Глава 1. Методы получения изображений протяженных источников жесткого излучения портативными приборами: различные подходы
В разделе 1.1 обсуждается получение -изображений для решения прикладных задач с помощью портативных систем. Рассмотрена портативная пинхольная -камера (рис. 1) и некоторые задачи, для решения которых она применялась. Например, изображение на рис. 2 свидетельствует о загрязнении всего дна среднего резервуара, а не отдельной точки на его дне как предполагалось до измерений.
Рис. 1. Устройство гаммавизора (-камера с пинхольным коллиматором) и принцип получения изображения: 1 двухконусный коллиматор; 2 сцинтиллятор; 3 ЭОП; 4 - ПЗС камера; 5 передняя и боковая защита ; 6 - источники излучения
|
Рис. 2. Оптическое (слева) и суперпозиция оптического и -изображений (справа)
|
Так как пинхольная камера имеет небольшую апертуру (“светосилу”), то повышение ее чувствительности и улучшение других характеристик является важной задачей. Повысить чувствительность -камеры можно используя кодирующую апертуру (КА). КА это поглощающий излучение экран (маска) с набором отверстий, расположенных в определенном порядке, через которые излучение попадает на позиционно-чувствительный детектор (ПЧД). На рис. 3 показаны схемы получения изображений в двух типах камер и пояснены основные геометрические параметры, определяющие характеристики системы: разрешение в плоскости источника: h=d×L/f; угловое поле зрения: =m(2R+1)/l; угловое разрешение: d=m/f. Размер элементарного детектора d и элемента маски m в идеальном случае связаны соотношением: d=m(L+f)/L.
Рис. 3. Схемы получения -изображений пинхольным коллиматором и с использованием кодирующей апертры. Справа - теневые картины и восстановленные изображения различных источников
Сигнал на детекторе D(r) является сверткой функции источника S(r’) и функции апертуры маски A: D = S*A, а восстановленное изображение S^ определяется с использованием обратного преобразования C: S^ = C*D, где A*C=. Выбор узора маски (функция A), который бы обеспечил наилучшее совпадение исходного и восстановленных изображений источников многопараметрическая задача и ее решение является компромиссом различных требований.
При создании портативной системы получения изображений -источников с энергией порядка МэВ, маска будет частично прозрачной. В этом случае лучшими свойствами по величине отношения сигнал шум (ОСШ) в изображении имеют маски, основанные на псевдо случайных последовательностях типа URA и MURA. Для элемента изображения, получаемого идеальной кодирующей маской, величина ОСШ имеет вид [1]:
 ,
а для элементов изображения, получаемых с помощью пинхольного коллиматора:
 ,
здесь N - число открытых элементов в базовом узоре маски, Skl - число событий от элемента (k, l) источника изображения в одном пикселе детектора, зарегистрированных за время измерения, Bmn - число фоновых (немодулированных маской) событий в одном пикселе детектора (m, n), зарегистрированных за время измерения. Поэтому теоретически маска с N открытыми элементами будет чувствительнее пинхольного коллиматора для точечных источников в  раз (т.е. изображение с одинаковым качеством можно получить в N раз быстрее или зарегистрировать в N раз более слабый источник) и позволит получать изображения при фоне в N/2 раз большем.
В разделе 1.2 рассматриваются общие вопросы применения КА. Обсуждаются геометрические характеристики масок, рассматривается величина поля зрения и угловое разрешение прибора. Проводится выбор характерных геометрических размеров масок для возможной реализации в портативных приборах получения -изображений.
Раздел 1.3 посвящен аналитическим оценкам и моделированию характеристик систем с использованием КА. Разработана простая модель для оценки параметров получаемых изображений. Для восстановления изображений применяется простой метод корреляции. Исследованы чувствительность и угловое разрешение, которые могут быть получены в портативной системе с поперечным размером позиционного-чувствительного детектора ~40 мм (рис. 4). Проведено моделирование для сравнения систем с пинхольным коллиматором и КА при отображении слабых источников. Для пинхольной камеры рассмотрены только процессы в двухконусном коллиматоре и сцинтилляторе. Площадь отверстия коллиматора и толщина сцинтиллятора равны соответствующим величинам в системе с кодирующей апертурой, угол конуса коллиматора 28o, материал коллиматора – вольфрам. Для таких условий источник становится виден в пинхольной камере за время в 12 раз большее, чем в камере с КА.
