КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТОМОГРАФИИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО КЕРНА

Полезная модель относится к промышленной томографии, а именно к компенсационным фильтрам, используемым для выравнивания интенсивности излучения по всему полю детектора при исследовании геологических образцов кернов.
Компенсационные фильтры сложной формы в рентгеновской технике известны и достаточно широко распространены. Цели применения этих фильтров две: улучшение качества регистрируемых изображений и реконструированных из них томограмм, и уменьшение/перераспределение поглощаемой объектом исследования дозы.
В промышленной томографии по причине разнообразия форм тестируемых объектов и отсутствия жестких требований по поглощенной дозе излучения компенсационные фильтры не получили широкого распространения.
Так, например, из патента RU 2585801 [МПК G01N 23/04, опубл. 10.06.2016] известно устройство рентгеновской томографии для получения 3D томографического изображения образца горной породы. Устройство рентгеновской томографии содержит рентгеновский источник, излучающий пучок фотонов в направлении оси пучка, ячейку, содержащую пористый образец, изображение которого должно быть сформировано, детектор фотонов, принимающий пучок прошедших через упомянутую ячейку фотонов и модуль обработки, рассчитывающий 3D томографическое изображение на основе полученных детектором изображений. Ячейка выполнена с возможностью пересечения ее текучей средой. К достоинствам устройства следует отнести возможность анализа потока текучих сред внутри пористого образца горной породы геологической формации, к недостаткам невысокое качество регистрируемых изображений и реконструированных из них томограмм вследствие неоднородности по объему поглощаемой объектом исследования дозы излучения.
уск
Томография кернов является примером, где возможно внедрение фильтра-компенсатора с целью повышения качества получаемых изображений проекций и его томограмм. Полноразмерный керн обычно имеет цилиндрическую форму с диаметром 50 ÷ 110 мм. При томографическом исследовании по центру керна будет наблюдаться максимальная длина взаимодействия излучения с материалом, а по краям керна эта величина стремится к нулю. Соответственно, по краям керна будет происходить минимальное ослабление потока излучения, а по центру керна максимальное. Например, излучение от рентгеновской трубки с приложенным напряжением U= 225 кВ, прошедшее по диаметру керна, поглотится на ~98%, а также увеличится средневзвешенная по спектру энергия, т.е. произойдет ужесточение спектра. На изображении проекции по центру керна будет наблюдаться низкий уровень сигнала и соответственно низкое соотношение сигнал/шум (SNR). Так как по краям керна излучение практически не ослабляется, увеличение экспозиции в данном случае приводит к выходу принимаемого сигнала из динамического диапазона детектора. Применение плоского фильтра не приводит к улучшению ситуации, так как он в равной степени ослабляет поток излучения и по краям керна, и по центру, что в итоге потребует дополнительного увеличения экспозиции, для центральной части керна. Одним из возможных решений является компенсационный фильтр с заданным профилем поверхности и толщины.
Из работы [1] известен алюминиевый компенсационный фильтр сложной формы, разработанный для томографии геологических кернов. При сканировании керна использовался компенсационный фильтр в виде алюминиевого параллелепипеда с диаметром отверстия примерно равным диаметру керна. Фильтр жестко закреплялся над предметным столиком, сердечник-керн помещался в отверстие и вращался внутри фильтра. Показано, что фильтр обеспечивал максимальный контраст полезного сигнала во всем динамическом диапазоне сцинтилляционного панельного детектора. После нормировки проекций на проекцию фильтра без керна полученные проекции использовались в стандартном алгоритме реконструкции для конусно-лучевой томографии. Данный фильтр разрабатывался с целью максимизировать соотношение сигнал/шум (SNR) в области центра керна, также целью разработки являлась технологичность и простота изготовления фильтра. К недостаткам данного фильтра следует отнести факт снижения SNR изображений и томограмм ближе к внешнему радиусу керна за счет избыточного поглощения излучения фильтром, регистрацию детектором дополнительного рассеянного излучения, как следствие расположения фильтра в области объекта и в области детектора, оптимизацию фильтра только для фиксированного диаметра керна.
