УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к средствам для получения рентгеновского излучения и может быть использовано, например, в горной промышленности, а именно при обогащении полезных ископаемых, в частности, алмазосодержащего сырья, методом рентгенографической сепарации.
7
Известно устройство, содержащее источник рентгеновского излучения в виде рентгеновской трубки с эффективным фокусным пятном малого размера (0,3-1 мм), однощелевой коллиматор, расположенный между рентгеновской трубкой и объектом и формирующий узкий веерообразный пучок рентгеновского излучения, приемник излучения в виде однокоординатной линейки полупроводниковых или газонаполненных детекторов, принимающих прошедшее через объект излучение. [Патент RU №2257639, МПК H01J 47/02, опубл. 27.07.2005 г.] По такой рентгенооптической схеме построены все известные цифровые сканирующие рентгенографические установки, применяемые в медицине, дефектоскопии и интроскопии, например, установка «Сибирь-Н» (Институт ядерной физики Сибирского отделения Российской Академии наук), установки серии «ПроСкан» («Рентгенпром», г.Москва), интроскопы серии HI-SCAN фирмы Heimann Systems (Германия) [Ю.Г.Украинцев «Сканирующий метод получения рентгеновских изображений на цифровом аппарате «Сибирь-Н» ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН, г.Новосибирск, 2007 г.; Научно-производственный центр «НЕЛК» Информационные материалы «Технические средства антитеррора», 2008 г.; А.В. Ковалев, доктор технических наук, член-корреспондент АЭН РФ «Поисковые технические средства на основе методов интроскопии. Рентгеновские системы. Часть III», 1999 г.].
При этом за счет того, что веерный пучок излучения является узким и расходящимся, на линейный детектор попадает только приблизительно 0,004% излученных источником квантов, что снижает дозовую нагрузку на объект, но увеличивает время экспозиции. Также известно устройство, в котором источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка с эффективным фокусным пятном малого размера, приемником двухкоординатный матричный детектор, а между объектом и приемником расположен рентгеновский растр, предназначенный для пропускания к детектору рентгеновских квантов, имеющих строго заданные необходимые углы движения и поглощения всех остальных [И.Кокорева, Г.Щелкунов «Рентгеновские методы неразрушающего контроля»; ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/2007.; Н.Н.Блинов, д.т.н., проф. «Анализ развития разработки и производства аппаратуры для лучевой диагностики в мире и в РФ» Медицинский алфавит 5/2004 с.2-6.].
Такое построение рентгенооптических схем направлено, в первую очередь, на снижение лучевой нагрузки на объект съемки, что не является обязательным условием для устройства рентгенографической сепарации материалов. Напротив, для повышения производительности такого рода сепараторов необходимо снижение времени экспозиции строки за счет повышения чувствительности детекторов и (или) повышения экспозиционной дозы на детекторе. Кроме того, известные рентгеновские растры, серийно выпускаемые фирмами в Швеции, Индии, Бразилии, Южной Корее, в качестве поглощающих промежутков содержат свинцовую, а в качестве пропускающих - алюминиевую фольгу, что неприемлемо для коллимирования рентгеновского излучения низких энергий из-за высокого поглощения в алюминии.
Известно устройство [С.А.Иванов, Г.А.Щукин «Рентгеновские трубки технического назначения» Ленинград, «Энергоатомиздат», Ленинградское отделение, 1989 г., с.157], содержащее растровую рентгеновскую трубку с прострельным анодом в сочетании с многокапиллярным коллиматором, который представляет собой микроканальную пластину из стекла с большим содержанием тяжелоатомных элементов. Длинноволновое излучение, идущее вдоль оси капилляров, свободно проходит через него, а распространяющиеся в других направлениях лучи сильно ослабляются. Однако конструкция такой трубки достаточно сложна (требуется отклоняющая система), а трубка с прострельным анодом развивает, как правило, мощность не более десятков Вт в связи с отсутствием принудительного охлаждения анода, кроме того, требуется тщательная настройка синхронизации для того, чтобы пучок рентгеновского излучения попадал точно на считываемую в данный момент ячейку детектора.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является устройство для получения рентгеновского излучения повышенной яркости [пат. RU №2210126, МПКG21K 1/02, опубл. 10.08.2003 г.], содержащее источник расходящегося рентгеновского излучения и рентгеновскую линзу, установленную и выполненную с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения и преобразования его в квазипараллельное или сфокусированное. Излучающая зона источника расходящегося рентгеновского излучения смещена относительно входного фокуса рентгеновской линзы таким образом, что эта зона находится в пределах телесного угла, образуемого продолжениями каналов рентгеновской линзы в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения.
