Исследование характеристик качества изображения газоразрядного преобразователя рентгеновского излучения в видимое в импульсной интроскопической системе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Силантьев, Олег Игоревич

• Силантьев, Олег Игоревич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Силантьев, Олег Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ РАДИАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

1.1. Состояние вопроса.

1.2. Газовый разряд в газоразрядном преобразователе (ГРП).

1.3. Обзор отечественных и зарубежных газоразрядных преобразователей и систем радиационной интроскопии.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТЕКАНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА В ГРП. ФОРМИРОВАНИЕ КАРТИНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ.

2.1. Образование электронного изображения в ГРП.

2.2. Преобразование первичной ионизационной картины.

2.3. Спектральные характеристики ультрафиолетового излучения.

2.4. Преобразование ультрафиолетового излучения газового разряда в видимое.

2.5. Энергетические характеристики газоразрядного преобразователя.

2.6. Частотные характеристики газоразрядного преобразователя.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ГРП.

3.1. Влияние конструкционных параметров на формирование изображения газоразрядного преобразователя.

3.2. Анализ существующих моделей ГРП.

3.3. Матричный газоразрядный преобразователь - МГРП.

3.4. ГРП с фронтальной фильтрацией - ФГРП.

4. ИСПЫТАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ИНТРОСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ГРП.

4.1. Влияние пространственного положения объектов просвечивания.

4.2. Функциональные характеристики и описание экспериментальной установки.

4.3. Экспериментальное исследование характеристик ГРП.

4.4. Описание и результаты экспериментов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик качества изображения газоразрядного преобразователя рентгеновского излучения в видимое в импульсной интроскопической системе»

Актуальность темы

При рассмотрении задачи радиационной интроскопии, как в неразрушающем контроле, так и в медицинской диагностике, с точки зрения используемых физических методов контроля, можно выделить две характерные цели этих процессов: получение первичной измерительной информации с помощью преобразователей и приведение ее в форму удобную для дальнейшей обработки;

• обработка информации и представление результатов обработки в форме пригодной для анализа, дальнейшей интерпретации и хранения.

Актуальность разработки и совершенствования систем радиационной интроскопии сложно недооценить в связи с совершенствованием требований отраслей применения систем контроля содержимого. Для промышленной интроскопии необходимо повышение скорости контроля, подразумевающей как применение высокочувствительных детекторов излучения для уменьшения экспозиционных доз и времени экспозиции, так и переход от физических носителей информации к электронным. Медицинская рентгенодиагностика также требует повышение скорости и мобильности контроля, необходимо и снижение лучевой нагрузки на диагностируемый объект.

Таким образом, необходимость эффективного преобразования рентгеновского излучения требует разработки новых подходов и технологий для создания высокочувствительного преобразователя с высоким временным и пространственным разрешением. В качестве такого преобразователя перспективно применение газоразрядного преобразователя (ГРП). При обеспечении оптимальных технических характеристик, ГРП представляется одним из наиболее оптимальных решений для построения интроскопических систем в силу простоты и дешевизны конструкции.

Актуальность вышеперечисленных аргументов определила тематику исследований, проведённых в данной диссертационной работе.

Простейший газоразрядный преобразователь представляет собой плоскую герметичную стеклянную камеру, наполненную инертным газом, и электродами, нанесенными на параллельные стенки камеры. Суть преобразования излучения состоит в инициации газового разряда из областей первичной ионизации газа, образованной при прохождении рентгеновского излучения. Разряд вызывается приложением импульса напряжения питания и сопровождается свечением, которое наблюдается через прозрачный электрод.

Наиболее глубокие исследования ГРП были проведены в НИИ Интроскопии при ТПУ [3,4]. В этих исследованиях были предложены модели формирования изображения в ГРП, устанавливающие связь между режимом облучения и питания. Экспериментально было установлено, что ГРП имеет высокую дозовую чувствительность в области низкоэнергетического рентгеновского излучения, большие размеры рабочего поля.

