RU211935U1 - COMPENSATION FILTER FOR GEOLOGICAL CORE TOMOGRAPHY - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к промышленной томографии, а именно к компенсационным фильтрам, используемым для выравнивания интенсивности излучения по всему полю детектора при исследовании геологических образцов кернов.The utility model relates to industrial tomography, namely to compensation filters used to equalize the radiation intensity over the entire field of the detector when examining geological core samples.

Компенсационный фильтр для проведения томографии геологических образцов керна изготовлен в виде прямоугольной пластины из однородного металла, обладающего большей плотностью и коэффициентом поглощения в сравнении с образцом керна, при этом толщина пластины t определяется из условия равенства ее массовой толщины ¼ от массовой толщины керна и рассчитывается по формуле:Compensation filter for tomography of geological core samples is made in the form of a rectangular plate of homogeneous metal, which has a higher density and absorption coefficient compared to the core sample, while the thickness of the plate t is determined from the condition that its mass thickness is equal to ¼ of the mass thickness of the core and is calculated by the formula :

где R_к - радиус керна, ρ_к - плотность керна, ρ - плотность материала фильтра.where R _to - core radius, ρ _to - core density, ρ - filter material density.

Вдоль вертикальной оси пластины выполнена канавка в форме цилиндрического сегмента радиуса R, определяемого из геометрии оптической схемы томографа или в частном случае по формуле:A groove is made along the vertical axis of the plate in the form of a cylindrical segment of radius R, determined from the geometry of the optical scheme of the tomograph or, in a particular case, by the formula:

и глубиной h, определяемой по формуле:and depth h, determined by the formula:

Два верхних угла прямоугольной пластины фильтра имеют форму зацепов, а в двух нижних ее углах расположены сквозные отверстия для крепления на шпильках, задающих расстояние до источника излучения, причем одно из отверстий выполнено продолговатой формы.The two upper corners of the rectangular filter plate are in the form of hooks, and in its two lower corners there are through holes for mounting on pins that set the distance to the radiation source, and one of the holes is made of an elongated shape.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в расширении арсенала компенсационных фильтров для проведения томографии геологических образцов керна, при одновременном ускорении процесса сканирования без снижения качества получаемых проекционных и объемных данных, повышении технологичности и экономичности изготовления, удобстве установки и использования фильтра. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

The technical result of the claimed utility model is to expand the arsenal of compensation filters for tomography of geological core samples, while accelerating the scanning process without compromising the quality of the obtained projection and volumetric data, improving manufacturability and cost-effectiveness of manufacturing, ease of installation and use of the filter. 1 z.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к промышленной томографии, а именно к компенсационным фильтрам, используемым для выравнивания интенсивности излучения по всему полю детектора при исследовании геологических образцов кернов.The utility model relates to industrial tomography, namely to compensation filters used to equalize the radiation intensity over the entire field of the detector when examining geological core samples.

Компенсационные фильтры сложной формы в рентгеновской технике известны и достаточно широко распространены. Цели применения этих фильтров две: улучшение качества регистрируемых изображений и реконструированных из них томограмм, и уменьшение/перераспределение поглощаемой объектом исследования дозы. Compensation filters of complex shape in x-ray technology are known and widely used. The purposes of using these filters are two: to improve the quality of recorded images and tomograms reconstructed from them, and to reduce/redistribute the dose absorbed by the object of study.

В промышленной томографии по причине разнообразия форм тестируемых объектов и отсутствия жестких требований по поглощенной дозе излучения компенсационные фильтры не получили широкого распространения. In industrial tomography, due to the variety of shapes of the tested objects and the absence of strict requirements for the absorbed radiation dose, compensation filters are not widely used.

Так, например, из патента RU 2585801 [МПК G01N 23/04, опубл. 10.06.2016] известно устройство рентгеновской томографии для получения 3D томографического изображения образца горной породы. Устройство рентгеновской томографии содержит рентгеновский источник, излучающий пучок фотонов в направлении оси пучка, ячейку, содержащую пористый образец, изображение которого должно быть сформировано, детектор фотонов, принимающий пучок прошедших через упомянутую ячейку фотонов и модуль обработки, рассчитывающий 3D томографическое изображение на основе полученных детектором изображений. Ячейка выполнена с возможностью пересечения ее текучей средой. К достоинствам устройства следует отнести возможность анализа потока текучих сред внутри пористого образца горной породы геологической формации, к недостаткам невысокое качество регистрируемых изображений и реконструированных из них томограмм вследствие неоднородности по объему поглощаемой объектом исследования дозы излучения.So, for example, from the patent RU 2585801 [IPC G01N 23/04, publ. 06/10/2016] a device for X-ray tomography for obtaining a 3D tomographic image of a rock sample is known. The X-ray tomography device contains an X-ray source that emits a beam of photons in the direction of the beam axis, a cell containing a porous sample, the image of which is to be formed, a photon detector that receives a beam of photons that have passed through the said cell, and a processing module that calculates a 3D tomographic image based on the images obtained by the detector. . The cell is made with the possibility of crossing it with a fluid medium. The advantages of the device include the ability to analyze the flow of fluids inside a porous rock sample of a geological formation, the disadvantages are the low quality of the recorded images and the tomograms reconstructed from them due to the heterogeneity in volume of the radiation dose absorbed by the object of study.

