Устройство для рентгенодиагностических исследований зерна и семян
Полезная модель предназначена для рентгенодиагностических исследований зерна и семян с целью контроля их качества путем выявления скрытых дефектов и повреждений. Устройство содержит низковольтный микрофокусный источник рентгеновского излучения, в потоке излучения которого установлен держатель исследуемых образцов и расположенное за ним средство визуализации рентгеновского изображения, которые заключены в рентгенозащитную камеру. В отличие от известных устройств, средство визуализации рентгеновского изображения выполнено в виде запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором, благодаря чему исключается использование рентгеновской пленки, сокращается время обработки рентгеновского изображения до 40÷60 секунд и обеспечивается возможность многократного использовании одного экрана для получения до 10000 экспозиций при высоком качестве изображений. 1 н.з. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Полезная модель относится к области анализа материалов с помощью рентгеновского излучения и предназначено для рентгенодиагностики состояния внутренней структуры зерна и семени с целью контроля их качества.
Известны устройства для рентгенодиагностических исследований зерна и семян, содержащие источник рентгеновского излучения, в потоке излучения которого установлен держатель исследуемых образцов, и средство визуализации рентгеновского изображения просвечиваемого образца.
В качестве источника рентгеновского излучения эти устройства снабжены низковольтными микрофокусными рентгеновскими трубками, что обеспечивает необходимую при просвечивании зерна и семян контрастность изображения и позволяет получить прямое рентгеновское увеличение изображения. В устройстве - аналоге по авторскому свидетельству AC SU 1389701 «Способ определения потенциальной продуктивности семян» (Бюлл. изобр. 
15 от 23.04.88), для получения рентгенограмм контролируемых семян используется рентгеновская трубка БС-1 с размером фокусного пятна около 0,2 мм, питаемая напряжением 12÷15 кВ, специально подготовленные кассеты для размещения семян и рентгеночувствительная пленка в качестве средства визуализации рентгеновского изображения. Изменением расстояния от кассеты - держателя образца до источника излучения при фиксированном положении средства визуализации изображения обеспечивается выбор коэффициента прямого рентгеновского увеличения изображения. Однако сравнительно большой размер фокусного пятна вызывает нерезкость рентгеновского изображения и ограничивает коэффициент прямого рентгеновского увеличения изображения значениями 2÷3.
Другое известное устройство для получения рентгеновских снимков семян сельскохозяйственных и древесных растений - рентгенодиагностический аппарат «Электроника-25» выполнен по той же структурной схеме и содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения РЕЙС, держатель образцов и рентгеновскую пленку в качестве средства визуализации рентгеновского изображения, расположенные в рентгенозащитной камере, имеющей пазы на внутренних боковых стенках для выбора расстояния держателя образца до фокуса источника излучения (Монография: Архипов М.В., Потрахов Н.Н. Микрофокусная рентгенография растений. СПб, Изд. «Техно-лит», 2008, с.31-34, подписано в печать 05.12.08). Благодаря использованию низковольтной (25 кВ) микрофокусной рентгеновской трубки РЕЙС с фокусным пятном диаметром около 0,05 мм аппарат позволяет получить снимки с увеличением изображения отдельных семян до 10 раз или группы до 100 семян с увеличением в 2÷3 раза при качестве изображения, пригодном для диагностирования основных дефектов.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели устройством (прототипом) является устройство для получения рентгенографического изображения контролируемых семян по заявке на изобретение РФ 2007126109 «Способ оценки качества семян», дата подачи 2007.07.09, решение о выдаче патента 2008.10.16, в котором имеется низковольтный микрофокусный источник рентгеновского излучения, установленный в потоке излучения держатель исследуемых образцов и расположенное за ним средство визуализации рентгеновского изображения, заключенные в рентгенозащитную камеру. В качестве источника рентгеновского излучения использован микрофокусный рентгеновский аппарат семейства «ПАРДУС» с диапазоном напряжения питания рентгеновской трубки 10÷50 кВ и фокусным пятном не более 0,01 мм, а в качестве средства визуализации рентгеновского изображения (приемника изображения) - рентгеновская пленка с собственной нерезкостью не более 0,2 мм. Это позволяет получать высококачественные снимки отдельных семян с увеличением в 20 раз при геометрической нерезкости 0,2 мм или группы до 100 семян с увеличением в 3-5 раз при качестве изображения, приемлемом для диагностирования дефектов семян.
Однако общим недостатком описанных устройств (аналогов и прототипа) является использование для визуализации рентгеновского изображения дорогостоящей рентгеновской пленки, содержащей серебро, необходимость использования химических реагентов и оборудования для ее проявления, а также низкая производительность работ по диагностике зерна с ее использованием.
