Elitomo Project: 2D &3D Tomography for Large-size Objects Using ELI-NP Ultrabright Gamma Beam Source

Category: 
National funded projects
Period: 
September, 2016 to August, 2019
Coordinator: 
ACCENT PRO 2000 S.R.L.

Numar contract: 10ELI / 01.09.2016

Manager proiect: Mihai IOVEA; e-mail: office@accent.ro

Valoare buget: 1.111.200 (1105348.49) RON

Parteneri: P1 Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica si Inginerie Nucleara "Horia Hulubei"(IFIN-HH) -Romania

Persoane de contact:
Iovea Mihai - Cercetator stiintific, ACCENT PRO 2000, office@accent.ro
Calin Alexandru Ur - Cercetator stiintific I, ELI-NP , calin.ur@eli-np.ro
Violeta Iancu - Cercetator stiintific ELI–NP, violeta.iancu@eli-np.ro

1. REZUMATUL PROIECTULUI

In multe dintre realizarile in stiinta si inginerie ale ultimilor decenii s-au aplicat metode de testare nedistructiva (NDT), folosite in etapa de dezvoltare, fara a distruge sau afecta proprietatile produsului, asigurand integritatea si performantele si pentru care era destinat.
Dintre toate aceste metode, radiografia clasica a inregistrat recent o imbunatatire spectaculoasa, multumita dezvoltarii surselor de raze X Microfocus si detectorilor de raze X de foarte inalta rezolutie.
O consecinta a acestei dezvoltari a fost dezvoltarea a doua noi subdomenii: Radiografia digitala(DR) si Tomografia computerizata industriala(ICT), care au luat avant, devenind cele mai avansate tehnici care pot oferi penetrabilitate sporita si rezolutie spatiala foarte inalta.
Cu toate aceste dezvoltari, inca nu exista solutii NDT satisfacatoare, care sa ofere rezolutie inalta la investigarea componentelor metalice de mari dimensiuni, necesare in diverse domenii, cum ar fi industria aeronautica, industria aerospatiala, industria militara, blocuri si cutii de viteze pentru masini / camioane, piese de rafinare a petrolului etc.
Solutiile utilizate in prezent implica utilizarea unor surse de radiatie de energii inalte, in intervalul 1-15 MeV (cum ar fi Linacs), sau utilizarea unor surse izotropice (de ex.Co60).
Dezavantajul acestor solutii este pata focala mare, cu valori intre 0.5 si 2 mm [1], care reduce dramatic rezolutia spatiala, facand aceste solutii inutile pentru aplicatii de inalta rezolutie.
Dintre toate tehnicile disponibile pentru producerea de fotoni cu energii inalte si pata focala mica, un interes deosebit il reprezinta tehnica Imprastierii Compton a Radiatiei Laser (LCS) [2], care ar putea satisface toate cerintele.
Din acest motiv care noi am propus in ELI White Book [3] dezvoltarea unor aplicatii de radiografie digitala si tomografie, utilizand fascicolul ELI Gamma beam, ca solutie perfecta pentru investigarea DR si ICT de inalta rezolutie a obiectelor de mari dimensiuni.
Sunt notabile principalele avantaje ale utilizarii sursei ELI Gamma beam in DR si ICT:

  • Este singura solutie disponibila care ar putea oferi o dimensiune focala mica (10-30 microni), oferind imagini cu rezolutie foarte inalta NDT, chiar si pentru obiecte de dimensiuni foarte mari, care sunt usor de penetrat de fotonii cu energie cu energie inalta.
  • Folosind fotoni peste cativa MeV, rezultatele sunt aproape neafectate de efectul de intarire a spectrului de frecvente si de artefactele de tip striat metalic, intalnite in tehnicile clasice bremsstrahlung DR si ICT.
  • Avand un fascicul gamma monocromatic reglabil, putem masura valoarea exacta a coeficientului de atenuare liniara a esantionului, iar facand aceleasi masuratori la energii diferite, ar putea fi aplicata o tehnica dual / multienergie pentru identificarea cu precizie a probelor.

