RU2775486C1 - Мобильный рентгеновский аппарат и способ получения рентгеновских изображений с высоким разрешением (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к проекционной рентгенографии с использованием импульсной плазмы в качестве точечного многоимпульсного источника рентгеновского излучения. Технический результат - создание способа и мобильного рентгеновского аппарата, позволяющих повысить удобство и скорость получения с высоким пространственным разрешением увеличенных рентгеновских изображений объектов, в том числе живых. Способ получения рентгеновского изображения объекта включает импульсное облучение объекта рентгеновским излучением, испускаемым импульсной плазмой, и вывод рентгеновского излучения через окно вакуумной камеры на детектор. Предпочтительно используют вакуумную камеру, содержащую карман, который: сообщается с окружающей атмосферой, расположен между областью генерации плазмы и окном вакуумной камеры, содержит входное и выходное окна, предназначенные для прохождения рентгеновского излучения. Объект помещают в указанный карман и извлекают после облучения без разгерметизации вакуумной камеры. Цикл получения увеличенного рентгеновского изображения повторяют многократно, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры. Предпочтительно плазма представляет собой плазму Х-пинча, которую генерируют электрическим взрывом проводника в узле нагрузки. Многоразовую смену нагрузки производят в автоматизированном режиме без разгерметизации вакуумной камеры. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к проекционной рентгенографии с использованием импульсной плазмы, преимущественно Х-пинча, в качестве точечного многоимпульсного источника рентгеновского излучения для получения преимущественно увеличенных изображений объектов с высоким разрешением.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для изучения небольших биологических объектов требуется излучение с энергией фотонов Е=1-30 кэВ. С этой целью в качестве источника излучения можно использовать синхротроны, но они чрезвычайно дороги и не везде доступны.

Для получения высокого пространственного разрешения на увеличенных рентгеновских изображениях объектов просвечивания источник излучения должен быть достаточно мал. Этому критерию соответствует источник рентгеновского излучения с энергией фотонов 2-20 кэВ, называемый Х-пинч, как это известно, например, из работы А review of projection radiography of plasma and biological objects in X-pinch radiation, Shelkovenko T.A., Pikuz S.A., Hammer D.A. Plasma Physics Reports. 2016. T. 42. №3. C. 226-268., которая включена здесь во всей своей полноте посредством ссылки.

Х-пинч представляет собой несколько расположенных в вакууме скрещенных в одной точке проволок микронного размера, через которые пропускается импульс тока с амплитудой не менее 100 килоампер (кА). Необходимым условием также является скорость нарастания импульса, которая должна составлять не менее 1 кА за 1 нс. В результате прохождения импульсного тока через перекрещенные проволоки из разных металлов (например W, Mo, Al, Ni и т.п.) толщиной от единиц до десятков микрон возникает рентгеновский импульс длительностью менее 1 не с характерной энергией фотонов 2-20 кэВ, который излучается из области пересечения проволок.

Рентгеновская точечная проекционная рентгенография с использованием Х-пинча в качестве источника рентгеновского излучения является мощным инструментом для изучения плазменных объектов на основе взрывающихся проводников. В связи с этим X-пинч используется для изучения быстропротекающих процессов на крупных электрофизических установках, A synchronized X-pinch driver, Artyomov A.P., et al., Instruments and Experimental Techniques. 2014. T. 57. №4. C. 461-474. В указанной работе специальное автоматизированное устройство применялось для перемещения Х-пинча к исследуемой многопроволочной нагрузке. Такие свойства Х-пинча, как его чрезвычайно малый размер, менее 1 мкм, и длительность рентгеновского импульса, менее 200 пс, позволяют получить моментальное изображение взрывающихся проволок микронного размера с характерной скоростью расширения ~10 мкм за наносекунду.

Однако интеграция устройства для получения Х-пинча в крупной физической установке, часть импульса тока которой питает Х-пинч, определяет сложность его конструкции и трудности автономного использования.

