RU2293971C2 - Radiography and tomography device - Google Patents

Abstract

FIELD: inspection of internal structure by means of radiation methods.

SUBSTANCE: radiography and tomography device ha penetrating radiation source, radiation optical registration system, which has screen-converter made in form of plate, deflecting mirror, objective, photoreceiver. There is lens condenser disposed behind screen-converter. Radiation optical registration system with deflecting mirror has input projective objective disposed in series with image amplifier, scaling objective, photoreceiver made in form of CCD-array. Conical penetration radiation source is disposed in point belonging to normal line to center of screen-converter where geometrical continuations of all light tracks come together, which tracks are created in screen-converter. Device also has aid for moving tested object, which aid is made for reciprocal and rotational movement.

EFFECT: increased spatial resolution; widened functional abilities; registration of different types of penetrating radiations as quick neutrons and/or thermal neutrons, and/or X-rays and gamma rays.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения.The invention relates to the study of the internal structure of objects, namely to the analysis of objects by radiation methods, for example using neutron, x-ray or gamma radiation.

Известны устройства для радиографии и томографии внутренней структуры объектов, в которых просвечивают исследуемый объект расходящимся пучком рентгеновского излучения и получают теневое изображение внутренней структуры исследуемого объекта на соответствующей системе отображения.Known devices for radiography and tomography of the internal structure of objects in which the studied object is illuminated by a diverging x-ray beam and a shadow image of the internal structure of the object under study is obtained on the corresponding display system.

Клюев В.В. и др. Промышленная радиационная интроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.5-8.Klyuev V.V. et al. Industrial radiation introscopy. M .: Energoatomizdat, 1985, p. 5-8.

Недостатком указанных устройств с использованием расходящегося пучка является низкая чувствительность к маломерным деталям внутренней структуры объекта (дефекты, включения).The disadvantage of these devices using a diverging beam is low sensitivity to small-sized details of the internal structure of the object (defects, inclusions).

Известным техническим решением является устройство для исследования внутренней структуры объектов для получения теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения, регистрации прошедшего через объект излучения детектором.A well-known technical solution is a device for studying the internal structure of objects to obtain shadow projections of sections of the studied object by scanning it with a collimated x-ray beam, detecting the radiation transmitted through the object by a detector.

Патент Великобритании №1283915, МПК: G 01 N 23/08, 1975 г.UK patent No. 1283915, IPC: G 01 N 23/08, 1975

В этом устройстве получаемое пространственное разрешение в теневых проекциях определяется размерами коллимированного пучка и/или детектора в направлении сканирования, т.е. при наличии в исследуемом объекте мелких деталей структуры последние могут не выявляться в получаемой теневой проекции.In this device, the obtained spatial resolution in shadow projections is determined by the dimensions of the collimated beam and / or detector in the scanning direction, i.e. if there are small details of the structure in the studied object, the latter may not be detected in the resulting shadow projection.

Недостатки известных технических решений заключаются в том, что для получения теневых изображений перемещают именно коллимированные пучки относительно объекта.The disadvantages of the known technical solutions are that precisely collimated beams relative to the object are moved to obtain shadow images.

Это приводит к усложнению общей конструкции, к повышению требований к радиационной защите, к возможности пробелов при контроле объекта из-за резких перемещений излучателя, а также низкой эффективности использования излучения источника, увеличению времени исследования, необходимости коллимирования пучка.This leads to a complication of the overall design, to increased requirements for radiation protection, to the possibility of gaps in the control of the object due to sudden movements of the emitter, as well as low efficiency of the use of radiation from the source, an increase in the study time, and the need for collimating the beam.

Известно устройство малоугловой томографии, содержащее источник проникающего излучения, коллиматор, формирующий падающий на объект поток излучения в виде малорасходящихся пучков, средство перемещения объекта относительно падающего на него излучения, пространственный фильтр и детектор.A device for small angle tomography is known, which contains a source of penetrating radiation, a collimator that generates a radiation flux incident on the object in the form of low-diverging beams, a means of moving the object relative to the radiation incident on it, a spatial filter and a detector.

Патент Российской Федерации №2119659, МПК: G 01 N 23/02, 1998 г.Patent of the Russian Federation No. 2119659, IPC: G 01 N 23/02, 1998

Устройство имеет сложную кинематическую структуру для идентификации расходящегося пучка после исследуемого объекта.The device has a complex kinematic structure for identifying a diverging beam after the object under study.

Известно устройство для радиографии и томографии, содержащее источник проникающего излучения, средство перемещения исследуемого объекта, оптическую систему регистрации излучения, содержащую сцинтилляциойный экран, плоское зеркало, объектив, фотоприемник (ТВ-камера) и корректирующую линзу.A device for radiography and tomography containing a source of penetrating radiation, a means of moving the studied object, an optical radiation detection system containing a scintillation screen, a flat mirror, a lens, a photodetector (TV camera) and a correction lens.