Несмотря на то, что был достигнут существенный прогресс в развитии ГРП, по основным интроскопическим характеристикам они уступают существующим преобразователям рентгеновского изображения и не всегда удовлетворяют требованиям практических задач контроля. В связи с этим в данной диссертационной работе исследовались особенности процессов преобразования рентгеновского излучения и формирования видимой картины в объеме ГРП. Для анализа влияния составляющих компонентов были исследованы математические модели и алгоритмы расчета этих процессов. Были предложены методы по оптимизации конструкций газоразрядных преобразователей для улучшения качественных характеристик получаемого изображения. Создан и испытан экспериментальный образец цифровой интроскопической системы на базе ГРП.

Работа выполнена в рамках тематических научно-исследовательских работ по исследованию газоразрядных преобразователей ионизирующих излучений в видимое, проводимых в НИИ Интроскопии при участии кафедры ФМПК Томского политехнического университета.

Объект исследования - газоразрядный преобразователь и интроскопическая система на его основе.

Цели работы Изучение механизма протекания газового разряда в условиях ГРП

• Исследование нерезкости и контрастной чувствительности газоразрядного преобразователя. Изучение возможности принудительного формирования направленной картины излучения ГРП Исследование цифровой интроскопической системы на базе ГРП. Экспериментальные испытания интроскопа в одноимпульсном и частотном режимах работы при контроле тестовых и анатомических объектов.

Научная новизна Предложены методы коллимирования излучения газового разряда в ГРП для повышения разрешающей способности видимого изображения путем отсечения неинформативной изотропной составляющей светового потока. Разработана физико-математическая модель безлюминофорного преобразователя рентгеновского излучения в видимое, и проведены расчеты яркости получаемого изображения и требуемой дозы рентгеновского излучения. Впервые проведены испытания по микродозовой одноимпульсной регистрации разряда ГРП посредством камеры на основе ПЗС-детектора.

Практическая ценность Предложены конструкции ГРП с фронтальной и боковой коллимацией светового излучения газового разряда в условиях ГРП. На конструкцию ГРП с боковой фильтрацией получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Создан макет установки, позволяющей регистрировать изображения с безлюминофорных ГРП в одноимпульсном режиме при дозах облучения порядка 10 мкР. Доказана эффективность и необходимость и предложены алгоритмы математической обработки получаемых изображений.

Апробация работы

Основные результаты работы отражены в следующих статьях и докладывались на конференциях: Алхимов Ю.В., Алхимов В.Ю., Кулешов В.К., Силантьев О.И., Цицура В.Н. Газоразрядный преобразователь с матричной структурой //Известия Томского политехнического университета. - Томск: Изд. ТПУ, 2006- т. 309, - № 5. - с. 56-60 Цицура В.Н., Силантьев О.И., Алхимов В.Ю. Разрешающая способность ГРП в режиме организации газового пространства //Качество - стратегия XXI века: Материалы XI международной научно-практической конференции - Томск, - Томск: Изд. ТПУ, 2006. -с. 157-161 Ways of gas discharge converters image enhancements. V. Tsitsura, O. Silantiev, Yu. Alkhimov. The Eight International Scientific and Practical

Conference of Students, Post graduates and Young Scientists "Modern Technique and Technologies", Tomsk, 2005; Алхимов Ю.В., Цицура B.H. , Силантьев О.И., Кулешов В.К. Применение ПЗС - структур для повышения качества изображения, получаемого с экрана газоразрядного преобразователя //Качество -стратегия XXI века Материалы VIII международной научно -практической конференции - Томск, ноябрь 2003. - Томск: HTJI, 2003. -с. 134-136

Получено положительное решение выдачи патента на полезную модель по заявке № 2006136868/(04138) от 17.10.2006 г. [71]

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 библиографических ссылок (исключая публикации автора) и 4 ссылок на электронные ресурсы. Ее основной текст изложен на 144 страницах, 9 таблицах и иллюстрирован 50 рисунками.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Силантьев, Олег Игоревич

Выводы

1 . Успешно испытан опытный образец безлюминофорного ГРП с ксеноновым наполнением. Получены стабильные изображения тест-объектов с разрешающей способностью до 0.25 пар лин/мм. Показано, что чувствительность ГРП достаточна для распознавания контурных признаков тест-объектов при их облучении фоновым излучением с мощностью дозы порядка 10 мкР. Газоразрядный преобразователь с люминофорным покрытием

2п28Ю4:Мп (виллемит) имеет высокую дозовую чувствительность, порядка 10~4^10"5 Р/импульс, малое время послесвечения 10'2 с и может быть использован для рентгеновской регистрации динамических явлений методом скоростного фотографирования. Пространственная разрешающая способность ГРП с люминофорным слоем при съемке статических объектов в одноимпульсном режиме - 1 пара линий/мм.

