RU2680849C1 - Gamma-radiographic introscopy method - Google Patents
Gamma-radiographic introscopy method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2680849C1 RU2680849C1 RU2018103302A RU2018103302A RU2680849C1 RU 2680849 C1 RU2680849 C1 RU 2680849C1 RU 2018103302 A RU2018103302 A RU 2018103302A RU 2018103302 A RU2018103302 A RU 2018103302A RU 2680849 C1 RU2680849 C1 RU 2680849C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- detector
- gamma
- radiographic
- introscopy
- energy
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 25
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000010748 Photoabsorption Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000009206 nuclear medicine Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005461 Bremsstrahlung Effects 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-OUBTZVSYSA-N Cobalt-60 Chemical compound [60Co] GUTLYIVDDKVIGB-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 1
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 238000002601 radiography Methods 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/36—Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry
- G01T1/362—Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry with scintillation detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
- Nuclear Medicine (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области радиографической интроскопии, точнее к γ-радиографической интроскопии массивных деталей и заготовок из тяжелых металлов.The present invention relates to the field of radiographic introscopy, more specifically to γ-radiographic introscopy of massive parts and blanks of heavy metals.
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.The principle of traditional radiographic non-destructive testing consists in illuminating the object of study with one or another radiation (x-ray, gamma, neutron), converting the radiation image into a light image at the output of the radiation-optical converter and analyzing the resulting image.
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.To control massive objects from heavy metals (steel, W, Pb, U, etc.), γ-radiographic introscopes are most often used, for example, to detect internal defects in steel up to 600 mm thick [Non-destructive testing: Reference: V 8 t. / Under the total. ed. V.V. Klyueva. T. 1. M. - Engineering, 2008. - 560 p.]. In modern introscopes, the analysis of the optical image is carried out in the control process, i.e. simultaneously with the accumulation of information is being read [V.K. Kuleshov et al. Practice of radiographic control. Tomsk: Publishing house of Tomsk Polytechnic University, 2009 - 288 p.]. Previously, an optical image of the test object was obtained using an X-ray film placed behind it. Currently, electronic matrices are used for this, using luminescence to convert the flux of gamma rays into the photon flux of visible radiation. A typical diagram of a γ-radiographic introscope is shown in FIG. 1. The source of gamma radiation is either high-power radionuclide sources (usually cobalt-60 with activity up to 1000 Curie) or electron accelerators (linear accelerators, betatrons, microtrons) with a target made of heavy refractory metal (tantalum, tungsten) accelerated electrons into γ-quanta of bremsstrahlung with an energy of 1 to 10 MeV. The distance from the source to the object is chosen taking into account the size of the source so large that the flux of "translucent" γ-quanta can be considered parallel.
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%.The most important parameter of a γ-introscope is its relative spatial resolution η - the ratio of the size of the detected defect (heterogeneity) to the thickness of the object under study. With a thickness of a translucent object of heavy metal of several tens of mm, traditional γ-radiographic introscopy, like neutron, achieve η≥0.5 + 1.0% [Non-destructive testing: Reference: V 8 t. / Under the total. ed. V.V. Klyueva. T. 1. M. - Engineering, 2008. - 560 p.]. In many cases this is not enough, it is required to provide 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?The principal limitation of the improvement in relative spatial resolution in traditional gamma radiography is the interaction mechanisms of gamma quanta of the translucent source with the material of the object under study. There are three such mechanisms, as is known [Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement (3-rd Edition): John Wiley & Sons, Inc., 2000. 802 p.]: Photoabsorption (the product is photoelectron), Compton scattering (products of the recoil electron and scattered γ-quantum) and the effect of pairing ( electron and positron products and two annihilation gamma quanta). Schematically, these processes are reflected in FIG. 2. In the ideal case, the γ-rays of the radiation source should either pass through the object of study without interaction, or be completely absorbed in it (
Есть два признака того, что данный γ-квант вторичный: его энергия меньше первоначальной (справедливо при моноэнергетичных квантах) или направление пролета отличается от первоначального.There are two signs that this γ-ray is secondary: its energy is less than the original (true for monoenergetic quanta) or the direction of flight differs from the original.
