УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01N9/24 G01T1/17 G01T1/36 G01N23/20 

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

Известны способы и устройства, их реализующие, основанные на регистрации рассеянного гамма- или рентгеновского излучения и предназначенные для получения изображения распределения плотности по лучу сканирования [1]
Основными недостатками известного устройства являются требование двустороннего доступа к контролируемому объекту, неучет влияния процессов ослабления первичного и рассеянного излучений.

Известна рентгеновская установка для измерения плотностей материалов [2] содержащая рентгеновскую трубку со щелевым коллиматором, формирующим узкий первичный пучок, детектор со щелевым коллиматором, формирующим узкую зону чувствительности детектора, схему обработки информации, вычисляющую значение плотности испытываемого типа, действие которой основано на зондировании участков двух материалов: стандартного образца (воды) с объемом рассеяния V₁ и испытуемого материала с объемом рассеяния V₂. Зондирование состоит в измерении количества квантов рассеянного излучения (КРИ) из объема рассеяния V, образующегося на пересечении узкого первичного пучка и узкой зоны чувствительности детектора. По измеренным значениям количества КРИ в испытуемом материале NS₂, количества КРИ в стандартном образце NS₁ и известной плотности стандартного образца ρ₁ в блоке обработки информации вычисляется плотность испытуемого образца ρ₂ в соответствии с выражением .

Недостатками данного устройства являются необходимость помещения испытуемого материала в ванну с контрольным материалом (водой) и невозможность измерения распределения плотности в контролируемом объекте по сечению.

Известно устройство [3] измерения абсолютного значения плотности тела, содержащее два источника коллимированного первичного излучения с энергиями E₁ и E₂, два коллимированных детектора D₁, D₂ для измерения количества КРИ от источников E₁ и E₂ и схему обработки информации, вычисляющую абсолютное значение плотности тела в рассеянном объеме V.

Недостаток устройства состоит в том, что в одной из измерительных позиций второй источник излучения располагается на противоположной стороне тела, а в другой измерительной позиции второй детектор также расположен на противоположной стороне тела.

Задача изобретения состоит в обеспечении послойного измерения плотности тела как функции его толщины в условиях одностороннего доступа к нему.

Задача решается тем, что устройство для измерения плотности тела содержит коллимационный блок с осевым и периферическим коллимационными каналами, первый и второй источники излучения, первый и второй детекторы, механизм позиционирования источников и детекторов, блок формирования и пересчета, блок синхронизации, блок начальных данных, первый механизм перемещения, блок обработки информации, второй механизм перемещения, запоминающее устройство и полутоновый дисплей, причем выходы первого и второго детекторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования и пересчета, первый выход которого соединен с первым входом Ni1s

блока обработки информации, а второй выход с вторым входом Ni2s блока обработки информации, позиционные выходы "поз.1" и "поз.2" блока синхронизации соединены с позиционными управляющими входами "поз.1" и "поз.2" механизма позиционирования, выход вычислительного значения плотности ρ_i блока обработки информации соединен с входом данных D запоминающего устройства, выход данных D₁ которого соединен с входом предыдущих значений плотности (ρ_o÷ ρ_i-1) блока обработки информации, вход начальных условий которого соединен с выходом блока начальных данных, выходы координат X, Y, Z блока синхронизации соединены с адресными входами запоминающего устройства и входами координат X, Y, Z полутонового дисплея, вход яркости которого соединен с выходом данных D₂ запоминающего устройства, при этом выход выдачи вычислительного значения плотности ρ_i "вых. ρ″ соединен с входом записи "ЗП" вычисленного значения плотности запоминающего устройства, выход запроса предыдущих значений плотности "запрос блока обработки информации соединен с входом "чтение 1" чтения данных с выходом D₁ запоминающего устройства, выход "вывод" блока синхронизации соединен с входом "чтение 2" запоминающего устройства и входом "запись" полутонового дисплея, выход ΔX блока синхронизации соединен с управляющим входом ΔX механизма перемещения коллимационного блока, выходы ΔY, ΔZ блока синхронизации соединены с управляющими входами ΔY, ΔZ механизма перемещения объекта контроля, синхровыход C блока синхронизации соединен с синхронизирующими входами механизма перемещения коллимационного блока, блока формирования и пересчета и блока обработки информации, а выход "max" блока обработки соединен с входом "нач.положение" блока синхронизации.

