RU2617001C1

RU2617001C1 - Mobile x-ray densimeter

Info

Publication number: RU2617001C1
Application number: RU2015150141A
Authority: RU
Inventors: Михаил Владимирович Глебов; Сергей Михайлович Бродский; Сергей Алексеевич Колосков; Вячеслав Николаевич Маркизов; Эмиль Ильдарович Нагаев
Original assignee: Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"; Акционерное общество "Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации" (АО "НИИТФА")
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2017-04-19
Also published as: WO2017091103A1

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: mobile X-ray densimeter includes an X-ray generator with a window which focuses a wideband panoramic radiation beam, two energy-dispersive detectors which detect radiation back-scattered from the analysed object, two distance centres for determining the impact of change of geometry in the measurement process during movement, wherein between the detectors and the window of the X-ray generator there is a target made of material which emits characteristic X-ray radiation with energy in the range of 15 to 35 keV, made in the form of an elongated rectangular plate, bent on the transverse axis of symmetry and facing with the convex surface towards the window of the X-ray generator and narrow sides towards the detectors, and each detector is provided with an additional collimator, which transmits the beam of characteristic X-ray radiation of the target to the detector.

EFFECT: high stability and reduced measurement errors.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения плотности твердых тел с использованием рентгеновского излучения. Сущность заключается в том, что между окном рентгеновского генератора, формирующим направленный на исследуемый объект пучок первичного рентгеновского излучения, и детекторами, регистрирующими обратно рассеянное излучение от объекта, установлена мишень, испускающая характеристическое рентгеновское излучение, возбуждаемое первичным излучением, которое поступает в каждый детектор и служит для компенсации изменения интенсивности излучения рентгеновского генератора, что позволяет повысить стабильность и точность измерений плотности. Это особенно важно при проведении контроля объектов в полевых условиях.The invention relates to the field of measuring the density of solids using x-ray radiation. The essence is that between the window of the x-ray generator, which forms a beam of primary x-ray radiation directed at the object under study, and the detectors that record the backscattered radiation from the object, a target is installed that emits characteristic x-ray radiation excited by the primary radiation that enters each detector and serves to compensate for changes in the radiation intensity of the x-ray generator, which allows to increase the stability and accuracy of density measurements. This is especially important when monitoring objects in the field.

Известны устройства, предназначенные для контроля плотности изделий с использованием гамма-излучения, принцип работы которых основан на явлении рассеяния гамма-излучения атомами вещества контролируемого объекта [Патент US 4766315, МПК G01N 23/22, 23.08.1988]. Рассеяние является главным образом результатом комптоновского взаимодействия фотонов с электронами атомов вещества объекта, причем количественно такое взаимодействие определяется плотностью вещества. Измеряя плотность потока рассеянных фотонов, можно получить прямую зависимость между показаниями прибора и плотностью вещества. Обычно измерения плотности проводят с использованием калибровочного графика [Описание изобретения к патенту РФ №2345353 от 06.06.2007, МПК G01N 23/06, G01N 9/24, опубл. 27.01.2009].Known devices designed to control the density of products using gamma radiation, the principle of operation of which is based on the phenomenon of scattering of gamma radiation by atoms of the substance of a controlled object [Patent US 4766315, IPC G01N 23/22, 08/23/1988]. Scattering is mainly the result of the Compton interaction of photons with the electrons of atoms of the substance of an object, and such an interaction is quantified by the density of the substance. By measuring the flux density of scattered photons, you can get a direct relationship between the readings of the device and the density of the substance. Typically, density measurements are carried out using a calibration graph [Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2345353 dated 06.06.2007, IPC G01N 23/06, G01N 9/24, publ. 01/27/2009].

Недостатками известных устройств являются низкая чувствительность и длительное время измерения, практически исключающие возможность контроля плотности при перемещении устройства относительно объекта. Кроме того, из-за уменьшения потока гамма-излучения в результате распада радионуклида необходима регулярная экспериментальная коррекция калибровочного графика, что снижает производительность измерения.The disadvantages of the known devices are low sensitivity and a long measurement time, virtually eliminating the possibility of density control when moving the device relative to the object. In addition, due to a decrease in the gamma radiation flux resulting from the decay of the radionuclide, regular experimental correction of the calibration graph is necessary, which reduces the measurement performance.

