СПОСОБ МАЛОУГЛОВОЙ ИНТРОСКОПИИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК G01N23/201 G01T1/16 

Изобретение относится к определению состава и структуры неоднородных объектов, непрозрачных для видимого света, с помощью прошедшего и рассеянного под малыми углами (МУР) излучения.

Известные устройства для получения изображения внутренней структуры объекта, как правило, основываются на принципах традиционной рентгенографии поглощения, т.е. на регистрации распределения интенсивности прошедшего через объект излучения (US, 4,651,002, G 01 T/161, 17.03.87). Различия в интенсивности в этом случае являются следствием неодинакового поглощения излучения различными частями объекта. Для рентгенографии поглощения рассеянное излучение является паразитным явлением, создающим фон и ухудшающим контрастность изображения.

Для борьбы с рассеянным излучением было предложено регистрировать его отдельно, с помощью коллимационной решетки и фильтра, и вычитать интенсивность зарегистрированного рассеянного излучения как фон из суммарного сигнала, полученного при просвечивании объекта (патент US, 4,651,002). Поскольку картина рассеяния в этом случае измеряется интегрально, авторы не заботятся о точной юстировке взаимного положения коллимационной решетки и решетки фильтра. В связи с этим фильтр выполнен как подвижный элемент, и рассеянное излучение регистрируется при больших углах.

В другом патенте (US, 4,549,307) предложено использовать заслонки, формирующие на изображении объекта участки, в которых регистрируется только фон, то есть только рассеянное излучение. Уровень фона по всему изображению определяется аппроксимацией и вычитается из суммарного сигнала поглощения для получения более контрастного изображения.

Как уже упоминалось, в основе описанных выше устройств заложен принцип получения изображения внутренней структуры объекта по распределению интенсивности прошедшего через объект излучения, зависящему от распределения поглощающих свойств объекта. Если объект будет содержать вещества, малоразличающиеся по поглощающей способности, то на получаемом изображении участки объекта, содержащие такие вещества, практически не будут отличаться по интенсивности, то есть в результате не удастся получить изображение с требуемым контрастом. Для получения изображения структуры объекта в подобных случаях требуется другой подход, отличающийся от рентгенографии поглощения, и основанный на другом типе взаимодействия проникающего излучения с веществом.

В патенте GB, 2,299,251, G 01 N 23/207, 1996 предложен способ идентификации кристаллических и поликристаллических веществ, основанный на регистрации Брэгговского отражения от кристаллической структуры объекта. Распределение энергетического спектра полихроматического излучения, отраженного под определенным углом от кристаллической структуры вещества, является характерным для этого вещества и позволяет его идентифицировать при использовании имеющейся базы данных. Коллиматор предложенного устройства выполнен таким образом, что позволяет регистрировать энергетический спектр для каждой отдельной области объекта, через которую проходит излучение. Это позволяет при перемещении объекта в устройстве получать целостное изображение его внутренней структуры. Этот метод предложено использовать для обнаружения взрывчатых веществ при контроле багажа. Однако, его применение ограничено детектированием объектов, имеющих кристаллическую и поликристаллическую структуру.

В работах (SU, 1402871, G 01 N 23/06, 1987; RU, 2012872, G 01 N 23/02, 1994) описаны устройства для визуализации внутренней структуры объекта, в которых используется эффект преломления рентгеновских лучей на границах областей объекта с различной электронной плотностью, что приводит к отклонению лучей на углы до трех секунд. В этих работах использовались монокристаллы для коллимации падающего на объект излучения и для фильтрации излучения, отклоненного в результате преломления.

Недостаток этого метода и устройств на его основе заключается в малой светосиле. Это обусловлено тем, что монокристалл отражает падающее на него излучение по закону Брэгга. Излучение каждой длины волны отражается под определенным углом в интервале расходимости, равном угловому интервалу отражения Брэгга, которое составляет порядка 10 угловых секунд. Это означает, что из всего потока излучения, производимого источником, для просвечивания объекта используется менее, чем 10^-5 его части.

Для увеличения эффективности работы такого устройства в патенте (WO 95/05725, G 01 N 23/04, 1995) было предложено использовать вместо монокристаллов апертурную решетку, которая формирует узкие рентгеновские пучки. Преломление рентгеновских лучей на границах областей объекта с различной электронной плотностью приводит к отклонению рентгеновского пучка за объектом от первоначального направления, что может быть зарегистрировано высокоразрешающим позиционно-чувствительным детектором. Такое устройство при своем использовании требует высокой степени механической и термической стабилизации.

