изучения внутренней структуры различных объектов, в том числе она активно используется для исследования нефтегазоносного керна. Одним из основных преимуществ метода РКТ является возможность проведения исследований без разрушения изучаемого образца. При применении метода РКТ определение общей пустотности образца основано на подсчете интегрального объема векселей (трехмерных элементов объема), отнесенных к пустотам в соответствии с заданными плотностными интервалами1. Наиболее широкое применение метод РКТ приобрел при анализе керна карбонатных пород, пустотное пространство которых может включать различные пустотные составляющие — поры и мелкие каверны (размером до 1 мм), крупные каверны (размером более 1 мм), а также трещины — все они могут вмещать объемы полезного компонента (углеводороды). В работе производился расчет главным образом кавернозной пустотности с разрешением томографа РКТ-180 0,4 мм, что в целом позволило адекватно оценить емкостные параметры кавернозного коллектора и произвести расчет всего порового пространства. Объект изучения — древние рифейские кавернозно-трещиноватые коллектора одного из нефтяных месторождений в пределах Сибирской платформы. Целью данной работы был анализ томограмм с расчетом пустотного пространства полноразмерного керна с шагом осреднения 2,5 и 5 см, с последующим сравнением полученных результатов с результатами расчета пустотного пространства в цилиндрических стандартных образцах, выбуренных из этого же керна. В работе использовался керн карбонатных пород диаметром 100 мм. Размеры цилиндрических образцов составляли: 70 мм диаметр, 45 мм высота. Сканирование кернового материала было выполнено на установке РКТ-180, в режиме 3 мА, 170 кВ. Обработка томограмм проводилась с использованием программно-аналитического модуля рентгеновского томографа ПО TomoCore©, который позволяет в полуавтоматическом режиме распознавать плотностные неоднородности образцов керна (трещины, каверны, включения, прослои и пр.) и на количественном уровне выполнять интерпретацию томограмм. 46 Рентгеноскопия и компьютерная томография Для эксперимента было выбрано 10 цилиндрических образцов, по которым были получены томограммы и далее проведен расчет пустотного пространства томограмм. Результаты расчета представлены в табл. 1. Столбцы «% пустот шаг 5» и «% пустот шаг 2,5» отображают результаты расчетов объема пустотного пространства в полноразмерном керне с соответствующим шагом. В столбцах «5» и «2,5» записан модуль разницы между объемом пустот в цилиндре и соответствующем интервале глубин полноразмерного керна. Визуализация пустотного пространства наиболее кавернозного цилиндра представлена на рис. 1. Таблица 1 № п/п Глубина отбора, м % пустот цилиндра % пустот шаг 5 (керн) % пустот шаг 2,5 (керн) Δ5 Δ2,5 1 2Х54,16 4,95 3,68 6,66 1,27 1,71 2 2Х92,52 7,38 7,26 7,65 0,11 0,27 3 2Х96,96 4,00 3,76 4,63 0,24 0,63 4 2Х13,7 2,01 2,07 3,41 0,07 1,40 5 2Х17,28 1,93 2,86 4,78 0,92 2,84 6 2Х33,01 2,87 2,34 1,25 0,52 1,62 7 2Х33,90 2,80 2,45 2,28 0,35 0,52 8 2Х35,90 11,52 12,36 7,14 0,85 4,38 9 2Х38,30 1,68 1,28 0,82 0,4 0,87 10 2Х40,30 4,75 2,76 2,18 1,99 2,57 Рис. 1. Визуализация пустотного пространства в цилиндре № 8 Сборник тезисов докладов 47 Из расчетов следует, что количественная интерпретация томограмм с шагом 5 см дает более точный результат в случае, когда необходима наиболее приближенная к реальной оценка пустотного пространства колонки скважины без проведения дополнительных исследований. Проведенные исследования показали, что оценка пустотного пространства цилиндрических образцов возможна с использованием данных, полученных на полноразмерном керне с шагом как 5 см, так и 2,5 см. Однако при необходимости более точной оценки рекомендуется выбирать шаг осреднения, более близкий к размерам выбуренного цилиндра. Библиографический список 1. Аксельрод С. М. // Неразрушающее исследование образцов пород методами магниторезонансной и рентгеновской томографии (по материалам зарубежной литературы) // Каротажник, 2011, № 10 (208), с. 77–113. 