СПОСОБ ГАММА-РАДИОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТРОСКОПИИ
GAMMA-RADIOGRAPHIC INTROSCOPY METHOD

Настоящее изобретение относится к области радиографической интроскопии, точнее к γ-радиографической интроскопии массивных деталей и заготовок из тяжелых металлов.
Принцип традиционного радиографического неразрушающего контроля состоит в просвечивании объекта исследования тем или иным излучением (рентгеновским, гамма-, нейтронным), преобразовании радиационного изображения в световое изображение на выходе радиационно-оптического преобразователя и анализе полученного изображения.
Для контроля массивных объектов из тяжелых металлов (сталь, W, Pb, U и др.) чаще всего применяют γ-радиографические интроскопы, позволяющие, например, обнаруживать внутренние дефекты в стали толщиной до 600 мм [Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. /Под общ. ред. В.В. Клюева. T. 1. М. - Машиностроение, 2008. - 560 с.]. В современных интроскопах анализ оптического изображения ведется в процессе контроля, т.е. одновременно с накоплением информации ведется считывание ее [В.К. Кулешов и др. Практика радиографического контроля. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009 г. - 288 с.]. Ранее оптическое изображение объекта контроля получали с помощью рентгеновской пленки, помещаемой за ним. В настоящее время для этого применяют электронные матрицы, использующие люминесценцию для преобразования потока γ-квантов в поток фотонов видимого излучения. Типичная схема γ-радиографического интроскопа приведена на фиг. 1. В качестве источника гамма-излучения применяют либо мощные радионуклидные источники (как правило это кобальт-60 с активностью до 1000 Кюри) либо ускорители электронов (линейные ускорители, бетатроны, микротроны) с мишенью из тяжелого тугоплавкого металла (тантал, вольфрам) для преобразования ускоренных электронов в γ-кванты тормозного излучения с энергией от 1 до 10 МэВ. Расстояние от источника до объекта выбирают с учетом размеров источника настолько большим, чтобы поток "просвечивающих" его γ-квантов можно было считать параллельным.
Важнейшим параметром γ-интроскопа является его относительная пространственная разрешающая способность η - отношение размера определяемого дефекта (неоднородности) к толщине объекта исследования. При толщине просвечиваемого объекта из тяжелого металла в несколько десятков мм традиционная γ-радиографическая интроскопия, как и нейтронная, обеспечивают достижение η≥0.5+1.0% [Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. T. 1. М. - Машиностроение, 2008. - 560 с.]. Во многих случаях этого недостаточно, требуется обеспечить η≥0.1÷0.2%.
Принципиальным ограничением улучшения относительной пространственной разрешающей способности при традиционной γ-радиографии являются механизмы взаимодействия γ-квантов просвечивающего источника с веществом объекта исследования. Таких механизмов, как известно, три [Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement (3-rd Edition): John Wiley & Sons, Inc., 2000. 802 p.]: фотопоглощение (продуктом является фотоэлектрон), комптоновское рассеяние (продукты электрон отдачи и рассеянный γ-квант) и эффект образования пар (продукты электрон и позитрон и два аннигиляционных γ-кванта). Схематично эти процессы отражены на фиг. 2. В идеальном случае, γ-кванты источника излучения должны либо проходить через объект исследования без взаимодействия, либо полностью поглощаться в нем (случаи 1, 2 на фиг. 2). Наличие какой-либо неоднородности (дефекта) в объекте приводило бы к увеличению либо к уменьшению в месте его расположения числа γ-квантов за время экспозиции, в зависимости от относительной плотности дефекта. Можно видеть, что в случаях 3 и 4 на фиг. 2 рассеянные γ-кванты изменили направление по отношению к первоначальному и оказываются бесполезными. Более того, они понижают контрастность получаемого снимка объекта. Очевидно, что для получения максимально контрастных снимков объектов с наивысшей пространственной разрешающей способностью необходимо исключить регистрацию вторичных γ-квантов, поскольку их направление принципиально отличается от направления первичных. Вопрос состоит в том как различить природу возникновения каждого из γ-квантов, вылетевших из объекта исследования?
Есть два признака того, что данный γ-квант вторичный: его энергия меньше первоначальной (справедливо при моноэнергетичных квантах) или направление пролета отличается от первоначального.
