автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка метода и средств реконструктивной комптоновской томографии

На правах рукописи

РГВ од

Капранов Борис Иванович. п

'О

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ КОМПТОНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы

контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 2000

Работа выполнена и на> чно-исслсловагельском инештую интроскопии Томскою политехническою университета.

На\миый консультант:

л.т.и.. профессор

Кулешов Валерий Константинович

Официальные оппоненты:

д.т.н.. профессор

Кононов Борис Александрович

л.т.и.. профессор

Воробьев Владимир Александрович л.т.и.. профессор

Горшков Вячеслав Александрович

Ведущая организация:

М11ПО "СПККТР". г. Москва.

Защита состоится " 6 диссертационно! о Совега

декабря 2000г. в ]_5 часов на заседании Л 063.80.05 при Томском политехническом

унивсрситсге по адресу: Россия. 634028. г. Томск, ул. Савиных 3. к. 309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан « 23 » октября 2000г.

Ученый секретарь диссер!анионного совета

К.В. Винок\ров

ВЛ Ц6РЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы С целью обеспечения высокого качества и надежности эксплуатации изделий в неразрушакмцем контроле осуществляется интенсивный переход от стратегии поиска и обнаружения к стратегии классификации и распознавания образов. Наличие широкого класса изделий, контроль которых возможен только в условиях одностороннего доступа, актуализировал постановку проблемы повышения информативности радиационного контроля с использованием обратно рассеянного рентгеновского и гамма-излучения, базовой областью которой является комптоновская томография.

В настоящее время, в связи с достижениями трансмиссионной томографии и переходом к проектированию и эксплуатации средств неразрушшощего контроля нового поколения в комптоновской томографии для полной реализации ее потенциальных возможностей все больше ощущается недостаток моделей, описывающих закономерности формирования радиационного сигнала (потока однократно - рассеянного излучения) в детекторе в процессе перемещения системы источник - детектор относительно объекта (сканирования). Это можно объяснить, прежде всего, неоправданным упрощением математического аппарата, используемого для описания процессов сканирования. Например, по отношению к неоднородностям, размеры которых превышают размеры рассеивающего объема возникла необходимость постановки задач, связанных с операциями определения положения границ неоднородностей и измерения их размеров. По отношению к неоднородностям размеры которых малы по сравнению с рассеивающим объемом - необходимость определить их плотность по интегральному сигналу из всего рассеивающего объема. В коррекции нуждаются и подходы к построению аппаратных и программных средств. Так стремление добиться увеличения разрешающей способности за счет уменьшения размеров зондирующих пучков оказывается бесперспективным при переходе к значениям пространственного разрешения порядка 0,1мм из-за уменьшения до исчезающе малых величин количества однократно рассеянных квантов, попавших в детектор и, следовательно, увеличении до недопустимого уровня статистической погрешности экспериментальных данных. Сдерживающим фактором является отсутствие математической модели сканирования, методик экспериментального измерения пространственной функции эффективности сканирующей системы, методов коррекции ослабления первичных и рассеянных пучков, учета вклада многократного рассеянных квантов.

Предложенные в работе модели сканирования, пригодные для адекватного описания реальных физических процессов, позволили сформулировать требования к аппаратным и программным средствам, предназначенным для реализации метода высокоразрешающей комптоновской томографии. Тем самым были созданы физические предпосылки и подготовлена техническая база для повышения информационной способности комптоновской томографии, решения задач математической реконструкции распределения плотности в объекте по интегральным альбедным данным.

Систематизация и критический анализ материалов, сопоставимых по тематике с исследованиями автора, проведена на основании работ отечественных и зарубежных авторов: Андрюшин И.Ф.. Андреев М.Д.. Архипов Г.А., Булатов Б.П., Бартошко В.А., Бронников А., Вайнберг Э.И., Варга В.В., Воробьев В.А., Горшков В.А., Гусев Н.Г., Горбунов В.И., Гусев Е.А., Забродский В.А., Карпельсон А.Е., Клюев В.В., Маклашевский В.Я., Мякинькова JI.B., Недавний О.И., Преображенский Н.Г., Пронин С., Стародубцев C.B., Толпина С П., Филинов

В.Н., Чслядин A.M., Шаверин В.А., Хермен Г., Бейтс Р., Кренинг М., Майлз М., Bridge В., Berodias G., Battista J.J., Clarke R., Costelio D.G., Gautam S.R., Garnett E.S., Guzzardi G., Harding G., Jacobs A.M., Kosanetzky J., Laie P.G., Roye V/., Strecker H., Тichler J. и др.

Предмет исследования. В диссертации изучаются закономерности формирования радиационного сигнала, создаваемого комптоновски рассеянными в заднее полупространство квантами, при перемещении системы коллимированный источник - коллимированный детектор относительно объекта контроля (при сканировании объекта контроля) и основанные на этом методы повышения пространственной и плотностной разрешающей способности комптоновской томографии. Условия повышения характеристик комптоновской томографии исследуются применительно к материалам с атомным номером до Z=24, плотностью до 2,7г/см' и в диапазоне энергий до ЮООкэВ. Превалирование в этих материалах и при этих энергиях комптоновского рассеяния, линейная связь сечения рассеяния с электронной, а следовательно, и с объемной плотностью материала, достаточная для измерения интенсивность потоков излучения, рассеянного в пределах зоны пересечения первичного пучка и зоны чувствительности детектора (рассеивающего объема - РО) конечных размеров создают предпосылки для решения проблемы реконструкции распределения плотности с разрешением порядка 0,1мм при размерах РОдо 50 мм3.

Целью работы являлось создание физико-математических предпосылок, обосновывающих возможность получения дополнительной информации о детальной структуре контролируемого изделия по интегральным альбедным данным, создание методов и аппаратно-программного комплекса, а также их реализация на базе современных достижений трансмиссионной томографии при разработке нового поколения методов и средств комптоновской томографии.

Методы исследования. Используемый в диссертации математический аппарат включает элементы математической физики, математического анализа, теории случайных процессов, численных методов решения обратных задач. Численные эксперименты осуществлены на базе вычислительной техники широкого применения. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании общего и специального назначения, включая оригинальные разработки.

Достоверность результатов работы обеспечивается применением апробированных математических моделей, использованием строгих и корректно обоснованных приближенных методов решения поставленных задач, точностью математических преобразований, применением математически обоснованных численных методов при решении или исследовании полученных решений. Разработка структурных и принципиальных схем специализированных блоков выполнена с соблюдением всех требований и правил схемотехники. Проверка правильности результатов аналитических расчетов и вычислительных операций контролировалась выполнением принципа взаимности и закона сохранения энергии и сопоставлением с экспериментальными данными и с выражениями и зависимостями, известными ранее или по данным других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Применительно к апьбедной комптоновской томографии определены пространственно-энергетические характеристики полей фотонного излучения в контролируемой среде, выявлены информативные признаки и разработаны алгоритмы, необходимые для реализации принципа реконструкции изображения внутренней структуры объекта при одностороннем доступе к его поверхности.

2. Разработан метод реконструкции исходного распределения плотности в

объекте по набору интегральных альбедных данных, обеспечивающий пространственное разрешение примерно в 20 раз меньше размеров рассеивающего объема.

3. Изучены закономерности, получены математические соотношения, описывающие поведение пространственной точечной функции эффективности коллимационной системы (апертурной функции коллимационной системы) при поперечном и продольном сканировании объекта в диапазоне энергий до 1 МэВ и плотностей до 2,7 г/см3. Впервые показано, что качество реконструкции распределении плотности по интегральным альбедным данным полностью определяется точностью определения формы апертурной функции.

4. Разработан метод энергетического сканирования, позволяющий использовать неколлимированный детектор, что увеличивает эффективность использования источника излучения более чем на два порядка.

5. Разработана физико-математическая модель поперечного и продольного сканирования объектов рассеивающим объемом конечных размеров с регистрацией излучения комптоновски рассеянного в заднее полупространство и обоснована структурная схема альбедного томографа.

6. Сформулированы математические закономерности для определения параметров источника первичного излучения, при которых обеспечивается максимальный выход обратно рассеянного излучения с глубины до 40мм при плотности материала контролируемого изделия до 2,7 г/см3.

7. Разработан алгоритм определения плотности верхнего слоя изделия по значению первого максимума сигнала, получаемого при поперечном сканировании.

8. Показано, что в геометрии узких пучков, во всем диапазоне энергий и глубин сканирования, вклад многократного рассеяния составляет 20% сигнала, что приводит к необходимости его обязательного учета, причем 90% рассеянных квантов собираются из зоны, диаметр которой равен пяти диаметрам апертуры пучка.

Практическая ценность диссертационной работы определяется ее теоретико-прикладной направленностью, ориентированной на применении в радиационной дефектоскопии. На основании изученных закономерностей сформулированы общие требования и рекомендации по конструированию систем комптоновской томографии. Реализация разработанных закономерностей и методов позволила поднять технические параметры систем комптоновской томографии до уровня мировых стандартов, а по некоторым параметрам (пространственное и плотностное разрешение) превзойти их. К практической ценности можно также отнести:

1. Разработаны оригинальные, подтвержденные авторскими свидетельствами, схематические узлы для радиометрического измерительного тракта, удовлетворяющего высоким метрологическим требованиям комптоновских систем.

2. Разработана конструкция аксиально-координатного детекторного блока, обеспечивающего немеханическое сканирование объекта контроля в поперечном направлении с фильтрацией мешающего воздействия ослабления потока рассеянного излучения в материале изделия.

3. Создан опытный образец комптоновского томографа «Тош8сап-200», по пространственному плотностному разрешению превышающий характеристики известных аналогичных систем.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в НПО "Алтай", г. Бийск; НИИ ЭРАТ, г. Люберцы Московской обл.;

Днепропетровский НИИ технологии машиностроения, г. Днепропетровск; Государственный ракетный центр (КЕМ им. академика Макеева В.П.), г. Миасс Челябинской обл.; ЦНИИ специальных материалов, г. Хотьково Московской обл.

Материалы диссертации применены в научно-исследовательских работах, проводимых в НИИ интроскопии ТПУ, г. Томск. Научные результаты, полученные в диссертации, используются в курсах "Радиационный контроль и диагностика", "Обработка сигналов в акустике и интроскопии", предназначенных для студентов, обучающихся по специальности 190200 - Приборы и методы контроля качества и диагностики.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

- научно технической конференции "Молодые ученые и специалисты томской области в IX пятилетке", г. Томск, 1975г.

- научно-техническое совещание "Методы и средства нераэрушающего контроля конструкций из композиционных материалов", г. Миасс, 1983 г.

- международная конференция "КО'Г-89", г. Пловдив, НРБ, 1989г.

- 6е5 научно-техническое совещание "Состояние и перспективы развития методов и средств НК", г. Москва, 1989г.

- международная конференция "№)Т-90", г. София, НРБ, 1990г.

- международная конференция по неметаллам, г. Москва, 1989г.

- "13-й международный конгресс \УЕЬ'ОТ", г. СанПауло, Бразилия, 1992г.

- Научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль в науке и индустрии", г. Москва, 1994г.

- 14-я российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", г. Москва, 1996г.

"Российско-корейский международный симпозиум по науке и технологии", г. Новосибирск, 1999г.

- 15-я российская конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", г. Москва, 1999г.

Публикации- По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ и 18 публикаций в трудах конференций (доклады и тезисы докладов).

Структура и объем роботы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 187 наименований. Основная часть диссертации изложена на 262 страницах машинописного текста. Работа содержит 123 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность, дана общая характеристика проблемы использования обратно-рассеянного излучения для получения детальной информации о распределении плотности в объеме контролируемого изделия, определены цели, сформированы направления исследований и основные задачи, решаемые в диссертационной работе.

В первой главе содержатся результаты краткого аналитического обзора состояния исследований в области комптоновской томографии.

Отмечено, что использование рассеянных квантов для целей томографии принципиально отличается от применения в трансмиссионной томографии квантов, прошедших через изделий. Основное отличие состоит в том, что рассеянные кванты несут информацию о положении точки взаимодействия кванта на первичном луче, т.е. точную позиционную информацию. Если первичный пучок локализован в плоскости, перпендикулярной ему, то локализация вторичного (однократно рассеянного) излучения однозначно определяет третью

координату. Т.е. коллимация первичных и рассеянных потоков излучения позволяет получить 3х мерное распределение электронной плотности среды без использования сложных математических преобразований. Дополнительным преимуществом комптоновской томографии является линейная зависимость сигнала от электронной, а следовательно, и объемной плотности. На основании обзора литературы сформулированы основные направления проводимых работ, уровень достигнутых результатов при решении отдельных задач, основные трудности на пути практической реализации метода, перспективы, направления исследований.

Показано, что главными препятствиями на пути решения проблемы являются:

малые интенсивности потоков обратно рассеянного излучения.

выходящего из малых элементов объёма тела;

- влияние ослабления первичных и рассеянных пучков на результаты измерения электронной плотности в элементе объёма;

- необходимость учета многократно рассеянных квантов, натекающих в детектор из соседних элементов объема;

отсутствие адекватного математического описания реальных формы и

размеров элоба (рассеивающего объема), из которого собираются в детектор однократно рассеянное излучение;

- пространственное ограничение проекционных данных из-за одностороннего расположения коллимирующих и детектирующих систем.

Изложены физические и математические предпосылки становления и развития проблемы повышения информативности методов комптоновской томографии, изложено описание структуры работы, сформулированы новые научные результаты, даны сведения о публикациях по теме диссертации работы.

Во второй гласе изложены результаты разработки физической модели и анализа процесса сканирования объекта с оценкой вклада в радиационный сигнал однократно рассеянного излучения, несущего полезную информацию, для моиоэнергетического и рентгеновского излучений.

В подразделе 2.1. процесс сканирования рассматривается как взаимное перемещение области чувствительности системы, являющейся пересечением апертур коллимированного источника и коллимированного детектора (рассеивающий объем - РО) и объекта контроля Рис. 1.

Рассмотрим произвольную точку в пределах РО - точку Р. Количество квантов, пришедших из элемента объел« около Р в детектор, равно

Полное число квантов /V,, пришедших в детектор, будет определяться интегрированием с/пч, по части рассеивающего объема, расположенной ниже границы Т. Здесь возможны 6 позиций. Рис. 2.:

(1).

•ч 7.

где: = о. 6022 ю -jj ■ р - электронная плотность; Z - заряд; М - атомная

масса.

SCAN Л™"»Р jl^

Рис. 1. Геометрия сканирования объекта, рассеивающим объемом (РО) ОйЕР.

К н^ « 5 .

к' ^ Ч

Рис. 2. Возможные взаимные положения рассеивающего объема ОЕРО и объекта. Пояснения в тексте.

поз. 1. Рассеивающий объем весь расположен до границы Т, т.е. V (рис. 2. поз. 1). В этом случае все точки РО будут лежать вне рассеивающей среды и N' = 0.

поз. 2. Рассеивающий объем частично перешел через границу Т, т.е.

