Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов и способ определения параметров периодических процессов

 

Использование: в области радиационного исследования внутренней структуры объектов с помощью проникающего излучения. Сущность изобретения: снижение радиационного воздействия на исследуемые объекты при обеспечении надежного определения параметров переменной составляющей сигнала детектора осуществляется при детектировании прошедшего через исследуемый объект вращающегося пучка рентгеновского излучения с фасонным поперечным сечением, используют детектор, работающий в счетном режиме, и сигнал етектора направляют на три канала счета. Первый канал счета работает непрерывно в течение каждого интервала единичного отсчета, времени набора информации, а два других канала коммутируются со сдвигом по фазе на 90^o и работают в течение половины периода изменения сигнала детектора в каждом таком периоде. При обработке формируют разности удвоенных результатов счета второго и третьего каналов и результата счета первого канала. На основе полученных разностей определяют амплитуду и фазу изменения сигнала детектора, а по амплитуде и результату счета первого канала судят о глубине модуляции этого сигнала, возможность использования указанной процедуры для исследования периодических процессов, описываемых пуассоновской последовательностью импульсов с модулированной во времени интенсивностью. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиационной технике и может использоваться для контроля внутренней структуры объектов при их просвечивании проникающим, в частности рентгеновским, излучением и получении радиационного изображения на основе сформированных при детектировании электрических сигналов.

Наиболее близким является способ радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в поточечном сканировании исследуемой зоны объекта коллимированным пучком рентгеновского излучения, детектировании прошедшего через объект излучения с получением электрических сигналов и обработке полученных сигналов для формирования радиационного изображения исследуемой зоны объекта [1].

Недостатком известного способа является ограничение пространственного разрешения формируемого изображения размерами коллимированного пучка и связанная с этим необходимость компромисса между разрешением и точностью с ограничением по обоим этим параметрам, поскольку уменьшение размера пучка при заданной мощности источника приводит к снижению интегральной интенсивности излучения в пучке и увеличению времени детектирования сигнала, требуемого для получения надежного информационного сигнала, что, в свою очередь, вызывает появление существенной шумовой составляющей типа 1/f, где f - ширина полосы пропускания системы детектирования.

Задача изобретения заключается в повышении информативности исследования за счет повышения пространственного разрешения за пределы, задаваемые размером коллимированного пучка. Технический аспект решения этой задачи заключается в обеспечении модулированного характера взаимодействия зондирующего пучка с внутренней структурой объекта с формированием провзаимодействовавшего пучка, имеющего периодические изменения интенсивности, в комбинации с надежным методом обработки сигнала детектора для выделения переменной составляющей сигнала на частоте модуляции.

Поскольку при указанной постановке задачи детектор формирует периодический сигнал, то указанный метод обработки этого сигнала можно трактовать как способ определения параметров периодического процесса.

Известен способ исследования физических явлений, в частности периодических, заключающийся в регистрации импульсной последовательности, счете импульсов в различных каналах счета и оценке результатов счета с проведением арифметических операций для устранения мешающих составляющих [2].

Известный способ не позволяет адекватно выделить переменную составляющую характеризующего периодический процесс сигнала при значительном уровне постоянной составляющей.

В этом аспекте задача изобретения заключается в надежном определении переменной составляющей сигнала периодического процесса при доминирующем уровне постоянной составляющей.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающемся в поточечном сканировании исследуемой зоны объекта коллимированным пучком проникающего излучения, детектировании прошедшего через объект излучения с получением электрических сигналов и обработке полученных сигналов, сканирование производят коллимированным пучком с вращающимся фасонным поперечным сечением, детектируют прошедшее через объект излучение в счетном режиме с получением пуассоновской последовательности импульсов с модулированной во времени интенсивностью, в течение заданного времени отсчета для каждой точки измерения производят счет импульсов указанной последовательности посредством четырех последовательно коммутируемых через четверть периода в течение каждого периода, задаваемого частотой вращения поперечного сечения пучка и типом симметрии этого сечения относительно оси вращения, каналов счета, производят раздельное суммирование результатов счета первого и второго, третьего и четвертого, второго и третьего, первого и четвертого каналов счета, вычитают из суммы результатов счета первого и второго каналов сумму результатов счета третьего и четвертого каналов, вычитают из суммы результатов счета первого и четвертого каналов сумму результатов счета второго и третьего каналов, полученные разности используют для определения параметров указанной последовательности и оценку внутренней структуры исследуемой зоны объекта производят на основе совокупности определенных параметров.

При этом, коммутацию каналов счета производят синхронизированно с вращением поперечного сечения коллимированного пучка.