На фиг. 1 представлена структурная схема данного устройства; на фиг.2 представлены зависимость количества КРИ в детекторе D₁ от глубины залегания рассеивающего объема V и зависимость количества КРИ в максимуме от плотности верхнего слоя объекта и энергии первичного источника излучения.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии механизм 6 перемещения объекта контроля устанавливает объект контроля в положение, соответствующее координатам Y₁, Z₁, а механизм 5 перемещения коллимационного блока устанавливает коллимационный блок 2 на таком расстоянии от объекта 1 контроля, что рассеивающий объем V находится вне рассеивающего объема. При поступлении от блока 7 синхронизации синхросигнала C механизм 5 перемещения обеспечивает движение коллимационного блока в поперечном относительно изделия направлении. Рассеивающий объем V начинает входить в объект. При этом увеличивается количество квантов КРИ в детекторе D₁. При перемещении системы источник-детектор в поперечном направлении количество КРИ сначала растет, а затем уменьшается по экспоненте, как показано на фиг.2a. Количество КРИ в положении X_max определяется энергией первичного источника излучения S₁ и плотностью верхнего слоя ρ.

При достижении максимума блок 8 обработки информации выдает сигнал "max" на вход "нач.положение" блока 7 синхронизации, по которому соответствующее положение механизма 5 перемещения устанавливается в качестве начального значения координаты X-X₀.

После этого механизм 5 перемещения смещает коллимационный блок 2 на один шаг по оси X на величину DX. По сигналу "позиция 1" из блока 7 синхронизации механизм 3 позиционирования устанавливает на центральный коллимационный канал первый источник излучения с энергией E₀, а на периферический канал коллимационного блока 2 детектор D₁. Сигнал с первого детектора поступает на вход N₁ блока формирования и пересчета, на выходе Ni1s

которого формируется цифровой код, равный количеству КРИ, пришедших в детектор D₁ за время измерения. Энергия КРИ в детекторе D₁ определяется энергией E₀ источника излучения S₁ и углом наклона коллимационных каналов α и равна

где Q (180-α) угол рассеяния.

Количество КРИ в детекторе D₁ на первом шаге сканирования определяется ослаблением первичного пучка в верхнем слое, равным (ρ_o - плотность верхнего слоя, μ_o массовый коэффициент ослабления первичного излучения, ΔX шаг сканирования), электронной плотностью материала n_e1 в слое, соответствующем первому положению рассеивающего объема V, и ослаблением рассеянного в объеме V излучения, которое равно (μ_ρs - массовый коэффициент ослабления для рассеянного излучения с энергией E_s, значение которой заранее известно для заданного угла α и вводится в блок 8 обработки информации из блока 9 начальных данных).

После передачи с блока формирования и пересчета численного значения количества КРИ в детекторе D₁ на первом шаге сканирования N11s

на вход блока 8 обработки информации блок синхронизации выдает позиционный управляющий сигнал "поз.2" на вход "поз.2" механизма позиционирования. По этому сигналу на центральный канал коллимационного блока устанавливается детектор D₂, а на периферический канал устанавливается второй источник, энергия квантов которого равна E_s, определяемой по выражению (1).

Количество квантов КРИ, попавших в детектор D₂, определяется ослаблением первичного излучения от источника S₂, равным , электронной плотностью материала n_e1 внутри рассеивающего объема V на первом шаге сканирования и ослаблением пути в детекторе D₂, равным . Энергия рассеянных квантов , попавших в детектор D₂, определяется энергией второго источника E₂ и углом рассеяния и определяется выражением

Массовый коэффициент ослабления для заданных значений энергии второго источника E₂=E_s и угла α есть величина постоянная и вводится в блок 8 обработки информации из блока 9 начальных данных.

