СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО КОЛЛИМАТОРА ДЛЯ ГАММА-РАДИОГРАФИИ Российский патент 2025 года по МПК G21K1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящий способ изготовления относится к области гамма-радиографии, а более конкретно, к изготовлению устройств формирования пучка гамма-излучения, прошедшего объект исследования, путем селективного снижения уровня рассеянного излучения, попадающего на систему регистрации, что повышает достоверность регистрации. Может быть использовано в импульсной гамма-радиографии быстропротекающих процессов.

Классическая схема газодинамического опыта для исследования быстропротекающих процессов в оптически плотных средах методом теневой рентгенографии содержит источник излучения, коллиматор, ограничивающий поле облучения, собственно объект исследования во взрывозащитной камере, следующий далее формирующий коллиматор, подавляющий рассеянное излучение и размещаемый между объектом исследования и регистратором, и регистратор теневых изображений [В.В. Клюев и др. Промышленная радиационная интроскопия. - М.: Энергоатомиздат, 1985].

При просвечивании оптически плотных объектов жестким тормозным излучением, поток первичных квантов, прошедших объект и несущий информацию о геометрии объекта исследования, ослабляется на 4-6 порядков. При этом, как сам объект, так и вспомогательное оборудование эксперимента (коллиматоры, защита, регистратор) становятся источником рассеянного излучения. Попадая на систему регистрации, это излучение приводит к уменьшению контраста изображения деталей исследуемого объекта, а, следовательно, и чувствительности гаммаграфической методики. Для селективного снижения уровня рассеянного излучения, попадающего на систему регистрации, используются коллиматоры различных конструкций. Характерными параметрами таких коллиматоров являются: размеры каналов h_Tr, сформированных из материала с низким коэффициентом поглощения гамма-излучения, размеры поглощающих слоев между каналами h_Op, сформированных из материала с высоким коэффициентом поглощения гамма-излучения, длина каналов по ходу излучения L, отношение растра r=L/h=L/(h_Op+h_Tr), фокусное расстояние f₀, характерный размер решетки коллиматора - ее шаг h, значение которого выражается через сумму размера канала и прилегающего к нему поглощающего слоя h=h_Op+h_Tr. Каналы представляют из себя отверстия-«соломинки» через толщину коллиматора по ходу излучения, тонкие пластины, оболочки, сегменты и др., через которые проходит прямопролетное излучение, а поглощающие слои между каналами служат для поглощения рассеянного излучения. Как правило, образуется периодическая решетка с шагом h_Op+h_Tr с прозрачностью для первичного излучения Т_р и прозрачностью для рассеянного излучения T_s.

Уровень техники

Известен способ изготовления коллиматора для жесткого рентгеновского излучения [Патент №2706219 РФ МПК H01J 35/14. Коллиматор для жесткого рентгеновского излучения. Ю.П. Куропаткин и др. Опубликовано 15.11.2019. Бюл. №32]. В известном изобретении тело коллиматора формируется набором пластин толщиной d из материала с высоким коэффициентом поглощения рентгеновского излучения, например, тантала или вольфрама, которые разделены полосками-пластинами толщиной D_k из прозрачного для рентгеновского излучения материала, например, лавсана, образующих отсеивающую решетку, сфокусированную на источник излучения. Толщина пластин из лавсана рассчитывается, исходя из специального соотношения. Таким образом, в данном исполнении решетки коллиматора каналы для прохождения прямопролетного излучения представляют собой набор пластин из материала с низким коэффициентом поглощения рентгеновского излучения. При этом часть металлических пластин вместе с прилегающими лавсановыми пластинами в области отверстия коллиматора выполнены состоящими из двух равных частей, установленных с возможностью взаимного перемещения для обеспечения регулирования размеров рабочего центрального отверстия с помощью шаблона заданного сечения.

