РЕНТГЕНОВСКИЙ ФИЛЬТР
X-RAY FILTER

Изобретение относится к технике рентгеновских методов интроскопии объектов, в частности, к рентгеновским фильтрам и предназначено для фильтрации излучения при проведении процедур определения свойств многофазных потоков, протекающих в трубе, дефектоскопии или других исследованиях, в которых используется ионизирующее излучение для получения различных изображений исследуемого объекта. Изобретение может быть использовано с излучением от рентгеновских трубок или гамма-излучением изотопных источников.
Известен рентгеновский фильтр, содержащий две фольги, изготовленные из разных химических элементов, причем толщина фольги из более легкого элемента такова, что ее поглощение совпадает с поглощением второго типа фольги за К-краем поглощения [Авт. свид. SU №934329, кл. 23/20, опубл. 07.06.82].
Недостатком данного типа фильтра является то, что возможности его применения ограничены только лишь получением одной выделенной линии рентгеновского излучения шириной в несколько кэВ, расположенной ниже К-края поглощения более тяжелого элемента фильтра. Также его использование ограничено использованием в связке с двумя отдельными детекторами.
Известен рентгеновский фильтр, перекрывающий половину пикселей детектора в шахматном порядке или в виде параллельных ламелей [Патент RU №2694331, кл. А61В 6/03, G21K 1/00, G01T 1/16, опубл. 11.07.2019 г.].
Данный фильтр закрепляют на торце плоскопанельного детектора рентгеновского излучения, он поглощает низкоэнергетическую составляющую рентгеновского спектра и перекрывает половину пикселей детектора в шахматном порядке или посредством параллельных ламелей, половина пикселей детектора регистрирует излучение, не взаимодействовавшее с фильтром, и образует первую группу пикселей. Другая половина пикселей детектора регистрирует излучение, прошедшее через фильтр, и образует вторую группу пикселей. При этом обеспечивается условие регистрации излучения, когда комбинация четырех рядом стоящих пикселей состоит из двух пикселей первой группы, регистрирующих излучение, не взаимодействующее с фильтром и представляющее полный спектр рентгеновского излучения, и двух пикселей второй группы, регистрирующих излучение, прошедшее через фильтр и представляющее высокоэнергетическую составляющую спектра рентгеновского излучения, при обработке данных в каждой из групп пикселей проводят сложение сигналов, вычитают сигнал второй группы пикселей из первой и получают информацию о низкоэнергетической составляющей спектра рентгеновского излучения, полученной для четырех пикселей первой и второй групп, которую относят к средней координате этих пикселей при получении томограммы.
Недостатком данного фильтра является то, что возможности его применения ограничены только лишь удалением низкоэнергетической составляющей спектра излучения. Кроме того, его использование ограничено применением с плоскопанельным детектором для томографии в коническом пучке.
Наиболее близким к заявляемому объекту является рентгеновский фильтр, который выполнен из двух видов фильтрующих материалов, имеющих различный коэффициент поглощения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтра находилась над собственным пикселем матричного детектора [Патент RU №2659763, кл. G01F 1/708, G01N 23/12, опубл. 03.07.2018].
Недостаток данного фильтра заключается в том, что оба материала фильтра поглощают только низкоэнергетическую часть спектра излучения, прошедшего сквозь его материалы. Даже с учетом того, что коэффициент поглощения материала с высоким атомным номером имеет «провал» в области низких энергий, излучение, прошедшее через этот материал не является узкополосным и обладает значительной интенсивностью в области высоких энергий, что при решении системы уравнений Бугера-Ламберта-Бера при анализе состава исследуемого объекта будет негативно сказываться на точности.
Изобретение направлено на расширение области спектральных измерений и повышение точности измерения рентгеновского излучения за счет получения двух различных узкополосных спектров излучения.
Это достигается тем, что в рентгеновском фильтре, включающем фильтрующие материалы из металлов, согласно изобретению фильтрующие материалы выполнены из двух пар металлов, имеющих различные коэффициенты поглощения, при этом у каждой пары металлов совпадают коэффициенты поглощения выше края полосы поглощения более тяжелого из них.
Пары фильтрующих материалов могут располагаться в любых последовательностях в зависимости от требований к его применению.
Например, пары материалов могут располагаться полосами, или в шахматном порядке, или может быть использовано объединение пикселей блоками.
Это дает возможность в результате фильтрации получать изображение исследуемого объекта одновременно в двух узкополосных спектрах излучения. Так как два получаемых спектра излучения не пересекаются по энергиям, они не оказывают друг на друга взаимного влияния, тем самым повышается точность определения состава исследуемого объекта.