В качестве прототипа выбран мобильный рентгеновский плотномер [Описание изобретения к патенту РФ №252948 от 03.12.2012, МПК G01N 9/00, опубл. 27.09.2014], который включает панорамный рентгеновский генератор с окном, формирующим направленный на исследуемый объект широкополосный пучок рентгеновского излучения, два энергодисперсионных детектора, окруженных защитой с коллиматорами, пропускающими обратно рассеянное излучение от объекта, два датчика расстояния для учета влияния изменения геометрии в процессе измерения при движении. Плотность для каждого канала (детектора) рассчитывают по измеренной скорости счета с помощью заданной градуировочной характеристики (математической модели).As a prototype, a mobile x-ray densitometer was selected [Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 252948 dated 03.12.2012, IPC G01N 9/00, publ. 09/27/2014], which includes a panoramic x-ray generator with a window forming a broad-band x-ray beam directed at the object under study, two energy-dispersive detectors surrounded by protection with collimators transmitting back scattered radiation from the object, two distance sensors to take into account the effect of changes in geometry during the measurement when moving. The density for each channel (detector) is calculated from the measured count rate using a given calibration characteristic (mathematical model).

К недостаткам данного устройства относятся низкая стабильность измерений вледствие изменения интенсивности излучения рентгеновского генератора в процессе работы, которая приводит к увеличению систематической погрешности и снижению точности измерений.The disadvantages of this device include low measurement stability due to changes in the radiation intensity of the x-ray generator in the process, which leads to an increase in systematic error and a decrease in the accuracy of measurements.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении стабильности и снижении погрешности измерений.The technical result of the invention is to increase stability and reduce measurement error.

Для достижения указанного технического результата в мобильном рентгеновском плотномере, включающем рентгеновский генератор с окном, формирующим широкополосный панорамный пучок излучения, два энергодисперсионных детектора, регистрирующих излучение, обратно рассеянное от анализируемого объекта, два датчика расстояния для учета влияния изменения геометрии в процессе измерения при движении, согласно изобретению между детекторами и окном рентгеновского генератора установлена мишень из материала, испускающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией в диапазоне от 15 до 35 кэВ, выполненная в виде удлиненной прямоугольной пластины, изогнутой по поперечной оси симметрии и обращенной выпуклой поверхностью в сторону окна рентгеновского генератора и узкими сторонами к детекторам, а каждый детектор снабжен дополнительным коллиматором, пропускающим пучок характеристического рентгеновского излучения мишени в детектор.To achieve the specified technical result in a mobile x-ray densitometer, including an x-ray generator with a window forming a wide-band panoramic beam of radiation, two energy-dispersive detectors detecting radiation backscattered from the analyzed object, two distance sensors to take into account the effect of changes in geometry during measurement during movement, according to between the detectors and the window of the x-ray generator, a target is made of a material emitting a characteristic x-ray gene radiation with an energy in the range from 15 to 35 keV, made in the form of an elongated rectangular plate, curved along the transverse axis of symmetry and facing a convex surface towards the window of the X-ray generator and narrow sides to the detectors, and each detector is equipped with an additional collimator transmitting a characteristic X-ray beam radiation of the target into the detector.

Предлагаемое устройство представлено схематически на фиг. 1. В устройстве используется рентгеновский генератор /1/ с окном /2/, формирующим пучок излучения, направленный на исследуемый объект /3/. Каждый из двух сцинтилляционных детекторов /4/ снабжен защитой /5/ с коллиматором /6/, пропускающим излучение от исследуемого объекта, и коллиматором /7/, пропускающим излучение от мишени /8/. Мишень изготавливают из материала, испускающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией в диапазоне от 15 до 35 кэВ, которое с достаточной эффективностью регистрируется сцинтилляционными детекторами, например, из кадмия. Толщину мишени выбирают из условия не менее чем десятикратного ослабления собственного излучения. Два датчика /9/ расстояния позволяют контролировать геометрические параметры системы «источник - объект - детектор».The proposed device is shown schematically in FIG. 1. The device uses an x-ray generator / 1 / with a window / 2 /, forming a beam of radiation aimed at the object under study / 3 /. Each of the two scintillation detectors / 4 / is equipped with a protection / 5 / with a collimator / 6 / transmitting radiation from the object under study, and a collimator / 7 / transmitting radiation from the target / 8 /. The target is made of a material emitting characteristic x-ray radiation with an energy in the range from 15 to 35 keV, which is detected with sufficient efficiency by scintillation detectors, for example, cadmium. The thickness of the target is chosen from the condition of not less than tenfold attenuation of its own radiation. Two sensors / 9 / distance allow you to control the geometric parameters of the system "source - object - detector".

