Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов

 

Использование: в области способов радиационного исследования внутренней структуры объектов. Сущность изобретения: исследуемый объект просвечивают коллимированным пучком рентгеновского излучения в режиме сканирования исследуемого объекта, пучок коллимирован фасонным коллимационным отверстием 2 - 5 вращающегося коллиматора 1, форма поперечного сечения коллимационного отверстия представляет собой фигуру, имеющую 2, 3 или более равноотстоящих осей симметрии, причем размеры пучка вдоль каждой оси симметрии отличны от его размеров в перпендикулярном данной оси направлении, при обработке сигнала детектора 13 с помощью фильтра 15 выделяют составляющую на частоте, кратной частоте вращения коллиматора соответственно количеству осей симметрии поперечного сечения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области радиационных методов исследования внутренней структуры объектов с получением теневых изображений.

Известны способы исследования внутренней структуры объектов, заключающиеся в просвечивании исследуемого объекта расходящимся пучком рентгеновского излучения и получении на соответствующей системе отображения теневого изображения внутренней структуры исследуемого объекта /1/.

Недостатком способов с использованием широкого расходящегося пучка является невозможность достижения достаточно высокой чувствительности к маломерным деталям внутренней структуры объекта (дефекты, включения) без сопутствующего усложнения рентгеновской аппаратуры, например за счет применения микрофокусных источников.

Наиболее близким 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 /2/.

Этот известный 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 получаемых теневых проекциях определяется в первую очередь размерами коллимированного пучка и/или детектора в направлении сканирования, т.е. при наличии в исследуемом объекте более мелких деталей структуры последние могут не выявляться в получаемой теневой проекции. Уменьшение же размеров пучка и/или детектора приводит к снижению регистрируемой интенсивности излучения, необходимости увеличения времени набора информации, что, в свою очередь, вызывает увеличение шумовой составляющей сигнала согласно закону 1/f, где f - полоса пропускания системы детектирования, и соответствующему снижению чувствительности.

Задача изобретения заключается в повышении пространственного разрешения получаемых теневых проекций за обычные пределы, задаваемые размерами коллимированного пучка и/или детектора, и повышении чувствительности обнаружения деталей структуры.

Технический результат от решения данной задачи заключается в возможности выделения более мелких деталей внутренней структуры исследуемых объектов и, соответственно, повышении информативности проводимого исследования.

Согласно изобретению поставленная задача решена так, что в способе радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающимся в том, что производят получение теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектирования прошедшего через объект излучения с формированием электрических сигналов, пучок коллимируют с получением поперечного сечения, имеющего не менее двух осей симметрии при различных размерах пучка в направлении каждой оси симметрии и в перпендикулярном к ней направлении, во время сканирования коллимированный пучок вращают вокруг оси, проходящей через точку пересечения осей симметрии поперечного сечения пучка перпендикулярно к его плоскости, и при формировании электрического сигнала выделяют составляющую не менее чем на второй гармонике частоты вращения коллимированного пучка, которую используют для построения теневой проекции.

Более конкретно, пучок коллимируют с получением поперечного сечения, имеющего две перпендикулярные или три пересекающиеся под углом 60^o оси симметрии, и выделяют составляющую электрического сигнала соответственно на второй или третьей гармонике частоты вращения коллимированного пучка.

Такое техническое решение позволяет получать сигналы, характеризующие местоположение и размеры деталей внутренней структуры исследованного объекта при их размерах, даже существенно меньших диаметра захватываемой вращающимся пучком зоны. При относительно больших размерах деталей решение позволяет надежно выделить местоположение границ таких деталей в направлении сканирования.

Выделение составляющей формируемого детектором электрического сигнала на высших (≥2) гармониках частоты вращения коллимированного пучка позволяет устранить ограничения по чувствительности, обусловленные шумами типа 1/f.

На фиг. 1 4 приведены возможные формы коллиматоров для формирования просвечивающего рентгеновского пучка, на фиг. 5 схема рентгеновской установки для осуществления способа и на фиг. 6 диаграммы, поясняющие процесс формирования сигналов в данном способе.

Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов реализуют следующим образом.

Существенным аспектом данного способа является формирование просвечивающего пучка рентгеновского излучения с фасонным поперечным сечением, имеющим две перпендикулярные А1 А2 (фиг. 1 3) или три пересекающиеся под углом 60^o А3 А5 (фиг. 4) оси симметрии. Такие пучки можно сформировать с помощью показанных на фиг. 1 4 коллиматоров 1 с соответствующими фигурными коллимационными отверстиями 2 5. При этом отверстие 2 коллиматора 1 на фиг. 1 имеет форму вытянутого прямоугольника, отверстие 3 коллиматора 1 на фиг. 2 - форму эллипса, отверстие 4 коллиматора 1 на фиг. 3 форму гантели и отверстие 5 коллиматора 1 на фиг. 4 трехлучевую форму. Общим для всех коллимационных отверстий 2 5 является то, что для каждой оси симметрии А1 А2, А3 А5 размеры пучка вдоль соответствующей оси и в перпендикулярном к ней направлении неодинаковы.

Вторым существенным аспектом данного способа является приведение формируемого рентгеновского пучка с фасонным поперечным сечением во вращение вокруг оси, проходящей через точку пересечения соответствующих осей А1 А2, А3 А5 перпендикулярно к плоскости поперечного сечения коллимационных отверстий 2 5.

Третьим существенным аспектом способа является выделение из сигнала детектора составляющей на второй или третьей гармонике частоты вращения коллимированного пучка соответственно с количеством осей симметрии поперечных сечений коллимационных отверстий 2 4 и 5, причем выделенную составляющую используют для построения теневой проекции.

