Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее время происходит существенное совершенствование и усложнение рентгенодиагностической аппаратуры (РДА), что обусловлено необходимостью получения достаточной для постановки диагноза информации лри минимальной лучевой нагрузке.- Качество рентгенодиагностических исследований в значительной степени зависит от правильности и воспроизводимости установки основній электрических и радиационных параметров РДА.
В связи с этим все более остро ставится задача организации контроля выходных характеристик аппаратов.
Изложенное подтверждается и международной практикой, в частности .активизацией деятельности МЭК по данному вопросу. Так в рамках технического комитета 62Б ШК создана рабочая группа WG 10 по контролю качества РДА С Quality Assurance ).
Следует отметить, ' что разработка систем контроля качества рентгенодиагностических аппаратов сталкивается с рядом трудностей, обусловленных как многочисленностью подлежащих контролю параметров, так и широким диапазоном их измерения. При этом контролируется как радиационные характеристики РДА ( экспозиционная доза и мощность экспозиционной дозы ), так и электрические : высокое напряжение (Ua), анодный-ток (1а), количество электричества, протекающее через рентгеновскую трубку (mAs) и время экспозиции.
Кроме того, ряд сложностей связан с вторжением в высоковольтную схему аппарата, что особенно сложно, а иногда и невозможно, например для моноблочных РДА. В связи с этим особую актуальность приобретают радиационные (неинвазивные) методы контроля вышеуказанных характеристик РДА.
В отечественной сєї,і насчитывается порядка 40 тысяч рентге-нодиагнхлических аппаратов общего и специального назначения, с
помощью которых ежегодно проводятся 280 млн. исследований. Анализ показывает, что более половины эксплуатируемых аппаратов не соответствуют их техническим требованиям и более 80% экспозиций производится с превышением дозы над необходимой Солее, чем в 2 раза. Сложившееся неблагоприятное положение в отечественной рентгенодиагностике обусловлено как отсутствием необходимых средств контроля параметров РДА, так и утвержденных норм, правил поверки и контроля этих параметров для проведения сертификации.
Для контроля параметров РДЛ в настоящее время широкое применение получили многофункциональные компактные приборы, использующие радиационные методы контроля характеристик рентгеновской аппаратуры медицинского назначения.
Для регулярной поверки таких приборов необходим набор специального контрольного оборудования с высокой точностью измерения поверяемых параметров.
Поверка высокого напряжения является наиболее трудоемким процессом и требует применения уникальных средств контроля этого важнейшего параметра РДА. Обычно, таким оборудованием могут располагать только очень крупные организации.
Цель данной работы - показать, что наиболее перспективным, при разработке недорогой универсальной поверочной установки высокого класса для организации регулярной поверки приборов оперативного контроля высокого напряжения рентгеновской диагностической аппаратуры является рентгеноспектральний метод измерения высокого напряжения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обосновать целесообразность применения рентгеноспектрального метода измерения высокого напряжения РДА на основе определе-
ния границы спектра тормозного рентгеновского излучения.
-
Развить рентгеноспектральний метод контроля высокого напряжения в диапазоне рабочих напряжений РДА от 40 кВ до 125 кВ на основе использования диагностического рентгеновского излучателя (РТ) и обеспечить достижение точности измерений не хуже нескольких десятых долей процента.
-
Разработать алгоритмы и программы математической обработки процессов калибровки и измерения высокого напряжения рентгеноспектральним методом в автоматическом режиме.
-
Оптимизировать набор измерительных компонентов при разработке рентгеноспектрального измерителя высокого напряжения.
-
Исследовать данный измеритель на возможность измерения напряжения с высокой точностью в широком диапазоне напряжений.
-
Разработать методику и стенд метрологической аттестации (РИВН) рентгеноспектрального измерителя высокого напряжения. ч
Научная новизна работы состоит в том, что:
-
Развит радиационный метод измерения бысокого напряжения в диапазоне рабочих напряжений РДА от 40 кВ до 125 кВ на основе определения границы спектра тормозного рентгеновского излучения стандартного диагностического рентгеновского излучателя РДА.
-
Предложен способ учета и устранения факторов, влияющих на исходный спектр тормозного рентгеновского излучения при его регистрации в ІВД и многоканальном анализаторе спектра:
собственная фильтрация рентгеновского излучателя РДА;
вклад афокального излучения;
износ анода рентгеновской трубки (РТ); .
угол выхода фотонов из анода РТ;
фотозффективность ГВД.
<. 3. Учтено влияние дополнительной фильтрации рентгеновского излучения на Си и А1 фильтрах, что впервые позволило разработать новый эффективный метод математической обработки граничного участка спектра для достижения точности определения границы спектра на уровне сотых долей процента.
4."Разработан пакет прикладных программ для обеспечения процессов калибровки и измерения высокого напряжения в автоматическом режиме.
5. Разработан рентгеноспектральний измеритель высоких напряжений РДА (РИВН), определены параметры конструкции измерителя и режимы его работы. Показано, что данный измеритель обеспечивает измерение напряжений в диапазоне от 40 кВ до 125 кВ с основной относительной погрешностью менее 0.1 1.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработан и аттестован Госстандартом как ОСИ 2-го разряда по Ш 2156-91 рентгеноспектральний сашповеряющийся измеритель высокого напряжения (РИВН). Данный измеритель может быть использован для калибровки различных устройств поверки измерителей высоких напряжений 3-го разряда, в том числе делителей высокого напряжения.
Результаты применения РИВН делают возможным создание на его основе поверочных лабораторных средств измерений высоких напряжений непосредственно на месте производства многофункциональных радиационных приборов контроля РДА, в частности, разработанного ВНИИЖГ рентген - тестера ПКР - 1.
Реализация в народном хозяйстве. Опытный образец РИВН введен в Ведомственную поверочную схему для средств измерений электрическою напряжения постоянного тока в диапазоне 40 - 140 кВ (дата введения с 1.07.92 г.) в качестве исходного образцового средства измерений. Опытный образец аттестован ВНИИМС, свидетельство N 206-12-91, протокол от 29.11.91 г.
- 7 -'Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты были представлены на:
8 th International Symposium on "High Voltage Engineering" (Yokohama, Japan, 1993 r.)
9 th International Symposium on "High Voltage Engineering" (Graz, Austria, 1995 r.)
Публикация результатов. Основное содержание диссертации отражено з 5 печатных работах.
Объем работы. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 5 таблиц и- состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 110 наименований и 3 приложений.
В первой главе дается краткий обзор основных методов и средств контроля электрических характеристик РДА.
Показано, что в настоящее время для контроля РДА широкое применение нашли киловольтметры', основанные на двухдетекторном радиационном методе измерения высокого напряжения.
Сформулированы основные требования к диапазонам и погрешностям измерения электрических характеристик рентгенодиагности-ческих аппаратов.
Показано, что наиболее перспективным, позволяющим создать недорогую установку оперативной поверки устройств для измерения постоянного высокого напряжения, является рентгеноспектральний метод.
Между максимальной энергией фотонов пучка рентгеновского излучения Е щах» Соответствующей ЄЙ МИНИМаЛЬНОЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ Лщіп и
напряжением на рентгеновской трубке Ua шах существует зависимость:
Е max = е Ua nvax - he ./ X tnin ( 1 )
e -заряд электрона; h - постоянная Планка-, с - скорость света.
Использование спектрометрического метода позволяет с высокой точностью (до нескольких десятых долей KB) определять максимальное или пиковое значение напряжения на рентгеновской трубке.
Согласно (I),ошибка выполненного измерения зависит исключительно от точности определения X mm. так как фундаментальные константы,' входящие в эту. формулу, известны с погрешностью, меньшей зло-6.
Отметим, что предлагаемый метод является абсолютным, так как шкала энергий может быть прокалибрована независимо и без связи с мерой электрического напряжения.
Сформулированы направления исследований, поставлена цель диссертации и обозначены решаемые в ней задачи.
Во второй главе показан общий принцип и схема построения рентгеноспектрального измерителя высокого напряжения.
При экспериментальном исследовании спектров рентгеновского излучения используются различные спектрометры.
Параметры спектрометрического тракта во многом зависят от характеристик отдельных его элементов, однако в основном определяются типом детектора излучения. Бо типу используемого детектора различают методы спектрометрии с применением сцинтилляторов, пропорциональных счетчиков и полупроводниковых детекторов (ППД).
- g -
Анализ существующих методов измерения спектров рентгеновского излучения показывает, что наиболее приемлемы полупроводниковые детекторы. Германиевый детектор при хорошем энергетическом разрешении имеет фотоэффективность для фотонов с энергией около 100 кэВ примерно 90 X, поэтому, несмотря на большой пик утечки и вклад комптоновского рассеяния, он уверено может быть использован в широком энергетическом диапазоне.
Рассматриваемый ниже метод и основанное на нем устройство представляют собой интерес с точки зрения использования для измерений высоких постоянных напряжений.
В общем виде принципиальная схема устройства, реализующего дачный метод, приведена на рис.1.
Измеряемое напряжение подается на преобразователь ( П ), в котором преобразуется в рентгеновское излучение. Для этого может быть использована обычная трубка от рентгенодиагностического аппарата ( например РУМ-20 ). Выходящее из преобразователя излучение регистрируется блоком детектирования ( БД ), состоящим из полупроводникового детектора ( ШЩ ) и предусилителя. Блок детектирования для уменьшения уровня аумов помещается в криостат, охлаждаемый жидким азотом. Далее сигналы обрабатываются многоканальным анализатором и ЭВМ.
Важно отметив, что основные блоки, необходимые для комплектации данной схемы измерительного устройства часто объединены в специальные комплексы ( LP 4900В, LP 7000 фирмы AF0RA ).
Измеренный с помощью описанной выше схемы рентгеновский спектр (или его приграничный участок) на деле несколько отличается от истинного спектра на выходе из рентгеновской трубки. Причем степень его искажения зависит от разрешения системы и тем меньше, чем лучше разрешение.
-..10 -
— >-
П - преобразователь - рентгеновская трубка; БД - блок детектирования, помещенный в криостат; ЛИ - линейный преобразователь - формирователь; МКА - многоканальный анализатор амплитуд; РУ - регистрирующее устройство, ЭВМ.
Рис. 1
Так, если истинный спектр имеет распределение по энергиям Ф(Е) с границей Ео, то измеряемый спектр амплитуд V на выходе детектора будет иметь в общем случае следующее распределение:
Ео
N(V) - J 6(E.V) Ф(Е) dE ( 2 )
Функция G(E,V) называется функцией отклика детектора. Она определяется статистическим характером отклика детектора на приходящий квант излучения с энергией Е и ее вид зависит от"типа применяемого детектора. Для ІШД и сщштилляционных детекторов вид функции G близок к распределению Гаусса. В принципе функция отклика может быть определена экспериментально в требуемом диапазоне, используя монохроматическое гамма-излучение радиоизотопных источников (ОСГИ). В этом случае, вместо линейчатого (монохроматического) исходного спектра будет наблюдаться некоторое распределение N(V), которое и соответствует функции отклика с точностью до нормирующего множителя.
Ясно,что даже при сравнительно малых значениях относительного разрешения, в силу интегральной зависимости (2) измеренный тормозной спэктр N(V) не будет иметь четкой границы, присущей истинному спектру. Поэтому для точного определения границы спектра (значения измеряемого напряжения) следует восстановить истинный спектр Ф(Е).
Для этого нужно решить интегральное уравнение (2) относительно искомой функции Ф(Е), которое представляет собой известное уравнение Фредгольма 1-го рода с ядром G.
- 12 -Сложность заключается в том, что значения левей части N (измеренного спектра) заданы лишь в дискретных точках и с некоторой погрешностью. Поэтому речь может идти лишь о нахождении приближенного решения.
Методы расчета характеристик генерируемого рентгеновского излучения различаются как по полноте описания процессов взаимодействия, так и по вычислительной сложности.
Анализ аппаратурных искажений спектра, способов их учета и устранения позволил выбрать метод "обдирки" как наиболее подходящий из методов обработки аппаратурных спектров и предложить его как основу для разработки нового метода определения границы спектра тормозного рентгеновского излучения.
Метод "обдирки" позволяет восстановить спектры рентгеновского излучения с высокой точностью. Данный метод хорош и тем, что может быть легко реализован на ЭВМ. Все это делает-предпочтительным использование данного метода для решения поставленной в диссертационной работе задачи измерения высокого напряжения рентге-носпектральным методом.
Произведен учет факторов (фильтрация излучения, износ рентгеновской трубки и т.д.), влияющих на энергетический спектр первичного рентгеновского излучения с целью увеличения точности определения границы спектра.
Отмечено, что для калибровки измерителя целесообразно применять линейчатый спектр контрольного набора гамма - источников.
Процедура сводится к нахождению координат центров пиков-реперов Хр на шкале спектрометра с последующим расчетом по ним калибровочных зависимостей шкалы вида:
U = Ао + At л . ( 4 )
и = Во + Bi />Г ( 5 )
где U - выражено в кВ, Х,ь> - в числе каналов анализатора; Ао, Ai, Во и Bj - расчетные коэффициенты.
Для предполагаемого диапазона измеряемых напряжений в рентгеновских аппаратах от 40 до 125 кВ удобно использовать калибровку по линиям таких изотопных источников из набора ОСГИ, как кобальт 57Со, церий 139Се. Энергии основных пиков этих источников гамма-излучения заключены в области от 6.4 до 165.9 кэВ, а общее число наблюдаемых пиков-реперов составляет 8-10. Некоторые из них являются дублетами, и их использование связано с определенными трудностями.
Показано, что точность измерения высокого напряжения при данном способе калибровки определяется, практически, точностью определения границы спектра из математической обработки.
Выражение для оценки относительной погрешности би измерений напряжений (энергий) в зависимости от погрешности бхо нахождения границы спектра можно записать
би - К(Хо) бхо ( 6 )
где безразмерный коэффициент К(Хо) < 1 для всех практически интересных случаев.
Во третьей главе дается описание развития -радиационного рентгеноспектрального метода измерения высокого напряжения РДА на
- 14 -основе определения границы спектра тормозного рентгеновского излучения. Осуществлена модификация метода математической обработки границы спектра с целью достижения более высокой точности измерения напряжения на РТ.
Для спектральной интенсивности тормозного излучения, выходящего из массивной мишени в соответствии с известной формулой Кра-мерса можно записать : -
dl/dE - -k Z (То - Е) " ( ? )
где То -
I -
к -
начальная кинетическая энергия электрона, кэВ; атомный номер материала мишени ( анода ) -, константа, равная 2.2 10"9. .
Теория Крамерса не учитывает целый ряд факторов и поэтому не дает возможность точно описать энергетический спектр тормозного излучения. Однако можно добиться лучших результатов путем введение поправочных коэффициентов.
Для числа отсчетов в к - ом канале Nk' границы аппаратурного спектра имеем:
Ни' - Fi х F2 х Nk С 8 )
Fj - ехр[- дси(Е) х di - РАЇ СЕ) х й2І; ( 9 )
F2 - Е (Е); ( 10 )
Gki --EX(i) + Col + Сі,
( 11 )
""/ Nk' exp[-2.355(1 - Xk)2/u2(Xk)l для і > Хк; "
EX(i) = ja Nk' expCX (i - Xk)3 + (1 - ct) ( 12 )
^ Nk' exp[-2.355(i - Xk)2/u2(Xk)3 для і < Xk,
причем
є (E) - фотозффективность ШД; PCu(E), jiai(E) - линейные коэффициенты ослабления для А1 и Си - корректирующих фильтров толщиной di и d2 соответственно. Nk - 'число отсчетов в к - ом канале МКА; ш - полная ширина на полувысоге функции отклика ПВД; а - относительная доля экспоненциального "хвоста"; А - характеристика детектора, определенная из его функции отклика; Со, Сі - коэффициенты, определяющие "пьедестал".
Значения |icu(E) и jiai(E) в (9) вычисляются из таблиц путем линейной интерполяции по двум соседним табличным точкам зависимости величины линейного коэффициента ослабления от энергии монохроматического рентгеновского излучения Е для Си и А1 соответственно.
Значения є(Е) аналогичным образом вычисляются из табличных данных паспорта на ПГЩ.
Для численной реализации решения на ЭВМ интеграл в (2) заменяется суммой
Nk - Z Gki Фі ( 13 )
Nk Ski
полученное число отсчетов в к - ом канале анализатора; искомое истинное распределение в той хе шкале; ядро, которое в данном случае имеет вид (11).
- 1.6.-..
На практике суммирование по і в (13) для каждого к достаточно выполнить по конечному интервалу значений 1 от к - (З...5)и(к) до к + (З...5)ы(к) (эти пределы округляются до целого).
Значения параметров ее, А и и определяются экспериментально из процесса калибровки измерителя (шкалы анализатора).
Влияние параметров .Со. Сі в (11) учитывается при вычитании спектра шума измерительной аппаратуры из измеряемого спектра тормозного рентгеновского излучения в момент его загрузки в ЗВМ.
Восстанавливаемое распределение Ф(Е) для (13) в соответствии с (7) задается в виде:
(
ai + b при і < Хо ( 14 ) О при 1 > Хо
где Хо = -Ь/а - искомая граница спектра.
Решение уравнения (13) проводилась комбинацией метода наименьших квадратов и методом прямого поиска минимума функции (15) относительно к.
F mm - Е CNk" - Nk]2 ( 15 )
Здесь к - интервал обработки 50 < к < 200;
Nr' ' - правая часть выражения (13), расписанная с учетом
(8) и (11) ї.е. расчетный спектр; Nk - реальный аппаратурный спектр.
. Суммирование по к проводится по точкам выбранного интервала обработки, а по 1 - для каждого к, как и прежде, по интервалу к +- (3...5)w(k). Причем, если правая граница диапазона к > Хо, то за верхний предел принимается значение границы, округленное до целого.-
Исследованы возможности разработанного метода в его програм-ной реализации. Отмечена устойчивость метода и высокая достоверность получаемых результатов в широком диапазоне интервалов обработки и параметров исходного спектра.
Показано, что вполне реально достижение точности измерения высокого напряжения не хуке 0.1 X.
Разработано необходимое программное обеспечение проведения калибровки и измерения высокого напряжения.
В четвертой главе диссертации описаны разработанные методика и стенд метрологической аттестации рентгеноспектрального измерителя высоких напряжений. Структурная схема стенда приведена на рис. 2. Поверка измерителя осуществлялась по утвержденной программе методом непосредственного сличения измеренных значений напряжения с показаниями образцовых ДВН высокого класса точности. Показаны расчетные соотношения для определения относительной основной погрешности.