Получение рентгеновских и гамма изображений протяженных источников с использованием кодирующих апертур


Глава 4. Измерения на радиационных объектах и дополнительная обработка полученных изображений



страница3/4
Дата09.08.2018
Размер0.62 Mb.
#43452
ТипАвтореферат
1   2   3   4
Глава 4. Измерения на радиационных объектах и дополнительная обработка полученных изображений

Образцы систем применялись при проведении обследования объектов ядерной энергетики в разных странах. При измерениях, проводимых в условиях реального внешнего фона, сравнивались работоспособность и реальные возможности систем получения -изображений с разными коллиматорами.



Раздел 4.1 представляет результаты, полученные при использовании разработанных систем на объектах атомной энергетики и промышленности. В Бельгии измерения проводились в зале системы теплообменников действующего реактора. Со всех ракурсов изображения получались с использованием пинхольной камеры и камеры КИ-КАРТОГАМ с КА. На рис. 19-20 приведены примеры изображений, полученных с использованием двух типов -камер. Результаты показывают, что во всех случаях изображения полученные с помощью КА имели лучшее угловое разрешение. Время экспозиции в случае КА было в несколько раз меньше. В нескольких случаях высокого неоднородного фона изображение можно было получить только с использованием КА.



Рис. 19. Сравнение пространственного разрешения камеры пинхольной камеры – слева и камеры с КА – справа
В центре КАЭ Сакле (Франция) было проведено измерение распределения активности в цилиндрическом бетонном контейнере с трансурановыми отходами. Из-за низкого отношения С/Ш и протяженного характера источника изображение удалось получить только при использовании процедуры маска – антимаска (рис. 21а). Бетонный контейнер исследовался также с помощь метода фотоядерных реакций, вызываемых фотонами энергией выше 6 МэВ, образующимися при торможении пучка ускоренных электронов на мишени. Распределения активности, определенные обоими методами, достаточно точно совпали.



Рис. 20. Получение изображения в условиях высокого фона с помощью пинхольной камеры – слева и КА – справа

Система КИ НУКЕМ применялась в Германии для проведения картирования - загрязнения в условиях высокого и низкого радиационного фона и для характеризации радиоактивных отходов. Кроме этого были получены изображения различных источников. Был создан виртуальный протяженный непрерывный источник с энергией ~180 кэВ, распределение интенсивности излучения в котором может быть точно рассчитано. Этот источник получается, когда коллимированный поток -квантов от источника Cs-137 (рис. 21 б) облучает 30 мм плиту из алюминия. В результате возникает виртуальный распределенный круговой источник с энергией ~180 кэВ рассеянного излучения (рассеяние на ~175 град).



а) б)


Рис. 21. -Изображение распределения активности в цилиндрическом бетонном контейнере (а) и -изображение протяженного источника, сформированного при рассеянии излучения точечного коллимированного источника (б).

Камера КИ-МКП применяется для картирования радиоактивного загрязнения помещений и оборудования при подготовительных работах для вывода из эксплуатации исследовательского реактора МР в РНЦ КИ. Она используется при технологических операциях – определении распределения активности по длине облученных конструкций исследовательского реактора перед их резкой (рис 22а). Эти измерения проведены в условиях высокого фона от источника (~ 30 мГр/ч) с использованием процедуры маска-антимаска.



а) б) в)


Рис. 22. Определение распределения активности по длине сборок (а). Контроль контейнеров с загруженными облученными блокам: расстояние до контейнера 2,75 м (б), расстояние до контейнера 4 м (в)

Изображения, полученные для контроля загрузки РАО в контейнеры перед отправкой контейнеров на временное хранение, представлены на рис. 22 (б) и (в). Изображения получены в условиях сильного неоднородного фона в зале остановленного реактора, где находится много случайно расположенных источников. Вклад излучения от контейнера в МЭД в точке измерений мал по сравнению с фоном в зале реактора. Изображения показывают, что вся активность сосредоточена в центре контейнера (оптимальная упаковка для выполнения транспортных норм).







Рис. 23. -изображения одного объекта, полученные с пинхольной апертурой (а) и с кодирующей апертурой (б).

Рис. 24. Теневые картины и восстановленные изображения разных источников.