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 (60Со с Еγ=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!To identify the nature of the γ-quantum by the first sign, requirements that are not technically feasible at the current level of technological development must be presented to the coordinate detector. Namely: the efficiency of detecting gamma radiation ( 60 Co with E γ = 1.33 MeV) should be very high, for example, more than 50%. This means that the coordinate detector based on the NaI: Tl scintillator must be made of optically isolated parallelepipeds with a cross section of 100 × 100 μm (to achieve η = 0.1% with an object thickness of 100 mm) with a height of at least 40 mm with individual photosensors included to sum the signals !
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 (Ein), комптоновски рассеянного (Eout) и телесный угол Θcone между направлениями разлета этих квантов [Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement (3-rd Edition): John Wiley & Sons, Inc., 2000. 802 p.]:Obtaining information about the direction of flight of the γ-quantum at the output of the control object is possible using the principle of the Compton gamma camera (it is a prototype) used in astronomy, when searching for spots of contamination by radionuclides and in nuclear medicine. Compton gamma cameras, often called "electronically focused" gamma cameras, are used to capture images of gamma-emitting objects. The idea of Compton visualization of a spatially distributed emitter is based on expression (1), connecting the energies of the γ quanta of the primary (E in ), Compton scattered (E out ) and solid angle Θ cone between the directions of the scattering of these quanta [Knoll GF Radiation Detection and Measurement (3 -rd Edition): John Wiley & Sons, Inc., 2000. 802 p.]:
где mec2 - энергия покоя электрона (511 кэВ).where m e c 2 is the rest energy of the electron (511 keV).
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 Zeff, 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).The principle of operation of the Compton gamma camera is shown in FIG. 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, No. 2, 2013. P. 1066-1071]. There are two coordinate detectors. The first of them (scatter plane) is a converter of the initial γ-quanta into Compton scattered. It is made thin enough from a material with a relatively low effective atomic number Z eff to minimize the probability of complete absorption of primary γ rays in it (usually an Anger camera made of a thin solid scintillation crystal and many semiconductor photosensors).
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 Е1, оставленную в детекторе-рассеивателе; энергию Е2, оставленную в детекторе полного поглощения. Выражение (2) позволяет вычислить cos Θcone и, соответственно определить положение конуса, на образующих которого образовался первичный γ-квант:The second coordinate detector (absorption plane), on the contrary, is thick enough and made of a material with a high density to increase the probability of complete absorption of Compton γ-quanta. Both detectors are turned on for coincidence. Each simultaneous operation of both detectors makes it possible to determine for each event the energy E 1 left in the detector-scatterer; energy E 2 left in the detector of complete absorption. Expression (2) allows one to calculate cos Θ cone and, accordingly, determine the position of the cone on the generators of which the primary γ-quantum is formed:
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.Sufficiently complex mathematical procedures make it possible to reproduce the spatial configuration of the emitting object by comparing the positions of the cones related to individual recorded events [M.J. Cree, P.J. Bones. Towards direct reconstruction from a gamma camera based on Compton scattering. IEEE Trans, on medical imaging, V. 13, No. 2, 1994. P. 398-407]. An example of the application of the direct reconstruction method is shown in FIG. 4 [A. Grint. SmartPET Compton Camera Investigation (Review). Proc. of "World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering". WC, 2006. P. 1-24]. The image of a γ-emitting object is obtained as a superposition of the intersections of the bases of the cones. Quality is determined, in addition to spatial resolution, by the number of recorded events.
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.The idea of using a Compton gamma camera in gamma radiographic introscopy can be very productive. If we register only those γ-quanta that leave the total energy in both detectors equal to the energy of the initial translucent object, this eliminates the drop in image contrast due to registration of quanta scattered in the object under study. The measurement circuit is shown in FIG. 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.The spatial resolution of the classical Compton gamma camera during transmission of a massive object of research from a heavy metal with hard γ-radiation is affected by the characteristics of both coordinate detectors. You can consider their contribution.
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 LaBr3: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 мм2) достигнуто пространственное разрешение 0.9 мм. В упомянутых условиях вполне достижимо пространственное разрешение на уровне 0.1 мм.As noted above, the detector-diffuser is usually built on the principle of an Anger camera [F. de Notaristefani et al. First Results from a YAP: Ce Gamma Camera for Small Animal Studies. IEEE Trans, on Nucl. Sci., V. 43, No. 6, 1996. P. 3264-3271]. The spatial resolution achieved with the Anger camera, where silicon photomultiplier tubes (Si Photomultiplier - SPM) or silicon drift detectors (Si Drift Detector - SDD) with a sensitive surface of the order of 6 × 6 mm under optimal conditions, is a fraction of a millimeter. Optimum conditions are understood as follows: application of the LaBr 3 : Ce scintillator: Ce with an energy resolution of 662 keV≈3%; rather high energy of quanta interacting with it. For example, in [C. Fiorini et al. The HICAM Gamma Camera. IEEE Trans. On nucl. See., V. 59, No. 3, 2012. P. 537-544] under far from optimal conditions (CsI scintillator: Tl with an energy resolution of about 6%; Eγ = 140 keV; sensitive surface area SDD 100 mm 2 ), a spatial resolution of 0.9 mm was achieved. Under the mentioned conditions, a spatial resolution of 0.1 mm is quite achievable.
