Получение рентгеновских и гамма изображений протяженных источников с использованием кодирующих апертур

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию методов получения изображений в рентгеновском и гамма диапазонах энергий с помощью портативных систем. Получение изображений в указанных диапазонах энергий используется в последнее время для задач радиационных измерений, экологии и безопасности. Необходимость новых методов для рассматриваемого круга применений связана с отсутствием чувствительных портативных систем, которые могут быть переносимы оператором или устанавливаться на манипуляторы с ограниченной грузоподъемностью. Достаточная чувствительность не можег быть достигнута с использованием коллимированных детекторов и пинхольных коллиматоров. Подходом к решению задачи повышения чувствительности и эффективности портативных систем получения гамма изображений является применение кодирующих апертур или систем с электронной коллимацией на основе использования комптоновского рассеяния.

В работе обосновывается осуществимость выбранного подхода, формулируются теоретические основы, предлагаются и исследуются способы их практической реализации, включая экспериментальные системы регистрации распределения потока излучения, а также алгоритмы решения обратных задач, обеспечивающие эффективную реконструкцию пространственных потоков излучения и визуализацию распределения источников. Излагаются текущие достижения и тенденции развития исследований в этой области. Описываются применения разработанных и исследованных систем для решения практических задач. На основе разработанных моделей проведен анализ новых перспективных систем и предложены подходы к их практической реализации.

Актуальность темы

Различные объекты ядерной энергетики и промышленности подошли к стадии вывода из эксплуатации (энергетические ядерные реакторы, заводы топливного цикла, исследовательские реакторы и сборки). На объектах ядерного наследия, связанных с созданием ядерной обороны и атомного подводного флота, также необходимо проведение работ по реабилитации и выводу из эксплуатации. Для этих работ требуются дистанционные методы радиационного обследования в сложной радиационной обстановке. Методы получения гамма изображений в этом случае являются одним из возможных решений. Задачи бесконтактного определения запрещенных веществ (взрывчатые вещества, наркотики) имеют решения с использованием ядерных методов, а получение гаммаизображений в этом случае наиболее информативно. Результатом является распределение сигнала сразу на всем объекте. Прямые методы получения изображений — пинхольная камера или сканирование одним коллимированным детектором — требуют большого времени проведения измерений и имеют недостаточную чувствительность. Непрямые методы с использованием кодирующих апертур и принципов комптоновской камеры, зародившиеся в астрономии высоких энергий (рентгеновская и гамма-астрономия) и в медицинской диагностике с применением радиоактивных препаратов, могут значительно улучшить характеристики систем получения рентгеновских и гамма изображений, с использованием этих методов могут быть созданы системы с новыми свойствами.

Согласно данным МАГАТЭ из более чем 380 остановленных по всему миру исследовательских ядерных установок только около половины полностью выведены из эксплуатации, что, с учетом присущего этим установкам многообразия и их специфике, свидетельствует о технической сложности этих работ и необходимое&tradeновых технических средств и технологий для их безопасного и эффективного выполнения.

В настоящее время на предприятиях государственной корпорации «Росатом» и других ведомств Российской Федерации остановлено, но из эксплуатации не выведено более 120 ядерных и радиационно опасных объектов различного назначения, среди которых 4 энергоблока АЭС, 10 промышленных уран-графитовых реакторов и 14 исследовательских ядерных установок со стационарным уровнем мощности. Прогнозируется, что в период до 2030 г. дополнительно должно быть остановлено более 40 ядерных и радиационно опасных объектов, включая 24 энергоблока АЭС, 5 промышленных реакторов и 10 исследовательских установок, и развернуты работы по их выводу из эксплуатации.

