Системы микротомографии Sanying nanoVoxel — рентгеновские 3D-микроскопы

Микротомография (микро-КТ, μCT) — просвечивание образца рентгеновским пучком под разными углами и восстановление трёхмерного объёма по набору проекций, без разрезания образца. В категории четыре системы серии nanoVoxel (Sanying Precision Instruments, Китай): рентгеновские микроскопы nanoVoxel-2000 и nanoVoxel-3000 с обнаружительной способностью до 0,04 мкм и исследовательские системы nanoVoxel-4000 и nanoVoxel-5000 с напряжением до 300 кВ и рабочей зоной до 600×600 мм. Поставка в России — ООО «Промэнерголаб».

Модельный ряд: четыре системы рентгеновской микротомографии

Линейка перекрывает задачи от нанофокусной съёмки мелких объектов до сканирования деталей массой 25 кг. Данные из карточек моделей: обнаружительная способность, мкм · максимальное пространственное разрешение системы томографии, мкм · возможность установки рентгеновской трубки с двойной головкой (микрофокус, нанофокус) · максимальное напряжение на рентгеновской трубке, кВ.

• nanoVoxel-2000 — рентгеновский микроскоп: 0,2/0,04 · 3/0,5 · Нет · 180
• nanoVoxel-3000 — рентгеновский микроскоп: 0,2/0,04 · 0,5 · Да · 160, 190, 225, 240
• nanoVoxel-4000 — исследовательский микротомограф: 0,5 · 2 · Да · 160, 190, 225, 240, 300
• nanoVoxel-5000 — исследовательский микротомограф: 0,2 · 0,5 · Да · 160, 190, 225, 240, 300

Как работает микротомограф

Источник просвечивает образец на прецизионном манипуляторе; плоскопанельный детектор (244×195 мм у моделей 2000 и 3000, 427×427 мм у 4000 и 5000) набирает за оборот от сотен до тысяч проекций.

Трёхмерный объём восстанавливается обратным проецированием с фильтрацией (FBP).

Рентгеновские микроскопы nanoVoxel-2000 и nanoVoxel-3000: режим XRM

Рентгеновский микроскоп (X-ray microscope, XRM) отличается от обычного микротомографа способом регистрации: сцинтиллятор переводит рентгеновские кванты в видимый свет, который увеличивается оптическим объективом — револьвер несёт объективы 2×, 4×, 10× и 20×. Обнаружительная способность доходит до 0,04 мкм (40 нм) у nanoVoxel-2000 и nanoVoxel-3000.

XRM-модуль поставляется опцией для этих двух моделей; у nanoVoxel-4000 и nanoVoxel-5000 его нет. Рентгеновская микроскопия нужна, когда требуется различать элементы размером менее 0,5 мкм: наноразмерная пористость керамики и мембран топливных элементов, дефекты обработки в микроэлектронике, поровое пространство карбонатов и сланцев.

Томография in-situ и 4D-съёмка

Томография in-situ — сканирование образца в процессе нагружения или изменения внешних условий, без выемки из камеры. Серия объёмов, снятых через равные интервалы, образует 4D-набор данных: три пространственные координаты плюс время. Режим поддерживают все четыре модели (ПО 4D-томографии); у nanoVoxel-4000/5000 в опциях — нагрузочная ячейка и климатическая камера.

Типовые сценарии — рост трещины в углепластике под нагрузкой, растрескивание керамики при нагреве, деградация электродов литий-ионных аккумуляторов при циклировании. Ограничение метода — время одного объёма: процесс должен быть медленным либо останавливаться на время съёмки.

Как выбрать микротомограф

Конфигурация подбирается по пяти параметрам задачи.