Патент Российской Федерации №2189031, МПК: G 01 N 23/04, 2002 г. Прототип.Patent of the Russian Federation No. 2189031, IPC: G 01 N 23/04, 2002. Prototype.

Прототип имеет сложную оптическую систему формирования изображения, сравнительно низкие четкость изображения и чувствительность.The prototype has a sophisticated optical imaging system, relatively low image clarity and sensitivity.

Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.The present invention eliminates the disadvantages of analogues and prototype.

Изобретение направлено на повышение эффективности использования быстрых нейтронов, уменьшение времени экспозиции, уменьшение влияния фонового сигнала, улучшение качества принимаемых изображений, повышение производительности процесса, получение изображений не только в нейтронном потоке, но и в рентгеновском и гамма-излучениях.The invention is aimed at increasing the efficiency of using fast neutrons, reducing the exposure time, reducing the influence of the background signal, improving the quality of received images, increasing the productivity of the process, obtaining images not only in the neutron flux, but also in x-ray and gamma radiation.

Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения, расширение функциональных возможностей, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, и/или тепловых нейтронов, и/или рентгеновских и гамма-лучей.The technical result of the invention is to increase spatial resolution, expand the functionality, register various types of penetrating radiation: fast neutrons, and / or thermal neutrons, and / or x-rays and gamma rays.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для радиографии и томографии, содержащем источник проникающего излучения, средство перемещения исследуемого объекта, оптическую систему регистрации излучения с люминесцентным экраном, зеркалом, объективом, фотоприемником и линзой, люминесцентный экран выполнен в форме пластины, на поверхности которой расположена линза в виде конденсора, оптическая система регистрации излучения содержит последовательно расположенные входной проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив, фотоприемник, выполненный в виде ПЗС-матрицы, источник конического проникающего излучения расположен в точке, лежащей на нормали к центру люминесцентного экрана-преобразователя, а средство перемещения исследуемого объекта выполнено с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения.The technical result is achieved in that in a device for radiography and tomography containing a source of penetrating radiation, a means of moving the object under study, an optical radiation recording system with a luminescent screen, a mirror, a lens, a photodetector and a lens, the luminescent screen is made in the form of a plate on the surface of which a lens in the form of a condenser, an optical radiation registration system contains a sequentially located input projection lens, image intensifier, zoom The inhibitory lens, a photodetector constructed as a CCD array, a source of penetrating radiation is tapered to a point lying on the normal to the center of the screen of the luminescent converter, and means for moving the object under study is capable of reciprocating and rotary motion.

Люминесцентный оптически прозрачный экран-преобразователь выполнен в виде пластины из люминесцирующего полистирола или из материала, чувствительного к рентгеновскому и гама-излучениям, или из люминесцирующего полистирола с добавкой бора. Конденсор выполнен трехлинзовым.The luminescent optically transparent screen transducer is made in the form of a plate of luminescent polystyrene or of a material sensitive to x-ray and gamma radiation, or of luminescent polystyrene with the addition of boron. The capacitor is made three-lens.

Источник конического проникающего излучения выполнен в виде нейтронного генератора.The source of conical penetrating radiation is made in the form of a neutron generator.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.The invention is illustrated in the drawing.

Схематично представлено устройство для радиографии и томографии с коническим пучком проникающего излучения, где 1 - источник быстрых нейтронов (нейтронный генератор), 2 - экран-преобразователь, 3 - конденсор, 4 - отклоняющее зеркало, 5 - входной объектив, 6 - усилитель изображения, 7 - масштабирующий объектив, 8 - ПЗС-матрица, 9 - диафрагма, 10 - средство перемещения исследуемого объекта, выполненное с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения.A schematic representation of a device for radiography and tomography with a conical beam of penetrating radiation, where 1 is a source of fast neutrons (neutron generator), 2 is a screen converter, 3 is a condenser, 4 is a deflecting mirror, 5 is an input lens, 6 is an image amplifier, 7 - a zoom lens, 8 - CCD, 9 - aperture, 10 - means of moving the investigated object, made with the possibility of reciprocating and rotational motion.

В случае конического пучка трехлинзовый конденсор 3 и диафрагма 9 обеспечивают прохождение через оптическую систему только тех световых лучей, которые в экране-преобразователе 2 распространяются в направлении лучей, испускаемых источником конического пучка 1.In the case of a conical beam, the three-lens condenser 3 and the diaphragm 9 ensure that only those light rays that propagate in the transducer screen 2 propagate in the direction of the rays emitted by the source of the conical beam 1 through the optical system.