ХЕ < X < Л',, (рис. 2. поз. 2). Рассеивание будет происходить только в пределах

области geF. В остальной части объема рассеяние отсутствует т.к. там плотность равна нулю. Следовательно

г

F 'maxi

(2)

Л';=2 \ \ (1п^с1х(1у при Хк < X < ХР

X о

!там = *а>8а - ~ Ч>) -

поз. 3. Большая часть объема перешла границу Т - Хп < X < X,, (рис. 2. поз. 3). Здесь не будет работать только область £Эе, и полный сигнал равен

л> im

л> >'т

1 . Г f ' f -

/V =2 J J dn eixely + 2 f J dn dxdy

Xf.: 0 V

X 0

(3)

rae: }max2 =XPtg(a+<p)-Xjga-, .V,,=.v0-----

tg(a+<p)+tg(a:-{p)

поз. 4. Весь объем находится внутри среды Л'0 < Л' < Л'/( (рис. 2. поз. 4). В этом случае интегрирование будег производиться по всему объему ОЕРО. т.е.

•V,, Л> I'™.:

= 2 I 1 с!п с1хс1у +21 \ с1п сШу (4)

0 *р х„ 0 ф

поз. 5. Объем выходит из слоя через границу Т* (рис 2. поз. 5). Рассеяние в

5 5 4 1

элементе geF отсутствует. Л\; будет определяться разностью Л^. = ЛГХ - ■

поз. 6. Объем полностью вышел из слоя, X > Хг (рис. 2. поз. 6). уу® = о •

Поведение функции Л'.у при входе РО в изделие, т.е. при переходе РО через переднюю границу Т существенно изменяется при изменении энергии первичного излучения Е„ и плотности материала объекта р. Рассмотрим крайние случаи.

1. Пусть материал ниже границы Т обладает малыми коэффициентами ослабления цр{Еа) и ). Тогда каждая точка ХР рассеивающего объема

будет давать практически одинаковый вклад в сигнал детектора и сигнал в детекторе будет определяться величиной объема, расположенной ниже границы Т (рис. 2. поз. 2. 3, 4) это будут заштрихованные области. Поведение функции Л^(Л'Л - Л ) будет описываться линией 1 на рис. 3.

2. Среда ниже границы Т обладает большим ослаблением. В детектор будут выходить только кванты, рассеянные в приграничном слое и величина эффективно работающего объема будет пропорциональна длине линии §е (Рис. 3, линия 2).

объемом передней границы изделия Т. НО - начало рассеивающего объема; ГЦО -геометрический центр объема; КО - конец объема.

З.При всех других коэффициентах ослабления кривые NЧ(Х- X) будут лежать между линиями 1 и 2. Максимумы функций Ы^(ХГ-Х) также будут

располагаться между максимумами линий 1 и 2, т.е. между точками ХР-ХЕ и ХГХ0 (Рис. 3, линия 3).

На Рис. 4. приведен пример полученных зависимостей изменения в процессе сканирования сигнала в детекторе N5 для разных энергий источника излучения.

Анализ результатов расчетов позволил выявить следующие закономерности:

- При малых энергиях (линия ЮкэВ) глубина зоны рассеяния мала, максимум кривой N $ находится чуть правее геометрического центра объема (ГЦО). В рассеянии участвует слой толщиной приблизительно 1мм.

Рис. 4. Изменение нормированного числового альбедо при прохождении рассеивающего объема через объект. Пенопласт /т=0,2г/см3.

- При повышении энергии рассеяние начинает приобретать объемный характер и при больших энергиях максимум достигается на конце рассеивающего объема (КО) (линия 1МэВ).

Важную информацию несут также зависимости максимального значения числового альбедо от плотности материала и энергии (Рис. 5.).

{'(> И,.;,,.

1С '.С. 1Ы

Рис. 5. Числовое альбедо в максимуме ^(х)тах

Анализ большого массива данных расчетов позволил сформулировать аналитическую зависимость максимального сигнала от плотности материала и энергии источника при входе рассеивающего объема в объект

Выражение (5) позволяет определить плотность р в элементе объема при заданной энергии источника Е„ в том случае, когда при движении рассеивающего объема в материал рассеивателя будет получено значение сигнала, соответствующее Л\- тх ■

В подразделе 2.2. рассматриваются вопросы оптимизации энергии источника излучения. На основе анализа результатов расчетов, приведенных для слоев, расположенных на разных глубинах (до 40мм) построены семейства функций Мх(Ео) (Рис. 6). Эти зависимости имеют максимумы, положение которых по энергетической оси изменяется в зависимости от плотности р материала и глубины залегания рассеивающего объема.

Зона расположения максимумов занимает область энергий от 80 до ЗООкэВ (Рис. 6). Качественно зависимости Е^'""(р) для органопластика и углепластика

почти не отличаются. Анализ этих зависимостей показывает, что для малых плотностей (до 0,2г/см3) оптимальная энергия от А, практически не зависит и

вна приблизительно 50кэВ. Это соответствует рассеянию с поверхности.

При увеличении Хг Е0 растет, причем крутизна возрастает с

сличением р. На Рис. 7. приведены результирующие зависимости оптимальной 1ергии Еа„„, как функции плотности материала и глубины залегания мхеиваюшего слоя.

» * * V ¿я

Рис. 6. Зависимость числового альбедо от энергии для различных глубин залегания РО.

3 Ю SO 30 «л»

Рис. 7. Двухпараметрическая зависимость Еопг от глубины залегания рассеивающего объема X и плотности материала р. Углепластик и органопластик

Для выбора оптимальных энергий при конструировании конкретных систем с использованием обратно рассеянного излучения получена аналитическая зависимость, Еопт от глубины залегания Хг, имеющая вид

Е0 (ХГ) = Ь0 +6, +Ь2ХГ,

(6)

где: Ь)=50кэВ; Ь) и Ь2 зависят от плотности материала и также описаны аналитически.

В подразделе 2.3. исследованы основные закономерности поведения радиационного сигнала для источника излучения с непрерывным спектром на примере рентгеновского излучения. Исследовались зависимости от напряжения на трубке, угла наклона коллиматора источника к поверхности изделия, глубины залегания рассеивающего слоя, плотности материала. Анализ выявил основные закономерности, которые должны учитываться при конструировании рентгеновских альбедных томографических систем:

- при использовании в качестве источника излучения рентгеновской трубки

оптимальным является нормальное падение первичного пучка и угол рассеян! Ös=135°, что обеспечивает возможность создания многодетекторных систс регистрации; •

- для излучения с непрерывным спектром сохраняются все эакономерност! связанные с переходом рассеивающего объема через границу раздела двух сред разными плотностями.

В разделе 2.4. исследован вклад в общий сигнал квантов многократн рассеянного излучения. В системах комптоновской томографии многократн рассеянное излучение играет роль помехи, т.к. оно порождается за пределами РО Т.к. корректное аналитическое решение уравнения переноса невозможно даже i простейших случаях, была разработана модель оценки на основе метода Монте-

Карло. История фотона состоит из последовательности состояний а\,а2,...,аг и рассматривается как результат процесса Маркова. Этот процесс характеризуется

плотностью вероятности, ц/{ап*\1 ctn), которая характеризует переход фотона из

tfr(aH*\la„) = -

состояния ап в состояние аП\\.

Полная функция перехода представлялась в виде:

ЖЕ.) (7)

И>„ц/а„) = I--—г-; при й>„ = 1; <у„, =

(е(«/,»|/а») = 0; при соп = О

Для перехода к ограниченным средам введена "поглощающая граница", после перехода через которую, фотон не может возвратиться в среду.

Блок-схема программы вычислений была составлена с блочно-модульной компоновкой. Она дает возможность в широких пределах варьировать параметры: характеристики среды; параметры источника излучения; размеры среды; геометрию сканирующей системы.

Вычислялись:

- количество квантов, попавших в детектор после однократного рассеяния в барьере (сигнал);

- количество квантов, попавших в детектор после двух и более актов рассеяния (шум);

- среднеквадратичное отклонение полного количества квантов в детекторе;

- отношение числа однократно-рассеянных квантов к числу многократно-рассеянных (отношение сигнал/шум).

Источник создаёт в канале коллиматора источника 104 пакетов, содержащих каждый по 109 квантов. Напряжение на трубке изменяется от 10 до 1000 кВ.

Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы:

• Отношение сигнал/шум с увеличением глубины залегания рассеивающего объема ведет-себя сложно. На глубине »25-30 мм отношение сигнал/шум имеет слабо выраженный минимум. При дальнейшем увеличении глубины рассеивающего объёма отношение сигнал/шум медленно растйт. Это связано с фильтрацией многократно-рассеянного излучения, т. к. оно имеет

несколько меньшую энергию, чем однократно-рассеянное;

Рис. 8. Изменение отношения сигнал/шум от глубины залегания РО

• Ярко выраженной зависимости отношения сигнал/шум от напряжения на рентгеновской трубке не наблюдается для различных глубин (Рис. 9).

• Спектр шума незначительно отличается от спектра сигнала и его аппаратная компенсация с помощью спектрометрических детекторов либо физических фильтров мало эффективна. Многократное рассеяние собирается на 90% из зоны, находящейся в пределах пяти апертур пучка. Это означает, что многократно рассеянные кванты отклоняются на малый угол (Рис. 10).

О

Рис 9. Изменение отношения сигнал/шум от расстояния до центра пучка

• В среднем, во всем диапазоне энергий и глубин сканирования, шум составляет около 20% сигнала, что делает обязательным его компенсацию в системах, использующих обратно рассеянное излучение.

В третьей главе приводятся результаты разработки методов коррекции ослабления первичных и отраженных квантов, способы реконструкции распределения плотности на уровне размеров рассеивающего объема (интегральная реконструкция) и алгоритмы подчеркивания границ и определения линейных размеров неоднородностей.

В подразделе 3.1. рассмотрены геометрия и основные математические соотношения метода послойной коррекции, основанного на последовательном перемещении рассеивающего объема в продольном и поперечном направлениях (Рис. 10.).

Полученные в главе 2 закономерности позволяют, по результатам сканирования первого приповерхностного ряда элобов, вычислить плотности ри этих элобов, измерив полный альбедо-выход РО с координатами (1,к) М|к. После перемещения системы источник-детектор на один шаг по вертикали и горизонтального сканирования второго ряда элобов получаем уравнение по которому, зная элементы р, можно вычислить плотности элобов 2- слоя р2 Для произвольного ;'-го ряда элобов получено выражение для полного альбедо-выхода

Рис. 10. Геометрия поточечного сканирования

N ¿а г-

— — Г(1-ехр(-вСл/°л_,л + /Л, ^/^м)))'

а ЫП

Р*

1-схр('-«(// р + р У 2р )) Р Ы.А р '-1.А

О * Г

// р +/4 \2р р /-1.А р \к*1-\

р

р /-1.А р 1-1.А

(8)

Г , № 2 схр{-а(р 1 р + V2/1 I р )) Л^

I-2 г1 1

м

решение которого, при известных р^, Ргк. •••> Ри.ь позволяет вычислить плотности 1-го ряда элобов. Такой рекуррентный алгоритм позволяет осуществить интегральную реконструкцию распределения плотности с пространственным разрешением, определяемым размерами пучков. При этом автоматически корректируется ослабление первичного и рассеянного излучений в материале изделия.

В подразделе 3.2. приводится логика и основные математические закономерности, для реализации метода коррекции ослабления, основанного на применении двух источников, излучения разных энергий. Идея метода поясняется Рис. 11. и основана на том, что при

Е,

11

0

X

Е^Ь/8) 8,

шштт

ЕЛ« [0

0 X

X

а) позиция 1 Рис. 11. Метод двух энергий.

б) позиция 2

смене позиций источника и детектора при условии, что энергия второго источника, помешенного в первую позицию детектора, будет равна энергии рассеянного излучения от первого источника, отношение потока квантов в детекторах в позициях 1 и 2 не содержит экспоненты с коэффициентом ослабления /л,-/, т.е. путь рассеянного излучения от первого источника до детектора исключается "физически".

Проведя полный процесс сканирования в поперечном и продольном направлениях, получим рекуррентную формулу для вычисления плотности /-го слоя

? \

1

Р, ~

(,т т \

""J

in

N

N

/-1

(9)

\ ' и /

Разработана конструкция детектора, реализующего данный метод с использованием источников излучения с энергией 150кэВ и |53Сс1 с энергией ШОкэВ. Разработаны также структурная схема установки, алгоритмы и программы вычислений.

В подразделе 3.3. изложен ход решения задачи о выделении положения границ и измерении размеров неоднородностей по изменению радиационного сигнала в процессе сканирования изделия. Метод основан на экспоненциальной зависимости интегрального сигнала в детекторе от глубины залегания рассеивающего объема Ы<>{:) и введении сканирующей функции В(:), определяемой соотношением

n(Z)~ Xs(Z)f К-

д.N (Z)

(Ю)

dZ

Производная

dNsl=)

dz

также является экспоненциальной, но только с

отрицательным знаком. Поэтому на однородном по плотности участке B(z)=0 и отлична от нуля только на границах, где происходит изменение плотности.

др( г)

дг

7^0. Экстремумы функции В(:) наблюдаются на границах перехода, а

расстояние между экстремумами однозначно определяет размер неоднородности в направлении сканирования. Когда ослаблением в пределах рассеивающего объема (РО) пренебрегать нельзя, функция В(:) деформируется (Рис. 12.) и ее максимум смещается относительно геометрического центра рассеивающего объема.

В(М

1Ь »енот / 1/ Ч \

V

<N4

I - ^

. 1 I

Рис. 12. Деформация сканирующей функции ';(х) множителем ч(/Л

а

Однако расстояние между экстремумами во всех случаях может быть использовано в качестве размеров неоднородности. При этом обеспечивается погрешность измерения не более ±0,1мм в диапазоне энергий от 20 до 1000 кэВ и для материалов с плотностью до 2,7г/см3.

В гласе 4 рассмотрены основные положения математической реконструкции распределения плотности в сечении объекта по интегральным альбедным данным.

Рис. 14. Взаимодействие апертуры РО и слоя

В подразделе 4.1. дается общая формулировка задачи. Идея поясняется Рис. 13. и Рис. 14. Понятие РО конечных размеров предполагает, что пренебречь ослаблением в пределах РО нельзя. Это обозначает, что апертурная функция РО (функция, описывающая изменение сигнала в детекторе при переходе РО через границы раздела АФРО) деформируется по мере его движения в слое. На участке движения РО внутри слоя ход функции Ы(х) достаточно точно для однородного материала описывается экспоненциальной функцией Ы'(х).

Амплитуда А определяется энергией первичного излучения Е0 и плотностью материала р, а постоянная экспоненты < - коэффициентами

ослабления первичного ¡л* и рассеянного потоков.