• Минимальный различимый элемент: поры, литейные дефекты, ориентация волокон — базовый томографический режим; субмикронная пористость карбонатов и сланцев, наноструктуры — режим XRM, до 0,04 мкм.
• Напряжение на трубке: 180 кВ — биообразцы, полимеры, лёгкие сплавы; до 240 кВ — керамика и композиты; до 300 кВ — крупные образцы, стальные детали, плотные сплавы. Выше напряжение — больше проникающая способность.
• Размер и масса образца: 400×300 мм и 15 кг (nanoVoxel-2000), 450×350 мм и 15 кг (nanoVoxel-3000), 600×550 мм и 25 кг (nanoVoxel-4000), 600×600 мм и 25 кг (nanoVoxel-5000).
• Мультимасштабные протоколы: двойная головка трубки (нанофокус и микрофокус) — у моделей 3000, 4000 и 5000; у nanoVoxel-5000 возможна одновременная установка двух рентгеновских трубок и двух детекторов (плоскопанельный и линейный).
• Метрология: погрешность 5+L/100 мкм (L — длина объекта в мм) заявлена для nanoVoxel-4000.

Технические характеристики nanoVoxel-2000 · 3000 · 4000 · 5000

• Размер детектора, мм: 244×195 · 244×195 · 427×427 · 427×427
• Шаг пикселя, мкм: 7,4 / 49,5–139 · 7,4 / 49,5–139 · 49,5–139 · 49,5–139
• Макс. образец, мм (Ø×В): 400×300 · 450×350 · 600×550 · 600×600
• Макс. масса образца, кг: 15 · 15 · 25 · 25
• Метрологическая погрешность: — · — · 5+L/100 мкм · —
• XRM-модуль (объективы 2–20×): Опция · Опция · Нет · Нет
• Томография in-situ / 4D: Да · Да · Да · Да
• Габариты, мм: 1620×1100×1700 · 2460×1250×1950 · 2770×1440×2040 · 2770×1540×2040

Поставка и закупка

Производитель — Sanying Precision Instruments (Китай). Купить микротомограф серии nanoVoxel в России можно через ООО «Промэнерголаб».

Цена, срок поставки, условия гарантии и обучения уточняются в коммерческом предложении. Для подбора конфигурации передайте параметры типовых образцов: материал, размеры, требуемое разрешение, метрологические требования.

Сферы применения

Микро-КТ применяют там, где внутреннюю структуру нужно измерить количественно и не разрушить образец: пористость, трещины, границы фаз, ориентация волокон, геометрия внутренних каналов и соединений. Ниже — направления, в которых используются системы серии nanoVoxel, с типовыми объектами и измеряемыми параметрами.

Отбор конфигурации внутри каждого направления идёт по трём осям: минимальный размер структуры задаёт необходимость режима XRM (менее 0,5 мкм), плотность и толщина материала — напряжение на трубке (180, 240 или 300 кВ), габарит объекта — рабочую зону и режим съёмки (объём целиком, зона интереса, спиральная съёмка).

Материаловедение: композиты, керамика, пеноматериалы

Количественная характеризация внутренней структуры без разрезания образца. Типовые объекты — углепластик (CFRP), углерод-углеродные композиты, стеклопластик, аэрогели, металлические пены, керамика, отливки из чугуна.

• Ориентация армирующих волокон и углы укладки слоёв в углепластике; рабочее разрешение 0,5–2 мкм.
• Пористость: объёмная доля и эквивалентный диаметр пор, распределение пор по размерам.
• Субмикронная пористость тонкой керамики и мембран — режим XRM, обнаружительная способность 0,04 мкм.
• Расслоения в многослойных и сэндвич-конструкциях, трещины в чугуне.
• Мультимасштабная съёмка: обзорный объём образца плюс зона интереса с высоким увеличением.
• Кому: лаборатории микроструктурных исследований НИИ и ВУЗов, R&D полимерных и керамических производств.

Аддитивное производство (SLM, EBM, DED, FDM)

Контроль качества печати и верификация геометрии деталей, внутренние элементы которых недоступны контактным измерениям.