Из этих данных следует, что в России вывод из эксплуатации ядерных установок различного назначения уже приобретает массовый характера, и техническая политика страны должна быть направлена на создание новых приборных средств, необходимых для этих работ. Положительным импульсом в направлении улучшения сложившейся в этой области ситуации может стать реализация утвержденной Постановлением Правительства РФ № 444 от 13.07.2007 г. Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года», мероприятия которой предусматривают подготовку к выводу и/или вывод из эксплуатации остановленных блоков Белоярской и Нововоронежской АЭС, промышленных уран-графитовых реакторов Сибирского химического комбината, Горно-химического комбината и Производственного объединения «Маяк», а также целого ряда исследовательских ядерных установок и других объектов использования атомной энергии.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка методов получения изображений в рентгеновском и гамма диапазоне энергий для задач радиационных измерений, экологии и безопасности, которые могут быть реализованы для портативных систем. Требование портативности систем накладывает ограничения' на методы получения гамма изображений. Могут использоваться либо кодирующие апертуры, либо эффект комптоновского рассеяния. Из цели работы следуют и задачи, которые состояли в определении, выборе и оптимизации параметров разрабатываемых приборных средств измерений, создании алгоритмов обработки данных и создании программ для управления приборами системами в реальном времени.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являются протяженные источники рентгеновского и гамма излучения и приборные средства для получения изображений таких источников. Методы исследования: математическое моделирование, создание прототипов и опытных образцов" — систем и приборов, проведение измерений с известными источниками, проведение измерений в реальных условиях.

Методологический подход. Для получения рентгеновских и гамма изображений рассмотрены системы с компактными позиционно-чувствительными детекторами излучения как со спектральным разрешением, так и без него. Для формирования гамма изображений на детекторе используется принцип кодирующих апертур. Для исследования структуры объектов в геометрии с односторонним доступом рассмотрены системы с комптоновским рассеянием зондирующего излучения-с известной геометрией источника. В основе методологического подхода исследований, лежит разработка и применение математических моделей разрабатываемых приборов и систем. Создаваемые опытные образцы систем и получаемые с ними экспериментальные данные служат для проверки и уточнения моделей. Эти модели позволяют не только разрабатывать приборы и системы для* получения изображений6 (априори определять их метрологические характеристики и параметры), но и проверять методы восстановления изображений и дополнительной обработки экспериментальных данных путем расчета теневых картин на детекторе.

Научная новизна работы и теоретический вклад. Разработан метод получения рентгеновских и гамма — изображений распределенных источников с помощью кодирующих апертур. Показано, что в отличие от используемых ранее коллимационных методов изображение получается более контрастным, увеличивается отношение сигнал/шум и улучшается чувствительность. Определены типы и геометрии масок детекторов. Впервые метод реализован при создании портативных систем с позиционно-чувствительными детекторами различных типовсцинтилляционными, ЭОП, ПЗС и полупроводниковыми (СсГГе + МесНр5×2).

Разработаны алгоритмы ' получения, предварительной* обработкитеневых картин и восстановления изображений. На их основе разработаны программные средства, позволяющие интерактивно менять параметры (расстояния до источников, палитры и методы представления изображений на мониторе) и получать восстановленное изображение во время экспозиции изображения.

Разработана система с односторонним доступом для’исследования структуры объектов с использованием комптоновского рассеяния рентгеновского излучения. Проведены анализ принципа построения, демонстрация возможности применения метода для контроля структуры при динамическом изменении объекта. Впервые разработан лабораторный образец системы для получения томографических изображений приповерхностных слоев материалов с использованием" рассеяния веерного рентгеновского пучка. Разработан алгоритм анализа изображений при динамическом контроле во время сварки.

Впервые разработана система получения изображений с углом обзора 2п и отсутствием артефактов в изображении, исследованы возможности ее реализации для разных типов задач. Показана возможность построения портативных чувствительных систем для поиска источников в городских условиях неоднородного гамма фона и контроля за перемещением гамма источников с высокой энергией излучения в условиях сильного фона.

Впервые проведен расчетно-теоретический анализ системы гамма-радар со спектрометрическими детекторами различных типов.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие положения.