60
γ
Для идентификации природы γ-кванта по первому признаку к координатному детектору должны быть предъявлены технически нереализуемые при нынешнем уровне развития техники требования. А именно: эффективность регистрации гамма-излучения (Со с Е=1.33 МэВ) должна быть весьма высокой, например, более 50%. Это означает, что координатный детектор на основе сцинтиллятора NaI:Tl должен быть выполнен из оптически изолированных параллелепипедов сечением 100×100 мкм (для достижения η=0.1% при толщине объекта 100 мм) высотой не менее 40 мм с индивидуальными фотосенсорами, включенными на суммирование сигналов!
in
out
cone
Получение информации о направлении пролета γ-кванта на выходе объекта контроля возможно при использовании принципа комптоновской гамма-камеры (является прототипом), применяемого в астрономии, при поиске пятен загрязнения радионуклидами и в ядерной медицине. Комптоновские гамма-камеры, часто называемые γ-камерами с "электронной фокусировкой", служат для получения изображений γ-излучающих объектов. В основе идеи комптоновской визуализации пространственно распределенного излучателя лежит выражение (1), связывающее энергии γ-квантов первичного (E), комптоновски рассеянного (E) и телесный угол Θ между направлениями разлета этих квантов [Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement (3-rd Edition): John Wiley & Sons, Inc., 2000. 802 p.]:
e
2
где mc - энергия покоя электрона (511 кэВ).
eff
Принцип действия комптоновской γ-камеры показан на фиг. 3 [Y. Kong et all. A prototype Compton camera array for localization and identification of remote radiation sources. IEEE Trans, on Nucl. Sc., V. 60, №2, 2013. P. 1066-1071]. Имеется два координатных детектора. Первый из них (scatter plane) является конвертором исходных γ-квантов в комптоновски рассеянные. Он выполняется достаточно тонким из материала с относительно низким эффективным атомным номером Z, чтобы свести к минимуму вероятность полного поглощения в нем первичных γ-квантов (обычно это Anger-камера из тонкого сплошного сцинтилляционного кристалла и множества полупроводниковых фотосенсоров).
1
2
cone
Второй координатный детектор (absorption plane) напротив, выполняется достаточно толстым и из материала с высокой плотностью для увеличения вероятности полного поглощения комптоновских γ-квантов. Оба детектора включены на совпадения. Каждое одновременное срабатывание обоих детекторов позволяет определить для каждого события энергию Е, оставленную в детекторе-рассеивателе; энергию Е, оставленную в детекторе полного поглощения. Выражение (2) позволяет вычислить cos Θ и, соответственно определить положение конуса, на образующих которого образовался первичный γ-квант:
Достаточно сложные математические процедуры позволяют через сопоставление положений конусов, относящихся к отдельным зарегистрированным событиям воспроизвести пространственную конфигурацию излучающего объекта [M.J. Cree, P.J. Bones. Towards direct reconstruction from a gamma camera based on Compton scattering. IEEE Trans, on medical imaging, V. 13, №. 2, 1994. P. 398-407]. Пример применения метода прямой реконструкции приведен на фиг. 4 [A. Grint. SmartPET Compton Camera Investigation (Review). Proc. of "World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering". WC, 2006. P. 1-24]. Изображение γ-излучающего объекта получается как суперпозиция пересечений оснований конусов. Качество определяется, помимо пространственного разрешения, числом зарегистрированных событий.
Идея применения комптоновской гамма-камеры в гамма-радиографической интроскопии может быть весьма продуктивной. Если регистрировать только те γ-кванты, которые оставляют в обоих детекторах суммарную энергию, равную энергии исходных, просвечивающих объект, то этим исключается падение контрастности изображения за счет регистрации рассеянных в исследуемом объекте квантов. Схема измерения приведена на фиг. 5.
На пространственное разрешение классической комптоновской гамма-камеры при просвечивании массивного объекта исследований из тяжелого металла жестким γ-излучением влияют характеристики обоих координатных детекторов. Можно рассмотреть их вклад.
3
2
Как было отмечено выше, детектор-рассеиватель обычно строится по принципу Anger-камеры [F. de Notaristefani et al. First Results from a YAP:Ce Gamma Camera for Small Animal Studies. IEEE Trans, on Nucl. Sci., V. 43, №. 6, 1996. P. 3264-3271]. Пространственное разрешение, достигаемое с Anger-камерой, где для съема света применяются кремниевые фотоумножители (Si Photomultiplier - SPM), либо кремниевые дрейфовые детекторы (Si Drift Detector - SDD) с чувствительной поверхностью порядка 6×6 мм в оптимальных условиях составляет доли миллиметра. Под оптимальными условиями понимаются: применение сцинтиллятора LaBr:Се с энергетическим разрешением по линии 662 кэВ≈3%; достаточно высокая энергия взаимодействующих с ним квантов. Например в работе [С.Fiorini et al. The HICAM Gamma Camera. IEEE Trans. On Nucl. See., V. 59, №. 3, 2012. P. 537-544] в далеко не оптимальных условиях (сцинтиллятор CsI:Tl энергетическим разрешением около 6%; Еγ=140 кэВ; площадь чувствительной поверхности SDD 100 мм) достигнуто пространственное разрешение 0.9 мм. В упомянутых условиях вполне достижимо пространственное разрешение на уровне 0.1 мм.