В значительной степени от этого недостатка свободны известные из патента US 7292676, опубликованного 06.11.2007, способ и устройство для получения фазово-контрастных изображений объекта путем воздействия на объект фотонов с энергией в диапазоне от примерно 2,5 кэВ до примерно 20 кэВ, включающий размещение одного или нескольких объектов вокруг Х-пинча. Устройство для реализации способа содержит источник питания, анодную и катодную пластины с подсоединенными к ним, по меньшей мере, двумя проводами для образования Х-пинча. Материал, образующий Х-пинч, испаряется при приложении тока к проводам, формируя плотную горячую плазму, испускающую одиночный импульс рентгеновского излучения, обеспечивая фазово-контрастное изображение просвечиваемого объекта. При этом несколько одновременных изображений могут быть сформированы для нескольких объектов.

Недостатком указанного технического решения является сложность его применения, поскольку смена нагрузки Х-пинча и изображаемых объектов требует вскрытия вакуумной камеры и ее повторной герметизации после каждого импульса. Недостатком также может быть и отсутствие возможности получения изображений живого объекта.

В одном из вариантов изобретения, показанном на Фиг. 10 а указанного патента US 7292676, изображаемый объект может быть размещен снаружи вакуумной камеры с X пинчом. Это техническое решение, в принципе, дает возможность получения изображений живого биообъекта, однако не решает следующие проблемы:

- обеспечение близости объекта к Х-пинчу для большего оптического увеличения,

- минимизация длины воздушного промежутка между объектом и детектором для устранения сильного поглощения в воздухе рентгеновского излучения с энергией фотонов менее 10 кэВ,

- удобство установки объекта при просвечивании,

- сложность устранения засветки матрицы детектора во время экспозиции, которая может быть более 1 секунды для удобства синхронизации с рентгеновским импульсом, когда между вакуумной камерой и детектором располагается сменный объект.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является устранение, по меньшей мере, части указанных недостатков проекционной рентгенографии с использованием импульсного источника рентгеновского излучения, имеющего малый размер, около 1 мкм, и высокую яркость, около 10¹⁴ фотонов/см² за импульс в спектральном диапазоне 2-6 кэВ в месте расположения исследуемого объекта.

Технический результат изобретения - создание способа и мобильного рентгеновского аппарата, позволяющих повысить удобство и скорость получения с высоким пространственным разрешением рентгеновских изображений объектов, в том числе живых.

Достижение цели возможно с помощью предлагаемого способа получения увеличенного рентгеновского изображения объекта, включающего импульсное облучение объекта рентгеновским излучением, испускаемым плазмой из области генерации плазмы в вакуумной камере, и вывод рентгеновского излучения через окно вакуумной камеры на детектор.

Отличие способа состоит в том, что используют вакуумную камеру, содержащую карман, который: сообщается с окружающей атмосферой, расположен между областью генерации плазмы и окном вакуумной камеры, содержит входное и выходное окна, предназначенные для прохождения рентгеновского излучения; объект помещают в указанный карман между входным и выходным окнами и извлекают после облучения рентгеновским излучением без разгерметизации вакуумной камеры, цикл получения увеличенного рентгеновского изображения повторяют многократно, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения плазма представляет собой плазму Х-пинча, которую генерируют электрическим взрывом проводника в узле нагрузки импульсного генератора тока, и производят многоразовую, не менее пяти раз, смену нагрузки в автоматизированном режиме без разгерметизации вакуумной камеры.

Предпочтительно Х-пинч выбран из группы, включающей в себя: двухпроволочный Х-пинч, многопроволочный Х-пинч, гибридный Х-пинч.

Предпочтительно размер d источника излучения меньше или примерно равен 1 мкм, расстояние а между источником излучения и объектом не более 50 мм, а расстояние b между объектом и детектором не менее 100 мм.

В вариантах реализации изобретения повышают увеличение изображения, размещая между детектором и окном вакуумной камеры протяженной трубу с входным и выходным окнами, предназначенными для прохождения пучка рентгеновского излучения, заполненную средой, например, гелием, с низким поглощением рентгеновского излучения.

Предпочтительно в качестве детектора используют фотокамеру без объектива, с фоточувствительной матрицей, перед которой устанавливают светонепроницаемый фильтр.

В вариантах осуществления изобретения на пути прохождения рентгеновского излучения размещают один или несколько фильтров, с помощью которых энергию фотонов указанного пучка ограничивают выбранными значениями энергии в пределах примерно 2-6 кэВ в общем диапазоне энергии излучения от примерно 2 до 20 кэВ.