В разделе 4.2 рассмотрены методы дополнительной обработки результатов измерений. Изображения, получаемые с использованием КА, могут содержать артефакты. Они возникают при наличии источников, расположенных вне области полного кодирования апертуры системы. Примеры таких артефактов получены как в производственных условиях (рис. 23), так и в лаборатории (рис. 24).

Разработан алгоритм восстановления изображений, полученных при неполном кодировании. Он основан на поиске изображения в расширенном поле зрения системы (FOV) путем минимизации функционала, в результате чего определяется предполагаемое восстановленное изображение, создающее на детекторе максимально близкую к экспериментальным данным теневую картину.

Алгоритмы минимизации применяются при восстановлении изображений, целиком лежащих в области полного кодирования. В этом случае минимум соответствующей функции находится безо всяких предварительных предположений о возможном расположении источников. Сигнал – теневая картина на детекторе D(x) определяется потоком фотонов от источника S(y), прошедших через апертуру маски, определяемую ее узором A(x): D(x)=A(y+x)*S(y), где * - оператор корреляции. Восстановленное изображение определяется или с использованием свертки: S’(y)=D(x)*C(x+y), здесь C(x) - обратная к A (x) последовательность, или с помощью минимизации функционала, который подбирает распределение источников максимально близкое к зарегистрированной теневой картине на детекторе:

Fin = .

В разработанном алгоритме восстановления изображения поле зрения FOV расширено и вводится соответствующее ему неизвестное распределение источников:  . Функция апертуры кодирующей маски A(y) заменяется на расширенную апертурную функцию, учитывающую возможное нахождение источников в области неполного кодирования расширенного поля зрения и позволяющую создавать реальные тени от таких источников: A(y)Aext(y). Эта функция - не простая унимодальная матрица, используемая в процедуре свертки, а набор линейных сверток с нелинейными ограничениями, связанными с обрезанием поля зрения. Задача нахождения распределения источников в расширенном поле зрения решается минимизацией нового функционала:



Fext = .

Для изучения свойств алгоритма восстановления был сгенерирован ряд теневых картин методом Монте-Карло и получены экспериментальные теневые картины кольцевых и точечных источников.






Рис. 25. Восстановление кольцевого источника частично попадающего в область неполного кодирования камеры с КА, радиус источника 10 см
Функционал поиска восстановленного изображения путем подгонки ожидаемой теневой картины к экспериментальным данным (закодированная теневая картина) нелинейный. Из-за этой нелинейности сходимость итераций зависит от используемого начального приближения. При восстановлении различных изображений были изучены скорость работы и качество восстановленного изображения для случая нескольких источников в FOV прибора; зависимость скорости работы процедуры от размера расширенного FOV; зависимость качества восстановленных изображений от их сложности.

Результат обработки теневой картины от кольцевого источника (вращающийся точечный источник Am-241, радиус 10, расстояние 1,5 м, шестиугольная маска URA 9-ого ранга) представлен на рис. 25 (исходное поле зрения шестиугольной URA маски ранга R= 9 соответствует матрице (2R +1) x (2R +1) -> 19 x 19 элементов). Алгоритм требует порядка тысячи итераций, если процесс решения начинается с пустого изображения - .

При использовании метода восстановления изображений, учитывающего наличие источников в области неполного кодирования и проводящего восстановление с увеличением поля зрения за область полного кодирования, удается получать изображения, свободные от артефактов.

Желательно иметь методы, позволяющие избегать артефакты на стадии получения изображений. Сканирование по области расположения источников решает эту проблему частично. Для некоторых ориентаций источников в поле зрения камеры при сканировании невозможно определить истинное расположение источников. Наилучший способ для решения этой проблемы - сделать так, чтобы источник целиком попал в область полного кодирования. Это можно осуществить двумя способами: 1) – изменением расстояния до источника или 2) путем изменения фокусного расстояния (расстояние маска детектор). Реализация первого способа представлена на рис. 22 (б, в). На изображении рис. 22 (б) видны артефакты, которые устраняются (рис. 22 в) при удаления камеры от объекта. Если установить на камеру механизм перемещения маски относительно плоскости детектора, можно реализовать второй способ. Алгоритм восстановления изображения отработан при получении изображений объектов, лежащих на разных, но достаточно близких расстояниях до детектора. В этом случае при восстановлении изображений проводится масштабирование карты разбиения, полученной при настройке системы, с учетом изменения расстояний детектор   маска и маска   источник.