Конденсор 3 рассчитан в приближении точечного источника ионизирующего излучения для заданного расстояния между источником быстрых нейтронов 1 и экраном-преобразователем 2, а также между экраном-преобразователем 2 и входным объективом 5 с учетом коэффициента преломления материала экрана-преобразователя 2 и спектра его излучения, а также коэффициента преломления материала конденсора 3.The capacitor 3 is calculated in the approximation of a point source of ionizing radiation for a given distance between the fast neutron source 1 and the transducer screen 2, as well as between the transducer screen 2 and the input lens 5, taking into account the refractive index of the material of the transformer screen 2 and its radiation spectrum, as well as the refractive index of the condenser material 3.

Конденсор 3 предназначен для сохранения пространственного разрешения в случае конического пучка нейтронного излучения.The capacitor 3 is designed to maintain spatial resolution in the case of a conical neutron beam.

При облучении экрана-преобразователя 2 пучком быстрых нейтронов происходит преобразование нейтронного излучения в световое излучение. При этом геометрические продолжения всех световых треков сходятся в точку, совпадающую с положением источника нейтронов 1.When the screen of the transducer 2 is irradiated with a beam of fast neutrons, the neutron radiation is converted into light radiation. In this case, the geometric extensions of all light tracks converge to a point that coincides with the position of the neutron source 1.

Источник быстрых нейтронов 1 расположен в точке, лежащей на нормали к центру люминесцентного экрана-преобразователя 2.The fast neutron source 1 is located at a point lying normal to the center of the luminescent screen of the transducer 2.

Исследуемый образец устанавливают на средстве перемещения 10, между источником 1 и экраном-преобразователем 2. В экране-преобразователе проникающие через образец виды излучения преобразуются в оптическое излучение.The test sample is installed on the vehicle 10, between the source 1 and the screen transducer 2. In the screen transducer, the types of radiation that penetrate the sample are converted into optical radiation.

Для получения набора проекционных данных для томографии использован радиографический стенд. Средство перемещения 10 для образца обеспечивает получение набора проекционных радиографических изображений при различных его угловых положениях по отношению к оси пучка (в общем случае, в диапазоне от 0-360°). Изменение углового положения образца осуществляют с помощью шагового двигателя.To obtain a set of projection data for tomography, a radiographic stand was used. The means of movement 10 for the sample provides a set of projection radiographic images at various angular positions relative to the axis of the beam (in the General case, in the range from 0-360 °). Changing the angular position of the sample is carried out using a stepper motor.

Измерение углового положения и его контроль осуществляют с помощью синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ). При регистрации быстрых нейтронов экран-преобразователь 2 выполнен из люминесцирующего полистирола.The measurement of the angular position and its control is carried out using a sine-cosine rotary transformer (SCWT). When registering fast neutrons, the screen transducer 2 is made of luminescent polystyrene.

При регистрации тепловых нейтронов экран-преобразователь 2 выполнен из люминесцирующего полистирола с добавками бора.When registering thermal neutrons, the screen transducer 2 is made of luminescent polystyrene with boron additives.

При регистрации рентгеновского и гамма-излучений он выполняется из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: вольфрамат германия, иттриевый гранат и др.When registering x-ray and gamma radiation, it is made of transparent scintillators designed to detect these types of radiation: germanium tungstate, yttrium garnet, etc.

Эффективность регистрации обеспечивается протяженностью экрана-преобразователя 2 вдоль направления распространения излучения.The registration efficiency is provided by the length of the screen transducer 2 along the direction of radiation propagation.

Каждый луч излучения, прошедший через образец, создает в экране-преобразователе 2 за время экспозиции прямолинейный трек, точки которого излучают сферически изотропный световой поток.Each radiation beam passing through the sample creates a rectilinear track in the screen transducer 2 during the exposure time, the points of which emit a spherically isotropic light flux.

При этом геометрические продолжения всех световых треков сходятся в точку, совпадающую с положением источника нейтронов 1.In this case, the geometric extensions of all light tracks converge to a point that coincides with the position of the neutron source 1.

Для экрана-преобразователя 2 конечной толщины проекционная оптика в отсутствии конденсора 3 изображает трек в форме штриха, длина которого пропорциональна, с одной стороны, тангенсу внеосевого угла, под которым трек виден из центра объектива, а с другой стороны - толщине экрана-преобразователя 2, что приводит к потере пространственного разрешения в периферийных зонах приемника.For a screen converter 2 of finite thickness, projection optics in the absence of a condenser 3 shows a line in the form of a dash, the length of which is proportional, on the one hand, to the tangent of the off-axis angle, at which the track is visible from the center of the lens, and on the other hand, to the thickness of the screen-converter 2, resulting in a loss of spatial resolution in the peripheral areas of the receiver.