Общими недостатками метода визуализации внутренней структуры объекта путем использования эффекта преломления рентгеновских лучей является искажение регистрируемой информации при наличии нескольких границ областей с различной электронной плотностью на пути пучка и трудности, возникающие при идентификации различных веществ, составляющих объект. Отмеченные недостатки удается избежать при использовании метода регистрации излучения когерентно рассеянного объектом. В патенте US 4751772, G 01 N 23/201, 1988. который является наиболее близким аналогом изобретения по совокупности существенных признаков - описаны аппаратура и метод, основанные на регистрации спектра когерентного рассеянного излучения в углы, лежащие в пределах от 1 до 12^o по отношению к направлению падающего пучка. Как указывается в этих работах, большая часть упруго рассеянного излучения сосредоточена в этих углах в случае, если энергия рентгеновского излучения не очень велика. В основе данных изобретений лежит тот факт, что энергетические спектры упруго рассеянного излучения (в отличие от неупруго рассеянного - комптоновского излучения) и излучения первичного пучка идентичны и упруго рассеянное излучение имеет характерную угловую зависимость, определяемую как самим облучаемым веществом, так и энергией падающего излучения. Поскольку распределение интенсивности когерентно рассеянного излучения в малых углах зависит от молекулярной структуры вещества, то различные вещества, имеющие одинаковую поглощающую способность (которые не могут быть различимы при обычном просвечивании), могут быть отличимы друг от друга по характерному для каждого из веществ угловому распределению интенсивности когерентно рассеянного излучения. В качестве примеров в данных патентах указана возможность определения взрывчатых веществ в багаже, а также распознавание биологических тканей.

В указанных патентах для просвечивания объекта предлагается использовать узкий коллимированный пучок монохроматического или полихроматического излучения. Измерение интенсивности когерентно рассеянного излучения проводят с помощью детектирующей системы с разрешением как по энергии, так и по координате (углу рассеяния).

Описанные устройства имеют сравнительно низкую светосилу, поскольку сечение когерентного рассеяния излучения в этом угловом диапазоне невелико, и требует высоких доз облучения объекта при его исследовании. (Под сечением когерентного рассеяния излучения здесь понимается отношение числа квантов, испытавших упругое рассеяние под определенным углом в единицу времени, к плотности падающего потока квантов.)
Задачей изобретения является снижение дозы облучения при получении изображения внутреннего строения объекта с учетом структурных характеристик входящих в него веществ. Изобретение основывается на регистрации малоуглового рассеяния проникающего излучения, ограниченного областью центрального пика дифракции.

Сущность физического метода, используемого в описываемом устройстве для регистрации излучения рассеянного на малые углы, заключается в следующем: пучок проникающего излучения, имеющий в сечении точечную или штриховую форму, регистрируется высокоразрешающим позиционно-чувствительным детектором. Распределение интенсивности излучения в плоскости детектора будет определяться оптической передаточной функцией устройства. При помещении объекта в устройство полная оптическая передаточная функция устройства, а, следовательно, и распределение интенсивности излучения в плоскости детектора изменится. Изменение формы распределения интенсивности излучения будет определяться функцией рассеяния объекта. Вычисление функции рассеяния в явном виде (в виде аналитической функции) по изменению формы распределения интенсивности в пространстве возможно только для ограниченного числа случаев. Однако в неявном виде она будет однозначно определять рассеивающие свойства вещества и при сравнении данных, полученных в измерении, с имеющейся базой данных для стандартных веществ возможна идентификация вещества по его рассеивающим свойствам.

Основанный на описанном выше физическом методе способ определения состава и структуры неоднородного объекта заключается в облучении контролируемого объекта узким малорасходящимся пучком проникающего излучения, регистрации прошедшего через объект излучения с помощью двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора и идентификации входящих в контролируемый объект веществ по малоугловому когерентному рассеянию прошедшего через объект излучения и излучению поглощенному в объекте. Распределение интенсивности излучения регистрируют по сечению пучка при отсутствии и наличии объекта. Полученные распределения интенсивностей нормируют на общую интенсивность падающего на объект и прошедшего излучения, соответственно. По изменению нормированного пространственного распределения интенсивностей, обусловленному рассеянием излучения на малые углы входящими в объект веществами, и сравнению его с предварительно полученными при этих же условиях эталонными значениями идентифицируют входящие в объект вещества.