Томография кернов является примером, где возможно внедрение фильтра-компенсатора с целью повышения качества получаемых изображений проекций и его томограмм. Полноразмерный керн обычно имеет цилиндрическую форму с диаметром 50 ÷ 110 мм. При томографическом исследовании по центру керна будет наблюдаться максимальная длина взаимодействия излучения с материалом, а по краям керна эта величина стремится к нулю. Соответственно, по краям керна будет происходить минимальное ослабление потока излучения, а по центру керна максимальное. Например, излучение от рентгеновской трубки с приложенным напряжением U_уск = 225 кВ, прошедшее по диаметру керна, поглотится на ~98%, а также увеличится средневзвешенная по спектру энергия, т.е. произойдет ужесточение спектра. На изображении проекции по центру керна будет наблюдаться низкий уровень сигнала и соответственно низкое соотношение сигнал/шум (SNR). Так как по краям керна излучение практически не ослабляется, увеличение экспозиции в данном случае приводит к выходу принимаемого сигнала из динамического диапазона детектора. Применение плоского фильтра не приводит к улучшению ситуации, так как он в равной степени ослабляет поток излучения и по краям керна, и по центру, что в итоге потребует дополнительного увеличения экспозиции, для центральной части керна. Одним из возможных решений является компенсационный фильтр с заданным профилем поверхности и толщины.Core tomography is an example where it is possible to introduce a compensator filter in order to improve the quality of the obtained projection images and its tomograms. A full size core is usually cylindrical in shape with a diameter of 50 ÷ 110 mm. In a tomographic study, the maximum length of the interaction of radiation with the material will be observed along the center of the core, and along the edges of the core, this value tends to zero. Accordingly, the minimum attenuation of the radiation flux will occur along the edges of the core, and the maximum will occur along the center of the core. For example, radiation from an X-ray tube with an applied voltage _Uac = 225 kV, which has passed through the core diameter, will be absorbed by ~98%, and the energy weighted average over the spectrum will also increase, i.e. spectrum will be hardened. On the projection image at the center of the core, there will be a low signal level and a correspondingly low signal to noise ratio (SNR). Since the radiation is practically not attenuated along the edges of the core, an increase in exposure in this case leads to the output of the received signal from the dynamic range of the detector. The use of a flat filter does not lead to an improvement in the situation, since it equally attenuates the radiation flux both along the edges of the core and in the center, which will ultimately require an additional increase in exposure for the central part of the core. One possible solution is a compensation filter with a given surface and thickness profile.

Из работы [1] известен алюминиевый компенсационный фильтр сложной формы, разработанный для томографии геологических кернов. При сканировании керна использовался компенсационный фильтр в виде алюминиевого параллелепипеда с диаметром отверстия примерно равным диаметру керна. Фильтр жестко закреплялся над предметным столиком, сердечник-керн помещался в отверстие и вращался внутри фильтра. Показано, что фильтр обеспечивал максимальный контраст полезного сигнала во всем динамическом диапазоне сцинтилляционного панельного детектора. После нормировки проекций на проекцию фильтра без керна полученные проекции использовались в стандартном алгоритме реконструкции для конусно-лучевой томографии. Данный фильтр разрабатывался с целью максимизировать соотношение сигнал/шум (SNR) в области центра керна, также целью разработки являлась технологичность и простота изготовления фильтра. К недостаткам данного фильтра следует отнести факт снижения SNR изображений и томограмм ближе к внешнему радиусу керна за счет избыточного поглощения излучения фильтром, регистрацию детектором дополнительного рассеянного излучения, как следствие расположения фильтра в области объекта и в области детектора, оптимизацию фильтра только для фиксированного диаметра керна.From [1], an aluminum compensation filter of complex shape is known, designed for tomography of geological cores. When scanning the core, a compensation filter was used in the form of an aluminum parallelepiped with a hole diameter approximately equal to the core diameter. The filter was rigidly fixed above the object table, the core-core was placed in the hole and rotated inside the filter. It is shown that the filter provided the maximum contrast of the useful signal in the entire dynamic range of the scintillation panel detector. After the projections were normalized to the filter projection without a core, the resulting projections were used in the standard reconstruction algorithm for cone beam tomography. This filter was designed to maximize the signal-to-noise ratio (SNR) in the center of the core, and the goal of the development was manufacturability and ease of manufacture of the filter. The disadvantages of this filter include the fact that the SNR of images and tomograms decreases closer to the outer radius of the core due to excessive absorption of radiation by the filter, the detection of additional scattered radiation by the detector, as a result of the location of the filter in the area of the object and in the area of the detector, filter optimization only for a fixed core diameter.

