РАДИОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩЕГО ПРОЦЕССА В НЕОДНОРОДНОМ ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
RADIOGRAPHIC APPARATUS FOR OBTAINING IMAGE OF FAST PROCESS IN HETEROGENEOUS OBJECT OF RESEARCH

Изобретение относится к области ускорительной техники, и может быть использовано в радиографических исследованиях динамически перемещающихся или изменяющихся высокоплотных объектов большой толщины.
Известно устройство получения рентгеновского изображения быстропротекающего процесса [журнал ЖТФ, 1957 г, т. 27, №2, с. 43-57]. Данная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка состоит из анода в виде стержня небольшого диаметра с торцом, заточенным под конус, цилиндрического полого катода, соосно расположенного с анодом и удаленного от него на некотором расстоянии по оси. Трубка служит источником рентгеновского излучения, обеспечивающим формирование импульса излучения длительностью, существенно меньшей длительности регистрируемого процесса. Напротив рентгеновской трубки за объектом исследования установлена система регистрации теневого изображения.
Недостатком известного устройства является снижение резкости рентгеновских снимков от периферии к центру, уменьшение контраста изображения объектов с низкой плотностью, что делает невозможным получение достоверной информации о быстропротекающем процессе для объектов с различной оптической толщиной.
Наиболее близким к заявляемому изобретению и поэтому принятым за прототип является радиографическая (в частности, рентгеновская) установка для получения изображения быстропротекающего процесса [патент РФ на полезную модель №87810, МПК G03B 42/02, опуб. 20.10.2009], содержащая источник рентгеновского излучения, обеспечивающий рентгенографию областей объекта исследования с различными оптическими толщинами в соответствующих им различных энергетических диапазонах, причем напротив источника излучения за объектом исследования установлена соответствующая ему система регистрации.
В данной установке в качестве источника излучения используются один источник излучения с энергетическим спектральный диапазоном, заданным в соответствии с оптической толщиной менее плотной области объекта исследования и два источника излучения с энергетическим спектральный диапазоном, заданным в соответствии с оптической толщиной более плотной области объекта исследования. Источники излучения пространственно разнесены с обеспечением возможности получения изображений в различных ракурсах без перекрытия энергетических диапазонов излучения от источников. Рентгеновская установка может быть снабжена системой синхронизации источников излучения и коллиматорами.
Известная установка позволяет получить в пределах одного эксперимента рентгеновские изображения быстропротекающего процесса в объектах (например, в условиях взрывного эксперимента) с существенно неоднородной оптической плотностью, т.е для исследуемых объектов, оптическая плотность которых изменяется более, чем на два порядка по оптической плотности.
К недостаткам прототипа можно отнести недостаточную достоверность получения информации о быстропротекающем процессе для объектов с различной оптической толщиной в связи с тем, что не учтена погрешность зарегистрированного положения границ исследуемого объекта, которую вносит отсутствие информации о размере фокусного пятна источника излучения.
Задачей и техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, является повышение достоверности получения информации о быстропротекающих процессах в объектах с различной оптической толщиной исследуемого объекта путем учета погрешности зарегистрированного положения его границ, которую вносит информация о размере фокусного пятна источника излучения.
Технический результат достигается тем, что радиографическая установка для получения изображения быстропротекающих процессов в неоднородном объекте исследования, содержащая, по крайней мере, один источник тормозного излучения, обеспечивающий рентгенографию областей объекта исследования с различными оптическими толщинами в соответствующих им различных энергетических диапазонах, причем напротив источника излучения за объектом исследования установлена система регистрации, согласно изобретения в установку введена система диагностики, обеспечивающая регистрацию размера фокусного пятна источника излучения и установленная под углом к оси рентгенографирования, проходящей от источника излучения к объекту исследования и далее к системе регистрации.
Введение в радиографическую установку системы диагностики, обеспечивающей регистрацию размера фокусного пятна источника излучения в ходе рентгенографирования объекта исследования, при этом система диагностики установлена под углом к оси рентгенографирования, дает возможность учесть погрешность определения положения границ исследуемого объекта, вносимую влиянием на их размытие размера фокусного пятна, тем самым повысить достоверность полученной информации о быстропротекающем процессе в неоднородном объекте исследования. Необходимость установки системы диагностики под углом к оси рентгенографирования определена следующими условиями: установка системы диагностики на оси рентгенографирования в обратном направлении приведет к тому, что она окажется по ходу движения электронов, которые, во-первых, при взаимодействии с сцинтилляционным конвертором создадут на теневом изображении шум на порядки превышающий полезный сигнал, во-вторых электроны потеряют энергию, фокусное пятно увеличится на порядок, что отрицательно скажется на выходных технических характеристиках ускорителя. В-третьих, система диагностики выйдет из строя за несколько импульсов. Перед источником излучения устанавливать систему диагностики нельзя, т.к. объект исследования окажется в тени системы диагностики и на теневом изображении будет отсутствовать какая-либо информация об объекте исследования.