Для того, чтобы этого не происходило, в описываемом приемнике после экрана-преобразователя 2 и установлен линзовый конденсор 3. Его назначение - построить в центре входной апертуры (зрачка) входного проекционного объектива 5 изображение точки, в которой пересекаются экранные треки.In order to prevent this from happening, in the described receiver, after the screen-converter 2, a lens condenser 3 is installed. Its purpose is to construct in the center of the input aperture (pupil) of the input projection lens 5 an image of the point at which the screen tracks intersect.

Входная апертура при этом играет роль диафрагмы 9, препятствуя прохождению световых лучей, распространяющихся в направлениях, не проходящих через источник быстрых нейтронов 1.The input aperture in this case plays the role of a diaphragm 9, preventing the passage of light rays propagating in directions that do not pass through the fast neutron source 1.

Кроме того, входная апертура определяет количество света, проходящего через входной проекционный объектив 5.In addition, the input aperture determines the amount of light passing through the input projection lens 5.

В случае идеального точечного источника быстрых нейтронов 1 каждый трек будет отображен на ПЗС-матрице 8 в виде пятна достаточно малого размера и размером, пропорциональным светосиле входного проекционного объектива 5.In the case of an ideal point source of fast neutrons 1, each track will be displayed on a CCD matrix 8 in the form of a spot of sufficiently small size and size proportional to the aperture ratio of the input projection lens 5.

В случае источника быстрых нейтронов 1 конденсор 3 рассчитан, исходя из того что расстояние от люминесцентного экрана-преобразователя 2 до нейтронного источника 1 составляет 500 мм, а люминесцентный экран-преобразователь 2 диаметром 200 мм и толщиной 100 мм изготовлен из люминесцирующего полистирола.In the case of a fast neutron source 1, the capacitor 3 is calculated on the basis that the distance from the luminescent converter screen 2 to the neutron source 1 is 500 mm, and the luminescent converter screen 2 with a diameter of 200 mm and a thickness of 100 mm is made of luminescent polystyrene.

Полная длина детектора составляет 1170 мм. Процесс накопления данных автоматизирован.The total length of the detector is 1170 mm. The process of data accumulation is automated.

Claims (4)

1. Устройство для радиографии и томографии, содержащее источник проникающего излучения, оптическую систему регистрации излучения, содержащую экран-преобразователь, выполненный в форме пластины, отклоняющее зеркало, объектив, фотоприемник, отличающееся тем, что после экрана-преобразователя на его поверхности расположен линзовый конденсор, а оптическая система регистрации излучения с отклоняющим зеркалом содержит последовательно расположенные входной проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив, фотоприемник, выполненный в виде ПЗС-матрицы, при этом источник конического проникающего излучения расположен в точке, лежащей на нормали к центру экрана-преобразователя, в которой сходятся геометрические продолжения всех световых треков, создающихся в экране-преобразователе, и, кроме того, устройство содержит средство перемещения исследуемого объекта, выполненное с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения.1. A device for radiography and tomography, containing a source of penetrating radiation, an optical radiation registration system, comprising a transducer screen made in the form of a plate, a deflecting mirror, a lens, a photodetector, characterized in that a lens condenser is located on its surface after the transducer screen, and the optical radiation registration system with a deflecting mirror contains a sequentially located input projection lens, image intensifier, zoom lens, photodetectors k made in the form of a CCD matrix, while the source of the conical penetrating radiation is located at a point lying normal to the center of the converter screen, at which the geometric continuations of all the light tracks created in the converter screen converge, and, in addition, the device contains means for moving the investigated object, made with the possibility of reciprocating and rotational motion. 2. Устройство для радиографии и томографии по п.1, отличающееся тем, что экран-преобразователь выполняется люминесцентным, оптически прозрачным в виде пластины из люминесцирующего полистирола, или из материала, чувствительного к рентгеновскому и гамма-излучениям, или из люминесцирующего полистирола с добавкой бора.2. The device for radiography and tomography according to claim 1, characterized in that the screen transducer is luminescent, optically transparent in the form of a plate of luminescent polystyrene, or of a material sensitive to x-ray and gamma radiation, or of luminescent polystyrene with the addition of boron . 3. Устройство для радиографии и томографии по п.1 или 2, отличающееся тем, что конденсор выполнен трехлинзовым.3. The device for radiography and tomography according to claim 1 or 2, characterized in that the condenser is made of a three-lens. 4. Устройство для радиографии и томографии по п.1, отличающееся тем, что источник конического проникающего излучения выполнен в виде нейтронного генератора.4. The device for radiography and tomography according to claim 1, characterized in that the source of the conical penetrating radiation is made in the form of a neutron generator.