Недостатками являются изготовление коллиматора из набора плоских пластин и использование каналов из цельного материала (например, лавсан) для пропускания прямого нерассеянного излучения. Коллиматор, изготовленный путем набора плоских пластин, плохо согласуется с геометрией эксперимента, использующей тормозное расходящееся веерное излучение, а именно оно наиболее часто встречающееся в практике высокоэнергичных рентгеновских и гамма-установок. Использование плоских пластин не позволяет сформировать в коллиматоре каналы, соответствующие веерной структуре прямопролетного излучения. Исходя из геометрических соображений, только из-за эффекта плоских пластин около 25% полезных квантов, несущих информацию о внутренней структуре исследуемого объекта, может быть потеряно из-за поглощения пластинами коллиматора. Изготовление каналов для прямого излучения из цельного материала нежелательно, так как происходит ослабление и рассеяние излучения, участвующего в формировании рентгеновских изображений.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному способу изготовления многоканального коллиматора для снижения уровня рассеянного излучения на 20 МэВ-ной гаммаграфической установке DARHT (Лос-Аламос, США). См. [S.A. Watson et al. Design, fabrication and testing of a large anti-scatter grid for megavolt γ-ray imaging. Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005 IEEE, vol. 2on]. Этот способ заключается в формировании слоеной структуры, выполненной из материала с высоким коэффициентом поглощения гамма-излучения с образованием расходящихся по коническим направляющим вдоль хода излучения сквозными каналами в виде отверстий для прохождения прямопролетного излучения.

Слоеная структура собирается из тонких пластин, изготовленных из смеси вольфрамового порошка с эпоксидной смолой. Получается решетка диаметром 45 см, толщиной 40 см, массой ~1 т, содержащая порядка 135000 отверстий диаметром 0,9 мм. Каждая пластина изготавливается методом порошкового «литья» с помощью алюминиевых формовочных шаблонов. Полученные отливки (заготовки) тщательно инспектируются на наличие дефектов и затем склеиваются в стопку, при этом выравнивание стопки представляет из себя целый комплекс мероприятий с использованием высокоточных калибровочных штифтов вместе с оптическими и рентгеновскими методиками. Изготовленная таким образом решетка помещается в рукав из нержавеющей стали и закрепляется на высокоточном юстировочном столе с двумя шарнирами и линейной направляющей для выполнения процедур по установке коллиматора в правильном положении в процессе экспериментов. Коллиматор имеет большое отношение растра r=L/h=480, что согласно имеющейся информации, полученной в реальных экспериментах, позволяет снизить фоновое излучение в 84 раза. Стопка тонких пластин пронизана сквозными каналами в виде отверстий диаметром 0,9 мм, точно повторяющими структуру веерного пучка прямопролетного излучения и тем самым позволяющими ему беспрепятственно проходить через коллиматор без генерации вторичного излучения.

Недостатками известного способа, принятого за прототип, является очень сложная и дорогостоящая технология изготовления решетки коллиматора. Для изготовления 120 алюминиевых формовочных шаблонов потребовалась полная загруженность трех станков ЧПУ в течении года, которые просверлили более 33 млн. запрограммированных отверстий. Также при изготовлении коллиматора для DARHT использовалась смесь вольфрамового порошка с эпоксидной смолой, что снизило среднюю плотность заготовок до 11,8 г/см³ по сравнению с чистым вольфрамом 19,3 г/см³. Как известно, чем выше плотность материала, тем выше коэффициент поглощения тормозного излучения.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа изготовления коллиматора, обеспечивающего эффективное подавление рассеянного излучения на гаммаграфической установке (бетатроны, линейные индукционные ускорители) с граничной энергией гамма-квантов от 1 и более МэВ. Сложность заключается в том, что для поглощения гамма-квантов высоких энергий необходимо иметь достаточно толстый коллиматор по ходу излучения, что приводит к необходимости получения каналов размерами менее 1 мм для вывода излучения с отношением растра r=L/h≈200…400 и более в материале с большой плотностью (вольфрам, тантал, ВНЖ), плохо подвергающимся механической обработке.

