Рентгеновская установка для получения изображения быстропротекающего процесса

Полезная модель относится к области импульсной рентгеновской техники и может быть использована для рентгенографирования быстропротекающих процессов в оптически неоднородных объектах исследования с существенно (более 2-х порядков) различающимися по оптической плотности областями, что реализуется, например, во взрывных рентгенографических экспериментах

В отличие от известной рентгеновской установки, содержащей основной источник рентгеновского излучения, обеспечивающий формирование импульса излучения длительностью существенно меньшей длительности регистрируемого процесса, в энергетическом спектральном диапазоне, заданном в соответствии с оптической плотностью более плотной области объекта исследований, а также соответствующую ему установленную за объектом исследования систему регистрации изображения, предлагаемая установка дополнена по меньшей мере одним добавочным источником рентгеновского излучения с отличным от основного энергетическим спектральным диапазоном, различающимся с вышеназванным как минимум на порядок по граничной энергии, заданным в соответствии с оптической плотностью менее плотной области объекта исследования, напротив добавочного источника излучения за объектом исследования установлена соответствующая ему система регистрации, при этом добавочный источник пространственно разнесен с основным с обеспечением возможности получения изображения в отличном от основного ракурсе без перекрытия энергетических диапазонов излучения от источников. В частном варианте реализации, рентгеновская установка может быть снабжена системой синхронизации источников излучения, а источники излучения могут быть снабжены коллиматорами.

Технический результат устройства заключается в повышении его разрешающей способности и улучшении качества получаемого изображения, обеспечивающих в пределах одного эксперимента повышение информативности исследований при регистрации объектов с существенно (более, чем на 2 порядка) различающейся оптической плотностью. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к области импульсной рентгеновской техники и может быть использована для рентгенографирования быстропротекающих процессов в оптически неоднородных объектах исследования с существенно (более 2-х порядков) различающимися по оптической плотности областями, что реализуется, например, во взрывных рентгенографических экспериментах.

Известна острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка, позволяющая получить рентгеновское изображение быстропротекающего процесса. Конструкция и параметры приведены в описании изобретения к патенту [1, патент РФ 2174762 от 22.08.2000 г.]. Промышленная рентгеновская трубка ИМА-6 представляет собой отпаянную рентгеновскую трубку с металлическими электродами. Трубка обеспечивает облучение оптически плотной среды импульсом рентгеновского излучения. Последующая регистрация рентгеновского изображения исследуемого процесса производится посредством рентгенотелевизионной системы.

Недостаток устройства состоит, помимо нестабильности, в его низкой разрешающей способности при регистрации процессов в оптически неоднородных средах, когда оптическая плотность среды изменяется более, чем на 2 порядка. Это, соответственно, приводит к неудовлетворительному качеству рентгеновских снимков с точки зрения получения достоверной информации об изучаемом процессе.

Известно устройство получения рентгеновского изображения быстропротекающего процесса [2, журнал ЖТФ, 1957, т.27, 2, с.43-57]. Данная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка состоит из анода в виде стержня небольшого диаметра с торцом, заточенным под конус, цилиндрического полого катода, соосно расположенного с анодом и удаленного от него на некотором расстоянии по оси. Трубка служит источником рентгеновского излучения, обеспечивающим формирование импульса излучения длительностью существенно меньшей длительности регистрируемого процесса, причем в энергетическом спектральном диапазоне, заданном в соответствии с оптической плотностью более плотной области объекта исследований. Напротив рентгеновской трубки за объектом исследования установлена система регистрации изображения.

Следствием недостатков источника импульсного рентгеновского излучения является снижение резкости рентгеновских снимков от центра к периферии, уменьшение контраста изображения объектов с низкой рентгеновской плотностью, что делает невозможным получение достоверной информации о быстропротекающем процессе для объектов с различной оптической плотностью.

Задача состоит в усовершенствовании устройства с целью получения в пределах одного эксперимента удовлетворительного рентгеновского изображения быстропротекающего процесса в объектах (например, в условиях взрывного эксперимента) с существенно неоднородной оптической плотностью, т.е. для исследуемых объектов, оптическая плотность которых изменяется более, чем на 2 порядка по оптической плотности.

Технический результат устройства заключается в повышении его разрешающей способности и улучшении качества получаемого изображения, обеспечивающих в пределах одного эксперимента повышение информативности исследований при регистрации объектов с существенно (более, чем на 2 порядка) различающейся оптической плотностью.

