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 81010(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/сстеррад). 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.
|