-Камера со сцинтилляционным ПЧД является прибором, не обладающим спектральной чувствительностью. После калибровки чувствительности камеры для основных источников (60Co или 137Cs) с ее помощью можно оценивать парциальную мощность дозы в элементе изображения и определять активность источников. Когда известно расстояние до объекта, можно рассчитать абсолютное значение активности источников или абсолютное распределение активности по загрязненной поверхности.
Глава 5. Моделирование систем с КА и разработка новых систем
В разделе 5.1 обсуждаются необходимость и цели моделирования при разработке новых систем получения изображений с использованием КА.

В разделе 5.2 представлены основные модули, используемые при моделировании. Рассмотрено моделирование формирования теневой картины, описаны расчетные параметры и форматы данных для использования результатов в других программах. Описан расчет сигнала от фонового излучения, рассмотрено преобразование энергии в детекторе. Представлены экспериментальные исследования для уточнения модели.

В разделе 5.3 модель применяется для анализа разных задач, которые можно решать получая -изображения с помощью КА. Например, определение расстояния до объекта основано на предположении, что в любом изображении можно выделить самый яркий элемент, и будет логично использовать для поиска оптимальной величины d интенсивность этого самого яркого элемента. Проведя восстановление изображения при разных значениях d, определяется значение d*, которое соответствует максимуму сигнала, а по соотношению, связывающему параметр разбиения и расстояние, определяется расстояние до источника. С помощью разработанной модели была исследована система для получения увеличенных изображений источников излучения - "-микроскоп".

В разделе 5.4 представлены результаты моделирования характеристик нескольких перспективных систем получения изображений, интересных для решения различных задач. Рассмотрено портативное устройство на основе исследованного сцинтилляционного ПЧД для поиска слабых радиоактивных источников. Исследованы характеристики чувствительной системы для дистанционного мониторинга загрязнения почвы. Предложена легкая система для аварийных ситуаций с маской из сплава вольфрама толщиной 1.5 мм и детектором Medipix2/CdTe с размерами полупроводникового детектора ~ 14x14x2мм. Схема прибора показана на рис. 26.




а) б)


Рис. 26. Схема легкой камеры для аварийных ситуаций и поиска источников (а) и изображение источника Co-60 с расстояния 10 м, экспозиция 81010(б).
Маска имеет следующие характеристики: ранг 17, материал вольфрам, толщина 1,5 мм; шаг узора 0,4 мм, диметр отверстий примерно 0,3 мм. Система (рис. 26) будет иметь следующие параметры: поле зрения   FoV 20o, угловое разрешение  = 0,8o, чувствительность – обнаружение источника Co-60, создающего МЭД 10мР/ч – 1Р/ч за 100   1сек, вес ~500г. Плата Medipix2 связана с портативным компьютером через шину USB. Система содержит USB видео камеру и лазерный указатель.

Проведено моделирование системы для получения -изображений при поиске запрещенных веществ с использованием нейтронно-активационного анализа (НАА). Генератор нейтронов – низковольтная D-T трубка (En=14.3 МэВ, средняя интенсивность излучения нейтронов 1010 нейтрон/сстеррад). Система состоит из 271 детектора объемом ~50-100 см3 [3], площадь детектора ~3500cm2, кодирующая апертура - hURA маска 9-ого ранга из вольфрама, толщина маски 20 мм. Чувствительность системы позволяет получить за одну минуту изображение источника 6 МэВ с интенсивностью 8*103 кванта/сек с величиной SNR~3.

Изготовление масок для портативных систем получения изображений является сложной задачей. Сложность представляют твердый материал (вольфрам или сплав вольфрама), узор маски, точность изготовления. Были использованы 4 технологии на станках с программным управлением: механическое сверление – только для масок из тантала, электроэрозия с использованием движущейся проволоки, электроэрозия с конца проволоки, резка лазером. Для всех способов изготовления разработаны алгоритмы создания управляющих чертежей, включающие их автоматическую проверку.

Раздел 5.5 посвящен рассмотрению системы с линейной кольцевой маской и углом обзора 2. В системе используются два оригинальных подхода: 1) кодирующая апертура выполнена в виде круговой одномерной маски, поэтому система регистрирует излучение, полезное для кодирования изображения, из полного угла 2π, и 2) отдельные элементы детектора – пиксели – совмещены с элементами маски. Возможность реализации такого подхода для получения γ-изображения следует из свойств масок, узор которых представляет псевдослучайную последовательность типа URA. Схема камеры в сравнении с обычной КА и трехмерный вид представлены на рис. 27.

