RU2288465C1

RU2288465C1 - Device for carrying out radiographic and tomographic examination

Info

Publication number: RU2288465C1
Application number: RU2005110968/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Петрович Боголюбов (RU); Евгений Петрович Боголюбов; Виталий Иванович Микеров (RU); Виталий Иванович Микеров
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-11-27

Abstract

FIELD: quality control engineering.

SUBSTANCE: device has optical fiber scintillators as radiation transportation channels united into package shaped as truncated cone or as truncated pyramid. Means for placing sample under study has projection objective, image intensifier, zooming objective and charge-bound matrix. Conic beam source is placed on transportation optical fiber channel axes intersection.

EFFECT: enhanced effectiveness and high spatial resolution not only in parallel but in conical beam as well; wide range of functional applications.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения.The invention relates to the study of the internal structure of objects, namely to the analysis of objects by radiation methods, for example using neutron, x-ray or gamma radiation.

Известны устройства для радиографии и томографии внутренней структуры объектов, в которых просвечивают исследуемый объект расходящимся пучком рентгеновского излучения и получают теневое изображение внутренней структуры исследуемого объекта на соответствующей системе отображения.Known devices for radiography and tomography of the internal structure of objects in which the studied object is illuminated by a diverging x-ray beam and a shadow image of the internal structure of the object under study is obtained on the corresponding display system.

Клюев В.В. и др. Промышленная радиационная интроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.5-8.Klyuev V.V. et al. Industrial radiation introscopy. M .: Energoatomizdat, 1985, p. 5-8.

Недостатком указанных устройств с использованием расходящегося пучка является низкая чувствительность к маломерным деталям внутренней структуры объекта (дефекты, включения).The disadvantage of these devices using a diverging beam is low sensitivity to small-sized details of the internal structure of the object (defects, inclusions).

Известным техническим решением является устройство для исследования внутренней структуры объектов, для получения теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения, регистрации прошедшего через объект излучения детектором.A well-known technical solution is a device for studying the internal structure of objects, for obtaining shadow projections of the cross sections of the studied object by scanning it with a collimated x-ray beam, detecting the radiation transmitted through the object by a detector.

Патент Великобритании №1283915, МПК: G 01 N 23/08, 1975 г.UK patent No. 1283915, IPC: G 01 N 23/08, 1975

В этом устройстве получаемое пространственное разрешение в теневых проекциях определяется размерами коллимированного пучка и/или детектора в направлении сканирования, т.е. при наличии в исследуемом объекте мелких деталей структуры последние могут не выявляться в получаемой теневой проекции.In this device, the obtained spatial resolution in shadow projections is determined by the dimensions of the collimated beam and / or detector in the scanning direction, i.e. if there are small details of the structure in the studied object, the latter may not be detected in the resulting shadow projection.

Недостатки известных технических решений заключаются в том, что для получения теневых изображений перемещают именно коллимированные пучки относительно объекта. Это приводит к усложнению конструкции, к повышению требований к радиационной защите, к возможности пробелов при контроле объекта из-за резких перемещений излучателя, а также низкой эффективности использования излучения источника, увеличению времени исследования, необходимости коллимирования пучка.The disadvantages of the known technical solutions are that precisely collimated beams relative to the object are moved to obtain shadow images. This leads to a complication of the design, to increased requirements for radiation protection, to the possibility of gaps in the control of the object due to sudden movements of the emitter, as well as low efficiency of the use of radiation from the source, an increase in the study time, and the need for beam collimation.

Известно устройство малоугловой томографии, содержащее источник проникающего излучения, коллиматор, формирующий падающий на объект поток излучения в виде малорасходящихся пучков, средство перемещения объекта относительно падающего на него излучения, пространственный фильтр и детектор.A device for small angle tomography is known, which contains a source of penetrating radiation, a collimator that generates a radiation flux incident on the object in the form of low-diverging beams, means for moving the object relative to the radiation incident on it, a spatial filter, and a detector.

Патент Российской Федерации №2119659, МПК: G 01 N 23/02, 1998 г. Устройство имеет сложную кинематическую структуру для идентификации расходящегося пучка после исследуемого объекта.Patent of the Russian Federation No. 2119659, IPC: G 01 N 23/02, 1998. The device has a complex kinematic structure for identifying a diverging beam after the object under study.

Известно устройство для радиографии и томографии, содержащее источник проникающего излучения, средство перемещения исследуемого объекта, оптическую систему регистрации излучения, содержащую сцинтилляционный экран, плоское зеркало, объектив, фотоприемник (ТВ-камера) и корректирующую линзу.A device for radiography and tomography containing a source of penetrating radiation, a means of moving the studied object, an optical radiation registration system containing a scintillation screen, a flat mirror, a lens, a photodetector (TV camera) and a correction lens.

Патент Российской Федерации №2189031, МПК: G01 N 23/04, 2002 г.Patent of the Russian Federation No. 2189031, IPC: G01 N 23/04, 2002

Устройство имеет сложную оптическую систему формирования изображения, сравнительно низкие четкость изображения и чувствительность.The device has a sophisticated optical imaging system, relatively low image clarity and sensitivity.

Известно рентгеновское устройство, содержащее источник излучения, средство для размещения образца, экран-преобразователь, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися капиллярными каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы, на одном торце которого расположено средство, чувствительное к излучению, фотоприемник.A known X-ray device containing a radiation source, means for placing a sample, a screen transformer made in the form of a truncated cone or a truncated pyramid with diverging capillary channels for transporting radiation, the walls of which are in the form of a side surface of a truncated cone, or a pyramid, or a cylinder, or a prism, on one end of which there is a radiation sensitive device, a photodetector.

Патент Российской Федерации №2239822, МПК: G 01 N 23/04, Бюл. №31, от 10.12.2004. Прототип.Patent of the Russian Federation No. 2239822, IPC: G 01 N 23/04, Bull. No. 31, dated December 10, 2004. Prototype.

Прототип сложен в изготовлении, предназначен для работы с протяженным источником излучения, по существу является лишь коллиматором излучения и только средство, чувствительное к излучению, позволяет его считать экраном-преобразователем.The prototype is difficult to manufacture, designed to work with an extended radiation source, in essence it is only a radiation collimator and only a radiation sensitive tool allows it to be considered a screen-converter.

Прототип позволяет выявлять и преобразовывать только один вид излучений.The prototype allows you to identify and convert only one type of radiation.

Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.The present invention eliminates the disadvantages of analogues and prototype.

Изобретение направлено на повышение эффективности использования быстрых нейтронов, уменьшение времени экспозиции, уменьшение влияния фонового сигнала, улучшение качества принимаемых изображений, повышение производительности процесса, получение изображений не только в нейтронном потоке, но и в рентгеновском и гамма-излучениях.The invention is aimed at increasing the efficiency of using fast neutrons, reducing the exposure time, reducing the influence of the background signal, improving the quality of received images, increasing the productivity of the process, obtaining images not only in the neutron flux, but also in x-ray and gamma radiation.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей.The technical result of the invention is to increase the efficiency and spatial resolution not only in parallel but also in a conical beam, expanding the detector's functionality, recording various types of penetrating radiation: fast neutrons, thermal neutrons, x-rays and gamma rays.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для радиографии и томографии, содержащем источник проникающего излучения, средство для размещения исследуемого образца, экран-преобразователь проникающего излучения, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму, боковой поверхности усеченных конуса или пирамиды, на одном торце которого расположено средство, чувствительное к излучению, и средство для регистрации излучения, каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов и скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, средство для размещения исследуемого образца выполнено с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, а средство для регистрации излучения содержит проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив и ПЗС-матрицу, источник излучения конического пучка расположен на пересечении осей волоконно-оптических каналов транспортировки.The technical result is achieved by the fact that in a device for radiography and tomography containing a source of penetrating radiation, means for accommodating the test sample, a screen transducer of penetrating radiation, made in the form of a truncated cone or a truncated pyramid with diverging channels for the transmission of radiation, the walls of which have a side shape the surface of a truncated cone or pyramid, on one end of which there is a means sensitive to radiation, and means for detecting radiation, transport channels the radiation portings are made in the form of fiber-optic scintillators and arranged in a bag in the form of a truncated cone or a truncated pyramid, the means for placing the test sample are made with the possibility of reciprocating and rotational motion, and the means for detecting radiation contains a projection lens, an image intensifier, a zoom lens and a CCD, the conical beam source is located at the intersection of the axes of the fiber optic transport channels.

