Рентгеновский комплекс с цифровой системой визуализации

Широкий круг задач радиационной интроскопии, связанных с регистрацией быстропротекающих процессов в оптически плотных средах, таких, например, как детонация взрывчатых веществ, образование электрической дуги, развитие ударных волн в твердых и жидких средах, может быть успешно решен только с применением импульсных генераторов рентгеновского излучения. Основным требованием к таким генераторам является способность формировать за время, меньшее микросекунды, излучение высокой интенсивности, для получения необходимой дозы на детекторе излучения. Для решения данного класса задач невозможно использование традиционных источников рентгеновского излучения, так как интенсивность излучения рентгеновских трубок постоянного тока мала, чтобы получить приемлемую экспозицию в течение долей микросекунды.

Первые публикации о создании мощных импульсных рентгеновских аппаратов появились в середине XX века [1, 2], причем В.А. Цу-керман с сотрудниками [2] впервые получил импульсы с энергией фотонов до 1.5 МэВ. Уже в 60-е годы такие аппараты нашли широкое применение в различных исследованияхк этому же времени можно отнести и начало создания генераторов сверхмощных наносекундных рентгеновских импульсов, таких, как АВРОРА (США) [3]. В нашей стране под руководством Ю. А. Котова создан подобный генератор ВИРА-1.5М [4], обеспечивающий в задачах радиографического контроля фокус около 1 мм при просвечивании изделий, эквивалентных по рентгеновской плотности 60 мм свинца.

Первоначально область применения импульсных источников рентгеновского излучения была весьма специфической. Однако такие преимущества импульсных устройств, как малые габариты и вес, незначительная потребляемая мощность, высокий КПД, малые эффективные размеры фокусного пятна, низкая себестоимость и простота конструкции, наметили внедрение наносекундной импульсной техники в такие традиционные области радиационной интроскопии, как дефектоскопия и медицинская диагностика.

Известно, что для радиационной дефектоскопии сварных соединений в труднодоступных местах обычно использовались радиоактивные изотопы. Дефектоскопы на основе изотопов при весьма малых габаритах создают серьезную опасность облучения персонала и обеспечивают невысокое качество снимков (чувствительность на уровне 4−5%). Применение же стационарных аппаратов в полевых условиях нецелесообразно из-за их громоздкости и необходимости иметь поблизости мощный источник электроэнергии. В середине 60-х на строительных площадках города Баку были испытаны первые опытные образцы компактного импульсного рентгеновского аппарата ИРА-1, разработанного под руководством В. А. Цукермана. Результаты испытаний показали очевидные преимущества импульсных устройств над радиоизотопными и подтвердили целесообразность наметившегося направления применения мощных импульсных рентгеновских аппаратов для радиографического контроля за счет их компактности, малой массы, низкой потребляемой мощности и экологической безопасности. Дальнейшее развитие наносекундной импульсной рентгеновской техники стало возможным благодаря развитой Г. А. Месяцем с сотрудниками теории взрывной электронной эмиссии. Отечественная промышленность освоила выпуск отдельных образцов импульсных рентгеновских аппаратов серий МИРА, ДИНА. В настоящее время прогресс в области данного класса приборов может быть достигнут за счет применения твердотельных коммутаторов и создания специализированных систем регистрации излучения. Благодаря беспрецедентному развитию электроники и информационных технологий во второй половине XX века методы компьютерной визуализации изображений пришли на смену традиционной пленочной регистрации во многих областях рентгеновских исследований.

Целью данной работы является создание рентгеновского комплекса с цифровой системой визуализации, а также совершенствование генераторов мощных наносекундных рентгеновских импульсов для адаптации их к современным требованиям неразрушающего контроля.

В первой главе рассматриваются пути развития мощных импульсных рентгеновских генераторов, особенности получения теневого изображения объектов при просвечивании рентгеновскими импульсами наносекундной длительности, определяются задачи исследований.

Во второй главе представлена структурная схема экспериментальной установки для регистрации наносекундных рентгеновских импульсов, исследованы флуктуации интенсивности излучения от импульса к импульсу различных рентгеновских трубок при амплитудах напряжения порядка 100 кВ и скорости нарастания напряжения в.

13 импульсе на уровне 10 В/с.

В третьей главе описывается конструкция отпаянной импульсной рентгеновской трубки с металло-диэлектрическим катодом, даны результаты измерений параметров излучения трубки при амплитудах импульсов от 70 до 350 кВ и скорости нарастания возбуждающего.

13 напряжения в пределах (0.5−2)-10 В/с, описан эффект задержки роста тока электронного пучка относительно фронта ускоряющего напряжения. По осциллограммам напряжения и тока трубки произведен расчет поглощенной дозы рентгеновского излучения на расстоянии.

50 см от анода. Результаты вычислений сравниваются с экспериментальными данными.

