СПОСОБ РЕНТГЕНОВСКОГО АБСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВА Российский патент 2018 года по МПК G01N23/87 

Предлагаемый способ рентгеновского абсорбционного анализа вещества предназначен для неинвазивного определения элементного состава квазиоднородных включений в укрывающих средах и может использоваться, например, при контроле почтовых отправлений путем одновременной плотностной и элементной интроскопии.

Известны способы и устройства определения элементного состава вещества, основанные на абсорбции монохроматического рентгеновского или гамма излучений на нескольких энергиях вблизи К-скачка поглощения искомых элементов [Авторское свидетельство СССР №393654 от 10.08.1973; Авторское свидетельство СССР №342114 от 14.06.1972].

Эти методы обеспечивают хорошую чувствительность, однако принцип определения концентрации искомого элемента по К-скачку поглощения, определяемого путем просвечивания исследуемого объекта монохроматическим излучением на двух или трех энергиях, не применим для объектов, находящихся в укрывающих средах и имеющих заведомо неизвестный элементный состав.

Наиболее близким по технической сущности является способ рентгеновского абсорбционного анализа вещества, описанный в работе [Авторское свидетельство СССР, SU №1343323 от 07.10.1987].

Этот способ позволяет оценивать фракционный состав предварительно подготовленной пробы и заключается в том, что анализируемый объект погружается в укрывающую среду, в качестве которой выступает вода, и облучается потоком проникающего излучения радиоизотопного источника, при этом отдельно регистрируются излучение, прошедшее через пробу в области объекта, и излучение, прошедшее через укрывающую среду в области фона. О фракционном составе пробы судят по величине отношения измеренных интенсивностей ослабленного излучения в областях фона и объекта.

Данный способ рентгеновского абсорбционного анализа вещества по отношению интенсивностей проникающего излучения в областях фона и объекта применим только для фракционного анализа и не позволяет судить об элементном составе анализируемого объекта, так как для этого недостаточно исходных данных.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности неинвазивного определения элементного состава квазиоднородных включений в укрывающих средах за счет измерения интенсивности ослабленного излучения в областях фона и объекта путем регистрации абсорбционных кривых, что увеличивает объем исходных данных и позволяет поставить и решить задачу восстановления спектральных распределений и установления весовой доли химических элементов в анализируемом объекте, приводящих к трансформации спектра ослабленного излучения в области включения в сравнении с фоном.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, достигается тем, что в известном способе рентгеновского абсорбционного анализа вещества, укрывающую среду, содержащую анализируемый объект, облучают проникающим излучением, измеряют интенсивности ослабленного излучения в областях фона и объекта и по их отношению судят о составе объекта, осуществляют облучение укрывающей среды проникающим рентгеновским излучением и измеряют интенсивности ослабленного излучения в областях фона и объекта путем регистрации абсорбционных кривых, по форме которых восстанавливают спектральные распределения излучения в областях фона и объекта и по отношению интенсивностей в спектрах рассчитывают, весовые доли химических элементов в анализируемом объекте, приводящие к трансформации спектра в области объекта.

Суть метода измерений заключается в следующем: в поле излучения рентгеновской трубки, ослабленном укрывающей средой, в областях фона и объекта размещаются многоэлементные линейные детекторы таким образом, что каждый предыдущий микродетектор работает как ослабляющий фильтр для последующего. В качестве детекторов могут использоваться, например, многоэлементные микрополосковые детекторы на основе арсенида галлия, описанные в [Толбанов О.П. Детекторы ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия // Вестник Томского государственного университета. 2005, №285, С. 155-163]. В результате воздействия рентгеновского излучения в многоэлементных линейных детекторах возникают распределения экспоненциально затухающих сигналов, формирующих абсорбционные кривые, соответствующие спектральным распределениям ослабленного излучения в областях фона и объекта. По экспериментально регистрируемым абсорбционным кривым, т.е. по данным о поглощении ослабленного рентгеновского излучения в многоэлементных линейных детекторах, восстанавливают спектральный состав ослабленного излучения в областях фона и объекта. Восстановление спектральных распределений осуществляют, например, методом минимума направленного расхождения [Тараско М.З. Метод минимума направленного расхождения в задачах поиска распределений. Препринт ФЭИ №1446. Обнинск, 1983, 16 с.]. Далее формируют разностный спектр и решают задачу определения элементного состава включения, обуславливающего различие спектрального состава излучения в областях фона и объекта. Для решения задачи определения элементного состава включения используют, например, метод максимального правдоподобия [Теребиж В.Ю. Введение в статистическую теорию обратных задач. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, С. 54-60].

Практическое использование способа измерения согласно изобретению для плотностной и элементной интроскопии квазиоднородных включений в укрывающих средах сводится к визуализации их внутренней структуры и реализации нижеследующего алгоритма работы и вычислений, приведенного для объяснения сущности изобретения и не являющегося ограничивающим.

Путем облучения рентгеновским излучением формируется теневое рентгеновское изображение укрывающей среды; теневое изображение визуализируется, например, с помощью двумерного детектора; оператором или алгоритмом интеллектуального анализа данных осуществляется плотностной визуальный анализ и по изображению выявляется область подозрительного включения; с помощью манипулятора под областью включения и в ближайшей окрестности в области фона размещаются линейные многоэлементные детекторы, регистрирующие абсорбционные кривые, далее осуществляется математическая обработка полученных данных и оценивается элементный состав подозрительного включения.