Из работы [2] известен компенсационный фильтр, прототип, разработанный для томографа полноразмерных кернов. В статье произведен расчет профиля поглощающего фильтра соответственно каждому рентгеновскому лучу так, чтобы полихромные проекции после применения фильтра можно было бы считать квазимонохромными, при этом средневзвешенное значение энергии спектра излучения в любой точке проекции принимало бы одно значение, а изображения срезов, реконструированных стандартными алгоритмами из модулированных таким фильтром проекций, являлись близкими к монохроматическим. Это дополнительно уменьшает негативный вклад эффекта ужесточения спектра в результаты томографии и сужает диапазон сигнала на детекторе, чем обеспечивает лучшие условия для попадания в его динамический диапазон. Так как, керн горной породы, как правило, состоит из нескольких компонентов, основными из которых являются SiO₂ (около 61,5%) и Аl₂О₃ (около 15,1%), а их массовые коэффициенты ослабления аналогичны Аl, то авторы использовали Аl в качестве материала фильтра. В пользу алюминия сыграли также простота обработки и цена алюминия. К недостаткам прототипа можно отнести следующие моменты:From [2], a compensation filter is known, a prototype developed for a full-size core tomograph. In the article, the profile of the absorbing filter is calculated according to each X-ray beam so that polychrome projections after applying the filter could be considered quasi-monochrome, while the weighted average value of the energy of the radiation spectrum at any point of the projection would take one value, and the images of slices reconstructed by standard algorithms from modulated such a projection filter were close to monochromatic. This additionally reduces the negative contribution of the spectrum hardening effect to the tomography results and narrows the signal range at the detector, which provides better conditions for getting into its dynamic range. Since, as a rule, a rock core consists of several components, the main of which are SiO ₂ (about 61.5%) and Al ₂ O ₃ (about 15.1%), and their mass attenuation coefficients are similar to Al, then the authors used Al as the filter material. The ease of processing and the price of aluminum also played in favor of aluminum. The disadvantages of the prototype include the following points:

1) толщина материала фильтра ограничена условием ужесточения спектра, что приводит к неполной утилизации мощности рентгеновской трубки;1) the thickness of the filter material is limited by the spectrum hardening condition, which leads to incomplete utilization of the X-ray tube power;

2) фильтр имеет большой размер и располагается в области детектора, что приводит к увеличению доли фонового рассеянного излучения от фильтра в сигнал, достигающего до 50% от полезного сигнала, и негативно сказывается на контрасте изображения;2) the filter has a large size and is located in the detector area, which leads to an increase in the proportion of background scattered radiation from the filter into the signal, reaching up to 50% of the useful signal, and negatively affects the image contrast;

3) фильтр имеет сложную форму, включающую в себя поверхности двойной кривизны, что делает сложным его в изготовлении;3) the filter has a complex shape, including surfaces of double curvature, which makes it difficult to manufacture;

4) форма фильтра-прототипа привязана к диаметру сканируемого образца керна и зависит от расстояния от источника до керна, что сужает область применения фильтра до сканирования объектов одного диаметра в одном специально спроектированном для этого томографе.4) the shape of the prototype filter is tied to the diameter of the scanned core sample and depends on the distance from the source to the core, which narrows the scope of the filter to scanning objects of the same diameter in one specially designed tomograph.

Общим существенным признаком прототипа с заявляемой полезной моделью является выполнение компенсационного фильтра из металла в виде пластины с заданной толщиной профиля.A common essential feature of the prototype with the claimed utility model is the implementation of a compensation filter made of metal in the form of a plate with a given profile thickness.