Четвертая глава посвящена описанию рентгеновского комплекса с цифровой системой визуализации, созданного для решения широкого круга задач от медицинской диагностики до дефектоскопии массивных стальных изделий. В главе приводится структурная схема комплекса с системой синхронизации регистрирующей аппаратуры и генератора мощных наносекундных импульсов рентгеновского излучения, описаны математические алгоритмы, применяемые в программном обеспечении комплекса для усиления контраста и отношения сигнал/шум в получаемых теневых рентгеновских образах.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в ходе проведения исследований, а также сформулированы тезисы, выносимые автором на защиту.

Научная новизна диссертации определяется следующими результатами:

1. Найдены условия генерации нескольких (более 10) центров электронной эмиссии в сильноточном диоде, образованном ме-талло-диэлектрическим катодом в форме шайбы и коническим анодом, позволяющие получать стабильные от опыта к опыту импульсы рентгеновского излучения с максимальной энергией 70−350 кэВ при скорости нарастания напряжения на электродах (0.5−2)-1013 В/с.

2. Обнаружен эффект задержки роста тока электронного пучка и роста интенсивности рентгеновского излучения для системы электродов по п. 1 при использовании высоковольтного наносе-кундного генератора с промежуточным индуктивным накопителем энергии ИНЭ и полупроводниковым прерывателем тока. Данный эффект проявляется в увеличении амплитуды и снижении длительности рентгеновского излучения, что позволяет повысить эффективность диагностических и дефектоскопических исследований.

3. Экспериментально доказано семикратное снижение требуемой поглощенной дозы рентгеновского излучения при диагностических исследованиях с применением наносекундного импульсного рентгеновского аппарата по сравнению со стационарным аппаратом постоянного тока при пленочной регистрации изображения.

4. На базе ПК Pentium-Ill создана автоматизированная система управления рентгеновским комплексом с наносекундным генератором излучения и ПЗС-видеокамерой, включающая программы захвата и обработки изображений. Система позволяет минимизировать габариты аппаратуры, дозу облучения и обеспечивает скорость обработки данных на уровне 10 Мбайт/с.

4.10. Выводы.

1. Разработан способ получения рентгеновских изображений от наносекундного генератора высокого напряжения, заключающийся в облучении конвертера, находящегося за объектом, пакетом импульсов рентгеновского излучения, следующим за время кадра видеосигнала ПЗС-камерына данный способ визуализации изображений получен патент Российской Федерации (Приложение 3).

2. Разработан алгоритм суммирования с выравниванием по яркости, позволяющий сгладить последствия такого недостатка генераторов наносекундных импульсов рентгеновского излучения, как флуктуации интенсивности излучения от импульса к импульсу.

3. Написана программа, работающая под управлением ОС? тс1оУ8−2000, позволяющая регистрировать в режиме реального времени теневые рентгеновские образы объектов при воздействии наносекундных импульсов рентгеновского излучения.

4. Разработана компьютерная система визуализации, прошедшая успешные испытания в Свердловском областном психоневрологическом госпитале ветеранов войн (Приложение 4).

5. Создан рентгеновский комплекс с цифровой системой визуализации на базе генератора наносекундных импульсов с полупроводниковым прерывателем тока, нашедший применение для контроля готовой продукции, выпускаемой заводом РФЯЦ ВНИИТФ. Аппарат запатентован (Приложение 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена исследованию параметров различных ИРТ при возбуждении импульсами длительностью десятки наносекунд амплитудой порядка 100 кВ при скорости нарастания на1 пряжения (0.5−1)-10 В/с, разработке конструкции отпаянной рентгеновской трубки с металло-диэлектрическим катодом, обеспечивающей максимальную интенсивность и стабильность параметров излучения от импульса к импульсу при условиях, соответствующих требованиям медицинской диагностики и дефектоскопии. Целью работы является создание рентгеновского комплекса с цифровой системой визуализации теневых образов объектов при просвечивании рентгеновскими импульсами наносекундной длительности с минимальной дозой облучения на уровне 0.2−0.3 мрад на расстоянии 50 см за импульс.

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана конструкция отпаянной рентгеновской трубки с металло-диэлектрическим катодом для формирования рентгеновского излучения при подаче импульсов высокого напряжения длительностью 20−40 не амплитудой 70−350 кВ при скоро.

1 «X сти нарастания напряжения (0.5−2)-10 В/с.

2. С помощью генератора высоковольтных импульсов с полупроводниковым прерывателем тока проведены испытания рентгеновской трубки с металло-диэлектрическим катодом, получены снимки тестовых объектов на пленке, по качеству превосходящие снимки тех же объектов, сделанные на аппарате постоянного тока РУМ-20. Зафиксировано семикратное снижение дозы облучения при пленочной регистрации. Экспериментально определенная с помощью ТЛД-дозиметров доза, создаваемая наносекундными рентгеновскими импульсами, подтверждена расчетами, основанными на вычислении по осциллограммам напряжения и тока на трубке дискретной спектральной плотности интенсивности рентгеновского излучения.