а б в


Рис. 27. Схема получения γ-изображения с использованием кодирующей апертуры: а)- плоская маска; б)   одномерная кольцевая маска: 1   γ-источник, 2 – поток γ-квантов, 3 – кодирующая апертура, 4   позиционно-чувствительный детектор; и в)- трехмерный вид кольцевой маски-детектора

Схема получения изображения должна включать следующую последовательность операций. Регистрируется теневая картина   сигнал со всех пикселей детектора за время экспозиции t1. Полученная теневая картина используется для восстановления распределения источников. Назовем ее парциальной картиной для данного положения. Затем система поворачивается на угол, равный угловому расстоянию между пикселями детектора. Операции повторяются при последовательном вращении системы равными шагами на полный угол 2π. Парциальные картины, полученные во всех положениях, последовательно складываются с учетом ориентировки детектора относительно внешней системы координат. Одно восстановленное парциальное изображение дает сильно искаженную картину распределения источников. Но по мере вращения изображение улучшается и, когда произойдет полный оборот, полученное суммарное изображение становится близко к реальному. Изменение изображения двух источников по мере сложения парциальных изображений для детектора с маской длиной в 19 элементов, полученное в модельном эксперименте, представлено на рис. 28.



В портативном виде система имеет элементарные детекторы из сцинтиллятора CsI(Tl) размером 5х10х50 мм, помещенные в светоотражатель и дополнительно закрытые с наружной стороны поглотителем из вольфрама толщиной ~3 мм. Эти элементы устанавливаются на окружности согласно используемой псевдослучайной последовательности типа URA. Выделяющийся в сцинтилляторе при взаимодействии γ-квантов свет передается на вход электронно-оптического преобразователя по оптоволокну. С помощью оптоволокна длиной 200 мм можно собрать и перенести на устройство усиления свет так, что на фотокатоде усилителя света в среднем будет создаваться 10 фотоэлектронов от одного зарегистрированного в сцинтилляторе γ-кванта энергией 660 кэВ. Схема регистрации света дана на рис. 29. С выходного окна ЭОПа свет считывается портативной ПЗС камерой.



Рис.28. Моделирование восстановления изображений двух источников по мере вращения блока детектирования для кодирующей апертуры из 19 элементов (источники находятся в положении 8 и 12)

Рис. 29. Элемент детектора и схема регистрации вспышек света в сцинтилляторе: 1   сцинтилляционный элемент в светоизолирующем корпусе; 2   поглотитель из вольфрама; 3   световод из стекловолокна; 4   электронно-оптический преобразователь; 5   объектив; 6   цифровая видеокамера

Характеристики системы были исследованы на двумерной математической модели. При диаметре детектора 230 мм система будет иметь следующие параметры   угловое разрешение по горизонтали 5,1о (для расстояния 20 м пространственное разрешение 1,5 м), поле зрения по вертикали ~ 23о. Чувствительность для распространенных техногенных источников γ-излучения 137Cs и 60Co, создающих мощность экспозиционной дозы 30 нГр/ч, позволяет обнаружить источник 137Cs при радиационном фоне до 1 мкГр/ч за 3 мин, а источник 60Co   за 5 мин. Масса системы сосредоточена в основном в дисках защиты и при их толщине ~ 1 см составит примерно 10 кг. Прибор с такими характеристиками будет востребован при проведении как сложных плановых работ с загрязненным оборудованием, РАО, отдельными радиоактивными источниками, так и при аварийных работах. Современное развитие электроники позволяет реализовать серийный выпуск системы и использовать отдельные приборы как наблюдательные узлы в распределенной сети для контроля радиационной обстановки и выявления нежелательных источников γ-излучения на больших территориях.
Глава 6. Системы для исследования приповерхностных слоев материалов, использующие комптоновское рассеяние

Методы исследования структуры объектов, основанные на облучении их внешними источниками и регистрации рассеянного излучения, основаны на получении изображения протяженного источника рентгеновского или -излучения, которым является в этом случае исследуемый объект.

В разделе 6.1 рассматривается система для получения двумерных изображений (томографии) приповерхностных слоев материалов, использующая комптоновское рассеяние рентгеновского излучения (РекСкан). Принцип получения изображений показан на рис. 30. На исследуемый объект (3) от рентгеновской трубки (7) через щелевую диафрагму (5) подается веерный пучок излучения (4).




