4 курс / Лучевая диагностика / Введение_в_комп_рентг_и_нейтронную_томографию

Получение фазоконтрастного изображения с использованием рефракционного контраста осуществляется с помощью кристаллического анализатора, который действует как угловой дискриминатор, «отфильтровывая» преломленное образцом излучение (рис. 12).

Рис. 12. Схема реализации рефракционного контраста

Для обеспечения интерференции свободно распространяющегося излучения используется источник излучения достаточно малого размера, а регистрация излучения осуществляется на сравнительно большом расстоянии от образца (рис. 13).

Фазоконтрастное изображение может отражать малые изменения плотности, структуры и вещественного состава исследуемых объектов (рис. 14). Метод эффективен при исследовании слабо поглощающих объектов, объектов малой плотности или содержащих материалы различного состава с близкими значениями величины ослабления излучения, может использоваться также для обнаружения трещин и пор малых размеров.

Анализ различных методов получения фазоконтрастных изображений показывает, что все они в зависимости от сложности экспериментальной установки имеют и преимущества, и недостатки, определяемые требованиями к когерентности пучка, пространственному разрешению или чувствительности к изменению фазы.

При охлаждении рентгеновской трубки и достаточно большом расстоянии между образцом и детектором минимальный реконструируемый объем может составлять 0,5×0,5×0,5 мкм3, а пространственное разрешение – менее 1 мкм [25]. Доля фазового контраста возрастает по отношению к контрасту, обусловленному

В работе [26] показана возможность применения эмиссионной томографии с использованием активационного гамма-излучения для обнаружения негерметичных топливных стержней в облученных топливных сборках ядерных реакторов. Метод основан на том, что облученные топливные стержни содержат радиоактивные газы 135Xe (Т1/2=9,14 часа) и 85Kr (Т1/2=10,8 года), концентрация которых меньше в негерметичных стержнях. Спектрометрические гамма-де- текторы регистрируют интенсивность гамма-линий излучения того или иного газа при различных положениях h и θ (рис. 16) детекторов относительно топливной сборки.

Рис. 16. Схема реализации гамма-томографии облученной топливной сборки

Рис. 17. Состав установки для эмиссионной томографии

сиспользованием гамма-квантов неупругого рассеяния:

1 – камера с дейтерием, 2 – медный коллиматор, 3 – нейтронный монитор, 4 – образец на столе образца, 5 – детектор с жидким сцинтиллятором,

6 – спектрометрический HGe-детектор,

7 – активная система антисовпадений, 8 – защита детектора

Другой метод основан на использовании импульсного источника быстрых нейтронов [27]. Стол образца (рис. 17) обеспечивает линейные и угловое перемещения образца относительно оси нейтронного пучка, необходимые для обеспечения сканирования образца. Гамма-детекторы расположены под углом 135° по отношению к оси пучка. Такая ориентация детекторов обусловлена квадрупольной угловой зависимостью вероятности вылета гамма-кванта неупругого рассеяния из образца с максимумами выхода при 45° и 135°. Помимо этого, расположение детекторов в задней полусфере предотвращает облучение детекторов нейтронами прямого пучка, а также уменьшает облучение нейтронами, рассеянными в материалах помещения и установки.

Регистрация гамма-квантов в процессе облучения образца требует корректного учета вклада фонового сигнала, вызванного активацией материалов помещения и установки, их естественной радиоактивностью, рассеянием в них нейтронного и гамма-излучений, а также процессами, сопровождающими регистрацию гамма-излуче- ния в детекторе, к которым относятся комптоновское рассеяние и рождение электрон-позитронных пар.

В рассматриваемом методе учет вклада фонового гамма-излу- чения может осуществляться двумя способами. В первом из них

из спектра гамма-квантов, полученного с образцом, вычитается спектр, снятый в отсутствии образца. Другой способ использует импульсный характер нейтронного излучения. Регистрация гамма-квантов осуществляется во временном окне, определяемом временным интервалом прихода нейтронов на образец и гам- ма-квантов на детектор.

Рассматриваемый метод, в отличие от других видов томографии, позволяет реконструировать пространственное распределение химических элементов и их изотопов в исследуемом образце. Пространственное разрешение реконструированного изображения определяется сечением пучка быстрых нейтронов, размер которого определяется коллиматором и может составлять менее 1 см.

Более распространенным методом использования гамма-излу- чения неупругого рассеяния в настоящее время является так называемый метод «меченых» нейтронов. Метод основан на том, что в нейтронных генераторах генерация нейтронов в основном осуществляется в реакциях: D+D→3He+n+Q1 и D+T→4He+n+Q2. При этом одновременно излучаются быстрый нейтрон и заряженная частица (3He или 4He), вылетающие практически (с учетом закона сохранения импульса) в противоположных направлениях. Таким образом, направление вылета заряженной частицы определяет траекторию быстрого нейтрона. Для определения траектории заряженной частицы нейтронный генератор снабжается позици- онно-чувствительным детектором, расположенным на некотором расстоянии (~10 см) от мишени генератора. При этом мишень располагается под углом к оси дейтронного пучка, размер которого на мишени ограничен его диафрагмированием.

