Разработка и исследование системы пространственного отбора для комптоновской томографии на базе пинхола

мерять температурную зависимость примесной фотопроводимости. Библиотека ассемблерных управляющих подпрограмм позволяет разработать необходимую программу для управления экспериментом и тестирования измерительного комплекса.

Список литературы

1. Зыков В.М., Лукин A.JL, Киселев А.Н. «Разработка метода и аппаратуры контроля примесных полупроводников на основе эффекта индуцированной примесной фотопроводимости», Промежуточный научный отчет № Гос. регистрации 01860073988, 1987 г.-68 с.

2. Зыков В.М., Киселев А.Н., Лукин А.Л., Ничинский Н.А.-Гелиевый криостат для радиационных исследований фотопроводягцих материалов // ПТЭ. -1987. -№ 1. - С. 250.

3. Зыков В.М., Киселев А.Н., Лукин А.Л. и др. Кремниевые р+ -р -р+-структуры как детекторы ионизирующих излучений в условиях глубокого охлаждения // Сб. «Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов: материалы конференции». - Томск, 1991.-с. 179-180.

4. Беспалов В.П. Расчеты методом Монте-Карло характеристик электронов и квантов в однородных и неоднородных поглотителях Деп. ВИНИТИ № 3707-80, 1980. - 63 с.

5. Зыков В.М., Киселев О.С., Лукин АЛ., Самочернов В.М., Волков В.Ф., Дидоренко B.C. Автоматизированный комплекс аппаратуры для низкотемпературных имитационных испытаний фотоприемников на основе примесного кремния на ионизирующее воздействие // «Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов»: сб. материалы конференции. - Томск, 1991. - С. 170-171.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОТБОРА ДЛЯ КОМПТОНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ НА БАЗЕ ПИНХОЛА

М.А. Мудрое, Б. И. Капранов ФМПК ЭФФ ТПУ, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 E-mail: mudrov_mihail@mail. ru

Рассмотрены вопросы пространственного отбора обратно рассеянного излучения. Рассчитана необходимая толщина стенок для ослабления излучения в И,? раз. Были рассчитаны апертурные функции для пинхола для двух видов пинхола (обычного и с треугольными губками). Была построена зависимость телесного угла влёта рассеянных фотонов от координаты X точечного рассеивателя.

Рентгеновская томография в последнее десятилетие стала одним из наиболее эффективных методов диагностики как в технических приложениях, так и в медицине. Существуют два типа рентгеновских томографов:

• трансмиссионный, который восстанавливает (реконструирует) объект на основе регистрации прошедшего через него излучения;

• на рассеянном излучении, в котором восстановление осуществляется на основе анализа рассеянного от объекта излучения.

К числу объектов контроля, исследование которых возможно лишь с применением томографии на рассеянном излучении, можно отнести следующие: Контроль многослойных корпусов торпедных катеров, поиск за корпусом или под палубой несущих балок, ребер жесткости, исследование динамики внешнего воздействия на защитные оболочки в авиации, судостроении, корпуса многих изделий в ракетно-космической технике и др.

Возможность использования обратно-рассеянного рентгеновского и гамма - излучения основана на том, что интенсивность зарегистрированного детектором сигнала определяется функцией распределения в пространстве объекта источников излучения и 3х координатной функцией пространственной чувствительности детектора. В данной работе проанализированы возможность использования обратно рассеянного излучения для контроля объектов и системы, работающие по этому принципу.

На рис. 1 представлены распределение числа рассеянных гамма - квантов по глубине обшивки самолёта. Под графиком представлен этот же участок обшивки, рассмотренный в сканирующем электронном микроскопе.

Эорт ¡п сюота! «гасЛюпа оГ ап юсЬ

юоо

АЯиггилит Ооггетмоп

РЫуТТЮГ &ГМ)и»'

А:Г фАр

•х!Оквтгв СОГГеИаОП -А» дар «ив! е<жо»«п

(Ь,аск?-поч1 лип

роппд сотрошк! 1о<

вЕМ «хлтм-ммюг»)

Рис. 1. Данные контроля обшивки самолёта

В Бразилии комптоновская томография широко используется для определения плотности и влажности почвы. Рис. 2 представляет собой продольные сечения образцов почвы. Число зарегистрированных обратно рассеянных квантов представлено определённым цветом.

Использование рассеянного излучения для визуализации основано на том, что интенсивность потока квантов однократно рассеянного излучения, пришедшего в детектор из элемента объёма ёУ, линейно зависит от объёмной плотности р. Однако на эту зависимость накладываются экспоненты ослабления первичного и рассеянного излучений, а также добавляется многократно рассеянное излучение.

Одним из простых методов визуализации является трехкоординатное сканирование системой источник-детектор, представленное на рис. 3. На объект контроля падает узкоколлимированный пучок гамма-квантов от источника излучения, а детектор регистрирует рассеянное излучение. Перемещение системы источник-детектор по трем координатам осуществляется механически. Выполнив трехкоординатное сканирование системой источник-детектор, можно было бы получить объёмное распределение плотности в объекте. Однако такая процедура продолжительна по времени.