Техническим результатом настоящего изобретения является: эффективное подавление рассеянного излучения и, как следствие, улучшение качества рентгеновских изображений.

Способ заключается в формировании конических оболочек-каналов толщиной менее 1 мм и длиной более 100 мм для вывода прямопролетного гамма-излучения методом намотки тонкой фольги, не требующий проведения технологически сложной и дорогостоящей механической обработки металла с высокой плотностью.

Другими техническими результатами, обеспечиваемыми изобретением, являются: относительно небольшая стоимость изготовления коллиматора намоточным способом, его адаптируемость под конкретную схему проведения газодинамического опыта с учетом величины фокусного расстояния от источника излучения, и, соответственно, повышенная маневренность при проведении эксперимента. Способ позволяет создать несколько наборов коаксиальных оболочек, рассчитанных под разное фокусное расстояние (например, 1,5 м, 3 м, 4 м) от источника излучения, при этом в зависимости от схемы проведения эксперимента один из изготовленных наборов помещается в универсальный корпус, обеспечивающий надежную фиксацию фольги в сборке. Собранный коллиматор устанавливается на юстировочном столе для регулировки положения вдоль и вокруг осей декартовой системы координат.

Изготовленная намоточным способом многослойная структура обеспечивает возможность регистрировать рентгеновское изображение всего объекта исследования или его большой части при селективном подавлении рассеянного излучения.

Сущность изобретения

Технический результат обеспечивается тем, что способ изготовления многоканального коллиматора заключается в формировании коаксиальной слоеной структуры, состоящей из чередующихся оболочек из материалов с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения с образованием каналов для прохождения прямопролетного излучения, что хорошо согласуется с геометрией эксперимента, позволяя веерному пучку прямого излучения проходить сквозь коллиматор и формировать рентгеновское изображение. При этом рассеянное излучение, которое не имеет веерной структуры будет неминуемо поглощаться оболочками из материала с высоким коэффициентом поглощения излучения. Новым является то, что тело коллиматора формируют набором конических оболочек переменной толщины, при этом оболочки изготавливают намоткой фольги встык на каркас в виде цилиндра, каркас выполняют из материала с низким коэффициентом поглощения, каждую оболочку выполняют многослойной.

В предложенном способе для определения толщины первой оболочки со стороны выхода излучения из коллиматора H_1Op используется следующее соотношение: H_1Op = h_1Op(1 + L/f₀) + (LD/2f₀), где D - диаметр каркаса, L - длина коллиматора по ходу излучения, f₀ - расстояние от источника излучения до торцевой поверхности коллиматора, принимающей входящее излучение (фокусное расстояние), h_1Op - толщина первой оболочки с высоким коэффициентом поглощения гамма-излучения со стороны вхождения излучения в коллиматор, а для определения толщин последующих оболочек со стороны выхода излучения из коллиматора, изготовленных из материалов с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения, используются следующие соотношения: H_Op = h_Op(1 + L/f₀), H_Tr = h_Tr(1 + L/f₀), где L - длина коллиматора по ходу излучения, f₀ - расстояние от источника излучения до торцевой поверхности коллиматора, принимающей входящее излучение (фокусное расстояние), h_Op и h_Tr - толщины оболочек со стороны вхождения излучения в коллиматор, изготовленных из материалов с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения, h_Op и h_Tr задаются из условий геометрической прозрачности.

В отличие от способа изготовления прототипа, предполагающего сложный, длительный и дорогостоящий технологический процесс по изготовлению одного коллиматора, рассчитанного на определенное фокусное расстояние, намоточный способ изготовления позволяет изготовить несколько решеток коллиматора с ориентацией оболочек-каналов под разные фокусные расстояния, что дает большую свободу действий при проведении газодинамического опыта.