Заявляемая полезная модель решает техническую задачу создания устройства для рентгенодиагностических исследований зерна и семян, в котором в качестве средства визуализации рентгеновского изображения используется безреагентный запоминающий носитель информации (рентгеновского изображения) многократного использования, позволяющий производить электронное считывание информации и его последующую компьютерную обработку, в том числе с использованием математических моделей автоматического распознавания и классификации дефектов зерна и семян.
Заявляемое устройство для рентгенодиагностических исследований зерна и семян содержит, как и прототип, низковольтный микрофокусный источник рентгеновского излучения, установленный в потоке излучения держатель исследуемых образцов и расположенное за ним средство визуализации рентгеновского изображения, заключенные в рентгенозащитную камеру, и отличается от прототипа тем, что средство визуализации рентгеновского изображения выполнено в виде запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором.
В важной частной форме воплощения устройства отличие от прототипа состоит в том, что используемые для получения рентгеновского изображения поверхности держателя образцов и запоминающего экрана выполнены цилиндрическими с совпадающими осями, проходящими через фокус источника рентгеновского излучения.
Достигаемый технический результат состоит в исключении необходимости использовать рентгеновскую пленку и средств ее проявления, сокращении времени обработки рентгеновского изображения до 40÷60 секунд и в возможности многократного использовании одного экрана для получения до 10000 экспозиций. Кроме того, устройство по полезной модели с запоминающим экраном обеспечивает более высокое качество рентгенограмм по сравнению с прототипом за счет линейной световой характеристики запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором в динамическом диапазоне более чем 104, в то время как для обычной рентгеновской пленки динамический диапазон имеет на порядок меньшее значение [Основы рентгенодиагностической техники. Под ред. Н.Н.Блинова. М.: Медицина, 2002, с.140]. Преимущество в качестве изображения проявляется наиболее полно при увеличении изображения отдельной зерновки в 40÷50 раз. Использование цифровых систем регистрации значительно повышает экспрессность анализа и упрощает дальнейшую компьютерную обработку результатов.
Дополнительным техническим результатом по пункту 2 формулы полезной модели является повышение качества анализа одновременно снимаемых семян, составляющих образец (группа семян для зерновых), обеспечиваемое тем, что при расположении семян и экрана на цилиндрических поверхностях все семена снимаются практически в одной и той же проекции, что важно для объективной оценки обнаруживаемых дефектов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых:
- на фиг.1 дано схематическое изображение устройства для рентгенодиагностических исследований зерна и семян по основному пункту формулы полезной модели;
- на фиг.2 представлены схемы получения рентгенографических изображений для отдельной зерновки (а) и для группы семян (б);
- на фиг.3 показана геометрия рабочих поверхностей, используемых для получения рентгеновских изображений, держателя образца и средства визуализации рентгеновского изображения, для формы воплощения устройства по пункту 2 формулы полезной модели;
- на фиг.4 приведена функциональная схема запоминания (а) и считывания (б) рентгеновского изображения с запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором;
- на фиг.5 и 6 представлены рентгенографические изображения отдельной зерновки и группы семян ячменя, полученные на устройстве по полезной модели при считывании с запоминающего экрана.
Устройство для рентгенодиагностических исследований зерна и семян (фиг.1) содержит низковольтный микрофокусный источник рентгеновского излучения 1 с фокусным пятном 2, держатель 3 исследуемого образца 4, установленный в потоке излучения 5, и средство визуализации рентгеновского изображения 6, выполненное в виде запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором, которые установлены в рентгенозащитную камеру 7. Внутренние боковые стенки камеры 7 снабжены элементами фиксации 8 держателя 3 образца на разных расстояниях от фокусного пятна 2 источника излучения 1. В верхней части устройства расположен пульт управления 9. Камера закрывается рентгенозащитной дверью (на фиг.1 не показана).
Устройство для рентгенодиагностических исследований зерна и семян работает следующим образом. Исследуемый образец 4 - отдельное семя (фиг.2, а) или группу семян (фиг.2, б) - размещают на держателе 3, который устанавливают между источником излучения 1 (фиг.1) и запоминающим экраном 6 на таком расстоянии от фокусного пятна 2 источника 1, чтобы изображение образца 10 (фиг.2) занимало возможно большую часть чувствительной поверхности запоминающего экрана 6. При этом коэффициент увеличения изображения K, равный
где R1 - расстояние от образца 4 до фокусного пятна 2 источника излучения 1, R2 - расстояние от образца 4 до запоминающего экрана 6, будет значительным для образца в виде отдельного семени, расположенного близко к фокусному пятну 2 источника излучения 1, и меньшим для образца в виде группы семян.
Для записи рентгеновского изображения на запоминающий экран 6, после размещения образца 4 на держателе 3, пультом управления 9 включают источник рентгеновского излучения 1 на время экспозиции от 1 до 30 с, после чего экран 6 извлекают и производят считывание изображения с использованием производимых рядом фирм систем считывания.