Частотный режим работы системы с люминофорным ГРП позволяет успешно регистрировать движение объекта со скоростями порядка 0.4 м/с. Просвечивание анатомического объекта в статическом одноимпульсном и частотном режимах позволяет достигнуть оптического контраста и нерезкости изображения, достаточного для различения твердых и мягких тканей.

• Доказана эффективность и необходимость и предложены алгоритмы математической обработки (фильтрации) получаемых изображений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертационная работа посвящена исследованию параметров газоразрядного преобразователя и интроскопической системы на его основе.

В работе изложены научно-обоснованные технические решения по применению газоразрядных преобразователей в радиационной интроскопии, исследованы процессы формирования изображения ГРП, предложены методы усовершенствования конструкции ГРП, проведены экспериментальные исследования газоразрядных преобразователей в составе интроскопической системы.

Проведенные исследования позволяют оптимизировать характеристики изображения ГРП, повысить разрешающую способность, снизить напряжение питания. Экспериментальные испытания интроскопической системы с ГРП определили возможность контроля статических и динамических объектов, а также человеческих тканей с минимальными дозовыми нагрузками.

Основными результатами работы можно считать следующие:

• Выделение эффективной части разряда, иными словами селективное распространение электронных лавин и преобразование ультрафиолета позволяет в значительной степени повысить пространственную разрешающую способность ГРП Высокое временное разрешение определяется длительностью разряда в п газовом промежутке для безлюминофорных ГРП, порядка 10" с, и для ГРП с люминофорным покрытием временем высвечивания л люминофора, порядка 10" с

• Яркость ГРП пропорциональна мощности дозы излучения. Начиная с некоторого значения мощности дозы, лавинный разряд в преобразователе перейдет в промежуточный или стримерный.

Сохранение лавинной стадии разряда приведет к необходимости изменения параметров импульса высокого напряжения. В пределах газового зазора число фотонов, распространяющихся в прямом направлении и летящих назад из заданного электрода, не меняется. Фотоны в газе образуют очень мало вторичных электронов, и изменение нерезкости ГРП при переходе от одного газа к другому происходит за счет изменения процесса переноса (сечение упругого и неупругого столкновений) электронов в газе Для уменьшения времени убегания остаточного заряда в газе можно использовать резистивные слои, нанесенные на поверхность входного электрода. Время распространения фронта волны по резистивному слою было порядка 10'10 с, что значительно меньше фронта импульса питания.

• Конструкция ГРП с использованием диэлектрической матричная решетка, позволяет осуществлять боковую фильтрацию в ультрафиолетовой области спектра, что обеспечивает снижение размытия картины излучения. Использование оксидных пленок, отражающих ультрафиолетовое излучение, падающее под большими углами, позволяет осуществлять фронтальную фильтрацию излучения газового разряда тем самым улучшить разрешающую способность ГРП на 50%. Интроскопическая система на основе ГРП обладает крайне высокой дозовой чувствительностью при удовлетворительном пространственном разрешении и контрастной чувствительности. Система позволяет преобразовывать теневое изображение объекта контроля, как в одноимпульсном, так и в частотном режимах. Успешно испытан опытный образец безлюминофорного ГРП с ксеноновым наполнением. Получены стабильные изображения тест-объектов с разрешающей способностью до 0.25 пар лин/мм. Газоразрядный преобразователь с люминофорным покрытием имеет высокую дозовую чувствительность, порядка 10'4^10'5 Р/импульс, у малое время послесвечения 10" си может быть использован для рентгеновской регистрации динамических явлений методом скоростного фотографирования. Пространственная разрешающая способность ГРП с люминофорным слоем - 1 пара линий/мм. Чувствительность ГРП достаточна для распознавания контурных признаков тест-объектов при их облучении фоновым излучением с мощностью дозы порядка 10 мкР. Частотный режим работы системы с люминофорным ГРП позволяет успешно регистрировать движение объекта со скоростями порядка 0.4 м/с. Просвечивание анатомического объекта в статическом одноимпульсном и частотном режимах позволяет достигнуть оптического контраста изображений ГРП, достаточного для различения твердых и мягких тканей. Доказана эффективность и необходимость и предложены алгоритмы математической обработки (фильтрации) получаемых изображений. у

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Силантьев, Олег Игоревич, 2007 год

1. Гораховский В. Л. Электрический ток в газе. M .: Наука, 1971 г.