Размещение системы диагностики определенным образом к оси рентгенографирования, проходящей от источника излучения к объекту исследования и далее к системе регистрации, позволяет осуществить регистрацию/контроль размера фокусного пятна в каждом импульсе ускорителя с источником тормозного излучения одновременно/независимо от получения теневого изображения исследуемого объекта, повышая достоверность полученной информации. При этом размер фокусного пятна от импульса к импульсу будет меняться, что естественно, и, соответственно, вносить разный вклад в размытие границ объекта на каждом теневом изображении (рентгенограмме).
Для повышения информативности результатов исследований система диагностики содержит сцинтилляционный экран и многокадровую цифровую камеру, что дает возможность осуществить регистрацию/контроль размера фокусных пятен при работе ускорителя с источником тормозного излучения в однокадровом и многокадровом режимах, в статическом положении исследуемого объекта, так и в его динамическом развитии (динамическом изменении конфигурации).
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
- на фиг. 1 схематично изображена установка для получения радиографического изображения быстропротекающих процессов в неоднородном объекте исследования во взрывном рентгенографическом эксперименте, где принимаются следующие обозначения: 1 - излучатель; 2 - источник тормозного излучения, 3 - коллиматор, 4 - броневая стена каземата, 5 - защита источника от воздействия ВВ при взрывном эксперименте; 6 - объект исследования, 7 - система регистрации, 8 - система диагностики;
- на фиг. 2 представлена схема системы диагностики.
Радиографическая установка (фиг. 1-2) для получения изображения быстропротекающих процессов в неоднородном объекте исследования 5 содержит в своем составе линейный индукционный ускоритель 1 (ЛИУ) с по крайней мере одним источником тормозного излучения 2, способного генерировать несколько импульсов тормозного излучения за один пуск с граничной энергией электронов от 2 до 65 МэВ, длительностью, существенно меньшей длительности регистрируемого процесса. Также радиографическая установка содержит коллиматор 3, объект исследования 6, многокадровую систему регистрации 7, способную регистрировать как одно, так и несколько рентгеновских изображений в течение быстропротекающего процесса, и систему диагностики 8, регистрирующую размер фокусного пятна источника излучения 1 каждого импульса тормозного излучения за один пуск ускорителя 1 и впоследствии учесть размер фокусного пятна при определении положения границ объекта исследования 6. С помощью системы регистрации 7 визуализируют положение и состояние объекта исследования 6 на момент рентгенографирования в виде рентгенографического изображения.
Система диагностики 8 установлена под углом Δ к оси рентгенографирования, проходящей от источника излучения 1 к объекту исследования 6 и далее к системе регистрации 7, на пути распространения «обратного» тормозного излучения, также генерируемого источником 2. Величина угла Δ зависит от габаритных размеров конструкционных элементов самого ускорителя.
Для повышения информативности результатов исследований система диагностики 8 (фиг. 2) содержит сцинтилляционный экран 9 и многокадровую цифровую камеру 10, что дает возможность осуществить работу ускорителя в однокадровом и многокадровом режимах при статическом положении исследуемого объекта бив его динамическом развитии (динамическом изменении конфигурации).
Установка работает следующим образом.
Производят пуск ускорителя 1 с источником тормозного излучения 2. В источнике 2 генерируется тормозное излучение, которое распространяется во все стороны, преимущественно вперед. «Прямым» тормозным излучением через коллиматор 3 производят рентгенографирование (получение теневого изображения) объекта исследования 6, а за счет «обратного» тормозного излучения, проходящего через систему диагностики 8, одновременно с получением теневого изображения объекта исследования 6 в заданные моменты времени быстропротекающего процесса определяют размер фокусного пятна источника тормозного излучения 1. Коллимация «прямонаправленного» тормозного излучения с помощью коллиматора 3, исходя из представления о габаритах исследуемой области объекта исследования 6, позволяет исключить вредное рассеянное излучение при проведении рентгенографии объекта исследования 6, что повышает качество теневых изображений, регистрируемых системой регистрации 7.