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 d1 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 d1=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 d2=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 d2=3015 мм, лишь 2.5⋅10-3 часть рассеянных в первом детекторе квантов могут попасть во второй детектор, т.е. в лучшем случае (при малых углах Θcone) 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.The spatial resolution of the total absorption detector is much worse. The only possible option for its execution is a matrix of scintillation crystals in the form of strongly elongated parallelepipeds. An individual photosensor (SDD or SiPM) is optically connected to each scintillator. Obviously, the spatial resolution of the detector-absorber is determined by the transverse dimensions of its elements. To produce scintillation elements with a cross-section of less than 10 × 10 mm is technically and economically very difficult. As a rule, the sizes are brought in accordance with the sizes of silicon photomultipliers (6 × 6 mm), for example. Because of this, coordinate detectors for nuclear medicine show a spatial resolution of only a few mm. It is clear that the resolution should be comparable with the expected size of the heterogeneities in the object of study, i.e. 100 microns. The only way to improve spatial resolution is to increase the distance d between the detectors. A simple example shows that with the classic Compton gamma camera with the modern development of technology, achieving a spatial resolution of 100 microns is unattainable. Let the detector-diffuser be ideal, the distance d 1 between the detectors has a typical value (for medical devices) of 50 mm, and the diameter of one element of the detector-absorber is 6 × 6 mm. The question arises: “at what distance should the detectors be so that the spatial resolution is at the level of 0.1 mm?”. From a point on the detector-scatterer with d 1 = 50 mm, one element of the total absorption detector is seen at an angle of 6.88 ° (flat angle). If the element size were 0.1 × 0.1 mm, then the angle would be 0.114 ° (a difference of ≈60 times). Hence, simple trigonometric calculations give the required value of d 2 = 3015 mm. The detector of complete absorption at best is a matrix of 8 × 8 elements (48 × 48 mm). The diameter of the thin crystal-diffuser should not exceed 48 mm, so as not to lose in registration efficiency. It can be shown that with such detector sizes and the distance between them d 2 = 3015 mm, only 2.5 ,10 -3 of the quanta scattered in the first detector can fall into the second detector, i.e. in the best case (for small angles Θ cone ), only every 400th γ-ray scattered in the 1st detector will get into the second detector (from the point on the detector-scatterer, the entire total absorption detector is seen at an angle of 0.456 °). In some cases, such registration efficiency is unacceptably low.
Таким образом, возникают существенные проблемы применения способа-прототипа для получения изображений внутренних дефектов в массивных объектах из тяжелых металлов:Thus, there are significant problems with the application of the prototype method for obtaining images of internal defects in massive objects of heavy metals:
1) низкая эффективность регистрации полезных событий (γ-квантов, прошедших через объект исследования без взаимодействия с ним);1) low efficiency of recording useful events (γ-quanta that passed through the object of study without interacting with it);
2) координатное разрешение установки оказывается хуже, чем координатные разрешения каждого из двух координатных детекторов из-за квадратичного суммирования их разрешений.2) the coordinate resolution of the setup is worse than the coordinate resolutions of each of the two coordinate detectors due to the quadratic summation of their resolutions.
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.The objective of the invention is to provide a method for gamma radiographic introscopy of massive objects from heavy metals with a spatial resolution of 0.1% and high detection efficiency of gamma radiation transmitted through the object.
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.The solution to the problems consists in the fact that instead of measuring the coordinate scanners of the solid scattering angles of primary gamma-quanta in a thin coordinate detector and the subsequent imaging, the detectors are placed at a minimum distance from each other, and the image of the translucent object is formed by accumulating coordinates interactions with a thin coordinate detector-scatterer of those transmitted through the translucent object of gamma rays that are simultaneously о left in both detectors the total energy equal to the original, and regardless of the place of absorption in the thick detector, the total absorption of gamma rays, Compton scattered by a thin detector. The spatial resolution with this registration method is determined by the coordinate resolution of the detector-scatterer and to improve it, it is possible to select those gamma quanta at the output of the object that left the energy in the detector-scatterer no more than predetermined. This limits the mean free path of recoil electrons and thereby improves the localization of the sites of formation of Compton gamma rays.