В вариантах реализации изобретения осуществляют рентгенографию живых биологических объектов.

В вариантах реализации изобретения вблизи области генерации плазмы размещают сменный защитный фильтр, например, лавсановую пленку, с помощью которого в пучке рентгеновского излучения устраняют загрязнения, генерируемые в плазме наряду с излучением.

В вариантах реализации изобретения одновременно получают изображения нескольких объектов, размещенных в нескольких карманах вакуумной камеры.

В вариантах реализации изобретения используют карман, выходное окно которого совмещено с окном вакуумной камеры.

В другом аспекте изобретение относится к способу получения увеличенного рентгеновского изображения объекта, включающему импульсное облучение объекта рентгеновским излучением, испускаемым импульсной плазмой в вакуумной камере, и вывод рентгеновского излучения через окно вакуумной камеры на детектор.

Отличие способа состоит в том, что объект помещают в сообщающийся с окружающей атмосферой карман, расположенный между областью генерации плазмы и детектором, генерируют плазму Х-пинча электрическим взрывом двух проволок в узле нагрузки импульсного генератора тока, извлекают объект из кармана, производят смену нагрузки с помощью автоматизированной системы, снабженной двумя двигателями, первым из которых линейно перемещают сменные нагрузки, включающие в себя две проволоки, а вторым скручивают их до пересечения проволок в области генерации импульсной плазмы; цикл получения увеличенного рентгеновского изображения повторяют многократно, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

Предпочтительно, в пучке рентгеновского излучения устраняют загрязнения, генерируемые плазмой наряду с излучением, с помощью защитного фильтра, замену которого производят одновременно со сменой нагрузки

В другом аспекте изобретение относится к устройству, которое также может быть обозначено как рентгеновский аппарат, для получения увеличенного рентгеновского изображения объекта, содержащему вакуумную камеру с генератором импульсной плазмы, испускающей рентгеновское излучение, выходящее через окно вакуумной камеры на детектор.

Отличие устройства состоит в том, что вакуумная камера включает в себя расположенный между областью генерации плазмы и окном вакуумной камеры карман, сообщающийся с окружающей атмосферой и снабженный входным и выходным окнами для прохождения через них рентгеновского излучения; указанный карман предназначен для размещения облучаемого объекта между его входным и выходным окнами и для вывода объекта из него без разгерметизации вакуумной камеры, при этом генератор импульсной плазмы выполнен с функцией многократного действия, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

Предпочтительно детектором служит входящая в состав цифрового фотоаппарата фоточувствительная матрица, перед которой установлен светонепроницаемый фильтр.

В вариантах реализации изобретения между окном вакуумной камеры и детектором размещена протяженная труба с входным и выходным окнами, заполненная средой с низким поглощением рентгеновского излучения, например, гелием.

В вариантах реализации изобретения входное или выходное окна кармана вакуумной камеры объединены с окном вакуумной камеры.

Дополнительно может быть введен градуировочный элемент, например, в виде одной или более проволоки с заданным диаметром, размещенный в кармане вакуумной камеры.

Еще в одном аспекте изобретение относится к устройству, которое также может быть обозначено как рентгеновский аппарат, для получения увеличенного рентгеновского изображения объекта, содержащему вакуумную камеру с генератором импульсной плазмы, испускающей рентгеновское излучение, выходящее через окно вакуумной камеры на детектор.

Отличие рентгеновского аппарата состоит в том, что в его состав входят: расположенный между областью генерации плазмы и детектором карман, предназначенный для размещения и смены объекта при получении рентгеновских изображений без разгерметизации вакуумной камеры, а также импульсный генератор тока с узлом нагрузки для создания Х-пинча и автоматизированная система многоразовой смены нагрузки без разгерметизации вакуумной камеры с двумя двигателями, первый из которых предназначен для линейного перемещения сменных нагрузок, включающих в себя две проволоки, а второй - для их скручивания, обеспечивающего пересечение проволок в области генерации импульсной плазмы.

Предпочтительно сменная нагрузка оснащена сменным защитным фильтром.

В вариантах реализации изобретения перед детектором размещена протяженная труба с входным и выходным окнами, заполненная средой с низким поглощением рентгеновского излучения.

