RU2597026C1 - Method for recording radiographic images generated by means of ionizing radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: radars.

SUBSTANCE: invention is applied to registration of radiographic images generated by means of ionizing radiation; it relates to radiography, in particular, to methods for recording optical images generated by means of proton radiation, and can be used e.g. in digital imaging systems for determination of internal structure of dense objects, or researches of high-speed processes. This invention consists in that, first, ionizing radiation passed through analyzed object, and then through storage luminescent screen, wherefrom image subsequently is read, wherein as ionizing radiation, beam of protons is employed that are accelerated to energy of not less than 10 GeV, and as storage luminescent screen, plate is employed with sensitive layer based on barium fluoro halogenides activated by europium.

EFFECT: technical result is higher translucent capacity at high resolution range, avoiding losses of source information in power conversions, and avoiding geometrical distortions.

1 cl

Description

Изобретение относится к области радиографии, в частности к способам регистрации радиографических изображений, сформированных с помощью протонного излучения, и может быть использовано, например, в системах цифровой съемки для определения внутренней структуры плотных объектов.The invention relates to the field of radiography, in particular to methods for recording radiographic images formed using proton radiation, and can be used, for example, in digital recording systems to determine the internal structure of dense objects.

Радиография предполагает наличие источника излучения, проходящего через исследуемый объект и изменяющего свою интенсивность в зависимости от пространственного распределения массовой толщины, а также приемника, который регистрирует сформированное излучением радиографическое изображение.Radiography assumes the presence of a radiation source passing through the object under study and changing its intensity depending on the spatial distribution of the mass thickness, as well as a receiver that registers the radiographic image formed by the radiation.

Регистрацию радиографических изображений, сформированных с помощью ионизирующих излучений, в частности рентгеновского излучения, осуществляют, используя сцинтилляционные конвертеры, например, на основе CsI (патент RU 2472138, публик. 10.01.2013), преобразующие ионизирующее излучение в оптическое, которое через поворотное зеркало, объектив и электронно-оптический затвор регистрируют на фоточувствительную пленку либо на матричный полупроводниковый сенсор.The registration of radiographic images formed using ionizing radiation, in particular x-ray radiation, is carried out using scintillation converters, for example, based on CsI (patent RU 2472138, publ. 10.01.2013), converting ionizing radiation into optical radiation, which through a rotary mirror, lens and the electron-optical shutter is recorded on a photosensitive film or on a matrix semiconductor sensor.

Схему со сцинтилляционным конвертером можно использовать для регистрации изображений, сформированных с помощью пучка протонов. Известен метод протонной радиографии, заключающийся в просвечивании исследуемого образца пучком протонов, ускоряемых в синхротроне, регистрации протонных изображений с помощью многокадровой электронно-оптической системы, основанной на использовании сцинтилляционных конвертеров, обработке в ЭВМ полученной информации с последующим восстановлением трехмерной геометрии образца с помощью методов малоракурсной томографии (патент RU 2426100, публик. 10.08.2011).A scintillation converter circuit can be used to register images generated using a proton beam. The known method of proton radiography, which consists in illuminating the test sample with a beam of protons accelerated in the synchrotron, recording proton images using a multi-frame electron-optical system based on the use of scintillation converters, processing the information obtained in the computer with subsequent restoration of three-dimensional geometry of the sample using low-angle tomography methods (patent RU 2426100, publ. 08/10/2011).

Недостатком применения сцинтилляционных конвертеров является наличие множества стадий преобразования энергии исходного излучения: в сцинтилляторе энергия ионизирующего излучения преобразуется в оптический диапазон, далее на фотокатоде затвора оптическое изображение преобразуется в электронное, далее на люминофоре затвора электронное опять преобразуется в оптическое, далее следует его поглощение в материале полупроводникового сенсора с образованием электронно-дырочных пар, далее происходит считывание заряда с сенсора через аналого-цифровой преобразователь. На каждом этапе преобразования происходит потеря информации, содержащейся в исходном радиографическом изображении. Помимо этого происходит размытие оптического изображения на сцинтилляторе, поворотном зеркале и объективе, а также размытие электронного изображения внутри электронно-оптического затвора.The disadvantage of using scintillation converters is the presence of many stages of converting the energy of the initial radiation: in the scintillator, the energy of ionizing radiation is converted into the optical range, then the optical image is converted to the electronic image on the shutter photocathode, then the electronic image is converted again to the optical on the shutter phosphor, and then its absorption in the semiconductor material sensor with the formation of electron-hole pairs, then the charge is read from the sensor through the anal ogo-digital converter. At each stage of the conversion, the information contained in the original radiographic image is lost. In addition, blurring of the optical image occurs on the scintillator, rotary mirror and lens, as well as blurring of the electronic image inside the electron-optical shutter.