Переход АФРО Ь(х) через границу неоднородности осуществляется в направлении стрелки А (рис. 14.). Результат физического взаимодействия такой апертуры с объектом состоит в выходе квантов рассеянного излучения из области геометрического перекрытия апертуры и объекта. Удельный выход квантов из каждой точки пропорционален электронной плотности объекта в этой точке. Тогда общее число квантов, вышедшее из области перекрытия пропорционально интегралу по площади перекрытия объема БОРЕ и плотностн р(.\,у). То есть можно записать

о

N

Рис. 13. Геометрия сканирования

ММ д

I) ЕС XI ^

Ф'(хт) = 2 | //(.V ~х)р(х)ск п '

о

Здесь Л(;хт — X) будет представлять собой апертурную функцию РО (АФРО) или ядро интегрального уравнения. Из (11) видно, что Ф'(х) равно удвоенной свертке функций /;(.\), р(.у)

Л(Д>) = <

О при л <0

л- ^/3 при 0 < д- Е (12)

г Т

(0-л )/£у при £<л <й

т Т

0 при л >П

О

При нормировке на ф' = р | /;(л)^у получим

о

2 л-г 2

С/(л>) = — | Л(х -х)р(х)с1х = и(х)-— (13)

J ° J

о о

Выражение (13) представляет собой интегральное уравнение 1-го рода с интегралом типа свертки. Для решения такого интегрального уравнения были использованы два алгоритма: решение с помощью полиномов (РП) и с помощью преобразования Фурье.

В подразделе 4.2. изложен алгоритм решения уравнения (13) с помощью полиномов Чебышева, когда искомое приближение представляется в виде линейной комбинации

р{х) = Ч(Л-) = Е а О (л:) (14)

7=0 / У

При фиксированной степени полинома к коэффициенты разложения а

определяются из условия минимизации величины функционала эмпирического риска

[и - 1 /;(л . Л I а О (у)Л> )

1 / \ ' о V , ) 1=0 Г] ■ - I

----;-<15)

Г'

/

1

где сг~ -дисперсии замеров .

Данный алгоритм был проанализирован, к было показано, что ему присущи относительно невысокая точность реконструкции и сравнительно большие затраты времени.

В подразделе 4.3. показано, что более оптимальным, в смысле аппаратурной реализации, является алгоритм с использованием преобразования Фурье. Смысл этого алгоритма состоит в следующем. Применяя преобразования Фурье к (13) и используя лемму Бореля о свертке, получим

и(со)=к(со)р((о) (16)

Отсюда ^ _ . Применяя обратное преобразование Фурье, получим Л«у)

1 +« {Д«)

р(хт) = - { ---------exp(-jtux, )с/ш (17)

2л- ° А(й»

Это решение неустойчиво, т.к. левая часть уравнения (13) известна приближенно, с погрешностью, определяемой в основном статистикой. В отмеченных работах время измерения всегда выбиралось таким, чтобы обеспечить статическую погрешность не хуже ±0.1% (Ю6 квантов за время измерения). Т.к.

U(xr)~ Us(xT) + \'{xT), где V(xr) - помеха,то

U (а>) Via)

p(<y) = _i-+--(18)

h(co) h(a>)

I '(со)

Функция V(xT) носит случайный характер, поэтому отношение__

h(a>)

может не иметь обратного преобразования Фурье (ОПФ) из-за влияния высоких частот (о. Следовательно, в качестве приближенного решения (11) с приближенной левой частью нельзя брать точное решение этого уравнения. Точного решения может не существовать, а если оно и существует, то не обладает свойством устойчивости к малым отклонениям левой части U(xr). Для повышения устойчивости надо "подавить" влияние высоких частот помехи У(хг) ■

и 1 и(со)

Для этого можно функцию__умножить па регуляризующии множитель

h(co)

f(CO,(X), зависящий от параметра а. Одним из типов регуляризирующего множителя может быть множитель типа

Цсо)

f(0),a)=------(19)

L(a))+ahf(m)

где L(co)=h(o))*h(-eoJ-\h(cq)\2, M(coJ=w2r, r-произвольное положительное

число.

Умножая решение на fifi), а) ,получим

U(co) и (со) h(co)H-co) Pico) =--/(со, а) =----у----um

h(fo) h(co) /?(<w) +aiи"' (20)

h(eo)h(-co) p(ft>)=-,-n--T;

/>(ft>)| +аш

Применяя к (18) ОПФ, получим окончательное решение

1 -к» (J(co)h(-co) р(хг) =— J i----exp (-jcoxT)da

2 л О

h(co)

+асо

Параметр а находится из критерия невязки, т.е. величины

8 = .

//(х )р(

dx

г

(22)

и

со

J

Vo

Параметр а, найденный из условия (22), считается оптимальным, решение, вычисленное при этом а , является оптимальным решением.

После набора полного массива данных 256x256 элементов и восстановления плотности в каждом из j-x поперечных массивов производится транспонирование с организацией i продольных массивов.

Затем с помощью тех же алгоритмов (РП или БПФ) производится восстановление распределения плотности в продольном направлении р(у) с учетом АФРО в направлении оси Y. В результате такого двухкоординатного восстановления получается двухкоординатное распределение плотности р(х,у) в

поперечном сечении объекта. Полученный двумерный массив фильтруется одной из имеющихся подпрограмм фильтрования и нормируется на диапазон целых чисел от 0 до 255. Этот массив представляет собой комптоновскую томограмму поперечного сечения. Томограмма выводится на экран монитора в черно-белой палитре с 256 полутонами.

В подразделе 4.4. рассматривается один из важнейших элементов реконструкции - влияние на погрешность восстановления р(х) точности определения АФРО и ее деформации (за счёт ослабления первичного и рассеянного излучения и многократного рассеяния) при движении РО в объекте.

При значительных коэффициентах линейного ослабления р0 и в пределах РО будет проявляться экспонента e(—ßx) .

Чем больше коэффициент ослабления материала ¡л, тем больше отклонение реальной апертуры (линии 2, 3 Рис. 15) от геометрической апертуры (линия I Рис. 15). Влияние точности задания апертуры на качество реконструкции демонстрируется Рнс. 16., где показана реконструкция в поперечном сечении распределения плотности с помощью геометрической апертуры MARS-5, Рис. 16.а и апертуры MARS-6, Рис 16.6.

но гцо ко

Рис. 15. Деформация апертурной характеристики 1ч(х) ослаблением первичного и рассеянного излучений в пределах рассеивающего объема. Углепластик: р-\.2 г/см3. 1 - Е=300кэВ: 2 - Е=100кэВ; 3 - Е=40кэВ.

а)

Рис. 16. Влияние погрешности задания апертуры РО на точность восстановления распределения плотности по сечению (а - Реконструкция с помощью геометрической апертуры МАЯ55. б - Реконструкция с помощью геометрической апертуры МАЛБб.).

В подразделе4.5. анализируется оптимальность апертурной функции РО в широком диапазоне плотностей.

Как следует из вышеприведенного анализа, форма h(x) зависит от значения плотности материала в переделах рассеивающего объема при постоянной энергии первичного излучения. При этом деформации h(x) имеют характер, аналогичный рис. 15. Так если Ео=Ю0кэВ. то фигура 1 будет справедливой для плотности 0,2 г/см3 и до этих плотностей можно использовать «геометрическую» апертуру. С увеличением плотности происходит деформация h(x). Линии 2 и 3 будут соответствовать плотностям 1,0 г/см3 и 2,0 г/см3.

Описанные выше алгоритмы используют одну апертуру для всего сечения объекта. Если плотность изменяется в широких пределах, следует ожидать возникновения погрешностей реконструкции. Для исследования этого вопроса был смоделирован объект, составленный из 3 пластин толщиной 8 мм и плотностями 0,2; 1,0; 2,0 г/см3, разделенных воздушными промежутками 8мм.

Средняя плотность такого объекта - 0,64 г/см3. В процессе сканирования получен массив альбедных данных N(x). приведенный на рис. 17. По нему восстановлено распределение плотности с апертурой MARSH (рис. 18). Анализ данных реконструкции показывает, что:

ьт

Рис. 17. Массив N(x) для комбинации слоев толщиной 8мм: 0.2-0,0-1,0-0,0-2,0

r/CMJ

Рис. 18. Восстановленное распределение плотности объекта по массиву N(4) Е0=ЮОкэВ

при экспоненциальной коррекции затухания в плотных слоях не происходит полной компенсации при переходе от N(x) к Ф(х). В результате восстановления Ф(х) этот спад сохраняется (стрелка а). Это говорит о недостаточной эффективности программной коррекции ослабления первичных и рассеянных пучков. Представляется целесообразным совместить физический способ коррекции с программным;. При использовании для восстановлення апертуры, соответствующей средней плотности (0,6 г/см3), она становится неоптимальной при малых плотностях (0,2 г/см3) и при больших плотностях (2,0 г/см3). Неоптимальность приводит к возрастанию погрешности реконструкции, что проявляется в виде артефактов на томограмме.

ß пятой гласе приведены результаты исследований информационной способности сканирующих систем для комптоновской томографии. Для описания информационной способности коллимационной системы нами введено понятие пространственно-статистической неопределенности по направлению сканирования А (Дч. Ду, Az).

Если учесть, что поток рассеянных квантов и квантов, попавших в детектор является пуассоновским, то относительная статистическая погрешность измерения

его интенсивности равна м = I— . Т.к. N пропорционально V, то можно записать

,1 = , где К - коэффициент пропорциональности. Погрешность измерения "" V/V

координат или пространственная разрешающая способность в первом приближении определяется половиной ширины апертуры на полувысоте = ^

по заданному направлению. Результирующая пространственно - статистическая неопределенность апертуры может быть описана произведением Scm ■ ¿>„рост AJK

^ ~~ '^1/11 ' нркшр

В подразделе 5.1. исследована типичная коллимационная система с нормальным падением первичного пучка и угла рассеяния 135°, реализованная в томографе "TomScan-200". Рис. 20.

Рис. 19. Геометрия коллимационной системы томографа "TomScan-200" при сканировании по оси Z.

РО представляет собой ограниченный конус с образующими, описываемыми линиями (1)ВЕ, (3) В'Е', (4)ВС, (2)СВ', (5)ЕС\ (6)Е'С\ уравнения которых для параметров геометрии: Р=100мм; 0=70мм: Ь=30мм; а=45°; а=0,5мм; с=0,5мм имеет вид

i vl=-0,0882-0,0059rl [ vl=0.0882+0,0059 rl | v2=5,831-0,59 r2 j v2=-5,831+0,59 r2 (23)

[у5=5.716-0,56г5 [ v5=-5,716+0,56:: 5 В подразделе 5.1.1. приведены результаты анализа поведения взаимодействующей с объектом контроля части рассеивающего объема ВСВ'Е'С'Е при его перемещении относительно объекта контроля. Для трех участков: зона входа, средняя зона, зона выхода величина объема будет определяться соотношениями:

(24)

Поведение РО исследовано в пределах возможных изменений параметров коллимационного блока, заложенных в конструкции: а=0.25мм; 0,5мм; 1,0мм; 2,0мм; 4,0мм; и с=0.05мм; 0,1мм; 0,2мм; 0,5мм. На рисунке 20 приведены графические зависимости функции У(г) для нескольких параметров геометрии.

Рис. 20. Изменение величины рассеивающего объема для геометрии "ТошБсап-200".

Выражение (24) и рисунок 20 представляют собой переходные

характеристики коллимационной системы как пространственного фильтра Н(г). Ее производная будет определять импульсную переходную характеристику ,, Л дН(г) 5У(г)

/7(2)=-—:=—— или апертурную характеристику коллимационной системы.

дг Эг

На Рис. 21. приведены закономерности поведения апертурных характеристик системы "Тот8сап-200" при тех же параметрах коллиматоров, что для Рис. 20.

К=*} ^М) . '11' 'Р I ; м .*-1ч>[ >СЧ :н >=>М ■ = ' *) В1

Рис. 21. Поведение апертурной функции коллимационной системы "ТотЭсап-200" при изменении параметров коллиматоров.

Анализ зависимостей показывает, что величина РО быстро возрастает с увеличением диаметра первичного коллиматора. Поэтому пространственно-статистическая неопределенность при поперечном сканировании Дг (Рис. 22.) с увеличением диаметра первичного пучка всегда уменьшается.

Рис. 22. Зависимость поперечной пространственно-статистической неопределенности апертуры от ширины щели вторичного коллиматора "с".

Увеличение же ширины щели вторичного коллиматора ухудшает и пространственно - статистические характеристики сканера, т.к. неопределенность с увеличением "с" возрастает Рис. 22.

В подразделе 5.1.2. исследована форма и пространственно-статистическая неопределенность продольного сканирования, по оси у - Ду Рис. 23.

Изменение рассеивающего объема на различных участках будет определяться взаимодействием различных конусов. Так на участке Е'В' (зона входа - I) и ВЕ (зона выхода - Ш) будут учитываться по 2 конуса, на участке В'В (средняя зона - II) - 4 конуса.

В общем случае поведение рассеивающего объема определяется двойным интегралом уравнения, описывающего конус (29), а апертурная характеристика рассеивающего объема в продольном направлении также будет определяться как

. ту)

/?( V) =

ду

Рис. 23. Геометрия коллимационной системы томографа "Тот8сап-200" при продольном сканировании.

Рис. 24 демонстрирует поведение продольных апертурных характеристик при тех же размерах коллиматоров, что и на Рис. 21.

Рис. 24. Апертурные характеристики коллимационной системы "Тот5сап-200" в продольном направлении при различных параметрах коллиматоров.

Особенность апертурных функций по оси У состоит в том, что при малых значениях "с" они имеют двугорбый вид. Причем провал в середине тем больше, чем больше радиус первичного коллиматора и уменьшается с увеличением "с". Пространственно-статистическая неопределенность по оси У (Ду) с увеличением "с", в противоположность Аг, уменьшается, Рис. 25. В целом информационная способность апертуры по оси У выше, чем по Ъ, т.к. неопределенность Ду, имеет меньшие значения.

Рис. 25. Зависимость продольной пространственно - статистической неопределенности апертуры от ширины щели вторичного коллиматора.

Наиболее важной с точки зрения информационной способности сканирующей системы является объемная пространственно - статистическая неопределенность А^Дг-Дх-Ду. Характер зависимости А от параметров коллимационной системы демонстрирует Рис. 27.

На начальных участках кривых проявляется рост неопределенности, связанный с влиянием на Дг быстрого увеличения высоты рассеивающего объема с увеличением "с", где статистика (величина РО) еще мала. После с=0,1мм объемная неопределенность уменьшается и достигает минимума в диапазоне с=0,3-й),'4мм. После 0,4мм с увеличением "с" неопределенность растет для всех радиусов первичного коллиматора "а".

Рис. 26. Зависимость объемной пространственно - статистической неопределенности сканирования Д от параметров коллимационной системы "а" и "с".

По результатам исследования апертурных функций выбраны оптимальные параметры коллимационной системы томографа "Тот8сап-200", обеспечивающие достаточную величину рассеивающего объема (»50мм3) и, при использовании разработанного метода реконструкции, разрешающую способность на уровне 0,1+0,Змм.

