автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование методов и средств неинвазивного измерения напряжения генерирования тормозного излучения

На правах рукописи

МУСЛИМОВ Дмитрий Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕИИВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ТОРМОЗНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.11.10 Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 СЕН 2011

Москва 2011

4852482

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Лелюхин Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Владимиров Лев Владимирович

кандидат технических наук Плаутин Олег Николаевич

Санкт-Петербургский государственный Ведущая организация электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Защита состоится 21 сентября 2011г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 208.001.01 при Федеральном государственном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники» Росздравнадзора по адресу: 129301, г. Москва, ул. Касаткина, 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ «ВНИИИМТ» Росздравнадзора.

Автореферат разослан «_» августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена развитию методов и средств неин-вазивного контроля параметров рентгеновских излучателей, в частности, разработке радиационных способов измерения практического пикового напряжения по кривым затухания тормозного излучения, формируемым в линейном дискретном полупроводниковом детекторе.

Актуальность проблемы разработки и исследования новых радиационных методов и средств контроля параметров рентгеновских излучателей обусловлена отсутствием прямых методов измерения практического пикового напряжения, отвечающих требованиям физической воспроизводимости методики измерений в независимости от величины пульсаций потенциала анода.

Контроль параметров рентгеновских аппаратов является необходимым условием нормального функционирования отделений лучевой диагностики лечебно-профилактических учреждений. Нахождение контролируемых параметров в пределах установленных норм, является гарантией обеспечения радиационной безопасности при проведении рентгенологических исследований. Точность выполнения «уставок» анодного напряжения при заданной суммарной фильтрации предопределяет как качество рентгеновских изображений, так и величину дозовой нагрузки на пациента. Условия эксплуатации рентгеновского оборудования требуют, чтобы текущий контроль осуществлялся неинвазивно, т.е. без непосредственного вмешательства в электрическую схему аппарата. Новый стандарт на дозиметрические приборы, используемые для неинвазивного измерения напряжения па рентгеновской трубке в диагностической радиологии, предусматривает, что все вновь разрабатываемые средства контроля должны обеспечивать возможность измерения практического пикового напряжения (РРУ). Однако в стандарте прописана методика косвенных измерений РРУ, требующая, по сути, восстановления формы волны анодного напряжения, действующего за время экспозиции. Поскольку всегда существуют пороги запуска, определяемые текущим значением мощ-

ности дозы, то, как правило, регистрируется не весь рентгеновский импульс, а только его часть. Последнее приводит к занижению данных и к появлению ненормируемой ошибки измерений, зависящей от формы кривой анодного напряжения.

Добиться снижения погрешности можно путем разработки новых радиационных методов прямых измерений практического пикового напряжения. Одним из возможных вариантов прямого измерения PPV могут стать методы определения параметров рентгеновского пучка но кривым абсорбции (затухания) излучения в веществе полупроводникового детектора.

Теоретической и методологической основой исследований по тематике диссертационной работы послужили труды ведущих отечественных ученых и специалистов в области рентгеновского приборостроения — Н.Н. Блинова, Б.И. Леонова, В.В. Клюева, JI.B. Владимирова, М.И. Зеликмана и ряда других.

Вопросы радиационного измерения анодного напряжения рентгено-спектральным методом рассматривались в статьях И.П. Зубкова, Б.Г. Потапова, В.Н. Васильева и Ю.В. Ларчикова.

Задача определения анодного напряжения по соотношению интенсив-ностей тормозного излучения, ослабленного заданными фильтрами, решалась в работах Н.Н. Блинова, Г.И. Бердякова, Т.В. Даниленко. Результатом этих изысканий стало создание единственного отечественного радиационного киловольтметра, внесенного в реестр средств измерений РФ.

Понятие практического пикового напряжения и методика его измерения были предложены зарубежными исследователями, такими как: Kramer Н.-М., Selbach H.-J, lies W.J. Baorong Y., Lange B.

В трудах Ramires-Jimcnez FJ, Lopez-Callejas R, Benitez-Read JS, Pacheco-Sotelo JO. Ricardo Andrade Terini, Maria da Penha Albuquerque Potiens, Silvio Bruni Herdade, Marco Aurelio Guedes Pereira, Joao dos Santos Justo Pires, Heber Simoes Videira рассматривались проблемы метрологического обеспечения процесса измерения практического пикового напряжения.

Анализ литературных источников выявил, что проблема поиска прямого радиационного метода измерения практического пикового напряжения по кривым затухания тормозного излучения в веществе полупроводникового детектора, удовлетворяющего требованиям простоты технической реализации методики измерений в условиях лечебно-профилактического учреждения, ставится впервые. Приборы, способные неинвазивно измерять PPV, выпускают только крупные мировые корпорации, такие как: Fluke Corporation, США; PTW-Freiburg, Германия; Radcal Corporation, США. Номенклатура средств измерения PPV ограничена четырьмя типами приборов. В реестр средств измерения РФ внесены два типа приборов, измеряющих PPV. Причем, все известные неинвазивные киловольтметры реализуют двухэнергети-ческий метод косвенных измерений PPV.

Целью работы являлась разработка и экспериментальное исследование методов неинвазивного измерения практического пикового напряжения но кривым затухания тормозного излучения в веществе линейного дискретного полупроводникового детектора.

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи.

1. Подготовить обзор современных радиационных методов и средств определения параметров и характеристик рентгеновского пучка и обосновать целесообразность поиска методов измерения PPV по кривым абсорбции тормозного излучения.

2. Разработать способ формирования абсорбционных кривых и провести экспериментальное исследование характера затухания тормозного излучения в линейном дискретном GaAs детекторе (GaAs детекторе). Выполнить обработку экспериментальных данных и оценить влияние величины анодного напряжения и дополнительной фильтрации на скорость затухания излучения.

3. Разработать метод измерения PPV по скорости затухания тормозного излучения в веществе GaAs детектора. Создать математическую модель аб-

сорбционного киловольтметра, включающего математическое описание рентгеновской трубки, генераторного устройства, фильтра и приемника излучения. Исследовать влияние формы кривой анодного напряжения на результаты измерения РРУ по скорости затухания излучения при различной дополнительной фильтрации.

4. Рассмотреть проблему восстановления спектра тормозного излучения по кривой затухания в СаАв детекторе и разработать метод нахождения практического пикового напряжения по восстановленным спектральным распределениям.

5. Выполнить экспериментальное исследование предложенных методов измерения РРУ при различных условиях генерации тормозного излучения.

В ходе решения поставленных задач были использованы статистические методы обработки экспериментальных данных; методы имитационного моделирования с применением системы математического моделирования МаШСАЦ методы решения обратных некорректно поставленных задач.

Научная новизна исследований и практическая значимость работы состоят в следующем:

- предложен способ формирования абсорбционных кривых по сигналам, считанным с линейного дискретного ваАв детектора, расположенного по отношению к рентгеновскому пучку таким образом, что каждый предыдущий канал детектирования является фильтром для последующего;

- показано, что скорость затухания тормозного излучения в веществе ваЛв детектора может служить критерием для оценки напряжения генерирования; выявлена линейная связь между эффективной энергией тормозного пучка и амплитудным значением приложенного анодного напряжения.

- предложен новый метод прямых радиационных измерений РРУ, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе ОаАв детектора и в расчете скорости затухания, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики.