Регистрацию радиографических, в частности рентгеновских, изображений можно осуществить непосредственно на рентгеночувствительную пленку - триацетатную пленку с чувствительным слоем на основе йодистых и бромистых солей серебра (патент RU 2188446, публик. 27.08.2002), либо на рентгеночувствительную пленку в сочетании с усиливающими люминофорными экранами (патент RU 2290664, публик. 27.12.2006). При регистрации радиографических изображений на рентгеночувствительную пленку, находящуюся непосредственно в поле проникающего излучения, не происходит многочисленного преобразования энергии, также пленка не вносит геометрические искажения в регистрируемое изображение. Однако рентгеночувствительная пленка имеет узкий динамический диапазон (~ 10²), который определяется как соотношение максимального значения регистрируемого сигнала к его минимальному значению, что не позволяет использовать ее для регистрации протонных изображений. Ионизирующая способность высокоэнергетичного протона (10-100 ГэВ) более чем на три порядка превышает ионизирующую способность жесткого гамма-кванта (1-10 МэВ), и при таком виде облучения пленка сразу переходит в режим насыщения.Radiographic, in particular X-ray, images can be recorded directly on an X-ray sensitive film — a triacetate film with a sensitive layer based on iodide and bromide silver salts (patent RU 2188446, published on 27.08.2002), or on an X-ray sensitive film in combination with amplifying phosphor screens ( patent RU 2290664, publ. 12/27/2006). When registering radiographic images on an X-ray film located directly in the field of penetrating radiation, there is no numerous energy conversion, and the film does not introduce geometric distortions into the recorded image. However, the x-ray sensitive film has a narrow dynamic range (~ 10 ² ), which is defined as the ratio of the maximum value of the recorded signal to its minimum value, which does not allow using it for registration of proton images. The ionizing ability of a high-energy proton (10-100 GeV) is more than three orders of magnitude higher than the ionizing ability of a hard gamma quantum (1-10 MeV), and with this type of irradiation, the film immediately goes into saturation mode.

Для регистрации рентгеновских изображений в последнее время стали использовать запоминающие люминесцентные экраны, выполненные в виде пластин с чувствительным слоем на основе галогенов (заявка TW 201442515, публик. 01.11.2014). В международной литературе такие экраны именуются «storage phosphors» или обозначаются как «IP» (image plate). Под воздействием ионизирующего излучения в чувствительном слое экранов атомы переходят в метастабильное состояние, и в нем формируется скрытое изображение. Изображение с экрана сканируется лазерным излучением в специальном устройстве - дигитайзере [В мире неразрушающего контроля 4 (62) март 2013, стр. 65-70.].Recently, fluorescent screens made in the form of plates with a halogen-based sensitive layer have been used to register X-ray images (application TW 201442515, published 01.11.2014). In international literature, such screens are referred to as “storage phosphors” or are referred to as “IP” (image plate). Under the influence of ionizing radiation in a sensitive layer of screens, atoms go into a metastable state, and a latent image is formed in it. The image from the screen is scanned by laser radiation in a special device - a digitizer [In the world of non-destructive testing 4 (62) March 2013, p. 65-70.].