2
2
3
Из работы [2] известен компенсационный фильтр, прототип, разработанный для томографа полноразмерных кернов. В статье произведен расчет профиля поглощающего фильтра соответственно каждому рентгеновскому лучу так, чтобы полихромные проекции после применения фильтра можно было бы считать квазимонохромными, при этом средневзвешенное значение энергии спектра излучения в любой точке проекции принимало бы одно значение, а изображения срезов, реконструированных стандартными алгоритмами из модулированных таким фильтром проекций, являлись близкими к монохроматическим. Это дополнительно уменьшает негативный вклад эффекта ужесточения спектра в результаты томографии и сужает диапазон сигнала на детекторе, чем обеспечивает лучшие условия для попадания в его динамический диапазон. Так как, керн горной породы, как правило, состоит из нескольких компонентов, основными из которых являются SiO (около 61,5%) и АlО (около 15,1%), а их массовые коэффициенты ослабления аналогичны Аl, то авторы использовали Аl в качестве материала фильтра. В пользу алюминия сыграли также простота обработки и цена алюминия. К недостаткам прототипа можно отнести следующие моменты:
1) толщина материала фильтра ограничена условием ужесточения спектра, что приводит к неполной утилизации мощности рентгеновской трубки;
2) фильтр имеет большой размер и располагается в области детектора, что приводит к увеличению доли фонового рассеянного излучения от фильтра в сигнал, достигающего до 50% от полезного сигнала, и негативно сказывается на контрасте изображения;
3) фильтр имеет сложную форму, включающую в себя поверхности двойной кривизны, что делает сложным его в изготовлении;
4) форма фильтра-прототипа привязана к диаметру сканируемого образца керна и зависит от расстояния от источника до керна, что сужает область применения фильтра до сканирования объектов одного диаметра в одном специально спроектированном для этого томографе.
Общим существенным признаком прототипа с заявляемой полезной моделью является выполнение компенсационного фильтра из металла в виде пластины с заданной толщиной профиля.
Задачей настоящей полезной модели является разработка компенсационного фильтра рентгеновского излучения для томографии геологического керна, недорогого, технологичного в изготовлении и простого в использовании, универсального для  объектов исследования различного диаметра, позволяющего проводить компенсацию «неиспользуемого» излучения до пределов рабочего динамического диапазона детектора при работе на максимальной мощности источника и одновременно снизить эффект ужесточения спектра рентгеновского излучения.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в расширении арсенала компенсационных фильтров для проведения томографии геологических образцов керна, при одновременном ускорении процесса сканирования без снижения качества получаемых проекционных и объемных данных, повышении технологичности и экономичности изготовления, удобстве установки и использования фильтра.
Указанный технический результат достигается за счет того, что компенсационный фильтр для проведения томографии геологических образцов керна, выполненный из металла в виде пластины с заданной толщиной профиля, изготовлен в виде прямоугольной пластины из однородного металла, обладающего большей плотностью и коэффициентом поглощения в сравнении с образцом керна, при этом толщина пластины t определяется из условия равенства ее массовой толщины ¼ от массовой толщины керна и рассчитывается по формуле:
к
к
t = 0,5⋅R⋅ρ/ρ [мм] (1),
к
к
где R – радиус керна, ρ – плотность керна, ρ – плотность материала фильтра.
Вдоль вертикальной оси пластины выполнена канавка в форме цилиндрического сегмента радиуса R, определяемого из геометрии оптической схемы томографа или в частном случае по формуле:
к
R = 0,16⋅R [мм] (2),
и глубиной h, определяемой по формуле:
h = 0,9⋅t [мм] (3).
Два верхних угла прямоугольной пластины фильтра имеют форму зацепов, а в двух нижних ее углах расположены сквозные отверстия для крепления на шпильках, задающих расстояние до источника излучения, причем одно из отверстий выполнено продолговатой формы.
3
Оптимально выполнить компенсационный фильтр для проведения томографии геологических образцов керна из меди с плотностью ρ = 8,92 г/см, толщиной t = 7 мм, глубиной канавки h = 6,3 мм и радиусом цилиндрического сегмента канавки R = 8 мм.
Оптимизация толщины и формы фильтра с функцией компенсации интенсивности излучения при условии максимального использования мощности рентгеновского источника позволяет увеличить скорость сканирования до 5 раз и естественным образом избавиться от эффекта ужесточения спектра.
