УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАММА-ДЕФЕКТОСКОПИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области гамма-дефектоскопии и может быть использовано при неразрушающем контроле качества ответственных деталей машиностроительной, реакторной, авиационной и космической техники, а также в медицинской гамма-диагностике.

Аналогом изобретения является известное устройство радиолокатор [1] которое содержит излучатель электромагнитного сигнала и приемник отраженного сигнала и в определенный момент времени излучает зондирующую электромагнитную волну в заданном направлении, а затем анализирует время прибытия и форму отраженного объектом электромагнитного сигнала.

Детальное распространение известной схемы радиолокации, отвечающей принципам классической электродинамики Максвелла [2] на область предельно коротких электромагнитных волн гамма-диапазона, отвечающую принципам квантовой электродинамики [3] встречает трудности также принципиального характера: квантовая электродинамика запрещает излучение отдельного электромагнитного фотона с фиксированной энергией в определенный, наперед заданный, момент времени или в определенном, наперед заданном, направлении.

Однако в квантовой электродинамике известны такие элементарные акты распада возбужденных состояний квантовой системы, при которых одновременно рождаются два фотона с достаточно сильной взаимной пространственной корреляцией, обусловленной законами сохранения энергии, импульса и четности состояний [3] Простейшими примерами таких процессов являются аннигиляция позитрона и спонтанный распад π^° мезона, когда рожденная пара одновременных фотонов в системе центра масс разлетается под взаимным углом 180^o.

Использование подобных жестко коррелированных пар фотонов позволяет реализовать устройство, обладающее достаточно глубокой аналогией с радиолокационными системами [4, 5]
В качестве прототипа предлагаемого устройства рассмотрен известный комптоновский гамма-дефектоскоп [4, 6] который содержит объектный столик, излучатель зондирующих фотонов и систему коллиматоров зондирующего и рассеянного излучения, а также спектрометрический детектор рассеянных фотонов со схемой детектирования амплитуды сигнала и амплитудный анализатор энергетического спектра рассеянных фотонов.

Принцип работы прототипа содержит элементы взаимной конкуренции достижимых дефектоскопических параметров светосилы, линейного разрешения и отношения сигнал/фон при регистрации рассеянных фотонов, так что улучшение одного из этих параметров с необходимостью приводит к ухудшению других. Поэтому удовлетворительные дефектоскопические параметры прототипа удается достичь только за счет использования излучателя высокой активности, что осложняет экологическую обстановку вблизи устройства.

Технической задачей изобретения является увеличение светосилы, линейного разрешения и отношения сигнал/фон за счет обеспечения независимой регулировки этих параметров в комптоновском дефектоскопе.

Дополнительной задачей изобретения является улучшение экологической обстановки вблизи устройства, что достигается за счет применения многодетекторной системы регистрации излучения и уменьшения активности излучателя.

Указанная задача достигается тем, что в известном комптоновском гаммадефектоскопе, содержащем объектный столик, спектрометрический детектор рассеянных фотонов со схемой детектирования амплитуды сигнала и амплитудный анализатор энергетического спектра рассеянных фотонов установлен позитронно-активный излучатель одновременных пар зондирующих и опорных фотонов и дополнительный спектрометрический детектор опорных фотонов со схемой детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала, причем оба выхода детекторных схем поступают на линейный сумматор амплитуд, выход которого подан на амплитудный анализатор суммарного сигнала.

Указанная задача достигается также тем, что использовано несколько (m > 1) спектрометрических детекторов рассеянных фотонов с телесным углом регистрации каждого где ω телесный угол регистрации в случае одного детектора, причем каждый из этих детекторов подключен к управляющему входу одной из m линейных схем пропускания и к общему входу линейного сумматора, выход которого через усилитель амплитуды сигнала подан на все анализирующие входы линейных схем пропускания.

Указанная задача достигается также тем, что использовано несколько (n > 1) спектрометрических детекторов опорных фотонов с телесным углом регистрации каждого где Ω телесный угол регистрации в случае одного детектора, причем каждый из этих детекторов подключен к одному из входов одного из n линейных сумматоров, а свободные входы всех линейных сумматоров связаны общей шиной с выходами всех m схем детектирования рассеянных фотонов.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство (бинарный модуль), которое содержит объективный столик 1, позитронно-активный излучатель одновременных пар зондирующих и опорных фотонов 2, спектрометрический детектор комптоновски рассеянных фотонов со схемой детектирования амплитуды сигнала 3, спектрометрический детектор опорных фотонов со схемой детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала 4, линейный сумматор амплитуд 5 и амплитудный анализатор суммарного сигнала 6.