Таким образом, на первом шаге сканирования в блоке 8 обработки данных находятся значения N11s

и N12s, которые связаны с плотностью верхнего слоя ρ_o соотношениями

где G геометрический фактор, одинаковый для обоих детекторов;
σ_o вероятность рассеяния на угол Q_s=(180-α) квантов с энергией E₀;
s_s вероятность рассеяния на угол квантов с энергией E_s;
n_e1 электронная плотность материала в объеме V₁, связанная с объемной плотностью ρ₁ соотношением ;
Z атомный номер материала контролируемого объекта;
N_A 0,6022 • 10²⁴ число Авогадро;
A атомный вес материала контролируемого объекта.

Для легких материалов отношение можно считать постоянным, поэтому электронная плотность материала объекта однозначно определяется его объемной плотностью ρ.

В блоке 8 обработки информации вычисляется отношение . Эта величина в соответствии с (3) будет равна

Для заданных энергий E₀ и E_s и угла рассеяния Q 180-α отношение вероятностей рассеяния есть величина постоянная и равна

По измеренному значению n₁= N11s

/N12s и заданным значениям в блоке 8 обработки информации на первом шаге сканирования вычисляется плотность верхнего слоя ρ_o из соотношения

Вычисленное значение плотности верхнего слоя ρ_o записывается в запоминающее устройство 10.

После записи ρ_o в запоминающее устройство 10 блок 7 синхронизации выдает синхросигнал C, по которому механизм 5 перемещения смещает коллимационный блок 2 еще на один шаг. При этом рассеивающий объем V смещается вглубь объекта контроля еще на ΔX и устанавливается на глубине 2•ΔX. По командам блока 7 синхронизации "поз.1" и "поз.2" механизм 3 позиционирования устанавливает на центральный канал сначала источник S₁, а на периферийный канал детектор D₁, затем на центральный канал детектор D₂, а на периферийный канал источник S₂. Сигналы с детекторов D₁ и D₂ (N₁ и N₂ соответственно) поступают на блок 4 формирования и пересчета, на выходе которого формируются значения количества КРИ N21s

и N22s. Для второго шага сканирования аналогично (3) будет иметь место соотношение

где электронная плотность материала контролируемого объекта в положении рассеивающего объема V на глубине 2•ΔX.

В блоке обработки информации вновь вычисляется отношение , которое в соответствии с (7) будет равно

По измеренному значению n₂, заданным значениям Δμ, ΔX и вычисленному на предыдущем шаге сканирования значению ρ_o в блоке 8 обработки информации вычисляется плотность материала в первом слое ρ₁ как

Значение ρ_o выбирается из запоминающего устройства 10 через "вых. D1", поступает на "вход блока 8 обработки и используется при вычислениях по выражению (9).

Полученное значение ρ₁ записывается в запоминающее устройство 10 и совместно с ρ_o используется для вычисления ρ₂ на третьем шаге сканирования.

Таким образом, на (i+1)-м шаге сканирования в блоке 8 обработки вычисляется значение плотности i-го слоя ρ_i по соотношению

где ρ_o÷ ρ_i-1 предварительно вычисленные значения плотностей слоев объекта контроля, полученные на предыдущих шагах сканирования и хранящихся в запоминающем устройстве 10.

После прохода рассеивающего объема V через весь объект 1 контроля по толщине объект контроля с помощью механизма 6 перемещения 5 перемещается на первую позицию по оси Y в положение y₁+Δy, механизм 5 перемещения возвращает коллимационный блок в исходное положение. Затем процесс повторяется, вычисляются значения плотностей ρ₂₀, ρ₂₁,..., ρ_2n и они записываются в запоминающее устройство 10. После завершения сканирования по оси Y механизм 6 перемещения объекта контроля смещает его на шаг по оси Z и вновь повторяется операция вычисления ρ_yx в положении Z₂. Полученные значения заносятся в запоминающее устройство 10.