Другой вариант способа, позволяющий определять содержание входящих в контролируемый объект веществ, состоит в следующем. Контролируемый объект облучают узким малорасходящимся пучком проникающего излучения и регистрируют прошедшее через объект излучения с помощью двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора. Распределение интенсивности излучения регистрируют по сечению пучка, прошедшего через контролируемый объект. Одновременно от того же источника излучения регистрируют распределение интенсивности излучения по сечению пучка, прошедшего через стандартный образец. Из сравнения интенсивностей излучений, рассеянных под одними и теми же углами для каждого пучка, определяют содержание веществ в контролируемом объекте.

В качестве одного из вариантов устройства для определения состава и структуры неоднородного объекта рассмотрим установку для медицинской диагностики. Она состоит из источника рентгеновского излучения, одного или нескольких коллиматоров, каждый из которых формирует излучение в виде плоского веерного пучка, имеющего в одном направлении угловое распределение интенсивности, по форме близкое к δ- функции, и в другом - перекрывающего всю исследуемую область объекта, и высокоразрешающего двухкоординатного детектора. Оптическая часть устройства (источник, коллиматор, детектор) и исследуемый объект имеют возможность перемещаться относительно друг друга для осуществления последовательного сканирования исследуемого объекта. Высокоразрешающий детектор измеряет распределение интенсивности излучения в рентгеновском пучке при наличии и в отсутствии объекта. Для обеспечения точности измерений необходимо, чтобы размеры отдельных чувствительных элементов детектора были меньше полуширины распределения интенсивности рентгеновского пучка в плоскости регистрации, предпочтительно меньше на порядок. Такой способ измерений позволяет регистрировать рассеянные под малыми углами рентгеновские лучи, не только выходящие за границы пучка, но и те что приводят к перераспределению интенсивности излучения внутри пучка. Чтобы иметь возможность сравнивать незначительные изменения больших сигналов при обработке данных, полученные распределения интенсивности излучения в пучке при наличии и в отсутствии объекта нормируют на общую интенсивность падающего и прошедшего через объект излучения, соответственно. Таким образом, полученные данные приводятся к общим условиям, и изменение формы кривой распределения интенсивности излучения в пучке (разность нормированного пространственного распределения интенсивности) будет отражать функцию распределения среды, через которую проходит излучение.

Оптимальные условия регистрации при исследовании различных объектов могут быть путем выбора жесткости, т.е. длины волны, используемого проникающего излучения. Чем мягче используемое излучение (больше длина волны), тем сильнее изменяется нормированная кривая распределения интенсивности в просвечивающем пучке за объектом, однако при этом возрастает доля излучения поглощенного в объекте и уменьшается сигнал на детекторе. Выбор оптимальных параметров проникающего излучения зависит от характера исследуемого объекта и в каждом случае осуществляется индивидуально. При использовании полихроматического источника излучения это может быть осуществлено либо подбором фильтра, вырезающего требуемый спектральный диапазон, либо путем использования детектора, селективно-чувствительного к выделенному диапазону энергии регистрируемых квантов. В последнем случае на детекторе для каждого спектрального диапазона проникающего излучения регистрируется свое распределение интенсивности в пучке за объектом.

Как было описано выше, функция рассеяния каждого вещества определяется его структурой и является "визитной карточкой" данного вещества, которая может быть использована для его идентификации, т.е. по сравнению измеренной разности нормированного пространственного распределения интенсивности для исследуемого вещества с результатами, содержащимися в базе данных для контрольных веществ, можно определить, какое из веществ имеет рассеивающую способность, приводящую к таким изменениям интенсивности в пучке. К тому же из отношения общей интегральной интенсивности до и после объекта определяется поглощающая способность веществ, входящих в объект, что также может быть использовано для предварительной идентификации этих веществ.

Таким образом, за одно измерение для каждой области объекта, просвечиваемой рентгеновским пучком, определяется коэффициент поглощения и в неявном виде функция рассеяния материала, входящего в освещаемую пучком область. Это позволяет различать даже входящие в объект вещества, имеющие одинаковый элементный состав, но различную структуру, что очень важно при диагностике онкологических заболеваний.