- создана математическая модель абсорбционного киловольтметра и

проведено исследование влияния формы кривой анодного напряжения и суммарной фильтрации излучения на результаты измерения РРУ; показано, что увеличение пульсации анодного напряжения фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации рентгеновского пучка;

- в развитие ранее известного способа восстановления спектральных распределений методом минимизации направленного расхождения разработана методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым, регистрируемым СаАз детектором;

- предложено определять РРУ по величине контрастно-эквивалентного напряжения (СЕУ), рассчитанного по восстановленным спектральным распределениям;

- создан комплекс программных модулей «БрейЯау», позволяющий осуществлять расчет рентгеновских систем в среде математического пакета МаЛСАО.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ формирования абсорбционной кривой и результаты экспериментального исследования характера затухания тормозного излучения в веществе ваЛя детектора. Установлено:

- скорость затухания излучения, найденная как угловой коэффициент касательной к абсорбционной кривой на ее начальном участке, плавно уменьшается при увеличении приложенного анодного напряжения и может служить критерием для оценки РРУ;

- в условиях проведенного эксперимента эффективная энергия рентгеновского пучка, рассчитанная по величине скорости затухания излучения, линейно возрастает с ростом анодного напряжения;

- отклонение экспериментальных значений эффективной энергии от значений наиболее вероятной энергии, рассчитанной по спектрам пропускания, не превышает 4%.

2. Метод определения РРУ по скорости затухания тормозного излучения в веществе СаАв детектора, рассчитанной на начальном участке аб-

сорбционной кривой.

3. Математическая модель абсорбционного киловольтметра и результаты сопоставления инвазивных и неинвазивных измерений практического пикового напряжения. Выявлено:

- увеличение пульсации анодного напряжения приводит к росту скорости затухания излучения и фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации;

- в диапазоне анодных напряжений при пульсациях до 15% различия в значениях инвазивных и неинвазивных измерений не превышают 1%; при пульсации 100% отклонения достигают 7%.

4. Метод определения PPV по восстановленным спектральным распределениям, результаты расчета CEV и методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым.

5. Результаты измерения PPV и CEV по экспериментальным кривым затухания тормозного излучения, регистрируемым GaAs детектором при различных условиях генерации тормозного излучения.

Реализация работы.

Результаты работы в виде интерактивного справочника сечений взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом (SVK) и комплекса программных модулей «SpectRay» внедрены в учебный процесс кафедры проектирования и технологии радиоэлектронных средств ОГУ.

ЗАО «Уралрентген» использует разработанные методы определения практического пикового напряжения при создании прототипа абсорбционного киловольтметра для производственного контроля рентгеновских излучателей.

Апробация работы проведена на третьем Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (Москва, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2010); Международной научной конференции «Наука и образование: фунда-

ментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2010); международной конференции по биоинформатике и биомедицинской инженерии (Wuhan, China, 2011).

В целом, по материалам исследований автором подготовлено 17 печатных работ. Отдельные результаты оформлены в виде научных статей, опубликованных в журналах из «Перечня...» ВАК: «Научно-технический вестник Поволжья»; «Вестник ОГУ»; «Жизнь без опасностей».

На оригинальные решения, найденные при выполнении работы, поданы заявки на изобретения. Разработанное программное обеспечение зарегистрировано и защищено тремя свидетельствами Роспатента.

Результаты работы отмечены дипломами: Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи (Москва - 2010 г.); конкурса молодых ученых, проводимого в рамках третьего Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (Москва, МГУ им.М.В. Ломоносова - 2010 г.) и лауреата премии Губернатора Оренбургской области в сфере науки и техники за 2010 год.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка литературы из 90 наименований, 5 приложений и содержит 141 страницу основного текста, включая 67 рисунков и 24 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, показана актуальность исследования неинвазивных методов измерения практического пикового напряжения, сформулированы цели и задачи работы, определены ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе обсуждается проблема измерения напряжения генерирования тормозного излучения. На примере продемонстрировано, что используемые для характеристики анодного напряжения операционные пара-

метры: абсолютное пиковое напряжение; среднее пиковое напряжение; эффективное пиковое напряжение; практическое пиковое напряжение определяются конфигурацией кривой напряжения, действующего за время экспозиции. Причем спектральные распределения, рассчитанные при постоянных потенциалах анода, равных практическому пиковому напряжению, являются наилучшим приближением к реальным спектрам, получаемым при данной форме волны анодного напряжения.

Проведенный анализ требований стандарта на дозиметрические приборы для неинвазивного измерения напряжения генерирования выявил, что практическое пиковое напряжение можно измерить либо путем нахождения дискретного распределения вероятности появления напряжения в заданном интервале и расчета РРУ по известному алгоритму, либо путем измерения контрастно-эквивалентного напряжения, равного РРУ в широком интервале анодных напряжений.

Как оказалось, для измерения анодного напряжения обычно используется комбинация двух или более каналов детектирования, обладающих различной спектральной чувствительностью. Однако в ряде работ зарубежных авторов было показано, что расчет РРУ по восстановленной зависимости абсолютного пикового напряжения от времени приводит к появлению ненор-мируемой ошибки измерений, не удовлетворяющей требованиям стандарта. Последнее делает актуальным поиск новых методов измерения РРУ.

Во второй главе приводятся результаты экспериментального исследования характера затухания тормозного излучения в ОаАк детекторе.

Экспериментальная установка включала: частотное питающее устройство с пультом управления режимами съемки; рентгеновский излучатель; коллиматор; детекторный блок с комплектом периферии.

Формирование абсорбционных кривых осуществлялось с помощью линейного дискретного детектора, размещенного вдоль рентгеновского пучка таким образом, что каждый предыдущий канал детектирования являлся фильтром для последующего (рис.1.).

! Излучатель 1

V

I

Дсюкюр

Каная яепл ш)» «ш

Рис.1 - Схема формирования абсорбционной кривой.

В результате исследований были получены абсорбционные кривые, соответствующие различным режимам генерации тормозного излучения (рис.2).

Скорость затухания рентгеновского пучка определялась как величина тангенса угла наклона абсорбционной кривой к оси абсцисс на ее начальном участке. Зависимость скорости затухания рентгеновского пучка от напряжения на аноде рентгеновской трубки, рассчитанная по абсорбционным кривым для первых пяти микродетекторов, показана на рис.3.

1

Роп110|

РопЮО,

Роп90|

Роп80)

Роп70)

РопбО,

Роп50,

0.1

0.01

к

\ \ ■■ V \ ч V*

ч \ ^---

10

15

20

25

Рис.2 - Семейство абсорбционных кривых, соответствующих напряжениям на аноде рентгеновской трубки 50, 60, 70, 80, 90, 100 и 110 кВ. По оси абсцисс отложен номер канала детектирования, по оси ординат - десятичный логарифм приведенного к максимуму значения яркостного сигнала.

Анодное напряжение, кВ

Рис.3 - Характер изменения скорости затухания рентгеновского пучка в пределах первых пяти детекторов линейки в зависимости от потенциала анода.