Объектный столик 1 служит для закрепления объекта в заданном положении относительно направления распространения пучка зондирующих фотонов.

Позитронно-активный излучатель одновременных пар зондирующих и опорных фотонов 2 представляет собой двух-трехслойный шарик малого диаметра , где в центральной области ⊘ 0,05-0,1 мм размещен позитронно-активный радионуклид, например Na²². Поскольку эффективная двухфотонная аннигиляция позитронов происходит только после их торможения и термализации в веществе от максимальной энергии β спектра (500 3000 кэВ), то радиальную толщину второго слоя конвертора выбирают немного большей, чем длина свободного пробега наиболее энергичных позитронов (≈ 550 кэВ для Na²²). Например, для алюминиевого конвертора справедлива оценка Dr мм 0,5Е МэВ, где Δρ радиальная толщина конвертора в мм, а E энергия позитрона в МэВ. Третий слой толщиной обеспечивает механическую и химическую стабильность излучателя 2 (эту функцию может выполнять и конвертор). Следует отметить, что величина диаметра излучателя 2, вообще говоря, не является параметром, определяющим ограничение линейного разрешения предлагаемого устройства, поскольку в качестве источника позитронов можно использовать пучок медленных позитронов диаметром 10 50 мкм.

Спектрометрический детектор 3 регистрирует по механизму фотопоглощения рассеянные фотоны с энергией в диапазоне 170 230 кэВ и с энергетическим разрешением порядка 2 5 кэВ. Эту задачу выполняют полупроводниковые детекторы, например детекторы на основе теллурида кадмия, иодида ртути и др. Схема детектирования амплитуды сигнала с детектора 3 содержит малошумящий усилитель амплитуды сигнала, длительность сигнала ≈ 2 - 5•10^-7 с, и повторитель сигнала (эмиттерный повторитель).

Спектрометрический детектор 4 регистрирует опорные фотоны с энергией 511 кэВ, обеспечивая энергетическое разрешение ΔE:50 кэВ<ΔE< 100 кэВ. Схема детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала последовательно содержит усилитель с дифференциальным дискриминатором (выделение сигнала, ответственного за регистрацию фотонов с энергией 511 кэВ), усилитель с ограничителем амплитуды (формирование сигнала), дифференцирующую цепочку (сокращение длительности сигнала), триггер (стандартизация амплитуды, формы и длительности сигнала), регулируемый делитель амплитуды сигнала (регулировка отношения сигнал/фон).

Линейный сумматор амплитуд 5 выполняет суммирование амплитуд одновременных импульсов длительностью ≈ 10^-7 с.

Амплитудный анализатор 6 многоканальный (например 512 каналов) анализатор амплитуды (суммарного) сигнала, который регистрирует наличие сигнала путем прибавления единицы в память того канала, номер которого пропорционален амплитуде сигнала.

На объектном столике 1 закреплен объект, который облучается зондирующими фотонами излучателя 2, причем попадание зондирующих фотонов в детекторы 3 и 4 геометрически невозможно. В течение временного промежутка, когда в излучателе 2 не рождаются одновременные пары фотонов (≈ 10^-6 с), или когда одновременные фотоны не регистрируются в детекторах 3 и 4 (≈ 10^-2 10^-3 с), в устройстве (фиг. 1) не происходит суммирования амплитуд сигналов и, вследствие этого, накопления информации в амплитудном анализаторе 6.

При одновременной регистрации рассеянного фотона в детекторе 3 и опорного фотона в детекторе 4 на вход линейного сумматора 5 поступают одновременные импульсы, суммарная амплитуда которых регистрируется в соответствующих каналах анализатора 6. В результате многократного накопления подобных актов одновременной регистрации в памяти анализатора 6 возникает амплитудный спектр, который можно сопоставить (путем калибровки каналов анализатора) энергетическому спектру рассеянных фотонов. Наблюдаемый при этом фон обусловлен случайной регистрацией одновременных фотонов, природа которых отлична от рассмотренного примера.