Селективное подавление рассеянного излучения достигается ориентацией коаксиальных конических оболочек на источник излучения, при этом в центральной части коллиматора прямопролетное излучение (пучок квантов излучения, несущих информацию об объекте исследования), проходит практически без ослабления, за счет каркаса, выполненного из материала с низким коэффициентом поглощения излучения.

Такое выполнение приводит к достижению технического результата. Коллиматор, изготовленный намоточным способом, позволяет регистрировать весь объект и отсечь влияние на результат регистрации рассеянного (паразитного) излучения, сохранив при этом влияние прямопролетного (полезного) излучения, что увеличит объем и повысит достоверность получаемой в эксперименте информации. При этом изготовление нескольких решеток коллиматора под разные фокусные расстояния сделает эксперимент более вариабельным по сравнению с прототипом.

Краткое описание чертежей

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема газодинамического опыта для исследования быстропротекающих процессов в оптически плотных средах методом теневой рентгенографии, где 1 - источник излучения, 2 - коллиматор, ограничивающий поле облучения, 3 - взрывозащитная камера (ВЗК), 4 - объект исследования, 5 - многоканальный коллиматор, 6 - система регистрации; на фиг. 2 представлен принцип работы многоканального коллиматора, где 7 - прямопролетное излучение, проходящее через объект исследования и далее через коллиматор без существенного отклонения от первоначальной траектории, 8 - излучение, рассеиваемое на объекте исследования и поглощаемое телом коллиматора; на фиг. 3 представлена расчетная схема для нахождения основных параметров многоканального коллиматора: толщин оболочек, углов расположения оболочек относительно оси вращения коллиматора и углов раскрытия конических оболочек переменной толщины; на фиг. 4 представлена структура оболочек коллиматора, формируемых намоткой фольги встык, где 9 - каркас, 10, 11 - первая оболочка из материала с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения соответственно, 12, 13 - вторая оболочка из материала с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения соответственно.

Осуществление изобретения

Заявленный способ может быть реализован следующим образом.

Суть способа схематично изложена на фиг.3 и фиг.4. Тело многоканального коллиматора изготавливается из набора конических оболочек переменной толщины, образованных поочередной намоткой фольги из материалов с высоким (например, вольфрам) и низким (например, алюминий) коэффициентом поглощения гамма-излучения. Для уменьшения уровня вторичного излучения, рекомендуется использование перфорированной алюминиевой фольги. Намотка производится на каркас 9 цилиндрической формы, например, на трубку диаметром 10 мм с толщиной стенки 1 мм, изготовленную из алюминия. Каркас выполняет две функции: механическую, заключающуюся в обеспечении жесткости для первых оболочек, изготавливаемых намоткой фольги, и транспортировочную, позволяющую прохождение полезного излучения в центральной части коллиматора без существенного ослабления. Таким образом, каркас изготавливается из материала с низким коэффициентом поглощения тормозного излучения. Первая оболочка 10, наматываемая на каркас, изготавливается из материала с высоким (вольфрам, тантал) коэффициентом поглощения тормозного излучения. Первая оболочка обладает уникальной геометрией, она задает углы намотки для последующих оболочек. На вольфрамовую оболочку наматывается алюминиевая фольга, в результате формируется коническая алюминиевая оболочка 11. Далее, опять вольфрамовая 12, алюминиевая 13 и т.д. Формируется периодическая решетка коллиматора, состоящая из коаксиальных конических оболочек. Длина коллиматора по ходу излучения L, как и толщины оболочек h_1Op, h_Op, h_Tr со стороны вхождения излучения в коллиматор задаются исходя из условия, что отношение растра, необходимое для эффективного подавления рассеянного излучения r=L/h=L/(h_Op+h_Tr)>100 [S.A. Watson et al. Design, fabrication and testing of a large anti-scatter grid for megavolt γ-ray imaging. Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005 IEEE, vol. 2S. A. Watson]. Для определения толщин оболочек, формируемых намоткой фольги, со стороны выхода излучения из коллиматора используются следующие соотношения: H_Op = h_Op(1 + L/f₀), H_Tr = h_Tr(1 + L/f₀), где L - длина коллиматора по ходу излучения, f₀ - расстояние от источника излучения до торцевой поверхности коллиматора, принимающей входящее излучение (фокусное расстояние), h_Op и h_Tr - толщины оболочек со стороны вхождения излучения в коллиматор, изготовленных из вольфрама и алюминия соответственно (подстрочные индексы Op - opaque, англ. непрозрачный, Tr - transparent, англ. прозрачный). Для определения толщины первой оболочки со стороны выхода излучения из коллиматора используется следующее соотношение: H_1Op = h_1Op(1 + L/f₀) + (LD/2f₀), где D - диаметр цилиндрического каркаса, h_1Op - толщина первой оболочки со стороны вхождения излучения в коллиматор.