В разделе 5.2. приведены результаты исследования и разработки немеханических сканирующих систем для комптоновской томографии, обеспечивающих более высокую производительность контроля.

В подразделе 5.2.1. исследована возможность создания сканирующей системы с применением позиционно-чувствительного сцинтилляционного детектора ПЧСД. Показано, что известные способы формирования позиционного сигнала в линейном ПЧСД не обеспечивают необходимой погрешности. Описан разработанный способ формирования позиционного сигнала с коррекцией погрешности, связанной со случайным характером фотопоглощения в теле кристалла. Предложенный метод основан на измерении дополнительного бокового оптического сигнала, пропускании его через светофильтр с изменяющимся по сформированной закономерности светопропускающей способностью и совместной обработке с торцевыми оптическими сигналами.

В подразделе 5.2.2. исследована возможность и сформулированы основные закономерности метода сканирования по глубине за счет изменения энергии источника излучения. Показано, что увеличивая энергию ступенчато и вычисляя

последовательно средние плотности р• для различных 1-х толщин, .величина

которых определяется 1-м значением энергии источника Е|, можно вычислить

плотность любого слоя по соотношению = (/ + 1)/>/+1 -</>,•• Разработаны

структурная схема сканирующего устройства и алгоритм его функционирования.

В главе 6 представлены результаты разработки аппаратного комплекса, удовлетворяющего по своим характеристикам требованиям, предъявляемым к комптоновским системам.

В разделе 6.1. описаны конструкция сканирующего однокоординатного двухканального макета томографа на комптоновском обратном рассеянии (КОР) и структурная схема установки Рис. 27.

томографа на КОР.

Основой является детекторный блок, содержащий рентгеновский излучатель на напряжение 50кВ при токе до 10мА, два детекторных блока Д1 и Д2, механизм сканирования, перемещающий одновременно излучатель и детекторы относительно изделия (рис. 28). Потоки импульсов от детекторов поступают в блок сбора данных, предварительной обработки, управления режимами и далее в микро - ЭВМ.

На установке экспериментально исследовались полученные теоретические закономерности, отрабатывались структурные и принципиальные схемы основных узлов.

Рис. 28. Механизм сканирования макета однокоординатного 2-х канального томографа

В подразделе 6.1.1. описаны логика работы и структурная схема разработанного автором стабилизированного спектрометрического усилительного тракта. Стабилизация обеспечивается за счет изменения напряжения питания фотоумножителя по вырабатываемому схемой управляющему сигналу.

В подразделе 6.1.2. описан разработанный автором интенсиметр, измеряющий потоки импульсов с детекторов Д1 и Д2 и обеспечивающий автоматическую компенсацию фона, обусловленного проникновением в детекторы прямого излучения от источника, рассеяния на конструкционных элементах установки, естественного фона. Устройство не имеет погрешностей, связанных со случайным характером потоков импульсов.

В подразделе 6.1.3. описан разработанный при непосредственном участии автора блок сбора, предварительной обработки, управления режимами и индикации томографа.

В разделе 6.2. описаны основные узлы созданного по результатам исследований томографа "Тот8сап-200". Принцип действия томографа поясняется Рис. 29.

Работа томографа основана на регистрации квантов, рассеянных назад в направлении детектора состоящего из кольцевого сцинтилляционного кристалла 9 и двадцати фотоумножителей 11, из рассеивающего объема Л К , образующегося на пересечении первичного пучка 2 и зоны чувствительности детектора 3, формируемой вторичным коллиматором 6.

Конструкция и внешний вид элементов детектирующего блока приведены

"ТотЗсап-200".

Рис. 31. Коллимационный блок томографа "Тот8сап-200". 1 - излучатель: 2 -коллиматорный блок первичного пучка; 3 - выходной формирующий коллиматор.

Рис. 32. Детектирующий блок томографа "Тот8сап-200". 1 - пенал с фотоумножителем ФЭУ-60; 2 - верхняя часть вторичного конического коллиматора; 3 - кольцевой сцинтилляционный кристалл

В процессе двухкоординатного сканирования формируется входной массив данных Ау, содержащий 256x256 элементов и соответствующий поперечному сечению объекта размером 25,5x25,5мм. Получаемый в процессе сканирования массив А^ обрабатывается с использованием описанных выше алгоритмов. В результате получается выходной двумерный массив N¡3. в котором индекс \ соответствует поперечному распределению плотности (по оси Ъ), а индекс j -продольному распределению плотности (по оси У). Все числа массива являются целыми и ограничены 8-ю разрядами (т.е. имеют диапазон 0 - 255). Каждая единица числа N соответствует плотности 0,01 г/см3, что позволяет перекрыть диапазон плотностей 0 - 2,55г/см"\ Каждой паре индексов ¡, | соотЕ1етствует один пиксел на экране монитора. Яркость этого пиксела соответствует числу N1^ в черно-белой палитре и также имеет 256 градаций серого цвета. В цветной палитре число соответствует одному из 256 цветов. Режим отображения монитора 600x480 пикселов при 256 цветах (или 256 полутонов серого).

Для хранения изображения и вывода его на экран двумерный массив >1,, трансформируется в одномерный N1:, где к = (/-1)256 + (/- 1) •

В подразделах 6.2.1. и 6.2.2. приведены описания работы узлов томографа: источника стабилизированного рентгеновского излучения: блока питания; схемы управления сканером и сбора информации.

В подразделе 6.2.описан комплект алгоритмов и программного обеспечения, созданного для реализации разработанного метода комптоновской реконструкции.

В разделе 6.4. приведены результаты предварительных испытаний томографа "Тот5сап-200".

Для испытаний образца установки были изготовлены два контрольных образца из углепластика с плотностью 1,36г/см3.

Образец №1 (Рис. 33.) предназначен для исследования возможностей поперечного сканирования и представляет собой пластинку 20x20x1 мм, в которой выполнены отверстия разных размеров. При измерениях эта пластина находится между слоями толщиной по 10мм. Поперечная томограмма этой пластинки приведена на рис. 35. Из рисунка видно, что пространственное разрешение в поперечном сечении не хуже 0,3мм. Главный недостаток - наличие артефактов, отходящих от границ отверстий вглубь материала, обусловленных неполной коррекцией ослабления первичного и рассеянного пучков, что дает разрешение по плотности порядка ±5%.

Рис. 34. Контрольный образец №2. Углепластик р=1,36 г/см3.

Образец №2 (Рис. 34.) предназначен для исследований возможностей продольного сканирования и представляет собой диск диаметром 20x1 мм с отверстиями диаметрами 0,5; 1.0; 2.0; 6.0 мм. При измерениях диск находится между слоями толщиной 10мм. Продольная томограмма этой пластины представлена на рис. 36. Из рисунка видно, что пространственное разрешение также примерно равно 0.3мм. Однако, т.к. глубина залегания контролируемого слоя постоянна - задача коррекции ослабления первичного и рассеянного пучков решается проще, корректирующий фактор постоянен для всего слоя. Соответственно уменьшаются артефакты в восстановленном продольном распределении плотности.

Программный пакет позволяет из получаемого изображения вырезать и выводить на экран любой диапазон амплитуд (т.е. плотностей). В изображениях, содержащих начальные участки плотностей (примерно от 0 до ОЗг/см"5), проявляются помехи в зонах, где пет рассепвателя. Эти помехи связаны с дифференцирующим характером алгоритма решения интегрального уравнения. Аналогичные помехи проявляются и при выводе на экран верхнего диапазона плотностей (примерно от 1.2 до 1.5г/см3).

Минимум помех соответствует выводу на экран среднего участка плотностей, примерно от 0.5 до 1,0г/см '

Рис. 33. Контрольный образец №1. Углепластик р =! ,36 г/см3.

Рис. 35. Поперечная альбедо-томограмма контрольного образца №1.

Рис. 36. Продольная альбедо-томограмма контрольного образца №2.

В разделе 6.5. описана ситуация у конкурентов, сравнение разработанной установки с аналогами.

В таблице 1. представлены основные характеристики систем с использованием обратно-рассеянного излучения. Особенность первых трех установок состоит в том, что разрешающая способность определяется объемом воксела, из которого собирается однократно рассеянное излучение, а эти размеры задаются размерами, первичного пучка (с учетом его расхождения) и размерами зоны чувствительности коллиматора детектора.

Преимущество (и монополия) установки ТотЗсап состоит в использовании, для восстановления распределения плотности в сечении, аппарата математической реконструкции. Она позволяет работать с рассеивающими объемами величиной до 50мм3. обеспечивая при этом пространственное разрешение по всем трем осям порядка 0,3мм.

Главный недостаток Тот8сап-200 - большие габариты рентгеновского излучателя, как следствие, большое расстояние от источника и детектора до объема рассеяния, что резко уменьшает интенсивность первичного и рассеянного излучений и уменьшает производительность контроля.

В разделе 6.6. определены границы применимости комптоновской томографии для контроля изделий из различных материалов.

Принципиальные возможности применения методов комптоновской томографии для контроля различных материалов и изделий определяются максимальной толщиной поверхностного слоя из которого еще возможен выход рассеянных квантов. Проникающая способность первичного излучения практически не ограничивает диапазон контролируемых толщин. Ограничения связаны в основном с малой энергией рассеянных в заднее полупространство квантов.

Таблица 1. Основные технические характеристики радиационных интроскопических систем на основе регистрации обратно рассеянного комптоновского излучения.____

Технические Сот 5 сап св$ ьво AS&E Model 101Z ТотБсап-200

характеристики MICRO-DOSE

системы

Максимальная глуби-

на контроля (2), мм: по стали 3 25 25 3

по алюминию 20 30 Производителем не 20

по пластмассе 50 80 декларируется 50

Пространственное

разрешен ие: минимальное сечение 0,4x0,4 0,3x0,3

зондирующего пучка. ♦ Производителем не 0 0,4-^4,0 мм

мм декларируется

минимально

выявляемая толщина 0,4 1,0 Производителем не

слоя, мм декларируется 0,3

минимально выявляемый диаметр Производите лем не Производи телем не 36 AWG copper wire Производителем

одиночной декларируете декларируе (0,16мм) не декларируется

проволоки, мм я тс я

Наличие аппарата Обеспечивает

математической Отсутствует Отсутствуе Отсутствует объемное

реконструкции т разрешение 0,3x0,3x0,3мм

Относительное Производите Производителем не

плотностное лем не дек- 20 декларируется 5

разрешение, % ларируется

Максимальная произ-

водительность кон- 66 10 77 10

троля по выделяемо-

му слою, мм2/с

Максимально возмож-

ный контролируемый 50x100x50 588х200х 127x262x124 50x50x50

объем ХхУхХ, мм 100

Формат формиру- 250x500x8 512x512x8 480x512x8 512x512x8

емого изображения

(пикселхпикселхбит)

Рентгеновск т\г,

ий аппрат до активность

Тип источника и его 160 кВ, 20м А 50Ки, Рентгеновский Рентгеновский

основные параметры активность 4 Ки, рентгеновский аппарат до 300 кВ, 3 мА аппарт аппарат до 200кВ, 6мА

Радиационная Производите 0,ЗмР/ч на 0,5мР/ч на рас- Производителем

безопасность лем не дек- 1 м сзади стоянии 5см от по- не декларируется

ларируется от системы верхности кабины

Общая масса 330 200 741 120

системы, кг

Возможности контроля различных материалов определяются двум* факторами: 1) относительным вкладом сечения комптоновского рассеяния ор в полное сечение |др; 2) численным значением полного линейного коэффициента ослабления ц.

-

✓

— - у - -м "г

/

/

Энергия першччлго юлучсгт* ЕО

Рис. 37. Зависимость энергии рассеянных квантов Е5 от энергии первичных квантов Е0 для углов рассеяния (}5=90о(1), 05=135° (2) и дх=180° (3).

В Таблице 2. приведены значения относительного вклада комптоновского

рассеяния в полный массовый коэффициент ослабления для энергии ЗООкэВ

и соответствующая толщина слоя насыщения Хнас=1/ц, где 1/ц - длина свободного пробега у-квантов.

Таблица 2. Е0=ЗООкэВ, угол рассеяния 135°

Материал (см2/( "р (смг/г) «V Рр Яо (см'1) Мр (см-') Толщина насыщения по первичной энергии Ео Толщина насыщения по энергии рассеяния Е* см см Толщина насыщения результирующая Х„„ (Е,=200кэВ) (см)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

А1 р=2,7 0,103 0,104 0,996 0,281 1,33 0,373 3.56 2,68 3,04

Ре р=7,8 0,1 о; 0,110 0,931 0,297 1,78 0,529 1.16 0,65 0,88

Органо-пластик р=1,2 0,120 0,113 0,942 0,153 1,27 0,194 6.53 5.15 5,68

Углепластик р=1,2 0,109 0,109 0,995 0,148 1,26 0,186 6.76 5,38 5,90

Си р=8.6 0,102 0,112 0,907 0,963 1,98 1,91 1.04 0,52 0,750

р=19 0,103 0,310 0,332 5,89 4,87 28,7 0.170 0,03 0,070

РЬ р=11 0,14" 0,373 0,388 4,16 5,07 21,1 0.24 0,05 0,096

и р=18,7 0,13" 0,476 0,288 8,90 5,23 46,6 0.11 0,02 0,045

Воздух р=0,0029 0,107 1,29 ю- 1,27 1,64-Ю-4 7752 6097 6300

Вода р=1 0,119 0,119 1,27 0,151 8.40 6,62 7,30

Бетон р=3,5 (ЗООкэВ) 0,107 (150юВ) 0,139 0,374 1,30 0,486 2.67 2,06 2,30

Если в качестве предельной энергии рассеянного кванта выбрать 200 кэВ (источник - Со60, Е0=660кэВ), то максимальная глубина контроля будет иметь

значения, приведенные в таблице 2. в графе Хиас(200кэВ).

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы, отвечающие целям проведенных исследований и практических приложений. Акты внедрения результатов диссертационной1 работы в организациях НИИ ЭРАТ, Государственный ракетный центр (КБ им. академика Макеева В.П.), НПО "Алтай", а также акты использования материалов диссертации в научно-исследовательских работах и учебном процессе в Томском политехническом университете.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Наиболее значимые публикации представлены в хронологическом порядке.

1. Горбунов В.И., Недавний О.И., Андреев М.Д,, Данилович А.Х., Гизатулин Г.Г, Капранов Б.И., Забродский В.А., Опокин В.И.. "Возможность контроля алюминиевых изделий обратно-рассеянным рентгеновским излучением". Дефектоскопия, № 5, 1973, с. 43 - 46 - конструирование детекторного блока, настройка, испытания установки.

2. Капранов Б.И., Мазинг В.Э., Мякинькова J1.B., Шаверин В.А.. "Вопросы толщинометрии одного из слоев в двухслойных коснтрукциях из композиционных материалов". Материалы совещания "Методы и средства неразрушающего контроля конструкций из композиционных материалов". Миасс, 1983 - разработка математической модели двухслойной конструкции, схемы вычислений.