В патенте RU 2393463, публик. 27.06.2010, в качестве запоминающего экрана используют фосфорную пластину и проводят на нее просвечивание объекта при сниженном на 10-30% от применяемого при просвечивании на радиографическую пленку напряжении на рентгеновской трубке, обеспечивающем для пластины не большее, чем для пленки, значение экспозиции просвечивания, оценивают по полученному с фосфорной запоминающей пластины компьютерному изображению достигнутую чувствительность контроля и при получении на изображении с фосфорной запоминающей пластины не менее высокой (не большей в мм), чем на радиографической пленке, чувствительности контроля, фиксируют примененное значение напряжения на рентгеновской трубке (значение энергии излучения), и дальнейшее просвечивание контролируемого объекта проводят на фосфорную запоминающую пластину при указанном фиксированном напряжении на рентгеновской трубке (значении энергии излучения) при соответствующем контроле по эталонам достигаемой чувствительности радиографического контроля. Технический результат: обеспечение за счет использования фосфорных запоминающих пластин пониженного, в сравнении с просвечиванием на радиографическую пленку, напряжения на рентгеновской трубке при сохранении чувствительности контроля на уровне чувствительности контроля, достигаемого на радиографической пленке, а также исключение процесса фотообработки снимков, обеспечение возможности многократного использования фосфорных запоминающих пластин и автоматизации процесса расшифровки радиограмм посредством компьютерной обработки. Данный способ является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.In patent RU 2393463, public. 06/27/2010, a phosphor plate is used as a storage screen and the object is illuminated at 10-30% of the voltage applied to the x-ray tube when radiating onto a radiographic film, providing for the plate no more than the film exposure value, according to the computer image received from the phosphor storage plate, the achieved sensitivity of control is estimated and upon receipt of an image from the phosphor storage plate at least high (not higher than mm) than on the radiographic film, the control sensitivity, the applied voltage value on the X-ray tube (radiation energy value) is recorded, and the object being examined is further illuminated on a phosphor storage plate at the indicated fixed voltage on the X-ray tube (radiation energy value) with the corresponding control by standards of the achieved sensitivity of radiographic control. Effect: the use of phosphorus storage plates of reduced, compared with transmission to a radiographic film, voltage on the x-ray tube while maintaining the control sensitivity at the level of control sensitivity achieved on a radiographic film, as well as eliminating the photographic processing of images, making it possible to reuse phosphorus memory plates and automation of the process of decoding radiograms by computer processing. This method is the closest analogue of the claimed invention.

Основным достоинством рентгенографии является распространенность и доступность источников гамма-излучения, основным недостатком - невысокая просвечивающая способность.The main advantage of radiography is the prevalence and availability of gamma radiation sources, the main disadvantage is the low transmission ability.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является высокая просвечивающая способность при высоком пределе разрешения.The technical result of the invention is a high transmission ability with a high limit of resolution.

Технический результат достигается за счет того, что в способе регистрации радиографических изображений, сформированных с помощью ионизирующего излучения, включающем пропуск ионизирующего излучения сначала через исследуемый объект, а затем через люминесцентный экран, с которого в последствии считывают изображение, новым является то, что в качестве ионизирующего излучения используют пучок протонов, ускорение которых осуществляют до энергии не менее 10 ГэВ, а в качестве запоминающего люминесцентного экрана используют пластину с чувствительным слоем на основе флюорогалогенидов бария, активированную редкоземельными добавками.The technical result is achieved due to the fact that in the method of recording radiographic images generated using ionizing radiation, including passing the ionizing radiation first through the object under study, and then through the luminescent screen, from which the image is subsequently read, it is new that, as the ionizing radiation use a proton beam, the acceleration of which is carried out to an energy of not less than 10 GeV, and a plate with a barium fluoride halide-based active layer activated by rare-earth additives.

Применение в качестве ионизирующего излучения пучка протонов, ускорение которых осуществляют до энергии не менее 10 ГэВ, позволяет обеспечить высокую просвечивающую способность. Так, например, длина свободного пробега протона с энергией 24 ГэВ в меди равна 13,9 см, а длина свободного пробега в меди фотона с энергией 10 МэВ равна 3,6 см.The use of a proton beam as ionizing radiation, the acceleration of which is carried out up to an energy of at least 10 GeV, allows for a high transmission ability. For example, the mean free path of a proton with an energy of 24 GeV in copper is 13.9 cm, and the mean free path in a copper of a photon with an energy of 10 MeV is 3.6 cm.