• Непроплавы, газовая пористость и посторонние включения в металлических деталях.
• Толщина стенок решётчатых структур — автоматический расчёт по восстановленному объёму.
• Сравнение скана с CAD-моделью: карта отклонений печатной геометрии от исходной.
• Характеризация порошкового сырья: внутренняя пористость частиц, форма, гранулометрия.
• Статистика дефектов и пористости по партии деталей.
• Кому: R&D-центры аддитивного производства, технологи печати, службы контроля качества.

Аэрокосмические детали и жаропрочные сплавы

Неразрушающий контроль ответственных деталей, где внутренний дефект определяет ресурс изделия.

• Пористость в литых лопатках из никелевых жаропрочных сплавов (Inconel 718 и аналогичные).
• Композитные обтекатели и сотовые панели: расслоения, качество соединения обшивки с сотами.
• Крупногабаритные образцы до 600 мм и 25 кг — nanoVoxel-4000 и nanoVoxel-5000.
• Контроль первой детали серии (FAI по AS9102) в метрологической конфигурации с погрешностью 5+L/100 мкм.
• Кому: КБ и заводы двигателестроения, службы неразрушающего контроля.

Геология и петрофизика: плаги керна и минералы

Детальное исследование образцов породы после обзорного сканирования полноразмерного керна: цифровой керн, оценка коллекторских свойств, изучение нетрадиционных коллекторов.

• Песчаник — межзерновая пористость и цементация; сланец — субмикронные поры, кероген, ориентация микротрещин.
• Карбонаты, аргиллит, уголь: пористость макро- и микроуровня, слоистость, органическое вещество.
• Рабочее разрешение для субмикронной пористости — 0,5–1 мкм; более тонкие структуры снимают в режиме XRM.
• Сегментация порового пространства, моделирование фильтрации и оценка эффективной проницаемости; ПО PerGeos.
• Кому: петрофизики цифрового керна, геологоразведочные предприятия, кернохранилища, нефтегазовые R&D-центры.

Литий-ионные аккумуляторы и топливные элементы

Электрохимические системы исследуются как в статике, так и в режиме in-situ — под циклированием и при изменении температуры.

• Трёхмерная структура электродных материалов катода и анода.
• Контроль намотки и краёв электродов, геометрия сборки пакетных, призматических и цилиндрических элементов.
• Съёмка in-situ: изменение формы электродов при циклировании, образование дендритов лития.
• Сравнение элемента в заряженном и разряженном состоянии.
• Разбор отказов: локализация зоны теплового разгона в сгоревших элементах.
• Мембранно-электродные блоки топливных элементов PEM — наблюдение деградации в режиме 4D.

Микроэлектроника и электронные сборки

Контроль внутренних соединений корпусов и сборок, недоступных оптическому осмотру; задачи вывода изделия в производство и анализа отказов.

• Корпуса BGA и CSP: короткие замыкания, мостики между шарами припоя, надрезы, холодная пайка.
• Проволочные соединения: обрыв, отклонение петли, двойная сварка, отсутствующее соединение.
• Трёхмерные сборки (корпус на корпусе, система в корпусе): совмещение кристаллов и целостность межсоединений.
• МЭМС-устройства: субмикронные дефекты обработки — режим XRM.
• Силовые модули IGBT: пористость паяных соединений основания.
• Сборки объективов камерных модулей: центрировка элементов и целостность конструкции.

Биомедицина и μCT

Трёхмерная морфометрия биологических тканей и контроль изделий медицинского назначения. Образцы размером до 200 мм перекрываются моделями nanoVoxel-2000 и nanoVoxel-3000.