Ранее неоднократно принимались попытки применить подобные рентгеновские линзы для фокусировки излучения в рентгеновских сканирующих установках, однако, поскольку все такие линзы являются телами вращения, фокусное пятно в виде линии для однокоординатного детектора не может быть получено.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в повышении экспозиционной дозы на детекторе за счет сокращения фокусного расстояния без сужения зоны облучения и снижении геометрической нерезкости рентгеновской тени, что позволяет осуществлять рентгенографическую сепарацию, в том числе и алмазов, с большой производительностью, достигаемой за счет снижения времени экспозиции.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения рентгеновского излучения, например, для рентгенографической сепарации полезного компонента, включающем источник рентгеновского излучения и приспособление для преобразования его в квазипараллельное или сфокусированное, в качестве источника рентгеновского излучения применяют рентгеновскую трубку с протяженным линейным фокусным пятном, а в качестве приспособления для преобразования излучения плоскопараллельные ячеистый или многощелевой коллиматоры. Выполнение устройства для получения рентгеновского излучения, особенно для целей сепарации алмазосодержащего сырья, таким образом из патентной и научно-технической литературы не выявлено, что может свидетельствовать о новизне заявляемого технического решения.
Рентгенографические установки для целей сепарации материалов применяются нечасто, основное их применение - сканирующие установки в медицине, интроскопии и дефектоскопии. Для медицинских рентгенографических аппаратов важной характеристикой является доза ионизирующего излучения, поглощенная пациентом, что накладывает свои особые требования на установку: снижение лучевой нагрузки, максимальная чувствительность детектора. В случае применения рентгенографической установки для обогащения минералов требование снижения лучевой нагрузки сменяется противоположным требованием повышения интенсивности рентгеновского пучка. Высокая интенсивность пучка излучения необходима для сокращения времени экспозиции теневого изображения, и, следовательно, увеличения производительности рентгенографического сепаратора.
В качестве источников ионизирующего излучения используются обычно микро- или малофокусные рентгеновские трубки, что позволяет минимизировать геометрическую нерезкость Uг получаемого изображения, определяемую по формуле:
где: Ф - размер фокусного пятна трубки;
F - фокусное расстояние;
d - расстояние между объектом и детектором.
Также в медицинских установках принято увеличивать фокусное расстояние F для того, чтобы свести к минимуму геометрические искажения теневого изображения за счет уменьшения апертуры пучка излучения, регистрируемого детектором.
С уменьшением размера активного принимающего элемента детектора время экспозиции, необходимое для достижения приемлемого динамического диапазона интенсивности изображения, возрастает. Испытания, проведенные с применением классической схемы на различных типах детекторов («сцинтиллятор-фотодиод» фирмы HAMAMATSU и «многоканальная ионизационная камера» Института ядерной физики СО РАН) с размерами приемного элемента 200 мкм показали, что минимально достижимое время экспозиции составляет для детекторов HAMAMATSU - 0,25 мс, для многоканальной ионизационной камеры - 1 мс. Соответственно, скорость движения объекта на конвейере составит 0,8 м/с и 0,2 м/с для каждого типа детектора соответственно. Дальнейшее увеличение скорости движения объекта между излучателем и детектором при сохранении динамического диапазона интенсивности теневого изображения возможно как за счет повышения чувствительности детектора, так и за счет повышения интенсивности рентгеновского излучения, падающего на объект. И в том, и в другом случае существующие конструкции рентгенооптических схем находятся на пределе чувствительности детекторов и интенсивности рентгеновского пучка, пропорционально зависящего от мощности рентгеновской трубки. Увеличение интенсивности рентгеновского пучка возможно за счет применения рентгеновских трубок с вращающимся анодом, что, однако, неприемлемо для условий непрерывного обогатительного процесса, т.к. такие трубки работают только в повторно-кратковременном режиме. Максимально достижимая мощность трубки постоянного действия Y.TU 160-D06 фирмы YXLON составляет 1, 8 кВт при эффективном фокусном пятне 1 мм. Стоимость этой трубки составляет около 800 тыс.руб. Трубки с малым фокусным пятном постоянного действия остальных зарубежных производителей имеют меньшую мощность, а в России не производятся.
7
7
Для формирования линейной формы фокусного пятна обычно используются параболоцилиндрические отражатели, но они не позволяют кратно увеличить экспозиционную дозу на детекторе, к тому же рентгеновские многослойные зеркала, применяемые для этих целей, работают только с моноэнергетическими (характеристическими) источниками рентгеновского излучения. Выполнение приспособления для преобразования излучения в квазипараллельное или сфокусированное в виде плоскопараллельного коллиматора известно, в том числе и в патентной литературе [патент RU №2171979, МПК G01N 23/04, опубл. 10.08.2001 г.; патент RU №215602, МПКG01K 1/02]. Входы и выходы ячеек (щелей) ячеистого (многощелевого) коллиматора расположены в двух параллельных плоскостях, перпендикулярных продольным осям каналов ячеек, поэтому формируется квазипараллельный пучок рентгеновского излучения. При этом наибольший поперечный размер D отдельного канала транспортировки рентгеновского излучения и его длину Н возможно выбрать из соотношения
2D/H>θс,
p
где θс=ђw/E - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от материалов стенок каналов транспортировки рентгеновского излучения,
ђ - постоянная Планка;
p
w- плазменная частота для материала стенок каналов ячеек;
Е - энергия квантов излучения.