Рис. 30. Схема получения изображений объектов, сформированных рассеянным излучением: 1 - поле зрения детектора, 2 - дефект, 3 - исследуемый объект, 4 - веерный пучок рентгеновского излучения, 5 - щелевая диафрагма, 6 - коллиматор, 7 - рентгеновская трубка, 8 - двумерный детектор
Регистрация рассеянного излучения осуществляется позиционно-чувствительным детектором (8), изображение на котором формируется с помощью пинхольной камеры (6). Из рисунка видно, что разные элементы детектора регистрируют излучение, возникающее при рассеянии в различных точках образца (2). Исследуемый объект проецируется на плоскость детектора целиком и одновременно и, следовательно, не требуется сканирование объекта для получения двумерных изображений. Это значительно упрощает требования к изготовлению таких систем.

Анализ системы был проведен на математической модели, основанной на Монте-карловском алгоритме вычисления показаний детектора в геометрии близкой к реальной. Были выбраны оптимальные геометрические размеры системы (основные - ширина пучка и диаметр отверстия пинхольного коллиматора). Для этих размеров были рассчитаны зависимости одной из основных характеристик системы контроля - отношения сигнал/шум ОСШ   от глубины залегания дефекта при различных временах экспозиции. Общепринятыми параметрами источников являются максимальная энергия излучения E0 и мощность экспозиционной дозы P0 на расстоянии 1 м от источника. Поэтому в качестве характеристики времени экспозиции в расчетах выбирался параметр tP0, который является более универсальным, т.к. учитывает характеристики источника излучения. Величина ОСШ рассчитывалась по формуле SNR J/к, где J - изменение показаний детектора, при наличии дефекта в контролируемом объекте; к - среднеквадратичное отклонение показаний детектора, обусловленное статистическими (квантовыми) флуктуациями регистрируемого рассеянного излучения. В этом выражении не учитываются аппаратурные шумы, поэтому величина ОСШ является оценкой предельно достижимой величины соотношения сигнал/шум.





Рис. 31. Зависимость отношения сигнал/шум от глубины залегания дефекта в исследуемых объектах из различных материалов. 1 - алюминий, 2 - пластик, 3 - сталь, 4 - свинец. Объем дефекта - 0,1 мм3, t*P0=0,6  Р



Рис. 32. Зависимость отношения сигнал/шум от глубины залегания дефекта в алюминиевом образце при различной величине параметра t*P0: 1 - 0,6 P; 2 - 0,4 P; 3 - 0,2 P; 4 - 0,1 P. Объем дефекта - 0,1 мм3

На рис. 31 приведены результаты расчетов зависимости отношения сигнал/шум от глубины залегания дефекта (полость объёмом 0,1 мм3) для объектов из различных материалов (свинец, сталь, алюминий и пластик). Дефект является обнаружимым, когда SNR3, поэтому он может быть выявлен в свинце на глубине 0,2-0,3 мм, в стали - 1-2 мм, в алюминии - 10-15 мм и в пластике - 30-40 мм для рентгеновской трубки с анодным напряжением 150 кВ и временем экспозиции определяемым из tP0=0,6 Р (P0  мощность экспозиционной дозы). Легкие материалы легче контролируются с использованием комптоновского рассеяния. На рис. 32 дана рассчитанная для алюминия зависимость SNR от глубины залегания дефекта при разных значениях (tP0). Время экспозиции является критическим параметром для возможности обнаружения дефекта в контролируемом образце на заданной глубине.

Разработана лабораторная система для получения изображений приповерхностных слоев непрозрачных материалов (рис. 33). Источник излучения   рентгеновская трубка "РАПАН 200/100" (напряжение   200 кВ; средний ток   0.5 мА) (1). Перед трубкой расположена щелевая диафрагма из свинца (2) длиной 5 см и шириной 1 мм. Она формирует веерный пучок рентгеновского излучения, который падает на исследуемый объект (3) под углом =30о.