Устройство работает следующим образом. Рентгеновский генератор /1/ создает пучок первичного широкополосного излучения с осью, направленной нормально к поверхности исследуемого объекта /3/. Границы и направления пучков рентгеновского излучения показаны штриховыми линиями со стрелками. Первичное излучение частично попадает на мишень /8/ и возбуждает в ней характеристическое рентгеновское излучение. Обратно рассеянное веществом объекта излучение, прошедшее через коллиматоры /6/, и характеристическое излучение мишени /8/, прошедшее через коллиматоры /7/, регистрируют детекторами /4/.The device operates as follows. The x-ray generator / 1 / creates a beam of primary broadband radiation with an axis directed normally to the surface of the object under study / 3 /. The boundaries and directions of the X-ray beams are shown by dashed lines with arrows. The primary radiation partially hits the target / 8 / and excites characteristic x-ray radiation in it. The radiation backscattered by the material of the object passing through the collimators / 6 / and the characteristic radiation of the target / 8 / passing through the collimators / 7 / are recorded by the detectors / 4 /.

Энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора обеспечивает разделение пиков обратно рассеянного излучения и характеристического излучения. Для каждого измерительного канала (детектора) находят скорость счета N_p в пике обратно рассеянного излучения, скорость счета N_x в пике характеристического излучения мишени и вычисляют скорость счета N с поправкой на изменение интенсивности первичного излучения по формуле:The energy resolution of the scintillation detector ensures the separation of the peaks of the backscattered radiation and the characteristic radiation. For each measuring channel (detector), the count rate N _p at the peak of the backscattered radiation is found, the count rate N _x at the peak of the characteristic radiation of the target and the count rate N is corrected for the change in the intensity of the primary radiation according to the formula:

Расчет плотностей ρ₁ и ρ₂ для каждого канала проводят по градуировочным характеристикам плотномера, связывающим плотность со скоростью счета N в каждом канале, которые построены с учетом изменения геометрии при движении.The densities ρ ₁ and ρ ₂ for each channel are calculated according to the calibration characteristics of the density meter, which connect the density with the count rate N in each channel, which are constructed taking into account changes in geometry during movement.

Так как относительные изменения скоростей счета в пиках обратно рассеянного и характеристического излучения одинаковы, введение поправки по формуле (1) обеспечивает компенсацию изменения интенсивности пучка рентгеновского генератора в процессе его работы, что приводит к повышению стабильности и снижению погрешности измерений.Since the relative changes in the counting rates at the peaks of backscattered and characteristic radiation are the same, the introduction of a correction by formula (1) compensates for changes in the intensity of the beam of the x-ray generator during its operation, which leads to increased stability and reduced measurement error.

По мнению авторов, указанные отличительные признаки являются новыми и в предложенном функциональном единстве необходимы и достаточны для обеспечения заявленного технического результата.According to the authors, these distinguishing features are new and in the proposed functional unity are necessary and sufficient to ensure the claimed technical result.

Claims

A mobile X-ray densitometer, including an X-ray generator with a window forming a wide-band panoramic beam of radiation, two energy-dispersive detectors that detect radiation backscattered from the analyzed object, two distance sensors to take into account the effect of changes in geometry during measurement during movement, characterized in that between the detectors and the window of the x-ray generator installed target from a material emitting characteristic x-ray radiation with an energy in the range from 15 to 35 ke B, made in the form of an elongated rectangular plate, curved along the transverse axis of symmetry and facing a convex surface towards the window of the x-ray generator and the narrow sides to the detectors, and each detector is equipped with an additional collimator that transmits a beam of characteristic x-ray radiation of the target into the detector.