Способ радиографии объектов

Способ радиографии объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к методам исследования внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения.

Известны способы для исследования внутренней структуры объектов, в которых просвечивают исследуемый объект расходящимся пучком рентгеновского излучения и получают на соответствующей системе отображения теневое изображение внутренней структуры исследуемого объекта. Клюев В.В. и др. Промышленная радиационная интроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.5-8.

Недостатком способов с использованием широкого расходящегося пучка является низкая эффективность использования пучка из-за отсутствия двухкоординатных приемников излучения и, вследствие этого, увеличение времени облучения и поглощенной дозы. Реализация таких способов не возможна без сопутствующего усложнения аппаратуры.

Известным техническим решением является способ исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в получении теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектировании прошедшего через объект излучения детектором, который формирует электрические сигналы, представляющие соответствующие теневые проекции. Патент Великобритании №1283915, МПК: G 01 N 23/08, 1975 г.

Этот способ положен в основу рентгеновской вычислительной томографии, согласно которому с помощью полученных с различных угловых направлений теневых проекций вычислительными средствами восстанавливают изображение сканируемого слоя исследуемого объекта.

В известном способе получаемое пространственное разрешение в теневых проекциях определяется, в первую очередь, размерами коллимированного пучка и/или детектора в направлении сканирования, т.е. при наличии в исследуемом объекте мелких деталей структуры, последние могут не выявляться в получаемой теневой проекции.

Известен способ радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в том, что получают, по меньшей мере, одну теневую проекцию сечения исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения, детектируют прошедшее через объект излучение и формируют электрические сигналы, при этом исследуемый объект и коллимированный пучок перемещают относительно друг друга. Патент Российской Федерации №2069853, МПК: G 01 N 23/08, 1996.

Известен способ нейтронной радиографии, основанный на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение, при котором нейтроны, излучаемые генератором, образуют протоны отдачи в люминесцентном экране, которые возбуждают оптическое свечение экрана, оптическое излучение усиливают и записывают на ПЗС-матрицу (прибор с зарядовой связью). К.К.Шварц, З.А.Грант, Т.К.Меже, М.М.Грубе. Термолюминесцентная дозиметрия. Изд. Рига, "Зинатне", 1968 г.

Эффективность использования генерируемых нейтронов в данном способе не превышает 1%. Собственные шумы ПЗС-матрицы и фоновые излучения снижают качество радиографического изображения.

Известен способ нейтронной радиографии, основанный на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение, при котором нейтроны, излучаемые генератором, образуют протоны отдачи в люминесцентном экране, которые возбуждают оптическое свечение экрана из набора пластин, оптическое изображение в каждой пластине экрана запоминают и раздельно считывают в фотоприемник.

Известен способ нейтронной радиографии, основанный на преобразовании первичного излучения в оптическое с помощью люминесцентного экрана-преобразователя, в котором протоны отдачи возбуждают свечение, а изображение с экрана направляют в фотоприемник. Патент Российской Федерации №2208226, МПК: G 01 N 23/05, 2003 г. Прототип. Прототип не позволяет получить яркого изображения и работает только на нейтронном пучке. Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Изобретение направлено на повышение эффективности использования быстрых нейтронов, уменьшение времени экспозиции, уменьшение влияния фонового сигнала, улучшение качества принимаемых изображений, повышение производительности процесса, получение изображений не только в нейтронном потоке, но и в рентгеновском и гамма-излучениях.

Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения, расширение функциональных возможностей, одновременная регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, и/или тепловых нейтронов, и/или рентгеновских и гамма лучей.

Технический результат достигается тем, что в способе нейтронной радиографии, основанном на преобразовании первичного излучения в оптическое с помощью люминесцентного экрана-преобразователя, в котором протоны отдачи возбуждают свечение, выделяют на экране-преобразователе фотоны, возникшие только по ходу первичного нейтронного излучения источника, которые направляют в фотоприемник, используют конический пучок нейтронов, а выделенный световой поток усиливают и направляют на ПЗС-матрицу, при этом в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину, на поверхности которой расположен конденсор или в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют волоконно-оптический усеченный конус или усеченную пирамиду, набранные из люминесцентных волокон виде усеченных конусов или усеченных пирамид.

В качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину из люминесцирующего полистирола.

В качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину из материала чувствительного к рентгеновскому и гамма-излучениям.

В качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину из люминесцирующего полистирола с добавкой бора.

В качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют люминесцентный оптически прозрачный волоконный модуль из сцинтиллирующих волокон.

В качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют люминесцентный оптически прозрачный волоконный модуль, в котором каждое из волокон составлено из отрезков волокон, чувствительных к различным видам излучений и излучающих свет в различных участках оптического спектра.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, фиг.2 и фиг.3

На фиг.1 представлена оптическая схема радиографического детектора для конического нейтронного пучка, где: 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - экран-преобразователь, 3 - конденсор, 4 - отклоняющее зеркало, 5 - входной объектив, 6 - усилитель изображения, 7 - масштабирующий объектив, 8 - ПЗС-матрица, 9 - диафрагма.

На фиг.2 представлена оптическая схема радиографического детектора для конического нейтронного пучка, где 2^а - экран-преобразователь, выполненный в виде волоконно-оптической усеченного конуса или усеченной пирамиды.

На фиг.3 представлена оптическая схема регистрации проникающих излучений для конусного пучка, где: 2^б - комбинированный люминесцентный экран-преобразователь, 10 - проекционный объектив со светофильтром.

Способ основан на преобразовании в экранах-преобразователях 2, 2^а, 2^б ионизирующего излучения в оптическое излучение.

В случае конического пучка трехлинзовый конденсор 3 и диафрагма 9 (фиг.1) обеспечивают прохождение через оптическую систему только тех световых лучей, которые в экране-преобразователе 2 распространяются в направлении лучей, испускаемых источником быстрых нейтронов 1.

Конденсор 3 рассчитан в приближении точечного источника ионизирующего излучения для заданного расстояния между источником быстрых нейтронов 1 и экраном-преобразователем 2, а также между экраном-преобразователем 2 и входным объективом 5 с учетом коэффициента преломления материала экрана-преобразователя 2 и спектра его излучения, а также коэффициента преломления материала конденсора 3. Конденсор 3 предназначен для сохранения пространственного разрешения в случае конического пучка нейтронного излучения. При облучении экрана-преобразователя 2 пучком быстрых нейтронов происходит преобразование нейтронного излучения в световое излучение. При этом геометрические продолжения всех световых треков сходятся в точку, совпадающую с положением источника нейтронов 1.

Возможно использование волоконно-оптического люминесцентного экрана-преобразователя 2^а (фиг.2), выполненного в виде усеченной пирамиды или усеченного конуса и проекционной оптики. Люминесцентные волокна, из которых состоит экран-преобразователь 2^а, также имеют форму усеченной пирамиды или усеченного конуса.

Оси волокон экрана-преобразователя 2^а пересекаются в месте расположения нейтронного источника 1. Прямоугольное сечение (около 1×1 мм) волокон обеспечивает достаточно высокую (примерно 90%) плотность их упаковки в экране. В случае конических волокон плотность их упаковки в экране 2^а ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации. Волокна экрана-преобразователя 2^а изготовлены из полистирола и имеют светоотражающую оболочку.

Макетный образец детектора нейтронов имеет экран с входным сечением 150×150 мм и выходным сечением около 200×200 мм. Протяженность экрана вдоль нейтронного пучка составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в экране-преобразователе 2^а в результате облучения быстрыми нейтронами, переносится по волокнам на поверхность, обращенную в сторону проекционного объектива 5, а затем с его помощью - на усилитель изображения 6 и далее с помощью масштабирующего объектива 7 на ПЗС-матрицу 8. В отличие от известных приемников других типов, устройство с волоконно-оптическим экраном-преобразователем 2^а является более универсальным, так как его конструкция обеспечивает возможность использования различных типов экранов: дисперсных экранов при регистрации быстрых нейтронов, а также люминесцентных экранов для тепловых нейтронов и рентгеновского излучения.

Источник быстрых нейтронов 1 располагают в точке, лежащей на нормали к центру люминесцентного экрана-преобразователя 2 и 2^а. Исследуемый образец (не показан) устанавливают между источником 1 и экраном-преобразователем 2 и 2^а. В экране-преобразователе 2 и 2^а проникающие виды излучения преобразуются в оптическое излучение.

При регистрации быстрых нейтронов экран-преобразователь 2 выполнен из люминесцирующего полистирола.

При регистрации тепловых нейтронов - из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма-излучений он выполняется из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: германат висмута, иттриевый гранат и др. Эффективность регистрации обеспечивается протяженностью экрана-преобразователя 2 вдоль направления распространения излучения.