3. Капранов Б.И., Мякинькова В.А., Шаверин В.А. «Радиоизотопная альбедо-толщинометрия полимерных покрытий на металлической основе». Дефектоскопия, №4, 1986, с. 10 - 15 - разработка схемы вычислений, обработка экспериментальных данных, формулировка результатов.

4. Капранов Б.И., Челядин A.M., Шаверин В.А., Фомин O.A., Явтушенко О.Я. Томографический контроль структуры неметаллических материалов и изделий из них с использованием комптоновского обратного рассеяния. Сб. докл. международной конференции «NDT-89», 1989, т. 2. - Пловдив, НРБ -формулировка идеи реконструкции, математического алгоритма.

5. Капранов Б. И., Челядин А. М., Бартошко В.А., Шаверин В.А. Принципиальные трудности и пути их решения в томографии на комптоновском обратном рассеянии. - 11-я нац. конференция по диагностике и неразрушающсму контролю материалов. - Сб. докл. T.I. - Варна, НРБ, 1990 - анализ существующих трудностей в комптоновской томографии.

6. Челядин A.M., Капранов Б.И. Коррекция ослабления излучения в томографии на комптоновском обратном рассеянии. - ПТО, 1991, № 9 - 10 -формулировка схема и алгоритма коррекции.

7. Челядин A.M., Капранов Б.И., Бартошко В.А., Горбань Ю. П., Шаверин В.А. Современное состояние и перспективы развития томографии на комптоновском обратном рассеянии. - ПТО, 1991, 9 - 10, с, 14 - 16 -анализперспектив развития комптоновской томографии.

8. Челядин A.M., Капранов Б.И., Шаверин В.А., Бартошко В.А., Горбань Ю.П., Фомин O.A. "Реконструкция распределения плотности в объекте по обратнорассеянному излучению". Сб. докладов межд. конф. по НМК, София, НРБ, 1990- предложение формы и размеров рассеивающего объема.

9. Капранов Б.И., Бартошко В.А., Горбань Ю.П., Фомин O.A., Челядин A.M., Шаверин В.А. "К вопросу создания радиационного вычислительного томографа на комптоновском обратном рассеянии для одностороннего неразрушающего контроля крупногабаритных изделий". Докл. 6 НТС "Состояние и перспективы развития методов и средств НК", М„ 1989 - формулировка методологии и структуры доклада.

10. Капранов Б.И., Челядин A.M. "Методы коррекции поглощения при комптоновской отражательной томографии". Сб. докл. Межд. конф. по неметаллам, М., 1991 - предложение метода двух энергий.

11. Капранов Б.И., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н, Чахлов В.Я., Челядин A.M., Бартошко В.А., Фомин O.A. "Томография на комптоновском обратном рассеянии. Состояние и перспективы. (Обзор)", Дефектоскопия № 10, 1994, с. 36 — 53 - формулировка структуры, содержания публикации, заключений по результатам анализа.

12. Kapranov В, Maklashevskyi V., Filinov V. "The analysis of multiple scattering contribution on the back-scatter X-ray testing". "Nondestructive Testing and Evaluation", v.10, 1995 - формулировка схемы вычислений, исходных данных, анализ результатов.

13. Капранов Б.И., Чанин Г.С., Варга В.В. "Цифровая обработка изображений в томографии на комптоновском обратном рассеянии". Сб. докладов 14 Российской HT конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", М., 1996, 23 - 26 июня - формулировка требований к комптоновским изображениям и задач их цифровой обработки.

14. Капранов Б.И., Маклашевский В.Я, Каксис Ю.А. "Возможности копьютерной томографии на комптоновском обратном рассеянии". Сб. докладов 14 Российской HT конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", М., 1996, 23 - 26 июня - сформулированы возможности комптоновской томографии применительно к объектам военно-воздушной техники.

15. Капранов Б.И., Шаверин В.А., Алхимов Ю.В, Варга В.В, Сидуленко O.A., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н. "Алгоритмы и програмное обеспечение комптоновского томографа "TomScan-200"". Известия ВУЗов, 1998 - предложен алгоритм реконструкции с использованием преобразования Фурье.

16. Капранов Б.И., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н., Челядин A.M., Варга В.В. "Анализ вклада многократного рассеяния в комптоновской томографии". "Контроль. Диагностика." Xsl, 1999 г., стр. 7-10 - участие в разработке алгоритма вычислений.

17. Капранов Б.И., Шаверин В.А., Варга В.В., Алхимов Ю.В., Сидуленко O.A., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н. "Алгоритмы и программное обеспечение комптоновского томографа "TomScan-200". Сборник трудов "Известия ТПУ", изд-во НТЛ, г. Томск, 1998г., стр. 111-127 с - предложен алгоритм реконструкции с использованием преобразования Фурье.

18. Kapranov B.I., Varga V.V. "Spatial resolution compton of systems" //Сб. докладов Korus'99 "Russian-Korean International Symposium on Science and Technology", Vol 2, Novosibirsk, 1999, June 22 - 25, p.672 - 676 - представлены данные для анализа.

19. Недавний О.И., Капранов Б.И., A.C. №56098, 1971 - оформление описательной части.

20. Грошев В.Я., Выстропов В.И., Андреев М.Д., Капранов Б.И., Забродский В.А., A.C. №185346, 1983 - формулировка формулы изобретения.

21. Капранов Б.И., Хрипунов JT.3., Забродский В.А., Иващенко В.А. A.C. №1143970, 1984 - формулировка формулы изобретения.

22. Гусев Е.А., Капранов Б.И., Симонова Т.А., Соснин Ф.Р., Доронин Г.С., Недавний О.И. A.C. №211993, 1984 - оформление описательной части.

23. Капранов Б.И., Ткаченко В.И., Юпенков В.А., Горелик Ф.Л., Яковлева JI.A. A.C. №219809, 1985-оформление описательной части.

24. Гусев Е.А., Леонов Б.И., Капранов Б.И., Соснин Ф.Р., Доронин Г.С.,

I lc.ianiiiiii О.И. A.C. №221260. 1985 - формулировка <|>орм\;ii,i и ¡обретения.

25. Капранов Ь.И.. Хафизон М.Х.. Пепеляев H.A.. Горячий Л.11.. Шаверин В.А.. Лччммкон ГЛ. A.C. №238792. 1986 - оформление описательной част.

26. Капранон Ь.И.. Ткачепко В.И.. Комамон 1.1 .. Юмеиков В.А.. Горелик Ф.Л.. Александров А.П.. 1>\ шуеи К).Г. A.C. №240890. I98(S - математическое oóoci i о ваи и с мс i ода.

27. Капранон Ь.И.. Великосельский С.Ф. "Устройство для стабилизации коэффициента усиления шинтилляциониого детектора". АС № 1345841. 1986 -предложена принципиальная схема и формул» изобретения.

28. Пысгрогюв В.И.. Капранон Ь.11. Ьартошков В.А. A.C. №1462102. 1988 - выполнены расчеты и описат ельная часть.

29. Капранон Н.И.. Гизагулнп 111.Р.. Гугович Ь.К "Устройство для измерения интенсивности излучения с ашомашческим вычитанием фона". АС № 1405519. 1988 - предложена принципиальная схема.

30. Чслялин A.M.. Горбань Ю.П.. Капранон Ь.И.. IНаверни В.А. Способ измерения распределения плотности. Ант. спил: № 1670999. - (iOlN. 9/24. 1991 -предложена схема и алгоритм сканирования.

31. Капранов Ь.И.. Силулеико O.A.. Маклашевекни В.Я.. Филинов В.11. "Способ измерения абсолютного значения плотности юла". llar. №2086954. 1997-проведепы вычисления и предложен а.н оритм реализации способа.

32. Мак.ташсвский В.Я.. Шаверин H.A.. Капранон Ь.И. "Способ формирования сигнала позпциошю-чу вствит олыюго ецшп илляциоиного детектра". Пат. №2102774. 1998 - предложен а. н оритм совместной обработки торцевых и бокового сигналов.

33. Капранов Ь.И.. Маклашевскии В.Я. Ilarein №2128818. 1999 -формулировка формулы изобретения.

Подписано к печати 16.10.2000г. Заказ № 310, Тираж 100 экз.

ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18 07.94. Типография ТПУ 634034. Томск, пр. Ленина, 30.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ В КОНТРОЛИРУЕМОМ ОБЪЕКТЕ В УСЛОВИЯХ ОДНОСТОРОННЕГО ДОСТУПА. КОМПТОНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ. СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 2 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОГО СИГНАЛА ОТ ОБЪЕМА КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ ПРИ СКАНИРОВАНИИ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ.

2.1. Модель однократного рассеяния.

2.1.1. Моноэнергетический источник.

2.1.2. Оптимизация энергии зондирующего излучения.

2.1.3. Источник с непрерывным спектром.

2.2. Оценка вклада многократного рассеяния.

Выводы.

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ОСЛАБЛЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ И ОТРАЖЕННЫХ ПУЧКОВ. ИНТЕГРАЛЬНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ. ВЫДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ.

3.1. Метод послойной коррекции.

3.2. Метод двух энергий.

3.3. Выделение границ и определение размеров неоднородности.

Выводы.

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПО ИНТЕГРАЛЬНЫМ АЛЬБЕДНЫМ ДАННЫМ.

4.1 Общая формулировка задачи.

4.2. Полиномиальное решение.

4.3. Решение с использованием преобразования Фурье.

4.4. Анализ апертурных функций РО.

4.5. Оптимальность апертурной функции РО в широком диапазоне плотностей.

Выводы.

ГЛАВА 5 ДЕТЕКТИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОМПТОНОВСКОЙ

ТОМОГРАФИИ.

5.1. Коллимационная система томографа Тот8сап-200. Исследование апертурной функции.

5.1.1. Поперечное сканирование.

5.1.2. Продольное сканирование.

5.2. Немеханические сканирующие системы для комптоновской томографии.

5.2.1. Позиционное сканирование.

5.2.2. Энергетическое сканирование.

Выводы.

ГЛАВА 6 АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОМПТОНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ.

6.1 Сканирующий однокоординатный двухканальный макет томографа на КОР.

6.1.1. Стабилизированный спектрометрический усилительный тракт.

6.1.2. Интенсиметр с автоматическим вычитанием фона.

6.1.3. Блок сбора данных предварительной обработки, управления режимами и индикации.

6.2 Томограф «Тот8сап-200». Основные узлы.

6.2.1. Источник стабилизированного излучения и блок питания томографа.

6.2.2. Схема управления сканером и сбора информации.

6.2.3. Программное обеспечение для обработки и представления данных.

6.4. Результаты предварительных испытаний.

6.5. Ситуация у конкурентов. Сравнение с аналогами.

6.6. Границы применимости.

Выводы.

Актуальность темы. Вычислительная томография (ВТ) находит все большее применение для целей неразрушающего контроля и диагностики. Наиболее развита трансмиссионная вычислительная томография, которая требует угла обзора 360°. Однако существует широкий класс задач, когда к объекту имеется только односторонний доступ.

Уникальным средством решения таких задач является томография на комптоновском обратном рассеянии, отмеченная на IV Европейской конференции по НМК как один из наиболее перспективных видов контроля. Интенсивные исследования в этом направлении ведутся в Германии, США, Англии, Франции, Италии, Индии. В России исследования по использованию обратно-рассеянного излучения для неразрушающего контроля начались с 1973 года в НИИ ИН ТПУ совместно с ДНИИТМ, КБЮ, ЮМЗ, НИИ ЭРАТ, Государственным ракетным центром г. Миасс.

Направления проводимых исследований - контроль конструкций и узлов авиа-, ракетно-космической техники, объектов химической и машиностроительной отраслей, судостроения и др. при одностороннем доступе.

Особенность таких конструкций состоит в том, что они представляют собой существенно неоднородные среды, имеют низкий атомный номер и, как следствие, значительный вклад рассеяния в проходящие потоки рентгеновского или у-излучения. С одной стороны это затрудняет использование методов трансмиссионной томографии из-за размытия, связанного с влиянием рассеянного излучения, с другой стороны - создает возможность использовать это рассеянное излучение для получения информации о внутренней структуре.

Исследования в этом направлении были начаты в отраслях, которые предъявляют наиболее жесткие требования к своим изделиям: -авиа-, ракетно - космическая техника, судостроение.

Наличие широкого класса изделий, контроль которых возможен только в условиях одностороннего доступа, актуализировал постановку проблемы повышения информативности радиационного контроля с использованием обратно рассеянного рентгеновского и гамма-излучения, базовой областью которой является комптоновская томография.

В настоящее время, в связи с достижениями трансмиссионной томографии и переходом к проектированию и эксплуатации средств неразрушающего контроля нового поколения в комптоновской томографии для полной реализации ее потенциальных возможностей все больше ощущается недостаток моделей, описывающих закономерности формирования радиационного сигнала (потока обратно -рассеянного излучения в детекторе) в процессе перемещения системы источник - детектор относительно объекта (сканирования). Это можно объяснить, прежде всего, неоправданным упрощением математического аппарата, используемого для описания процессов сканирования. Например, по отношению к неоднородностям, размеры которых превышают размеры рассеивающего объема возникла необходимость постановки задач, связанных с операциями определения положения границ неоднородностей и измерения их размеров. По отношению к неоднородностям размеры которых малы по сравнению с рассеивающим объемом - необходимость определить их плотность по интегральному сигналу из всего рассеивающего объема. В коррекции нуждаются и подходы к построению аппаратных и программных средств. Так стремление добиться увеличения разрешающей способности за счет уменьшения размеров зондирующих пучков оказывается бесперспективным при переходе к значениям пространственного разрешения порядка 0,1мм из-за уменьшения до исчезающе малых величин количества однократно рассеянных квантов, попавших в детектор и, следовательно, увеличении до недопустимого уровня статистической погрешности экспериментальных данных. Сдерживающим фактором является отсутствие математической модели сканирования, методик экспериментального измерения пространственной функции эффективности сканирующей системы, методов коррекции ослабления первичных и рассеянных пучков, учета вклада многократно рассеянных квантов.

Для решения поставленной проблемы в первой главе диссертации изучаются закономерности формирования радиационного сигнала, создаваемого комптоновски рассеянными в заднее полупространство квантами, при перемещении системы коллимированный источник - коллимированный детектор относительно объекта контроля (при сканировании объекта контроля) и основанные на этом методы повышения пространдтвенной и плотностной разрешающей способности комптоновской томографии. Условия повышения характеристик комптоновской томографии исследуются применительно к материалам с атомным номером до г=24, плотностью до 2,7г/см3 и в диапазоне энергий до ЮООкэВ. Превалирование в этих материалах и при этих энергиях комптоновского рассеяния, линейная связь сечения рассеяния с электронной, а следовательно, и с объемной плотностью материала, достаточная для измерения интенсивности потоков излучения, рассеянного в пределах зоны пересечения первичного пучка и зоны чувствительности детектора (рассеивающего объема - РО) конечных размеров создают предпосылки для решения проблемы реконструкции распределения плотности с разрешением порядка 0,1мм при размерах РО до 50 мм3. Исследуемые в работе модели сканирования соответствуют реальным физическим процессам, оцениваемым по данным исследований на экспериментальных макетах.

