Осипов, Сергей Павлович

Чинь Ван Бак

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

227 ВЫБОР СХЕМ ТОМОГРАФИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С СИММЕТРИЕЙ Чинь Ван Бак, С.П. Осипов  Томский политехнический университет, г. Томск Научный руководитель: Осипов С.П., к.т.н, ведущий научный сотрудник Российско-китайской научной лаборатории радиационного контроля и досмотра ИНК ТПУ В связи с развитием средств вычислительной техники, источников рентгеновского излучения и соответствующих систем детектирования в последнее время бурно развивается трехмерная томография, которая отличается от двухмерной реализации РВТ, принято считать, более вы-сокой производительностью. Применение томографии для исследования структуры протяженных объектов с симметрией, классическим приме-ром которых являются цилиндрические тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) [14], продолжает оставаться актуальной задачей. Совершенст-вование конструкций ТВЭЛ обуславливает необходимость проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований. На пер-вом этапе необходимо определиться со схемой получения исходной ин-формации для РВТ, то есть со схемой сканирования. Схема сканирова-ния существенно влияет на производительность и качество получаемых трехмерных изображений внутренней структуры.  Основные схемы сканирования и методики расчета времени кон-троля  Обсудим наиболее распространённые схемы сканирования протя-женных изделий на примере цилиндрических объектов контроля (ОК) диаметром H и длиной L, см. рис. 14. Производительность обратно пропорциональна общему времени контроля T объекта. Для всех схем время T определяется временем нахождения систем детекторов в одной позиции t0, временем перемещения системы источник − детекторов из одной позиции в другую Δt, шагом по углу вращения Δθ и количеством временных интервалов k, необходимых для калибровки по «черному» и по «белому». Схема 1. На рис. 1 изображена схема, которая характерна для клас-сического метода РВТ. В этой схеме набор необходимых исходных од-номерных проекций формируется в результате дискретного (непрерыв-ного) вращения объекта относительно некоторой оси. После получения проекций для одного слоя объект перемещается на величину шага ска-нирования Δx и процесс повторяется. Шаг сканирования Δx не должен 228 превышать размер размера чувствительного объема детектора в направ-лении сканирования d.                                                    2                                                                                                                                                                                                                                         1                                        3                                                                                                                                        4                                                  θ                                                                                                                            7                                                                                                                                                                        Направление сканирования        5                                                              x                                                  6                                                                                                                                                       Δx − шаг сканирования                                                                                             2                                                                                                                                                                                                                                         1                                                                                                                                                                                 3                                                 θ                                                                                                                             5                                                                                                                                                                        Направление сканирования    4                                                                                                  x                                       D                                                                                                                                                                                    ΔX − шаг сканирования                           Рис. 1. Непрерывное (дискретное) вращение с дискретным линейным перемещением: 1 − источник излучения; 2 − радиационная защита источника;  3 − щелевой коллиматор источника;  − ОК; 5 − щелевой коллиматор детектора; 6 − линейка детекторов;  7 − ось вращения ОК  Рис. 2. Непрерывное (дискретное) вращение с дискретным линейным перемещением с формированием двухмерных проекций: 1 − источник излучения; 2 − радиационная защита источника; 3 − ОК; 4 − ось вращения ОК; 5 − панель (матрица) детекторов                                                                2                                                                                                                                   1                                                                                                                               3                                                                                                                                                                                             