  
Рис. 4. Моделирование изображения слабых точечных источников Co-60 для различных положений в поле зрения прибора и зависимость чувствительности от положения в поле зрения
Раздел 1.4 посвящен обсуждению возможностей использования принципа комптоновской камеры для создания портативных систем получения -изображений.
Глава 2. Разработанные системы с КА, их детекторы и параметры
Глава содержит описание разработанных систем, используемых в них детекторов и масок, описание лабораторных измерений и полученных характеристик приборов. В четырех камерах используется сцинтилляционный ПЧД. Регистрация излучения происходит в сцинтилляционном диске. Чувствительность и пространственное разрешение определяются толщиной сцинтиллятора. Эти величины были оптимизированы при разработке пинхольных камер. Свет, образующийся в сцинтилляторе при поглощении -излучения, собирается в ЭОП и усиливается в нем. Усиленный световой сигнал с электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) считывается цифровой ПЗС- камерой.
Такой сцинтилляционный детектор сравнительно дешев и имеет достаточную чувствительность. В рассмотренных камерах он был реализован с использованием разных типов перечисленных компонентов. Некоторые системы на основе сцинтилляционных детекторов имели также пинхольную апертуру, и поэтому для этих систем проводилось сравнение получаемых характеристик для обоих типов апертур.
Раздел 2.1 посвящен описанию камеры КИ – САИК, разработанной в рамках программы по технологиям мониторинга, проводимой в России под наблюдением фирмы САИК, США. Камера является единым измерительным блоком (рис.5), который соединен кабелем с управляющим компьютером. Измерительный блок включает измерительную головку, блок электроники, заслонку и портативную цветную видеокамеру. Заслонка и видеокамера вынесены в отдельный ящик, расположенный перед маской. Заслонка, открывающая и закрывающая маску, представляет собой свинцовый цилиндр (диаметр 90 мм, толщина 27 мм). На заслонке смонтирована видеокамера. Блок электроники включает электронику ПЗС-камеры, электронику видеокамеры, высоковольтный блок питания ЭОПов, управление этим блоком, интерфейсные платы для связи отдельных плат электроники между собой и с компьютером. Электроника помещена в отдельный ящик, который одновременно служит подставкой для измерительной головки и заслонки. Суммарный вес измерительного блока составляет 67 кг, вес измерительной головки - 55 кг.
Измерительная головка включает комбинированный детектор сцинтиллятор + ЭОП + ПЗС, свинцовую защиту и кодирующую маску (рис. 6). Толщина боковой защиты составляет от 20 до 25 мм.
Детектор включает в себя сцинтиллятор, два электронно-оптических преобразователя и ПЗС-матрицу. Электронно-оптические преобразователи помимо усиления обеспечивают масштабирование (4.5 : 1) изображения между сцинтиллятором и ПЗС. Используется низкошумящая ПЗС-матрица с Пельтье-охлаждением.
Рис. 5. Фотография собранного измерительного блока камеры КИ САИК и трех кодирующих масок
|
 Рис. 6. Схематический чертеж измерительной головки. Корпус - 1, ПЗС-камера -2, ЭОП XX1310 - 3, свинцовая защита - 4, высоковольтная изоляция - 5, ЭОП ЭПВ - 6, сцинтиллятор - 7, кодирующая маска – 8
|
Рис.7. Влияние различных процедур обработки теневой картины на вид восстановленного изображения
|
Получение достоверной теневой картины является необходимым условием корректного восстановления исходного -изображения. Главной причиной отличия регистрируемой теневой картины от реального распределения интенсивности -излучения в плоскости детектора является неоднородность чувствительности детектора по его площади.
Эксперименты показали, что отсутствие учета неоднородности чувствительности детектора радикальным образом влияет на качество восстанавливаемых -изображений. Большая неоднородность чувствительности этого ПЧ-детектора может привести даже к полной потере формы визуализируемого объекта. Так, изображение кольцевого источника рис. 7 (1) восстановлено декодированием теневой картины, непосредственно зарегистрированной в эксперименте. Можно видеть, что идентифицировать форму объекта при этом не удается. Изображение на рис. 7(2) восстановлено с учетом неоднородности чувствительности детектора по той же самой теневой картины. Сравнение этих изображений позволяет сделать заключение о важности получения максимально достоверных теневых картин при использовании метода кодирующих апертур. В камере-обскуре неоднородность чувствительности детектора не влияет на получаемые изображения столь радикальным образом.
