СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ЗНАЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТЕЛА Российский патент 1997 года по МПК G01N9/24 G01N23/20 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в комптоновской вычислительной томографии в условиях одностороннего доступа к объекту контроля.

Известны способы и устройства, их реализующие, основанные на регистрации комптоновски рассеянного гамма- или рентгеновского излучения и предназначенные для получения изображения распределения плотности по лучу сканирования [1 3]
Основными недостатками известных способов являются: требование двухстороннего доступа к контролируемому телу; неучет влияния процессов ослабления первичного и рассеянного в направлении детектора излучения.

Из известных технических решений ближайшим к изобретению является способ измерения абсолютного значения плотности тела, включающий в себя операции облучения тела в различных направлениях источниками коллимированного первичного гамма- или рентгеновского излучения с энергиями E₁ и E₂, регистрации вторичного излучения коллимированными детекторами D₁ и D₂ и вычисления по определенному алгоритму абсолютного значения плотности [4] Известный способ позволяет учесть влияние эффектов ослабления и измерить абсолютное значение плотности тела.

Недостатком известного способа является обязательное требование двухстороннего доступа к объекту контроля и получение информации о характеристиках не только рассеянного, но и прошедшего (непровзаимодействовавшего) излучения.

Техническим результатом изобретения является обеспечение послойного измерения абсолютного значения плотности тела как функции его толщины в условиях одностороннего доступа к нему.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения абсолютного значения плотности тела, включающем в себя операции облучения тела в различных направлениях источниками коллимированного первичного гамма- или рентгеновского излучения с энергиями E₁ и E₂, регистрации вторичного излучения коллимированными детекторами D₁ и D₂ и вычисления по определенному алгоритму абсолютного значения плотности, ориентируют оси коллиматоров источника и детектора таким образом, чтобы они пересекались в точке, лежащей на внешней поверхности тела, дискретно перемещают жестко связанную систему источник-детектор в направлении заранее выбранной координаты X, проходящей через тело, измеряют поток излучения N_1i, регистрируемого детектором D₁, на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внутренней поверхности тела, устанавливают энергию излучения источника, равную энергии квантов, рассеянных на угол θ в направлении детектора E₂= E_s(θ), помещают источник излучения с энергией E₂ в место и в позицию детектора D₁, помещают детектор D₂ в место и в позицию источника излучения с энергией E₁, дискретно перемещают систему источник-детектор по координате X в направлении внешней поверхности тела, измеряют поток излучения N_2i, регистрируемого на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внешней поверхности тел, определяют абсолютное значение плотности ρ_i последовательно на каждом шаге перемещения, начиная с первого, используя следующий алгоритм вычислений:

где x_i координата перемещения;
;
μm1

и μms2 соответственно массовые коэффициенты ослабления излучения источника с энергией E₁ и рассеянного на угол θ излучения источника с энергией E₂ в материале тела;
соответственно электронные сечения рассеяния излучения источников с энергией E₁ и E₉ на угол q;
J₁ и J₂ начальные потоки излучения источника, имеющего энергии E₁ и E₂ соответственно;
C₁ и C₂ эффективности регистрации излучения детекторами D₁ и D₂ соответственно.

На фиг. 1 изображена геометрия измерений, поясняющая вывод некоторых математических соотношений; на фиг. 2 схема реализации способа абсолютного измерения плотности тела при перемещении системы источник-детектор в направлении внутренней поверхности тела (а), и в направлении внешней поверхности тела (б).

Поток гамма или рентгеновского излучения от источника 1 излучения с энергией E₁ (фиг. 1), сформированный коллиматором 2, проникает в тело 3. В детектор 4 попадает поток излучения, рассеянного на глубине тела X в слое dx, формируемый коллиматором 5. В этом случае справедливо соотношение
,
где μ₁ и μ_s1 линейные коэффициенты ослабления излучения источника с энергией E₁ и излучение с энергией E рассеянного на угол θ;
;
N_A число Авогадро;
Z, A атомный номер и массовое число вещества тела;
ρ плотность тела на глубине X в слое dх.

Установив энергию излучения источника, равную энергии рассеянного на угол q излучения E₂ E_S1, и поместив источник излучения в позицию детектора 4, а детектор 4 поместив в позицию источника с энергией E₁ (поз. 1, вместо него), можно записать следующее выражение для потока квантов, регистрируемых детектором 4.

где μ_s2 линейный коэффициент ослабления квантов, рассеянных на угол и имевших до рассеяния энергию E₂.

Линейные коэффициенты ослабления μ₁,μ_s1,μ_s2 выражаются линейными интегралами на пути ослабления излучения вида: Следовательно, источником погрешности измерения плотности тела в слое dх на глубине X является изменение линейного коэффициента ослабления, в слоях, предшествующих dх, то есть на пути X и x/cosθ.

