способ измерения абсолютного значения плотности тела

Формула изобретения

Способ измерения абсолютного значения плотности тела, включающий в себя операции облучения тела в различных направлениях источниками коллимированного первичного гамма- или рентгеновского излучения с энергиями Е₁ и Е₂, регистрации вторичного излучения коллимированными детекторами D₁ и D₂ и вычисления по определенному алгоритму абсолютного значения плотности, отличающийся тем, что ориентируют оси коллиматоров источника с энергией Е₁ и детектора D₁ таким образом, чтобы они пересекались в точке, лежащей на внешней поверхности тела, дискретно перемещают жестко связанную систему источник детектор в направлении заранее выбранной координаты Х, проходящей через тело, измеряют поток излучения N_1i, регистрируемого детектором D₁ на каждом шаге перемещения, до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внутренней поверхности тела, устанавливают энергию излучения источника, равную энергии квантов, рассеянных на угол в направлении детектора E₂= E_s(), помещают источник излучения с энергией Е₂ в место и в позицию детектора D₁, помещают детектор D₂ в место и в позицию источника излучения с энергией Е₁, дискретно перемещают систему источник детектор по координате Х в направлении внешней поверхности тела, измеряют поток излучения N_2i, регистрируемого на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внешней поверхности тела, определяют абсолютное значение плотности _i последовательно на каждом шаге перемещения, начиная с первого, используя следующий алгоритм вычислений:









где Х координата перемещения;

соответственно массовые коэффициенты ослабления излучения источника с энергией Е₁ и рассеянного на угол излучения источника с энергией Е₂ в материале тела;

соответственно электронные сечения рассеяния излучения источников с энергиями Е₁ и Е на углы q;

I₁ и I₂ начальные потоки излучения источника, имеющего энергии Е₁ и Е₂ соответственно;

С₁ и С₂ эффективности регистрации излучения детекторами D₁ и D₂ соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в комптоновской вычислительной томографии в условиях одностороннего доступа к объекту контроля.

Известны способы и устройства, их реализующие, основанные на регистрации комптоновски рассеянного гамма- или рентгеновского излучения и предназначенные для получения изображения распределения плотности по лучу сканирования [1 3]

Основными недостатками известных способов являются: требование двухстороннего доступа к контролируемому телу; неучет влияния процессов ослабления первичного и рассеянного в направлении детектора излучения.

Из известных технических решений ближайшим к изобретению является способ измерения абсолютного значения плотности тела, включающий в себя операции облучения тела в различных направлениях источниками коллимированного первичного гамма- или рентгеновского излучения с энергиями E₁ и E₂, регистрации вторичного излучения коллимированными детекторами D₁ и D₂ и вычисления по определенному алгоритму абсолютного значения плотности [4] Известный способ позволяет учесть влияние эффектов ослабления и измерить абсолютное значение плотности тела.

Недостатком известного способа является обязательное требование двухстороннего доступа к объекту контроля и получение информации о характеристиках не только рассеянного, но и прошедшего (непровзаимодействовавшего) излучения.

Техническим результатом изобретения является обеспечение послойного измерения абсолютного значения плотности тела как функции его толщины в условиях одностороннего доступа к нему.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения абсолютного значения плотности тела, включающем в себя операции облучения тела в различных направлениях источниками коллимированного первичного гамма- или рентгеновского излучения с энергиями E₁ и E₂, регистрации вторичного излучения коллимированными детекторами D₁ и D₂ и вычисления по определенному алгоритму абсолютного значения плотности, ориентируют оси коллиматоров источника и детектора таким образом, чтобы они пересекались в точке, лежащей на внешней поверхности тела, дискретно перемещают жестко связанную систему источник-детектор в направлении заранее выбранной координаты X, проходящей через тело, измеряют поток излучения N_1i, регистрируемого детектором D₁, на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внутренней поверхности тела, устанавливают энергию излучения источника, равную энергии квантов, рассеянных на угол в направлении детектора E₂= E_s(), помещают источник излучения с энергией E₂ в место и в позицию детектора D₁, помещают детектор D₂ в место и в позицию источника излучения с энергией E₁, дискретно перемещают систему источник-детектор по координате X в направлении внешней поверхности тела, измеряют поток излучения N_2i, регистрируемого на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора не достигнет внешней поверхности тел, определяют абсолютное значение плотности _i последовательно на каждом шаге перемещения, начиная с первого, используя следующий алгоритм вычислений:



