G01N23 / 04 - з подальшим отриманням зображення (електронні мікроскопи H01J)
Власники патенту RU 2431825:
Товариство з обмеженою відповідальністю "Федеральний науково-виробничий центр" Алтай "(RU)
Використання: для дослідження промислових об'єктів за допомогою рентгенівської томографії. Сутність: полягає в тому, що промисловий томограф містить джерело жорсткого гальмівного випромінювання, сканер, що забезпечує тільки обертальний рух, детекторний блок, керуючий комп'ютер, програмне забезпечення, при цьому джерело випромінювання розташований від об'єкта на відстані, що забезпечує перекриття віяловим пучком випромінювання половини перетину об'єкта від центру обертання до периферії. Технічний результат: забезпечення можливості створення промислового томографа, що дозволяє, при збереженні функціональних результатів (якість томограми і час її отримання), мінімізувати кількість елементів в детекторному блоці при одночасному досягненні компактності томографа в цілому і підвищення достовірності дослідження об'єкта шляхом виключення похибок від опор, на яких розміщений об'єкт. 4 мул.
Винахід відноситься до галузі дослідження промислових об'єктів за допомогою енергії рентгенівського випромінювання, а саме до промислових томографам третього покоління.
У промисловій томографії в основному застосовуються томографи другого і третього поколінь, оскільки вимоги щодо променевому навантаженні і швидкості сканування в більшості випадків менш істотні.
Томографи першого покоління не застосовуються через занадто низьку продуктивність. Томографи другого покоління досить продуктивні, але більш складні механічно в порівнянні з томографами третього покоління, оскільки вимагають обертання і поступального переміщення при скануванні одного шару. Схема сканування томографа третього покоління представлена на фіг.1. Віяловий пучок випромінювання перекриває всі перетин томографіруемого об'єкта. Процес сканування полягає лише в обертанні системи джерело - детектори щодо об'єкта, що рівносильно обертанню об'єкта при нерухомих детекторах і джерелі.
При томографії великогабаритних об'єктів застосовують джерела жорсткого гальмівного випромінювання - прискорювачі електронів з енергією до 10-20 МеВ. Основна частина пучка гальмівного випромінювання зосереджена в конусі, розчин кута якого зменшується зі збільшенням енергії електронів. Так для електронів з енергією 10 МеВ розчин пучка, рекомендований для радіографії, становить 12-15 °, а при 20 МеВ - приблизно в 2 рази вже. Для реалізації томографа 3-го покоління з полем опромінення 1 м буде потрібно розташувати джерело гальмівного випромінювання з енергією 10 МеВ на відстані 5 м від центру об'єкта, а при 20 МеВ, відповідно, 10 м. Лінійка детекторів повинна реєструвати випромінювання веерного пучка, що перекриває всі перетин об'єкта. Щоб отримати томограму розміром N × N пікселів, буде потрібно N детекторів. Отже, томограф з джерелом жорсткого гальмівного випромінювання по прототипу є досить громіздким і містить велику кількість детекторів.
Крім того, при томографії великогабаритних об'єктів, в разі їх розміщення горизонтально, від опор при дослідженні виникають похибки реєстрації випромінювання веерного пучка.
Завданням цього винаходу є створення промислового томографа, що дозволяє, при збереженні функціональних результатів (якість томограми і час її отримання) на рівні прототипу, мінімізувати кількість елементів в детекторному блоці при одночасному досягненні компактності томографа в цілому і підвищення достовірності дослідження об'єкта шляхом виключення похибок від опор, на яких розміщений об'єкт.
Розглянемо пропонований томограф, в якому віяловий пучок перекриває не всі перетин об'єкта, а лише половину (Фиг.2). Сканування виробляється поворотом об'єкта на 360 °. Очевидно, що за один оборот виходить повний набір даних для реконструкції томограми. Отримані дані веерного пучка можна переупакувати в паралельні проекції, а потім реконструювати томограму. У пропонованому томографі зменшується вдвічі кількість детекторів при тій же роздільній здатності і вдвічі скорочується відстань від джерела до центру об'єкта. Час сканування одного шару також скорочується. В томографі-прототипі за один оборот виходить подвійний набір даних, а в пропонованому - одинарний, але в результаті наближення джерела в 2 рази інтенсивність зростає в 4 рази, що дозволяє в 4 рази збільшити швидкість сканування.