Предварительно теневые картины обрабатываются временным медианным фильтром, который устраняет следы прямого взаимодействия -квантов с ПЗС-матрицей. Разработан новый итерационный декодирующий алгоритм для уменьшения шума в восстанавливаемом изображении. Еще один декодирующий алгоритм (описан в главе 3) позволяет существенно улучшить угловое разрешение прибора без потери его чувствительности. Изображение 4 на рис. 7 восстановлено с применением данного декодирующего алгоритма. При его получении использовались три независимых
|
Рис. 8. Изображение небольшого распределенного источника Am-241 в –микроскопе
| разбиения теневой картины. Видно значительное улучшение качества изображения за счет улучшения углового разрешения прибора по сравнению с изображением на рис. 7 (3), восстановленным с использованием одного разбиения. В настоящее время количество разбиений увеличено до нескольких десятков.
На основе камеры КИ-САИК была сделана система «-микроскоп», реализующая возможность получения изображений мелких -источников. Для этого используется сцинтилляционный детектор и маска типа MURA 11-ого ранга из танталовой фольги толщиной 0,5 мм с малым размером элементов. Шаг структуры маски 0,5 мм, диаметр отверстий - 0,37 мм. Расстояние маска детектор в несколько раз больше расстояния маска объект, при этом получается увеличенное изображение источника. На рис. 8 приведено изображение источника Am-241. Круглая вставка тот же объект, снятый в другом положении. Видно, что структура объекта хорошо воспроизводится. При оптимизации толщины детектора гамма-микроскоп с кодирующей апертурой позволяет быстро получать изображения источников с пространственным решением 300 микрон.
В разделе 2.2 описана камера с КА на основе сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора КАРТОГАМ. По сравнению с другими пинхольными камерами камера КАРТОГАМ очень компактна: диаметр – 8 см, длина 40 см, а вес ~ 17 кг. Детектор состоит из сцинтиллятора CsI(Tl) (толщина 4 мм, диаметр примерно 35 мм), усилителя изображения – ЭОПа на основе МКП и ПЗС камеры для считывания изображения. В базовой конфигурации используются двухконусные коллиматоры из вольфрама с полем зрения 30° и 50°. Особенностью камеры является получение видео изображения через отверстие пинхольного коллиматора с помощью той же ПЗС матрицы, которая используется для считывания света сцинтиллятора. Таким образом, сохраняется малый поперечный размер камеры. При этом полностью исключается параллакс в получаемых оптическом и -изображениях, но возникает значительное неудобство в работе с камерой. При использовании КА оптическое изображение получается внешней видеокамерой.
Были разработаны и изготовлены с помощью электроэрозионной резки 3 маски из сплава вольфрама. Маски основаны на шестиугольном URA узоре (рис. 10). Их особенности – малый размер и точная шестиугольная форма отверстий. Открытая область центрального узора имеет площадь примерно 1.9 см2.
Рис. 9. -камера с маской 6 ранга, установленной в механизме поворота
|
 
а) б)
Рис. 10. Фото изготовленных масок типа URA: (а) ранг 6 (толщина 12 мм) и (б) ранг 9 (толщина 6 мм)
|
В лабораторных экспериментах были измерены зависимость чувствительности по полю зрения (уменьшается всего на 30% от центра к периферии) и угловое разрешение. Угловое разрешение слабо меняется от энергии излучения источника. Для пинхольного коллиматора это изменение более значительно, и разрешение для Co-60 примерно в 1,5 раза хуже, чем Cs-137 (таблица 1).
Интересная особенность масок типа hURA состоит в том, что маска превращается в свою противоположность – антимаску при повороте на 60°. Если вычесть два теневых изображения, одно сделанное для маски в основном положении, а другое - в положении антимаски, то фон (часть сигнала, который не промодулирована маской) будет устранен.
Таблица 1. Разрешение камеры с разными масками для источников Cs-137 и Co-60 (пиксели и градусы), определяемое как FWHM пика в изображении источника.