На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый рентгеновский фильтр с двумя парами фильтрующих материалов блоками по четыре пикселя,
на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1,
на фиг. 3 - разрез по В-В на фиг. 1,
на фиг. 4 - фильтр с двумя парами фильтрующих материалов, расположенные полосами,
на фиг. 5 - разрез по А-А на фиг. 5,
на фиг. 6 - фильтр с шахматным расположением двух пар фильтрующих материалов,
на фиг. 7 - разрез по А-А на фиг. 6,
на фиг. 8 - разрез по В-В на фиг. 6,
где 1 и 2 - материалы, образующие первую полосу пропускания, например, олово и медь, 3 и 4 - материалы, образующие вторую полосу пропускания, например, вольфрам и золото, 5 - пиксель многопиксельного детектирующего устройства или единичный детектор;
на фиг. 9 показано устройство для анализа потока многофазной жидкости, в котором использован предлагаемый рентгеновский фильтр,
где 6 - источник ионизирующего излучения - рентгеновская трубка или радиоизотопный источник, 7 - объект исследования, например, труба с потоком многофазной жидкости, 8 - рентгеновский фильтр (черным и белым цветами показаны участки фильтра, соответствующие двум разным узкополосным спектрам), установленный перед детектирующим устройством, 9 - детектирующие устройства или пиксели одного многопиксельного детектирующего устройства, например, матричного детектора;
на фиг. 10 изображены коэффициенты поглощения материалов фильтра, в частности, олова, меди, вольфрама и золота,
на фиг. 11 показаны интенсивности полученных полос пропускания для первой и второй пары фильтрующих материалов.
Устройство работает следующим образом:
Рентгеновское излучение источника 6 проходит через объект исследования 7 и попадает на рентгеновский фильтр 8. После прохождения излучения через две пары фильтрующих материалов 1-4 рентгеновского фильтра 8 на матричном рентгеновском детекторе 9 формируется изображение в виде двух хорошо разделяемых узкополосных линий излучения.
Затем изображения снимаются с детектирующего устройства 9, обрабатываются средством анализа, и далее с применением математических алгоритмов происходит определение состава многофазного потока жидкости при помощи решения известной системы уравнений Бугера-Ламберта-Бера.
Для примера выбраны две пары материалов, имеющих различные коэффициенты поглощения: одна пара материалов состоит из олова и меди для выделения полосы в низкоэнергетической части спектра, другая - из вольфрама и золота для выделения высокоэнергетической полосы пропускания. У каждой пары металлов совпадают коэффициенты поглощения выше края полосы поглощения более тяжелого из них, в частности, у пары материалов, состоящей из олова и меди, коэффициенты поглощения составляет 15-30 кэВ, а у пары материалов, состоящей из вольфрама и золота, - от 67 до 72 кэВ (см. фиг. 10). При прохождении излучения через указанные две пары фильтрующих материалов одна пара фильтрующих материалов формирует изображение в виде первой полосы пропускания - в интервале от 15 до 30 кэВ, а другая пара фильтрующих материалов - в виде второй полосы пропускания в интервале от 67 до 72 кэВ (см. фиг. 11).
Фильтр может быть выполнен из других двух пар фильтрующих материалов, имеющих различающиеся коэффициенты поглощения излучения, и совпадающие коэффициенты поглощения выше края полосы поглощения более тяжелого из них у каждой пары металлов. При этом элемент с меньшим атомным номером, используемый в качестве первого материала фильтра, поглощает все излучение в выделенном диапазоне энергий и ниже него. Элемент с более высоким атомным номером, используемый в качестве второго материала фильтра, в выделяемой области имеет K-край полосы поглощения, ниже которого его коэффициент поглощения резко снижается и материал частично пропускает излучение. Если подобрать толщину двух материалов так, что их коэффициенты поглощения выше K-края полосы поглощения совпадают, то вычитая из спектра, полученного после прохождения материала фильтра с большим атомным номером спектр после материала с меньшим атомным номером - получится спектр излучения необходимой полосы энергии.
Предлагаемый рентгеновский фильтр обеспечит выделение двух линий рентгеновского излучения и позволит использовать при решении каждого из уравнений системы уравнений Бугера-Ламберта-Бера только излучение соответствующего диапазона энергий (высокоэнергетическое или низкоэнергетическое). Соответственно, влияние низкоэнергетического излучения на решение уравнения для высокоэнергетического излучения минимизируется.
Таким образом, использование предлагаемого рентгеновского фильтра обеспечивает в результате фильтрации одновременное получение качественного изображения исследуемого объекта в двух различных спектрах излучения: как низкоэнергетической части спектра, так и высокоэнергетической части спектра, что свидетельствует о расширении области спектральных измерений и приводит к повышению точности измерения параметров потока многофазной жидкости.