УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОГРАФИИ И ТОМОГРАФИИ Российский патент 2006 года по МПК G01N23/222 

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения.

Известны устройства для радиографии и томографии внутренней структуры объектов, в которых просвечивают исследуемый объект расходящимся пучком рентгеновского излучения и получают теневое изображение внутренней структуры исследуемого объекта на соответствующей системе отображения.

Клюев В.В. и др. Промышленная радиационная интроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.5-8.

Недостатком указанных устройств с использованием расходящегося пучка является низкая чувствительность к маломерным деталям внутренней структуры объекта (дефекты, включения).

Известным техническим решением является устройство для исследования внутренней структуры объектов, для получения теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения, регистрации прошедшего через объект излучения детектором.

Патент Великобритании №1283915, МПК: G 01 N 23/08, 1975 г.

В этом устройстве получаемое пространственное разрешение в теневых проекциях определяется размерами коллимированного пучка и/или детектора в направлении сканирования, т.е. при наличии в исследуемом объекте мелких деталей структуры последние могут не выявляться в получаемой теневой проекции.

Недостатки известных технических решений заключаются в том, что для получения теневых изображений перемещают именно коллимированные пучки относительно объекта. Это приводит к усложнению конструкции, к повышению требований к радиационной защите, к возможности пробелов при контроле объекта из-за резких перемещений излучателя, а также низкой эффективности использования излучения источника, увеличению времени исследования, необходимости коллимирования пучка.

Известно устройство малоугловой томографии, содержащее источник проникающего излучения, коллиматор, формирующий падающий на объект поток излучения в виде малорасходящихся пучков, средство перемещения объекта относительно падающего на него излучения, пространственный фильтр и детектор.

Патент Российской Федерации №2119659, МПК: G 01 N 23/02, 1998 г. Устройство имеет сложную кинематическую структуру для идентификации расходящегося пучка после исследуемого объекта.

Известно устройство для радиографии и томографии, содержащее источник проникающего излучения, средство перемещения исследуемого объекта, оптическую систему регистрации излучения, содержащую сцинтилляционный экран, плоское зеркало, объектив, фотоприемник (ТВ-камера) и корректирующую линзу.

Патент Российской Федерации №2189031, МПК: G01 N 23/04, 2002 г.

Устройство имеет сложную оптическую систему формирования изображения, сравнительно низкие четкость изображения и чувствительность.

Известно рентгеновское устройство, содержащее источник излучения, средство для размещения образца, экран-преобразователь, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися капиллярными каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы, на одном торце которого расположено средство, чувствительное к излучению, фотоприемник.

Патент Российской Федерации №2239822, МПК: G 01 N 23/04, Бюл. №31, от 10.12.2004. Прототип.

Прототип сложен в изготовлении, предназначен для работы с протяженным источником излучения, по существу является лишь коллиматором излучения и только средство, чувствительное к излучению, позволяет его считать экраном-преобразователем.

Прототип позволяет выявлять и преобразовывать только один вид излучений.

Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Изобретение направлено на повышение эффективности использования быстрых нейтронов, уменьшение времени экспозиции, уменьшение влияния фонового сигнала, улучшение качества принимаемых изображений, повышение производительности процесса, получение изображений не только в нейтронном потоке, но и в рентгеновском и гамма-излучениях.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для радиографии и томографии, содержащем источник проникающего излучения, средство для размещения исследуемого образца, экран-преобразователь проникающего излучения, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму, боковой поверхности усеченных конуса или пирамиды, на одном торце которого расположено средство, чувствительное к излучению, и средство для регистрации излучения, каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов и скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, средство для размещения исследуемого образца выполнено с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, а средство для регистрации излучения содержит проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив и ПЗС-матрицу, источник излучения конического пучка расположен на пересечении осей волоконно-оптических каналов транспортировки.

Средство для дополнительной регистрации излучения расположено на меньшем торце скомпонованного пакета в виде слоя люминофора.

Источник излучения конического пучка выполнен в виде нейтронного генератора.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 схематично представлено устройство для радиографии и томографии для конического нейтронного пучка, где: 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - экран-преобразователь, выполненный в виде волоконно-оптического усеченного конуса или усеченной пирамиды, 3 - отклоняющее зеркало, 4 - входной проекционный объектив, 5 - усилитель изображения, 6 - масштабирующий объектив, 7 - ПЗС-матрица, 8 - средство для размещения исследуемого образца, выполненное с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения.