Технические средства реализации способа в целом поясняет фиг. 5, на которой приведена схема рентгеновской установки, содержащей рентгеновский излучатель 6, в выходной диафрагме 7 которого на подшипниках 8 установлен коллиматор 1 (рассматривается вариант с использованием одного из коллиматоров в соответствии с фиг. 1 3), который является ротором миниатюрного электродвигателя, статор 9 которого подключен к генератору 9, приводящему электродвигатель во вращение с частотой F.

Исследуемый объект 10 установлен на держателе 11, совершающем линейное перемещение под действием привода 12.

Прошедший через исследуемый объект 10 вращающийся с частотой F коллимированный рентгеновский пучок падает на коллимированный детектор 13, электрический сигнал которого через предусилитель 14 поступает на фильтр 15 для выделения составляющей сигнала на частоте 2F. Выделенная фильтром 15 составляющая через усилитель 16 поступает, например, на вход "у" двухкоординатного индикаторного блока 17, вход "х" которого подключен к сигнальному выходу привода 12.

Характер сигналов, формирующихся на экране индикаторного блока 17 при сканировании объекта 10 вращающимся коллимированным рентгеновским пучком и прохождении зон, занимаемых относительно крупной 18 и относительно малой 19 деталями внутренней структуры объекта 10, поясняет фиг. 6. Для упрощения восприятия на верхней диаграмме фиг. 6 показаны включения или раковины с четкими боковыми границами и одинаковой толщиной в перпендикулярном направлению перемещения пучка направлении. Кружками показаны различные положения зоны, захватываемой вращающимся поперечным сечением пучка при прохождении деталей 18 и 19 внутренней структуры объекта 10.

При перемещении вращающегося пучка по области однородной плотности исследуемого объекта 10 фильтр 15 не выделяет составляющей электрического сигнала детектора 13 на частоте 2F, т.е. на индикаторном блоке по оси "у" сигнала нет. Так продолжается до точки Х1, в которой захватываемая пучком зона начинает входить в зону, занимаемую деталью 18 внутренней структуры объекта 10.

Если указанная деталь 18 является раковиной, то интенсивность регистрируемого детектором излучения начинает возрастать по мере вхождения занимаемой пучком зоны в область детали 18. При этом указанное увеличение будет иметь периодический характер с частотой 2F, т.е. на выходе фильтра 15 появится постепенно увеличивающийся по амплитуде сигнал, отображаемый на индикаторном блоке 17. Рост сигнала будет продолжаться до вхождения захватываемой пучком зоны в область детали 18 на четверть указанной зоны, после чего сигнал на выходе фильтра начнет уменьшаться и станет равным нулю в точке Х2, т.е. при вхождении зоны пучка в область детали 18 наполовину. Таким образом, на участке Х1 Х2 форма сигнала на выходе фильтра 15 имеет вид положительной полуволны.

При дальнейшем продвижении захватываемой пучком зоны в область детали 18 на участке Х2 Х3, т.е. до полного вхождения зоны пучка в область детали 18, фильтр 15 формирует выходной сигнал в виде отрицательной полуволны.

Далее на участке Х3 Х4 захватываемая пучком зона снова перемещается по области однородной плотности, и фильтр 15 выходного сигнала не формирует.

На участке Х4 Х6 зона пучка начинает входить в область большей плотности, и процесс формирования сигнала фильтром возобновляется, но в обратном порядке, т. е. на участке Х4 Х5 формируется отрицательная полуволна, а на участке Х5 Х6 положительная.

При прохождении зоной пучка маломерной детали 19 внутренней структуры объекта 10 сигнал формируется следующим образом.

В точке Х7 контактирования захватываемой пучком зоны с границей детали 19 на выходе фильтра 15 появляется выходной сигнал, который растет до точки Х8, в которой зона пучка полностью перекрывает (по направлению "х") деталь 19. Затем сигнал варьируется незначительно с возможным провалом в центре в зависимости от точного геометрического взаимного расположения детали 19 и зоны пучка вплоть до точки Х9, в которой захватываемая пучком зона начинает выходить из области детали 19. Затем идет спадание сигнала до точки Х10 полного выхода зоны пучка из области детали 19.

Приведенные на фиг. 6 диаграммы показывают, что предлагаемым способом можно точно определить границы деталей внутренней структуры объекта с относительно большими размерами, установить вид детали (пустота или более плотное включение) по характеру формирования сигналов при вхождении в деталь и при выходе из нее, выявить мелкие детали структуры и определить их координаты.

Аналогичным образом реализуется способ и с тремя осями симметрии поперечного сечения рентгеновского пучка и фильтром, пропускающим составляющую сигнала с частотой 3F.

Способ может быть реализован и при других количествах осей симметрии, в том числе и кратных простым числам. Например, при шестилучевом поперечном сечении пучка сигнал можно выделять на частотах 2F, 6F, 12F.

Формула изобретения

Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в том, что производят получение по меньшей мере одной теневой проекции сечения исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектирования прошедшего через объект излучения с формированием электрических сигналов, отличающийся тем, что пучок коллимируют с получением поперечного сечения, имеющего не менее двух осей симметрии при различных размерах пучка в направлении каждой оси симметрии и в перпендикулярном к ней направлении, во время сканирования коллимированный пучок вращают вокруг оси, проходящей через точку пересечения осей симметрии поперечного сечения пучка перпендикулярно к его плоскости, и при формировании электрического сигнала выделяют составляющую не менее чем на второй гармонике частоты вращения коллимированного пучка, которую используют для построения теневой проекции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пучок коллимируют с получением поперечного сечения, имеющего две перпендикулярные или три пересекающиеся под углом 60^o оси симметрии, и выделяют составляющую электрического сигнала соответственно на второй или третьей гармонике частоты вращения коллимированного пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6