Использование в качестве запоминающего люминесцентного экрана пластины с чувствительным слоем на основе флюорогалогенидов бария, активированных европием, позволяет исключить геометрические искажения в регистрируемом изображении и устранить потери исходной информации при преобразованиях энергии.The use of a plate with a sensitive layer based on barium fluoride halides activated by europium as a luminescent screen makes it possible to eliminate geometric distortions in the recorded image and eliminate the loss of initial information during energy conversions.

В качестве примера конкретной реализации, позволяющего осуществить предлагаемый способ, может служить устройство, которое выполнено на основе действующего синхрофазотрона У-70, построенного в г. Протвино [Новости и проблемы фундаментальной физики, №1(5), 2009 г., с. 32-42], и включает камеру ВЗК, систему регистрации и исследуемые опытные образцы. Система регистрации выполнена на основе запоминающего экрана в виде пластины с чувствительным слоем на основе флюорогалогенидов бария, активированных европием.An example of a specific implementation that allows the proposed method to be implemented is a device that is based on the current U-70 synchrophasotron built in Protvino [News and Problems of Fundamental Physics, No. 1 (5), 2009, p. 32-42], and includes a chamber of the IBD, a registration system and the studied prototypes. The registration system is made on the basis of a memory screen in the form of a plate with a sensitive layer based on barium fluoride halides activated by europium.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.The inventive method is as follows.

Под воздействием ионизирующего излучения в чувствительном слое экранов атомы переходят в метастабильное состояние, и в нем формируется скрытое изображение, которое в дальнейшем за счет эффекта фотостимулированной люминесценции сканируется лазерным излучением в дигитайзере. После считывания экран вновь готов к работе. Предел разрешения экранов определяется дискретностью считывания дигитайзера, которая на сегодняшний день достигает 25 мкм [В мире неразрушающего контроля 4 (62) март 2013, стр. 65-70.]. Также же, как и рентгенопленка, запоминающие экраны, не вносят в регистрируемое изображение геометрические искажения, но при этом обеспечивают широкий динамический диапазон (~10⁴ и более), недостижимый для других систем, что позволяет их использовать как средство регистрации радиографических изображений, сформированных высокоэнергичным протонным пучком.Under the influence of ionizing radiation in the sensitive layer of the screens, the atoms transform into a metastable state and a latent image is formed in it, which is subsequently scanned by laser radiation in the digitizer due to the effect of photostimulated luminescence. After reading, the screen is ready for use again. The limit of screen resolution is determined by the discrete reading of the digitizer, which today reaches 25 microns [In the world of non-destructive testing 4 (62) March 2013, pp. 65-70.]. As well as x-ray film, memories, displays, do not contribute to the measured geometric distortion of the image, but at the same time provide a wide dynamic range (~ 10 ⁴ or more), unobtainable for other systems, which allows to use them as a means of recording of radiographic images formed by high-energy proton beam.

К положительным сторонам этого метода относится высокая просвечивающая способность, высокий предел разрешения, отсутствие потерь исходной информации при преобразованиях энергии, отсутствие геометрических искажений.The positive aspects of this method include high translucency, a high resolution limit, the absence of loss of initial information during energy conversions, and the absence of geometric distortions.

Claims (1)

Способ регистрации радиографических изображений, сформированных с помощью ионизирующего излучения, заключающийся в том, что ионизирующее излучение пропускают сначала через исследуемый объект, а затем через запоминающий люминесцентный экран, с которого в последствии считывают изображение, отличающийся тем, что в качестве ионизирующего излучения используют пучок протонов, ускорение которых осуществляют до энергии не менее 10 ГэВ, а в качестве запоминающего люминесцентного экрана используют пластину с чувствительным слоем на основе флюорогалогенидов бария, активированных европием. A method for detecting radiographic images formed using ionizing radiation, namely, that the ionizing radiation is first passed through an object to be studied, and then through a storage luminescent screen, from which an image is subsequently read out, characterized in that a proton beam is used as the ionizing radiation, acceleration of which is carried out up to an energy of at least 10 GeV, and a plate with a sensitive layer based on fl is used as a storage luminescent screen orogalogenidov barium activated by europium.