Данный технический результат достижим за счет того, что в отличие от известной рентгеновской установки для получения изображения быстропротекающего процесса в оптически неоднородном объекте исследования, содержащей основной источник рентгеновского излучения, обеспечивающий формирование импульса излучения длительностью существенно меньшей длительности регистрируемого процесса в энергетическом спектральном диапазоне, заданном в соответствии с оптической плотностью более плотной области объекта исследований, а также расположенную за объектом исследования напротив основного источника систему регистрации изображения, предлагаемая установка дополнена по меньшей мере одним добавочным источником рентгеновского излучения с отличным от основного энергетическим спектральным диапазоном, различающимся с вышеназванным как минимум на порядок по граничной энергии, заданным в соответствии с оптической плотностью менее плотной области объекта исследования, напротив добавочного источника излучения за объектом исследования установлена соответствующая ему система регистрации, при этом добавочный источник пространственно разнесен с основным с обеспечением возможности получения изображения в отличном от основного ракурсе без перекрытия энергетических диапазонов излучения от источников.

В частном варианте реализации, рентгеновская установка может быть снабжена системой синхронизации источников излучения, а источники излучения могут быть снабжены коллиматорами.

В заявляемом случае физической основой для обеспечения качественного рентгенографирования объектов с неоднородной, существенно различающейся оптической плотностью (более, чем на 2 порядка по оптической плотности), служит различие физических процессов, возникающих в процессе взаимодействия у - квантов с веществом.

Исходя из существенного различия оптической плотности областей объекта исследования, различие в граничной энергии подобранных энергетических диапазонов, рассчитанное с учетом классических закономерностей физики взаимодействия излучения с веществом, должно быть больше порядка. Это связано с различием механизма поглощения рентгеновских квантов. При облучении в одном из энергетических диапазонов (условно-низкоэнергетическом, «мягком»), выбранном из условия необходимости получения качественного изображения при облучении менее оптически плотных областей объекта, основным механизмом взаимодействия излучения с веществом является Комптон эффект и фотоэлектрическое поглощение, в другом энергетическом диапазоне (условно-высокоэнергетическом, «жестком»), выбранном из условия получения качественного изображения при облучении оптически более (более, чем на 2 порядка) плотных областей объекта исследования, определяющую роль играет комптоновское рассеяние, образование пар, вторичное тормозное излучение.

Предлагаемый подход, основанный на облучении объекта исследований независимо рентгеновским излучением в различных энергетических диапазонах, различающихся более чем на порядок по граничной энергии соответствующего диапазона в пределах длительности регистрируемого импульса, позволит в одном эксперименте при регистрации изображения в зависимости от направления и режима облучения проследить за любыми стадиями развития регистрируемого быстропротекающего процесса в одном направлении просвечивания и одновременно в разных ракурсах при синхронности срабатывания источников с удовлетворительным разрешением и качеством изображения независимо от оптической плотности объекта. То есть, установка позволит комплексно получить информацию в одном эксперименте и при этом исключить необходимость постановки независимых отдельных экспериментов для регистрации разных областей быстропротекающих процессов в зависимости от оптической плотности объекта исследования.

Выбор, благодаря коллиматорам, угловой направленности излучения в заявляемых энергетических диапазонах, исходя из представления о начальном состоянии объекта, позволяет облучать прицельно области объекта исследования соответствующей различной плотности, что также влияет на качество изображения.

На фиг. схематично изображена система для получения рентгеновского изображения во взрывном рентгенографическом эксперименте, где 1-источник «мягкого» рентгеновского излучения (СТРАУС-Р) (добавочный), 2-источник «жесткого» рентгеновского излучения (БИМ 234.3000) (основной), 3-бетонная стенка каземата, 4-коллиматор, 5-бронезащита от осколков, 6-объект исследования, 7-система регистрации.

В конкретном эксперименте рентгенографирование исследуемого объекта проводится при движении некоторых частей объекта со скоростями 2-8 км/с. Характерные времена длительности процесса составляют 10-30 мкс. Для получения изображения с динамическим размытием менее 1 мм необходимо, чтобы длительность рентгенографирования составляла не более 100 нс (на 2 порядка меньше длительности процесса)

При реализации установки в качестве источника жесткого излучения может быть использован БИМ 234.3000 с граничной энергией 70 МэВ [3, Павловский А.И., Кулешов Г.Д., Склизков Г.В., Зысин Ю.А., Герасимов А.И. Сильноточные безжелезные бетатроны // ДАН СССР. 1965. Т.160. 1. С.68.]. Этот источник способен просветить до 240 г/см ² по свинцу.

Недостаток - низкое качество просвечивания объекта с малой оптической плотностью и малым контрастом. В качестве источника «мягкого» излучения можно использовать установку СТРАУС - Р [4, Гордеев В.С., Мысков Г.А., Михайлов Е.С., Лаптев Д.В. Проект ускорителя СТРАУС-Р. В сб.: Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно-исследовательское издание. Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ. Вып.4. 2003. с.178-183]. Граничная энергия составляет ЗМэВ, просвечивающая способность до 110 г/см² по свинцу. При такой граничной энергии уже не происходит рождения электрон - позитронных пар и не снижается качество рентгенограммы из-за влияния вторичного тормозного излучения.