Выбрав толщину оболочек из вольфрама со стороны вхождения излучения в коллиматор h_Op = 0,5 мм, геометрическую прозрачность 0,5, получаем h_Op+ h_Tr=1 мм, и размер по ходу луча L>100 мм (примем L=200 мм). Толщину первой оболочки h_1Op также выберем 0,5 мм для простоты вычислений (в общем это значение может отличаться от значения h_Op, так как оно не влияет на периодичность решетки). Тогда по приведенным соотношениям, исходя из значения фокусного расстояния f₀, рассчитываются толщины оболочек коллиматора со стороны выхода излучения (см. фиг.3). Для коллиматора длиной L=200 мм, намотанного на трубку диаметром D=10 мм с толщиной стенки 1 мм и настроенного на фокусное расстояние f₀=1,5 м, получаем H_1Op=1,23 мм, H_Op= H_Tr=0,57 мм. Исходя из полученных значений, производится формирование оболочек путем намотки тонкой фольги толщиной, например, 10 мкм (фиг.4). В таком случае, первая вольфрамовая оболочка образуется путем намотки фольги из вольфрама толщиной 10 мкм в 123 слоя без нахлеста, обеспечивая плотное прилегание к предыдущему слою. Первые 50 слоев наматываются ровно в торец. С 51-го по 123-й слои намотка производится с отступом 2,7 мм для формирования равномерной конусности вдоль базы L=200 мм. Вторая и последующие вольфрамовые оболочки формируются путем намотки фольги из вольфрама толщиной 10 мкм в 57 слоев без нахлеста, обеспечивая плотное прилегание к предыдущему слою. Первые 50 слоев наматываются ровно в торец. С 51-го по 57-й слои намотка производится с отступом 33,3 мм для формирования равномерной конусности вдоль базы L=200 мм. Алюминиевые оболочки формируются путем намотки фольги из алюминия толщиной 10 мкм в 57 слоев без нахлеста, обеспечивая плотное прилегание к предыдущему слою. Первые 50 слоев наматываются ровно в торец. С 51-го по 57-й слои намотка производится с отступом 33,3 мм для формирования равномерной конусности вдоль базы L=200 мм. В процессе намотки фиксация слоев обеспечивается при помощи клея. Важно сохранить целостность фольги, в процессе сборки избегать замятий, кручений и других деформаций фольги, приводящих к различию в однородности слоев.