Производительность реконструкции повышается при использовании двухкоор-динатного позиционно-чувствительного детектора с пинхольной апертурой, как показано на рис. 5. Пинхол представляет обычно собой отверстия небольшого диаметра (до 8 мм) в пластине, на плоскости детектирования пинхол переносит перевёрнутое изображение.

5975 5750 5525

5750

5075 4850 4625 4400

Рис. 2. Распределение плотности в почве

ТОЧЕЧНЫЙ ДЕТЕКТОР

М КАРАНДАШНЫЙ

Б *<— ~г — - — -

I

Б *-

Рис. 3. Поточечное сканирование

ЛИНЕЙНАЯ

ДЕТЕКТОРНАЯ

МАТРИЦА

ПЦП1И1111ЦМ1П1111Н1^1

^ ^ щель

КАРАНДАШНЫЙ ^ ПУЧОК

Рис. 4. Схема с линейным детектором

Рис. 5. Схема на основе плоской детекторной матрицы и тшхольной апертуры

Ниже приведены характеристики пинхольных систем коллимации

1. Фактор увеличения М:

М = - Ь/а,

где Ь - расстояние между пинхолом и детектором, мм; а - расстояние пинхол - точечный рассеиватель, мм

Фактор увеличения имеет знак минус, так как изображение перевёрнутое.

2. Пространственное разрешение системы (под системой будем понимать пинхол плюс детектор):

Я3у5=(КрЬ2 + (Я(/М)2)|/2

где Яри — пространственное разрешение пинхола, мм;

- собственное разрешение сцинтилляционного кристала, мм;

3. Пространственное разрешение пинхола Ярь:

ЯрЬ=с1

где <1 - диаметр пинхола, мм.

4. Чувствительность О:

0= 1/16-(ё/Ь)2-(а+Ь).

5. Эффективный диаметр ёе:

ёе= ^£/(¿/ + 2//"' \ш{а/2)),

где ц - линейный коэффициент поглощения стенками пинхола, см '; а - конический угол коллиматора, град.

Практически изготавливаемые конструкции коллиматоров на базе пинхола имеют разную конструкцию. Чаще всего конус, как конструктивный элемент (рис. 6). На рис. 7 показана конструкция, где для повышения статистики регистрации используется многопинхольная система - 4 отверстия.

Рис. 8. Геометрия ослабления в стенках пинхола

Расчёт прохождения рассеянного излучения через пинхол была построена апер-турная функция, приведенная на рис. 9.

В статье приведены результаты расчётов характеристик апертурной функции пин-хольного коллиматора (рис. 9) при геометрических размерах, приведенных на рис. 8.

Рис. 9. Апертурная функции ттхольной системы отбора

В известных работах по коллимированнию с помощью пинхола, как правило, не учитывается фактор неоднородности систем регистрации, связанные с формой «губок» пинхола. Детальное описание апертурной функции рассеивающего объёма (АФРО) пинхола должно учитывать как геометрические искажения, так и учёт поглощения в «губках».

В данной работе впервые проведён комплексный анализ влияния геометрических факторов и свойства материала коллиматора на математическую форму АФРО. Геометрия

и результаты расчёта изменеия телесного угла регистрации предоставлены на рис. 10 и 11.

0_

си

СЗ СИНИ) сэ го

с=>

I_)

сэ

Рис. 10. Геометрия изменения телесного угла О в зависимости от координаты х

На рис. 11 приведён график зависимости уменьшения телесного угла от координаты х точечного рассеивателя.

ю

15

20

Рис. 11. График О

На рис. 12 представлена оптимизированная геометрия губок пинхольного коллиматора, имеющих треугольную форму, учитывающая как геометрические факторы, так и величину ослабления потока квантов в стенках пинхола. Полученная в результате теоретических расчётов апертурная функция пинхольного коллиматора с треугольными губками приведена на рис. 13.

Рис. 12. Геометрия прохождения

-502 -491 -455 -420 -385 -350 -315 -275) -262 О 262 279 315 350 385 420 455 491 мкм

Рис. 13. Апертурная функция рассеяного излучения через пинхол с треугольными губками

Эта апертурная функция является базой для разработки алгоритма реконструкции в комптоновской томографии. Приведённые в данной статье результаты позволяют впервые заложить в алгоритм реконструкции представления АФРО в виде непрерывной функции.

Список литературы

1. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям: Основы реконструктивной томографии / пер. с англ; под ред. Л.М. Сороко. - М.: Мир, 1983. - 352 с.

2. В.А. Горшков, М. Кренинг, Ю.В. Аносов, О. Доржгочоо. Томография на рассеянном излучении: методическое пособие / под. ред. В.А. Горшкова. - М.: - Техно-полиграфцентр, 2002. - 146 с.

3. Капранов Б.П., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н. и др. Томография на комптонов-ском обратном рассеянии. Состояние и перспективы (обзор) // Дефектоскопия.

1994. - № 10-С. 36-53.