Установлено, что эффективный коэффициент ослабления тормозного излучения в веществе детектора плотностью р может быть найден по формуле: и,,, =---—1п[ —-11, где я - порядковый номер канала дегектирова-

** п-р-й \ Д/, )

ния; с! - толщина канала детектирования в направлении просвечивания; Д/, -изменение интенсивности пучка в результате прохождения первого канала детектирования; А- изменение интенсивности пучка в результате прохождения п+1 каналов детектирования. Отношение Равно величине

скорости затухания пучка, определенной по абсорбционной кривой.

По величине эффективного коэффициента ослабления рассчитывалась эффективная энергия пучка, подвергшегося фильтрации в пределах нескольких микродетекторов линейки. В результате было обнаружено, что в условиях проведенного эксперимента между эффективной энергией и приложенным анодным напряжением существует линейная связь: е1фф = ОД/+ 28,9, где v -анодное напряжение, кВ. Причем значения эффективной энергии рентгеновского пучка коррелированны со значениями наиболее вероятной энергии, соответствующей максимуму в спектрах пропускания тормозного излучения.

В третьей главе представлены результаты исследований возможностей прямого радиационного метода измерения практического пикового напряжения, выполненных на математической модели абсорбционного кило-вольтметра. Суть предложенного метода измерений РРУ заключается в измерении радиационного контраста фильтров микродетекторов по сигналам с самих микродетекторов и в последующем формировании абсорбционной кривой, по наклону которой определяют скорость затухания излучения, сопоставленную значениям практического пикового напряжения посредством калибровочной характеристики.

Для имитации анодного напряжения Щг), действующего за время экспозиции г, использовалась гармоническая функция вида:

Щ0=и.-и0- 1-

, где и - заданный постоянный потенциал анода;

1/0- амплитудное значение напряжения; Т - период колебаний.

Построение абсорбционной кривой осуществлялось путем расчета приведенного к максимуму сигнала С„ в каждом из п - микродетекторов по формуле:

С =

(7 " ----- -----ГД6

кю

р(е,)сы. . массовый коэффициент ослабления арсенида галлия; - плотность арсенида галлия; ^ . толщина микродетектора; ЩЕ,иа) - спектральное распределение квантов тормозного излучения, рассчитанное по формуле Крамерса с учетом ослабления излучения в материале фильтров. Для

начального участка абсорбционной кривой после линеаризации исходных данных находился угловой коэффициент аппроксимирующей прямой, отождествляемый со скоростью затухания излучения.

Исследование влияния суммарной фильтрации излучения на скорость затухания излучения в зависимости от потенциала анода и величины пульса-

ций напряжения показало, что увеличение фильтрации приводит к быстрому снижению скорости затухания, а увеличение пульсаций проявляется как уменьшение дополнительной фильтрации излучения.

Сопоставление результатов инвазивного и неинвазивного измерений РРУ, выполненных с помощью математической модели абсорбционного ки-ловольтметра, выявило, что при пульсациях до 15% отклонения в результатах измерений не превышают 1%.

Показано, что калибровка абсорбционного киловольтметра может быть осуществлена одновременно по двум параметрам - постоянному потенциалу анода и толщине эквивалентного алюминиевого фильтра. В этом случае отклонение результатов измерения практического пикового напряжения по скорости затухания излучения от результатов инвазивного измерения составляет в среднем 6 %.

Четвертая глава посвящена решению проблемы определения РРУ путем восстановления спектральных распределений по кривым затухания тормозного излучения в веществе линейного дискретного детектора и расчета контрастно-эквивалентного напряжения.

Задача восстановления спектрального состава излучения по сигналам с «идентичных» микродетекторов, имеющих различную эффективность регистрации, определяемую пространственным положением микродетектора в линейке, может быть сведена к решению системы линейных алгебраических уравнений вида: 5 Я = где 5 - нормированная квантовая эффективность регистрации (чувствительность) п - микродетекторов на каждой из т - выделенных спектральных линий шириной Д£; лг = (лг1,лг,...лг„|)г - вектор энергий квантов, воздействующих на линейку микродетекторов; 1 = (/,,/2..., 1„У -вектор сигналов, считанных с каждого из п - микродетекторов. Как было показано, записанная система уравнений является системой со стохастической матрицей и для ее решения применим известный метод минимизации направленного расхождения. Суть метода сводится к сравнению двух макросо-

стояний системы ц и /л, заданных векторами ..!>„) и

1'щ.г =(511,5|:,...5„„), характеризующими соответственно апостериорную вероятность абсорбции квантов , отражающую сигнал, считанный с каждого микродетектора, и априорную вероятность 5й=РЛ-а - определяющую вероятность эффективного поглощения квантов в микродетекторах.

Согласно С. Кульбаку, при сравнении макросостояний и, и ц, средняя информация в пользу распределения л против распределения /и в смысле

наименьшего направленного расхождения определяется выражением: " р

^ = .*"*"''' > что после подстановки вероятностей приводит к урав-

Ур

¿-¡"Га

нению:

Ум

, которое можно трактовать как количество ин-

формации Iц(а) о системе, полученное в результате регистрации кривой затухания тормозного излучения: 1„(а) = Ща)-Н1,(а), где Я(а) = £/>. 1п/>;

¿=1

= Поскольку детектором регистрируются не все кван-

ты, формирующие пучок, а только часть, то минимизирующий функционал направленного расхождения с учетом нормировки может быть записан в ви-

5>1п

де: J =.

ЕМ

¡■1_;

II

. Требование максимума энтропии при регистрации

кривой затухания сводится к поиску минимума функционала с = = -»пап, что приводит к итерационному процессу по-

н

I ^

следовательпых приближений вида: -„-—-, где ак - вероят-

н

ность появления в спектре тормозного излучения квантов с энергией ек.

Описанная методика восстановления спектральных распределений была реализована в среде математического пакета МаШСАО. На рис. 4 представлены спектральные распределения, рассчитанные при амплитудном значении анодного напряжения 120 кВ.

Исходные данные к расчету: толщина микродетекторов - 40 мкм; число микродетекторов в линейке - 20; фильтрация в материале анода - 5 мкм IV; эквивалентная фильтрация для начального приближения - 0,5 мм А1; суммарная эквивалентная фильтрация - 3 мм А1.

Рис. 4 - Спектральные распределения: исходное а(е), рассчитанное при пульсации анодного напряжения 100%; исходное /3(е), рассчитанное при постоянном анодном напряжении; 3(е) - восстановленное по абсорбционной кривой при пульсации анодного напряжения 100%. По оси абсцисс отложена энергия квантов, кэВ; по оси ординат - приведенная к максимуму интенсивность спектральной линии.

Погрешность восстановления спектральных распределений рассчиты-\\а(Е)-6(Е)\<1Е

валась по формуле: ,,-, где а(Е) - исходный (расчетный)

|а(Е)с1Е

спектр излучения рентгеновской трубки с учетом фильтрации; 3(Е) - восстановленный спектр.

Для оценки влияния режимов генерации на достоверность восстановления спектральных распределений был выполнен расчет спектров при различных постоянных напряжениях на рентгеновской трубке и различной суммарной фильтрации излучения. В результате было выявлено, что погрешность восстановления спектральных распределений уменьшается при увеличении суммарной фильтрации излучения и увеличении анодного напряжения (рис. 5). Причем с уменьшением толщины микродетекторов достоверность восстановления спектров повышается.

Рис. 5. - Характер изменения погрешности восстановления тормозных спектров в диапазоне анодных напряжений при различной суммарной фильтрации излучения.

