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 SNR3, 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 Бксек. 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); l ~ 20 см (характерный размер); ct ~ 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 = 51012 (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~ 3108 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 3108 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. |