Во второй главе приведены результаты исследований разработанной модели поперечного сканирования объекта с анализом вклада в общий сигнал однократно рассеянных квантов (сигнал) для излучений моноэнергетического и с непрерывным спектром и многократного рассеяния (шум).

Третья глава посвящена разработке методов и средств коррекции мешающего воздействия ослабления первичного и рассеянного излучений в элементах объема, не связанных с рассеивающим объемом. Представлены также разработанные методы восстановления распределения плотности в элементарных объемах, размеры которых сравнимы с размерами рассеивающего объема (интегральная и реконструкция), и методы определения положения границ и размеров неоднородностей.

Основная часть решения проблемы реконструкции распределения плотности с высоким пространственным разрешением (порядка 0,1-^0,Змм) по интегральным альбедным данным изложена в главе 4. Решение сформулировано на математическом уровне, доведено до программной и практической реализации.

В пятой главе приведены результаты исследований по созданию новых детектирующих систем для комптоновской томографии, обладающих большей информационной способностью, чем известные до сих пор.

В шестой главе описаны разработанные при непосредственном участии автора аппаратно-программные средства практической реализации разработанных идей и методов.

Актуальность исследований и приоритет НИИ ИН ТПУ в этом направлении в России и вклад автора в его развитие подтверждаются тем, что доклад о результатах исследований по комптоновской томографии на 15-ой Российской конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" 28.06-2.07.99г. (г. Москва) признан лучшим.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Применительно к альбедной комптоновской томографии определены пространственно-энергетические характеристики полей фотонного излучения в контролируемой среде, выявлены информативные признаки и разработаны алгоритмы, необходимые для реализации принципа реконструкции изображения внутренней структуры объекта при одностороннем доступе к его поверхности.

2. Разработан метод реконструкции исходного распределения плотности в объекте по набору интегральных альбедных данных, обеспечивающий пространственное разрешение примерно в 20 раз меньше размеров рассеивающего объема.

3. Изучены закономерности, получены математические соотношения, описывающие поведение пространственной точечной функции эффективности коллимационной системы (апертурной функции коллимационной системы) при поперечном и продольном сканировании объекта в диапазоне энергий до 1 МэВ и плотностей до 2,7 г/см3. Впервые показано, что качество реконструкции распределения плотности по интегральным альбедным данным полностью определяется точностью определения формы апертурной функции.

4. Разработан метод энергетического сканирования, позволяющий использовать неколлимированный детектор, что увеличивает эффективность использования источника излучения более чем на два порядка.

5. Разработана физико-математическая модель поперечного и продольного сканирования объектов рассеивающим объемом конечных размеров с регистрацией излучения комптоновски рассеянного в заднее полупространство и обоснована структурная схема альбедного томографа.

6. Сформулированы математические закономерности для определения параметров источника первичного излучения, при которых обеспечивается максимальный выход обратно рассеянного излучения с глубины до 40мм при плотности материала контролируемого изделия до 2,7 г/см3.

7. Разработан алгоритм определения плотности верхнего слоя изделия по значению первого максимума сигнала, получаемого при поперечном сканировании.

8. Показано, что в геометрии узких пучков, во всем диапазоне энергий и глубин сканирования, вклад многократного рассеяния составляет 20% сигнала, что приводит к необходимости его обязательного учета, причем 90% рассеянных квантов собираются из зоны, диаметр которой равен пяти диаметрам апертуры пучка.

Новизна полученных результатов подтверждается тем, что ряд технических решений, в основу которых они положены, признаны изобретениями. Их достоверность обеспечена использованием современной измерительной аппаратуры и корректных методов прикладной математики.

Практическая ценность диссертационной работы определяется ее теоретико-прикладной направленностью, ориентированной на применении в радиационной дефектоскопии. На основании изученных закономерностей сформулированы общие требования и рекомендации по конструированию систем комптоновской томографии. Реализация разработанных закономерностей и методов позволила приблизить технические параметры систем комптоновской томографии к уровню мировых стандартов, а по некоторым параметрам (пространственное и плотностное разрешение) превзойти их. К практической ценности можно также отнести следующее:

1. Разработаны оригинальные, подтвержденные авторскими свидетельствами, схематические узлы для радиометрического измерительного тракта, удовлетворяющего высоким метрологическим требованиям комптоновских систем.

2. Разработана конструкция аксиально-координатного детекторного блока, обеспечивающего немеханическое сканирование объекта контроля в поперечном направлении с фильтрацией мешающего воздействия ослабления потока рассеянного излучения в материале изделия.

3. Создан опытный образец комптоновского томографа «Тот8сап-200», по пространственному плотностному разрешению превышающий характеристики известных аналогичных систем.

На защиту выносится совокупность установленных закономерностей формирования радиационного сигнала в многодетекторных системах контроля в условиях одностороннего доступа, математическая модель формирования изображения внутренней структуры материала, алгоритмы обработки информации, аппаратно-программный комплекс реализующий установленные закономерности.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в НПО "Алтай", г. Бийск; НИИ ЭРАТ, г. Люберцы Московской обл.; Днепропетровский НИИ технологии машиностроения, г. Днепропетровск; Государственный ракетный центр (КБМ им. академика Макеева В.П.), г. Миасс Челябинской обл.; ЦНИИ специальных материалов, г. Хотьково Московской обл.

Материалы диссертации применены в научно-исследовательских работах, проводимых в НИИ интроскопии ТПУ, г. Томск. Научные результаты, полученные в диссертации, используются в курсах "Радиационный контроль и диагностика", "Обработка сигналов в акустике и интроскопии", предназначенных для студентов, обучающихся по специальности 190200 - Приборы и методы контроля качества и диагностики.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

- научно-техническом совещании "Методы и средства неразрушающего контроля конструкций из композиционных материалов", г. Миасс, 1983г.

- международной конференции "ШТ-89", г. Пловдив, НРБ, 1989г.

- 6Ш научно-техническом совещании "Состояние и перспективы развития методов и средств НК", г. Москва, 1989г.

12

- международной конференции "N01-90", г. София, НРБ, 1990г.

- международной конференции по неметаллам, г. Москва, 1989г.

- *"|зш международном конгрессе \Л/ЕШТ", г. СанПауло, Бразилия, 1992г. научно-технической конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии", г. Москва, 1994г.

14ш российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", г. Москва, 1996г.

- "Российско-корейском международном симпозиуме по науке и технологии", г. Новосибирск, 1999г.

- 15ш российской конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", г. Москва, 1999г.

По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ и 18 публикаций в трудах конференций (доклады и тезисы докладов).

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 187 наименований. Основная часть диссертации изложена на 262 страницах машинописного текста. Работа содержит 123 рисунка.

Выводы

1. Для проведения экспериментальных исследований характеристик поля обратно-рассеянного излучения, отработки схем сканирования, алгоритмов обработки информации, программного обеспечения созданы экспериментальные модели однокоординатных макетов комптоновских томографов.

2. Для преодоления трудностей, являющихся типичными в задачах с использованием обратно-рассеянного излучения (слабая статистика потоков квантов в детекторе), разработаны оригинальные схемные узлы электронного тракта, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами: стабилизированный спектрометрический усилительный тракт (A.C. №1345841) и интенсиметр с автоматическим вычитанием фоновых потоков (A.C. №1405519).

3. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований создан опытный образец томографа "TomScan-200", являющийся единственным отечественным комптоновским томографом.

4. Разработанное и используемое в томографе программное обеспечение позволило впервые реализовать на практике режим реконструкции распределения плотности с высоким пространственным разрешением (0,3x0,Змм) по массиву альбедных данных, получаемых из рассеивающего объема величиной до 50мм3.

5. По характеристикам пространственного и плотностного

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в данной работе в соответствии с поставленными целями и задачами, позволяют сформулировать основные результаты в следующем виде:

1. Разработана математическая модель для описания закономерностей поведения радиационного сигнала в процессе сканирования контролируемого объекта рассеивающим объемом конечных размеров, адекватно описывающая реальные геометрии контроля в условиях одностороннего доступа;

2. Получены аналитические соотношения, позволяющие вычислять оптимальную энергию зондирующего излучения для различных глубин залегания и плотностей, а также для вычисления плотности верхнего слоя при поперечном сканировании по первому максимуму сигнала;

3. Показано, что при использовании в качестве источника излучения рентгеновской трубки оптимальным является нормальное падение первичного пучка и угол рассеяния 135°, что обеспечивает возможность создания многодетекторных систем регистрации;

4. Показано, что во всем диапазоне энергий и глубин залегания многократное рассеяние на 90% собирается из зоны, диаметром равным пяти диаметров апертуры пучка и составляет 20% сигнала, что приводит к необходимости обязательно его учета в системах, использующих обратно рассеянное излучение;

5. Показано, что для коррекции ослабления первичного и рассеянного излучений могут быть использованы физические способы. Разработаны два таких способа: Итерационный способ, основанный на измерении плотности верхнего эталонного слоя и пошаговом вычислении плотностей последующих слоев с учетом плотностей предыдущих слоев и способ двух энергий, основанный на изменении позиций источника и детектора при одновременной смене энергии источника излучения. Обеспечивается абсолютная коррекция ослабления на пути из РО до детектора и итерационная коррекция ослабления на пути от источника до РО;

6. Разработана конструкция детекторного блока, реализующая способ 2- энергий;

7. В рабочем диапазоне энергий и плотностей разработана сканирующая функция, обеспечивающая измерение размеров неоднородности независимо от условий контроля, т.е. энергии зондирующего излучения и плотности материала неоднородности. Разработанный метод и алгоритм обеспечивают погрешность такого измерения не более ±0,1 мм в диапазоне энергий от 20 до ЮООкэВ и для материалов с плотностью до 2,7г/см3;

8. Показано, что апертурная функция сканирующей системы деформируется на участках перехода через границы неоднородности и при движении внутри изделия за счет ослабления первичного и рассеянного излучений в пределах рассеивающего объема. Эта деформация может составлять до 15% по сравнению с геометрической формой;

9. Показано, что единственная возможность повысить пространственное разрешение комптоновской томографии до значений порядка 0,1 мм состоит в представлении сигнала в детекторе как свертки искомого распределения плотности в объекте с апертурной функцией рассеивающего объема, сканировании объекта с шагом не более требуемого разрешения и получении массива интегральных альбедных данных, решении интегрального уравнения свертки относительно функции распределения плотности;

10. показано, что пространственное разрешение на уровне 0,3мм при размере РО порядка 8мм может быть достигнуто с применением преобразования Фурье для реконструкции, причем разрешающая способность и погрешность реконструкции целиком определяется соответствием используемой в вычислениях апертуры РО реальной апертуре сканирующей системы. Для получения пространственного разрешения 0,1^-0,Змм и плотностного разрешения 2-=-5% используемая в вычислениях апертура должна соответствовать реальной с отклонением не более 1%;

11. На основе использования полученных закономерностей разработана геометрия и конструкция сканирующей системы комптоновского томографа "Тот8сап-200" и оптимизированы параметры коллиматоров;

12. Разработана конструкция и алгоритмы функционирования позиционно-чувствительного детектора высокого разрешения свободного от погрешностей, связанных со случайным характером процесса фотопоглощения гамма-кванта в объеме детектора;

13. Разработан метод энергетического сканирования, основанного на пошаговом увеличении энергии первичного излучения и послойном вычислении плотности, использующий неколлимированный детектор и повышающий эффективность использования источника излучения более чем на два порядка;

14. Для проведения экспериментальных исследований характеристик поля обратно-рассеянного излучения, отработки схем сканирования, алгоритмов обработки информации, программного обеспечения созданы экспериментальные модели однокоординатных макетов комптоновских томографов;

15. Для преодоления трудностей, являющихся типичными в задачах с использованием обратно-рассеянного излучения (слабая статистика потоков квантов в детекторе), разработаны оригинальные схемные узлы электронного тракта, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами;

16. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований создан опытный образец томографа "Тот8сап-200", являющийся единственным отечественным комптоновским томографом;

17. Разработанное и используемое в томографе программное обеспечение позволило впервые реализовать на практике режим реконструкции распределения плотности с высоким пространственным разрешением (0,3x0,Змм) по массиву альбедных данных, получаемых из рассеивающего объема величиной до 50мм3.

По характеристикам пространственного и плотностного разрешения томограф "Тот8сап-200" превышает параметры известных систем подобного класса.

Анализ перспектив применения полученных научных и практических результатов позволяет говорить о возможности их использования для развития методов и средств радиационного контроля в условиях одностороннего доступа при решении задач, возникающих в различных отраслях промышленности, по диагностированию состояния ответственных объектов и определения ресурса их возможной эксплуатации.

В заключении автор выражает глубокую признательность научному консультанту д.т.н. профессору Кулешову В.К. за постоянную поддержку самой работы и процесса ее оформления, всему коллективу лаборатории 82 НИИ интроскопии ТПУ за всестороннюю помощь в теоретической и экспериментальной работе, сотрудникам кафедры "Физические методы и приборы контроля качества" ТПУ за интерес к работе, помощь в решении математических и технических вопросов, студентам кафедры ФМПК, принимавших участие в разработке отдельных вопросов по тематике диссертации.

Практическая реализация была бы невозможна без творческой инженерной мысли с.н.с. лаб. 82 НИИ ИН ТПУ Шаверина В.А., а завершение и оформление работы без участия аспирантов Варга В.В., Чанина Г.С., Короткова М.М., Баженовой И.Б., Сергуновой Н.В.

Выражаю признательность также ведущим сотрудникам Днепропетровского НИИ технологии машиностроения Бартошко В.А., Челядину A.M., по чьей инициативе в НИИ ИН ТПУ были начаты исследования в области комптоновской томографии и их финансирование, Государственного ракетного центра г. Миасс Кутаеву Ю.М., Андрееву М.Д., Иващенко В.А., ЦНИИ спецматериалов г. Хотьково Московской области Раппопорту Д.А., Мякиньковой JIB. за поддержку и участие в проводимых работах. Значительный вклад в обсуждение работ, формирование идеологии исследований, а также их финансирование внесли НИИ ЭРАТ, Маклашевский В.Я., и МНПО "СПЕКТР", Филинов В.Н.

Большую признательность выражаю также администрации НИИ ИН ТПУ за поддержку исследований при наличии голодного финансирования.

1. Капранов Б.И., Дель В.Д., Красноженов В.П. "Исследование характеристик рассеянного излучения в узких геометриях". Материалы конференции "Молодые ученые и специалисты Томской области в 1. пятилетке". Томск, 1975. - 8с.

2. Горбунов В.И., Недавний О.И., Андреев М.Д,, Данилович А.Х., Гизатулин Г.Г, Капранов Б.И., Забродский В.А., Опокин В.И. "Возможность контроля алюминиевых изделий обратно-рассеянным рентгеновским излучением". Дефектоскопия, №5, 1973, с. 43-46.