Задача восстановления спектрального состава излучения по сигналам с идентичных микродетекторов, имеющих различную эффективность регистрации, определяемую пространственным положением микродетекторов в линейном детекторе, сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений. Учитывая природу взаимодействия рентгеновского излучения со средой, записанная система уравнений будет системой со стохастической матрицей. Для ее решения применим метод минимума направленного расхождения, описанный в [Тараско М.З. Метод минимума направленного расхождения в задачах поиска распределений. Препринт ФЭИ №1446. Обнинск, 1983, 16 с.].

Например, многоэлементный линейный детектор выполнен в виде прямоугольной пластины из вещества плотностью ρ, в объеме которой последовательно выделено m чувствительных элементов - микродетекторов протяженностью t в направлении просвечивания. При экспонировании детектора вдоль линии размещения чувствительных элементов априорная вероятность распределения квантов рентгеновского излучения по микродетекторам определяется выражением: , где - доля квантов, регистрируемых в микродетекторе с номером n; p_E=1-ехр(-μ_E⋅ρ⋅t) - вероятность поглощения квантов в отдельном микродетекторе; q_n,E=ехр(-μ_E⋅ρ⋅t⋅n) - вероятность пропускания квантов (n-1) микродетектором; γ_E - доля квантов с энергией E в пучке излучения; μ_E - массовый коэффициент ослабления вещества детектора на энергии E. Сумма в знаменателе определяет число квантов, поглощенных по всем чувствительным элементам детектора. Суммирование ведется по всем квантам пучка, т.е. по всем энергиям E.

Апостериорная вероятность поглощения квантов задана после экспонирования сигналами, считанными с каждого из микродетекторов: , где N_n - число квантов, зарегистрированных в микродетекторе с номером n.

Зная априорную и апостериорную вероятности ослабления пучка рентгеновского излучения в веществе детектора с известными параметрами, для нахождения спектра излучения используют итерационную формулу:

.

В результате выполнения итерационной процедуры формируется дискретное распределение γ_E, описывающее искомое восстановленное спектральное распределение.

Экспериментально определяя спектральный состав ослабленного излучения двух близлежащих областей пространства в плоскости рентгеновского изображения - области фона и области объекта и представляя включение в укрывающей среде как фильтр, состоящий из K химических элементов, заданных своими весовыми долями C_k, рассчитывают весовые доли химических элементов, формирующих включение, при условии, что .

Если для области включения можно определить плотность ρ_об. и толщину t_об. в направлении просвечивания, то расчет выполняют методом максимального правдоподобия путем минимизации функционала

,

где - число интервалов группирования по энергии, определяемое граничной энергией Е_гр. в спектре излучения и шагом квантования ΔE, заданным при восстановлении спектра; W_n - веса невязок; n - целое число, задающее энергию выделенной спектральной линии - E_n=n⋅ΔE, шириной ΔE; L_Э(E_n) - логарифмический контраст включения, рассчитанный по экспериментальным данным; L_T(E_n) - логарифмический контраст включения, рассчитанный исходя из закона ослабления монохроматического излучения.

Для нахождения L_Э(E_n) и L_T(E_n) используют формулы:

,

где N_об.(E_n) и N_фон(E_n), приведенные интенсивности спектральных линий соответственно в областях фона и включения;

,

где суммирование осуществляется по всем K неизвестным химическим элементам с массовыми коэффициентами ослабления - μ_k(E_n), присутствующим во включении с весовой долей C_k.

Из условия минимума функционала F получается система K линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных весовых долей C_k, решение которой находится численно.

Если параметры ρ_об. и t_об. объекта не определены, то расчет выполняется путем минимизации функционала

.

Облучение укрывающей среды рентгеновским излучением и измерение интенсивности ослабленного излучения в областях фона и объекта путем регистрации абсорбционных кривых по сигналам многоэлементных линейных детекторов выгодно отличает предложенный способ рентгеновского абсорбционного анализа вещества от указанного прототипа, так как позволяет получить массив экспериментальных данных, достаточный для восстановления спектральных распределений в области фона и объекта и оценки элементного состава квазиоднородных включений в укрывающих средах.

Использование: для рентгеновского абсорбционного анализа вещества. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют облучение укрывающей среды проникающим рентгеновским излучением и измеряют интенсивности ослабленного излучения в областях фона и объекта путем регистрации абсорбционных кривых, по форме которых восстанавливают спектральные распределения излучения в областях фона и объекта и по отношению интенсивностей в спектрах рассчитывают весовые доли химических элементов в анализируемом объекте, приводящие к трансформации спектра в области объекта. Технический результат: обеспечение возможности неинвазивного определения элементного состава квазиоднородных включений в укрывающих средах.

Способ рентгеновского абсорбционного анализа вещества, заключающийся в том, что укрывающую среду, содержащую анализируемый объект, облучают проникающим излучением, измеряют интенсивности ослабленного излучения в областях фона и объекта и по их отношению судят о составе объекта, отличающийся тем, что укрывающую среду облучают проникающим рентгеновским излучением, измеряют интенсивности ослабленного излучения в областях фона и объекта путем регистрации абсорбционных кривых, по форме которых восстанавливают спектральные распределения излучения в областях фона и объекта и по отношению интенсивностей в спектрах рассчитывают весовые доли химических элементов в анализируемом объекте, приводящие к трансформации спектра в области объекта.