-
|
|
Cs-137
|
|
Co-60
|
|
пиксели
|
град
|
пиксели
|
Град
|
Ранг 6
|
66±5
|
3
|
64±5
|
3
|
Ранг 9
|
49±3
|
2,2
|
60±8
|
2,6
|
Пинхол 30 0
|
|
2,3
|
|
3,2
|
Пинхол 50 0
|
|
4,6
|
|
6,7
|
Для проверки этого свойства был проведен эксперимент: источник Cs-137 поместили на расстоянии 7 м от камеры в поле ее зрения, а источник Co-60 - сбоку от камеры для создания высокого фона, как показано на рис. 11. Восстановленные изображения, полученные без поворота маски и с применением процедуры поворота, показаны на рис. 12. В последнем случае наблюдается значительное уменьшение уровня фона, так как контраст возрастает с 83 % до 98 %, а увеличение отношения сигнал - шум составляет от 6.9 до 28.1 для того же самого полного времени экспозиции.
Рис. 11. Эксперимент с высокой боковой фоновой подсветкой – источник Cs-137 на оси, а источник Co-60 расположен сбоку от прибора
|
Рис. 12. Изображения источника 600 МБк Cs-137 на расстоянии 7 м в условиях сильного фона от источника Co-60, полученные за 6 минут (общее время экспозиции), с использованием (справа) и без использования (слева) процедуры маска-антимаска (маска ранга 6)
|
Процедура маска-антимаска позволяет также: 1) снизить влияние фоновых подсветок видимым излучением в детекторе (они возможны в случае Картогам), 2) устранить влияние неидеальности маски, имеющей конечную толщину, приводящее к разному изменению прозрачности открытых элементов маски (в зависимости от окружения данного элемента – прозрачные или непрозрачные элементы) при смещении источника от оси системы. Второй эффект уменьшается для масок с отверстиями, имеющими диаметр отверстий меньший чем шаг узора маски.
Были оценен предел чувствительности камеры с кодирующей апертурой. Источник Cs-137 был размещен на расстоянии от 20 м камеры. Мощность дозы в местоположении камеры была 120 нГр/ч. Рис. 22 демонстрирует, что при этой мощности дозы источник детектируется через десять минут.
Рис. 13. Восстановленное изображение источника 600 МБк 137Cs на 20 м от камеры (120 нГр/ч), полученное за 10 минут (процедура маска-антимаска, маска ранга 6)
|
Рис. 14. Изображение, полученное за 2 минуты, близко к пределу чувствительности.
|
В разделе 2.3 описана камера КИ-НУКЕМ. Ее разработка является продолжением совместных работ по системам получения -изображений для использования при обращении с РАО. Первая камера имела пинхольный коллиматор и детектор, аналогичный системе КИ-САИК с двумя ЭОПами с электростатическим усилением и электронной оптикой. Камера имела встроенный компьютер с сенсорным экраном. Камера с КА имеет тот же детектор. Используется маска из сплава вольфрама с гексагональным узором типа URA 9 ранга, толщина маски 6 мм, шаг узора маски 2,3 мм, диаметр отверстий 1,9 мм. Особенностями конструкции камеры являются встроенный компьютер, управляющий всеми системами камеры и связанный по локальной сети (проводной или беспроводной) с удаленным компьютером оператора, и механизм для поворота маски, управляемый встроенным компьютером. Камера разработана и используется для проведения картирования -загрязнения в условиях высокого и низкого радиационного фона и для характеризации радиоактивных отходов.
Схема измерительного блока и детектора камеры приведена на рис. 15. Детектор камеры включает охлаждаемую ПСЗ-матрицу и два электростатических ЭОПа. Фотография камеры со стороны маски (рис 15, справа) показывает расположение механизма поворота маски и оптической USB камеры. Камера имеет следующие параметры: диапазон энергии 60 – 1500 кэВ, FoV -изображения ~ 30o, угловое разрешение для Cs-137 ~ 1.8o, чувствительность 0.02 мкГр для Cs-137. Вес измерительного блока примерно 30 кг.