Суть метода измерения практического пикового напряжения по восстановленным спектральным распределениям сводится к следующему: по сигналам с линейного дискретного детектора формируется кривая затухания тормозного излучения в веществе детектора; затем методом минимизации направленного расхождения восстанавливается спектральный состав излучения и рассчитывается радиационный контраст фантома, для которого предварительно построена зависимость радиационного контраста от постоянного потенциала анода; далее по калибровочной кривой находится контрастно-эквивалентное напряжение, значение которого отождествляется со значением практического пикового напряжения при данных условиях генерации тормозного излучения.

Результаты расчетов показали, что величины контрастно-эквивалентного напряжения, определенные по восстановленным спектральным распределениям, отличаются от значений практического пикового напряжения не более чем на 6%.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования, выполненного на четырех типах рентгеновских аппаратов (А1, А2, АЗ, А4), имеющих различные схемы питания рентгеновской трубки.

С помощью СаАв детектора регистрировались кривые затухания излучения при различных «уставках» анодного напряжения. Дополнительно осуществлялся контроль эффективного анодного напряжения (и^) посредством неинвазивного киловольтметра УКРЭХ. Калибровка системы производилась по аппарату А4 со среднечастотной схемой питания, имеющему форму рентгеновского импульса, близкую к прямоугольной.

Для регистрируемых абсорбционных кривых определялась скорость затухания излучения и по калибровочной кривой находились значения РРУ. Величина СЕУ рассчитывалась по восстановленным спектральным распределениям.

В результате было установлено, что для аппарата АЗ, оборудованного высокочастотным питающим устройством, найденное по предложенной ме-

тодике PPV и измеренное с помощью УКРЭХ и,фф в диапазоне анодных напряжений отличаются в среднем па 2,3%.

Для аппарата AI с двухполупериодной мостовой схемой питания и для аппарата А2 с высокочастотным питающим устройством моноблочного типа, откалиброванного по эффективному напряжению, наблюдался «завал» PPV при «уставках» выше 80 кВ. Причем среднее по диапазону отклонение PPV от иэфф достигало уже 10,3 %.

Среднее отклонение значений CEV, рассчитанных по восстановленным спектральным распределениям, от значений PPV, найденных по скорости затухания излучения, составило от 2,5 до 5,5% в зависимости от схемы питания рентгеновской трубки.

В целом, экспериментальное исследование показало, что разработанные методы измерения PPV по скорости затухания излучения и CEV по восстановленным спектральным распределениям, являются взаимодополняющими и позволяют осуществлять контроль анодного напряжения рентгеновских аппаратов с различными типами питающих устройств.

В заключении перечислены основные результаты, достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы, и сформулированы выводы, подытоживающие проведенные исследования.

В приложения вынесены: листинг программы восстановления спектральных распределений; копии свидетельств о регистрации на модули комплекса «SpectRay» и интерактивный справочник «SVK».

Основополагающие результаты диссертационной работы получены в рамках выполнения госбюджетной НИР «Разработка и исследование рентгеновской спектрозональной информационно-измерительной системы», номер гос. регистрации № 01201002547, при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-02-16017-моб_з_рос).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе подготовки диссертационной работы создана экспериментальная установка для регистрации кривых затухания тормозного излучения, осуществлено опытное исследование ее характеристик и разработаны методы обработки экспериментальных данных, обеспечивающие в совокупности возможность измерения параметров рентгеновского пучка.

Предложенные методы измерения могут стать основой для опытно-конструкторской разработки отечественного неинвазивного абсорбционного киловольтметра, отличающегося возможностью осуществления прямых радиационных измерений РРУ. Этот вывод подтверждается следующими результатами, достигнутыми в ходе решения задач диссертационной работы:

1. Предложен способ формирования абсорбционных кривых по сигналам, считанным с линейного дискретного СаАя детектора, расположенного по отношению к рентгеновскому пучку таким образом, что каждый предыдущий канал детектирования является фильтром для последующего.

2. Экспериментально показано, что скорость затухания тормозного излучения может являться критерием для оценки напряжения генерирования тормозного излучения.

3. Разработан метод прямого неинвазивного измерения РРУ и эквивалентной суммарной фильтрации, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе СаАв детектора и расчете скорости затухания, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики.

4. Создана математическая модель абсорбционного киловольтметра и проведено исследование влияния формы кривой анодного напряжения и суммарной фильтрации излучения на результаты измерения РРУ. Показано, что увеличение пульсации анодного напряжения фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации рентгеновского пучка.

5. В развитие ранее известного способа восстановления спектральных распределений методом минимизации направленного расхождения разработана методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым, регистрируемым GaAs детектором.

6. Предложено находить PPV по величине контрастно-эквивалентного напряжения, рассчитанного по восстановленным спектральным распределениям.

7. Возможность практического использования предложенных методов определения PPV подтверждена воспроизводимостью методик измерений на разных моделях рентгеновских аппаратов и сопоставлением опытных данных с показаниями аттестованного киловольтметра УКРЭХ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях из «Перечня...» ВАК:

1. Муслимов Д.А, Карягин М.А., Лелюхин A.C. Сравнение результатов измерения практического пикового напряжения при различных условиях генерации рентгеновского излучения // Научно-технический вестник Поволжья.-2011,-№3. -С. 128-131.

2. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. К вопросу о контроле выходных параметров рентгеновских излучателей //Вестник ОГУ. - 2011,- №1. - С. 197-202.

3. Лелюхин A.C., Муслимов Д.А. Исследование дискретной линейки микродетекторов для рентгеновской остеоденситометрии //Жизнь без опасностей. Здоровье. Профилактика. Долголетие. -2010. - №3. _ с. 98-102.

В прочих изданиях:

4. Muslimov D.A., Lelyukhin A.S. New Method for Direct Non-Invasive Measurement of Practical Peak Voltage // Bioinformatics and Biomedical Engineering, (lCBBE) 2011 5th International Conference on, Digital Object Identifier 10.1109/icbbe.2011.5780474. Wuhan, China: 2011, Pages: 1 - 4.

5. Лелюхин A.C., Муслимов Д.А., Гамалей K.A. Разработка и исследование рентгеновской спектрозональной информационно-измерительной системы. Отчет НИР, депонировано ВНТИЦ per. № 02201157358 - 2011.- 44 с.

6. Муслимов Д.А,, Лелюхин A.C., Аджиева М.Д. Интерактивный справочник сечений взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом. Зарег. в УФАП ОГУ 01.02.2011; № 627. - Оренбург, 2011.

7. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. Восстановление спектра излучения рентгеновской трубки по абсорбционной кривой // Материалы III Евразий-

ского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010». Сб. материалов. Том 2. - М., 2010. - С.97-99.

8. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. Определение эффективной энергии рентгеновского пучка по скорости затухания излучения в полупроводниковом детекторе // Материалы III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010». Сб. материалов. Том 2. -М., 2010.-С.100-103.

9. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C., Козлов Д.В. Применение MathCAD для расчета массовых коэффициентов ослабления рентгеновского излучения //Материалы III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010». Сб. материалов. Том 2. - М., 2010. - С.104-107.

10. Муслимов Д.А. Комплекс программных модулей «SpectRay» для исследования процессов трансформации спектрального состава тормозного рентгеновского излучения // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве». Тезисы докладов. Нижний Новгород, 2010. - С.9-10.

11. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. Исследование влияния формы волны анодного напряжения на скорость затухания излучения в GaAs - детекторе //Международная научная конференция «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации». Сб. материалов. Том 5. - Оренбург, 2010,-С. 318 - 323.

12. Муслимов Д.А., Гамалей К.А., Лелюхин A.C. Исследование прямого радиационного метода измерения практического пикового напряжения на модели абсорбционного киловольтмстра // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике. Материалы IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург: ООО «КОМУС», 2010.- С. 234-238.

13. Корнев Е.А., Муслимов Д.А., Аджиева М.Д., Лелюхин A.C. К вопросу о статистическом толковании понятия эффективной энергии рентгеновского пучка // Материалы III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010». Сб. материалов. Том 5. - М., 2010. - С.26-28.

14. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. "Программа расчета приведенного спектра рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом". Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613534 от 28.05.2010. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, Россия.

15. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. "Программа расчета скорости затухания рентгеновского излучения в веществе полупроводникового детектора". Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №

2010613531 от 28.05.2010. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Россия.

16. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. "Модуль для расчета сечений взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом". Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613532 от 28.05.2010. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Россия.

17. Муслимов Д.А., Гамалей К.А., Козлов Д.В. К вопросу о разработке методики определения массовой доли серы в сырой нефти по величине абсорбции рентгеновского излучения // Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике». Сб. материалов. - Оренбург, 2009. - С. 310-315.

Подписано в печать 8.08.2011. Формат 60x84 '/,s. Бумага писчая. Усл. печ. листов 1,0. Тираж 100. Заказ 391.

Печатный салон «Онлайн» 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 18.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ АНОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

1.1 Операционные параметры, применяемые для характеристики анодного напряжения.

1.2 Анализ требований стандарта к приборам для неинвазивного контроля анодного напряжения.

1.3 Современные средства неинвазивного измерения анодного напряжения.

1.4 Двухэнергетический метод измерения напряжения генерирования тормозного излучения.

1.5 Постановка проблемы исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ЗАТУХАНИЯ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЛИНЕЙКЕ ДЕТЕКТОРОВ.

2.1 Качественные характеристики рентгеновского пучка.

2.2 Описание экспериментальной установки.

2.3 Методика выполнения экспериментального исследования.

2.4 Анализ экспериментальных данных.

2.5 Расчет наиболее вероятной энергии в спектрах тормозного излучения.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОГО РАДИАЦИОННОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПИКОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА МОДЕЛИ АБСОРБЦИОННОГО КИЛОВОЛЬТМЕТРА.

3.1 Обоснование задачи разработки математической модели абсорбционного киловольтметра.

3.2 Комплекс программных модулей «Зре^Яау» для исследования процессов трансформации спектрального состава тормозного излучения.

3.3 Исследование влияния формы волны анодного напряжения на скорость затухания излучения в ОаАз — детекторе.

3.4 Исследование влияния суммарной фильтрации излучения на результаты прямых измерений практического пикового напряжения—

3.5 Расчет калибровочной поверхности и сопоставление результатов инвазивных и неинвазивных измерений практического пикового напряжения.

ГЛАВА 4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ ПО АБСОРБЦИОННОЙ КРИВОЙ И РАСЧЕТ КОНТРАСТНО-ЭКВИВАЛЕНТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

4.1 Методика восстановления спектра тормозного излучения по абсорбционной кривой.

4.2 Решение задачи восстановления спектра при априорно известной информации о форме спектрального распределения.

4.3 Применение метода минимизации направленного расхождения для восстановления спектра тормозного излучения.

4.4 Расчет контрастно-эквивалентного напряжения.

ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ПИКОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ.

5.1 Результаты измерения практического пикового напряжения при различных условиях генерации излучения.

5.2 Результаты восстановления спектральных распределений по реальным абсорбционным кривым.

Контроль параметров рентгеновских аппаратов является необходимым условием нормального функционирования отделений лучевой диагностики лечебно-профилактических учреждений. Нахождение контролируемых параметров в пределах норм, устанавливаемых техническим регламентом, является гарантией обеспечения радиационной безопасности при проведении рентгенологических исследований. Точность выполнения «уставок» анодного напряжения при заданной суммарной фильтрации предопределяет как качество рентгеновских изображений, так и величину дозовой нагрузки на пациента. Условия эксплуатации рентгеновского оборудования требуют, чтобы текущий контроль осуществлялся неинвазивно, т.е. без непосредственного вмешательства в электрическую схему аппарата. Новый стандарт на дозиметрические приборы, используемые для неинвазивного измерения напряжения на рентгеновской трубке в диагностической радиологии [18], предусматривает, что все вновь разрабатываемые средства контроля должны обеспечивать возможность измерения практического пикового напряжения (РРУ). Однако в стандарте прописана методика косвенных измерений РРУ, требующая, по сути, восстановления формы волны анодного напряжения, действующего за время экспозиции. Поскольку всегда существуют пороги запуска, определяемые текущим значением мощности дозы, то, как правило, регистрируется не весь рентгеновский импульс, а только его часть. Последнее приводит к занижению данных и к появлению ненормируемой систематической ошибки измерений, зависящей от формы кривой анодного напряжения [19-21].

Добиться снижения погрешности можно путем разработки нового радиационного метода прямых измерений практического пикового напряжения. Одним из возможных вариантов прямого измерения РРУ может г стать метод определения параметров рентгеновского пучка по кривым абсорбции излучения в веществе тестового фильтра.

Актуальность проблемы разработки и исследования новых радиационных методов и средств контроля параметров рентгеновских аппаратов обусловлена отсутствием прямых методов измерения практического пикового напряжения, отвечающих требованиям физической воспроизводимости методики измерений в независимости от величины пульсаций потенциала анода.

Объектом исследований диссертационной работы являлись методы и средства неинвазивного измерения напряжения генерирования тормозного излучения.

Непосредственным предметом исследований, описанных в работе, был новый радиационный метод измерения практического пикового напряжения, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе полупроводникового детектора и в последующем расчете скорости затухания излучения, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики или расчете контрастно-эквивалентного напряжения по восстановленному спектру излучения.

Целью работы являлась разработка и экспериментальное исследование методов неинвазивного измерения практического пикового напряжения по кривым затухания тормозного излучения в веществе линейного дискретного полупроводникового детектора.

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи.

1. Подготовить обзор современных радиационных методов и средств определения параметров и характеристик рентгеновского пучка и обосновать целесообразность поиска методов измерения PPV по кривым абсорбции тормозного излучения.

2. Разработать способ формирования абсорбционных кривых и провести экспериментальное исследование характера затухания тормозного излучения в линейном дискретном GaAs детекторе (GaAs детекторе). Выполнить обработку экспериментальных данных и оценить влияние величины анодного напряжения и дополнительной фильтрации на скорость затухания излучения.

3. Разработать метод измерения PPV по скорости затухания тормозного излучения в веществе GaAs детектора. Создать математическую модель абсорбционного киловольтметра, включающего математическое описание рентгеновской трубки, генераторного устройства, фильтра и приемника излучения. Исследовать влияние формы кривой анодного напряжения на результаты измерения PPV по скорости затухания излучения при различной дополнительной фильтрации.