Согласно другому аспекту изобретения, в способе определения параметров периодических процессов, описываемых пуассоновской последовательностью импульсов с модулированной во времени интенсивностью, заключающемся в регистрации импульсной последовательности, счете импульсов и оценке результатов счета, счет импульсов осуществляют в четырех раздельных последовательно и периодично коммутируемых каналах счета, причем длительность коммутации устанавливают равной четверти периода модуляции импульсной последовательности, суммируют результаты счета первого и второго, третьего и четвертого, второго и третьего, первого и четвертого каналов счета, вычитают из суммы результатов счета первого и второго каналов сумму результатов счета третьего и четвертого каналов, получая первую разность, вычитают сумму результатов счета второго и третьего каналов из суммы результатов счета первого и четвертого каналов, получая вторую разность, формируют величину корня квадратного из суммы квадратов первой и второй разности для определения амплитуды периодического процесса и формируют отношение первой и второй разностей для определения фазы этого процесса.

На фиг. 1 приведена схема устройства для радиационного контроля или исследования внутренней структуры объекта; на фиг. 2 - вид с торца используемого коллиматора; на фиг. 3 - вариант построения схемы синхронизации с применением коллиматора по фиг. 2; на фиг. 4 - временные диаграммы на выходе детектора и работы каналов счета.

Устройство для радиационного исследования внутренней структуры объектов содержит источник 1 проникающего, в частности рентгеновского, излучения, снабженный вращающимся коллиматором 2 с фигурным поперечным сечением коллимационного канала 3, например в виде вытянутого прямоугольника. Коллиматор 2 представляет собой, например ротор электродвигателя, статор 4 которого подключен к блоку 5 электропитания.

Исследуемый объект установлен в держателе 7, перемещаемом посредством привода с координатным выходом, с которого снимается сигнал положения объекта 6, и выходом коммутации времени отсчета.

Работающий в сетном режиме коллимированный детектор 9 излучения подключен к предусилителю-формирователю 10, к выходу которого подключен управляемый коммутатор 11 четырех каналов счета, образованных счетчиками 12-15. Выход счетчика 12 подключен к входам сумматоров 16 и 17, счетчика 13 - сумматоров 16 и 18, счетчика 14 - сумматоров 18 и 19, счетчика 15 - сумматоров 17 и 19. Выходы сумматоров 16, 19 подключены к входам блока 20 вычитания, а выходы сумматоров 17, 18 - к входам блока 21 вычитания. Выходы блоков 20, 21 вычитания подключены к входам блока 22 формирования величины корня квадратного из суммы квадратов выходных сигналов блоков 20 и 21, а также к входам блока 23 формирования величины отношения выходных сигналов блоков 20 и 21. Выходы блоков 22, 23 подключены к рабочим входам блока 24 формирования изображения, к координатному входу которого подключен соответствующий выход привода 8, выход коммутации времени отсчета которого подключен к входам управления счетчиков 12-15. На выходе блока 24 включен видеоконтрольный блок 25.

Управление коммутатором 11 осуществляет схема 26 синхронизации с вращением коллиматора 2, которая может быть реализована следующим образом.

В коллиматоре 2 размещают восемь световодов или световодных отверстий 27, равноотстоящих друг от друга по кольцевой периферической зоне коллиматора 2. По разные стороны коллиматора 2 установлены друг против друга светодиод 28 и фотодиод 29, сигнал с которого через усилитель-формирователь 30 поступает на вход управления коммутатора 11.

Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов и используемый для его осуществления способ определения параметров периодических процессов реализуют следующим образом.

Коллиматор 2 приводят во вращение с частотой F с помощью блока 5 электропитания. Приводом 8 задают шаговый режим перемещения объекта 6 и время единичного отсчета, т. е. время сбора информации в каждом положении объекта 6. Поскольку детектор 9 работает в счетном режиме, то на его выходе формируется последовательность импульсов, промодулированная по интенсивности с частотой 2F, что соответствует двум осям симметрии поперечного сечения пучка и, тем самым, двукратному занятию пучком идентичного углового положения за каждый полный оборот коллиматора 2. Сама же модуляция обусловлена взаимодействием пучка с вращающимся поперечным сечением и неоднородностей внутренней структуры объекта 5 в захватываемой пучком зоне. Например, при прохождении пучком малоразмерной пустоты в объекте 6 импульсная последовательность на выходе предусилителя-формирователя 10 имеет приведенный на фиг. 4a характер.