где x_i координата перемещения;

;

^m₁ и ^m_s2 соответственно массовые коэффициенты ослабления излучения источника с энергией E₁ и рассеянного на угол излучения источника с энергией E₂ в материале тела;

соответственно электронные сечения рассеяния излучения источников с энергией E₁ и E₉ на угол q;

J₁ и J₂ начальные потоки излучения источника, имеющего энергии E₁ и E₂ соответственно;

C₁ и C₂ эффективности регистрации излучения детекторами D₁ и D₂ соответственно.

На фиг. 1 изображена геометрия измерений, поясняющая вывод некоторых математических соотношений; на фиг. 2 схема реализации способа абсолютного измерения плотности тела при перемещении системы источник-детектор в направлении внутренней поверхности тела (а), и в направлении внешней поверхности тела (б).

Поток гамма или рентгеновского излучения от источника 1 излучения с энергией E₁ (фиг. 1), сформированный коллиматором 2, проникает в тело 3. В детектор 4 попадает поток излучения, рассеянного на глубине тела X в слое dx, формируемый коллиматором 5. В этом случае справедливо соотношение

,

где ₁ и _s1 линейные коэффициенты ослабления излучения источника с энергией E₁ и излучение с энергией E рассеянного на угол ;

;

N_A число Авогадро;

Z, A атомный номер и массовое число вещества тела;

плотность тела на глубине X в слое dх.

Установив энергию излучения источника, равную энергии рассеянного на угол q излучения E₂ E_S1, и поместив источник излучения в позицию детектора 4, а детектор 4 поместив в позицию источника с энергией E₁ (поз. 1, вместо него), можно записать следующее выражение для потока квантов, регистрируемых детектором 4.

где _s2 линейный коэффициент ослабления квантов, рассеянных на угол и имевших до рассеяния энергию E₂.

Линейные коэффициенты ослабления ₁,_s1,_s2 выражаются линейными интегралами на пути ослабления излучения вида: Следовательно, источником погрешности измерения плотности тела в слое dх на глубине X является изменение линейного коэффициента ослабления, в слоях, предшествующих dх, то есть на пути X и x/cos.

Если взять отношение потоком dN₁ и dN₂, то влияние ослабления на пути x/cos устраняется



Коррекция изменения линейного коэффициента ослабления на пути X производится путем прямого измерения плотности первого слоя (случай, когда предшествующих слоев нет) и использованием следующего алгоритма вычисления плотности последующих слоев. Это можно проиллюстрировать следующими рассуждениями. После логарифмирования последнего соотношения получим

,

где

Знаки дифференциалов при N₁ и N₂ здесь опущены.

Перейдем к конечным суммам для линейных коэффициентов ослабления ₁ и ₂ и выразим их через массовые коэффициенты ослабления ^m₁ и ^m_s.

Тогда для слоя x, на глубине X_i имеющего плотность _i, можно записать выражение для логарифма отношения потоков N_2i и N_1i, зарегистрированных детекторами.

,

где n количество слоев, предшествующих i-му слою.

Жестко связанную систему источник-детектор устанавливают таким образом, чтобы точка пересечения осей коллиматоров источника и детектора лежала на внешней поверхности тела (фиг. 2а), дискретно перемещают систему вдоль координаты X, фиксируя при этом величину потока N_1i на каждом шаге перемещения X до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматора источника и детектора не достигнет внутренней поверхности тела. Затем меняют местами источник излучения и детектор и изменяют энергию излучения источника (фиг. 2б), установив ее равной E₂= E_s(). Далее дискретно перемещают систему источник-детектор в противоположном направлении вдоль той же оси X, фиксируя при этом величину потока N_2i на каждом шаге перемещения до тех пор, пока точка пересечения осей коллиматора источника и детектора не достигнет внешней поверхности тела.

Имея матрицы N_1i (X_i) и N_2i (X_i) и используя соотношение (1) можно получить отсчет плотности ₁ первого слоя (на первом шаге перемещения)

.

На втором шаге перемещения соотношение (1) приобретает вид



и плотность ₂ можно рассчитывать из выражения

.

На третьем шаге перемещения

.

Таким образом, отсчет плотности на глубине X

.