а
б

а) б)


Рис. 33. Схема системы контроля (а): 1- рентгеновская трубка, 2 - щелевая диафрагма, 3 - объект исследования, 4 - коллиматор, 5 - сцинтиллятор, 6 - ЭОПы, 7 - ПЗС-матрица, 8 - свинцовая защита, 9 - интерфейс связи с ПК; и изображения тестовых объектов (б)

Полученные рентгеновские изображения тестовых объектов: алюминиевой пластины с отверстием диаметром 5 мм и пластины с параллельными прорезями разной глубины шириной 1,3 мм, свинцовой пластины (рис. 33 б), экспериментально доказывают работоспособность метода. Для получения более качественных изображений необходимо оптимизировать параметры прибора и использовать другую рентгеновскую трубку, так как использованная трубка имела большой диаметр фокусного пятна (>3мм) и недостаточную мощность. При этом можно достичь чувствительности как у системы ComScan фирмы Филипс, в которой используется линейный детектор и сканирующий игловидный рентгеновский пучок.

В разделе 6.2 рассмотрен алгоритм реального времени для обработки получаемого распределения интенсивности рассеянного излучения при контроле толстых сварных швов. В этом случае применение описанной выше системы позволит вести контроль швов при многослойной сварке в реальном времени. Алгоритм служит для определения плотности материала в реальном времени. Алгоритм эволюционен по своей сути и не требует больших вычислительных затрат при работе, и поэтому может быть использован в системах реального времени. Алгоритм самонастраивающийся, для начала его работы необходимо получить некоторые изображения в небольшой области образца, где материал имеет постоянную плотность, дефекты, отверстия отсутствуют и поверхность является плоской. После настройки на основе информации от первых изображений алгоритм принимает во внимание поверхностный рельеф с любым отклонением от среднего уровня, наличие отверстий и пор любых размеров.

Проведено численное моделирование работы алгоритма для его упрощенного варианта   двумерное распределение плотности и одномерные сечения. Исследована устойчивость работы алгоритма в зависимости от пространственного шага, энергии излучения и величины шума.

В разделе 6.3 представлены результаты исследования характеристик системы неразрушающего контроля с аннигиляционным источником излучения (гамма-радар). Схема измерений в ней (рис 34) следующая. Источник аннигиляционного излучения S расположен в точке . После рассеяния одного кванта в точке на угол , он регистрируется в точке спектрометрического ПЧД Det2 одновременно с регистрацией опорного кванта в точке ПЧД Det1. Координаты точек связаны следующими соотношениями:

,

где , , , и



, , .

Угол рассеяния  определяется по энергии зарегистрированного рассеянного кванта.. Таким образом, по интенсивности сигнала из соответствующей обрасти пространства или вдоль отрезка луча можно определить распределение плотности электронов, а значит зарегистрировать изменение плотности материала.

Моделирование основано на получении методом Монте-Карло спектральных сигналов для различных конфигураций системы, объекта и разных параметрах детекторов. Исследована работа системы с детекторами D2, обладающими разным энергетическим разрешением. Рассмотрены сцинтилляционный детектор CsI(Tl) объемом 1 см3 с кремниевым фотодиодом (разрешение 6% FWHM для 662 кэВ), детектор из ОЧ германия (разрешение 0.6%) и новый сцинтилляционный спектрометр – «Сцинтисфера» [3]. Сцинтиллятор CsI(Tl) особой формы и использование математической обработки регистрируемого спектра позволяют получить энергетическое разрешение у «Сцинтисферы» лучше 2 % для 662кэВ.

Размеры пикселей детектора Det1 равны 7x7x20 мм, расстояние от него до источника   R1=30 см, половина угла поля зрения системы 0 равна 20o. Положение одного детектора D2 определяется углом 0' = 20o и расстоянием rsd от источника, которое равно 10 см.









Рис. 34. Схема измерений на основе комптоновского рассеяния. Det1 и Det2 двумерные позиционно-чувствительные детекторы, S - источник аннигиляционных γ-квантов, Rsc точка, в которой произошло рассеяние, O – точка начала координат

Рис. 35. Зависимости ОСШ от экспозиции A0 t для детекторов с различным энергетическим разрешением R: 1   детектор CsI(Tl), R=6%; 2   детектор CsI(Tl) с восстановлением спектра, R=2%; 3   детектор из ОЧ германия, R=0.6%

Рис. 36.  Зависимости ОСШ от глубины (положение вдоль луча ) при экспозиции A0 t = 1011Бк сек, rsd = 10 см, 0 =20o, 0' =20o для различных материалов объекта и разном энергетическом разрешении детектора R: 1   Al, R = 0.6%; 2   Al, R = 6%; 3   Fe, R = 0.6%; 4   Pb, R = 0.6%