Средство для дополнительной регистрации излучения расположено на меньшем торце скомпонованного пакета в виде слоя люминофора.Means for additional registration of radiation is located on the smaller end of the arranged package in the form of a phosphor layer.

Источник излучения конического пучка выполнен в виде нейтронного генератора.The radiation source of the conical beam is made in the form of a neutron generator.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и фиг.2.The invention is illustrated in figure 1 and figure 2.

На фиг.1 схематично представлено устройство для радиографии и томографии для конического нейтронного пучка, где: 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - экран-преобразователь, выполненный в виде волоконно-оптического усеченного конуса или усеченной пирамиды, 3 - отклоняющее зеркало, 4 - входной проекционный объектив, 5 - усилитель изображения, 6 - масштабирующий объектив, 7 - ПЗС-матрица, 8 - средство для размещения исследуемого образца, выполненное с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения.Figure 1 schematically shows a device for radiography and tomography for a conical neutron beam, where: 1 - a source of fast neutrons, 2 - a screen transformer made in the form of a fiber-optic truncated cone or a truncated pyramid, 3 - a deflecting mirror, 4 - input projection lens, 5 - image intensifier, 6 - zoom lens, 7 - CCD, 8 - means for placing the test sample, made with the possibility of reciprocating and rotational motion.

На фиг.2 представлен поперечный разрез экрана-преобразователя 2, где: 9 - волокна, 10 - дополнительный слой люминофора.Figure 2 presents a cross section of the screen of the transducer 2, where: 9 - fiber, 10 - an additional layer of phosphor.

Прямоугольное сечение (около 1×1 мм) волокон обеспечивает достаточно высокую (примерно, 90%) плотность их упаковки в экране.The rectangular cross-section (about 1 × 1 mm) of the fibers provides a sufficiently high (approximately 90%) density of their packaging in the screen.

В случае цилиндрических волокон плотность их упаковки в экране ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации.In the case of cylindrical fibers, their packing density in the screen is lower. Below is the effectiveness of registration.

Волокна экрана-преобразователя 2 изготовлены из полистирола и имеют светоотражающую оболочку. Макетный образец детектора нейтронов имеет экран сечением 150×150 мм.The fibers of the screen transducer 2 are made of polystyrene and have a reflective sheath. The prototype model of a neutron detector has a screen with a cross section of 150 × 150 mm.

Протяженность экрана вдоль нейтронного пучка составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в экране-преобразователе 2 в результате облучения, переносится по волокнам 9 на поверхность, обращенную в сторону отклоняющего зеркала 3. От отклоняющего зеркала 3 оптическое изображение направляют в сторону входного проекционного объектива 4, а затем с его помощью - на усилитель изображения 5 и далее с помощью масштабирующего объектива 6 на ПЗС-матрицу 7.The length of the screen along the neutron beam is 100 mm. The optical image that arises in the transducer screen 2 as a result of irradiation is transferred through the fibers 9 to the surface facing the side of the deflecting mirror 3. From the deflecting mirror 3, the optical image is directed towards the input projection lens 4, and then with its help - to the image amplifier 5 and further using a zoom lens 6 on a CCD matrix 7.

В отличие от известных приемников других типов, устройство с волоконно-оптическим экраном-преобразователем 2 является более универсальным, так как его конструкция обеспечивает возможность использования вместо него других типов экранов: дисперсных экранов при регистрации быстрых нейтронов, а также люминесцентных экранов для тепловых нейтронов и рентгеновского излучения. Эти экраны имеют толщину от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров. Их устанавливают в фокальной плоскости входного проекционного объектива 4, совпадающей с большим торцом конического экрана-преобразователя 2.Unlike other types of known receivers, a device with a fiber-optic screen-converter 2 is more versatile, since its design makes it possible to use other types of screens instead of it: dispersed screens for detecting fast neutrons, as well as luminescent screens for thermal neutrons and x-ray radiation. These screens have a thickness of several tens of microns to several millimeters. They are installed in the focal plane of the input projection lens 4, which coincides with the large end of the conical screen of the transducer 2.