Если взять отношение потоком dN₁ и dN₂, то влияние ослабления на пути x/cosθ устраняется

Коррекция изменения линейного коэффициента ослабления на пути X производится путем прямого измерения плотности первого слоя (случай, когда предшествующих слоев нет) и использованием следующего алгоритма вычисления плотности последующих слоев. Это можно проиллюстрировать следующими рассуждениями. После логарифмирования последнего соотношения получим
,
где
Знаки дифференциалов при N₁ и N₂ здесь опущены.

Перейдем к конечным суммам для линейных коэффициентов ослабления μ₁ и μ₂ и выразим их через массовые коэффициенты ослабления μm1

и μms.

Тогда для слоя Δx, на глубине X_i имеющего плотность ρ_i, можно записать выражение для логарифма отношения потоков N_2i и N_1i, зарегистрированных детекторами.

,
где n количество слоев, предшествующих i-му слою.

Жестко связанную систему источник-детектор устанавливают таким образом, чтобы точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора лежала на внешней поверхности тела (фиг. 2а), дискретно перемещают систему вдоль координаты X, фиксируя при этом величину потока N_1i на каждом шаге перемещения X до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматора источника и детектора не достигнет внутренней поверхности тела. Затем меняют местами источник излучения и детектор и изменяют энергию излучения источника (фиг. 2б), установив ее равной E₂= E_s(θ). Далее дискретно перемещают систему источник-детектор в противоположном направлении вдоль той же оси X, фиксируя при этом величину потока N_2i на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматора источника и детектора не достигнет внешней поверхности тела.

Имея матрицы N_1i (X_i) и N_2i (X_i) и используя соотношение (1) можно получить отсчет плотности ρ₁ первого слоя (на первом шаге перемещения)
.

На втором шаге перемещения соотношение (1) приобретает вид

и плотность ρ₂ можно рассчитывать из выражения
.

На третьем шаге перемещения
.

Таким образом, отсчет плотности на глубине X
.

Использование: в измерительной технике, в частности в комптоновской вычислительной томографии. Сущность изобретения: способ измерения абсолютного значения плотности тела включает в себя операции облучения тела в различных направлениях источниками коллимированного первичного гамма- и рентгеновского излучения с энергиями E₁ и E₂, регистрации вторичного излучения коллимированными детекторами D₁ и D₂ и вычисления по определенному алгоритму абсолютного значения плотности. При этом первоначально оси коллиматоров и детектора ориентируют таким образом, чтобы они пересекались в точке, лежащей на внешней поверхности тела. Затем дискретно перемещают жестко связанную систему источника - детектор в направлении заранее выбранной координаты X, проходящей через тело, и измеряют поток излучения N_1i, регистрируемого детектором D_t, на каждом шаге перемещения. Перемещение производят до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внутренней поверхности тела. После чего устанавливают энергию излучения источника, равную энергии квантов, рассеянных на угол θ в направлении детектора E₂= E_s(θ) , помещают источник излучения с энергией E₂ в место и в позицию детектора D₁, помещают детектор D₂ в место и в позицию источника излучения с энергией E₁ и дискретно перемещают систему источник-детектор по координате X в направлении внешней поверхности тела. Одновременно измеряют поток излучения N_2i, регистрируемого на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внешней поверхности тела. Определяют абсолютное значение плотности ρ_i последовательно на каждом шаге перемещения, начиная с первого, используя определенный алгоритм вычислений. 2 ил.

Способ измерения абсолютного значения плотности тела, включающий в себя операции облучения тела в различных направлениях источниками коллимированного первичного гамма- или рентгеновского излучения с энергиями Е₁ и Е₂, регистрации вторичного излучения коллимированными детекторами D₁ и D₂ и вычисления по определенному алгоритму абсолютного значения плотности, отличающийся тем, что ориентируют оси коллиматоров источника с энергией Е₁ и детектора D₁ таким образом, чтобы они пересекались в точке, лежащей на внешней поверхности тела, дискретно перемещают жестко связанную систему источник детектор в направлении заранее выбранной координаты Х, проходящей через тело, измеряют поток излучения N_1i, регистрируемого детектором D₁ на каждом шаге перемещения, до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внутренней поверхности тела, устанавливают энергию излучения источника, равную энергии квантов, рассеянных на угол θ в направлении детектора E₂= E_s(θ), помещают источник излучения с энергией Е₂ в место и в позицию детектора D₁, помещают детектор D₂ в место и в позицию источника излучения с энергией Е₁, дискретно перемещают систему источник детектор по координате Х в направлении внешней поверхности тела, измеряют поток излучения N_2i, регистрируемого на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внешней поверхности тела, определяют абсолютное значение плотности ρ_i последовательно на каждом шаге перемещения, начиная с первого, используя следующий алгоритм вычислений:




где Х координата перемещения;
соответственно массовые коэффициенты ослабления излучения источника с энергией Е₁ и рассеянного на угол θ излучения источника с энергией Е₂ в материале тела;
соответственно электронные сечения рассеяния излучения источников с энергиями Е₁ и Е на углы q;
I₁ и I₂ начальные потоки излучения источника, имеющего энергии Е₁ и Е₂ соответственно;
С₁ и С₂ эффективности регистрации излучения детекторами D₁ и D₂ соответственно.