Поскольку рассеивающие свойства вещества определяются при измерении интенсивности в прямом пучке, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения объекта при таких измерениях по сравнению с измерениями излучения, рассеянного вне первичного пучка (в 10³ - 10⁵ раз), что имеет немаловажное значение в медицинской диагностике. Чувствительность описываемого устройства к обнаружению неоднородностей в объекте определяется пространственным распределением проникающего излучения: чем уже пучок, тем больше изменяется его форма после прохождения исследуемого объекта. Кроме того, чем больше сечение рассеяния искомого вещества в исследуемом объекте, тем больше изменяется форма первичного пучка после прохождения объекта, и тем легче определить функцию рассеяния этого вещества. Для слаборассеивающих веществ в установке предусмотрена возможность увеличения чувствительности к регистрации рассеянного излучения. Это может быть достигнуто путем увеличения числа чувствительных элементов детектора в угловом диапазоне измерений, с целью более точного измерения распределения интенсивности излучения в рентгеновском пучке, или регистрацией только рассеянного вне границ первичного пучка излучения. Первое достигается увеличением расстояния от исследуемого объекта до плоскости детектирования, второе - введением в канал первичного пучка ловушки, отделяющей излучение, рассеянное под малыми углами и выходящее за границы первичного пучка, от излучения прошедшего без рассеяния. Однако и тот и другой способ приводят к значительному уменьшению плотности потока излучения на детекторе и возрастанию экспозиционной дозы облучения объекта.

Таким образом, описанная выше установка может работать в двух режимах: высокоинтенсивном режиме с низкой экспозиционной дозой на объекте, и режиме, высокочувствительном к рассеянному излучению, требующем возрастания дозы облучения объекта. Переключение с одного режима на другой может осуществляться по команде оператора в зависимости от характера исследуемого объекта.

Для изучения объектов, отличающихся анизотропией рассеивающих (дифракционных) свойств, т. е. имеющих различное распределение электронной плотности в разных направлениях предусмотрено наличие коллиматора, формирующего штриховой пучок проникающего излучения, и вращающегося вокруг своей продольной оси. При этом плоскость пучка пересекает объект под разными азимутальными углами. На позиционно-чувствительном детекторе для каждого фиксированного положения луча происходит одновременная регистрация прошедшего через объект и рассеянного на нем излучения по вышеописанной схеме. По измеренным распределениям зарегистрированных за один оборот коллиматора интенсивностей прошедшего и рассеянного излучения можно определить полное распределение поглощающих и рассеивающих свойств исследуемого объекта в просвечиваемой области в плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Это позволяет более точно идентифицировать вещества, составляющие исследуемый объект, по рассеянному ими излучению, поскольку появляется дополнительный параметр (пространственное распределение электронной плотности), позволяющий различать сходные между собой вещества. К тому же улучшается качество изображения, получаемого в поглощательном контрасте, так как использование узкоколлимированного пучка позволяет снизить паразитное рассеяние излучения в объекте.

Для изучения объектов больших размеров в установке предусмотрена возможность сканирования объекта. Это может быть, например, построчное сканирование, осуществляемое колебаниями оптической системы (источника излучения, коллиматора и детектора), как целого, в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и одновременное вращение коллиматора вокруг своей продольной оси, или перемещение объекта относительно неподвижной оптической оси, вокруг которой происходит вращение коллиматора. Возможны также и другие варианты осуществления сканирования исследуемого объекта. Скорость вращения коллиматора определяется временем экспозиции необходимым для создания на детекторе изображения просвечиваемой области объекта в рассеянных и прошедших без рассеяния лучах. Требуемая экспозиция может быть получена за один оборот коллиматора или за несколько. Скорость сканирования объекта также определяется временем создания необходимой экспозиции на детекторе для каждой области исследуемого объекта.

Описанные выше устройства для своей успешной работы предусматривают формирование узко-коллимированного просвечивающего пучка, что накладывает ограничения на эффективность использования энергии, производимой рентгеновским источником. Другой вариант описываемого устройства позволяет различать сходные вещества по их рассеивающим и поглощающим свойствам при использовании широкого пучка проникающего излучения. Этот вариант устройства отличается тем, что коллиматор представляет собой многощелевую периодическую структуру, формирующую поток рентгеновского излучения в виде широкого пучка, промодулированного с высокой пространственной частотой. Детектор, имеющий высокое пространственное разрешение в плоскости регистрации, измеряет периодически модулированное распределение интенсивности излучения при наличии и в отсутствии объекта. Наличие объекта в устройстве приводит к изменению функции модуляции распределения интенсивности в плоскости детектора, что позволяет определять следующие параметры исследуемого вещества: уменьшение среднего значения интенсивности вдоль направления модуляции пучка определяет величину поглощения рентгеновского излучения различными частями объекта, а изменение глубины модуляции распределения интенсивности содержит в неявном виде функцию рассеяния объекта. Эти параметры при сравнении полученных результатов с имеющейся базой данных позволяют идентифицировать вещества, составляющие исследуемый объект. Для обнаружения неоднородности в объекте, занимаемой исследуемым веществом, необходимо, чтобы период пространственной модуляции излучения в объекте был меньше размера самой неоднородности по крайней мере в два раза.

