Группа исследователей под руководством Университета штата Колорадо совершила прорыв в технологии 3D-рентгеновской визуализации. Учёные впервые провели высокодетальную компьютерную томографию (КТ) внутренней структуры крупного плотного объекта — лопатки газовой турбины (gas turbine blade), элемента турбомашин, отвечающего за преобразование энергии газового потока — с использованием компактного лазерного рентгеновского источника.
Результаты открывают новые возможности для аэрокосмической промышленности, аддитивного производства и других областей.
Технология основана на лазере ALEPH, который генерирует рентгеновские источники с энергией в миллионы электронвольт — на два порядка выше, чем в медицинских рентгеновских аппаратах.
Это позволяет «просвечивать» объекты толщиной до 10 см из тяжёлых металлов, обеспечивая разрешение до микронного уровня.
Для сравнения: современные промышленные КТ-сканеры дают разрешение на уровне миллиметров, занимая при этом целые помещения. Фото: Colorado State University Walter Scott, Jr. College of Engineering Ключевой элемент метода — создание микроскопического источника рентгеновского излучения с помощью импульсного лазера петаваттного класса.
При фокусировке лазерного луча до интенсивности 1021 Вт/см2 (площадь пятна меньше диаметра человеческого волоса) электроны в мишени ускоряются до энергий в несколько миллионов вольт.
При столкновении с атомами тяжёлых металлов (например, тантала) эти электроны генерируют рентгеновские фотоны путём тормозного излучения.
Длительность каждого импульса составляет лишь триллионные доли секунды, что позволяет фиксировать процессы внутри движущихся объектов — например, работающего реактивного двигателя.
«Наш подход не только компактен, но и неразрушающ, — подчеркнул ведущий автор исследования Рид Холлингер. — Мы видим детали размером 50 микрон в трёх измерениях, не повреждая образец.
Для аддитивного производства это означает революцию в контроле качества: вместо выборочной проверки можно сканировать каждую деталь». Технология также решает проблему артефактов, возникающих при традиционной КТ из-за рассеяния излучения на границах материалов разной плотности.
Первым испытательным образцом стала лопатка турбины весом 3,2 кг из жаропрочного сплава. Сканирование выявило внутренние дефекты литья — микропоры размером 100–200 мкм, которые невозможно обнаружить ультразвуком или стандартной рентгенографией.
Для реконструкции 3D-модели учёные сделали 180 проекций с угловым шагом 1°, используя детектор с разрешением 25 микрон.
Планы команды амбициозны: к 2026 году в заработает лазерный комплекс ATLAS мощностью 2 петаватта. Это позволит масштабировать технологию для сканирования объектов до метра в поперечнике.
Представьте томографию гиперзвукового двигателя в реальном времени или моментальную проверку сварных швов на космическом корабле. Сейчас такие задачи требуют остановки и разборки систем.
Наш метод устранит эти ограничения Джеймс Хантер, представитель Национальной лаборатории Лос-Аламоса, соавтор исследования Разработка уже привлекла интерес корпораций Siemens Energy и GE Aviation. В перспективе технология может найти применение даже в экспериментах по инерционному термоядерному синтезу, где требуется сверхбыстрая диагностика плазменных мишеней.
Следующая цель — достичь субмикронного разрешения и интегрировать алгоритмы машинного обучения для автоматического анализа дефектов.
Такой симбиоз физики и ИИ приближает эру, когда рентгеновская томография станет такой же быстрой и доступной, как фотография.
Рубрика: Наука и Hi-Tech. Читать весь текст на www.ixbt.com.