В вариантах реализации изобретения карман может входить в состав вакуумной камеры и/или протяженной трубы.

В варианте реализации изобретения в кармане размещен градуировочный элемент, например, в виде одной или более проволок с заданным диаметром.

Указанные объекты, особенности и преимущества изобретения, а также само изобретение будет более понятным из последующего описания вариантов реализации изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1, Фиг. 2, - схемы устройства для получения увеличенных рентгеновских изображений с высоким разрешением в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 3 - принципиальная схема многократной замены нагрузок Х-пинча без разгерметизации вакуумной камеры,

Фиг. 4 - изображение мобильного рентгеновского аппарата, созданного в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 5А, Фиг. 5Б - рентгеновское изображение живого биологического объекта (зародыши мухи дрозофилы) с различным увеличением.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративные материалы частных случаев его реализации.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с примером осуществления изобретения (Фиг. 1) рентгеновский аппарат для получения рентгеновских изображений объекта 1 содержит вакуумную камеру 2 с генератором 3 импульсной плазмы 4, испускающей рентгеновское излучение 5, выходящее через окно 6 вакуумной камеры на детектор 7.

Устройство характеризуется тем, что вакуумная камера 2 включает в себя сообщающийся с окружающей атмосферой карман 8, который снабжен входным окном 9 и выходным окном 10 для прохождения через них рентгеновского излучения 5. Облучаемый объект 1, помещенный между входным и выходным окнами 9, 10 кармана 8, извлекают после облучения рентгеновским излучением 5 без разгерметизации вакуумной камеры 2. Это обеспечивает удобство получения рентгеновских изображений объектов, в том числе, живых, поскольку облучаемые объекты находятся в обычной атмосфере, а не в вакууме.

Для удобства обращения с объектом рентгеновский аппарат может быть снабжен держателем 11, в котором объект размещен между первым и вторым окнами 12, 13, по существу, прозрачными для рентгеновского излучения, Фиг. 1.

Для оптимизации конструкции рентгеновского аппарата и обеспечения удобства его использования детектором 7 может служить входящая в состав цифрового фотоаппарата фоточувствительная матрица, перед которой установлен светонепроницаемый фильтр, в частности из алюминиевой фольги. Этот фильтр служит для устранения фоновой засветки детектора и защищает его от видимого и инфракрасного излучения импульсной плазмы. Предпочтительно применяется полноформатная матрица стандартного цифрового фотоаппарата без объектива, с которой были предварительно удалены несколько фильтров, Фиг. 1.

Размер r минимального разрешаемого элемента изображаемого объекта на детекторе определяется выражением

rRd(b/a),

где d - размер источника излучения, а - расстояние от источника излучения до изображаемого объекта, b - расстояние от объекта до детектора.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения размер d источника излучения меньше или примерно равен 1 мкм, что реализуется при использовании в качестве рентгеновского источника плазмы Х-пинча. Х-пинч является источником рентгеновского излучения малого размера, порядка 1 микрона, с энергией фотонов в диапазоне 2-20 кэВ, и короткой длительностью импульса, не более 1 не. Небольшой размер рентгеновского источника обеспечивает высокое пространственное разрешение при получении изображения объектов с низким поглощением в этом диапазоне энергии фотонов.

С целью градуировки в кармане 8 вакуумной камеры может быть размещен градуировочный элемент, например, в виде одной или более проволоки с заданным диаметром.

Карман 8 вакуумной камеры 2 позволяет размещать объект 1 на оптимально малом расстоянии от источника излучения, повышая за счет приближения к рентгеновскому источнику интенсивность облучения объекта. В свою очередь, это позволяет уменьшить энерговклад в импульсную плазму и, соответственно, уменьшить габариты генератора импульсной плазмы и рентгеновского аппарата в целом.

При использовании нескольких карманов и фотоаппаратов изобретение позволяет получать несколько одновременных изображений нескольких объектов.

В соответствии с изобретением расстояние а между источником излучения и объектом не более 50 мм, а расстояние b между объектом и детектором не менее 100 мм. Это обеспечивает малые габариты рентгненовсекого аппарата, обеспечивая его мобильность. Кроме этого, обеспечивается высокое, более чем двукратное увеличение изображений, получаемых с высоким разрешением.