Для набору тієї ж статистики в пропонованому томографі буде потрібно вдвічі менше часу. Крім того, в пропонованому томографі виключається вплив елементів сканера. Проведені міркування про швидкість сканування справедливі, якщо віяловий пучок має однакову інтенсивність в усіх напрямках. Насправді пучок гальмівного випромінювання з мішені прискорювача має кутовий і енергетичний розподіл, яке досить точно визначається наступним виразом (Ковальов В.П. Вторинні випромінювання прискорювачів електронів. - М. Атом-іздат, 1979. - 198 с.):
де k - енергія вилітає фотона (тут і далі енергія виражається в безрозмірних одиницях, приведених до енергії спокою електрона), Е0 - початкова енергія електрона, t - товщина мішені (див), ω0 - приведений кут розсіювання: (θ - кут між напрямками фотона і налітає електрона), n - число падаючих електронів, N0 - число атомів в 1 см 3 мішені, ρ - щільність мішені, г / см 3. μ - лінійний коефіцієнт ослаблення фотонів в матеріалі мішені, - характеристика матеріалу мішені (для вольфраму), t '- величина, близька до оптимальної товщині мішені (для вольфраму t'≈2,5 г / см 2).
На Фіг.3 представлена кутова залежність інтенсивності гальмівного випромінювання, що генерується з вольфрамової мішені електронами з енергією 10 МеВ, отримана за формулою (1). Згідно малюнку діаграма спрямованості інтенсивності витягнута вперед, і для променів, віддалених від центрального на ± 10 °, інтенсивність зменшується вдвічі.
Найбільша статистична похибка при вимірюваннях проекційних даних виходить для променів, що проходять через центр об'єкта, оскільки тут товщина об'єкта максимальна і відбувається найбільше поглинання випромінювання. У пропонованому томографі через центр проходить та частина пучка, яка має не максимальну інтенсивність. Для оцінки часу сканування слід враховувати зміну інтенсивності пучка (при переході від томографа-прототипу до пропонованого) саме для променя, що проходить через центр. Припустимо, що інтенсивність на краю веерного пучка в два рази менше, ніж в центрі. Тоді при наближенні джерела в 2 рази інтенсивність реєстрованого випромінювання зросте в 4 рази як для крайнього променя віяла, так і центрального. Але тепер через центр об'єкта проходить не центральний промінь віяла, а крайній. Інтенсивність променя, що проходить через центр об'єкта, буде в 2 рази більше, ніж в томографі-аналогу. Отже, для отримання томограми з тієї ж статистичною похибкою (подвійним набором даних) в пропонованому томографі буде потрібно той же час, що і томографі-прототипі.
У пучку гальмівного випромінювання з повним розчином 15 ° Бетатрон Краб-3 на периферії інтенсивність зменшується в 1,7 рази. Якщо використовувати пучок з таким розчином в томографі-прототипі і пропонованому, то в останньому число детекторів буде в 2 рази менше, як і відстань від джерела до центру об'єкта, час на сканування потрібно менше при тій же якості томограми.
Для перевірки працездатності алгоритму реконструкції томограми за даними зондування віяловим пучком з половинним полем опромінення була розроблена програма комп'ютерного моделювання, що включає в себе формування проекційних даних, перепакування половинних віялових проекції в паралельні, розрахунок і візуалізацію томограми. На фіг.4 представлені томограми, отримані за даними паралельного пучка (А), веерного (Б) і половинного веерного (В). У першому випадку реконструкція проводилася методом зворотного проектування фільтрованих паралельних проекцій (Введення в сучасну томографію. / Під загальною редакцією Тернового К.С. і Сінькова М.В. - Київ. Наукова думка, 1983. - 231 с.), У другому - методом зворотного проектування фільтрованих віялових проекцій (там же), в третьому випадку проводилася перепакування проекцій половинного веерного пучка в паралельні з подальшою реконструкцією, як в першому пункті. Помітної різниці якості томограм не спостерігається.
Таким чином, можна зробити наступні висновки: в пропонованому томографі при порівнянні з прототипом в два рази скорочується кількість детекторів і в два рази відстань від джерела вивчення до центру томографіруемого об'єкта при збереженні якості томограми і часу сканування, а також підвищується достовірність за рахунок усунення впливу елементів сканера при горизонтальному розташуванні об'єкта контролю.
Промисловий томограф, що містить джерело жорсткого гальмівного випромінювання, сканер, що забезпечує тільки обертальний рух, детекторний блок, керуючий комп'ютер, програмне забезпечення, що відрізняється тим, що джерело випромінювання розташований від об'єкта на відстані, що забезпечує перекриття віяловим пучком випромінювання половини перетину об'єкта від центру обертання до периферії .