La ELI-NP ne asteptam sa obtinem o rezolutie spatiala mai buna (100-200 microni) si o sensibilitate mai mare la contrast in aplicatiile industriale, deoarece intensitatea fascicolului gamma ELI-NP va fi cu cateva ordine de marime mai mare decat la HIγS (SUA) AIST (Japonia).
Trebuie remarcat faptul ca actualii parteneri ELITOMO au realizat pana in prezent la ELI-NP simulari Monte Carlo pentru aplicatiile NDT industriale, stabilind cerintele de baza pentru scanerele mecanice DR si TEC.
In cadrul proiectului propunem construirea a doua masini DR si TIC (pentru probe mici si mari), proiectarea si realizarea de detectoare gamma 1D si 2D gamma dedicate si dezvoltarea pachetelor software pentru achizitia de date, controlul scanerelor, scanarea tomografica speciala, tehnici de reconstructie, algoritmi de imbunatatire a imaginii si vizualizare.
O serie de teste preliminare cu ambele echipamente vor fi facute in laborator utilizand surse de Microfocus de raze X, surse Gamma sau LINAC.
In cele din urma, o serie de teste la CETAL sau la alte unitati LCS vor fi urmate de instalarea sistemului la ELI-NP GAMMA BEAM, fiind pregatite pentru experimente de la DAY ZERO.

2. OBIECTIVELE PROIECTULUI

Proiectul ELITOMO isi propune sa furnizeze suportul necesar pentru dezvoltarea aplicatiilor de imagistica industriala, utilizand sistemul ELI-NP gamma beam.
Obiectivele proiectului sunt:

  • Studiul impactului si avantajelor utilizarii surselor de raze X si a surselor Gamma (Co-60, Subaru-Japan) ca platforme de testare pentru configuratia experimentala utilizand simulari Monte Carlo.
  • Dezvoltarea procedurilor speciale de scanare, achizitie digitala si a sistemelor read-out pentru setup-urile experimentale pencil-beam cone-beam. Vor fi dezvoltati algoritmi specifici de reconstructie, vor fi teste pachete software de analiza a imaginilor.
  • Dezvoltarea detectorilor si realizarea de prototipuri pentru experimentele cu fascicul pencil-beam. Fascicolul gamma de intensitate mare avand o structura temporala specifica, genereaza pulsuri de fotoni de mare intensitate care ajung la detector intr-o fereastra de o picosecunda. Pulsurile de fotoni cu intensitate ridicata vor produce daune in detectoarele conventionale si saturarea PMT-urilor. Propunem un studiu de impact al utilizarii unor scheme de detectie alternative in locul detectorilor conventionali NaI cuplati cu PMT utilizati in mod frecvent in experimentele CT. Cu simulari Monte Carlo propunem sa studiem posibilitatea utilizarii unui calorimetru pentru raze gamma pentru experimentele cu fascicul pencil-beam.
  • Testarea ambelor scanere si a pachetelor software in diferite medii de laborator cu diferite tipuri de surse: raze X si raze gamma disponibile in mod curent inainte de instalarea la ELI-NP
  • Formarea si instruirea personalului experimental pentru functionarea viitoare a setarilor experimentale dedicate tomografiei si radiografiei
  • Furnizarea suportului pentru instalarea si testarea sistemelor DR si TIC la ELI-NP

3. REZUMATUL REZULTATELOR

Pana acum au fost realizate urmatoarele activitati:

  • Implementrea surselor de fotoni LCS in Geant4 in vederea evaluarii raspunsului detectorilor in conditii similare celor dinexperimentul real (IHIN-HH);
  • Dezoltatrea a doi algorimi de reconstructie tomografica fan-beam: Filtered Back Projection (FBP) si Algebraic Iterative Reconstruction algorithm (AIR) (AP2K)
  • Simulari Monte Carlo de proiectii cu structura perechi de linii pentru estimarea rezolutiei spatiale si a sensitivitatii contrastului pentru sistemul ELI-NP gamma beam(IHIN-HH and AP2K)
  • Testarea pachetului VOLUME GRAPHICS© , un pachet software high-end pentru analiza si vizualizarea datelor in tomografia computerizata(CT) industriala(AP2K)
  • Analiza a diverse tipuri de scintilatori in vederea optimizarii detectorilor 2D pentru tomografia cu ELI-NP gamma-beam (IHIN-HH)
  • Instalarea unui cluster de computere capabil sa excute in paralel programe de simulare Monte Carlo, reconstructie tomografica si analiza de imagini(AP2K)
  • Utilizaea pachetului software VOLUME GRAPHICS© in reconstructii tomografice 2D (AP2K)
  • Simulari Monte Carlo cu Geant4 pentru sisteme translatii + rotatii utilizate la scanarea obiectelor de dimensiuni mai mari with ELINP Gamma Beam (AP2K)
  • Realizarea analizei de contrast, a raportului semnal/zgomote (SNR), evaluate pe date simulate cu Geant4 pentru tinte de marimi diferite, din materiale diferite(IFIN-HH and AP2K)
  • Dezvoltarea detectorului Gamma 2D gamma pentru experimentele cu fasicolul gamma beam (AP2K)
  • Proiectarea si dezvoltarea procedurii pentru controlul scanarii, procedurii de achizitie de date si integrarea algoritmilor de reconstructie pentru obiecte mari in mediul de laborator pentru fascicolul X-ray fan/pencil beam (AP2K)
  • Simularea unui calorimetru pentru raze gamma si proiectarea de aplicatii cu tomografie gamma computerizata(IFIN-HH)

4. PREZENTAREA REZULTATELOR STIINTIFICE

4.1 Simularea surselor de fotoni LCS in Geant4 pentru evaluarea raspunsului detectorilor in conditii similare celor dintr-un experiment real (IHIN-HH)

Sursele disponibile LCS pot furniza fascicule gamma cu largimea de banda de cateva procente(e.g. 3% at HIγS) si intensitati of 105 fotoni/s la NewSubaru si 107 fotoni/s la HIγS.
Pentru evaluarea respunsului detectorilorlor in conditii similare celor dintr-un experiment real si compararea performantele setup-urile DR si ICT cu surse diferite
a fost necesar sa implementam cateva din sursele mentionate mai sus in codul de simulare Geant4. Sursele monoenergetice si sursele X-ray/bremsstrahlung au fost implementate utilizand modulul General Particle Source din Geant4,cu distributii Gauss si bremsstrahlung.
Un exemplu de distributie energetica a celor doua tipuri este reprezentat in Figura 1.



Fig.1
Stanga: Distributia energetica bremsstrahlung cu end-point la 3.5 MeV si largimea de banda de 0.5% centerat in 3 MeV. Diferenta dintre intensitatile relative pentru cele doua distributii e arbitrara.
Dreapta: distriibutia energetica pentru LCS gamma beam inainte si dupa colimare cu colimatori de apertururi diferite.

4.2 Simularea raspunsului detectorilor (IFIN-HH)

Geant4 a fost folosit si pentru simulari care sa caracterizeze raspunsul detectorilor la un fascicul cvasi-monoenergetic asa cum va fi Gamma Beam ELI-NP.
Se preconizeaza ca vor fi folosite doaua tipuri de detectori in setup-urile DR si ICT la ELI-NP:

  • Un detector de volum mare capabil sa absoarba aroape integral radiatia gamma transmisa pentru tomografie computerizata cu fascicul pencil-beam
  • Un detector 2D pentru tomografie comuterizata cu fascicul conic, constand intr-un ecran convertor(converteste fotonii gamma in fotoni vizibil) cuplat print-un sistem optic cu o camera CCD.