4. Рассмотреть проблему восстановления спектра тормозного излучения по кривой затухания в GaAs детекторе и разработать метод нахождения практического пикового напряжения по восстановленным спектральным распределениям.

5. Выполнить экспериментальное исследование предложенных методов измерения PPV при различных условиях генерации тормозного излучения.

В ходе решения поставленных задач были использованы статистические методы обработки экспериментальных данных; методы имитационного моделирования с применением системы математического моделирования MathCAD, методы решения обратных некорректно поставленных задач.

Теоретической и методологической основой исследований послужили труды ведущих отечественных ученых и специалистов в области рентгеновского приборостроения — H.H. Блинова, Б.И. Леонова, В.В.

Клюева, JI.B. Владимирова, М.И. Зеликмана и ряда других [22-27].

Вопросы радиационного измерения анодного напряжения рентгеноспектральным методом рассматривались в статьях И.П. Зубкова, Б.Г. Потапова, В.Н. Васильева и Ю.В. Ларчикова [28-31].

Задача определения анодного напряжения по соотношению интенсивностей тормозного излучения, ослабленного заданными фильтрами, решалась в работах H.H. Блинова, Г.И. Бердякова, Т.В. Даниленко [32, 33]. Результатом этих изысканий стало создание единственного отечественного радиационного киловольтметра, внесенного в реестр средств измерений РФ [34].

Понятие практического пикового напряжения и методика его измерения были предложены зарубежными исследователями, такими как: Kramer Н.-М., Selbach H.-J, Iles W.J. Baorong Y., Lange В [35, 36].

В трудах Ramires-Jimenez FJ, Lopez-Callejas R, Benitez-Read JS, Pacheco-Sotelo JO. Ricardo Andrade Terini, Maria da Penha Albuquerque Potiens, Silvio Bruni Herdade, Marco Aurelio Guedes Pereira, Joao dos Santos Justo Pires, Heber Simoes Videira рассматривались проблемы метрологического обеспечения процесса измерения практического пикового напряжения [21, 37].

Информационную базу исследований составили работы, опубликованные в таких периодических изданиях, как: «Медицинская техника», «Медицинская физика», «Измерительная техника», «Анри», «Датчики и системы». В числе информационных источников диссертации можно выделить также зарубежные периодические издания: Br. J. Radiol; Radiol Bras, Nucí Instrum Methods, Med. Phys.

При подготовке обзора по теме работы использовались интерактивная информационная база данных Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам и открытая онлайн-версия Государственного реестра средств измерений, допущенных к использованию в Российской Федерации Всероссийского научно-исследовательского

Института Метрологической Службы.

Анализ литературных источников выявил, что проблема поиска прямого радиационного метода измерения практического пикового напряжения по кривым затухания тормозного излучения в веществе полупроводникового детектора, удовлетворяющего требованиям простоты технической реализации методики измерений в условиях лечебно-профилактического учреждения, ставится впервые. Так, приборы, способные неинвазивно измерять PPV, выпускают только крупные мировые корпорации: Fluke Corporation, США; PTW-Freiburg, Германия; Radcal Corporation, США. Номенклатура средств измерения PPY ограничена четырьмя типами приборов. В реестр средств измерения РФ внесены два типа приборов, измеряющих PPV. Причем, все известные неинвазивные киловольтметры реализуют двухэнергетический метод косвенных измерений PPV. Суть метода заключается в преобразовании полупроводниковыми детекторами энергии ионизирующих излучений в электрический сигнал в двух спектральных диапазонах, в регистрации зависимости изменения мощности дозы излучения от времени и в последующей обработке полученной зависимости по специальному алгоритму с использованием калибровочных коэффициентов.

Научная новизна исследований и практическая значимость работы состоят в следующем:

- предложен способ формирования абсорбционных кривых по сигналам, считанным с линейного GaAs детектора, расположенного по отношению к рентгеновскому пучку таким образом, что каждый предыдущий канал детектирования является фильтром для последующего;

- показано, что скорость затухания тормозного излучения в веществе GaAs детектора может служить критерием для оценки напряжения генерирования; экспериментально обнаружена линейная связь между эффективной энергией тормозного пучка и амплитудным значением приложенного анодного напряжения.

- предложен новый метод прямых радиационных измерений РРУ, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе ваАэ детектора и расчете скорости затухания, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики.

- создана математическая модель абсорбционного киловольтметра и проведено исследование влияния формы кривой анодного напряжения и суммарной фильтрации излучения на результаты измерения РРУ; показано, что увеличение пульсации анодного напряжения фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации рентгеновского пучка;

- в развитие ранее известного способа восстановления спектральных распределений методом минимизации направленного расхождения разработана методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым, регистрируемым ваАэ детектором;

- предложено определять РРУ по величине контрастно-эквивалентного напряжения, рассчитанного по восстановленным спектральным распределениям;

- создан комплекс программных модулей «8ресЖ.ау», позволяющий осуществлять расчет рентгеновских систем в среде математического пакета МаЛСАО.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ формирования абсорбционной кривой и результаты экспериментального исследования характера затухания тормозного излучения в веществе ОаАэ детектора. Установлено:

- скорость затухания излучения, найденная как угловой коэффициент касательной к абсорбционной кривой на ее начальном участке, плавно уменьшается при увеличении приложенного анодного напряжения и может служить критерием для оценки РРУ;

- в условиях проведенного эксперимента эффективная энергия рентгеновского пучка, рассчитанная по величине скорости затухания излучения, линейно возрастает с ростом анодного напряжения;

- отклонение экспериментальных значений эффективной энергии от значений наиболее вероятной энергии, рассчитанной по спектрам пропускания, не превышает 4 %.

2. Метод определения PPV по скорости затухания тормозного излучения в веществе GaAs детектора, рассчитанной на начальном участке абсорбционной кривой.

3. Математическая модель абсорбционного киловольтметра и результаты сопоставления инвазивных и неинвазивных измерений практического пикового напряжения. Выявлено:

- увеличение пульсации анодного напряжения приводит к росту скорости затухания излучения и фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации;

- в диапазоне анодных напряжений при пульсациях до 15% различия в значениях инвазивных и неинвазивных измерений не превышают 1%; при пульсации 100% отклонения достигают 7%.

4. Метод определения PPV по восстановленным спектральным распределениям, результаты расчета CEV и методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым.

5. Результаты измерения PPV и CEV по экспериментальным кривым затухания тормозного излучения, регистрируемым GaAs детектором при различных условиях генерации тормозного излучения.

Реализация работы. Результаты работы в виде интерактивного справочника сечений взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом (SVK) и комплекса программных модулей «SpectRay» внедрены в учебный процесс кафедры проектирования и технологии радиоэлектронных средств ОГУ. ЗАО «Уралрентген» использует разработанные методики определения практического пикового напряжения при создании прототипа абсорбционного киловольтметра.

Апробация работы проведена на третьем Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (Москва,

2010); Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2010); Международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2010); международной конференции по биоинформатике и биомедицинской инженерии (Wuhan, China, 2011).

В целом, по материалам исследований автором подготовлено1 17 печатных работ. Отдельные результаты оформлены в виде научных статей, опубликованных в журналах из «Перечня.» ВАК: «Научно-технический вестник Поволжья»; «Вестник ОГУ»; «Жизнь без опасностей».