Установка может быть реализована при исследованиях, связанных с работой ВМГ генераторов. В одном взрывном эксперименте устройство (фиг.), позволяет получить изображения быстропротекающих процессов в объекте с неоднородной оптической плотностью: форму детонационной волны во взрывчатом веществе (ВВ) после работы фокусирующей системы и внутренней полости обжимаемого соленоида.

Рентгенографическое устройство (установка) содержит в своем составе связанные с независимыми системами включения, при необходимости синхронизованными, источники тормозного излучения (позиции 1, 2 фиг.) (основной и добавочный) с заявленной различной граничной энергией, подобранной в соответствии с разноплотностью объекта исследований. Источники имеют разную диаграмму направленности излучения. Устройство содержит систему коллиматоров (позиция 4 фиг.), защиту от воздействия ВВ (позиция 3 фиг.) при взрывном эксперименте, а также систему регистрации изображения (позиция 7 фиг.). Источники излучения могут срабатывать одновременно или с некоторой разновременностью, но в пределах длительности быстропротекающего (взрывного) процесса. Для одновременного облучения объекта регистрации (позиция 6 фиг.) с целью получения изображения объекта в разных ракурсах в один и тот же момент времени, системы подачи рентгеновских импульсов источников могут быть синхронизованы. Для защиты источников от осколков используется защита (позиция 5 фиг.).

Источник жесткого тормозного излучения с граничной энергией ~ 70МэВ (им может быть БИМ 234.3000) обладает узкой направленностью тормозного излучения. Благодаря этому может быть просвечена область с большой оптической плотностью - это может быть внутренняя полость соленоида, имеющая небольшие угловые размеры. При просвечивании перпендикулярно оси это позволяет просвечивать объекты с оптической плотностью, в частности, до 240 г/см². Угол, в котором заключена практически вся энергия излучения составляет ~2° Источник мягкого рентгеновского излучения - им может быть установка СТРАУС-Р, имеет граничную энергию ~3МэВ. Угол, в котором излучается энергия, составляет ~45°. Это позволяет «просветить» оптически менее плотные части объекта (до 100 г/см² ), расположенные на периферии и имеющие большие угловые размеры. Система регистрации рентгеновского изображения обеспечивает получение изображения независимо для каждого из энергетических диапазонов. Объединение изображений дает представление о состоянии различных областей объекта на один момент времени либо при конкретной разновременности.

Работа установки осуществляется следующим образом. Предварительно, в зависимости от оптической разноплотности объекта подбирают энергетические спектральные диапазоны излучения от основного и дополнительного источников, исходя из заявленного условия. Далее проводят юстировку объекта исследования, например, используя лазерную технику. Облучение объекта исследования производят в пределах длительности регистрируемого процесса при существенно меньшем времени длительности импульса независимо рентгеновским излучением различных вышеприведенных энергетических диапазонов путем включения источников (позиции 1, 2 фиг.) Облучение производят, в частности, в заданной последовательности или одновременно. Регистрируют изображения в каждом из энергетических диапазонов посредством системы регистрации (позиция 7 фиг.). Итоговая информация объединяет изображения объекта исследования (позиция 6 фиг.), отражая состояние происходящего быстропротекающего процесса.

В результате реализации устройства получено изображение быстропротекающего процесса в оптически неоднородном объекте исследования, а именно, обеспечено просвечивание объекта с значительным перепадом оптических толщин (более чем в 2 раза) в направлении рентгенографирования, при этом в одном эксперименте получено более (как минимум в 2 раза) качественное разрешение участков объекта с малым различием контраста по областям, что повышает информативность исследований быстропротекающего процесса.

1. Рентгеновская установка для получения изображения быстропротекающего процесса в оптически неоднородном объекте исследования, содержащая основной источник рентгеновского излучения, обеспечивающий формирование импульса излучения длительностью, существенно меньшей длительности регистрируемого процесса в энергетическом спектральном диапазоне, заданном в соответствии с оптической плотностью более плотной области объекта исследований, а также расположенную за объектом исследования напротив основного источника систему регистрации изображения, отличающаяся тем, что установка дополнена, по меньшей мере, одним добавочным источником рентгеновского излучения с отличным от основного энергетическим спектральным диапазоном, различающимся с вышеназванным как минимум на порядок по граничной энергии, заданным в соответствии с оптической плотностью менее плотной области объекта исследования, напротив добавочного источника излучения за объектом исследования установлена соответствующая ему система регистрации, при этом добавочный источник пространственно разнесен с основным с обеспечением возможности получения изображения в отличном от основного ракурсе без перекрытия энергетических диапазонов излучения от источников.

2. Рентгеновская установка по п.1, отличающаяся тем, что установка снабжена системой синхронизации источников излучения.

3. Рентгеновская установка по п.1, отличающаяся тем, что источники излучения снабжены коллиматорами.