I. Разработка для портативных систем метода получения рентгеновских и гаммаизображений распределенных источников с помощью кодирующих апертур. Показано, что в, отличие от используемых ранее коллимационных методов изображение получается более контрастным, увеличивается отношение сигнал/шум и улучшается чувствительность. Определены типы и геометрии масок детекторов. Впервые метод реализован при создании портативных систем с позиционно-чувствительными детекторами различных типов (сцинтилляционными, ЭОП, ПЗС).

II. Создание опытных образцов 4-х систем получения гамма изображений с кодирующими апертурами на основе разных типов детекторов, включая сцинтилляционные и полупроводниковые (СсГГе + МесНр1×2) детекторы со считыванием с помощью ЭОП и ПЗС-матриц. В лабораторных измерениях, а также в практических работах на объектах атомной энергетики получены рекордные параметры по чувствительности для компактных систем: для источника Сз-137 -экспозиция ~10нГрСо-60 экспозиция 50 нГр при нормальном гамма фоне (200 нГр/ч).

III. Алгоритмы получения и предварительной обработки теневых картин, восстановления изображений. Программы позволяют интерактивно менять параметры (расстояния до источников, палитры и методы представления изображений на мониторе) и получать восстановленное изображение во время экспозиции изображения.

IV. Разработка систем с односторонним доступом для исследования структуры объектов с использованием комптоновского рассеяния излучения. Анализ принципа построения, демонстрация возможностей метода, применение для контроля при динамическом изменении объекта. Разработка алгоритма анализа изображений при динамическом контроле. Разработка лабораторного образца системы для получения томографических изображений приповерхностных слоев материалов с использованием рассеяния веерного рентгеновского пучка.

V. Результаты исследования системы гамма-радар для нахождения структуры объектов при одностороннем доступе, анализ и предложение по ее реализации с использованием детекторов типа сцинтисфера, моделирование влияния энергетического разрешения на качество изображения.

VI. Разработка системы получения изображений с углом обзора 2п и отсутствием артефактов в изображении, исследование возможности ее реализации для разных типов задач. Показана возможность построения портативных чувствительных систем для поиска источников в городских условиях неоднородного гамма фона и контроля за перемещением гамма источников с высокой энергией излучения в условиях сильного фона.

VII. Разработка алгоритмов получения и декодирования изображений для систем с кодирующими апертурами в условиях неполного кодирования изображений — метод расширения поля восстановленного изображения и метод изменения фокусного расстояния. Поиск, выбор и моделирование реальных масок и различных технологий их изготовление. Исследование новых масок высоких рангов.

Личный вклад. Автор инициировал исследования и разработку портативных систем получения гамма изображений с использованием кодирующих апертур. Используя методы численного и аналитического моделирования, он разработал программы моделирования получения изображений этим методом для разных позиционно чувствительных детекторов. На их основе разработал портативные системы получения гамма изображений с высокой чувствительностью и угловым разрешением. Системы являются аппаратно-программными комплексами, управляемыми компьютером. Автор разработал алгоритмы восстановления изображений и реализовал их в программном обеспечении реального времени, управляющем системами. Автор внес основной вклад в разработку лабораторного прототипа системы исследования приповерхностных слоев материалов с односторонним доступом, исследовал возможности реализации системы «Гамма радар» с различными спектрометрическими детекторами.

Разработал и предложил технические решения реализации системы получения одномерных гамма изображений без артефактов.

Лично руководил и принимал участие в лабораторных исследованиях систем и экспериментальных работах по< картированию радиоактивных загрязнений разработанными системами. Проводил расчеты и измерения, осуществлял анализ полученных результатов. Разрабатывал новые алгоритмы восстановления данных и представления изображений.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные системы и методы получения гамма и рентгеновских изображений способствуют решению ряда технических и экологических проблем, имеющих важное социальное и хозяйственное значение, в частности*.