Задачей настоящей полезной модели является разработка компенсационного фильтра рентгеновского излучения для томографии геологического керна, недорогого, технологичного в изготовлении и простого в использовании, универсального для объектов исследования различного диаметра, позволяющего проводить компенсацию «неиспользуемого» излучения до пределов рабочего динамического диапазона детектора при работе на максимальной мощности источника и одновременно снизить эффект ужесточения спектра рентгеновского излучения.The objective of this utility model is to develop an X-ray compensation filter for tomography of a geological core, inexpensive, manufacturable and easy to use, universal for objects of study of various diameters, which allows compensating "unused" radiation to the limits of the operating dynamic range of the detector when operating at maximum power source and at the same time reduce the effect of X-ray spectrum hardening.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в расширении арсенала компенсационных фильтров для проведения томографии геологических образцов керна, при одновременном ускорении процесса сканирования без снижения качества получаемых проекционных и объемных данных, повышении технологичности и экономичности изготовления, удобстве установки и использования фильтра. The technical result of the claimed utility model is to expand the arsenal of compensation filters for tomography of geological core samples, while accelerating the scanning process without compromising the quality of the obtained projection and volumetric data, improving manufacturability and cost-effectiveness of manufacturing, ease of installation and use of the filter.

Указанный технический результат достигается за счет того, что компенсационный фильтр для проведения томографии геологических образцов керна, выполненный из металла в виде пластины с заданной толщиной профиля, изготовлен в виде прямоугольной пластины из однородного металла, обладающего большей плотностью и коэффициентом поглощения в сравнении с образцом керна, при этом толщина пластины t определяется из условия равенства ее массовой толщины ¼ от массовой толщины керна и рассчитывается по формуле:This technical result is achieved due to the fact that the compensation filter for tomography of geological core samples, made of metal in the form of a plate with a given profile thickness, is made in the form of a rectangular plate of homogeneous metal, which has a higher density and absorption coefficient in comparison with the core sample, in this case, the thickness of the plate t is determined from the condition of equality of its mass thickness ¼ of the mass thickness of the core and is calculated by the formula:

t = 0,5⋅R_к⋅ρ_к/ρ [мм] (1),t = 0.5⋅R _to ⋅ρ _to /ρ [mm] (1),

где R_к – радиус керна, ρ_к – плотность керна, ρ – плотность материала фильтра.where Rc is _the core radius, ρc is the core density, ρ is _the density of the filter material.

Вдоль вертикальной оси пластины выполнена канавка в форме цилиндрического сегмента радиуса R, определяемого из геометрии оптической схемы томографа или в частном случае по формуле: A groove is made along the vertical axis of the plate in the form of a cylindrical segment of radius R, determined from the geometry of the optical scheme of the tomograph or, in a particular case, by the formula:

R = 0,16⋅R_к [мм] (2),R = 0.16⋅R _to [mm] (2),

и глубиной h, определяемой по формуле: and depth h, determined by the formula:

h = 0,9⋅t [мм] (3).h = 0.9⋅t [mm] (3).

Два верхних угла прямоугольной пластины фильтра имеют форму зацепов, а в двух нижних ее углах расположены сквозные отверстия для крепления на шпильках, задающих расстояние до источника излучения, причем одно из отверстий выполнено продолговатой формы.The two upper corners of the rectangular filter plate are in the form of hooks, and in its two lower corners there are through holes for mounting on pins that set the distance to the radiation source, and one of the holes is made of an elongated shape.

Оптимально выполнить компенсационный фильтр для проведения томографии геологических образцов керна из меди с плотностью ρ = 8,92 г/см³, толщиной t = 7 мм, глубиной канавки h = 6,3 мм и радиусом цилиндрического сегмента канавки R = 8 мм.It is optimal to make a compensation filter for tomography of geological core samples made of copper with density ρ = 8.92 g/cm ³ , thickness t = 7 mm, groove depth h = 6.3 mm, and radius of the cylindrical groove segment R = 8 mm.

Оптимизация толщины и формы фильтра с функцией компенсации интенсивности излучения при условии максимального использования мощности рентгеновского источника позволяет увеличить скорость сканирования до 5 раз и естественным образом избавиться от эффекта ужесточения спектра.Optimization of the thickness and shape of the filter with the function of radiation intensity compensation under the condition of maximum use of the power of the X-ray source allows you to increase the scanning speed up to 5 times and naturally get rid of the effect of spectrum hardening.