Устройство (фиг. 1) позволяет обеспечить независимую регулировку дефектоскопических параметров: величина геометрической светосилы регулируется количеством идентичных опорных детекторов 4, располагаемых на воображаемой полусфере с центром в точке расположения излучателя 2 (при общем детекторе 3), величина линейного разрешения в плоскости, перпендикулярной направлению зондирования, не зависит от линейных размеров детектора 3, а определяется величиной апертурного угла опорного детектора 4, величина отношения сигнал/фон регулируется путем изменения амплитуды опорного сигнала в схеме детектирования амплитуды 4. Ограничения по величине геометрической светосилы определяются возможностью заполнения телесного угла полусферы идентичными опорными детекторами 4, ограничения по линейному разрешению определяются характерным параметром взаимной угловой корреляции пары аннигиляционных фотонов, что составляет величину миллирадиан, величина отношения сигнал/фон ограничена относительно невысоким фоном случайных совпадений. Эти диапазоны независимой регулировки дефектоскопических параметров предлагаемого устройства позволяют увеличить, по сравнению с прототипом, светосилу в ≈ 10³ раз, а линейное разрешение и отношение сигнал/фон примерно на порядок.

Устройство (фиг. 1) не обладает стереоскопическими свойствами, поскольку в детекторе 3 могут быть зарегистрированы фотоны, рассеянные в объекте на различной глубине Z₁ ≠ Z₂ под одним и тем же углом V.

Устройство, схематически изображенное на фиг. 2 (группа бинарных модулей) является техническим развитием устройства (фиг. 1), в направлении многократного (≈ 10 10² раз) секционирования детектора рассеянных фотонов 3. Оно обладает стереоскопическими свойствами, поскольку в одном из элементов секционированного детектора 3 два фотона, рассеянные на различной глубине зондирования Z₁ ≠ Z₂ регистрируются, вообще говоря, под различными углами рассеяния V₁ ≠ V₂.

Устройство (фиг. 2) содержит объектный столик 1, позитронный излучатель одновременных пар зондирующих и опорных фотонов 2, группу спектрометрических детекторов рассеянных фотонов со схемами детектирования амплитуды сигнала 3, спектрометрический детектор опорных фотонов со схемой детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала 4, линейный сумматор амплитуд 5, группу линейных схем пропускания 6 и группу амплитудных анализаторов суммарного сигнала 7.

Совокупность отдельного элемента секционированного детектора 3 и опорного детектора 4 в устройстве фиг. 2, адекватна устройству, приведенному на фиг. 1, принцип действия которого рассмотрен выше.

Для регистрации координаты отдельного элемента в секционированном детекторе 3 каждый из этих элементов управляет собственной линейной схемой пропускания ЛСП. Регистрация рассеянного фотона в определенном элементе детектора 3 приводит к появлению (подлежащего амплитудному анализу) импульса на одном из входов линейного сумматора 5 и управляющего импульса на управляющем входе собственной ЛСП сработавшего элемента: ЛСП__→ ЛСП⁺. Поэтому в группе ЛСП 6, входы которых объединены общей шиной, сигнал от линейного сумматора 5 пропустит только ЛСП⁺ сработавшего элемента. При одновременной регистрации опорного фотона в детекторе 4 и рассеянного фотона в одном из элементов детектора 3 на выходе линейного сумматора 5 появляется суммарный сигнал, который пропускает только собственная ЛСП⁺. Поэтому в каждом из амплитудных анализаторов группы 7 будет накапливаться амплитудный спектр суммарного сигнала, порожденный только регистрацией рассеянных фотонов в одном из элементов детектора 3.

Наличие элементов развязки взаимного влияния работы отдельных узлов устройства (фиг. 2) указано на схеме с помощью стрелок, обозначающих возможное направление передачи сигнала. В качестве группы амплитудных анализаторов 7 можно использовать компьютер с многопозиционным входом.

При высоком линейном разрешении устройство (фиг. 2), обладает малой геометрической светосилой и недостаточно эффективно использует активность излучателя 2, который излучает одновременные пары фотонов изотропно.

На фиг. 3 приведена схема включения устройства (пакет бинарных модулей), содержащего m-секционированный детектор рассеянных фотонов 3 и пакет детекторов, составленный из n детекторов опорных фотонов 4.