На фиг.2 представлен поперечный разрез экрана-преобразователя 2, где: 9 - волокна, 10 - дополнительный слой люминофора.

Прямоугольное сечение (около 1×1 мм) волокон обеспечивает достаточно высокую (примерно, 90%) плотность их упаковки в экране.

В случае цилиндрических волокон плотность их упаковки в экране ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации.

Волокна экрана-преобразователя 2 изготовлены из полистирола и имеют светоотражающую оболочку. Макетный образец детектора нейтронов имеет экран сечением 150×150 мм.

Протяженность экрана вдоль нейтронного пучка составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в экране-преобразователе 2 в результате облучения, переносится по волокнам 9 на поверхность, обращенную в сторону отклоняющего зеркала 3. От отклоняющего зеркала 3 оптическое изображение направляют в сторону входного проекционного объектива 4, а затем с его помощью - на усилитель изображения 5 и далее с помощью масштабирующего объектива 6 на ПЗС-матрицу 7.

В отличие от известных приемников других типов, устройство с волоконно-оптическим экраном-преобразователем 2 является более универсальным, так как его конструкция обеспечивает возможность использования вместо него других типов экранов: дисперсных экранов при регистрации быстрых нейтронов, а также люминесцентных экранов для тепловых нейтронов и рентгеновского излучения. Эти экраны имеют толщину от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров. Их устанавливают в фокальной плоскости входного проекционного объектива 4, совпадающей с большим торцом конического экрана-преобразователя 2.

При радиографии источник быстрых нейтронов 1 располагают в точке пересечения осей всех волокон 9 (в вершине пирамиды или конуса). Исследуемый образец (не показан) устанавливают на средство для размещения исследуемого образца 8 между источником 1 и экраном-преобразователем 2. При регистрации быстрых нейтронов волокна 9 экрана-преобразователя 2 выполнены из люминесцирующего полистирола.

При регистрации тепловых нейтронов волокна 9 выполнены из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма-излучений волокна 9 выполняются из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: вольфрамат германия, иттриевый гранат и др.

Эффективность регистрации обеспечивается протяженностью экрана-преобразователя 2 вдоль направления распространения излучения.

Для регистрации объектов с различными габаритами необходимо изготовить несколько экранов-преобразователей с различными углами между образующими. При этом изменяется и расстояние от источника излучения 1 до основания экрана-преобразователя 2. Средство для размещения исследуемого образца 8, выполненное с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, позволяет совершать необходимую корректировку положения образца.

Для получения набора проекционных данных для томографии использован радиографический стенд. Средство размещения 8 образца обеспечивает получение набора проекционных радиографических изображений при различных его угловых положениях по отношению к оси пучка (в общем случае, в диапазоне от 0-360°). Изменение углового положения образца осуществляют с помощью шагового двигателя. Измерение углового положения и его контроль осуществляют с помощью синусно-косинусного трансформатора.

При изменении расстояния между источником излучения 1 и детектором необходимо использовать экран-преобразователь 2 с углом между образующими ϕ, который определяется поперечным размером большего торца экрана S и расстоянием от него до источника L: ϕ=S/L. Этим обеспечивается возможность исследовать объекты различного размера.

Использование: для анализа внутренней структуры объектов радиационными методами. Сущность: заключается в том, что каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов и скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, средство для размещения исследуемого образца выполнено с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, а средство для регистрации излучения содержит проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив и ПЗС-матрицу, источник излучения конического пучка расположен на пересечении осей волоконно-оптических каналов транспортировки. Технический результат: повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для радиографии и томографии, содержащее источник проникающего излучения, средство для размещения исследуемого образца, экран-преобразователь проникающего излучения, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса или пирамиды, на одном торце которого расположено средство, чувствительное к излучению, и средство для регистрации излучения, отличающееся тем, что каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов и скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, средство для размещения исследуемого образца выполнено с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, а средство для регистрации излучения содержит проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив и ПЗС-матрицу, источник излучения конического пучка расположен на пересечении осей волоконно-оптических каналов транспортировки.2. Устройство для радиографии и томографии по п.1, отличающееся тем, что средство для дополнительной регистрации излучения расположено на меньшем торце скомпонованного пакета в виде слоя люминофора.3. Устройство для радиографии и томографии по п.1, отличающееся тем, что источник излучения конического пучка выполнен в виде нейтронного генератора.