Упрощение расчетной формы поверхности фильтра, до простого геометрического примитива – сегмента цилиндра обеспечивает технологичность изготовления фильтра из металлической пластины необходимой толщины, в частном случае медной.Simplification of the calculated shape of the filter surface, down to a simple geometric primitive - a segment of a cylinder, ensures the manufacturability of the filter from a metal plate of the required thickness, in a particular case, copper.

Установка фильтра на рентгеновскую трубку на две диагонально расположенные шпильки, через диагональное отверстие для основания одной шпильки и зацеп с фиксацией гайками для другой (фиг. 3), обеспечивают возможность подстройки перемещением фильтра вдоль и поперек оптической оси томографа.Installing the filter on the X-ray tube on two diagonally located pins, through a diagonal hole for the base of one pin and a hook with nuts for the other (Fig. 3), makes it possible to adjust by moving the filter along and across the optical axis of the tomograph.

Изготовление одного из нижних крепежных отверстий продолговатым реализует возможность настройки соосности канавки фильтра с объектом.Making one of the lower mounting holes oblong makes it possible to adjust the coaxiality of the filter groove with the object.

Изготовление крепежных отверстий пластины компенсационного фильтра прорезными и в виде зацепов реализует возможность откидывания фильтра из положения, перекрывающего пучок излучения, и накидывания его обратно.Making the mounting holes of the compensation filter plate slotted and in the form of hooks makes it possible to tilt the filter from the position blocking the radiation beam and put it back on.

Полезная модель поясняется следующими чертежами.The utility model is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 показана схема томографа кернов.In FIG. 1 shows a diagram of a core tomograph.

На фиг. 2 представлен компенсационный фильтр: а) вид сверху, б, в) вид сбоку In FIG. 2 shows the compensation filter: a) top view, b, c) side view

На фиг. 3 показано крепление фильтра к томографу при помощи шпилек.In FIG. 3 shows the attachment of the filter to the tomograph using pins.

На фиг. 4. представлены результаты томографии керна: а) томографический срез керна без фильтра; б) томографический срез керна, полученный с использованием заявляемого компенсационного фильтра.In FIG. Figure 4 shows the results of core tomography: a) tomographic section of the core without a filter; b) tomographic core cut, obtained using the inventive compensation filter.

На фиг. 1 представлена схема томографа кернов с использованием компенсационного фильтра. Цифрами обозначены: рентгеновский аппарат 1, конус рентгеновского излучения 2, компенсационный фильтр 3, изучаемый геологический керн 4, детектор излучения 5. Компенсационный фильтр 3 представляет собой металлическую пластину толщиной t с канавкой, выполненной в форме цилиндрического сегмента радиуса R и максимальной глубиной h, расположенную на расстоянии L_SF от источника, расстояние от источника до оси вращения керна L_SO. В одном из вариантов исполнения фильтр выполнен из меди, в виде пластины толщиной t = 7 мм, с глубиной канавки h = 6,3 мм и радиусом цилиндрического сегмента канавки R = 8 мм, и располагается на расстоянии 93 мм от источника, при этом от источника до оси керна 700 мм. In FIG. Figure 1 shows a diagram of a core tomograph using a compensation filter. The numbers indicate: x-ray machine 1, x-ray cone 2, compensation filter 3, studied geological core 4, radiation detector 5. Compensation filter 3 is a metal plate with thickness t with a groove made in the form of a cylindrical segment of radius R and maximum depth h, located at a distance L _SF from the source, the distance from the source to the axis of rotation of the core L _SO . In one version, the filter is made of copper, in the form of a plate with a thickness of t = 7 mm, with a groove depth h = 6.3 mm and a radius of the cylindrical groove segment R = 8 mm, and is located at a distance of 93 mm from the source, while from source up to the core axis 700 mm.