В важном частном случае реализации устройства по полезной модели, предназначенном для исследования группы семян, используемые для получения рентгеновского изображения поверхности держателя 3 образца 4 и запоминающего экрана 6 выполнены цилиндрическими с совпадающими осями 11, проходящими через фокусное пятно 2 источника рентгеновского излучения (фиг.3). Цилиндрическая форма поверхностей держателя 3 и экрана 6 обеспечивает одинаковый коэффициент увеличения рентгеновского изображения для всех зерен группы, что важно для последующей обработки изображений, и легко реализуется благодаря гибкости листового запоминающего экрана 6 и листовых материалов, используемых в держателе 3 в качестве подложки для группы семян. Для семян, расположенных на цилиндрической подложке вблизи линии 12 ее поперечного сечения плоскостью, проходящей через фокус 2 источника, семена просвечиваются лучами, перпендикулярными поверхности подложки. Однако для семян, удаленных от этой линии, просвечивание происходит под углом к поверхности. С учетом этого для получения качественных изображений трещин на зерновках (которые обычно располагаются поперек продольной оси зерновки), зерновки, удаленные от линии 12, целесообразно располагать на подложке продольной осью вдоль линии 12, чтобы лучи проходили вдоль полостей трещин (фиг.3). Это усложняет процедуру размещения зерновок на подложке держателя 3. Ограничение этого недостатка достигается выполнением подложки вытянутой вдоль линии 12.
Запоминающий экран 6 с фотостимулируемым люминофором представляет собой гибкую пластину, покрытую люминофором из фторида бария, активированного европием. При облучении образца 4 потоком 5, исходящим из фокусного пятна рентгеновской трубки 2, рентгеновское излучение поглощается этим люминофором и выбивает электроны, которые «запоминаются» как носители поглощенной энергии в центрах захвата. Функциональная схема запоминания показана на фиг.4, a. Для считывания рентгеновского изображения (фиг.4, б) люминофор экрана 6 сканируют лучом лазера 13, который отклоняется по строке и по кадру системой строчной и кадровой развертки. Испускаемый люминофором свет с помощью оптической системы собирается на фотокатоде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 14. Видеосигнал с ФЭУ преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 15 и сохраняется в цифровой памяти процессора или компьютера 16. После считывания изображения экран 6 засвечивается в видимом участке спектра, в результате чего его первоначальные свойства восстанавливаются, и он может быть использован для получения нового рентгеновского изображения (до 10000 снимков). Время считывания лазерной системой Digora PCT (Фирма «Содерекс», Финляндия) составляет 40÷50 с. В процессоре или компьютере 16 изображение может быть обработано по выбранному алгоритму и далее передано на монитор или устройство для получения твердой копии. Фирмы-производители запоминающих экранов с фотостимулируемым люминофором и устройств считывания с них рентгеновского изображения, а также описание их продукции рассмотрены, например, в [Основы рентгено-диагностической техники. Под ред. Н.Н.Блинова. М.: Медицина, 2002, с.138-146].
Несмотря на известность использования запоминающих экранов с фотостимулируемым люминофором в рентгенодиагностической технике, их применение в сочетании с низковольтной (25 кВ) микрофокусной трубкой в устройстве для рентгенодиагностических исследований зерна и семян предложено в данной заявке на полезную модель впервые, при этом экспериментально подтверждена их применимость для этих целей с получением высокого качества рентгеновских изображений.
При использовании в качестве источника рентгеновского излучения микрофокусного рентгеновского аппарата семейства «ПАРДУС», имеющего трубку с фокусным пятном размером 0,01 мм и минимальным расстоянием фокусное пятно - объект 1,5 мм, а в качестве средства визуализации рентгеновского изображения запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором формата 240×300 мм с размером чувствительной области пикселя 100×100 мм, при расстоянии 400 мм между фокусным пятном 2 и запоминающим экраном 6, возможно получение увеличенного в 40÷50 раз рентгеновского изображения отдельной зерновки или увеличенного в три раза изображения группы 100 и более семян при высокой резкости изображения. Примеры полученных на устройстве по полезной модели снимков отдельной зерновки (фиг.5, увеличение 20 раз) и группы семян (фиг.6, увеличение 3 раза) ячменя с использованием для считывания лазерной системой Digora РСТ подтверждают высокое качество получаемых рентгеновских изображений и достижение указанного выше технического результата.
1. Устройство для рентгенодиагностических исследований зерна и семян, содержащее низковольтный микрофокусный источник рентгеновского излучения, установленный в потоке излучения держатель исследуемых образцов и расположенное за ним средство визуализации рентгеновского изображения, заключенные в рентгенозащитную камеру, отличающееся тем, что средство визуализации рентгеновского изображения выполнено в виде запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что используемые для получения рентгеновского изображения поверхности держателя образцов и запоминающего экрана выполнены цилиндрическими с совпадающими осями, проходящими через фокус источника рентгеновского излучения.
