Введение к работе
Актуальность темы С целью обеспечения высокого качества и надежности эксплуатации изделий в неразрушающем контроле осуществляется интенсивный переход от стратегии поиска и обнаружения к стратегии классификации и распознавания образов. Наличие широкого класса изделий, контроль которых возможен только в условиях одностороннего доступа, актуализировал постановку проблемы повышения информативности радиационного контроля с использованием обратно рассеянного рентгеновского и гамма-излучения, базовой областью которой является комптоновская томография.
В настоящее время, в связи с достижениями трансмиссионной томографии и переходом к проектированию и эксплуатации средств неразрушшощего контроля нового поколения в комптоновской томографии для полной реализации ее потенциальных возможностей все больше ощущается недостаток моделей, описывающих закономерности формирования радиационного сигнала (потока однократно - рассеянного излучения) в детекторе в процессе перемещения системы источник - детектор относительно объекта (сканирования). Это можно объяснить, прежде всего, неоправданным упрощением математического аппарата, используемого для описания процессов сканирования. Например, по отношению к неоднородностям, размеры которых превышают размеры рассеивающего объема возникла необходимость постановки задач, связанных с операциями определения положения границ неоднородностей и измерения их размеров. По отношению к неоднородностям размеры которых малы по сравнению с рассеивающим объемом - необходимость определить их плотность по интегральному сигналу из всего рассеивающего объема. В коррекции нуждаются и подходы к построению аппаратных и программных средств. Так стремление добиться увеличения разрешающей способности за счет уменьшения размеров зондирующих пучков оказывается бесперспективным при переходе к значениям пространственного разрешения порядка 0,1мм из-за уменьшения до исчезающе малых величин количества однократно рассеянных квантов, попавших в детектор и, следовательно, увеличении до недопустимого уровня статистической погрешности экспериментальных данных. Сдерживающим фактором является отсутствие математической модели сканирования, методик экспериментального измерения пространственной функции эффективности сканирующей системы, методов коррекции ослабления первичных и рассеянных пучков, учета вклада многократного рассеянных квантов.
Предложенные в работе модели сканирования, пригодные для адекватного описания реальных физических процессов, позволили сформулировать требования к аппаратным и программным средствам, предназначенным для реализации метода высокоразрешающей комптоновской томографии. Тем самым были созданы физические предпосылки и подготовлена техническая база для повышения информационной способности комптоновской томографии, решения задач математической реконструкции распределения плотности в объекте по интегральным альбедным данным.
Систематизация и критический анализ материалов, сопоставимых по тематике с исследованиями автора, проведена на основании работ отечественных и зарубежных авторов: Андрюшин И.Ф.. Андреев М.Д., Архипов Г.А., Булатов Б.П., Бартошко В.А., Бронников А., Вайнберг Э.И., Варга В.В., Воробьев В.А., Горшков В.А., Гусев Н.Г., Горбунов В.И., Гусев Е.А., Забродский В.А., Карпельсон А.Е., Клюев В.В., Маклашевский В.Я., Мякинькова Л.В., Недавний О.И., Преображенский Н.Г., Пронин С, Стародубцев СВ., Толпииа.С.П., Филинов
B.H., Челядин A.M., Шаверин В.А., Хермен Г., Бейтс Р., Кренинг M., Майлз М., Bridge В., Berodias G., Battista J.J., Clarke R., Costello D.G., Gautam S.R., Gamett E.S., Guzzardi G., Harding G., Jacobs A.M., Kosanetzky J., Lale P.G., Roye W., Strecker H., Tichler J. и др.
Предмет исследования. В диссертации изучаются закономерности формирования радиационного сигнала, создаваемого комптоновски рассеянными в заднее полупространство квантами, при перемещении системы коллимированиый источник - коллимированный детектор относительно объекта контроля (при сканировании объекта контроля) и основанные на этом методы повышения пространственной и плотностной разрешающей способности комптоновской томографии. Условия повышения характеристик комптоновской томографии исследуются применительно к материалам с атомным номером до Z=24, плотностью до 2,7г/см3 и в диапазоне энергий до ЮООкэВ. Превалирование в этих материалах и при этих энергиях комптоновского рассеяния, линейная связь сечения рассеяния с электронной, а следовательно, и с объемной плотностью материала, достаточная для измерения интенсивность потоков излучения, рассеянного в пределах зоны пересечения первичного пучка и зоны чувствительности детектора (рассеивающего объема - РО) конечных размеров создают предпосылки для решения проблемы реконструкции распределения плотности с разрешением порядка 0,1мм при размерах РОдо 50 мм3.
Целью работы являлось создание физико-математических предпосылок, обосновывающих возможность получения дополнительной информации о детальной структуре контролируемого изделия по интегральным альбедным данным, создание методов и аппаратно-программного комплекса, а также их реализация на базе современных достижений трансмиссионной томографии при разработке нового поколения методов и средств комптоновской томографии.
Методы исследования. Используемый в диссертации математический аппарат включает элементы математической физики, математического анализа, теории случайных процессов, численных методов решения обратных задач. Численные эксперименты осуществлены на базе вычислительной техники широкого применения. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании общего и специального назначения, включая оригинальные разработки.