Чувствительность описываемой установки к регистрации интенсивности рассеянного излучения определяется пространственной частотой и глубиной модуляции падающего излучения и разрешением используемого детектора. Чем выше пространственная частота модуляции излучения и больше глубина модуляции, тем сильнее будет изменяться функция распределения интенсивности излучения при внесении объекта. Однако максимальные значения допустимой пространственной частоты модуляции излучения ограничены параметрами используемого модулятора и разрешением детектирующих элементов. Пространственная чувствительность детектора должна быть меньше периода пространственной модуляции излучения, предпочтительно на порядок.

На описанных выше принципах регистрации когерентно рассеянного под малыми углами проникающего излучения построена установка для определения процентного содержания известных веществ, входящих в исследуемый объект. Описываемое устройство содержит источник проникающего излучения, измерительную и эталонную системы и систему обработки информации. Измерительная часть устройства состоит из коллиматора, формирующего падающий на объект поток излучения в виде узкого слаборасходящегося пучка, позиционно-чувствительного детектора и устройства для сканирования объекта рентгеновским пучком. В качестве эталонной системы используется устройство, аналогичное измерительной части описываемой установки, использующее излучение того же источника, где просвечиваемым объектом является пластина известной толщины из эталонного вещества.

Физическая сущность работы устройства основывается на том, что для смеси веществ, имеющей толщину, оптимальную для однократного рассеяния проникающего излучения, каждое из веществ будет рассеивать независимо, и значения интенсивностей излучения, рассеянного объектом под отдельными углами, будут складываться из рассеяния каждым из веществ, входящих в объект, аддитивно, причем их вклад будет определяться концентрацией рассеивающих центров определенного сорта. Поэтому измеряя малоугловое рассеяние исследуемого объекта и сравнивая его с нормированным рассеянием веществ, содержащихся в объекте, можно определить вклад каждого вещества, т.е. его количество в зоне просвечивающего пучка.

В качестве примера такого устройства рассмотрим установку для определения качества мясных продуктов на конвейере, например, относительного содержания мяса и жира в исследуемом объекте. При просвечивании исследуемого объекта рентгеновским пучком детектор в измерительной системе определяет интенсивность рассеянного излучения объектом в каждый момент времени и передает полученные данные в блок обработки информации. Там они сравниваются с данными рассеяния излучения рентгеновского пучка модельным объектом в эталонной системе. Сравнение интенсивностей излучения, рассеянного модельным и исследуемым объектом, проводится для каждого угла из регистрируемого диапазона и по их отношению определяется количество рассеивающих центров каждого сорта в исследуемом объекте. Это позволяет определять относительное содержание веществ в просвечиваемой области исследуемого объекта. Использование сравнительной схемы измерений, т. е. измерительного и эталонного пучков проникающего излучения, позволяет исключить ошибки измерений, вызванные нестабильностью работы источника. К тому же такая схема устройства позволяет использовать полихроматическое проникающее излучение.

Поскольку кривая рассеяния вещества изменяется при изменении длины волны проникающего излучения источника, то в случае использования полихроматического проникающего излучения кривая рассеяния будет представлять собой суперпозицию кривых рассеяния излучения каждой длины волны исследуемым объектом. Использование эталонного пучка, т.е. рассеяния излучения от модельного объекта, позволяет учитывать спектральный состав излучения источника при измерениях.

Число углов из малоуглового диапазона, при которых измеряются значения интенсивности, зависит от общего числа веществ, входящих в объект. Для объектов, состоящих из двух-трех веществ, достаточно измерить значения интенсивности рассеянного излучения при нескольких различных углах. Для более сложных объектов требуется проводить измерения при десятках различных углов и увеличивать точность определения интенсивности излучения, рассеянного под каждым из углов, за счет набора статистики измерений.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для мамографии с разностной схемой регистрации рассеянного излучения; на фиг. 2 - устройство для малоугловой топографии с вращающимся коллиматором; на фиг. 3 - устройство для диагностики объекта пространственно-модулированным потоком излучения с модулятором, представляющим собой блок из непрозрачного материала с прозрачными щелевидными каналами; на фиг. 4 - принципиальная схема устройства для определения относительного содержания известных компонентов в исследуемом объекте.