1
1
2
2
cone
-3
Гораздо хуже пространственное разрешение детектора полного поглощения. Единственно возможный вариант его исполнения - матрица сцинтилляционных кристаллов в виде сильно вытянутых параллелепипедов. С каждым сцинтиллятором оптически соединен индивидуальный фотосенсор (SDD или SiPM). Очевидно, что пространственное разрешение детектора-поглотителя определяется поперечными размерами его элементов. Изготовить сцинтилляционные элементы с поперечным сечением менее 10×10 мм технически и экономически очень сложно. Как правило, размеры приводят в соответствие с размерами кремниевых фотоумножителей (6×6 мм), например. Именно в силу этого координатные детекторы для ядерной медицины демонстрируют пространственное разрешение лишь в несколько мм. Понятно, что разрешающая способность должна быть сопоставимой с ожидаемыми размерами неоднородностей в объекте исследования, т.е. 100 мкм. Единственный путь улучшить пространственное разрешение - увеличение расстояния d между детекторами. Простой пример показывает, что с классической комптоновской γ-камерой при современном развитии технологий достижение пространственного разрешения в 100 мкм недостижимо. Пусть детектор-рассеиватель будет идеальным, расстояние d между детекторами имеет типичное (для медицинских приборов) значение 50 мм, а размер поперечника одного элемента детектора-поглотителя 6×6 мм. Возникает вопрос «на каком расстоянии должны находиться детекторы, чтобы пространственное разрешение было на уровне 0.1 мм?». Из точки на детекторе-рассеивателе при d=50 мм один элемент детектора полного поглощения видится под углом 6.88° (плоский угол). Если бы размер элемента был 0.1×0.1 мм, то угол составлял бы 0.114° (отличие в ≈60 раз). Отсюда простые тригонометрические вычисления дают требуемое значение d=3015 мм. Детектор полного поглощения в лучшем случае представляет собой матрицу 8×8 элементов (48×48 мм). Диаметр тонкого кристалла-рассеивателя не должен превышать 48 мм, чтобы не терять в эффективности регистрации. Можно показать, что при таких размерах детекторов и расстоянии между ними d=3015 мм, лишь 2.5⋅10 часть рассеянных в первом детекторе квантов могут попасть во второй детектор, т.е. в лучшем случае (при малых углах Θ) во второй детектор будет попадать только каждый 400-й рассеянный в 1-м детекторе γ-квант (из точки на детекторе-рассеивателе весь детектор полного поглощения видится под углом 0.456°). В ряде случаев такая эффективность регистрации оказывается недопустимо низкой.
Таким образом, возникают существенные проблемы применения способа-прототипа для получения изображений внутренних дефектов в массивных объектах из тяжелых металлов:
1) низкая эффективность регистрации полезных событий (γ-квантов, прошедших через объект исследования без взаимодействия с ним);
2) координатное разрешение установки оказывается хуже, чем координатные разрешения каждого из двух координатных детекторов из-за квадратичного суммирования их разрешений.
Задачей изобретения является создание способа гамма-радиографической интроскопии массивных объектов из тяжелых металлов с пространственным разрешением на уровне 0.1% и высокой эффективностью регистрации прошедшего через объект гамма-излучения.
Решение проблем состоит том, что вместо измерения двумя разнесенными в пространстве и включенными на совпадения координатными детекторами телесных углов рассеяния первичных гамма-квантов в тонком координатном детекторе и последующего построения изображения, детекторы располагают на минимальном расстоянии между собой, а изображение просвечиваемого объекта формируют путем накопления координат взаимодействий с тонким координатным детектором-рассеивателем тех прошедших через просвечиваемый объект гамма-квантов, которые одновременно оставили в обоих детекторах суммарную энергию равную исходной, причем независимо от места поглощения в толстом детекторе полного поглощения гамма-квантов, комптоновски рассеянных тонким детектором. Пространственное разрешение при таком способе регистрации определяется координатным разрешением детектора-рассеивателя и для его улучшения возможен отбор тех гамма-квантов на выходе объекта, которые оставили в детекторе-рассеивателе энергию не более заранее заданной. Этим ограничивается длина пробега электронов отдачи и тем самым улучшается локализация мест образования комптоновских гамма-квантов.