Томограф работает следующим образом: объект контроля в виде керна месторождения 4, радиусом 50 мм и плотностью 2,5 г/см³ (в одном из вариантов исполнения) располагается вертикально, в томографе, после чего рентгеновский аппарат 1 генерирует конусный поток излучения 2, которое проходит через компенсационный фильтр 3. Часть потока излучения, проходящая через компенсационный фильтр 3 в направлении лучей AB и AC, испытывает более сильное ослабление и ужесточение, чем лучи проходящие по центру компенсационного фильтра в направлении луча AD. После компенсационного фильтра излучение падает на объект контроля 4 (керн), в котором также ослабляется, но при этом в направлениях AB и AC, происходит минимальное ослабление, а в центральной области в направлении AD происходит максимальное ослабление и ужесточение излучения. После прохождения керна излучение регистрируется детектором 5. По причине неравномерности поглощения излучения от рентгеновского источника 1 компенсационным фильтром 3 сигнал на детекторе 5 ослабляется в различной степени в зависимости от направления луча и не выходит за максимальное значение динамического диапазона по краям детектора. Форма компенсационного фильтра, рассчитанная по формулам 1-3, обуславливает тот факт, что спектр излучения по всей плоскости проекции имеет значение средневзвешенной энергии в узком диапазоне, близкое к константе. В процессе получения данных, объект контроля 4 вращают вокруг вертикальной оси с целью получения набора проекций с различных углов. The tomograph operates as follows: the object of control in the form ^of a core of deposit 4, with a radius of 50 mm and a density of 2.5 g/cm passes through the compensation filter 3. The part of the radiation flux passing through the compensation filter 3 in the direction of the beams AB and AC experiences stronger attenuation and hardening than the beams passing through the center of the compensation filter in the direction of the beam AD. After the compensation filter, the radiation falls on the test object 4 (core), in which it is also attenuated, but at the same time in the directions AB and AC, the minimum attenuation occurs, and in the central region in the direction AD, the maximum attenuation and hardening of the radiation occurs. After passing through the core, the radiation is recorded by detector 5. Due to the uneven absorption of radiation from X-ray source 1 by compensation filter 3, the signal at detector 5 is attenuated to varying degrees depending on the direction of the beam and does not go beyond the maximum value of the dynamic range at the edges of the detector. The shape of the compensation filter, calculated by formulas 1-3, determines the fact that the emission spectrum over the entire projection plane has a weighted average energy value in a narrow range, close to a constant. In the process of data acquisition, the control object 4 is rotated around a vertical axis in order to obtain a set of projections from different angles.

Керны месторождений сканируются в специальных полиэтиленовых или стеклопластиковых тубах. Диаметр тубы больше, чем диаметр керна на несколько миллиметров. Это препятствует точному позиционированию оси керна вдоль оси вращения предметного стола, что приводит к прецессии керна и смещению проекции в горизонтальной плоскости во время сканирования. Точками на фиг. 1 показано крайнее положение смещенного из-за прецессии керна. Для нивелирования прецессии вращающегося керна в горизонтальной плоскости форма компенсатора усреднена до цилиндрической и выполнена в виде канавки в форме цилиндрического сегмента (фиг. 2 в). Deposit cores are scanned in special polyethylene or fiberglass tubes. The tube diameter is larger than the core diameter by several millimeters. This prevents the exact positioning of the core axis along the axis of rotation of the object table, which leads to core precession and projection shift in the horizontal plane during scanning. The dots in Fig. 1 shows the extreme position of the core displaced due to precession. To level the precession of the rotating core in the horizontal plane, the shape of the compensator is averaged to cylindrical and is made in the form of a groove in the form of a cylindrical segment (Fig. 2c).

Расположение фильтра относительно рентгеновского излучателя 1 рассчитывается по формуле:The location of the filter relative to the X-ray emitter 1 is calculated by the formula:

L_SF = (R⋅L_SO)/(1,2⋅R_к) = 0,133⋅L_SO [мм] (4),L _SF = (R⋅L _SO )/(1.2⋅R _to ) = 0.133⋅L _SO [mm] (4),

где L_SO – расстояние между источником и объектом, и фиксируется через продолговатое отверстие на шпильке, что обеспечивает совмещение проекций керна и канавки на фильтре.where L _SO is the distance between the source and the object, and is fixed through an elongated hole on the pin, which ensures that the projections of the core and the groove on the filter are aligned.

Перед использованием измеренных проекций в алгоритме реконструкции, полученные изображения нормализуются на проекцию компенсационного фильтра без объекта контроля и уменьшенным током трубки до уровня, когда максимальный уровень сигнала не превышает ½ динамического диапазона детектора. Before using the measured projections in the reconstruction algorithm, the obtained images are normalized to the projection of the compensation filter without the test object and with the reduced tube current to a level where the maximum signal level does not exceed ½ of the dynamic range of the detector.

Полезная модель иллюстрируется следующим примером. The utility model is illustrated by the following example.