2. Лозинский Э. Д. Фирсов О. В. Теория искры. M .: Атомиздат, 1975 г.

3. Физика визуализации изображений в медицине. T.l./Пер. С англ.; Под ред. С.Уэбба. -М.: Мир, 1991.;

4. Блинов H.H., Жуков Е.М., и др. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений.-М.: Энергоатомиздат, 1982, 197 е.;

5. Добромыслов В.А., Румянцев C.B. Радиационная интроскопия. М.: Атомиздат, 1972. - 352 е.;

6. Мик Дж., Карэгс Дж. Электрический пробой в газах. / Перевод с англ, под ред. B.C. Комелькова. М.: Изд. иностр. лит., 1960, с. 605.

7. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Госатомиздат, 1961, с. 323.

8. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. / Перевод с Англ. под ред. B.C. Комелькова. М.: Мир, 1968, с. 420.

9. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры. М.: Атомиздат, 1975, с. 272.

10. Дайон М.И., Долгошеин Б.А. Искровая камера. М.: Атомиздат, 1967, с. 355.

11. Грановский Е.Л. Электрический ток в газе. M : Наука, 1971, с. 543.

12. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах. М.-Л.: ГИТЛ, 1950, с. 672.

13. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов.- М.: Наука, 1991.224 с.

14. Иванов В.А. Распадающаяся плазма В кн. Химия плазмы. Вып. 13 / Под ред. Б.М. Смирнова. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 74-114.

15. Румянцев C.B., Штань A.C., Попов Ю.Ф. Справочник рентгено- и гамма-дефектоскописта. -М.: Атомиздат, 1969.-276 е.;

16. Майоров А.Н., Мамиконян C.B., Косарев Л.И., Фирстов В.Г. Радиоизотопная дефектоскопия (методы и аппаратура). М.: Атомиздат, 1976. - 208 е.;

17. Рентгенотехника: Справочник. Т.2./ Под ред. A.A. Алтухова, К.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1992. - 368 е.;

18. Вавилов С.П. Импульсная рентгеновская техника.- М.: Энергия, 1981.

19. Мейлинг В., Стари Ф. Наносекундная импульсная техника. Перевод с англ. Под ред. Е.А. Мелешко. М.: Атомиздат, 1973, 384 с.

20. Полойко Ю. Ф. «Системы цифровой рентгенологии». Новости лучевой диагностики, 1998, №4, стр. 40-41.

21. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Под редакцией Холл Дж., Уатта Дж., Пер. с анг. под редакцией Горбунова А. Д. М.: Мир, 1979 г.

22. Численные методы. Под редакцией Савинский В. А. М.: Высшая школа, 1976 г.

23. Месяц Г. А. Генераторы мощных наносекундных импульсов. M .: Сов. радио, 1974 г.

24. Алтухов А. А., Гусев Е. А., Егоров И. В. ПТЭ, 1984, № 7, с 100.

25. Кольчужкин A.M. , Учайкин В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество, М., Атомиздат, 1978, с. 256.

26. Стародубцев C.B., Романов A.M. Взаимодействие гамма-излучения с веществом, Ч. 1, Ташкент, Наука, 1964.

27. Руденко Н.С., Сметанин В.И. Характеристики плазмы стримера в неоне. «Изв. вузов сер. физ.», 1977, 3, с. 65-69.

28. Воробьев A.A., Руденко Н.С., Сметанин В.И, Техника искровых камер. М.: Атомиздат, с. 120.

29. Михайловский А.Б. Теория плазменных неустойчивостей. Т. 1. Неустойчивости однородной плазмы. Изд. 2-е, перераб. и доп. М, Атомиздат, 1975, 1966.

30. Смирнов Б.М. Процессы ионизации при медленных столкновениях атомов. УФН, 1981, Т. 133, 4, с. 569-616.

31. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы. М.: Энергоатомиздат, 1982, с. 231.

32. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. М., Атомиздат, 1974, с. 456.33