Для повышения удобства и скорости получения рентгеновских изображений генератор 3 импульсной плазмы 4 выполнен с функцией многократного действия, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

Фиг. 2 иллюстрирует вариант реализации изобретения, в котором плазма представляет собой плазму Х-пинча, генерируемую электрическим взрывом проводников 14, 15 в узле нагрузки 16 импульсного генератора тока 17. Импульсный генератор тока 17 подключен к катоду и аноду, с которыми контактирует узел нагрузки 16. Для смены нагрузок предназначена автоматизированная система, в состав которой входят блок 18 подачи заготовок нагрузок 19 и блок 20 приема отработанных нагрузок. Это обеспечивает многоразовую смену нагрузки в автоматизированном режиме без разгерметизации вакуумной камеры.

В вакуумной камере 2 между Х-пинчом и входным окном кармана 8 вакуумной камеры размещен защитный фильтр 21, который служит для защиты следующего за ним входного окна 9 кармана от плазмы продуктов распада Х-пинча. Защитный фильтр 21, по существу прозрачный для рентгеновского излучения 5, заменяется вместе с нагрузкой 16.

Для повышения увеличения рентгеновского изображения между детектором 7 и окном 6 вакуумной камеры может быть размещена протяженная труба 22 с входным и выходным окнами 23, 24, предназначенными для прохождения рентгеновского излучения, по существу, без поглощения. Труба 22 заполнена средой с низким поглощением рентгеновского излучения, например, гелием атмосферного давления. Это позволяет варьировать увеличение в широких пределах, в частности, от 2-х кратного до большего увеличения. Одновременно обеспечивается компактность вакуумной камеры и мобильность рентгеновского аппарата в целом.

В вариантах изобретения окно вакуумной камеры 6 и входное окно 23 протяженной трубы 22 могут быть совмещены для упрощения и оптимизации конструкции рентгеновского аппарата.

С этой же целью, в вариантах реализации изобретения выходное окно 10 кармана может быть совмещено с окном 6 вакуумной камеры. Вместе с тем, не ограничиваясь только этими вариантами, изобретение позволяет размещать карман и объект, по существу, в любой области между плазмой 4 и детектором 7. В частном варианте реализации изобретения карман, например, дополнительный карман может быть расположен на протяженной трубе 22. Все это позволяет расширить спектр исследуемых объектов, увеличить функциональные возможности рентгеновского аппарата в целом и повысить удобство его использования.

Автоматизированная система многократной замены нагрузок Х-пинча без разгерметизации вакуумной камеры схематично показана на Фиг. 3. Блок 18 подачи заготовок нагрузок 19 содержит пять или более заготовок нагрузок 19, состоящих из двух электродов с натянутыми параллельными проволоками между ними. Заготовки нагрузок 19 установлены на общей анодной пластине 25. Двигатель 26, установленный на конце блока 18, предназначен для подачи с помощью червячной передачи заготовок нагрузок 19 в зазор между анодом и катодом сильноточного генератора и одновременного перемещения сменных защитных фильтров (на Фиг. 3 не показаны). Двигатель 27, установленный на крышке вакуумной камеры 2, предназначен для скручивания проволок заготовки нагрузки 19 до их касания в области генерации импульсной плазмы. После пуска генератора тока и регистрации изображения объекта исследования анодная пластина 25 перемещается в сторону блока приема нагрузок 20, а на место использованной нагрузки устанавливается следующая нагрузка.

Способ получения увеличенного рентгеновского изображения объекта реализуют следующим образом.