Пример практической реализации. Образец керна месторождений диаметром 100 мм сканировался по двум различным протоколам. Схема экспериментальной установки приведена на фиг. 1, в качестве источника излучения использовался рентгеновский генератор XRV-160 с вольфрамовой трубкой производства Spellman. Сканирование проводилось при максимальном напряжении 160 кВ и анодном токе 3,5 мА. Ось вращения керна располагалась на расстоянии L_SO = 700 мм от источника. Компенсационный фильтр был размещен на расстоянии L_SF = 93 мм от источника так, что ось канавки фильтра, ось вращения керна и центральный луч, соединяющий точку фокуса источника и центр детектора, лежали в одной плоскости. Детектор «Марк 2430CG» располагался на расстоянии 800 мм от фокального пятна трубы. Проекции размером 4600×5800 пикселей, с шагом пикселя 49,5 мкм, получались усреднением нескольких кадров.An example of practical implementation. A field core sample with a diameter of 100 mm was scanned using two different protocols. The scheme of the experimental setup is shown in Fig. 1, the X-ray generator XRV-160 with a tungsten tube manufactured by Spellman was used as a radiation source. Scanning was carried out at a maximum voltage of 160 kV and an anode current of 3.5 mA. The core rotation axis was located at a distance L _SO = 700 mm from the source. The compensation filter was placed at a distance L _SF = 93 mm from the source so that the filter groove axis, the core rotation axis, and the central beam connecting the source focus point and the detector center lay in the same plane. The Mark 2430CG detector was located at a distance of 800 mm from the focal spot of the tube. Projections with a size of 4600×5800 pixels, with a pixel pitch of 49.5 μm, were obtained by averaging several frames.

В первом протоколе измерения проводились без фильтра, во втором с использованием компенсационного фильтра, изготовленного со следующими параметрами: медная пластина толщиной 7 мм с канавкой глубиной 6,3 мм и радиусом 8 мм (фиг. 2, 3). В обоих случаях время экспозиции объекта излучением устанавливалось одинаковым – 750 мс на кадр. При таком времени экспонирования, в случае без компенсационного фильтра, по краям керна сигнал детектора достигал максимума динамического диапазона при токе анода I_A = 0,31 мА. В случае с компенсационным фильтром сканирование выполнялось на максимальном токе трубки I_A = 3,5 мА, что позволило полностью задействовать мощность рентгеновского источника и увеличить интенсивность излучения в 11,3 раза. Результаты томографии образца приведены на фиг. 4 а, б). На фиг. 4 а) приведен томографический срез керна в случае без компенсационного фильтра, на фиг. 4 б) - с компенсационным фильтром. На фиг. 4 также приведены профили томографической плотности вдоль линий, проведенных по срезам. На срезах прямоугольниками обозначены области интереса, по которым посчитаны статистические характеристики изображений. Для случая без фильтра соотношение сигнала к шуму составило величину SNR = 4,44, в случае с компенсационным фильтром SNR_comp = 11,72. Принимая во внимание тот факт, что статистика взаимодействия рентгеновских фотонов с веществом подчиняется Пуассоновскому распределению, из сравнения SNR видно, что для случая без фильтра необходимо увеличить количество фотонов в (SNR_comp/SNR)² = 5,3 раза, чтобы получить результат сопоставимый по качеству статистических характеристик с результатом в случае с компенсатором. С другой стороны, если зафиксировать требуемое качество, то при использовании компенсационного фильтра потребуется в 5,3 раза меньше времени на сканирование. При этом из приведенных изображений и графиков профилей видно, что в случае применения компенсатора автоматически устраняется эффект ужесточения спектра, проявляющийся на томограммах как уменьшение плотности от края к центру объекта.In the first protocol, measurements were carried out without a filter, in the second one, using a compensation filter made with the following parameters: a copper plate 7 mm thick with a groove 6.3 mm deep and a radius of 8 mm (Fig. 2, 3). In both cases, the exposure time of the object to radiation was set to be the same, 750 ms per frame. With this exposure time, in the case without a compensation filter, at the edges of the core, the detector signal reached the maximum dynamic range at the anode current I _A = 0.31 mA. In the case of a compensation filter, scanning was performed at the maximum tube current I _A = 3.5 mA, which made it possible to fully utilize the power of the X-ray source and increase the radiation intensity by 11.3 times. The results of tomography of the sample are shown in Fig. 4 a, b). In FIG. 4 a) shows a tomographic section of the core in the case without a compensation filter, in Fig. 4 b) - with a compensation filter. In FIG. Figure 4 also shows tomographic density profiles along the lines drawn through the slices. Rectangles on the sections indicate the regions of interest, according to which the statistical characteristics of the images were calculated. For the case without a filter, the signal-to-noise ratio was SNR = 4.44, in the case with a compensation filter, SNR _comp = 11.72. Taking into account the fact that the statistics of the interaction of X-ray photons with matter obeys the Poisson distribution, it can be seen from the SNR comparison that for the case without a filter, it is necessary to increase the number of photons by (SNR _comp /SNR) ² = 5.3 times in order to obtain a result comparable in the quality of statistical characteristics with the result in the case of a compensator. On the other hand, if the required quality is fixed, then when using a compensation filter, it will take 5.3 times less time to scan. At the same time, it can be seen from the given images and profile graphs that in the case of using a compensator, the effect of spectrum hardening, which manifests itself on tomograms as a decrease in density from the edge to the center of the object, is automatically eliminated.