На оригинальные решения, найденные при выполнении работы, поданы заявки на изобретения. Разработанное программное обеспечение зарегистрировано и защищено тремя свидетельствами Роспатента.

Результаты работы отмечены дипломами: Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи (Москва - 2010г.); конкурса молодых ученых, проводимого в рамках третьего Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (Москва, МГУ им.М.В. Ломоносова - 2010 г.) и лауреата премии Губернатора Оренбургской области в сфере науки и техники за 2010 год.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка литературы из 90 наименований, 5 приложений и содержит 141 страницу основного текста, включая 67 рисунков и 24 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе подготовки диссертационной работы создана экспериментальная установка для регистрации кривых затухания тормозного излучения, осуществлено опытное исследование ее характеристик и разработаны методы обработки экспериментальных данных, обеспечивающие в совокупности возможность измерения параметров рентгеновского пучка.

Предложенные методы измерения могут стать основой для опытно-конструкторской, разработки отечественного неинвазивного абсорбционного киловольтметра, отличающегося возможностью- осуществления прямых радиационных измерений РРУ. Этот вывод подтверждается следующими результатами, достигнутыми в ходе решения задач диссертационной работы:

1. Предложен способ формирования абсорбционных кривых по сигналам, считанным с линейного дискретного ЭаАБ детектора, расположенного по отношению к рентгеновскому пучку таким образом, что каждый предыдущий канал детектирования является фильтром для последующего.

2. Экспериментально показано, что скорость затухания тормозного излучения может являться критерием для оценки напряжения генерирования тормозного излучения.

3. Разработан метод прямого неинвазивного измерения РРУ и эквивалентной суммарной фильтрации, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе ОаАэ детектора и расчете скорости затухания, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики.

4. Создана математическая модель абсорбционного киловольтметра и проведено исследование влияния формы кривой анодного напряжения и суммарной фильтрации излучения на результаты измерения РРУ. Показано, что увеличение пульсации анодного напряжения фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации рентгеновского пучка.

5. В развитие ранее известного способа восстановления спектральных распределений методом минимизации направленного расхождения разработана методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым, регистрируемым GaAs детектором.

6. Предложено находить PPV по величине контрастно-эквивалентного напряжения, рассчитанного по восстановленным спектральным распределениям.

7. Возможность практического использования предложенных методов определения PPV подтверждена воспроизводимостью методик измерений на разных моделях рентгеновских аппаратов и сопоставлением опытных данных с показаниями аттестованного киловольтметра УКРЭХ.

В заключение, автор выражает признательность своему научному руководителю, к.т.н., доценту Лелюхину A.C. за практическую помощь в работе и полезные обсуждения результатов исследований.

Автор искренне благодарит заведующего кафедрой ПТРС ОГУ, к.ф.— м.н., доцента Корнева Е.А., и руководителя группы радиационного контроля Оренбургской областной клинической больницы Канынина В.В. за помощь, оказанную при проведении экспериментальной части работы.

1. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. Восстановление спектра излучения рентгеновской трубки по абсорбционной кривой // Материалы III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010». Сб. материалов. Том 2. М., 2010. - С.97-99.

2. Лелюхин A.C., Муслимов Д.А. Исследование дискретной линейки микродетекторов для рентгеновской остеоденситометрии //Жизнь без опасностей. Здоровье. Профилактика. Долголетие. 2010. - №3. - С. 98-102.

3. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C., Аджиева М.Д. Интерактивный справочник сечений взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом. Зарег. в УФАП ОГУ 01.02.2011; № 627. Оренбург, 2011.

4. Муслимов Д.А., Лелюхин A.C. К вопросу о контроле выходных параметров рентгеновских излучателей //Вестник ОРУ. — 2011.- №1. — С. 197202.

5. Лелюхин A.C., Муслимов Д.А., Гамалей К. А. Разработка и исследование рентгеновской спектрозональной информационно-измерительной системы. Отчет НИР, депонировано ВНТИЦ per. № 02201157358-2011.- 44 с.)

6. Муслимов Д.А., Карягин М.А., Лелюхин A.C. Сравнение результатов измерения практического пикового напряжения при различных условиях генерации рентгеновского излучения // Научно-технический вестник Поволжья. 2011.-№3.-С. 128-131 .

7. Медицинское электрическое оборудование. Дозиметрические приборы, используемые для неинвазивного измерения напряжения на рентгеновской трубке в диагностической радиологии: ГОСТ Р МЭК 61676-2006. М.: Стандартинформ, 2007.- 24 с.

8. Ramires-Jimenez FJ, Lopez-Callejas R, Benitez-Read JS, Pacheco-Sotelo

9. JO. Considerations on the measurement of practical peak voltage in diagnostic radiology, Br. J. Radiol. 77 (2004), 745-750.

10. Joao dos S. J. Pires, Marco A. G. Pereira, Ricardo A. Terini, and Maria da P. A. Potiens. Variation of the Practical Peak Voltage with the sample rate for a mammography waveform generator. International Nuclear Atlantic Conference -INAC 2007.

11. Рентгеновские диагностические аппараты. В 2-х т. Т.1 / Под ред. Н.Н. Блинова, Б.И.Леонова. - М.: ВНИИИМТ, НПО «Экран», 2001. - 220 с.

12. Рентгеновские диагностические аппараты. В 2—х т. — Т. 2 / Под ред. Н.Н. Блинова, Б.И.Леонова. М.: ВНИИИМТ, НПО «Экран», 2001. -208 с.

13. Рентгенотехника. Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В. Аертс и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с : ил.

14. Владимиров Л.В., Козлов А.А., Лыгин В.А., Рябкин А.Н. Радиационный метод определения напряжения генерирования рентгеновского излучения. Состояние и перспективы. // Медицинская техника.- 2000 №5.- С. 15-19.

15. Зубков И.П., Потапов Б.Г. Точный расчет границ измеренных спектров тормозного излучения. // Измерительная техника.- 1989 №4- С. 61-63.

16. Зубков И.П. Некоторые составляющие систематической погрешности расчета границ тормозных спектров. // Измерительная техника 1992.- №7-С. 67-69.

17. Васильев В.Н., Зубков И.П. Погрешность измерения границы тормозного спектра с учетом абсолютной калибровки шкалы. // Измерительная техника 1992 - №9.- С. 54-55.

18. Зубков И.П., Ларчиков Ю.В. Рентгеноспектральный измеритель высоких напряжений. // Измерительная техника 1993- №2 - С. 68-70.

19. Бердяков Г.И. Устройство контроля радиационных и электрических характеристик рентгеновских аппаратов УЕСРЭХ. // Медицинская техника-2002.-№5.-С. 18-21.

20. Бердяков Г.И., Блинов Н.Н. Типовой ряд радиационных киловольметров. // Медицинская техника.- 2005 №5 - С. 19-21.

21. Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств измерения РФ №22584-02, http://www.vniims.ги/.

22. Kramer Н.-М., Selbach H.-J, lies WJ. The practical peak voltage of diagnostic X-ray generators, Br. J. Radiol. 71 (1998), 200-209.

23. Baorong Y., Kramer H.-M., Selbach H.-J, Lange B. Experimental determination of practical peak voltage, Br. J. Radiol. 73 (2000), 641-649.