48 Рентгеноскопия и компьютерная томография IV. ЭЛЕКТРОНИКА ВОЗДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА И КОМПОНЕНТЫ 1 И. А. Проказов1, С. И. Румянцев2, ИОЯФ НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва 2 Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, г. Москва E-mail: igor.prokazov@gmail.com Метод рентгеновского контроля печатных узлов и электронных компонентов широко применяется на предприятиях радиоэлектронной промышленности. Однако вопрос о том, может ли данный метод нанести ущерб полупроводниковым компонентам, до сих пор остается открытым. В данной работе была сделана попытка ответить на этот вопрос, а также были даны практические рекомендации по использованию рентген-контроля в контексте исследования полупроводниковых изделий. Механизмы повреждений различаются от технологии к технологии, например, для современных микросхем важны радиационноиндуцированные токи утечки, а в старых технологиях важную роль играл сдвиг порогового напряжения транзистора. К примеру, при прохождении рентгеновского излучения через транзистор в подзатворном диэлектрике начинает накапливаться заряд, который будет влиять на работу транзистора как дополнительно приложенное напряжение (или как сдвиг порогового напряжения). В результате транзистор будет постоянно «открыт», что, естественно, приведет к потере работоспособности схемы. Также уменьшение порогового напряжения транзистора приведет к превышению общего тока потребления микросхемы изза токов утечки. На рис. 1 приведена вольт-амперная характеристика МОП n-канального транзистора до и после облучения. Дрейф отдельных характеристик микросхемы и, следовательно, возможный отказ обусловлены полной поглощенной дозой. Микросхема, используемая в бытовой технике, после накопления 50–100 Гр может перестать функционировать. Максимально допустимые дозы приблизительно известны и представлены в различных источниках1 (рис. 2). В общем виде зависимость поглощенной дозы от параметров съемки на рентгеновской установке рассчитывается по формуле Сборник тезисов докладов мощность дозы A 49 I U 2 Гр с , FOD 2 где I — ток рентгеновской трубки, U — ускоряющее напряжение, FOD — расстояние от объекта исследования до источника рентгеновского излучения, A — некий параметр, зависящий, в частности, от КПД рентгеновской трубки, используемых фильтров излучения и материала образца. Таким образом, при ускоряющем напряжении 130 кВ и токе 30 мкА и расстоянии трубка-детектор 10 мм (типичные параметры инспекции микроэлектронных компонентов) опасная доза для большинства гражданских микросхем (50–100 Грей) будет получена примерно за 500 секунд, т. е. менее чем за 10 минут. Методы, позволяющие снизить влияние рентгеновской инспекции на работоспособность электронных компонентов, следующие: 1) прежде всего, это фильтрация излучения трубки (установка на трубку тонких металлических пластинок-фильтров для снижения корректировки спектра излучения трубки); 2) использование коллиматора и\или диафрагмы источника излучения. Обрезание неиспользуемого облучения за счет коллиматора или диафрагмы позволяет сократить угол распространения рентгеновского излучения. В результате облучается только та область исследуемого образца, которая находится в поле зрения детектора; 3) программирование инспекции. Данная опция присутствует практически во всех современных системах рентгеновской инспекции и позволяет не только значительно сократить время инспекции, но и значительно снизить общее время облучения образца. Все вышеперечисленные методы позволяют уменьшить дозу в 10– 100 раз. log lD После облучения До облучения Напряжение затвора Рис. 1. Вольт-амперная характеристика МОП n-канального транзистора до и после облучения 50 Рентгеноскопия и компьютерная томография Сигнальные диоды Опорные диоды Биполярные транзисторы Биполярные транзисторы большой мощности Полевые транзисторы с управляющим p-n-пер. Полевые МОП-транзисторы Аналоговые ИС Si биполярные Si МОП GaAs Цифровые ИС Si биполярные КНД-структура (кремний на диэл.) Si МОП Si КМОП GaAs Приборы с зарядовой связью (ПЗС) Кварцевые резонаторы Поглощенная доза излучения, Гр Начальная наблюдаемая деградация: вероятность отказа зависит от применения 100 101 102 103 104 105 106 Существенная деградация: высокая вероятность отказа Рис. 2. Максимально допустимые дозы излучения Библиографический список 1. Ma T. P. und Dressendorfer P. V. // Ionizing Radiation Effects in MOS Devices and Circuits, 1989, 1, р. 39. 3-я Международная конференция по компьютерной томографии. – 2015 7–8 апреля 2015 года. Москва, Владимир. Тезисы Редактор — С. И. Румянцев Компьютерная верстка — С. С. Бегунов Корректор — Н. А. Шипиль Дизайн обложки — Н. А. Данилова Подписано в печать 12.07.2015 Гарнитура Ньютон Формат 60 х 90/16 Печ. л. 3. Тираж 100 экз. Бумага матовая мелованная 115 г/м 2 ООО «Остек-СМТ» 123592, г. Москва, ул. Кулакова, д. 20, стр. 1Г Тел. (495) 788-44-44. Факс (495) 788-44-42 Отпечатано в типографии ООО «ВЕСТА-ПРИНТ» 115114, г. Москва, ул. Дербеневская, д. 20/2, стр. 19 Группа компаний Остек ООО «Остек-СМТ» Направление технологий контроля 123592, Российская Федерация г. Москва, ул. Кулакова, д. 20, стр. 1Г телефон: +7 (495) 788-44-44 факс: +7 (495) 788-44-42 e-mail: info@ostec-ct.ru www.ostec-ct.ru Узнайте больше на нашем интернет-сайте