1. Созданные системы с кодирующими апертурами используются для радиологического обследования реакторов в Германии, Франции, Бельгии и России. Они позволили определить распределение источников гамма излучения в условиях, когда другие средства картирования не дают изображений Измерения также проводились в рамках международных проектов по программе ИНТАС, в рамках программы сотрудничества РНЦ Курчатовский институт — КАЭ, Францияпри выполнении работ по программе «ФЦП ЯРБ России».

2. Проведенные исследования и разработанные модели и прототипы дают техническое решение по созданию легких систем поиска гамма-источников путем их визуализации в чрезвычайных и аварийных ситуациях. Например носимый прибор весом 500 г позволит визуализировать источники с энергией до 1300 кэВ (б0Со) в реальном времени.

3. Разработанные системы одностороннего доступа для исследования структуры приповерхностных слоев материалов с использованием комптоновского рассеяния актуальны для задач безопасности как для поиска запрещенных и опасных материалов, так и для неразрушающего контроля.

4. Разработанные алгоритмы получения изображений с помощью кольцевых масок не имеют артефактов в восстановленных изображениях. На их основе предложен способ создания систем для контроля проведения как сложных плановых работ с загрязненным оборудованием, отдельными радиоактивными источниками и отходами, так и аварийных работ. Они могут быть использованы как наблюдательные узлы в распределенной сети контроля радиационной обстановки и выявления нежелательных источников у-излучения на больших территориях.

Научные программы, в рамках которых были получены результаты диссертации. Часть результатов диссертации получена в результате исследований, которые проводились в рамках международных и российских научных программ: ИНТАС (Grant No INTAS-93−2288: 1995;1996, Grant No INTAS-01−401: 2002;2004), Collaborative NATOLinkage grant (CR6-L697−2058, 1999;2001), Программы поддержки молодых ученых КИ-2000, РФФИ (грант 2000;02−16 311), Программы сотрудничества Комиссариата по атомной энергии Франции (CEA) и Курчатовского института.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных научных конференциях: 1993 IEEE Int. Conf. on Systems, Man and Cybernetics (Le Touquet, Франция), 1994 IEEE NSS-MIC (Norfolk, США), 1995 IEEE NSS-MIC (San Francisco CIIIA), 1996 Annual Meeting on Nuclear Technology (Mannheim, Германия), 1996 IEEE NSS-MIC, (Anaheim CA, США), 1997 IEEE NSS-MIC (Albuquerque, США), 1998 SORMA (Ami Arbor, США), 1999 IEEE NSS-MIC (Seatle США), 2000 IEEE NSS-MIC (Lion, Франция), 2001 IEEE NSS-MIC (San Diego США)/2004 IEEE NSS-MIC (Rome, Италия), WM’OO (США), ICEM'05 (Glasgow, Великобритания), ICEM'07 (Brugge, Бельгия), NDT-2002 Москва, NDT-2007 Москва, 2008 IEEE NSS-MIC (Dresden Германия), на семинарах РНЦ КИ и ИЛИ РАН, исследовательских центров CEA Sacley и Marcoule Франция, GSF Munchen Германия, опубликованы в трудах конференций, реферируемых российских и международных научных журналах, в научно-исследовательских отчетах по исследовательских программ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 научные работы в реферируемых научных журналах, в трудах конференций (из них 18 из списка ВАК РФ).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых источников из 124 наименований. Общий объем работы 228 страниц, включая 119 рисунков, 12 таблиц.

6.4. Выводы к главе 6.

Численное моделирование работы системы гамма-радар показывает, что пространственное разрешение около 1 мм при локализации небольших пустот возможно при использовании детектора из 04 германия. Разрешение порядка нескольких миллиметров возможно при использовании новых сцинтилляционных детекторов Сз!(Т1) и восстановления регистрируемых ими спектров с использованием специальных программ.

Важным преимуществом системы являетсяотсутствие коллиматора для получения направленного источника излучения. Информация о направлении зондирующих квантов получается путем определения совпадений событий в детекторах. Защита необходима только для радиационной безопасности оператора установки.