Регистрация альфа-частиц, вылетающих одновременно с быстрыми нейтронами из мишени нейтронного генератора, по-ви- димому, впервые была осуществлена в связи с решением задачи измерения потока быстрых нейтронов [28]. В настоящее время для реализации метода используются D-T генераторы. Определение направления вылета альфа-частиц из нейтронной мишени производится с помощью многопиксельных позиционно-чувствитель- ных детекторов [29].

Рис. 18. Схема реализации метода «меченых» нейтронов

Меченые нейтроны рождают в образце гамма-кванты неупругого рассеяния, которые регистрируются с помощью одного или нескольких спектрометрических гамма-детекторов. Максимум распределения зарегистрированных событий от времени после регистрации альфа-частицы соответствует расстоянию от мишени до образца. При этом траектория нейтрона определяет область его взаимодействия с образцом вдоль этой траектории, а точность измерения интервала времени между моментом регистрации частицы и гамма-кванта определяет пространственное разрешение вдоль траектории нейтрона (рис. 18). В первых работах, связанных с разработкой метода, было показано [30], что оно может составлять несколько сантиметров. Энергия регистрируемого гамма-излуче- ния определяет химический состав образца.

Как и в предыдущем методе, уменьшение вклада в сигнал гам- ма-детектора фоновых излучений достигается за счет временной дискриминации регистрируемого сигнала [31], но уже при работе генератора в стационарном режиме.

Метод в первую очередь используется при разработке аппаратуры, предназначенной для обнаружения взрывчатых веществ в полевых условиях или идентификации опасных веществ в контейнерах [32, 33].

Контрольные вопросы к главе 1

1.Виды радиационной томографии.

2.Основная идея классического томографического метода.

3.Этапы реализации томографического метода.

4.Что такое преобразование Радона? Аналитическое выражение для него.

5.Синограмма и ее вид.

6.Формула Фельдкампа для реконструкции томографических данных, полученных в коническом пучке (можно найти, например, в [9]).

7.Способы реализации послойной томографии.

8.Что дает применение послойной томографии при контроле печатных устройств?

9.Преимущества и недостатки томографии в обратно рассеянном излучении.

10.Перспективы развития метода томографии в обратно рассеянном излучении.

11.Способы реализации томографии на основе фазового контраста.

12.Реализация рефракционного контраста.

13.Выражение для фазового сдвига волны излучения при прохождении через образец определенной толщины и состава.

14.Чем определяется вещественная часть декремента коэффициента преломления излучения для рентгеновского и нейтронного излучений?

15.Механизм образования фазового контраста при интерференции свободно распространяющегося излучения.

16.От чего зависит доля фазового контраста?

17.Суть эмиссионной томографии.

18.Факторы, влияющие на качество эмиссионной томографии.

19.Способы реализации эмиссионной томографии.

20.Основное отличие эмиссионной томографии от других видов томографии с применением нейтронного излучения.

21.Учет вклада фонового гамма-излучения при реализации гаммаэмиссионной томографии.

22.Суть метода «меченых» нейтронов.

23.Требования к нейтронному генератору, используемому для реализации метода «меченых» нейтронов.

Глава 2. Особенности томографии в рентгеновском и нейтронном излучениях

Анализ ослабляющих способностей рентгеновского (гамма-) и нейтронного излучений в функции от атомного номера вещества (рис. 19 и 20, табл. 1) показывает, что:

-ослабление нейтронного излучения, в отличие от рентгеновского излучения, не зависит от атомного номера вещества и меняется в широком диапазоне;

-тепловые нейтроны имеют значительно большее ослабление, чем рентгеновские лучи, в материалах с малым атомным номером

инекоторых сильно поглощающих тепловые нейтроны материалах (B, Li, Cd, Gd и др.), и наоборот, тепловые нейтроны легко пропускаются большинством материалов с большим атомным номером;

-быстрые нейтроны обладают высокой по сравнению с тепловыми нейтронами, а также рентгеновским и гамма-излучениями, проникающей способностью.

Нейтроны низких энергий обеспечивают высокий контраст изображений водородосодержащих материалов (рис. 21).

Рентгеновское излучение в основном используется при исследовании объектов относительно небольшой толщины и выполненных из материалов со сравнительно малыми атомными номерами (зарядами электронной оболочки Z). Его применение мало информативно в случае инспекции структур, экранированных материалом с высоким Z (рис. 22 и 23).

Сравнительное исследование возможностей рентгеновской томографии и томографии в быстрых нейтронах тестового образца (рис. 24), составленного из полиэтилена (ПЭ), свинца и алюминия [36], показывает, что:

- в рентгеновской реконструкции (рис. 25) сечения тестового образца отсутствуют изображения присутствующих в сечении