4                                                  θ                                                                                                                                        7              x                                                                                                                      5         6                                              Направление сканирования                                                                                               Шаг сканирования Δx                                                                                                            4                                                                                                                                                                  G                                                                                                                                                                                         1       2                                                                                                                              D                                                                                                                                                                                                                                 3                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 θ                                                                                                                                                                                                                                                                                     5 Рис. 3. Непрерывное (дискретное) линейное перемещение с дискретным вращением с формированием одномерных проекций: 1 − источник излучения; 2 − радиационная защита источника; 3− коллиматор источника;  4 − ОК; 5 − коллиматор детектора;  6 − линейка детекторов;  7 − ось вращения ОКРис. 4. Непрерывное (дискретное) вращение с формированием двухмерных проекций: 1 − источник излучения; 2 − радиационная защита источника; 3 − ОК; 4 − панель (матрица) детекторов; 5 − ось вращения ОК 229 Выражение для вычисления общего времени контроля T для пер-вой схемы имеет вид  0 0180 .L LT t t t kx x          (1)  Схема 2. Отличие схемы 2 (рис. 2) от схемы 1 заключается в том, что шаг дискретного линейного перемещения после формирования од-ного набора двухмерных проекций ΔX сопоставляется не с размером единичного детектора d, а с размером всей системы детектирования  в направлении сканирования D  .X D   Время T оценивается по формуле  0 0180 .L LT t t t kX X          (2) Схема 3. В указанной схеме (рис. 3) на первом этапе формируется теневое изображение ОК в результате дискретного или непрерывного линейного перемещения объекта контроля относительно системы ис-точник излучения − линейка детекторов. Затем объект контроля повора-чивается на заданный угол и операции формирования двумерных про-екций повторяются необходимое число раз. Выражение для оценки времени T для схемы 3 имеет вид  00 0180 180 ,DT t t t kx          (3) здесь D0 − поперечный размер тени объекта контроля. Схема 4. Следующая схема отличается от схемы 3 регистратором рентгеновского излучения, в качестве которого выступает панельный детектор либо матрица радиометрических детекторов (рис. 4). В этой схеме тень от объекта контроля полностью помещается на лобовой по-верхности системы детектирования, что позволяет исключить линейные перемещения объекта, а оставить лишь вращательное . Формула для вычисления времени сканирования T выглядит сле-дующим образом  0 0180 180 .T t t t k        (4) Пример расчета времени сканирования Продемонстрируем возможности применения предложенной выше методики сравнения схем сканирования для цилиндрического объекта  с максимальной массовой толщиной 4 г/см2, эффективный атомный но-мер 15.effZ   Длина объекта 1300 мм. Поперечный размер единичного детектора 0,1×0,1 мм2. Угол θ = 40°, 60°, 80°, максимальная энергия ис-230 точника рентгеновского излучения  Emax = 250 кэВ. Результаты расче-тов сведены в табл. 1. Таблица 1 Время сканирования T, отн. ед. θ, ° Схема сканирования T 40 1 1 2 0,84 3 30 4 1,459 60 1 1 2 0,039 3 20,57 4 0,665 80 1 1 2 0,019 3 13,419 4 0,328 Выводы: Из анализа данных можно сделать достаточно неожидан-ный вывод: наибольшей эффективностью по производительности обла-дает вторая схема сканирования. Наименее эффективна третья схема. Причиной данного факта является необходимость сохранения поля об-лучения, приводящая к увеличению расстояния от источника излучения до объекта контроля. С увеличением угла θ изменяется и эффективность схем сканирования. Третья схема и с увеличением угла остается самой малоэффективной. Вопрос выбора между второй и четвертой схемами сканирования остается за потребителем. Список информационных источников 1. Yang M., Liu Q., Zhao H., Li Z., Liu B., Meng F. Automatic X – ray inspec-tion for escaped coated particles in spherical fuel elements of high tempera-ture gas-cooled reactor // Energy. ‒ 2014. ‒ Vol. 68. ‒ P. 385‒398. 2. Caruso S., Jatuff F. Design, development and utilisation of a tomography station for γ-ray emission and transmission analyses of light water reactor spent fuel rods // Progress in Nuclear Energy. ‒ 2014. ‒ Vol. 72. ‒  P. 49‒54. 3. Parker H.M., Joyce M.J. The use of ionising radiation to image nuclear fuel // Progress in Nuclear Energy. ‒ 2015. ‒ Vol. 85. ‒ P. 297‒318. 4. Ishimi, A., Katsuyama, K., Nakamura, H., Asaga, T., Furuya, H. Radial density distribution in irradiated FBR MOX fuel pellets // Nuclear Tech-nology. ‒ 2015. ‒ Vol. 189. ‒ № 3. ‒ P. 312‒317.  

Выбор схем томографического сканирования протяженных объектов с симметрией

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University