СПОСОБ РАДИАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТОВ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1998 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области радиационной техники 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 сочетании с надежным методом обработки сигнала детектора для выделения переменной составляющей сигнала на частоте модуляции.

Поскольку при указанной постановке задачи детектор формирует периодический сигнал, что 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 объектом, заключающемся в поточечном сканировании исследуемой зоны объекта коллимированным пучком рентгеновского излучения, детектировании прошедшего через объект излучения с получением электрических сигналов и обработке полученных сигналов, сканирование объекта 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 времен 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 пуска 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.

При этом осуществляют синхронизацию работы каналов счета 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 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, разность удвоенного результата счета третьего канала и результата счета первого канала, производят определение амплитуды, фазы и глубину модуляции 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.

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

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

Исследуемый объект 6 установлен в держателе 7, перемещаемом в шаговом режиме посредством привода 8 с координатным выходом, с которого снимается сигнал положения объекта 6, и выходом коммутации времени отсчета.

Коллимированный детектор излучения, работающий в счетном режиме, подключен к предусилителю-формирователю 10, к выходу которого подключены счетчик 11 первого канала счета и коммутатор 12, к выходам которого подключены счетчики-удвоители 13 и 14 второго и третьего каналов счета. Управляющие входы счетчика 11 и счетчиков-удвоителей 13, 14 подключены к выходу коммутации времени отсчета привода 8. Управляющий вход коммутатора 12 подключен к выходу блока 15 синхронизации.

Выходы счетчиков-удвоителей 13 и 14 подключены к первым входам соответственно блоков 16 и 17 вычитания, к вторым входам которых подключен выход счетчика 11. Выходы блоков 16 и 17 вычитания подключены к входам блока 18 формирования величины корня квадратного из суммы квадратов получаемых на выходах блоков 16 и 17 разностей и входам первого блока 19 деления. Выход блока 18 подключен к первому входу второго блока 20 деления, к второму входу которого подключен выход первого счетчика 11, и первому входу блока 21 обработки, к второму и третьему входам которого подключены выходы первого и второго блоков 19 и 20 деления. К координатному входу блока 21 обработки подключен соответствующий выход привода 8. На выходе блока 21 обработки включен выдеоконтрольный блок 22.

Управляющий коммутатором 12 блок 15 синхронизации может быть выполнен следующим образом.

В коллиматоре имеются восемь равноотстоящих друг от друга по периферической окружности коллиматора 2 световода или световодных отверстия 23. По разные стороны от коллиматора 2 напротив друг друга установлены светодиод 24 и фотодиод 25, на выходе которого включен усилитель-формирователь 26.

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

Коллиматор 2 приводят во вращение посредством блока 5 электропитания на частоте F. Приводом 8 задают шаговый режим перемещения объекта 6 и время единичного отсчета, т. е. время сбора детектором 9 информации в каждом положении объекта 6. Работающий в счетном режиме детектор 9 формирует последовательность импульсов, промодулированную по интенсивности с частотой 2F, что соответствует двум осям симметрии поперечного сечения пучка относительно оси вращения коллиматора 2. Сама модуляция обусловлена неоднородностями внутренней структуры объекта 6, пересекаемыми пучком при вращении. Например, при прохождении пучков малоразмерной пустоты в объекте 6 формируемая импульсная последовательность имеет характер, приведенный на фиг. 4а.

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 и ϕ - - фаза. Это выражение можно представить в виде
A•cos(ωt+ϕ) = a•cosϕ+b•sinϕ,
где
A = и tgϕ = b/а.

Требуемые для формирования изображения исследуемой зоны объекта 6 величины A и tgϕ в каждой точке сканирования получают с помощью следующей процедуры.

Последовательность импульсов с выхода предусилителя-формирователя 10 регистрируют с помощью трех каналов счета, в первом из которых счетчик 11 осуществляет непрерывный счет импульсов за все время единичного отсчета с получением результата счета J₁. Во втором и третьем каналах счета счетчики-удвоители 13 и 14 коммутируются со сдвигом по фазе 90^o и производят счет в течение половины каждого периода (см, фиг. 40б-г) с получением соответственно величин J₂ и J₃, которые являются удвоенными результатами счета в каждом из этих каналов. Из величин J₁, J₂, J₃ формируют разности J₂ - J₁ и J₃ - J₁, которые равны соответственно Δ•sinϕ и A•cosϕ. Эти разности формируются на выходах блоков 16 и 17 вычитания. В блоке 18 формируется величина

в блоке 19 - величина
tgϕ = (I₂-I₁)/(I₃-I₁)
и в блоке 20 - величина глубины модуляции M = A/J₁.

Величины A, tgϕ и M для каждого положения объекта 6 поступают в блок обработки 21 с координатной привязкой по сигналу с соответствующего выхода привода 8. Блок 21 формирует изображение исследуемой зоны объекта на основе указанных величин в соответствии с процедурой сканирования и выбранным алгоритмом формирования.

Применение модуляционного характера взаимодействия между пучком и исследуемым объектом, причем пространственно-молуляционного, позволяет уйти от шумов типа 1/f в существенно менее значимую область шумов вблизи от частоты модуляции [2F] . Получение величин амплитуды и фазы переменной составляющей сигнала детектора позволяет выявлять неоднородность с размерами, значительно меньшими захватываемой пучком зоны. Примененная процедура обработки формируемой детектором импульсной последовательности может быть использована для определения параметров любых периодических процессов, описываемых пуассоновскими последовательностями импульсов с модулированной во времени интенсивностью.

Использование: в области радиационных исследований внутренней структуры объектов. Сущность изобретения: снижение уровня радиационного воздействия на объект при исследовании и обеспечение эффективного выделения переменной составляющей прошедшего через объект излучения осуществляют путем регистрации прошедшего через объект вращающегося рентгеновского пучка с фигурным поперечным сечением детектором, работающим в счетном режиме, последовательно коммутируют детектор на четыре раздельных канала счета, так что каждый канал работает четверть каждого периода изменения сигнала детектора, при обработке производят суммирование выходных сигналов первого и второго, третьего и четвертого, первого и третьего, второго и четвертого каналов счета, из суммы выходных сигналов первого и второго каналов счета вычитают сумму выходных сигналов третьего и четвертого каналов счета, а сумму второго и третьего каналов вычитают из суммы первого и четвертого каналов, по корню квадратному из суммы квадратов полученных разностей определяют амплитуду изменения сигнала детектора, а по отношению этих разностей - фазу этого изменения. Указано на возможность использования такой процедуры при исследовании периодических процессов, описываемых пуассоновской последовательностью импульсов с модулированной во времени интенсивностью. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в поточечном сканировании исследуемой зоны объекта коллимированным пучком проникающего излучения, детектировании прошедшего через объект излучения с получением электрических сигналов и их обработке, 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 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, производят раздельное суммирование результатов 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, оценку внутренней структуры исследуемой зоны объекта производят на основе совокупности определенных параметров. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коммутацию каналов счета производят синхронно 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 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 разностей для определения амплитуды периодического процесса и формируют отношение первой и второй разностей для определения фазы этого процесса.