Функционально-эквивалентные узлы и элементы блок-схемы (фиг. 3) расположены в вертикальных рядах, один под другим (с сохранением нумерации узлов, приведенной на фиг. 2): 3 ряд группы спектрометрических детекторов рассеянных фотонов со схемами детектирования амплитуды сигнала, 4 ряд пакета спектрометрических детекторов опорных фотонов со схемами детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала, 5 ряд пакета линейных сумматоров, снабженных собственными усилителями амплитуды суммарного сигнала, 6 ряд группы линейных схем пропускания.

В блок-схеме (фиг. 3) число линейных схем пропускания в группе 6 равно числу секций в детекторе рассеянных фотонов 3, а число линейных сумматоров в пакете 5 равно числу детекторов опорных фотонов в пакете 4, причем числа m и n независимы и произвольны в широких пределах .

Кроме того, логика блок-схемы (фиг. 3) позволяет:
1. Поменять местами точки подключения детекторов рассеянных фотонов 3 и опорных детекторов 4 (сразу всех, или некоторых, по выбору) в зависимости от технологической, спектрометрической, позиционной или иной необходимости в экспериментальной ситуации.

2. Использовать матричные детекторы полоскового типа [7] для уменьшения числа спектрометрических трактов от ν² до 2ν (ν = m,n) Для этого полосковые тракты x и y координат матричного детектора (многопозиционный детектор полоскового типа) следует подключить к схеме фиг. 3 в режиме суммирования амплитуд их одновременных сигналов (т.е. аналогично подключению детекторов 3 и 4).

При одновременном срабатывании одного детектора из группы 3 и одного из пакета 4, координата детектора, сработавшего в группе 3, кодируется позицией управляемой им собственной линейной схемы пропускания (или номером файла в компьютере, куда заносится информация об амплитуде суммарного сигнала), а координата детектора, срабатывающего в пакете 4, кодируется величиной амплитуды суммарного сигнала (диапазон изменения которой задается собственным усилителем суммарного сигнала сработавшего линейного сумматора).

При использовании излучателя фотонных пар, содержащего в излучаемом спектре некоррелированный ядерный фотон (как, например, фотон с энергией 1274 кэВ у радионуклида Na²²), телесный угол пакета опорных фотонов ограничен условием Ω≪ 2π и устройство предельной геометрической светосилы может содержать независимых пакетов опорных фотонов; в другом случае (например для радионуклида Cu⁶⁴) устройство с может представлять собой единый пакет опорных детекторов.

В [5] экспериментально продемонстрирована перспективность применения эффекта комптоновского рассеяния для целей медицинской визуализации (с точки зрения оценки контрастности изображения) и получено первое удовлетворительное изображение медицинского лабораторного объекта (двухмерное изображение брюшного отдела и грудной клетки кролика). Получение такого изображения удалось выполнить лишь ценой использования в качестве излучателя кобальтовой гамма-пушки активностью шестьсот кюри по изотопу ⁶⁰Co, поскольку эксперимент был поставлен по схеме с двумя коллиматорами зондирующего и рассеянного излучения. Необходимость использовать излучатель с такой угрожающей активностью "отпугнула" исследователей от дальнейшей разработки этого направления.

Современные методы медицинской трансмиссионной гамма-томографии предполагают необходимость инъекции короткоживущего (6 час 3 сут) радиоактивного препарата, например ^99mTc, активностью до 10 15 милликюри непосредственно в кровеносную систему пациента, что приводит к высокой радиационной нагрузке и для медперсонала и для пациента (фактически подобную процедуру можно выполнять не более одного раза в жизни). Кроме того, техника короткоживущих радиоактивных препаратов предлагает эксплуатацию (весьма дорогую) генератора таких короткоживущих изотопов (например циклотрона) в непосредственной близости от диагностического центра, а также процедуру введения радиоактивного препарата в соответствующий фармацевтический носитель (например ^99mTc-альбумин), для чего в диагностическом центре необходимо организовать специальную лабораторию первого класса по работе с открытыми радиоактивными излучателями.