Осуществляют импульсное облучение объекта 1 рентгеновским излучением 5, испускаемого импульсной плазмой 4 из области генерации плазмы в вакуумной камере 2, Фиг. 1. Рентгеновское излучение выходит через окно вакуумной камеры 6 на детектор 7. В соответствии с изобретением используют вакуумную камеру 2, содержащую карман 8, который сообщается с окружающей атмосферой и расположен между областью генерации импульсной плазмы 4 и окном вакуумной камеры 6. Объект 1 помещают в карман 8 между входным и выходным окнами 9, 10 кармана 8 и извлекают после облучения рентгеновским излучением без разгерметизации вакуумной камеры 2. Цикл получения увеличенного рентгеновского изображения повторяют многократно, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

Использование кармана 8 для размещения объекта 1 при просвечивании позволяет приблизить объект к источнику излучения, что увеличивает поток мощности излучения, падающего на объект, а также увеличивает изображение на детекторе, в качестве которого для удобства использования применяют фоточувствительную матрицу цифровой фотокамеры без объектива.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения импульсная плазма 4 представляет собой плазму Х-пинча, которую генерируют электрическим взрывом проводника в узле нагрузки 16 импульсного генератора тока 17, Фиг. 2. Многоразовую смену нагрузки Х-пинча производят в автоматизированном режиме без разгерметизации вакуумной камеры, Фиг. 3, как это описано выше. В результате получают не менее 5 изображений объектов без разгерметизации вакуумной камеры. После использования всех заготовок нагрузок 19 блок 18 подачи заготовок нагрузок открывается и на их места в анодной пластине 25 устанавливается следующая партия заготовок нагрузок 19. После откачки вакуумной 2 камеры рентгеновский аппарат готов к следующему циклу получения изображений.

Использование Х-пинча позволяет получать рентгеновское изображение с микронным пространственным разрешением.

Для генерации импульсной плазмы используют Х-пинч относящийся к группе, включающей в себя: двухпроволочный Х-пинч, многопроволочный Х-пинч, гибридный X-пинч.

Нагрузка генератора тока 17 в виде гибридного Х-пинча представляет собой тонкую проволочку длиной 1-3 мм и толщиной 20-25 микрон, расположенную между тугоплавкими коническими электродами. Этот вариант изобретения позволяет упростить конструкцию рентгеновского аппарата за счет устранения двигателя 27, предназначенного для закручивания заготовки 19 нагрузки Х-пинча, содержащей две или более проволочки.

Мягкое рентгеновское излучение в диапазоне 2-6 кэВ от точечного источника, которым является плазма X - пинча, проходя через несколько фильтров, окон и объект, падает на детектор 7 в виде матрицы цифрового аппарата. Регистрируемое изображение записывается на флэш-память и передается на компьютер.

В схеме используется несколько фильтров и окон. Одним из фильтров является размещаемый вблизи импульсной плазмы 4 сменный защитный фильтр 21, например, из лавсановой 20-мкм пленки, предназначенный для защиты окна 9, разделяющего вакуум и атмосферу от плазмы и продуктов распада Х-пинча. Защитный фильтр автоматически заменяется с помощью одного из двигателей при каждом пуске вместе с заменой нагрузки 16 генератора тока 17. Окна 9,10, 12, 13, 6, которые являются окнами кармана 8, держателя 11 и вакуумной камеры 2 могут быть выполнены, например, из лавсана толщиной 20 мкм. Далее могут следовать выполненные, например, из лавсана толщиной 20 мкм окна 23, 24 протяженной трубы 22, длину которой можно менять в зависимости от того, какое геометрическое увеличение изображения объекта необходимо получить. Последний фильтр, например, из алюминия толщиной 10 мкм перед цифровой матрицей защищает ее от проникновения естественного света, видимого и инфракрасного излучения плазмы X-пинча. Суммарный коэффициент пропускания всех фильтров в диапазоне фотонов более 3 кэВ составляет не менее 90%. В результате на детекторе 7 возникает рентгеновское изображение объекта в указанном выше диапазоне фотонов.

При получении снимков исследуемых объектов на пути прохождения рентгеновского излучения 5 могут быть размещены один или несколько дополнительных фильтров, с помощью которых энергию фотонов ограничивают выбранными значениями энергии в пределах примерно 2-6 кэВ в общем диапазоне энергии излучения от примерно 2 до 20 кэВ.

Созданный в соответствии с изобретением рентгеновский аппарат (Фиг. 4) на основе Х-пинча позволяет получать контрастные рентгеновские снимки небольших живых объектов с характерным размером около 5 мм с высоким пространственным разрешением. Благодаря рентгеновскому излучению в указанном выше диапазоне энергий, аппарат позволяет получать контрастные изображения небольших живых объектов при малой экспозиции, сохраняющей их живыми. По сравнению с синхротроном, аппарат имеет преимущество за счет своей мобильности, простоты конструкции и удобства применения, не требующего высокой квалификации пользователя.