• Костная ткань: трабекулярная архитектура, морфометрия BV/TV (объёмная доля кости) и Tb.Th (толщина трабекул).
• Мягкие ткани — только с контрастированием (фосфорновольфрамовая кислота, раствор Люголя, перфузия Microfil): сосудистая сеть, мышечная ткань.
• Биоимплантаты: контроль геометрии и пористой структуры.
• Фармацевтика: распределение действующего вещества (API) и пористость таблеток.
• Кому: НИИ и ВУЗы биологического профиля, лаборатории биоматериалов, R&D фармацевтических производств.

Науки о жизни и агротехнологии

Исследование живых и растительных структур без препарирования — там, где разрезание образца уничтожает предмет исследования.

• Корневая система растений в почве: архитектура корней без извлечения из грунта.
• Минерализованные экзоскелеты беспозвоночных — исходные данные для биомиметического проектирования.
• Древесина: годичные кольца, структура бамбука, сравнение здоровой и поражённой ткани хвойных.

Полимеры, литьё и упаковка

Контроль качества формования и сборки изделий, для которых геометрия внутренних элементов определяет герметичность и прочность.

• Литейные дефекты: усадочная и газовая пористость, инородные включения.
• Резьбовые соединения полимерной тары: посадка крышки на горлышко — контроль герметичности.
• Включения в полимерных трубах и многослойных плёнках.
• Сравнение скана с CAD-моделью для корректировки литейной оснастки.
• Деструкция и набухание биополимеров — наблюдение в режиме 4D.

Метрология и реверс-инжиниринг

Координатные измерения внутренней геометрии, недоступной щуповым и оптическим координатно-измерительным машинам.

• Погрешность 5+L/100 мкм в метрологической конфигурации (nanoVoxel-4000).
• Измерение внутренних каналов, полостей, стенок сборок в собранном виде.
• Построение поверхностной модели по объёму для восстановления конструкторской документации.

Палеонтология, археология, культурное наследие

Работа с единичными и невосполнимыми образцами, для которых любая разрушающая методика неприменима.

• Виртуальная препарация ископаемых в породной матрице: позвоночные, включения в янтаре.
• Артефакты из металла, керамики и дерева: технология изготовления, следы реставрационных вмешательств.
• Музейные предметы — исследование внутренней структуры без вскрытия и пробоподготовки.
• Кому: музеи естественной истории, реставрационные центры, институты археологии.

Вопросы и ответы (FAQ)

Общие

Что такое микротомография и какие задачи она решает?

Микротомография (микро-КТ, μCT) — рентгеновская компьютерная томография с разрешением от субмикронного до нескольких десятков микрон. Образец просвечивается под разными углами, из набора проекций восстанавливается трёхмерный объём, по которому измеряют пористость и распределение пор по размерам, трещины и расслоения, ориентацию волокон, границы фаз, внутреннюю геометрию. Образец остаётся целым и пригоден для повторных измерений.

Чем микро-КТ отличается от медицинской компьютерной томографии?

Различие в источнике и детекторе. У микротомографа фокусное пятно трубки во много раз меньше, чем у медицинского; это снимает геометрическую нерезкость при большом увеличении. Детектор — плоскопанельный, с шагом пикселя от 7,4 мкм. Соответственно различается и объект: не пациент, а образец до 600 мм и 25 кг, который вращается перед неподвижным источником.

Что такое рентгеновский микроскоп (XRM) и чем он отличается от микротомографа?

Рентгеновский микроскоп — система с дополнительным сцинтилляторным модулем: сцинтиллятор переводит рентгеновские кванты в видимый свет, который увеличивается оптическим объективом (2×, 4×, 10×, 20×). Обнаружительная способность доходит до 0,04 мкм (40 нм). В серии nanoVoxel рентгеновская микроскопия доступна на моделях 2000 и 3000; у 4000 и 5000 XRM-модуля нет.

Метод

Как получается трёхмерный объём — от проекций до модели?

За полный оборот образца детектор набирает от нескольких сотен до нескольких тысяч проекций. Объём восстанавливается обратным проецированием с фильтрацией (FBP).

Что такое томография in-situ и 4D-съёмка?