Упрощение расчетной формы поверхности фильтра, до простого геометрического примитива – сегмента цилиндра обеспечивает технологичность изготовления фильтра из металлической пластины необходимой толщины, в частном случае медной.
Установка фильтра на рентгеновскую трубку на две диагонально расположенные шпильки, через диагональное отверстие для основания одной шпильки и зацеп с фиксацией гайками для другой (фиг. 3), обеспечивают возможность подстройки перемещением фильтра вдоль и поперек оптической оси томографа.
Изготовление одного из нижних крепежных отверстий продолговатым реализует возможность настройки соосности канавки фильтра с объектом.
Изготовление крепежных отверстий пластины компенсационного фильтра прорезными и в виде зацепов реализует возможность откидывания фильтра из положения, перекрывающего пучок излучения, и накидывания его обратно.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 показана схема томографа кернов.
На фиг. 2 представлен компенсационный фильтр: а) вид сверху, б, в) вид сбоку
На фиг. 3 показано крепление фильтра к томографу при помощи шпилек.
На фиг. 4. представлены результаты томографии керна: а) томографический срез керна без фильтра; б) томографический срез керна, полученный с использованием заявляемого компенсационного фильтра.
SF
SO
На фиг. 1 представлена схема томографа кернов с использованием компенсационного фильтра. Цифрами обозначены: рентгеновский аппарат 1, конус рентгеновского излучения 2, компенсационный фильтр 3, изучаемый геологический керн 4, детектор излучения 5. Компенсационный фильтр 3 представляет собой металлическую пластину толщиной t с канавкой, выполненной в форме цилиндрического сегмента радиуса R и максимальной глубиной h, расположенную на расстоянии L от источника, расстояние от источника до оси вращения керна L. В одном из вариантов исполнения фильтр выполнен из меди, в виде пластины толщиной t = 7 мм, с глубиной канавки h = 6,3 мм и радиусом цилиндрического сегмента канавки R = 8 мм, и располагается на расстоянии 93 мм от источника, при этом от источника до оси керна 700 мм.
3
Томограф работает следующим образом: объект контроля в виде керна месторождения 4, радиусом 50 мм и плотностью 2,5 г/см (в одном из вариантов исполнения) располагается вертикально, в томографе, после чего рентгеновский аппарат 1 генерирует конусный поток излучения 2, которое проходит через компенсационный фильтр 3. Часть потока излучения, проходящая через компенсационный фильтр 3 в направлении лучей AB и AC, испытывает более сильное ослабление и ужесточение, чем лучи проходящие по центру компенсационного фильтра в направлении луча AD. После компенсационного фильтра излучение падает на объект контроля 4 (керн), в котором также ослабляется, но при этом в направлениях AB и AC, происходит минимальное ослабление, а в центральной области в направлении AD происходит максимальное ослабление и ужесточение излучения. После прохождения керна излучение регистрируется детектором 5.  По причине неравномерности поглощения излучения от рентгеновского источника 1 компенсационным фильтром 3 сигнал на детекторе 5 ослабляется в различной степени в зависимости от направления луча и не выходит за максимальное значение динамического диапазона по краям детектора. Форма компенсационного фильтра, рассчитанная по формулам 1-3, обуславливает тот факт, что спектр излучения по всей плоскости проекции имеет значение средневзвешенной энергии в узком диапазоне, близкое к константе. В процессе получения данных, объект контроля 4 вращают вокруг вертикальной оси с целью получения набора проекций с различных углов.
Керны месторождений сканируются в специальных полиэтиленовых или стеклопластиковых тубах. Диаметр тубы больше, чем диаметр керна на несколько миллиметров. Это препятствует точному позиционированию оси керна вдоль оси вращения предметного стола, что приводит к прецессии керна и смещению проекции в горизонтальной плоскости во время сканирования. Точками на фиг. 1 показано крайнее положение смещенного из-за прецессии керна. Для нивелирования прецессии вращающегося керна в горизонтальной плоскости форма компенсатора усреднена до цилиндрической и выполнена в виде канавки в форме цилиндрического сегмента (фиг. 2 в).