 
Рис. 15 Схема камеры (слева): 1 вставка и 2 ПХ коллиматор; 3 USB видео камера; 4 сцинтилляционный диск; 5 и 6 ЭОПы; 7 ПЗС камера; 8 электронные платы; 9 блок питания; 10 одноплатный компьютер; 11 экран; 12 корпус и устройство механизма поворота маски и оптической USB камеры (справа).
В разделе 2.4 представлена камера КИ-МКП, разработанная для проведения измерений остаточного -загрязнения при реабилитационных работах в РНЦ КИ. Эта камера со сцинтилляционным детектором, использующим ЭОП с МКП усилением света. Для проведения работ по -картирования в условиях высокого фона старый ЭОП детектора камеры заменен на современный ЭОП BV 2584 фирмы Прокситроник (Германия) с входным окном диаметром 25 мм, а вместо пинхольнного коллиматора в новой версии камеры используется маска из тантала 9 ранга (толщина 4 мм, шаг узора маски 1,9 мм, диаметр отверстий – 1,7 мм). Камера используется для проведения картирования в условиях высокого и неоднородного радиационного фона.
Сравнение чувствительности различных систем со сцинтилляционными детекторами, выраженной в виде экспозиционной дозы, необходимой для обнаружения точечного источника Cs-137 (изображение источника с ОСШ 5), приведено в таблице 2.
Таблица 2. Сравнение чувствительности систем с КА на основе сцинтилляционных детекторов.
-
Cs-137
|
Чувствительность мкГр( =100мкР)
|
A, Бк
|
L, м
|
МЭД, мкГр/ч;
t, мин
|
КИ-SAIC
|
0.015
|
1×108
|
10
|
0.08; 11
|
КИ-NUKEM
|
0.005
0.02
|
1.1×109
7×104
|
10
0,3
|
0.9; 0,3
0.04; 30
|
КАРТОГАМ - КА
|
0.004
|
6×108
|
20
|
0.12; 2
|
КИ-МКП
|
0.007
|
5×106
|
2
|
0.09; 5
|
Раздел 2.5 посвящен разработке систем с полупроводниковым ПЧД с платой Medipix2. Электронная плата Medipix2 для считывания сигналов полупроводниковых ПЧД была разработана коллаборацией Medipix2 [3] в ЦЕРНе. Она основана на многопиксельной ASIC (application-specific integrated circuit) и включает 256 х 256 ячеек (пикселей). Каждый пиксель имеет размер 55х55 мкм2 и содержит: зарядо-чувствительный предусилитель с формирователем импульса, уставки двух порогов и 13-битовый оцифровщик. Чип подходит для детекторов из различных материалов (Si, GaAs, Cd(Zn)Te и др.), так как он может работать как в «электронном», так и «дырочном» режиме регистрации. Плата Medipix2 превращается в ПЧД при стыковке с полупроводниковой пластиной, которая предварительно обрабатывается для получения пиксельной структуры на каждый пиксель специальным припоем наносится выступ для контакта с электродами чипа.
 
Рис. 16. Маска hURA 13-го ранга, схема ее базового узора и увеличенное изображение небольшой области шестиугольного узора.
|
Рис. 17. Изображение источника Am-241 активностью 74МВк. Расстояние 1 м, МЭД 200 нГр/час, экспозиция 10 минут
| Гамма-изображения с кодирующими апертурами были получены с использованием CdTe детектора толщиной 1 мм и Si детектора толщиной 0,3 мм. Для экспериментов была изготовлена маска hURA 13-го ранга (рис 2.29.). Толщина маски 0,5 мм, средний диметр отверстий 0,32 мм (имеется незначительная конусность), шаг структуры узора 0,5 мм. Размер базового узора 12 мм. Были проведены опыты с Si детектором толщиной 0,7 мм и источником Am-241.
Полученные изображения точечных источников показывают эффективность применения кодирующих апертур даже при большой прозрачности теневых элементов масок. Изображение источника Am-241 приведено на рис 17.
Последние версии чипа Medipix2 имеют USB интерфейс с компьютером. С использованием такой платы была создана портативная сверхлегкая -камера со следующими характеристиками: поле зрения 33о, угловое разрешение 1,5о, чувствительность для Am-241 0,02 мкГр (Si 0,7 мм), для Cs-137 0,2 мкГр (CdTe 1 мм). Вес 265 г.
|