3. Капранов Б.И., Великанов В.Е., Глазков В.А. "Радиационная альбедо-толщинометрия покрытий". Материалы конференции "Молодые ученые и специалисты томской области в IX пятилетке". Томск, 1975. -4с.

4. Недавний О.И., Капранов Б.И., A.C. №56098, 1971.

5. Капранов Б.И., Хрипунов Л.З., Забродский В.А., Иващенко В.А. A.C. №1143970, 1984.

6. Грошев В.Я., Выстропов В.И., Андреев М.Д., Капранов Б.И., Забродский В.А., A.C. №185346, 1983.

7. Капранов Б.И., Бартошко В.А., Иващенко В.А., Назаров H.A. "Приборная реализация рентгенофлуоресцентного метода контроля покрытий на подложках из композиционных материалов. Миасс, 1983.

8. Капранов Б.И., Димитриенко И.П, Мякинькова Л.В. "Измерение толщины теплозащитных покрытий в корпусах из полимерного материала". М.: ЦНТИ "Поиск", "ПТО" №9, 1982. с. 31-35.

9. Капранов Б.И., Мякинькова В.А., Шаверин В.А. «Радиоизотопная альбедо-толщинометрия полимерных покрытий на металлической основе». Дефектоскопия, №4, 1986, с. 10-15.

10. Капранов Б.И., Хафизов М.Х., Пепеляев В.А., Горячий

11. A.П., Шаверин В.А., Лучников Т.Л. A.C. №238792, 1986.

12. Капранов Б.И., Ткаченко В.И., Юпенков В.А., Горелик Ф.Л., Яковлева Л.А. A.C. №219809, 1985.

13. Гусев Е.А., Капранов Б.И., Симонова Т.А., Соснин Ф.Р., Доронин Г.С., Недавний О.И. A.C. №211993, 1984.

14. Гусев Е.А., Леонов Б.И., Капранов Б.И., Соснин Ф.Р., Доронин Г.С., Недавний О.И. A.C. №221260, 1985.

15. Капранов Б.И., Ткаченко В.И., Команов Г.Г., Юпенков

16. B.А., Горелик Ф.Л., Александров А.Н., Бушуев Ю.Г. A.C. №240890, 1986.

17. Стародубцев C.B. Полное собрание научных трудов. T.II, кн. 2: Взаимодействие излучений с веществом. Ташкент: ФАН, 1970. -378с.

18. Булатов Б.П., Андрюшин II.Ф. Обратнорассеянное гамма-излучение в радиационной технике. М.: Атомиздат, 1971. -240с.

19. Гусев Н.Г., Кимель Л.Р. и др. Защита от ионизирующих излучений. Под ред. Гусева Н. Г. Т. 1. М.: Атомиздат, 1973. -344с.

20. Реконструктивная вычислительная томография. ТИИЭР. М.: Мир, 1983, т. 71, № 3, - 191с.

21. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. Основы, реконструктивной томографии. М.: Мир, 1983. - 350с.

22. Введение в томографию. Под ред. Синькова М.В. — Киев: Наукова думка, 1986.—320с.

23. Клюев В.В., Вайнберг Э.И., Козак И.А., Курозаев В.П. Вычислительная томография новый радиационный метод неразрушающего контроля. I, II. - Дефектоскопия, № 3, 1980, с. 42 -60.

24. Клюев В.В., Филинов В.Н. Промышленная рентгеновская томография. Состояние, тенденции. Приборы и системы управления. 1987, № 6, с. 15—23

25. Lale P.G. The examination of internal tissues, using gamma ray with a possible extention to megavoltage radiography. -Phys. Med. Biol., 1959, 4, p. 159 166.

26. Krebs A., Kedem D., Kedem Dr. Detection of imperfection by means of narrow beam gamma scatting. — Mater. Eval., 1975, 33, p. 243 - 245,

27. Clarke R. e.a. The use of Compton scattered Gamma rays for tomography. Invest. Radiol, 1977, 11, p. 225 - 235.

28. Garnett E.S., Kennet T.J., Kenyon D.B., Webber C.E. M. Phil, A photone scattering technique for the mesurement of absolute bone dansity in man. Radiology, 1973, 106, p. 209 - 212.

29. Olkkoren H., Kazjalarnen P. Private Communication. -British Journal of Radiology, 1974, 48, p. 594 597.

30. Segebate C., Dudzus T. Materialpruf, 1976, 18, p. 8890.

31. Архипов Г.А. и др. Исследование рассеянного гамма-излучения для обнаружения внутренних дефектов в материалах. -Дефектоскопия, 1976, № 12, с. 272 275.

32. Капранов Б.И. «Экономичная полупроводниковая измерительная схема сцинтилляционного детектора». Приборы и техника эксперимента, №5, 1973.

33. Капранов Б.И., Гизатулин Ш.Р. «Схема стабилизации коэффициента усиления каскада с фотоэлектронным умножителем». Приборы и техника эксперимента, №5, 1973.

34. Guzzardi R., Mathlen Е., Cavallier J.F., Ascienary S., Barritault L.V. La tomographie par diffusion Compton (revue general des technique). J. Fr Biophys. Et Med. Nucl., 1977, 3, p. 291 - 296.

35. Капранов Б.И., Овчаренко A.M., Недавний О.И. "Представление случайного процесса на выходе сцинтиллиционного детектора". -Дефектоскопия, №5, 1973.

36. Капранов Б.И., Гизатулин Ш.Р. "Стабилизация усилительного тракта в приборах с отраженным излучением". Сборник трудов ЛДНТИ, 1974.

37. В.3.2042009, G01T 9/24. «Система для неразрушающего измерения плотности веществ живых объектов посредством проникающего излучения». Siemens A.G. Публ. 11.07.74г., ФРГ.37. Пат США, 3904.530.38. Пат. США, 2117022.

38. В. 3.2544354, G01N. «Способ определения плотности некоторых объектов при помощи проникающего излучения иустройство для его осуществления». Siemens A.G. Публ. 78 г., ФРГ.

39. П. 4123654, G01N 23/20. «Способ определения плотности тел с помощью рассеянного излучения и устройство для осуществления этого способа». Публ. 31,10.78г., США.

40. В. 3.2713581, GOIN 9/24. «Устройство для получения изображения сечения тела с помощью рассеянного гамма или рентгеновского излучения». - Philips. Публ. 78 г., ФРГ.

41. Pang S.C., Genna S. The effect of Compton scattered photons on emission computerized transaxial tomography. JEEE Trans. Nucl Science, 1978, NS-25.

42. Pistolessi M. e.a. Chest Tomography by gamma camera and external gamma sourse. Journ of Nucl. Med, 1978, 19, p. 94 -97.

43. Guintini C., Guzzardi R., Pistolessi M., Solfanelli S. Evaluation of a sistem for 90 Compton scattering tomography. Prog. Res., 1979, 11, p. 76-83.

44. Harding G. Towods improved image quality in Compton scatter tomography. XII Int. Conf on Med and Biol Engin. -Jerusalem, Aug. 1979, Pt. IV, N 82, p. 3.

45. Clarke R.L., Miln E.N. C., Van Dyk G. The use of Compton scattered gamma rays for tomography. Investigative Radiology, 1976, 11, May - June, p. 225 - 235.

46. Patton J. e.a. Techniques for X-ray fluorescence tomography. IEEE Trans Nucl, Sci., 1980, NS-27, p. 421 - 469.

47. Bridge B., Harirchian P., Imrie D.C., Mehrabi J., Meragi A R. Preliminary experiments with an automated three-demensional Compton imaging system using a weak Barium 133 source. - Brit. J. NDT, 1980, p. 134- 139.

48. Towe B.S., Jacobs A.M. X-rays backscatter imagine.— IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1981, BME-28, Sep., p. 646 654.

49. Bridge B. Offshore underwatter applications of ionising radiations; a theoretical study of the relative performance of film and arrage of small aperture radiations detectors. Report N 799/797/267 (Brunei Industrial Services Buream), December, 1981.

50. Weber H„ Tripe A.P. e.a. REPORT 8155-033-01. JRT Corp. San Diego, C.A. July, 1979.

51. Costello D.G., Dikerson J.M. e.a. Automated inspection device for explosive charge in shell (AIDECS). IRT 4637 002, Nat Fall. Conf. ASNT. Huston. - Texas, p. 11 - 24, Oct. 1980.

52. Gautam S. R., Hopkins F.F., Klinksick R., Morgan J.J. Compton interraction tomography I. Feasibility studies for application in earthquake engineering. JEEE Trans. Nucl. Science, 1983, NS-30, N2, p. 1680—1684.

53. Batista J.J., Bronskill M. Compton scatter imaging of transverse sections an overal appraisal and evaluation for Radiotheraphy planning. Phys. Med. Biology, 1981, 26, p. 81 - 99.

54. Dresser M.M., Kno11 G.F Results of scattering in radioisotop imaging. JEEE Trans. Nucl. Science, 1973, NS-20, p. 266 -272.

55. Guzzardi R., Mey M. Puther appraisal and improvements of 90 Compton scattering tomography of the lung. Phys. Med. Biol, 1981, 26, p. 155-161.

56. Kowalski G. New Methods for X-ray testing. Proceedings of to 4-th International Conference on Nondestructive Evaluation in Nuclear Industry. - Linday, Ger., 1981, p. 25 - 27.

57. Harding G. X-ray imaging with scattered radiation. IEEE Trans. Nucl. Science, 1982, 29, p. 1260.

58. Rogers W.G., Clintorne N. H. e.a. Feldflood requirements for emission computed tomography with an Anger camera. J. Nucl Med., 1982, 23, p. 162-168.

59. B.3.3037621, G01T 1/29. «Просвечивающее устройство для съема слоевых изображений трехмерного объекта,». Phil. Pat. GMBH. Публ. 27.05.82г., ФРГ.

60. В.3.3031949, G01T 1/29. «Устройство для исследования с помощью рассеянного излучения для определения внутренних структур объекта». Phil. Pat. GMBH. Публ. 1.04.82г. ФРГ.

61. В.3.3035524, G01T 1/29. «Устройство для исследования объекта с помощью рассеянного излучения». Phil. Pat. GMBH. Публ. 6.05.82г., ФРГ.

62. В.3.3120567, G01T 1/29. «Устройство для исследования объекта с помощью рассеянного излучения». Phil. Pat GMBH. Публ. 20.01.83г., ФРГ.

63. В 3.2425649, G01T 1/29. «Устройство для определения пространственного распределения поглощения излучения в объекте по слоям». Публ. 11.01.80г., Франция.

64. В.3.3035524, G01T 1/29. Устройство для просвечивания с регистрацией рассеянного излучения. Phil. Pat. GMBH. Публ. 25.08.80г., ФРГ.

65. В.3.2944147. Г01Т 1/29. Устройство для получения распределения плотности в плоской области исследования при регистрации рассеянного излучения. Phil. Pat. GMBH. Публ. 14.05.81 г., ФРГ.

66. В 3.2484824, А61В 6/00. «Устройство для визуализации слоев тела с помощью монохроматического излучения». Публ. 25.12.81г., Франция.

67. Tishlen J., Harding R.G., Fisher R.H. Tomographie auf der gruslage Compton von Rontgenstruklen. Phys. Bul„ 1983, 39, p. 146 -150.

68. Tripe A.P., Marlowe H.B. AIDECS-second generation system. Perspectives, 1983, 5, N 3, p. 2 - 6, Sept.

69. Guzzardi R., Zito M., Mey M. Compton tomographic imaging: design aspects and performance. In Diahnostic Imaging in Medicine, 1983, p. 176 - 193.

70. Reimers P., Gilboy W.G., Goebbles J. Resent development in the industrial of computerized tomography with ionizing radiaion. NDT International,1. 1984. 17, N4, p. 197-207.

71. Holt R.S., Cooper M.J., Jacson D.F. X and Y-ray imaging techniques. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Research, 1984, 221, p. 98- 104.

72. N.4821304, Апрель, 1989г. Методы детектирования и аппаратура для неразрушающего контроля материалов с помощью радиации. GOIN 23/201, GOIN 23/203, Michael Danos.

73. Boyle М. Resent development in advanced NDT techiques. -Mater. Eval,1985. N43.

74. Guzzardy R., Mey M., Zito F. State of art of Compton tomography and application to object recognition. In Proceeding of the 17-th Annual conference of the IEEE Engineerings in medicine and biology society, 1985, p. 934 - 937.

75. Cappellini V., Guzzardy R., Licitza G. A new 3.D object recognition technique using Compton tomography. Presented of the conference an advances in image processing and pattern recognition. - Piza, Italy, 1985, 10- 12 Dec.

76. Cooper M. G. Compton Scattering and electron momentum determination. Report Progress Physics, 1985, N 48, p. 415 - 481.

77. Преображенский Н.Г., Толпина С.П., Филинов B.H. О некоторых возможностях комптоновской томографии. Тезисы 2-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, 1985, с. 133-134.

78. Преображенский Н.Г., Толпина С.П. Спектротомография в пространстве импульсов на основе комптоновского рассеяния. В кн.: Линейные и нелинейные задачи вычислительной томографии. - ВЦ СО АН СССР, 1985, с. 132-141.

79. Толпина С.П Алгоритмы комптоновской томографии в дефектоскопии. УДК 620.179.5.

80. Bridge В., Gunnell J., М., Imrie D.C., Olson N.J. The use of Compton backscatter imaging for the detection of corrosion pitting inoffshore strucure. Physical Department, Uxbridge, Middlesex,UB8, 3PH NDT, Commun. 2, 1986. p. 103 -113.

81. П. 4495636, GOIN 23/20. Способ многоканальной радиографии с помощью рассеянного излучения. Публ. 22.01.85 г., США.

82. Bjorkholm P.J. ZT imaging system for layered thin wall structures. American Science a. Eng. Inc. - Cambridge, Massachusetts, 1988, May.

83. Harding G. e.a. Compton backscatter tomography of low atomic number materials with the suprass system. NDT Proceedings of the 4-th Europeane Conference. - Ld. 13-18 Sept., 1987.

84. Kosanetzky J., Harding G.H., Fischer K.H., Meyer A. Compton backscatter tomography of low atomic number materials with the surpass system. Philips Forschungs laboratorium. - Humburg, 1991.

85. Babot, D., Berodias G., Ma1o P., Peix G. Controle, caracterisation et dimensionnement par diffusion Compton de rayons X ou gamma. Composites, N 2, Mars - April, 1989.

86. Bridge B. Compton scatter imaging with low strength sources; for the inspection of small components of continuous monitoring applications. Brit. J. NDT, 28.

87. Shridhar R., Gadre, SubhasJ. Chakravatzy. Compton profiles of atomes from electron densities via reciprocal form-factors. -Proc. Indian Acad Sci. (Chem. Sci.), 1986, 96, N 3, 4, p. 241 248.