Зависимости ОСШ от активности источника -излучения A0 и времени экспозиции t для различных датчиков при определении дефекта   полости показаны на рис. 35. Для величины ОСШ =3 дефект будет обнаружен с вероятностью 93 %. Этот уровень обозначен пунктирной линией. Зависимость ОСШ от глубины положения полости в объекте для объектов, имеющих различный состав, включая Al, Fe и Pb, дана на рис. 36. Моделирование чувствительности системы проведено для детектирования щелевой полости толщиной 2 мм.

Моделирование работы радара при поиске металлических объектов в менее плотной среде проведено на примере обнаружения металлических пластин (металлический корпус мин) в почве или положения элементов арматуры в бетоне. Смоделированные спектры (рис. 37) ясно показывают увеличение сигнала из-за дополнительного рассеивания в скрытых металлических объектах. Зависимости ОСШ для этих случаев показаны на рис. 38. Провалы на кривых ОСШ в точке расположения металлических листов связаны с поглощением рассеянных квантов в металле.

Результаты моделирования системы показывают, что она может состоять из простого (без энергетического разрешения) ПЧД (одно  или двумерного) и только одного детектора, имеющего энергическое разрешение. Чувствительность системы увеличивается с увеличением числа элементов в Det2, так как больше рассеянных квантов, несущих информацию о структуре изучаемого объекта, будет зарегистрировано.






Рис. 37. Рассчитанные спектры совпадений для детектора из ОЧ германия при наблюдении стальной пластины толщиной 3 мм, расположенной при l=10 см в грунте (1) и в бетоне (2)

Рис. 38. Зависимости ОСШ от глубины объекта в различных средах для детектора из ОЧ германия при 0=20о; 0'=45о; rsd = 15 см; А0 t =1012 Бксек. Стальная пластина толщиной 2 мм в почве (1) и в бетоне (3), алюминиевая пластина толщиной 2 мм в почве (2)

Для аналитическая оценки необходимой активности источника и создаваемой им дозы используем формулу для вероятности одновременной регистрации в соответствующих детекторах «опорного» -кванта и рассеянного -кванта, который родился одновременно с опорным:

.

Для вычисления Ns используем следующие значения входящих в формулу параметров: P ~ 0.2-0.3 (вероятность регистрации); S~1 см2 (площади детекторов); e- ~ 0.3 (характерные экспоненты); ~ 20 см (характерный размер); ct ~ 1/3 (отношение вероятности комптоновского рассеяния к полной вероятности взаимодействия); l ~ 0.1 (безразмерный элемент рассеяния) и, конечно, корректирующий множитель kcorr порядка единицы. Для таких параметров Ns ~ 10-11. Число зарегистрированных событий из области дефекта будет равно nd= AtNs. Если полагать, что дефект составляет один пиксель в графическом представлении, то nd должно составлять примерно 50 событий для надежной регистрации изменения плотности. Тогда A t 10-11 = 50 и At = 51012 (хорошо совпадает с результатами численного моделирования – рис. 38). При t = 600 сек необходимая активность источника аннигиляционного излучения составляет A ~ 1010 Бк. Эта оценка для одного детектора. Если использовать сборку из 30 детекторов, то требуемая активность составит A~ 3108 Бк. Мощность дозы от такого источника на расстоянии 1 м составляет 1мР/ч без защиты и может быть значительно уменьшена с помощью защиты. При активности 3108 Бк на расположенный на расстоянии 20 см от источника детектор площадью 10 см2 падает примерно 5 104 фотонов в секунду. Загрузка тракта регистрации будет порядка 104с-1 .

Важным преимуществом системы «Гамма-радар» является отсутствие коллиматора для создания направленного источника излучения. Информация о направлении зондирующих квантов получается путем определения совпадений событий в детекторах. Защита необходима только для радиационной безопасности оператора установки. При реализации системы можно применять новые сцинтилляционные детекторы LaBr3 и полупроводниковые детекторы CZT, у которых энергетическое разрешение лучше, чем у детектора «Сцинтисфера».

Диссертация содержит Приложение, в котором представлены найденные автором гексагональные маски семейств URA и MURA высоких рангов (до ранга 150), приведены узоры нескольких масок.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница