Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РДА 11
1.1 Современные требования к величинам и контролю параметров
излучателей РДА 12
1.1.1 Требования к контролю суммарной фильтрации и слоя
половинного ослабления рентгеновского излучения 12
1.1.2 Требования к контролю анодного напряжения РДА 16
1.2 Характеристики и параметры рентгеновского излучения и их связь
с величинами суммарной фильтрации и анодного напряжения РДА 17
1.3 Методы определения суммарной фильтрации рентгеновского излучения РДА... 27
-
Расчетный метод определения суммарной фильтрации 27
-
Радиационные методы определения суммарной фильтрации 27
1.4 Методы определения анодного напряжения РДА 34
-
Контактные методы определения анодного напряжения РДА 34
-
Радиационные методы определения анодного напряжения РДА 35
ГЛАВА 2. МЕТОД СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РДА 41
-
Физические основы метода 41
-
Особенности измерения радиационных параметров
рентгеновского излучения 44
2.3 Обоснование выбора варианта реализации метода 48
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 55
3.1 Вывод функциональной зависимости для коэффициента пропускания
тестового фильтра 55
3.2 Определение погрешности метода 62
-
Определение погрешности расчета коэффициента пропускания 63
-
Определение погрешности экспериментального измерения
величины коэффициента пропускания 71
3.3. Вычислительный эксперимент 73
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 76
-
Аппаратные средства проведения эксперимента 76
-
Алгоритмы проведения эксперимента и обработки результатов 78
-
Результаты эксперимента 82
-
Коэффициент пропускания излучения тестовым фильтром 82
-
Определение суммарной фильтрации и анодного напряжения 84
-
Определение слоя половинного ослабления излучения 99
ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РДА
МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЮЗ
-
Средства измерений и вспомогательное оборудование 103
-
Метод измерений 104
-
Подготовка и выполнение измерений 104
-
Обработка результатов измерений 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 111
Приложение 1. Экспериментальные значения экспозиционных доз
рентгеновского излучения 122
Приложение 2. Листинг программы МСП 128
В диссертации представлены исследования, выполненные автором в Оренбургском государственном университете. Основные результаты этих исследований опубликованы в работах [1-17]. Проведенный цикл работ посвящен разработке метода спектрального преобразования и средств для определения суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения, слоя половинного ослабления и анодного напряжения рентгеновских диагностических аппаратов.
Введение к работе
Для получения высокого качества диагностики при минимальной дозе облучения пациента необходимо обеспечение заданных условий рентгеновского исследования [18].
В соответствии с требованиями СанПиН 2.6.1.1192-03 «Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований» [19] при разработке, производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации РДА необходимо проводить контроль эксплуатационных параметров аппаратов. В перечень основных параметров рентгеновских излучателей, проверяемых при испытании новых, отремонтированных и модернизированных РДА, а также при проведении периодического контроля аппаратов, входят суммарная фильтрация пучка рентгеновского излучения, точность выполнения уставок анодного напряжения и слой половинного ослабления.
Необходимость контроля перечисленных параметров объясняется их влиянием не только на интегральную интенсивность генерируемого рентгеновского излучения, но и на его спектральный состав и проникающую способность. Поэтому эти параметры определяют дозиметрические характеристики излучения, которые влияют как на величину дозы облучения пациента, так и на качество получаемого рентгеновского изображения.
В условиях лечебно-профилактического учреждения желательно контролировать параметры РДА радиационными методами, то есть без вмешательства в электрические цепи питающего устройства.
Фильтрацию рентгеновского излучателя в стандарте ГОСТ Р МЭК 60522-2001 «Излучатели рентгеновские. Методы определения постоянной фильтрации» [20] рекомендуется измерять путем подбора толщины слоя опорного материала, требующейся для получения такого же слоя половинного ослабления, что и для композиции материалов, использованных в конструкции рентгеновского излучателя. Этот метод характеризуется невысокой точностью ввиду возможного отклонения параметров образцов материалов от значений соответствующих параметров поглощающих сред исследуемого рентгеновского излучателя. Другие радиационные методы определения собственной фильтрации рентгеновского излучателя предлагались в работах Н.Н. Блинова [21], Л.В. Владимирова и А.А. Козлова [22], однако результаты измерений этими методами связаны с величиной анодного напряжения и зависят от ее точности.
Анодное напряжение также может быть измерено радиационными методами, которые можно разделить на две группы. К первой относится развитый в работах И.П. Зубкова, Б.Г. Потапова, В.Н. Васильева и Ю.В. Ларчикова [23-26] сложный и дорогостоящий рентгеноспектральный метод определения анодного напряжения. Результаты измерений этим методом не зависят от величины суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения. Ко второй группе относятся методы определения анодного напряжения по измеренной проникающей способности рентгеновского излучения, разработанные Н.Н. Блиновым, Г.И. Бердяковым, Т.В. Даниленко и другими исследователями [27-29]. Эти методы получили более широкое распространение благодаря относительной простоте, однако результаты измерений анодного напряжения методами второй группы зависят от величины суммарной фильтрации излучения.
Слой половинного ослабления измеряют либо упоминающимся в [22, 30, 31] и других работах широкоизвестным методом подбора толщины фильтра, ослабляющего рентгеновское излучение в два раза, либо методами сравнения почернений участка рентгеновской пленки, экспонированного через измерительный клин, и участка, получившего половинную экспозицию. Методы сравнения предлагались в работах Н.Н. Блинова, Б.Я. Мишкиниса, М.Е. Смехова, И.М. Харитонова [27] и других авторов. Определение слоя половинного ослабления методом подбора толщины фильтра является достаточно трудоемким процессом, а результаты измерений методами сравнения зависят от точности установки анодного напряжения.
Следовательно, представляется актуальной в развитие существующих методов разработка новой модификации радиационного метода - метода спектрального преобразования для измерения значений суммарной фильтрации, анодного напряжения и слоя половинного ослабления, основанного на преобразовании спектра рентгеновского излучения.
Целью данной работы является разработка метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА без взаимного влияния определяемых параметров, а также аппаратно-программных средств метода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать физическую модель метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанного на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром.
Разработать математическую модель и оценить методические погрешности метода спектрального преобразования.
Обосновать целесообразность использования коэффициента пропускания излучения заданным тестовым фильтром в качестве меры изменения формы энергетического спектра излучения при его фильтрации.
Разработать состав, структуру и алгоритм работы аппаратных средств метода спектрального преобразования.
Разработать алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода.
Экспериментально исследовать возможности разрабатываемого метода. Выявить факторы, определяющие чувствительность и точность метода.
Разработать основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.
В ходе решения поставленных задач были использованы методы математического моделирования с применением математического пакета MathCAD, методы интерполяции, численного решения интегральных уравнений, а также статистические методы обработки данных.
Научная новизна.
Предложен метод спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанный на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром. Для реализации метода выявлена особенность, согласно которой изменение коэффициента пропускания излучения заданным тестовым фильтром при увеличении общей фильтрации происходит в неравной степени для разных режимов генерирования рентгеновского излучения.
Получены функциональные зависимости, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с коэффициентом пропускания излучения заданным фильтром. Выполнена экспериментальная проверка указанных соотношений и показано, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных значений наблюдается для величин анодного напряжения выше 100 кВ и не превышает 1,5 %.
Получены расчетные соотношения, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с величиной первого слоя половинного ослабления. Проведена экспериментальная проверка полученных соотношений и показано, что максимальное отличие расчетных значений от экспериментальных составляет не более 3 %.
Определены состав, структура аппаратных средств и алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА.
Рассмотрены факторы, определяющие чувствительность и точность метода спектрального преобразования. Выявлено, что произведение измеренных значений суммарной фильтрации и анодного напряжения остается постоянной величиной для заданных анодного напряжения и толщины внешнего дополнительного фильтра, на основе чего разработан способ коррекции найденных исследуемым методом величин анодного напряжения и суммарной фильтрации.
Предложены основные положения методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.
Апробация работы была проведена на Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (Бишкек - 1998); Международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ (Оренбург-2001); всероссийских научно-практических конференциях (с международным участием) (Оренбург-2004, Оренбург-2005); региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области (Оренбург-2005); II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005»; научных семинарах кафедры проектирования и технологии радиоэлектронных средств Оренбургского государственного университета.
Практическая значимость.
Полученные результаты являются основой для разработки методики измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования. Указанная методика может быть использована в процессе контроля параметров излучателей РДА при производственных испытаниях и эксплуатации в лечебно-профилактических учреждениях. Проект методики используется для измерения параметров РДА в производственных условиях на предприятии ООО «УРАЛРЕНТГЕН» и в Клинико-диагностическом центре Оренбургского государственного университета, что подтверждают соответствующие акты о внедрении.
Разработанные алгоритм и компьютерная программа расчета коэффициента пропускания излучения заданного тестового фильтра могут быть полезны при подготовке инженеров, рентгенотехников и рентгенолаборантов. Отдельные результаты работы используются в учебном процессе Оренбургского государственного университета при преподавании дисциплины «Рентгеновские трубки, излучатели, моноблоки и питающие устройства».
На защиту выносятся следующие положения:
Физическая сущность метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанного на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации.
Математическая модель метода спектрального преобразования.
Результаты вычислительного эксперимента.
Структура аппаратных средств и алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода.
Результаты экспериментального исследования метода.
Способ коррекции величин анодного напряжения и суммарной фильтрации РДА, измеренных разрабатываемым методом.
Основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.
Структура работы.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Первая глава посвящена обзору современных методов и средств определения параметров излучающей части РДА.
Во второй главе изложена физическая модель метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА.
В третьей главе представлена разработка математического обеспечения метода спектрального преобразования.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию возможностей разрабатываемого метода.
В пятой главе приведены основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.