Устройство для гамма-дефектоскопии (фиг. 2, 3) позволяет уменьшить активность излучателя гамма-квантов в 10³ 10⁴ раз при использовании излучателя внешнего по отношению к пациенту, а также исключить технику короткоживущей радиоизотопной фармацевтики, используя в качестве излучателя зондирующих и опорных фотонов позитронно-активный изотоп ²²Na с периодом полураспада ≈ 2,58 года. Эксплуатация такого устройства позволит существенно уменьшить численность медперсонала, подвергаемого радиационному воздействию (исключение процедуры получения короткоживущего радиоактивного препарата, исключение радиационной фармацевтики, исключение контактов с "радиоактивными" пациентами и радиоактивными отходами диагностики и др.), а также исключить инъекцию радиоактивного препарата в кровь и длительное облучение всего тела пациента, заменив его лишь локальным внешним воздействием, ограниченным только временем сеанса диагностики. В итоге можно ожидать уменьшения радиационной нагрузки на пациента примерно в десять раз.

В заключение отметим, что многоэлементные устройства со стереотипной структурой получают в последнее время широкое развитие ввиду своей технологичности и эффективности. Так, например, современный аналог предложенного устройства радиолокатор с фазированной антенной решеткой также насчитывает ≈ 10³ однородных элементов и может зарегистрировать "металлический апельсин" на расстоянии до двух тысяч километров.

Список литературы
1. M.I. Skolnik. Introduction to Rodar Systems. Mc. Graw Hill Book Company, 1980, см. также: "Тенденции в создании военных РЛС за последние 10 лет. перевод спецдоклада N 82/51226 (ГПНТБ).

2. Никольский В. В. Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн. М. Наука, 1989.

3. Ахиезер А. И. Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика. М. Наука, 1969.

4. Радько В.Е. Комптоновская гамма-дефектоскопия. ПТЭ, 1991, N 4, с. 174 193.

5. R. L Clarke, G. Van Dyk "Compton-scattered gamma-rays in diagnostic radiography" Proc. Simp. "Medical Radioisotope Scintigraphy", Salzburg, 1968, IAEA, Vienna, 1969, v. I, p. 247 260
6. Румянцев С.В. Добромыслов В.А. Борисов О.И. Типовые методики радиационной дефектоскопии и защиты. М. Атомиздат, 1979.

7. J.F. Detko "A prototype, ultra-pure germanium, orthogonal strip gamma-camera" Proc. Simp. MRS, 1973, IAEA, Vienna, v. I, p. 241 254.

Использование: гамма-дефектоскопия ответственных деталей, изготовленных из материалов тяжелее железа, а также для задач медицинской гамма-диагностики. Сущность изобретения: устройство содержит объектный столик, позитронно активный излучатель одновременных пар зондирующих и опорных фотонов, спектрометрический детектор комптоновских рассеянных фотонов со схемой детектирования амплитуды сигнала, спектрометрический детектор опорных фотонов со схемой детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала. Сигналы с обоих выходов детекторных схем поступают на линейный сумматор амплитуд, выход которого соединен с амплитудным анализатором суммарного сигнала. За счет суммирования амплитуд одновременных опорного и отраженного (рассеянного) сигналов увеличивается отношение сигнал/фон и повышается контрастность изображения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для гамма-дефектоскопии, содержащее объектный столик, по меньшей мере один спектрометрический детектор рассеянных фотонов, m 1, со схемой детектирования амплитуды сигнала и амплитудный анализатор энергетического спектра фотонов, отличающееся тем, что в нем установлен позитронно-активный излучатель одновременных пар зондирующих и опорных фотонов и по меньшей мере один спектрометрический детектор опорных фотонов, n 1, со схемой детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала, причем оба выхода детекторных схем поступают на линейный сумматор амплитуд, выход которого подан на амплитудный анализатор суммарного сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что использовано несколько, m>1, спектрометрических детекторов рассеянных фотоном со схемами детектирования амплитуды сигнала, выходы которых по одному подключены к управляющим входам каждой из m линейных схем пропускания, а также с учетом развязки взаимного влияния поданы на общий вход линейного сумматора, выход которого через усилитель амплитуды сигнала подан на все анализирующие входы линейных схем пропускания. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что использовано несколько, n>1, спектрометрических детекторов опорного сигнала со схемами детектирования и регулировки амплитуды опорного сигнала, поданными по одной на один из входов каждого из n линейных сумматоров, свободные входы которых связаны общей шиной с выходами всех m схем детектирования амплитуды сигнала различных детекторов рассеянных фотонов с учетом развязки их взаимного влияния, а все n выходов линейных сумматоров через n усилителей амилитуды сигнала поданы на общую шину, соединяющую m анализирующих входов линейных схем пропускания.