Energia depozitata, eficienta detectorului si raportul peak to total au fost determinate pentru diferite tipuri de detectori si scintilatori diferiti.
Figura 2 ilustreaza raportul peak to total pentru mai multi scintilatori cu volum mare, iar in Tabelul 2 este prezentata energia depozitata pentru diversi scintilatori subtiri.

Fig. 2 Peak to total ratio pentru cativa scintilatori cu volum mare

Scintilator Grosime (mm) 3.5 MeV 5 MeV 10 MeV 20 MeV

BGO

0.5

4.36x10-3

8.41x10-3

8.36x10-3

9.11x10-3

BGO

1

1.6x10-2

3.50x10-2

3.75x10-2

3.96x10-2

BGO

2

5.65x10-2

0.12

0.16

0.17

LYSO

2

8.01x10-2

9.81x10-2

1.22x10-1

1.36x10-1

CsI(Tl)

0.5

2.76x10-3

2.89x10-3

2.57x10-3

3.25x10-3

CsI(Tl)

2

4.11x10-2

4.64x10-2

5.57x10-2

6.11x10-2

Gadox

0.2

1.05x10-3

1.0 x10-3

1.1x10-3

1.2x10-3








Tabelul 1
Energia depozitata in MeV per foton incident pentru fotonii care lovesc un scintilator subtire. 




4.3. Proiectarea si realizarea unui a cluster de computere pentru executii in paralel a programelor de simulare Monet Carlo si reconstructie

Pentru simulari si programe de reconstructie a fost construit un cluster de calculatoare cu 96 nuclee, compus din 4 unitati , fiecare dispunand de 4 procesoare Intel Xeon X5650 si 16 GB RAM, fiecare ruland sub sistemul de operare CENTOS 7 , cuplate prin MPI CH.
Pentru a profita de avantajele procesarii in paralel in GEANT4, am instalat G4MPI (o interfata nativa cu MPI a librariilor programelor de simulare) si a fost modificat programul de simulare pentru executie in paralel.
Aceasta arhitecutura cu 96 de nuclee a permis executia de simulari Monte Carlo cu 1011 fotoni/proiectie si 100 de proiectii pentru un obiect de 25 cm3 in aproximativ 4 zile.










Fig. 3 Clusterul cu 96 nuclee utilizat in simularile AP2K



4.4. Determinarea rezolutiei spatiale si a Sensisbilitatii contrastului pentru date tomografice simulate (AP2K)

Pentru datele tomografice simulate, am folost configuratia fan-beacu distanta sursa-obiect de 10 m, distanta sursa-detector de 40 m ,dimensiunile detectorilor de 4x4 cm2 detector size, spatiul dintre detectori de 0.1x0.1 mm2, pata focala de 10 µm si divergeta fascicolului de 1 mrad, toate datele simulate la energia gamma beam de 1 MeV.
Obiectele simulate au fost blocuri de fier de 5 si 10 cm constand in (a) cilndri avand in interior gauri cilindrice (umplute cu aer) de dimensiuni diferite (fig. 4a),blocuri din fier cu gauri sferice de dimensiuni diferite (fig. 4b), (c)respectiv trepte din fier de grosimi diferite continand cilindri cu aer (fig.4c).



Fig. 4 Obiecte simulate: A- cilindru din fier cu gauri cilindrice, B- bloc din fier cu gauri sferice, C- trepte din fier cu gauri cilindrice.










Fig. 5 Bloc metalic cu gauri sferice. A - obiect simulat, B - projectia simulata pentru un bloc de 10cm din fier cu 1010 fotoni incidenti, C - projectia simulata pentru un bloc de 5 cm din fier block cu 1010 fotoni incidenti, D -projectia simulata pentru un bloc de 5 cm din fier cu 1011 fotoni incidenti.