Во избежание ошибок в процессе намотки можно пользоваться проверочными соотношениями для определения углов формирования конических оболочек (фиг.3). Для нахождения угла расположения любой конкретной оболочки (1й, 2й, 10й, 100й и т.д.) относительно оси вращения коллиматора, изготовленной из материала с высоким или низким коэффициентом поглощения гамма-излучения применяются следующие соотношения: α_iOp = arctg[(D + 2h_1Op + 2(i-1)h_Tr + 2(i-1)h_Op)/2f₀], α_jTr = arctg[(D + 2h_1Op + 2jh_Tr + 2(j-1) h_Op)/2f₀], где i = 1…n, j = 1…n - натуральные числа, n - количество оболочек в коллиматоре. Углы раскрытия конических оболочек, т.е. углы между двумя коническими поверхностями, ограничивающими оболочку коллиматора с переменной по ходу излучения толщиной и изготовленной из материала с высоким или низким коэффициентом поглощения гамма-излучения, определяются по следующим соотношениям: Δα_Op = arctg[(D + 2 h_1Op + 2 h_Tr + 2 h_Op)/2f₀] - arctg[(D + 2 h_1Op + 2 h_Tr)/2f₀], Δα_Tr = arctg[(D + 2 h_1Op + 2 h_Tr)/2f₀] - arctg[(D + 2 h_1Op)/2f₀].

Аналогично производится формирование структуры коллиматора, настроенного на другое значение фокусного расстояния. Целесообразно изготовить три набора оболочек под разные фокусные расстояния, например, 1,5 м, 3 м и 4 м. Нужный набор оболочек помещается в конструктив - корпус коллиматора, обеспечивающий сборку с необходимой точностью и юстировку коллиматора относительно источника излучения. В зависимости от требований конкретного эксперимента один набор оболочек может быть оперативно заменен на другой, при этом необходимо предусмотреть разные наборы вставок, помещаемые между телом коллиматора и стягиваемыми половинами корпуса.

Интегрирование изготовленного намоточным способом коллиматора в схему газодинамического опыта, позволит регистрировать весь объект и отсечь влияние на результат регистрации рассеянного (паразитного) излучения, сохранив при этом влияние прямопролетного (полезного) излучения, что увеличит объем и повысит достоверность получаемой в эксперименте информации. При этом изготовление нескольких решеток коллиматора под разные фокусные расстояния сделает эксперимент более вариабельным по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к способу изготовления многоканального коллиматора для гамма-радиографии и может быть использовано в импульсной гамма-радиографии быстропротекающих процессов. Способ осуществляется путем формирования коаксиальной слоеной структуры, состоящей из чередующихся оболочек из материалов с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения с образованием каналов для прохождения прямопролетного излучения. Причем тело коллиматора формируют набором конических оболочек переменной толщины, при этом оболочки изготавливают намоткой фольги встык на каркас в виде цилиндра, каркас выполняют из материала с низким коэффициентом поглощения, каждую оболочку выполняют многослойной. Техническим результатом является улучшение качества рентгеновских изображений за счет эффективного подавления рассеянного излучения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления многоканального коллиматора для гамма-радиографии, заключающийся в формировании коаксиальной слоеной структуры, состоящей из чередующихся оболочек из материалов с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения с образованием каналов для прохождения прямопролетного излучения, отличающийся тем, что тело коллиматора формируют набором конических оболочек переменной толщины, при этом оболочки изготавливают намоткой фольги встык на каркас в виде цилиндра, каркас выполняют из материала с низким коэффициентом поглощения, каждую оболочку выполняют многослойной.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения толщины первой оболочки со стороны выхода излучения из коллиматора используют следующее соотношение:

H_1Op = h_1Op(1 + L/f₀) + (LD/2f₀),

где D – диаметр каркаса, h_1Op – толщина первой оболочки с высоким коэффициентом поглощения гамма-излучения со стороны вхождения излучения в коллиматор, а для определения толщин последующих оболочек со стороны выхода излучения из коллиматора используют следующие соотношения:

H_Op = h_Op(1 + L/f₀),

H_Tr = h_Tr(1 + L/f₀),

где L – длина коллиматора по ходу излучения, f₀ – расстояние от источника излучения до торцевой поверхности коллиматора, принимающей входящее излучение, h_Op и h_Tr – толщины оболочек со стороны вхождения излучения в коллиматор, изготовленных из материалов с высоким и низким коэффициентом поглощения гамма-излучения, h_Op и h_Tr задают из условий геометрической прозрачности.