В рентгеновском аппарате в качестве нагрузки при создании Х-пинча может быть использовано две и более проволоки. Благодаря возможности менять зарядное напряжение от 25 до 50 кВ, меняя амплитуду тока через нагрузку, можно перестраивать спектр рентгеновского излучения, вплоть до 20 кэВ.

Настоящее изобретение имеет ряд применений, к которым относится визуализации в биологической лаборатории внутренних органов насекомых небольшого размера на различных этапах их жизненного цикла с размером образцов до 10 мм.

В качестве примера на Фиг. 5А представлено рентгеновское изображение нескольких зародышей мухи дрозофилы, снятое с геометрическим увеличением 12:1. Объект располагался на расстоянии 40 мм от импульсной плазмы. Изображение получено с помощью Х-пинча из двух молибденовых проволочек диаметром 20 мкм с использованием фотоаппарата с цифровой полноформатной матрицей 24x36 мм, имеющей размер пикселя 6.4 мкм. Часть этого снимка (Фиг. 5Б) дополнительно увеличена в 4 раза, чтобы видеть объект на фоне вольфрамовой проволоки толщиной 6 мкм. Рентгеновские изображения на Фиг. 5А, 5Б получены с разрешением лучше, чем 1 мкм.

В соответствии с вариантами реализации, изобретение позволяет получать несколько одновременных изображений нескольких объектов, размещаемых по разные стороны от импульсной плазмы в нескольких карманах вакуумной камеры.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Изобретение предназначено для получения преимущественно увеличенных изображений объектов с высоким пространственным разрешением и возможностью изучать живые объекты в безопасном для их жизнедеятельности режиме. Применения включают биологию, медицину, сельское хозяйство, контроль качества тонких покрытий, дефектоскопию, микромеханику, создание и применение рентгеновских аппаратов с высоким пространственным и временным разрешением.

Claims (34)

1. Способ получения рентгеновского изображения объекта, включающий импульсное облучение объекта рентгеновским излучением, испускаемым плазмой из области генерации плазмы в вакуумной камере, и вывод рентгеновского излучения через окно вакуумной камеры на детектор, отличающийся тем, что

используют вакуумную камеру, содержащую карман, который: сообщается с окружающей атмосферой, расположен между областью генерации плазмы и окном вакуумной камеры, содержит входное и выходное окна, предназначенные для прохождения рентгеновского излучения;

объект помещают в указанный карман между его входным и выходным окнами и извлекают после облучения рентгеновским излучением без разгерметизации вакуумной камеры,

цикл получения рентгеновского изображения повторяют многократно, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазма представляет собой плазму Х-пинча, которую генерируют электрическим взрывом проводника в узле нагрузки импульсного генератора тока, и производят многоразовую, не менее пяти раз, смену нагрузки в автоматизированном режиме без разгерметизации вакуумной камеры.

3. Способ по любому из пп. 1 или 2, в котором Х-пинч выбран из группы, включающей в себя: двухпроволочный Х-пинч, многопроволочный Х-пинч, гибридный Х-пинч.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором размер d источника излучения меньше или примерно равен 1 мкм, расстояние а между источником излучения и объектом не более 50 мм, а расстояние b между объектом и детектором не менее 100 мм.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором повышают увеличение изображения, размещая между детектором и окном вакуумной камеры протяженную трубу с входным и выходным окнами, предназначенными для прохождения рентгеновского излучения, заполненную средой, например гелием, с низким поглощением рентгеновского излучения.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве детектора используют фотокамеру без объектива, с фоточувствительной матрицей, перед которой устанавливают светонепроницаемый фильтр.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором на пути прохождения рентгеновского излучения размещают один или несколько фильтров, с помощью которых энергию фотонов рентгеновского излучения ограничивают выбранными значениями энергии в пределах примерно 2-6 кэВ в общем диапазоне энергии излучения от примерно 2 до 20 кэВ.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором осуществляют рентгенографию живых биологических объектов.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором вблизи области генерации плазмы размещают сменный защитный фильтр, например лавсановую пленку, с помощью которого в пучке рентгеновского излучения устраняют загрязнения, генерируемые в плазме наряду с излучением.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором используют карман, выходное окно которого совмещено с окном вакуумной камеры.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором одновременно получают изображения нескольких объектов, размещенных в нескольких карманах.