0
Реализация способа показана на фиг. 6. Исследуемый массивный объект 3 из тяжелого металла облучается потоком параллельных γ-квантов с энергией каждого из них Е. Параллельность потока «просвечивающих» γ-квантов обеспечивается большой дистанцией между источником излучения и объектом исследования, а также малыми размерами «видимой» со стороны объекта поверхности источника. Прошедшие через исследуемый объект γ-кванты регистрируются тонким координатным детектором-рассеивателем 1. Толщина и материал детектора-рассеивателя выбираются такими, чтобы вероятность комптоновского рассеивания первичных γ-квантов была максимальной, а вероятность полного поглощения их минимальной.
1
2
Возникшие в детекторе 1 γ-кванты и прошедшие через него без взаимодействия регистрируются детектором полного поглощения 2. Детекторы 1 и 2 включены на совпадения. Для каждого из γ-квантов, одновременно зарегистрированных детекторами 1 и 2 измеряются их энергии Е и Е, соответственно. Координата комптоновского взаимодействия с детектором-рассеивателем запоминается только в случае, если для одновременно зарегистрированных двумя детекторами γ-квантов выполняется условие:
Этим исключается регистрация γ-квантов, изменивших свое направление при прохождении через исследуемый объект, поскольку для жесткого излучения когерентное рассеяние отсутствует и любое изменение направления сопровождается уменьшением энергии квантов.
С целью улучшения координатного разрешения детектора 1 и всей установки помимо условия (2) можно наложить требование:
r
0
где E - некое значение энергии, определяемое толщиной детектора 1 и энергией Е.
1
Энергия E, оставленная γ-квантом в детекторе-рассеивателе является ни чем иным, как энергией электрона, рожденного при комптоновском взаимодействии первичного кванта с веществом этого детектора. Именно этот электрон на своем пути ионизирует вещество детектора и регистрируется им. Важно, чтобы длина пробега комптоновски рожденного электрона была меньше, чем требуемое координатное разрешение. В рассматриваемом примере это 100 мкм. Чем меньше энергия электрона, тем меньше длина пробега его в рабочем веществе детектора.
Очевидно, что в отличие от способа-прототипа γ-радиографической интроскопии, основанной на применении комптоновской гамма-камеры, в предлагаемом способе расстояние между координатным детектором-рассеивателем 1 и детектором полного поглощения 2 принципиально может быть равным нулю. При прочих равных условиях это резко увеличивает эффективность регистрации рассеянных в детекторе 1 гамма-квантов. Благодаря тому, что детектор полного поглощения 2 принципиально не должен быть координатным, резко снижается стоимость установки γ-радиографической интроскопии: сплошной детектор полного поглощения гораздо дешевле, чем матрица из нескольких десятков оптически изолированных между собой кристаллов с индивидуальными фотосенсорами; вместо нескольких десятков спектрометрических каналов к детектору полного поглощения подключается один канал.
Технический результат применения заявляемого способа состоит в том, что он обеспечивает максимальную эффективность регистрации событий, связанных с прохождением гамма-квантов через массивный объект исследования из тяжелого металла без взаимодействия с ним и при этом, при прочих равных условиях достигается предельно возможное пространственное разрешение.
Заявляемый способ гамма-радиографической интроскопии позволяет минимизировать сложность и стоимость практических установок, реализующих его.
Подрисуночные надписи
Фиг. 1. Типичная схема γ-радиогра-фического интроскопа
Фиг. 2. Прохождение γ-излучения через вещество: 1 - без взаимодействия; 2 - фотопоглощение; 3 - комптоновское рассеяние; с эффектом образования пар
in
1
2
Фиг. 3. Принцип действия комптоновской γ-камеры: scatter plane - планарный координатный детектор-рассеиватель; absorption plane - планарный координатный детектор-поглотитель; E - энергия испущенного γ-кванта; Е - энергия, оставленная в 1-м детекторе (рассеивателе); Е - энергия, оставленная во 2-м детекторе (полного поглощения)
Фиг. 4. Зависимость качества изображения излучающего объекта от числа зарегистрированных событий
Фиг. 5. Схема γ-радиографической интроскопии с комптоновской γ-камерой
Фиг. 6. Принцип γ-радиографической интроскопии с исключением влияния на качество изображения рассеянных в объекте первичных γ-квантов: 1 - тонкий координатный детектор-рассеиватель; 2 - детектор полного поглощения; 3 - объект исследования