На фиг.1 показан первый вариант устройства, основанный на принципах одновременной регистрации прошедшего через объект и рассеянного им под малыми углами излучения, реализующий заявленный в п.1 формулы изобретения способ определения состава и структуры неоднородного объекта. Это общая схема установки для маммографических исследований. От источника 1 рентгеновского излучения поток направляют на неподвижный объект 2, закрепленный в держателе 3. Коллиматор 4, выполненный в виде двух щелевых диафрагм, входной 5 и выходной 6, формирует падающее на объект 2 излучение в виде штрихового пучка, имеющего угловое распределение интенсивности в одном направлении по форме близкое к δ- функции. Распределение интенсивности прошедшего через объект излучения регистрируется высокоразрешающим двухкоординатным детектором 7. Размеры отдельных элементов детектора 7 должны быть меньше полуширины распределения интенсивности рентгеновского пучка в плоскости регистрации, предпочтительно на порядок. Все оптические элементы устройства (источник 1, коллиматор 4 и детектор 7) способны перемещаться вокруг неподвижного объекта 2, с целью осуществления его сканирования, для получения полной картины внутренней структуры исследуемого объекта. Наличие малоуглового рассеяния в объекте приводит к перераспределению интенсивности излучения в первичном пучке, падающем на объект. Регистрируемое детектором 7 распределение интенсивности излучения в пучке за объектом позволяет по сравнению с базой данных определить наличие структурных изменений в просвечиваемой области объекта 2, приводящих к такому результату. К тому же одновременно с этим детектор регистрирует поглощение излучения объектом, т.е. за все время сканирования им формируется изображение внутренней структуры исследуемого объекта в поглощательном контрасте.

Для увеличения точности измерения распределения интенсивности излучения в зоне первичного пучка 8 за объектом в устройстве предусмотрена возможность изменения расстояния детектор-образец (подвижка 9), с целью увеличения числа регистрирующих элементов детектора на единицу угла рассеяния излучения. Это позволяет исследовать слаборассеивающие объекты, т.е. регистрировать малые изменения распределения интенсивности излучения за объектом.

Другим способом увеличения чувствительности устройства к регистрации рассеянного под малыми углами излучения, является темнопольная схема регистрации, предусматривающая раздельную регистрацию прошедшего через объект излучения и излучения рассеянного объектом под малыми углами и выходящего за границы первичного пучка. Для этого в установке предусмотрена возможность введения в канал первичного пучка 8 за объектом ловушки 10, убирающей из зоны регистрации излучение, прошедшее в направлении первичного пучка. Введение ловушки осуществляется с помощью микродвигателя 11, по команде оператора или в автоматическом режиме. Однако и тот, и другой способ приводят к значительному уменьшению плотности потока излучения на детекторе и возрастанию экспозиционной дозы облучения объекта.

Дополнительно в устройстве предусмотрена возможность изменения размера входной диафрагмы 5 с помощью микродвигателя 12. Управление размерами диафрагмы (пучка проникающего излучения) позволяет менять режим облучения объекта и разрешения неоднородностей в исследуемом объекте по команде оператора.

Таким образом, описанная выше установка может работать в различных режимах: высокоинтенсивном режиме с низкой экспозиционной дозой на объекте, режиме высокого разрешения деталей исследуемого объекта и режиме, высокочувствительном к рассеянному излучению, требующем возрастания дозы облучения объекта. Переключение с одного режима на другой может осуществляться по команде оператора в зависимости от характера исследуемого объекта.

Как видно из фиг. 2 описываемое устройство может быть выполнено также с коллиматором 4, вращающимся вокруг своей продольной оси. Этот вариант установки предназначен для изучения объектов, отличающихся анизотропией рассеивающих (дифракционных) свойств, т.е. имеющих различное распределение электронной плотности в разных направлениях. Коллиматор 4 формирует падающий поток излучения от источника 1 в виде штрихового пучка 13. При вращении коллиматора плоскость пучка пересекает объект 14 под разными азимутальными углами. На позиционно-чувствительном детекторе 7 для каждого фиксированного положения пучка 13 происходит одновременная регистрация прошедшего через объект и рассеянного в нем излучения по вышеописанной схеме. За один оборот коллиматора 4 детектор 7 регистрирует полное распределение поглощающих и рассеивающих свойств исследуемого объекта в просвечиваемой области в плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Размеры просвечиваемой области определяются продольными размерами штрихового пучка на объекте. Такой способ регистрации позволяет более точно идентифицировать вещества, составляющие исследуемый объект, по рассеянному излучению, поскольку появляется дополнительный параметр (пространственное распределение электронной плотности), позволяющий различать сходные между собой вещества. К тому же улучшается качество изображения, получаемого в поглощательном контрасте, так как использование узкоколлимированного пучка позволяет снизить паразитное рассеяние излучения в объекте.