Таким образом, заявляемый компенсационный фильтр приводит к выравниванию интенсивности излучения по всему полю детектора и устанавливает уровень регистрируемого сигнала в пределы динамического диапазона детектора при работе источника на максимальной мощности, обеспечивая кратное увеличение скорости сканирования и устранение эффекта ужесточения спектра рентгеновского излучения.Thus, the inventive compensation filter equalizes the radiation intensity over the entire field of the detector and sets the level of the recorded signal within the dynamic range of the detector when the source is operating at maximum power, providing a multiple increase in the scanning speed and eliminating the effect of X-ray spectrum hardening.

Литература:Literature:

1. Li M., Zhao Y., Zhang P. Attenuator design method for dedicated whole-core CT//Optics Express, 2016, Vol. 24, No. 20, P. 22749.1. Li M., Zhao Y., Zhang P. Attenuator design method for dedicated whole-core CT//Optics Express, 2016, Vol. 24, no. 20, P. 22749.

2. Chistiakov S.G., Filatov N.A., Kocharyan V.R., Gogolev A.S., Rukavishnikov V.S. X-Ray Microtomography Using Compensation Filters with Complicated Form//Journal of Contemporary Physics, 2019, Т. 54, N 4, C. 381-385.2. Chistiakov S.G., Filatov N.A., Kocharyan V.R., Gogolev A.S., Rukavishnikov V.S. X-Ray Microtomography Using Compensation Filters with Complicated Form//Journal of Contemporary Physics, 2019, Vol. 54, N 4, C. 381-385.

Claims (8)

1. Компенсационный фильтр для проведения томографии геологических образцов керна, выполненный из металл в виде пластины с заданной толщиной профиля, отличающийся тем, что изготовлен в виде прямоугольной пластины из однородного металла, обладающего большей плотностью и коэффициентом поглощения, чем образец исследуемого керна, при этом толщина пластины t определяется из условия равенства ее массовой толщины 1/4 от массовой толщины керна и рассчитывается по формуле:1. Compensation filter for tomography of geological core samples, made of metal in the form of a plate with a given profile thickness, characterized in that it is made in the form of a rectangular plate of homogeneous metal with a higher density and absorption coefficient than the core sample under study, while the thickness plate t is determined from the condition of equality of its mass thickness 1/4 of the mass thickness of the core and is calculated by the formula: t = 0,5⋅R_к⋅ρ_к/ρ,t = 0.5⋅R _to ⋅ρ _to /ρ, где R_к – радиус керна, ρ_к – плотность керна, ρ – плотность материала компенсационного фильтра, а вдоль вертикальной оси пластины компенсационного фильтра выполнена канавка в форме цилиндрического сегмента радиуса R, определяемого по формуле:where R _c is the core radius, ρ _c is the core density, ρ is the density of the compensation filter material, and a groove is made along the vertical axis of the compensation filter plate in the form of a cylindrical segment of radius R, determined by the formula: R = 0,16⋅R_к,R = 0.16⋅R _to , и глубиной h, определяемой по формуле:and depth h, determined by the formula: h = 0,9⋅t,h = 0.9⋅t, при этом два верхних угла прямоугольной пластины компенсационного фильтра выполнены в форме зацепов, а в двух нижних ее углах расположены сквозные отверстия для крепления на шпильках, задающих расстояние до источника излучения, причем одно из отверстий выполнено продолговатой формы.at the same time, two upper corners of the rectangular plate of the compensation filter are made in the form of hooks, and in its two lower corners there are through holes for mounting on studs that set the distance to the radiation source, and one of the holes is made of an elongated shape. 2. Компенсационный фильтр по п.1, отличающийся тем, что пластина выполнена из меди с плотностью ρ = 8,92⋅г/см³, толщина пластины t = 7 мм, причем глубина канавки h = 6,3 мм, а радиус цилиндрического сегмента канавки R = 8 мм.2. Compensation filter according to claim 1, characterized in that the plate is made of copper with a density of ρ = 8.92⋅g/cm ³ , plate thickness t = 7 mm, and the groove depth h = 6.3 mm, and the radius groove segment R = 8 mm.

Images