Реализация способа показана на фиг. 6. Исследуемый массивный объект 3 из тяжелого металла облучается потоком параллельных γ-квантов с энергией каждого из них Е0. 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.The implementation of the method is shown in FIG. 6. The investigated
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 Е1 и Е2, соответственно. Координата комптоновского взаимодействия с детектором-рассеивателем запоминается только в случае, если для одновременно зарегистрированных двумя детекторами γ-квантов выполняется условие:The γ quanta that arose in
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.This excludes registration of γ-quanta that change their direction when passing through the object under study, since there is no coherent scattering for hard radiation and any change in direction is accompanied by a decrease in the quantum energy.
С целью улучшения координатного разрешения детектора 1 и всей установки помимо условия (2) можно наложить требование:In order to improve the coordinate resolution of
где Er - некое значение энергии, определяемое толщиной детектора 1 и энергией Е0.where E r is a certain value of energy, determined by the thickness of the
Энергия E1, 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.The energy E 1 left by the γ-ray in the detector-scatterer is nothing more than the energy of an electron born from the Compton interaction of the primary quantum with the substance of this detector. It is this electron in its path that ionizes the substance of the detector and is registered by it. It is important that the path length of the Compton-born electron is less than the required coordinate resolution. In this example, it is 100 microns. The smaller the electron energy, the shorter its path length in the working substance of the detector.
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.Obviously, in contrast to the prototype method of γ-radiographic introscopy, based on the use of a Compton gamma camera, in the proposed method, the distance between the coordinate detector-
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.The technical result of the application of the proposed method is that it provides the maximum efficiency of recording events associated with the passage of gamma rays through a massive object of research from a heavy metal without interacting with it and, all other things being equal, the maximum possible spatial resolution is achieved.
Заявляемый способ гамма-радиографической интроскопии позволяет минимизировать сложность и стоимость практических установок, реализующих его.The inventive method of gamma radiographic introscopy can minimize the complexity and cost of practical installations that implement it.
Подрисуночные надписиInscriptions
Фиг. 1. Типичная схема γ-радиогра-фического интроскопаFIG. 1. A typical diagram of a gamma radiographic introscope
Фиг. 2. Прохождение γ-излучения через вещество: 1 - без взаимодействия; 2 - фотопоглощение; 3 - комптоновское рассеяние; с эффектом образования парFIG. 2. The passage of γ-radiation through matter: 1 - without interaction; 2 - photoabsorption; 3 - Compton scattering; with steam effect
Фиг. 3. Принцип действия комптоновской γ-камеры: scatter plane - планарный координатный детектор-рассеиватель; absorption plane - планарный координатный детектор-поглотитель; Ein - энергия испущенного γ-кванта; Е1 - энергия, оставленная в 1-м детекторе (рассеивателе); Е2 - энергия, оставленная во 2-м детекторе (полного поглощения)FIG. 3. The principle of operation of the Compton γ-camera: scatter plane - planar coordinate detector-scatterer; absorption plane - planar coordinate detector-absorber; E in is the energy of the emitted γ-quantum; E 1 is the energy left in the 1st detector (diffuser); E 2 - energy left in the 2nd detector (complete absorption)
Фиг. 4. Зависимость качества изображения излучающего объекта от числа зарегистрированных событийFIG. 4. Dependence of the image quality of the emitting object on the number of recorded events
Фиг. 5. Схема γ-радиографической интроскопии с комптоновской γ-камеройFIG. 5. Scheme of gamma radiographic introscopy with a Compton gamma camera
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 исследованияFIG. 6. The principle of γ-radiographic introscopy with the exception of the effect on the image quality of the primary γ-rays scattered in the object: 1 - a thin coordinate detector-scatterer; 2 - detector of complete absorption; 3 - object of study
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103302A RU2680849C1 (en) | 2018-01-29 | 2018-01-29 | Gamma-radiographic introscopy method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103302A RU2680849C1 (en) | 2018-01-29 | 2018-01-29 | Gamma-radiographic introscopy method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2680849C1 true RU2680849C1 (en) | 2019-02-28 |