24. Ramires-Jimenez FJ, Lopez-Callejas R, Benitez-Read JS, Pacheco-Sotelo JO. Considerations on the measurement of practical peak voltage in diagnostic radiology, Br. J. Radiol. 77 (2004), pp. 745-750.

25. Ranallo F.N. The Noninvasive Measurement of X-Ray Tube Potential, Medical Physics Department, PhD Thesis, University of Wisconsin, (1993).

26. Dosimetry in diagnostic radiology: an international code of practice. -Vienna: International Atomic Energy Agency, 2007.

27. Всероссийский научно-исследовательский Институт Метрологической Службы, Государственный реестр средств измерений допущенных к использованию в Российской Федерации, открытая онлайн версия: http://www.vniims.ru/.

28. Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований: 2.6.1.1192-03. М.: ФЦГСЭН, 2003.- 76с.

29. Нурлыбаев К., Синников Л. Л., Ярына Д.В. Метрологическое обеспечение средств контроля электрических и радиационных параметров рентгеновских аппаратов.// Анри.- 2007.- №2.- С. 53-57.

30. Шалимов C.B. Технико-экономическое сравнение приборов для контроля РДА.// Медицинский алфавит. Радиология. 2008.-№2.- С. 6-8.

31. Владимиров Л.В., Владимиров Ю.Л., Козлов A.A. Радиационные методы контроля параметров рентгенодиагностических аппаратов. // Медицинская техника 2007 - №5 — С. 35-37.

32. Владимиров Л.В., Козлов A.A., Лыгин В.А., Рябкин А.Н. Радиационный метод определения напряжения генерирования рентгеновского излучения. Состояние и перспективы.// Медицинская техника 2000.- №5.- С. 15-19.

33. Официальный сайт компании Fluke Corporation, www.flukebiomedical.com.

34. Свидетельство о внесении в Государственный реестр средствизмерения РФ №21426-01, http://www.vniims.ru/.

35. Официальный сайт компании PTW-Freiburg, http://www.ptw.de/.

36. Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств измерения РФ №33737-07, http://www.vniims.ru/.

37. Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств измерения РФ №34724-09, http ://www. vniims .ru/.

38. Официальный сайт компании Unfors Instrument АВ, http://www.unfors.com/.

39. Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств5 измерения РФ№35046-07, http://www.vniims.ru/.

40. Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств измерения РФ №35047-07, http://www.vniims.ru/.

41. Официальный сайт компании Radcal Corporation, http://www.radcal.com/.

42. Официальный сайт компании RTI Electronics АВ, http://www.rti.se/.

43. Официальный сайт компании Gammex, Inc., http://www.gammex.com/.

44. Tominaga S. The estimation of X-ray spectral distributions from attenuation data by means of iterative computing. Nucl Instrum Methods 1982; 192:415-21.

45. Kramer H-M, von Seggern, H. The determination of X-ray spectra from attenuation data. I: the potentials of various methods. Nucl Instrum Methods 1983; 213:373-83.

46. Kramer H-M. The determination of X-ray spectra from attenuation data: II: experimental results. Nucl Instrum Methods 1983; 214:445-50.

47. Tominaga S. A singular-value decomposition approach to X-ray spectral estimation from attenuation data. Nucl Instrum Methods 1986; A243:580-86.

48. JOSEPH, P.M. Mathematical method for determining kVp from X-ray attenuation. Med. Phys., v.2, p. 201 a 207, 1975.

49. JOSEPH, P.M. Experimental test of a new method for kVp measurements. Med. Phys., v.2, p. 208 a 212, 1975.

50. Рыжиков В.Д., Ополонин О.Д., Найденов C.B., Козин Д.Н., Лисецкая Е.К., Даниленко В Л. // Исследование двухэнергетической линейки детекторов для рентгеновской остеоденситометрии. — Медицинская техника. -2005, №2.-С. 18-21.

51. Wojcik R., Majewski S. Single shot dual energy reverse geometry X-radiography //Nucl. Instr. and Meth: A 392 (1997): P. 475-478.

52. Jens Ricke,, et al., Clinical results of Csl-detector-based dual-exposure dual energy in chest radiography //Eur Radiol (2003) 13. P:2577-2582.

53. B.И.Шумского. М.: МОНИКИ. - 2008.- С.83-88.

54. Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники.- М.-Л.- «Энергия», 1966.1. C. 400!

55. Дмоховский В.В. Основы рентгенотехники. — М.: МЕДГИЗ, I960.

56. Нелипа Н.Ф. Введение в теорию многократного рассеяния частиц. М.: Атомиздат., - 1960. - С. 73.

57. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Л.: Энергоатомиздат., 1983.-С. 14.

58. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.-312с.

59. Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований: 2.6.1.1192-03.-М.: ФЦГСЭН, 2003.- 76с.

60. Robert G Ouellet и L John Schriener A parameterization of mass attenuation coefficients for elements with Z=l to Z=92 in the photon energy range from ~ 1 to 150 keV // Phys. Med. Biol., Vol. 36, No 7, 987-999.

61. XCOM: Photon Cross Sections on Personal Computer// by MJ. Berger and J.H.Hubbell/ National Bureau of Standards/1987.NBSIR 87-3597.

62. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн.2. / Под общ. ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1992. -368 с.

63. Жутяев С.Г., Смелик Г.И., Мишкинис А.Б., Мишкинис Б.Я., Чикирдин Э.Г. Спектральное распределение тормозного излучения в рентгеновских трубках с вольфрамовым анодом. // Медицинская техника 2001 - №4— С. 3-5.

64. Рыжиков В.Д., Ополонин О.Д., Найденов С.В., Козин Д.Н., Лисецкая Е.К., Даниленко В.Л. Исследование двухэнергетической линейки детекторов для рентгеновской остеоденситометрии // Медицинская техника. — 2005.-№2.- С. 18-21.

65. Wojcik R., Majewski S. Single shot dual energy reverse geometry X-radiography //Nucl. Instr. and Meth. A 392 (1997). P. 475-478.

66. Jens Ricke, et al., Clinical results of Csl-detector-based dual-exposure dual energy in chest radiography //Eur Radiol (2003) 13. P.2577-2582.

67. Ranallo F.N., The Noninvasive Measurement of X-Ray Tube Potential, Medical Physics Department, PhD Thesis, University of Wisconsin, (1993).

68. Тихонов A.H., Арсенин В .Я. Методы решения некорректных задач. -М., Наука, 1974. 224с.

69. Колесников С.В. Метод обнаружения и идентификации источников по спектрам испускаемых ими нейтронов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ. мат. наук. -М., 2001.- 134 с.

70. Корнев ЕА., Лелюхин А.С., Петрушанский М.Г. Спектрозональный рентгеновский детектор для компьютерных рентгенографических установок медицинского и промышленного назначения. Отчет НИР, депонировано ВНТИЦ per. №01200802037.- 2008.- 163 с.

71. Тараско М.З. «Об одном методе решения линейных систем со стохастическими матрицами» в книге Теребиж В.Ю. Введение в статистическую теорию обратных задач. М., ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 376 с.

72. Тараско М.З. Метод минимума направленного расхождения в задачах поиска распределений. Препринт ФЭИ № 1446. Обнинск, 1983, 16с.

73. Кульбак С. Теория информации и статистика. М., Наука, 1967.- 408 с.