3. На базе персонального компьютера Pentium разработана цифровая система визуализации рентгеновских образов с применением математических алгоритмов, позволяющих повысить контраст и отношение сигнал/шум получаемых изображений.

4. Создана система синхронизации, обеспечивающая оптимальный режим работы генератора наносекундных рентгеновских импульсов с цифровой системой визуализации.

5. Разработан диагностический комплекс с компьютерной системой визуализации, прошедший успешные испытания в Екатеринбургском областном психоневрологическом госпитале ветеранов войн.

6. Создан рентгеновский комплекс с цифровой системой визуализации на базе генератора наносекундных импульсов с полупроводниковым прерывателем тока, нашедший применение для контроля готовой продукции, выпускаемой заводом РФЯЦ ВНИИТФ.

По результатам работы опубликовано 11 печатных работ, на систему синхронизации и на импульсную рентгеновскую трубку с ме-талло-диэлектрическим катодом получены патенты РФ.

На защиту автор выносит следующие положения:

1. При давлении газов на уровне 10″ 6 Па использование контакта диэлектрика с металлом в катодном узле рентгеновской трубки с обращенным анодом, позволяет получить несколько одновременно образованных эмиссионных центров на катоде, минимизировать размеры рентгеновского фокуса, увеличить и стабилизировать выход рентгеновского излучения, снизить эрозию электродов при относительно низкой (0.5−2)-1013 В/с скорости нарастания высокого (70−350 кВ) напряжения.

2. Способ получения рентгеновского изображения от наносекунд-ного генератора, заключающийся в облучении конвертера, находящегося за объектом, пакетом импульсов излучения, следующих за время кадра видеосигнала ПЗС-камеры, позволяет стабилизировать интенсивность свечения конвертера, согласовать яркость свечения люминофора с динамическим диапазоном ПЗС-камеры.

3. Алгоритмы фильтрации горячих пикселов и суммирования с выравниванием по яркости кадров рентгеновских изображений, полученных от наносекундного генератора, позволяют улучшить качество изображения за счет снижения влияния флуктуа-ций интенсивности излучения от импульса к импульсу и увеличения отношения сигнал/шум.

4. Система для рентгеновской интроскопии как стационарных объектов, так и динамических явлений, с цифровой визуализацией изображений на основе ПЗС-камеры и с генератором наносе-кундных импульсов килогерцовой частоты следования, работающего синхронно с разверткой ПЗС-камеры под управлением ПК, позволяет создать компактный рентгеновский комплекс для медицинской диагностики и дефектоскопии.

Научно-практическая ценность работы.

1. Создана двухэлектродная острофокусная импульсная рентгеновская трубка, обладающая стабильными от импульса к импульсу параметрами рентгеновского излучения, высоким ресурсом работы. Созданная трубка обеспечивает максимальную интенсивность рентгеновского излучения при возбуждении импульсами высокого напряжения длительностью десятки наносекунд, устойчиво работает при скоростях нарастания напря.

13 жения порядка 10 В/с за счет эффекта задержки импульса тока.

2. Создан опытный образец медицинского рентгеновского диагностического комплекса с цифровой и пленочной регистрацией для применения в оперативной хирургии и диагностике, позволяющий получать контрастные рентгеновские снимки на пленке и в виде файлов при дозе облучения пациента в 7 раз меньшей дозы, создаваемой аппаратом постоянного тока РУМ-20 при более высоком качестве получаемых изображений.

3. Создан компактный рентгеновский комплекс для неразрушаю-щего контроля стальных изделий толщиной до 25 мм при обеспечении рентгеновского контраста на уровне 1%, с возможностью оперативной записи и компьютерной обработки получаемых изображений.

4. Разработан алгоритм обработки видеопотока нескольких кадров изображений, получаемых от наносекундного рентгеновского аппарата, позволяющий повысить качество изображения за счет увеличения отношения сигнал/шум.

5. На базе персонального компьютера Pentium разработана программа управления рентгеновским комплексом, записи и обработки изображений, получаемых от генератора наносекундных импульсов рентгеновского излучения.

В заключении автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность чл.-корр. Котову Ю. А. за постоянный интерес к работе, научному руководителю Филатову А. Л. за многочисленные рекомендации, сотрудникам ЛИИИ Института электрофизики УрО РАН Корженевскому С. Р., Мотовилову В. А., Парамонову Л. А. за многолетнее сотрудничество. Автор очень признателен всем сотрудникам ЛИП и ЛИТ за всестороннюю помощь и моральную поддержку, а также Скотникову В. А. за совместные исследования, проведенные в 1995;1996 гг. Отдельное спасибо сотруднику ЛНП Уварину В. В. за ценные советы. Автор выражает благодарность заведующей рентгенологическим отделением СОГВВ Можаровой И. Э. за активное участие в организации диагностических исследований, конструкторам завода «Электрохимприбор» Голубеву В. А. и Бораковой М. Г. за содействие в разработке отпаянных электровакуумных приборов.