Другой вариант описываемого устройства, представленный на фиг. 3, позволяет различать вещества по их рассеивающим и поглощающим свойствам при использовании широкого пучка проникающего излучения. Источник 1 направляет поток проникающего излучения на исследуемый объект 15. Между объектом и источником излучения располагается коллиматор 16, который формирует падающий поток проникающего излучения в виде широкого пучка, промодулированного с высокой пространственной частотой. Коллиматор может быть выполнен в виде периодической структуры, например щелевого растра, период и размеры щелей которого определяют пространственную частоту и глубину модуляции просвечивающего пучка. Формируемые коллиматором пучки проникающего излучения могут перекрываться в плоскости регистрации. Двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор 17 должен обеспечивать высокое пространственное разрешение такое, чтобы размеры отдельных регистрирующих элементов были меньше пространственной частоты модуляции просвечивающего излучения в плоскости регистрации, предпочтительно на порядок. Регистрируемое детектором 17 распределение интенсивности проникающего излучения при наличии и отсутствии объекта позволяет получать изображение внутренней структуры исследуемого объекта в поглощательном контрасте, промодулированное с соответствующей частотой, и по изменению глубины модуляции прошедшего излучения определять функцию рассеяния веществ, составляющих объект. Эти параметры при сравнении полученных результатов с имеющейся базой данных позволяют идентифицировать вещества, составляющие исследуемый объект. Для получения целостной картины внутренней структуры объекта необходимо обеспечить сканирование объекта пучком проникающего излучения по одной из схем описанных выше.

На фиг. 4 представлена общая схема установки для определения процентного содержания известных веществ, составляющих исследуемый объект, реализующая способ определения состава и структуры неоднородного объекта, представленный в п. 2 формулы изобретения. Описываемое устройство содержит источник проникающего излучения 18, измерительную систему, эталонную систему, а также систему анализа и обработки информации. Коллиматор 19 формирует падающий на исследуемый объект 20, перемещаемый с помощью транспортера 21, поток излучения в виде узкого слаборасходящегося штрихового пучка. В качестве коллиматора может использоваться, например, коллиматор Кратки. Размеры пучка и расходимость в направлении движения объекта должны соответствовать условиям регистрации малоуглового рассеяния проникающего излучения в требуемом угловом диапазоне, а в перпендикулярном направлении - перекрывать весь контролируемый объект целиком. Излучение, рассеянное объектом, регистрируется двухкоординатным позиционно-чувствительным детектором 22. Измеренная детектором 22 кривая малоуглового рассеяния от исследуемого объекта 20 будет представлять собой суперпозицию кривых рассеяния каждого из веществ, входящих в объект, причем каждое вещество будет рассеивать независимо, и значения интенсивностей излучения, рассеянного объектом под отдельными углами, будут складываться из рассеяния каждым из веществ, составляющих объект, аддитивно, причем их вклад будет определяться концентрацией рассеивающих центров определенного сорта. Полученные данные передаются в блок обработки информации 23, где они сравниваются с нормированными кривыми рассеяния веществ, содержащихся в объекте, и определяется вклад каждого вещества, т.е. его количество в зоне просвечивающего пучка. Результаты обработки данных измерений выдаются на экран видеомонитора 24. Для получения точных количественных результатов необходимо постоянно контролировать энергию, а, в случае использования полихроматического источника, и спектральный состав проникающего излучения. Это осуществляет эталонная система.

В качестве такой эталонной системы используется устройство, аналогичное измерительной системе описываемой установки, и использующее излучение того же источника. Оно состоит из коллиматора 25 и позиционно-чувствительного детектора 26. В качестве просвечиваемого объекта используется пластина 27 известной толщины из эталонного вещества. Данные о кривой рассеяния, измеренной детектором 26, также поступают в блок обработки информации, где они используются при обработке данных, полученных при просвечивании исследуемого объекта 20.

Устройство может быть откалибровано таким образом, что концентрация известных веществ в исследуемом объекте определяется сразу из сравнения интенсивностей излучения, рассеянного исследуемым объектом 20 и эталонной пластиной 27, при нескольких различных углах. Число измерений интенсивности при различных углах определяется сложностью исследуемого объекта, т.е. общим числом содержащихся в нем веществ. Чем больше количество содержащихся веществ, тем при большем числе углов необходимо измерять значения интенсивностей малоуглового рассеяния излучения исследуемым объектом, тем выше должно быть разрешение детектора 22.