Достоверность результатов работы обеспечивается применением апробированных математических моделей, использованием строгих и корректно обоснованных приближенных методов решения поставленных задач, точностью математических преобразований, применением математически обоснованных численных методов при решении или исследовании полученных решений. Разработка структурных и принципиальных схем специализированных блоков выполнена с соблюдением всех требований и правил схемотехники. Проверка правильности результатов аналитических расчетов и вычислительных операций контролировалась выполнением принципа взаимности и закона сохранения энергии и сопоставлением с экспериментальными данными и с выражениями и зависимостями, известными ранее или по данным других авторов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Применительно к альбедной комптоновской томографии определены пространственно-энергетические характеристики полей фотонного излучения в контролируемой среде, выявлены информативные признаки и разработаны алгоритмы, необходимые для реализации принципа реконструкции изображения внутренней структуры объекта при одностороннем доступе к его поверхности.
-
Разработан метод реконструкции исходного распределения плотности в
объекте по набору интегральных альбедных данных, обеспечивающий пространственное разрешение примерно в 20 раз меньше размеров рассеивающего объема.
-
Изучены закономерности, получены математические соотношения, описывающие поведение пространственной точечной функции эффективности коллимационной системы (апертурной функции коллимационной системы) при поперечном и продольном сканировании объекта в диапазоне энергий до 1 МэВ и плотностей до 2,7 г/см3. Впервые показано, что качество реконструкции распределения плотности по интегральным альбедным данным полностью определяется точностью определения формы апертурной функции.
-
Разработан метод энергетического сканирования, позволяющий использовать неколлимированный детектор, что увеличивает эффективность использования источника излучения более чем на два порядка.
-
Разработана физико-математическая модель поперечного и продольного сканирования объектов рассеивающим объемом конечных размеров с регистрацией излучения комптоновски рассеянного в заднее полупространство и обоснована структурная схема альбедиого томографа.
-
Сформулированы математические закономерности для определения параметров источника первичного излучения, при которых обеспечивается максимальный выход обратно рассеянного излучения с глубины до 40мм при плотности материала контролируемого изделия до 2,7 г/см3.
-
Разработан алгоритм определения плотности верхнего слоя изделия по значению первого максимума сигнала, получаемого при поперечном сканировании.
-
Показано, что в геометрии узких пучков, во всем диапазоне энергий и глубин сканирования, вклад многократного рассеяния составляет 20% сигнала, что приводит к необходимости его обязательного учета, причем 90% рассеянных квантов собираются из зоны, диаметр которой равен пяти диаметрам апертуры пучка.
Практическая ценность диссертационной работы определяется ее теоретико-прикладной направленностью, ориентированной на применении в радиационной дефектоскопии. На основании изученных закономерностей сформулированы общие требования и рекомендации по конструированию систем комптоновской томографии. Решшзация разработанных закономерностей и методов позволила поднять технические параметры систем комптоновской томографии до уровня мировых стандартов, а по некоторым параметрам (пространственное и плотностное разрешение) превзойти их. К практической ценности можно также отнести:
-
Разработаны оригинальные, подтвержденные авторскими свидетельствами, схематические узлы для радиометрического измерительного тракта, удовлетворяющего высоким метрологическим требованиям комптоновских систем.
-
Разработана конструкция аксиально-координатного детекторного блока, обеспечивающего немеханическое сканирование объекта контроля в поперечном направлении с фильтрацией мешающего воздействия ослабления потока рассеянного излучения в материале изделия.
-
Создан опытный образец комптоновского томографа «TomScan-200», по пространственному плотностному разрешению превышающий характеристики известных аналогичных систем.
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в НПО "Алтай", г. Бийск; НИИ ЭРАТ, г. Люберцы Московской обл.;
Днепропетровский НИИ технологии машиностроения, г. Днепропетровск; Государственный ракетный центр (КЕМ им. академика Макеева В.П.), г. Миасс Челябинской обл.; ЦНИИ специальных материалов, г. Хотьково Московской обл.
Материалы диссертации применены в научно-исследовательских работах, проводимых в НИИ интроскопии ТПУ, г. Томск. Научные результаты, полученные в диссертации, используются в курсах "Радиационный контроль и диагностика", "Обработка сигналов в акустике и интроскопии", предназначенных для студентов, обучающихся по специальности 190200 - Приборы и методы контроля качества и диагностики.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
научно технической конференции "Молодые ученые и специалисты томской области в IX пятилетке", г. Томск, 1975г.
научно-техническое совещание "Методы и средства нераэрушающего контроля конструкций из композиционных материалов", г. Миасс, 1983 г.
международная конференция "NDT-89", г. Пловдив, НРБ, 1989г.
6е5 научно-техническое совещание "Состояние и перспективы развития методов и средств НК", г. Москва, 19>89г.
международная конференция "NDT-90", г. София, НРБ, 1990г.
международная конференция по неметаллам, г. Москва, 1989г.
"13-й международный конгресс WENDT", г. СанПауло, Бразилия, 1992г.
Научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль в науке и индустрии", г. Москва, 1994г.
- 14-я российская научно-техническая конференция "Неразрушающий
контроль и диагностика", г. Москва, 1996г.
"Российско-корейский международный симпозиум по науке и технологии", г. Новосибирск, 1999г.
- 15-я российская конференция "Неразрушающий контроль и диагностика",
г. Москва, 1999г.
Публикации- По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ и 18 публикаций в трудах конференций (доклады и тезисы докладов).
Структура и объем роботы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 187 наименований. Основная часть диссертации изложена на 262 страницах машинописного текста. Работа содержит 123 рисунка.