12. Способ получения рентгеновского изображения объекта, включающий импульсное облучение объекта пучком рентгеновского излучения, испускаемого плазмой в вакуумной камере, и вывод рентгеновского излучения через окно вакуумной камеры на детектор, отличающийся тем, что

объект помещают в сообщающийся с окружающей атмосферой карман, расположенный между областью генерации плазмы и детектором, генерируют плазму Х-пинча электрическим взрывом двух проволок в узле нагрузки импульсного генератора тока, извлекают объект из кармана,

производят смену нагрузки с помощью автоматизированной системы, снабженной двумя двигателями, первым из которых линейно перемещают сменные нагрузки, включающие в себя две проволоки, а вторым скручивают их до пересечения проволок в области генерации импульсной плазмы,

цикл получения рентгеновского изображения повторяют многократно, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

13. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что в пучке рентгеновского излучения устраняют загрязнения, генерируемые плазмой наряду с излучением, с помощью защитного фильтра, замену которого производят одновременно со сменой нагрузки.

14. Устройство для получения рентгеновского изображения объекта, содержащее вакуумную камеру с генератором импульсной плазмы, испускающей рентгеновское излучение, выходящее через окно вакуумной камеры на детектор, отличающееся тем, что

вакуумная камера включает в себя расположенный между областью генерации плазмы и окном вакуумной камеры карман, сообщающийся с окружающей атмосферой и снабженный входным и выходным окнами для прохождения через них рентгеновского излучения; указанный карман предназначен для размещения облучаемого объекта и для вывода объекта из него без разгерметизации вакуумной камеры, при этом

генератор импульсной плазмы выполнен с функцией многократного действия, не менее 5 раз, без разгерметизации вакуумной камеры.

15. Устройство по п. 14, в котором детектором служит входящая в состав цифрового фотоаппарата фоточувствительная матрица, перед которой установлен светонепроницаемый фильтр.

16. Устройство по любому из пп. 14, 15, в котором между окном вакуумной камеры и детектором размещена протяженная труба с входным и выходным окнами, предназначенными для прохождения рентгеновского излучения, заполненная средой с низким поглощением рентгеновского излучения, например гелием.

17. Устройство по любому из пп. 14-16, в котором входное окно протяженной трубы совмещено с окном вакуумной камеры.

18. Устройство по любому из пп. 14-17, в котором выходное окно кармана вакуумной камеры совмещено с окном вакуумной камеры.

19. Устройство по любому из пп. 14-18, в котором окна выполнены из пленки, по существу, прозрачной для рентгеновского излучения.

20. Устройство для получения рентгеновского изображения объекта, содержащее вакуумную камеру с генератором импульсной плазмы, испускающей рентгеновское излучение, выходящее по меньшей мере через одно окно вакуумной камеры на детектор, отличающееся тем, что в его состав входят:

расположенный между областью генерации плазмы и детектором карман, предназначенный для размещения и смены объекта при получении рентгеновских изображений без разгерметизации вакуумной камеры,

импульсный генератор тока с узлом нагрузки для создания Х-пинча и автоматизированная система многоразовой смены нагрузки без разгерметизации вакуумной камеры с двумя двигателями, первый из которых предназначен для линейного перемещения сменных нагрузок, включающих в себя две проволоки, а второй - для их скручивания, обеспечивающего пересечение проволок в области генерации импульсной плазмы.

21. Устройство по п. 20, в котором сменная нагрузка оснащена сменным защитным фильтром.

22. Устройство по любому из пп. 20 или 21, в котором перед детектором размещена протяженная труба с входным и выходным окнами, заполненная средой с низким поглощением рентгеновского излучения.

23. Устройство по п. 22, в котором карман входит в состав вакуумной камеры и/или протяженной трубы.

24. Устройство по любому из пп. 20-23, в кармане которого размещен градуировочный элемент, например, в виде одной или более проволок с заданным диаметром.

Images