Сущность изобретения: контролируемый объект просвечивается узким малорасходящимся пучком (или набором узких малорасходящихся пучков) проникающего излучения. С помощью двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора высокого разрешения регистрируется распределение интенсивности излучения вдоль сечения пучка в присутствии объекта и при его отсутствии. Перераспределение интенсивности излучения в пучке при размещении на его пути объекта, обусловлено когерентным рассеянием излучения на малые углы входящими в контролируемый объект веществами. Поскольку функция когерентного рассеяния каждого вещества однозначно определяется его структурой, она может быть использована для идентификации вещества по зарегистрированному перераспределению интенсивности излучения в пучке, при сравнении его с результатами, содержащимися в базе данных для контрольных веществ. Изобретение обеспечивает снижение дозы облучения при получении изображения внутреннего строения объекта с учетом структурных характеристик входящих в него веществ. 4 с. и 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения состава и структуры неоднородного объекта, заключающийся в облучении контролируемого объекта узким малорасходящимся пучком проникающего излучения, регистрации прошедшего через объект излучения с помощью двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора высокого разрешения и идентификации входящих в контролируемый объект веществ по малоугловому когерентному рассеянию прошедшего через объект излучения и излучению, поглощенному в объекте, отличающийся тем, что регистрируют распределение интенсивности излучения по сечению пучка при отсутствии объекта и при его наличии, полученные распределения интенсивностей при наличии и отсутствии объекта нормируют на общую интенсивность падающего и прошедшего излучения, соответственно, и по изменению нормированного пространственного распределения интенсивностей, обусловленному рассеянием излучения на малые углы входящими в объект веществами и сравнению его с предварительно полученными при этих же условиях эталонными значениями идентифицируют входящие в объект вещества. 2. Способ определения состава и структуры неоднородного объекта, заключающийся в облучении контролируемого объекта узким малорасходящимся пучком проникающего излучения, регистрации прошедшего через объект излучения с помощью двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора высокого разрешения и определение содержания входящих в контролируемый объект веществ по малоугловому когерентному рассеянию прошедшего через объект излучения, отличающийся тем, что регистрируют распределение интенсивности излучения по сечению прошедшего через контролируемый объект пучка и одновременно от того же источника излучения регистрируют распределение интенсивности излучения по сечению пучка, прошедшего через стандартный образец, и из сравнения интенсивностей, рассеянных под одними и теми не углами для каждого пучка, определяют содержание веществ в контролируемом объекте. 3. Устройство для определения состава и структуры неоднородного объекта, содержащее источник проникающего излучения, коллиматор, формирующий узкий, малорасходящийся пучок излучения в направлении исследуемого объекта, регистрирующий прошедшее через объект излучение двухкоординатный пространственно-чувствительный детектор и связанный с детектором блок обработки информации, отличающееся тем, что двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор установлен от исследуемого объекта на расстоянии, при котором размеры отдельных регистрирующих элементов детектора меньше полуширины распределения интенсивности в пучке в плоскости регистрации, при этом формируемый коллиматором пучок в проекции объекта по крайней мере в одном направлении уже области, занимаемой контролируемым веществом в объекте и устройство снабжено системой, обеспечивающей относительные перемещения источника, коллиматора и детектора относительно объекта. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что коллматор формирует пучок проникающего излучения, имеющий в сечении форму прямоугольника, и выполнен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что детектор снабжен средством его перемещения вдоль пучка проникающего излучения. 6. Устройство для определения состава и структуры неоднородного объекта, содержащее источник проникающего излучения, коллиматор, представляющий собой щелевидную структуру, формирующий набор узких, малорасходящихся пучков излучения в направлении исследуемого объекта, регистрирующий прошедшее через объект излучение двухкоординатный пространственно-чувствительный детектор и связанный с детектором блок обработки информации, отличающееся тем, что период многоцелевой структуры выбирается из условия обеспечения периода пространственной модуляции излучения по крайней мере в два раза меньше размера области, занимаемой контролируемым веществом в объекте, а размеры отдельных регистрирующих элементов двухкоординатного пространственно-чувствительного детектора должны быть меньше пространственной частоты модуляции просвечивающего излучения в плоскости регистрации предпочтительно на порядок.