Family
ID=65632559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018103302A RU2680849C1 (en) | 2018-01-29 | 2018-01-29 | Gamma-radiographic introscopy method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2680849C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2086954C1 (en) * | 1994-04-08 | 1997-08-10 | Войсковая часть 75360 | Method for measuring of absolute value of body density |
| RU2300784C2 (en) * | 2005-08-01 | 2007-06-10 | ОАО "Экспериментальное научно-производственное объединение "Специализированные электронные системы" | Method for detecting a source of neutron stream and gamma radiation |
| US20110101230A1 (en) * | 2005-02-04 | 2011-05-05 | Dan Inbar | Advanced SNM Detector |
| WO2017156113A1 (en) * | 2016-03-09 | 2017-09-14 | University Of Maryland, Baltimore | Techniques for producing an image of radioactive emissions using a compton camera and compton lines |
-
2018
- 2018-01-29 RU RU2018103302A patent/RU2680849C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2086954C1 (en) * | 1994-04-08 | 1997-08-10 | Войсковая часть 75360 | Method for measuring of absolute value of body density |
| US20110101230A1 (en) * | 2005-02-04 | 2011-05-05 | Dan Inbar | Advanced SNM Detector |
| RU2300784C2 (en) * | 2005-08-01 | 2007-06-10 | ОАО "Экспериментальное научно-производственное объединение "Специализированные электронные системы" | Method for detecting a source of neutron stream and gamma radiation |
| WO2017156113A1 (en) * | 2016-03-09 | 2017-09-14 | University Of Maryland, Baltimore | Techniques for producing an image of radioactive emissions using a compton camera and compton lines |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Y. Kong et all. A prototype Compton camera array for localization and identification of remote radiation sources. IEEE Trans, on Nucl. Sc., V. 60, N2, 2013. P. 1066-1071. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10234572B2 (en) | Multiple spatial resolution scintillation detectors | |
| JP5400988B1 (en) | Radioactive substance detection apparatus, radiation source position visualization system, and radioactive substance detection method | |
| US8648314B1 (en) | Fast neutron imaging device and method | |
| JP2005208057A (en) | Gamma ray detector and gamma ray imaging device | |
| De Notaristefani et al. | First results from a YAP: Ce gamma camera for small animal studies | |
| US20080224052A1 (en) | Threshold Cerenkov detector with radial segmentation | |
| Kim et al. | Position-sensitive NaI (TL) detector module for large-area Compton camera | |
| Baek et al. | Optimization of large-angle pinhole collimator for environmental monitoring system | |
| JP2016151454A (en) | Radiation measuring method, and radiation measuring apparatus | |
| CN112285757B (en) | Radiation monitoring device and method | |
| JP3535045B2 (en) | Device for determining gamma-ray incident direction from trajectory image of recoil electrons by MSGC | |
| JP2023525136A (en) | Devices for simultaneous detection, identification, quantification and/or localization of gamma-ray and neutron sources | |
| EP0829022B1 (en) | An apparatus for scintigraphic analysis, particularly a mammograph, with sub-millimetric spatial resolution | |
| RU2680849C1 (en) | Gamma-radiographic introscopy method | |
| Tisseur et al. | Performance evaluation of several well-known and new scintillators for MeV X-ray imaging | |
| Mizuno et al. | Development of an MPPC-based gamma-ray detector onboard a radiation source imager under high-dose environments and initial performance results | |
| Wu et al. | A novel phoswich imaging detector for simultaneous beta and coincidence-gamma imaging of plant leaves | |
| Kobayashi et al. | Characteristic X-ray detector: In-situ imaging of radioactive contaminant distributions | |
| Langeveld et al. | Implementation of Noise Spectroscopy using biased large-area photodiodes | |
| US10996353B1 (en) | N-type gallium nitride scintillation for fast-neutron detection | |
| O'Neill et al. | The TIGRE desktop prototype results for 511 and 900 keV gamma rays | |
| Tian et al. | High energy X-ray photon counting imaging using linear accelerator and silicon strip detectors | |
| Das et al. | Development of a GAGG (Ce)-based compact 3D scanning setup for assessment of active volume in γ-ray detectors | |
| Borrazzo et al. | Monte Carlo simulation to evaluate factors affecting imaging performances of compact scintillation gamma camera | |
| Cosentino et al. | Particle beam and X-ray imaging with thin CsI scintillating plates |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200130 |