Процесс определения фокусного пятна системой диагностики 8 осуществляется следующим образом. «Обратное» тормозное излучение проходит через щелевой коллиматор 11, образованный набором сегментов цилиндра (не менее чем из двух сегментов) из сплава вольфрам-никель-железо (далее - сегмент), обращенных друг к другу закругленной стороной. Набор сегментов используется в качестве тест-объекта для определения размера фокусного пятна по методу «полутени от резкого края» [Wang, Y., Li, Q., Chen, N., Cheng, J. M., Li, C. G., Li, H., … & Deng, J. J. (2016). Experimental comparison of various techniques for spot size measurement of high-energy X-ray. Chinese Physics C, 40(8), 086205, стр. 3]. Сцинтилляционный экран 9, установленный за набором сегментов 11, переводит «обратное» тормозное излучение в видимый свет, который фиксируется цифровой многокадровой камерой 10. Цифровая камера 10 осуществляет регистрацию теневого изображения набора сегментов 11 напрямую или через зеркало 12 (в зависимости спектра тормозного излучения источника тормозного излучения 2). Зеркало 12 используют для увеличения рабочего ресурса камеры 10 (в случае использования ускорителя 1 с малой граничной энергией электронов (~ до 2 МэВ) зеркало 12 не применяют). Затем цифровое теневое изображение, зарегистрированное цифровой камерой 10 по кабельным магистралям передается на управляющий компьютер (не показано). По полученному изображению используя метод «полутени от резкого края» строят профиль яркости вдоль выбранного направления. Далее методом определения среднеквадратичного отклонения (из функции ошибок erf или Гаусса) [Richardson R.A., T.L. Houck, "Roll bar spot size measurement technique", 19th International Linear Accelerator Conference, 1998 г.] определяют размер фокусного пятна
В итоге, на персональном компьютере по завершении обработки теневых изображений, полученных системой регистрации, с учетом размера фокусного пятна, полученной системой диагностики, определяют границы объекта исследования 6 с повышенной точностью. Обработка теневых изображений оптически неоднородного объекта исследования 6 с учетом размера фокусного пятна источника излучения 2 повышает достоверность определения положения границ объекта исследования 6 в заданный момент времени быстропротекающего процесса.
Для защиты системы диагностики 8 от электромагнитного излучения и влияния рассеянного излучения на качество рентгенограмм ее устанавливают в саркофаг из свинца (не показано).
Согласно целям и задачам экспериментальных исследований в радиографической установке может быть применен как один, так и несколько ускорителей с одним или несколькими источниками тормозного излучения. Источники излучения могут быть условно «мягкого» и «жесткого» спектра тормозного излучения, обеспечивающие качественную рентгенографию, соответственно, менее и более плотных областей объекта исследования. Источники тормозного излучения условно-низкоэнергетического диапазона («мягкого» спектра тормозного излучения) используют при рентгенографии менее плотных областей объекта, а источники тормозного излучения условно-высокоэнергетического диапазона («жесткого» спектра тормозного излучения) используют при рентгенографии более плотных областей объекта исследования.
В частном варианте реализации радиографическая установка может иметь несколько ускорителей с источниками тормозного излучения с различной граничной энергией, подобранной в соответствии с разноплотностью объекта исследований. При этом каждый источник излучения будет иметь соответствующую ему систему диагностики, которая регистрирует/контролирует размер фокусного пятна соответствующего ей источника излучения. Каждая система диагностики, также как в случае с одним источником излучения, будет установлена под определенным углом, зависящим от габаритных размеров соответствующего каждой системе диагностики ускорителя, и с ориентацией в «обратном» направлении к оси рентгенографирования соответствующего источника излучения.
На предприятии было проведено экспериментальное опробование системы диагностики, которое подтвердило получение результатов исследований быстропротекающего процесса в оптически неоднородном объекте исследования с более точным определением положения его границ, что повысило достоверность получения информации о быстропротекающих процессах в объектах с различной оптической плотностью.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявляемое изобретение, при его осуществлении предназначено для использовании в области ускорительной техники, и может быть использована в радиографических исследованиях динамически перемещающихся или изменяющихся высокоплотных объектов большой толщины;
- средство, воплощающее заявляемое изобретение, при осуществлении способно повысить достоверность получения информации о быстропротекающих процессах в объектах с различной оптической толщиной исследуемого объекта;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».