При облучении экрана-преобразователя 2^а пучком ионизирующего излучения происходит преобразование этого излучения в световое излучение. Каждый луч излучения, прошедший через образец, создает в экране-преобразователе 2 за время экспозиции прямолинейный трек, точки которого излучают сферически изотропный световой поток. При этом геометрические продолжения всех световых треков сходятся в точку, совпадающую с положением источника нейтронов 1. Для экрана-преобразователя 2 конечной толщины проекционная оптика в отсутствии конденсора 3 изображает трек в форме штриха, длина которого пропорциональна, с одной стороны, тангенсу внеосевого угла, под которым трек виден из центра объектива, а, с другой стороны, - толщине экрана-преобразователя 2, что приводит к потере пространственного разрешения в периферийных зонах приемника. Для того чтобы этого не происходило, в описываемом приемнике после экрана-преобразователя 2 и установлен линзовый конденсор 3. Его назначение - построить в центре входной апертуры (зрачка) входного проекционного объектива 5 изображение точки, в которой пересекаются экранные треки. Входная апертура при этом играет роль диафрагмы 9, препятствуя прохождению световых лучей, распространяющихся в направлениях, не проходящих через источник быстрых нейтронов 1.

Кроме того, входная апертура определяет количество света, проходящего через входной проекционный объектив 5. В случае идеального точечного источника быстрых нейтронов 1 каждый трек будет отображен на ПЗС-матрице 8 в виде пятна достаточно малого размера и размером, пропорциональным светосиле входного проекционного объектива 5.

В случае источника быстрых нейтронов 1 конденсор 3 рассчитан, исходя из того, что расстояние от люминесцентного экрана-преобразователя 2 до нейтронного источника 1 составляет 500 мм, а люминесцентный экран-преобразователь 2 диаметром 200 мм и толщиной 100 мм изготовлен из люминесцирующего полистирола. Полная длина детектора составляет 1170 мм. Способ эффективен для осуществления радиографии, как в коническом пучке быстрых нейтронов, так и в случае комбинированного излучения. При облучении комбинированного экрана-преобразователя 2^б потоком быстрых нейтронов и/или рентгеновского излучения происходит преобразование нейтронного и/или рентгеновского излучения в световое излучение. Способ основан и на использовании комбинированного (фиг.3) люминесцентного экрана-преобразователя 2^б, преобразовании разных падающих видов излучения в самостоятельные световые потоки различного спектрального состава, их разделении отклоняющим зеркалом 4.

Отклоняющим зеркалом 4 разделяют и направляют световые потоки на проекционные объективы с соответствующими светофильтрами 10 по каналам каждого вида излучения. Затем световой поток попадает на усилитель изображения 6 и далее с помощью масштабирующего объектива 7 на ПЗС-матрицу 8. Изображения формируются в различных областях оптического спектра с помощью комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 2^б. Избирательность регистрации того или иного изображения обеспечивается соответствующими светофильтрами, установленными на проекционные объективы 5. В отличие от известных приемников других типов, устройство с волоконно-оптическим экраном-преобразователем 2^б является универсальным, так как его конструкция обеспечивает возможность использования различных типов экранов: дисперсных экранов при регистрации быстрых нейтронов, а также люминесцентных экранов для тепловых нейтронов и рентгеновского излучения.

1. Способ нейтронной радиографии, основанный на преобразовании первичного излучения в оптическое с помощью люминесцентного экрана-преобразователя, в котором протоны отдачи возбуждают свечение, выделяют на экране-преобразователе фотоны, возникшие только по ходу первичного нейтронного излучения источника, которые направляют в фотоприемник, отличающийся тем, что используют конический пучок нейтронов, а выделенный световой поток усиливают и направляют на ПЗС-матрицу, при этом в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину, на поверхности которой расположен конденсор, или в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют волоконно-оптический усеченный конус или усеченную пирамиду, набранные из люминесцентных волокон в виде усеченных конусов или усеченных пирамид.

2. Способ нейтронной радиографии по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину из люминесцирующего полистирола.

3. Способ нейтронной радиографии по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину из материала, чувствительного к рентгеновскому и гамма-излучениям.

4. Способ нейтронной радиографии по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют пластину из люминесцирующего полистирола с добавкой бора.

5. Способ нейтронной радиографии по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют люминесцентный оптически прозрачный волоконный модуль из сцинтиллирующих волокон.

6. Способ нейтронной радиографии по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного экрана-преобразователя используют люминесцентный оптически прозрачный волоконный модуль, в котором каждое из волокон составлено из отрезков волокон, чувствительных к различным видам излучений и излучающих свет в различных участках оптического спектра.