Fig. 7 Variatia raportului semnal/zgomot (SNR) in functie de diametrul gaurii (stanga) si functia de transfer a modulatiei (MTF) (dreapta) pentru simulari Geant4 cu trepte din fier cu gauri cilindriice (Fig6 C).

4.5. Reconstructia Tomografica (AP2K)

Pentru reconstructie s-au folostit algoritmii Filtered Back Projection si algoritmul iterativ SART cu numar diferit de proiectii. Pentru algoritmul Filtered back projection
[8] s-au folosit pachetele software IRTm [11] si Volume Graphics Studio Max[13,14,15].Pachetul AIR [12] a fost folosit pentru reconstructia iterativa [9,10].
Unul din obiective a fost determinarea numarului minim de proiectii si determinarea timpului necesar de integrare al detectprilor pentru atingerea unei rzolutii spatiale de cel putin 200 de microni.
Concluzia studiului a fost ca, pentru un fascicul gamma de 1 MeV cu intensitatea de 2.5*107 fotoni incidenti/mrad, o imagine de calitate rezonabila (in care cilindrii cu diametrul de 200 microni pot fi distinsi in mod clar) poate fi obtinuta intr-un un timp de integrare de minimum 1 secunda/proiectie cu minimum 100 de proiectii distribuite in mod egal.


Intensitate


Nr.
proiectii


Rezolutie


2.5*107

Fotoni incidenti
/slice/1mrad


33


0.6 mm


66


0.4 mm


100


0.2 mm



Fig. 8
Imagini reconstruite utilizand 33, 66, 100 proiectii cu algoritmii Filtered Back Projections si SART.














Fig. 9
Analiza imaginii cu Volume Graphics.







4.6. Dezvoltarea detectorului 2D gamma pentru experimentele cu fasicolul gamma beam. (AP2K)

Pulsurile de fotoni de inalata intensitatea vor produce daune si in detectoarele conventionale si saturarea PMT-urilor.Am construit un detector gamma 2D utilizand un strat de scintilator, o oglinda si o camera CCD, montate intr-o camera obscura , prezentat in Figura 10.

Fig.10
Detectorul gamma 2D.







4.7. Dezvoltarea de noi algorimi iterativi de reconstructie 3D (AP2K - in curs de dezvoltare)

Pentru diminuarea timpului de scanare necesar pentru FBP (cand sunt necesare minimum 100 proiectii pentru o rezolutie de 200 de microni) investigam in continuare posibilitatea aplicarii algoritmului de reconstructie iterativ cu un numar redus de proiectii.

Fig.11
Aplicatie software pentru reconstructii tomografice, simulari de date, reconstructii iterative si vizualizari 3D pentru ELINP Gama Beam.

4.8. Realizarea unui calorimetru gamma pentru aplicatii de tomografie computerizata(IFIN-HH n curs de dezvoltare)

Studiem optiuniea de a utiliza un calorimetru gamma pentru caracterizarea fasciculului transmis in experimente CT pornind de la o versiune simplificata prezentata in referinta [17].
Prototipul calorimetrului va utiliza mai multe straturi de detector de polietilena (PE) - Si, distantat de absorbantii PE mai mari (figura 12a).
Fiecare strat este format din 3 cm PE care precede un detector Si. Patru blocuri PE mai mari de 12,56 cm, 12,56 cm, 15,66 cm și 12,56 cm separa straturile PE-Si.
Figura 3b prezinta rezultatul simularii energiei depuse in functie de energia fasciculului gamma, pentru un dispozitiv cu 5 și 22 de straturi.
Procedura de determinare a energiei fasciculului și a intensitatii fasciculului este similara cu cea descrisa in referinta [18].












Fig.12.
(a)Diagrama a prototipului calorimetrului gamma care va fi folosit pentru experimente CT. (b) Distributia longitudinala a energiei depuse in detectoarele cu Si pentru mai multe energii ale fasciculului gama.

Elitomo  Project