Расположение фильтра относительно рентгеновского излучателя 1 рассчитывается по формуле:
SF
SO
к
SO
L = (R⋅L)/(1,2⋅R) = 0,133⋅L [мм] (4),
SO
где L – расстояние между источником и объектом, и фиксируется через продолговатое отверстие на шпильке, что обеспечивает совмещение проекций керна и канавки на фильтре.
Перед использованием измеренных проекций в алгоритме реконструкции, полученные изображения нормализуются на проекцию компенсационного фильтра без объекта контроля и уменьшенным током трубки до уровня, когда максимальный уровень сигнала не превышает ½ динамического диапазона детектора.
Полезная модель иллюстрируется следующим примером.
SO
SF
Пример практической реализации. Образец керна месторождений диаметром 100 мм сканировался по двум различным протоколам. Схема экспериментальной установки приведена на фиг. 1, в качестве источника излучения использовался рентгеновский генератор XRV-160 с вольфрамовой трубкой производства Spellman. Сканирование проводилось при максимальном напряжении 160 кВ и анодном токе 3,5 мА. Ось вращения керна располагалась на расстоянии L = 700 мм от источника. Компенсационный фильтр был размещен на расстоянии L = 93 мм от источника так, что ось канавки фильтра, ось вращения керна и центральный луч, соединяющий точку фокуса источника и центр детектора, лежали в одной плоскости. Детектор «Марк 2430CG» располагался на расстоянии 800 мм от фокального пятна трубы. Проекции размером 4600×5800 пикселей, с шагом пикселя 49,5 мкм, получались усреднением нескольких кадров.
A
A
comp
comp
2
В первом протоколе измерения проводились без фильтра, во втором с использованием компенсационного фильтра, изготовленного со следующими параметрами: медная пластина толщиной 7 мм с канавкой глубиной 6,3 мм и радиусом 8 мм (фиг. 2, 3). В обоих случаях время экспозиции объекта излучением устанавливалось одинаковым – 750 мс на кадр. При таком времени экспонирования, в случае без компенсационного фильтра, по краям керна сигнал детектора достигал максимума динамического диапазона при токе анода I = 0,31 мА. В случае с компенсационным фильтром сканирование выполнялось на максимальном токе трубки I = 3,5 мА, что позволило полностью задействовать мощность рентгеновского источника и увеличить интенсивность излучения в 11,3 раза. Результаты томографии образца приведены на фиг. 4 а, б). На фиг. 4 а) приведен томографический срез керна в случае без компенсационного фильтра, на фиг. 4 б) - с компенсационным фильтром. На фиг. 4 также приведены профили томографической плотности вдоль линий, проведенных по срезам. На срезах прямоугольниками обозначены области интереса, по которым посчитаны статистические характеристики изображений. Для случая без фильтра соотношение сигнала к шуму составило величину SNR = 4,44, в случае с компенсационным фильтром SNR = 11,72. Принимая во внимание тот факт, что статистика взаимодействия рентгеновских фотонов с веществом подчиняется Пуассоновскому распределению, из сравнения SNR видно, что для случая без фильтра необходимо увеличить количество фотонов в (SNR/SNR)= 5,3 раза, чтобы получить результат сопоставимый по качеству статистических характеристик с результатом в случае с компенсатором. С другой стороны, если зафиксировать требуемое качество, то при использовании компенсационного фильтра потребуется в 5,3 раза меньше времени на сканирование. При этом из приведенных изображений и графиков профилей видно, что в случае применения компенсатора автоматически устраняется эффект ужесточения спектра, проявляющийся на томограммах как уменьшение плотности от края к центру объекта.
Таким образом, заявляемый компенсационный фильтр приводит к выравниванию интенсивности излучения по всему полю детектора и устанавливает уровень регистрируемого сигнала в пределы динамического диапазона детектора при работе источника на максимальной мощности, обеспечивая кратное увеличение скорости сканирования и устранение эффекта ужесточения спектра рентгеновского излучения.
Литература:
1. Li M., Zhao Y., Zhang P. Attenuator design method for dedicated whole-core CT//Optics Express, 2016, Vol. 24, No. 20, P. 22749.
2. Chistiakov S.G., Filatov N.A., Kocharyan V.R., Gogolev A.S., Rukavishnikov V.S. X-Ray Microtomography Using Compensation Filters with Complicated Form//Journal of Contemporary Physics, 2019, Т. 54, N 4, C. 381-385.