МОБИЛЬНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ПЛОТНОМЕР Российский патент 2017 года по МПК G01N9/00 

Изобретение относится к области измерения плотности твердых тел с использованием рентгеновского излучения. Сущность заключается в том, что между окном рентгеновского генератора, формирующим направленный на исследуемый объект пучок первичного рентгеновского излучения, и детекторами, регистрирующими обратно рассеянное излучение от объекта, установлена мишень, испускающая характеристическое рентгеновское излучение, возбуждаемое первичным излучением, которое поступает в каждый детектор и служит для компенсации изменения интенсивности излучения рентгеновского генератора, что позволяет повысить стабильность и точность измерений плотности. Это особенно важно при проведении контроля объектов в полевых условиях.

Известны устройства, предназначенные для контроля плотности изделий с использованием гамма-излучения, принцип работы которых основан на явлении рассеяния гамма-излучения атомами вещества контролируемого объекта [Патент US 4766315, МПК G01N 23/22, 23.08.1988]. Рассеяние является главным образом результатом комптоновского взаимодействия фотонов с электронами атомов вещества объекта, причем количественно такое взаимодействие определяется плотностью вещества. Измеряя плотность потока рассеянных фотонов, можно получить прямую зависимость между показаниями прибора и плотностью вещества. Обычно измерения плотности проводят с использованием калибровочного графика [Описание изобретения к патенту РФ №2345353 от 06.06.2007, МПК G01N 23/06, G01N 9/24, опубл. 27.01.2009].

Недостатками известных устройств являются низкая чувствительность и длительное время измерения, практически исключающие возможность контроля плотности при перемещении устройства относительно объекта. Кроме того, из-за уменьшения потока гамма-излучения в результате распада радионуклида необходима регулярная экспериментальная коррекция калибровочного графика, что снижает производительность измерения.

В качестве прототипа выбран мобильный рентгеновский плотномер [Описание изобретения к патенту РФ №252948 от 03.12.2012, МПК G01N 9/00, опубл. 27.09.2014], который включает панорамный рентгеновский генератор с окном, формирующим направленный на исследуемый объект широкополосный пучок рентгеновского излучения, два энергодисперсионных детектора, окруженных защитой с коллиматорами, пропускающими обратно рассеянное излучение от объекта, два датчика расстояния для учета влияния изменения геометрии в процессе измерения при движении. Плотность для каждого канала (детектора) рассчитывают по измеренной скорости счета с помощью заданной градуировочной характеристики (математической модели).

К недостаткам данного устройства относятся низкая стабильность измерений вледствие изменения интенсивности излучения рентгеновского генератора в процессе работы, которая приводит к увеличению систематической погрешности и снижению точности измерений.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении стабильности и снижении погрешности измерений.

Для достижения указанного технического результата в мобильном рентгеновском плотномере, включающем рентгеновский генератор с окном, формирующим широкополосный панорамный пучок излучения, два энергодисперсионных детектора, регистрирующих излучение, обратно рассеянное от анализируемого объекта, два датчика расстояния для учета влияния изменения геометрии в процессе измерения при движении, согласно изобретению между детекторами и окном рентгеновского генератора установлена мишень из материала, испускающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией в диапазоне от 15 до 35 кэВ, выполненная в виде удлиненной прямоугольной пластины, изогнутой по поперечной оси симметрии и обращенной выпуклой поверхностью в сторону окна рентгеновского генератора и узкими сторонами к детекторам, а каждый детектор снабжен дополнительным коллиматором, пропускающим пучок характеристического рентгеновского излучения мишени в детектор.

Предлагаемое устройство представлено схематически на фиг. 1. В устройстве используется рентгеновский генератор /1/ с окном /2/, формирующим пучок излучения, направленный на исследуемый объект /3/. Каждый из двух сцинтилляционных детекторов /4/ снабжен защитой /5/ с коллиматором /6/, пропускающим излучение от исследуемого объекта, и коллиматором /7/, пропускающим излучение от мишени /8/. Мишень изготавливают из материала, испускающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией в диапазоне от 15 до 35 кэВ, которое с достаточной эффективностью регистрируется сцинтилляционными детекторами, например, из кадмия. Толщину мишени выбирают из условия не менее чем десятикратного ослабления собственного излучения. Два датчика /9/ расстояния позволяют контролировать геометрические параметры системы «источник - объект - детектор».

Устройство работает следующим образом. Рентгеновский генератор /1/ создает пучок первичного широкополосного излучения с осью, направленной нормально к поверхности исследуемого объекта /3/. Границы и направления пучков рентгеновского излучения показаны штриховыми линиями со стрелками. Первичное излучение частично попадает на мишень /8/ и возбуждает в ней характеристическое рентгеновское излучение. Обратно рассеянное веществом объекта излучение, прошедшее через коллиматоры /6/, и характеристическое излучение мишени /8/, прошедшее через коллиматоры /7/, регистрируют детекторами /4/.

Энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора обеспечивает разделение пиков обратно рассеянного излучения и характеристического излучения. Для каждого измерительного канала (детектора) находят скорость счета N_p в пике обратно рассеянного излучения, скорость счета N_x в пике характеристического излучения мишени и вычисляют скорость счета N с поправкой на изменение интенсивности первичного излучения по формуле:

Расчет плотностей ρ₁ и ρ₂ для каждого канала проводят по градуировочным характеристикам плотномера, связывающим плотность со скоростью счета N в каждом канале, которые построены с учетом изменения геометрии при движении.

Так как относительные изменения скоростей счета в пиках обратно рассеянного и характеристического излучения одинаковы, введение поправки по формуле (1) обеспечивает компенсацию изменения интенсивности пучка рентгеновского генератора в процессе его работы, что приводит к повышению стабильности и снижению погрешности измерений.

По мнению авторов, указанные отличительные признаки являются новыми и в предложенном функциональном единстве необходимы и достаточны для обеспечения заявленного технического результата.

Использование: для измерения плотности твердых тел. Сущность изобретения заключается в том, что мобильный рентгеновский плотномер включает рентгеновский генератор с окном, формирующим широкополосный панорамный пучок излучения, два энергодисперсионных детектора, регистрирующих излучение, обратно рассеянное от анализируемого объекта, два датчика расстояния для учета влияния изменения геометрии в процессе измерения при движении, при этом между детекторами и окном рентгеновского генератора установлена мишень из материала, испускающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией в диапазоне от 15 до 35 кэВ, выполненная в виде удлиненной прямоугольной пластины, изогнутой по поперечной оси симметрии и обращенной выпуклой поверхностью в сторону окна рентгеновского генератора и узкими сторонами к детекторам, а каждый детектор снабжен дополнительным коллиматором, пропускающим пучок характеристического рентгеновского излучения мишени в детектор. Технический результат: повышение стабильности и снижение погрешности измерений. 1 ил.

Мобильный рентгеновский плотномер, включающий рентгеновский генератор с окном, формирующим широкополосный панорамный пучок излучения, два энергодисперсионных детектора, регистрирующих излучение, обратно рассеянное от анализируемого объекта, два датчика расстояния для учета влияния изменения геометрии в процессе измерения при движении, отличающийся тем, что между детекторами и окном рентгеновского генератора установлена мишень из материала, испускающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией в диапазоне от 15 до 35 кэВ, выполненная в виде удлиненной прямоугольной пластины, изогнутой по поперечной оси симметрии и обращенной выпуклой поверхностью в сторону окна рентгеновского генератора и узкими сторонами к детекторам, а каждый детектор снабжен дополнительным коллиматором, пропускающим пучок характеристического рентгеновского излучения мишени в детектор.