При радиографии источник быстрых нейтронов 1 располагают в точке пересечения осей всех волокон 9 (в вершине пирамиды или конуса). Исследуемый образец (не показан) устанавливают на средство для размещения исследуемого образца 8 между источником 1 и экраном-преобразователем 2. При регистрации быстрых нейтронов волокна 9 экрана-преобразователя 2 выполнены из люминесцирующего полистирола.When radiography, the source of fast neutrons 1 is located at the point of intersection of the axes of all fibers 9 (at the top of the pyramid or cone). The test sample (not shown) is installed on the means for placing the test sample 8 between the source 1 and the transducer screen 2. When registering fast neutrons, the fibers 9 of the transducer screen 2 are made of luminescent polystyrene.

При регистрации тепловых нейтронов волокна 9 выполнены из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма-излучений волокна 9 выполняются из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: вольфрамат германия, иттриевый гранат и др.When registering thermal neutrons, the fibers 9 are made of luminescent polystyrene with boron additives. When registering x-ray and gamma radiation, the fibers 9 are made of transparent scintillators designed to detect these types of radiation: germanium tungstate, yttrium garnet, etc.

Эффективность регистрации обеспечивается протяженностью экрана-преобразователя 2 вдоль направления распространения излучения.The registration efficiency is provided by the length of the screen transducer 2 along the direction of radiation propagation.

Для регистрации объектов с различными габаритами необходимо изготовить несколько экранов-преобразователей с различными углами между образующими. При этом изменяется и расстояние от источника излучения 1 до основания экрана-преобразователя 2. Средство для размещения исследуемого образца 8, выполненное с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, позволяет совершать необходимую корректировку положения образца.To register objects with different dimensions, it is necessary to make several transformer screens with different angles between the generators. In this case, the distance from the radiation source 1 to the base of the screen transducer 2 also changes. The means for accommodating the test sample 8, made with the possibility of reciprocating and rotational movement, allows you to make the necessary adjustment of the position of the sample.

Для получения набора проекционных данных для томографии использован радиографический стенд. Средство размещения 8 образца обеспечивает получение набора проекционных радиографических изображений при различных его угловых положениях по отношению к оси пучка (в общем случае, в диапазоне от 0-360°). Изменение углового положения образца осуществляют с помощью шагового двигателя. Измерение углового положения и его контроль осуществляют с помощью синусно-косинусного трансформатора.To obtain a set of projection data for tomography, a radiographic stand was used. The sample placement means 8 provides a set of projection radiographic images at various angular positions relative to the beam axis (in the general case, in the range from 0-360 °). Changing the angular position of the sample is carried out using a stepper motor. The measurement of the angular position and its control is carried out using a sine-cosine transformer.

При изменении расстояния между источником излучения 1 и детектором необходимо использовать экран-преобразователь 2 с углом между образующими φ, который определяется поперечным размером большего торца экрана S и расстоянием от него до источника L: φ=S/L. Этим обеспечивается возможность исследовать объекты различного размера.When changing the distance between the radiation source 1 and the detector, it is necessary to use a screen-converter 2 with an angle between the generators φ, which is determined by the transverse size of the larger end of the screen S and the distance from it to the source L: φ = S / L. This provides the opportunity to explore objects of various sizes.

Claims

1. A device for radiography and tomography, containing a source of penetrating radiation, means for placing the test sample, a screen-transducer of penetrating radiation, made in the form of a truncated cone or a truncated pyramid with diverging channels for transporting radiation, the walls of which have the shape of the side surface of a truncated cone or pyramid, on one end of which there is a radiation sensitive tool and means for detecting radiation, characterized in that the radiation transport channels made in the form of fiber-optic scintillators and arranged in a package in the form of a truncated cone or a truncated pyramid, the means for placing the test sample is made with the possibility of reciprocating and rotational motion, and the means for detecting radiation contains a projection lens, an image amplifier, a zoom lens and a CCD -matrix, the radiation source of the conical beam is located at the intersection of the axes of the fiber optic transportation channels.

2. The device for radiography and tomography according to claim 1, characterized in that the means for additional registration of radiation is located on the smaller end of the arranged package in the form of a phosphor layer.

3. The device for radiography and tomography according to claim 1, characterized in that the radiation source of the conical beam is made in the form of a neutron generator.