В последние годы вошли в практику широкого использования новые сцинтилляционные детекторы ЬаВг3 [117−122] и полупроводниковые детекторы С2. Т [72, 123, 124], работающие при комнатной температуре. Они имеют лучшее энергетическое разрешение, чем обычные сцинтилляционные детекторы. Их также можно использовать для реализации системы гамма-радар. Предпочтительным является ЬаВг3, так как он имеет короткое время высвечивания и поэтому эффективен для систем, использующих схему совпадения событий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении сформулируем основные результаты работы <

I. Впервые для портативных систем, разработан метод получения рентгеновских и гамма — изображений распределенных источников с помощью кодирующих апертур. Показано, что в отличие от используемых ранее коллимационных методов, изображение получается более контрастным, увеличивается отношение сигнал/шум и улучшается чувствительность. Определены типы и геометрии масок детекторов. Впервые метод реализован при создании портативных систем с позиционно-чувствительными детекторами различных типов (сцинтилляционными, ЭОП, ПЗС).

II. Изготовлены опытные образцы 4-х систем получения гамма-изображений с кодирующими апертурами на основе разных типов детекторов, включая сцинтилляционные и полупроводниковые (СсГГе + МесНр1×2) детекторы со считыванием с помощью ЭОП и ПЗСматриц. В лабораторных измерениях, а также в практических работах на объектах атомной энергетики получены рекордные параметры по чувствительности для компактных систем: для источника Сб-137 -экспозиция ЮнГрдля Со-60 экспозиция 50 нГр при нормальном гамма фоне (200 нГр/ч).

III. Разработаны алгоритмы получения и предварительной обработки теневых картин, алгоритмы восстановления изображений. Программы позволяют интерактивно менять параметры (расстояния до источников, палитры и методы представления изображений на мониторе) и получать восстановленное изображение во время экспозиции изображения.

IV. Разработана система с односторонним доступом для исследования структуры объектов с использованием комптоновского рассеяния рентгеновского излучения. Проведен анализ принципа построения, демонстрация возможностей метода, применение для контроля при динамическом изменении объекта. Разработан алгоритм анализа изображений при динамическом контроле. Разработан лабораторный образец системы для получения томографических изображений приповерхностных слоев материалов с использованием рассеяния веерного рентгеновского пучка.

V. В результате исследования системы гамма-радар для нахождения структуры объектов при одностороннем доступе изучено влияние энергетического разрешения детекторов на качество изображениядан анализ ее работы с использованием детекторов типа «Сцинтисфера», показана возможность ее практической реализации.

VI. Разработаны системы получения изображений с углом обзора 2% и отсутствием артефактов в изображениях, исследована возможность ее реализации для решения разных задач. Показана возможность построения портативных чувствительных, систем для поиска источников в городских условиях неоднородного гамма-фона и для контроля за перемещением гамма источников с высокой энергией излучения в условиях сильного фона.

VII. Разработаны алгоритмы получения и декодирования изображений для систем с кодирующими апертурами в условиях неполного кодирования изображений — метод расширения поля восстановленного изображения и метод изменения фокусного расстояния.

Благодарности. Автор глубоко благодарен А. С. Даниловичу, В. Е. Степанову и- |А. Н. СударкинуІ за плодотворную совместную работу по созданию систем получения гамма — изображений, В. Н. Потапову за помощь в разработке программ для моделирования исследованных систем, В. Г. Волкову и А. В. Чеснокову за критическое обсуждение проведенной работы, В. Г. Недорезову за ценные советы по оформлению диссертации.

Работы по теме данной диссертации были поддержаны Управлением атомной науки и техники Федерального агентства по атомной энергии РФ, контрактами с Роснаукой, грантами Российского фонда фундаментальных исследований, программы ИНТ АС, программы NATO Collaborative Linkage, Международного научного фонда Дж. Сороса.