Съёмка in-situ — сканирование образца, находящегося под нагрузкой или во внешнем поле, без выемки из камеры. Последовательность объёмов во времени даёт 4D-набор данных. У nanoVoxel-4000/5000 в опциях — нагрузочная ячейка и климатическая камера. Так наблюдают рост трещины в композите, спекание керамики, деградацию электродов аккумулятора.

От чего зависит время одного скана?

Время определяется числом проекций и экспозицией на проекцию.

В каком ПО обрабатывают данные микро-КТ?

Реконструкция и анализ выполняются в ПО производителя: измерение длин и углов, объём и площадь поверхности дефектов, статистика пористости, сравнение скана с CAD-моделью, анализ толщины стенок.

Выбор

Какое разрешение нужно под конкретную задачу?

Ориентир по типовым задачам: контроль пор, литейных дефектов и ориентации волокон в углепластике — базовый томографический режим; субмикронная пористость карбонатов и сланцев, наноструктурные объекты (тонкая керамика, мембраны) — режим XRM, до 0,04 мкм. Паспортное значение достигается на тестовых объектах с максимальным контрастом; на реальных образцах среднего контраста фактическое разрешение обычно в 1,5–3 раза грубее и зависит от экспозиции, тока трубки и разности коэффициентов поглощения фаз.

Какое напряжение на рентгеновской трубке требуется под материал образца?

180 кВ хватает для биообразцов, полимеров и лёгких сплавов. До 240 кВ — керамика, композиты и большинство материаловедческих задач. До 300 кВ — крупные образцы, стальные детали, плотные сплавы. Рост напряжения увеличивает проникающую способность.

Как размер и масса образца ограничивают выбор системы?

Рабочая зона: 400×300 мм и 15 кг у nanoVoxel-2000, 450×350 мм и 15 кг у nanoVoxel-3000, 600×550 мм и 25 кг у nanoVoxel-4000, 600×600 мм и 25 кг у nanoVoxel-5000. Разрешение при этом задаётся не габаритом системы, а увеличением и типом трубки.

Применения

Какие задачи материаловедения закрывает микротомография?

Ориентация армирующих волокон и углы укладки слоёв в углепластике и стеклопластике, расслоения в сэндвич-конструкциях, объёмная доля и эквивалентный диаметр пор в керамике, структура металлических пен и аэрогелей, пористость литых деталей из никелевых жаропрочных сплавов, трещины в чугуне. Один образец можно снять мультимасштабно: обзорный объём целиком плюс зона интереса с высоким увеличением.

Как микро-КТ применяют в геологии и петрофизике?

Детальный анализ плагов керна и образцов минералов: песчаник — межзерновая пористость и цементация, сланец — субмикронные поры, кероген и ориентация микротрещин, карбонаты, аргиллит, уголь. Субмикронное разрешение XRM-режима задействуют для тонкой поровой структуры — например, в сланцах и плотных карбонатах. По сегментированному поровому пространству моделируют фильтрацию и оценивают эффективную проницаемость.

Что контролируют в аддитивном производстве и микроэлектронике?

В аддитивных деталях (SLM, EBM, DED, FDM) — непроплавы, газовую пористость, включения, толщину стенок решётчатых структур, отклонение геометрии от CAD-модели, а также качество порошкового сырья. В электронике — корпуса BGA и CSP (замыкания, мостики припоя, холодная пайка), проволочные соединения, МЭМС-устройства, пористость паяных соединений силовых модулей IGBT.

Эксплуатация

Какие требования к помещению и радиационной защите?

Защита встроена в корпус: уровень излучения не превышает 1 мкЗв/ч на расстоянии 10 см от системы, отдельная защитная камера не нужна — достаточно стандартного лабораторного помещения. Площадь от 12 до 30 м² в зависимости от модели, температура 18–28 °C, влажность 30–60 %. Масса систем — от 2400 до 8000 кг.