При выполнении устройства по заявляемому техническому решению каждая ячейка детектора, регистрирующего полученный пучок излучения, облучается только тем участком линейного протяженного фокусного пятна, напротив которого она расположена, а рентгеновские кванты от соседних областей протяженного линейного фокусного пятна, попадающие на входную плоскость ячеистого (щелевого) коллиматора с углами движения, превышающими угол полного внешнего отражения для данных энергий и материала стенок коллиматора, поглощаются его стенками. Таким образом, применение ячеистого или многощелевого коллиматора позволяет представить протяженное линейное фокусное пятно как набор малоразмерных фокусных пятен, индивидуальных для каждой ячейки линейного детектора, не допускающих возникновения на рентгеновском снимке геометрической нерезкости рентгеновской тени от облучения детектора соседними участками протяженного линейного фокусного пятна.
Появляется возможность сокращения фокусного расстояния (приближения источника излучения к объекту и детектору) в 10-15 раз по отношению к классическим рентгенооптическим схемам, без сужения зоны облучения, что по закону «обратных квадратов» дает увеличение экспозиционной дозы на объекте в 50-100 раз при трансмиссии коллиматора, равной 0,5, а снижение времени экспозиции позволяет значительно увеличить скорость перемещения объектов между парой «источник-детектор». Это позволяет применить данное техническое решение при реализации высокопроизводительного способа рентгенографической сепарации, в том числе алмазосодержащего сырья.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид устройства с ячеистым коллиматором; на фиг. 2 - с многощелевым коллиматором; на фиг.3 - схема рентгенографической сепарации с его использованием. Устройство состоит из источника 1, плоскопараллельного ячеистого или многощелевого коллиматора 2, прошедшие через коллиматор кванты рентгеновского излучения падают на ячейки детектора 3.
Устройство работает следующим образом: кванты рентгеновского излучения, исходящие из фокусного пятна рентгеновской трубки 1 в сторону детектора 3, под различными углами попадают на входную плоскость коллиматора 2, при этом кванты 6, имеющие угол падения, нормальный к поверхности или отличающийся от нормального на угол не более угла полного внешнего отражения, проходят сквозь ячейки (щели) коллиматора 2 к объектам просвечивания 5, находящимся на конвейере 4, и далее к детектору 3. Все остальные кванты рентгеновского излучения 7 поглощаются стенками коллиматора 2, выполненными из материала, имеющего высокий линейный коэффициент поглощения. Фокусное расстояние F в данной рентгенооптической схеме определяется только конструкционными возможностями установки и не зависит от соотношений, определяющих размеры геометрической нерезкости рентгеновской тени (1). При этом каждая ячейка детектора 3 облучается только тем участком линейного протяженного фокусного пятна, напротив которого она расположена, а рентгеновские кванты 7 от соседних областей протяженного линейного фокусного пятна, попадающие на входную плоскость ячеистого (щелевого) коллиматора с углами движения, превышающими угол полного внешнего отражения для данных энергий и материала стенок коллиматора, поглощаются его стенками. При этом за счет отсутствия расхождения коллимированного рентгеновского пучка на снимке также не возникает геометрических искажений размеров объекта.
За счет значительного сокращения фокусного расстояния достигается увеличение интенсивности облучения объекта и детектора в 10-15 раз. Соответственно, в случае необходимости применения в медицинской и иной технике, где требуется минимизировать интенсивность облучения (экспозиционную дозу), в 10-15 раз может быть уменьшена мощность рентгеновской трубки, что значительно продлевает срок ее службы, энергопотребление и габариты рентгеновских аппаратов, в т.ч. и переносных.
Т.к. для трубок с протяженным линейным фокусным пятном ограничение по мощности не действует (в то время как для трубок с малым эффективным фокусным пятном предел развиваемой мощности составляет не более 1, 8 кВт), поскольку определяется удельной мощностью на миллиметр фокусного пятна и зависит от его длины, различной для различных конструкций рентгеновских трубок, заявляемое устройство позволяет применять рентгеновские трубки с протяженным линейным фокусным пятном (например, трубку производства ЗАО «Светлана-Рентген» БХВ18 (БХВ21), имеющую длину линейного фокусного пятна 100 мм и развивающую мощность до 4,5 кВт) для целей рентгенографии, в частности, для рентгенографической сепарации материалов. Данное техническое решение позволяет построить рентгенографический сепаратор, в частности, для обработки алмазосодержащего сырья (в том числе, и алмазов, имеющих аномальную люминесценцию и не извлекаемых ренттенолюминесцентными сепараторами) с большой производительностью, достигаемой за счет снижения времени экспозиции, что эквивалентно увеличению скорости движения материала в сепараторе. При этом размеры и масса такого сепаратора будут значительно меньше, чем у установки с микрофокусной или малофокусной рентгеновской трубкой, где фокусное расстояние равно 1500-1800 мм. Кроме того, уменьшаются энергозатраты на достижение необходимой интенсивности рентгеновского излучения на объекте и детекторе. По предварительным подсчетам, применение рентгенографических сепараторов алмазов может дать прирост добычи на 1-2% по сравнению с существующей технологией. На внутрироссийском рынке применение данного устройства позволит применять отечественные рентгеновские трубки с протяженным линейным фокусным пятном взамен импортных малофокусных, имеющих в 10-12 раз большую стоимость.