В общем случае, одночастотный периодический процесс /без учета постоянной составляющей/ может быть описан выражением типа A·cos(ωt+ϕ), где A - амплитуда периодического процесса; ω - его круговая частота; t - время; ϕ - фаза.

Это выражение можно представить в следующем виде A·cos(ωt+ϕ) = a·cosϕ+b·sinϕ, где
Требуемые для формирования изображения исследуемой зоны объекта 6 величины A и tgϕ в каждой точке сканирования получают с помощью следующей процедуры.

Каждый период модуляции получаемой периодической импульсной последовательности разбивают на четыре равные части и в каждой из четвертей периода производят счет импульсов одним из счетчиков 12-15, получая результат счета за полное время отсчета. Временные диаграммы работы счетчиков 12-15 приведены на фиг. 4б-д. Такой режим работы счетчиков 12-15 реализуется посредством коммутатора 11, управляемого сигналами со схемы 26 синхронизации, формируемыми в моменты выравнивая световодов или отверстий 27 со светодиодом 28 и фотодиодом 29.

После набора информации путем суммирования результатов счета первого 12 и второго 13, третьего 14 и четвертого 15 счетчиков и последующего вычитания из первой суммы второй получают первую разность, которая представляет собой амплитуду "в" синусной составляющей периодического процесса /присутствующая при счете импульсов каждым счетчиком 12-15 в получаемом результате постоянная составляющая процесса при вычитании уничтожается/. Путем суммирования результатов счета первого 12 и четвертого 15, а также второго 13 и третьего 14 счетчиков, и вычитания из третьей суммы четвертой суммы получают амплитуду "а" косинусной составляющей периодического процесса. Далее в блоках 22 и 23 формируются величины A и tgϕ, которые поступают на рабочие входы блока 24 формирования изображения в соответствии с координатной привязкой по сигналу с соответствующего выхода привода 8.

Блок 24 производит запоминание величин A и tgϕ в соответствии с координатой сканирования и по совокупности этих величин, полученной за весь цикл сканирования, формирует изображение исследуемой зоны объекта согласно процедуре сканирования и используемому алгоритму формирования.

Применение модуляционного метода позволяет уйти от шумов типа 1/f в существенно менее значимую область шумов вблизи от частоты модуляции /2F/, а получение величин амплитуды и фазы в каждой точке сканирования позволяет выявить неоднородности с существенно меньшими размерами по сравнению с размерами коллимированного пучка и судить об их расположении в захватываемой пучком зоне.

Источники информации:
1. Патент Великобритании N 1283915, H 5 R, 1972.

2. Патент США N 4078178, 250-336, 1978.

Формула изобретения

1. Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в поточечном сканировании исследуемой зоны объекта коллимированным пучком рентгеновского излучения, детектировании прошедшего через объект излучения с получением электрических сигналов и обработке полученных сигналов, отличающийся тем, что коллимирование пучка осуществляют вращающимся коллиматором с фасонным поперечным сечением, детектируют прошедшее через объект излучение в счетном режиме с получением пуассоновской последовательности импульсов с модулированной во времени интенсивностью, в течение времени отсчета для каждой точки измерения производят счет импульсов указанной последовательности с помощью трех каналов счета, первый из которых действует непрерывно, а второй и третий каналы счета коммутируют путем включения с фазовым сдвигом 90^o друг относительно друга на половину периода, задаваемого частотой вращения поперечного сечения пучка и типом симметрии этого сечения относительно оси вращения, формируют разность удвоенного результата счета второго канала и результата счета первого канала, разность удвоенного результата счета третьего канала и результата счета первого канала, полученные разности используют для определения параметров указанной последовательности и оценку структуры исследуемой зоны объекта производят на основе совокупности определенных параметров.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют синхронизацию работы каналов счета с периодом вращения коллиматора.

3. Способ определения параметров периодических процессов, описываемых пуассоновской последовательностью импульсов с модулированной во времени интенсивностью, заключающийся в регистрации импульсной последовательности, счете импульсов и оценке результатов счета, отличающийся тем, что счет импульсов производят посредством непрерывно действующего первого канала и последовательно коммутируемых второго и третьего каналов счета, коммутацию которых осуществляют со временем, равным половине периода модуляции импульсной последовательности, и со сдвигом фазы 90^o друг относительно друга, формируют разность удвоенного результата счета второго канала и результата счета первого канала и разность удвоенного результата счета третьего канала и результата счета первого канала, производят определение амплитуды, фазы и глубины периодического процесса путем формирования соответственно величины корня квадратного из суммы квадратов указанных разностей, величины отношения этих разностей и величины отношения полученного корня квадратного к результату счета первого канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4