88. Bussard R.W., Alexander S.B., Meszaros P. One- and two-photon Compton scattering in strong magnetic fields. Phys. Rev., D., 1986, 34, N2, p. 13.

89. Das G., Padhi H.C. Directional Compton profile studies in KC1. J. Phys. C. Solid State Phys., 1987, 20, p. 5253 - 5260.

90. Panda В К., Mahapatra D.P., Padhi H.C. An RFA model calculation of the Compton profile of TiC. J. Phys. Sol, State Phys., 1987, 20, p. 5415-5420.

91. Mishra R.R., Singru R.M. Density Functional calculation of Compton profiles of metals using phase-space approach, Sol State Comm., 1987, 64, N 11, p. 1387- 1388.

92. Kersaw D.S. A Fast method of computing the integrals of the relativistic Compton scattering kernel for radioactive transfer. J. Quant Spectr. Rad. Transf, 1987. 38, N 5, p. 347 - 352.

93. Hanson A.L. A easy and accurate approximation to the integrated Compton cross section for the scattering of palarized X-rays into an arbitrary placed circular aperture. N. Instr. and Meth. in Phys. Res., 1988, A264, p. 484-487.

94. Bridge В., Harirchian F., Imrie D.C., Mehraby J., Meragi A.R. Isotermic representation of data obtained using a Compton gamma-ray scanner. NTC, 1988, 4, p. 1 -10.

95. Чанин Г.С. Алгоритм цифровой обработки изображений в рентгеновской томографии на обратно-рассеянном (комптоновском) излучении. Тезисы конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии 94", М.: 1994.

96. Alemis М., Bjokholm P. A tomographic backseatter technique for nondestructive evaluation. American Science a Eng Inc. - Cambridge, Massachusetts, 1988, May.

97. Berodias G., Peix G. Nondestructive mesurement of density and effective atomic number by photon scattering. Mater. Evaluation, 1988, 46, N 9, p. 1200 - 1213.

98. Guzzardi R., Licitza G. A critical review of Compton imaging (CRC Press Inc., in press, Roca Raton, 1987).

99. Guzzardi R., Licitza G. Principles and applications of Compton tomography for IN VIVO imaging. N. Sci. Appl., 1988, 3, p. 77 - 96.

100. Battista J.J., Santon L.W., M. J. Bronsell. Compton scattering imaging of transverse section: corrections for multiple scatter and attenuations. Phys. Med. Biol., 1977, 22, p. 229 234.

101. Челядин A.M., Капранов Б.И. Коррекция ослабления излучения в томографии на комптоновском обратном рассеянии. -ПТО, 1991, №9-10.

102. Endo М. е.a. Physical caracteristics of Compton scatter tomography. Jap. Nucl. Med., 1979, 16, p. 181.

103. Bridge B. A theoretical feasibility study of the use of Compton back-scatter gamma-ray tomography (CBGT) for undewater offshore NDT. Brit. J. NDT, 1985, 27, p. 357 - 363.

104. Harding G., Tischler R. Dual energy Compton tomography. -Phys. Med. Biol., 1986, 31, N 5, p. 477 89.

105. Гусев E.A., Потапов В H., Карпельсон А.Е. Анализ характеристик сканирующих систем контроля, использующих обратнорассеянное излучение. Дефектоскопия, 1992, № 8, с. 79 -84.

106. Harding RG., Strecker А„ Tishier R. X-ray imaging with compton scatter radiation. Phys. Tech. Rev., 1983/84, 41, N 2, p. 46 -59.

107. Recent development in Compton tomography imaging of the lung and possible application to object recognition. JEEE Transaction on Nuclear Science, 1987, NS-34, N 3.

108. Berger H., Jones T.S., Cheng Y.T. An Electronic X-ray backscatter camera. Industrial Quality, 1991.

109. Strecker H. Scatter imaging of aluminium castings using an X-ray fan beam and pinrhole camera. Subst. to Mat. Eval, 1987.

110. Бейтс P., Мак-Доннел M. Восстановление и реконструкция изображений. М.: Мир, 1989. - 333с.

111. Физика визуализации изображений в медицине. Ч. 1., М.: Мир, 1991, 477с.

112. Strecker Н. Fan beam pinhole Compton scatter imaging in nondestructive testing. 10-th World Conference on NDT, 1987, p. 103 -113.

113. Lopes R.T., Anjos M.J. Determination of surface defects using Compton scattering of gamma-ray of 662 KeV. 12th World NonDestructive Testing Conference. 1989, p. 1276 1278.

114. R.S. Holt, M.J. Cooper. Non-destructive examination with a Compton scanner. British Journal of NDT. 1988, March, p.75 80

115. R.H. Bossi, K.D. Friddell, J.M. Nelson. Backscatter imaging. Materials evaluation/46/October, 1988, p. 1462 1467.

116. W. Roye, W. Niemann, K-H. Fischer. The X-ray backscatter tomography ComScan. International simposium on computerized tomography for industrial Application. Berlin, 1994.

117. E.C. Greenvald, Y.S. Ham, C.F. Poranski. Application of backscatter tomorgaphy. International Symposium on Computer Tomography for Industrial Applications. Berlin. 1995, p.354 361.

118. O.J. Omotosho, A. Plaskowski, M.S. Beck. Design and application of nucleonic sensor for multicomponent measurement. 2nd International Conference on Flow Measurement. London. 1988, p.233 258.

119. G. Harding. X-ray scatter imaging in non-destructive testing. International advance in nondestructive testing. 1985, vol.11, p. 271 -295.

120. W. Roye, W. Niemann, K.-H. Fischer. The X-ray backscatter tomography ComScan. International Symposium on Computer Tomography for Industrial Applications. Berlin. 1995, p. 136 -139

121. M. Martin, P. Bjorholm. A tomographic backscatter technique for nondestructive evaluation. 16-th symposium on nondestructive evaluation. 1987, p.272-281.

122. B. Bridge. A theoretical feasibility study of the use of Compton backscatter gamma-ray tomography for underwater offshore NDT. British Journal of NDT. 1985, November, p.357 363.

123. Кольчужкин A.M., Учайкин В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество. М.: Атомиздат, 1978, 257 с.

124. Holt R.S., Cooper M.J. Non-destructive examination with a Compton scanner. British Joarnal of NDT, March, 1988, p. 75 80.

125. Fletcher S. Compton fluorescence tomography. NDT Proceedings of the 4-th Europeance Conference. - Ld., 13 - 18, Sept. 1987.

126. Bridge В., Harirchion F., Imrie D.C., Mehrabi. J., Meradi

127. A.R. Experiments in Compton scatter imaging of materials with wideranging densities using low-activity gamma-sourse. - NDT, 1987, 20, N 6, p. 339 - 346.

128. Челядин A.M., Горбань Ю.П., Капранов Б.И., Шаверин

129. B.А. Способ измерения распределения плотности. Авт. свид: № 1670999. -G01N, 9/24. 1991.

130. Челядин A.M., Капранов Б.И., Бартошко В.А., Горбань Ю. П., Шаверин В.А. Современное состояние и перспективы развития томографии на комптоновском обратном рассеянии. -ПТО, 1991,9-10, с, 14-16.

131. Chelyadin A., Kapranow В., Bartoshko V. Compton backseatter tomography new higly effective method of NDT. - 13-th WENDT. Sao Paulo, Brasil, 1992, Oct.

132. T.S. Jones, Berger H. Application of nondestructive inspection methods to composites. Materials Evaluation/47/April 1989, p.390 400.

133. Berger H., T.S. Jones. Nondestructive testing of composite structures. 12-th world conference of non-destructive testing. 1989, p.1281 1285.

134. R.S. Holt, M.J. Cooper. Gamma ray scattering techniques for non-destructive testing and imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. North-Holland. 1984, p.98 - 104.

135. D.G. Costello, J.A. Stokes, A.P. Trippe. Theory and applications of collimated photon scattering. Nuclear instruments and methods 193 (1982), p.342 357.

136. Chmill V.B, Chuntonov A.V., Vorobiev A.P., Khludkov S.S., Koretstib A.I., Tolbanov O.P. Exploration of GaAs structures with ж-у function for coordinate sensitive detectors. Nuclear instruments & methods in physics research. Section a.

137. Bodette D.E., Jacobs A.M. Compton scatter tomography and its inversion using a few projections. Transactions of the American Nuclear Society, 1988, vol. 56, p.260

138. Капранов Б.И., Редько В.И., Ткаченко В.И., Пепеляев В.Я. "Вопросы исследования корреляционных связей неразрушающих методов контроля с микропараметрами композиционных материалов", Промышленно-технический опыт, №8, 1985.

139. Челядин A.M., Капранов Б.И., Шаверин В.А., Бартошко В.А., Горбань Ю.П., Фомин О.А. "Реконструкция распределения плотности в объекте по обратнорассеянному излучению". Сб. докладов межд. конф. по НМК, София, НРБ, 1990.

140. Капранов Б.И., Челядин A.M. "Методы коррекции поглощения при комптоновской отражательной томографии". Сб. докл. Межд. конф. по неметаллам, М., 1991.

141. Выстропов В.И., Капранов Б.И., Бартошков В.А. А.С. №1462102, 1988.

142. Капранов Б.И., Великосельский С.Ф. "Устройство для стабилизации коэффициента усиления сцинтилляционного детектора", АС № 1345841, 1986.

143. Капранов Б.И., Гизатулин Ш.Р., Гугович Б.К. "Устройство для измерения интенсивности излучения с автоматическим вычитанием фона", АС № 1405519, 1988.

144. Капранов Б.И., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н, Чахлов В.Я., Челядин A.M., Бартошко В.А., Фомин О.А. "Томография на комптоновском обратном рассеянии. Состояние и перспективы. (Обзор)", Дефектоскопия № 10, 1994, с. 36 53.

145. Kapranov В, Maklashevskyi V., Filinov V. "The analysis of multiple scattering contribution on the back-scatter X-ray testing". "Nondestructive Testing and Evaluation", v. 10, 1995.

146. Gree M.J., Bones P.J. Towards direct reconstruction from a gamma camera based on Compton scattering. IEEE Transactions on medical imaging, vol.13, june, 1994, p.398 407.

147. В.Ю. Чепель. Позиционно-чувствительные детекторы гамма-квантов низких энергий// Приборы и техника эксперимента. 1990, № 3. с.25-47.

148. В.А. Воробьев, В.А. Горшков, В.Б. Сырков. Оценка плотности материала по обратнорассеянному гамма-излучению//Дефектоскопия, 1993, №9, с. 33 35.

149. В.А Воробьев, В.А. Горшков, А.В. Бабков, К.В. Воробьев. Измерение интегральной плотности материала по обратнорассеянному гамма-излучению//Дефектоскопия, 1995, №7, с. 84 88.

150. В.А. Воробьев, В.А. Горшков. Реконструктивная томография на обратнорассеянном излучении//Дефектоскопия, №3, 19966 с. 77-84.

151. V.A. Gorshkov, V.A. Vorobjev, P. Arm, H. Reiter. Reconstruction of images measured in back scattering geometry. International Symposium on Computer Tomography for Industrial Applications. Berlin. 1995, p. 140 147.

152. B.A. Воробьев, В.А. Горшков. Гамма-томография на обратнорассеянном излучении //ЭВМ и микропроцессоры в системах контроля и управления: Сб. научн. тр./ МАДИ. М.,1996, с. 4-17.

153. В.А. Горшков. Реконструкция распределения плотности по полю обратнорассеянного рентгеновского излученияЮВМ и микропроцессоры в системах контроля и управления: Сб. научн. тр./МАДИ. М.,1996, с. 18-27.

154. В.А. Горшков, М. Майзл, X. Райтер. Рентгеновская томография на обратнорассеянном излучении//Международный симпозиум по исследованию и строительству в экстремальных условиях/Международная академия информатизации. М., 1996, с. 22.

155. В.А. Горшков, М. Кренинг, М. Майзл. Повышение разрешающей способности томографов на обратном рассеянии//14-я российская научно-техническая конференция. М.: 1996, с. 337-338.

156. Горшков В.А. "Реконструктивная томография на обратнорасеянном излучении", М.: МАДИ, 1996, 73с.

157. Ермаков С.М. "Метод Монте-Карло и смежные вопросы", М.: Наука, 1971.

158. Золотухин В.Г., Деев Г.Е. "Модификация метода Монте-Карло для расчета дифференциального потока нейтронов и гамма квантов. Метод Монте-Карло в проблеме переноса излучений", М.: Атомиздат, 1976, с. 53-60.

159. Сторм Э, Исраэль X. "Сечения взаимодействия гамма излучения", М.: Атомиздат, 1973, 252с.

160. Капранов Б.И., Маклашевский В.Я, Каксис Ю.А. "Возможности копьютерной томографии на комптоновском обратном рассеянии". Сб. докладов 14 Российской НТ конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", М., 1996, 23-26 июня.

161. Капранов Б.И., Чанин Г.С. "Цифровая обработка изображений в томографии на комптоновском обратном рассеянии". Сб. докладов 14 Российской НТ конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", М., 1996, 23 26 июня.

162. Капранов Б.И., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н. "Энергетическое сканирование в комптоновской томографии". Сб. докладов 14 Российской НТ конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", М., 1996, 23 26 июня.

163. Капранов Б.И., Шаверин В.А., Алхимов Ю.В, Варга В.В, Сидуленко O.A., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н. "Алгоритмы и програмное обеспечение комптоновского томографа "TomScan-200"". Известия ВУЗов, 1998.

164. Капранов Б.И., Сидуленко O.A., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н. "Способ измерения абсолютного значения плотности тела". Пат. №2086954, 1997.

165. Маклашевский В.Я., Шаверин В.А., Капранов Б.И. "Способ формирования сигнала позиционно-чувствительного сцинтилляционного детектора". Пат. №2102774, 1998 г.

166. Kapranov B.I., Varga V.V. "Spatial resolution compton ofsystems" //Сб. докладов Korus'99 "Russian-Korean International Symposium on Science and Technology", Vol 2, Novosibirsk, 1999, June 22 25, p.672 - 676.

167. Капранов Б.И., Маклашевский В .Я. Патент №2128818,1999.

168. Parish R.W., Cason D.W.J.// Private Communication. NDT International. 1977. - P. 181.

169. Ж. Макс Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т. 1. Основные принципы и классические методы. Пер. с франц. под ред. Н.Г. Волкова. -М.: Мир, 1983. стр. 18-29.

170. Капранов Б.И., Маклашевский В.Я., Филинов В.Н., Челядин А.М., Варга В.В. "Анализ вклада многократного рассеяния в комптоновской томографии". "Контроль. Диагностика." №1, 1999 г., стр. 7-10.

171. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимация нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии. -М.: Советское радио, 1965.-343 с.

172. Линдли К. Практическая обработка изображений. Пер. с анг.-М.: Мир, 1996.-510 с.

173. Фролов А.В., Фролов Г.В. Библиотека системного прораммиста. Т. 14. Графический интерфейс в MS WINDOWS. -M.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1994. -288 с.