После окончания полного цикла сканирования по осям X, Y, Z в запоминающем устройстве 10 формируется 3-мерная матрица значений ρ_ijk, соответствующая 3-мерному распределению плотности в объекте контроля.

С помощью полутонового дисплея 9 на экран может быть выведено распределение плотности в объекте контроля в любой плоскости ρ_ij; ρ_jk или ρ_ik.к

Использование: преимущественно в комптоновской вычислительной томографии в условиях одностороннего доступа к объекту контроля. Сущность изобретения: устройство содержит первый и второй источники излучения, первый и второй детекторы, коллимационный блок с осевым и периферическим коллимационными каналами, механизм перемещения коллимационного блока, блок формирования и пересчета, блок обработки информации, блок начальных данных, запоминающее устройство, механизм перемещения объекта, полутоновый дисплей, блок синхронизации и механизм позиционирования источников и детекторов. Посредством механизма перемещения коллимационного блока и механизма перемещения детектора обеспечивается сканирование объекта по осям X, Y и Z. В результате в запоминающем устройстве формируется трехмерная матрица значений ρ_ijk, соответствующая трехмерному распределению плотности в объекте контроля, которое может быть выведено на экран полутонового дисплея в любой плоскости. Устройство обеспечивает послойное измерение плотности тела как функции его толщины в условиях одностороннего доступа к нему. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения плотности тела, содержащее первый и второй источники излучения, первый и второй детекторы, блок формирования и пересчета, блок обработки информации, блок начальных данных, запоминающее устройство, механизм перемещения объекта, полутоновый дисплей, блок синхронизации, механизм позиционирования источников и детекторов, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит коллимационный блок с осевым и периферическим коллимационными каналами и механизм перемещения коллимационного блока, причем выходы первого и второго детекторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования и перерасчета, первый выход которого соединен с первым входом Ni1s

блока обработки информации, а второй выход с вторым входом Ni2s блока обработки информации, позиционные выходы "поз.1" и "поз. 2" блока синхронизации соединены с позиционными управляющими входами "поз. 1" и "поз.2" механизма позиционирования, выход вычисленного значения плотности ρ_i блока обработки информации соединен с входом данных Д запоминающего устройства, первый выход данных Д₁ которого соединен с входом предыдущих значений плотности ρ₀-ρ_i-1 блока обработки информации, вход начальных условий которого соединен с выходом блока начальных данных, выходы координат X, Y, Z блока синхронизации соединены с адресными входами запоминающего устройства и входами координат X, Y, Z полутонового дисплея, вход канала яркости которого соединен с вторым выходом данных Д₂ запоминающего устройства, при этом управляющий выход выдачи вычисленного значения плотности "вых.ρ" блока обработки информации соединен с входом записи "ЗП" вычисленного значения плотности запоминающего устройства, выход запроса предыдущих значений плотности "запрос ρ₀-ρ_i-1 блока обработки информации соединен с входом "чтение 1" чтения данных с выхода Д₁ запоминающего устройства, выход "вывод" блока синхронизации соединен с входом "чтение 2" запоминающего устройства и входом "запись" полутонового дисплея, выход ΔX блока синхронизации соединен с управляющим входом ΔX механизма перемещения коллимационного блока, выходы ΔJ и ΔZ блока синхронизации соединены с управляющими входами ΔJ и ΔZ механизма перемещения объекта контроля, синхровывод с блока синхронизации соединен с синхронизирующими входами механизма перемещения коллимационного блока, блока формирования и пересчета и блока обработки информации, а выход "max" блока обработки информации соединен с входом "начальное положение" блока синхронизации. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве первого источника излучения используется радиоизотоп ^1 8 1W с энергией квантов 150 кэВ, в качестве второго источника используется радиоизотоп ^1 5 3Cd с энергией квантов 100 кэВ, а угол наклона между каналами коллиматора α выбирается равным 45^o.