Радиационные методы
УДК 620.179.15
НОВЫЙ СПОСОБ И УСТАНОВКА ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕЙ
γ-РАДИОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТРОСКОПИИ МАССИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ И
ЗАГОТОВОК ИЗ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ.
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
© 2019 г. М.А. Горбунов1, С.В. Дудин1,**, О.В. Игнатьев1,*, Е.А. Купчинская1, А.В. Купчинский1,
С.Г. Морозов1, А.А. Пулин1
1 УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Россия 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19
Поступила в редакцию 13.05.2019; после доработки 24.06.2019
Принята к публикации 05.07.2019
Предложен способ и установка γ-интроскопии с «электронной фокусировкой» прошедших через исследуемый объ-
ект γ-квантов. Установка содержит мощный 60Co-источник; устройство позиционирования исследуемого объекта; изме-
рительный комплекс, включающий тонкий сцинтилляционный координатный детектор-рассеиватель с 64-мя кремниевы-
ми фотоумножителями (SiPM) и цифровыми процессорами детекторных импульсов (PDP), сцинтилляционный детектор
полного поглощения с аналого-цифровым PDP, узел отбора событий по совпадениям и энергиям и on-line вычисления
координат, интерфейс связи с персональным компьютером.
Достигнутое на толстых объектах пространственное разрешение составляет ≈ 400 μm. Теоретический предел —
≈ 50 мкм.
Ключевые слова: радиография, комптоновская γ-камера, детектор-рассеиватель, детектор полного поглощения.
DOI: 10.1134/S0130308219100063
ВВЕДЕНИЕ
В современной промышленности для выявления внутренних дефектов в массивных металли-
ческих объектах широко применяется γ-радиографическая интроскопия. Типовая схема установки
приведена на рис. 1. Принцип действия предельно прост. Источник «просвечивающего» излучения
расположен на таком расстоянии, чтобы поток испускаемых им γ-квантов мог считаться парал-
лельным. Расстояние определяется из простых геометрических соображений, которые принимают
во внимание размеры собственно излучателя, размеры ожидаемых дефектов и допустимую вели-
чину геометрического «размытия» получаемого изображения. В качестве источника излучения ис-
пользуют линейные ускорители, бетатроны и радионуклидные источники (обычно 60Co). Энергия
γ-квантов должна составлять несколько мэВ, чтобы не происходило полное их поглощение в ис-
следуемом образце.
а
б
Биологическая
Источник
90°
защита
излучения
1 кэВ
100 кэВ
2 мэВ
500 кэВ
10 мэВ
Θ
180°
0°
Объект
Электронная
90°
иследования
матрица
Рис. 1. Схема типовой радиографической установки (а) и диаграмма направленности комптоновски рассеянных
в объекте γ-квантов в функции от их исходной энергии [1] (б).
В качестве регистратора ранее применяли мелкозернистую рентгеновскую фотопленку, теперь
же ее все чаще заменяют различными кремниевыми микропиксельными запоминающими пласти-
нами [1]. Для увеличения эффективности регистрации применяют свинцовые экраны-конверторы
толщиной 50 — 200 мкм [2].
Новый способ и установка высокоразрешающей γ-радиографической интроскопии...
51
Существуют задачи, где требуется обнаружение субмиллиметровых дефектов (≥ 100 мкм) в
объектах из тяжелых металлов (Z ≥ 82) с линейными размерами до 100 мм. Традиционные методы
γ-радиографии в лучшем случае при этих условиях позволяют обнаружить дефект с характерными
размерами от 1000 до 700 мкм.
ФАКТОРЫ ДЕГРАДАЦИИ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ γ-ИНТРОСКОПОВ
Существует, на наш взгляд, два фундаментальных фактора, влияющих на качество изображе-
ния. Их можно условно поделить на 2 группы:
1. Размытие изображения в координатном регистраторе (рентгеновская пленка или Si-матрица).
2. Рассеяние первичного излучения в исследуемом объекте.
Влияние процессов в регистраторе иллюстрирует рис. 2.
Комптон-
Эффект
эффект
образования пар
γ
γ
γ
Pb-конвертор, 200 мкм
γ′
γ′
+
e
γ′
e-
e-
-
e
γ′
Si-сенсор, 5—50 мкм
Θ = 0 Φ = π/2
Θ = π Φ = 0
e-
Ee = 225 кэВ
Ee = 832 кэВ
γ
Φ
Θ λe = 350 мкмλe = 1350 мкм
γ′
Рис. 2. Сценарии образования в Pb-экране электронов, создающих изображение в фотосенсоре (пленка или кремниевая
матрица). Энергия рассеиваемых квантов Eγ ≤ 1,332 кэВ (источник 60Со).
Основные процессы взаимодействия γ-квантов, прошедших через исследуемый объект —
комптоновское рассеяние (преобладает при Eγ = 1,332 кэВ) и эффект образования пар. Возвращаясь
к диаграммам направленности на рис.1, можно отметить, что большинство рассеянных квантов от-
клонятся на незначительные углы Θ, а это означает рассеяние электронов отдачи на углы Φ вплоть
до 90о — почти параллельно поверхности регистратора. Средняя длина пробега электронов в крем-
нии оказывается в несколько раз больше упомянутых выше 100 мкм (см. рис. 2). Связь между угла-
ми рассеяния квантов и электронов дается выражением [4]:
Cot(Θ/2) = (1+ Eγ /mec2) × tanΦ,
(1)
где Eγ — энергия исходного γ-кванта; mec2 — энергия покоя свободного электрона
Известно [1], что для электронов с исходными энергиями от 50 кэВ до 10 мэВ во всех веще-
ствах справедливо соотношение
λe × ρ ≈ сonst,
(2)
где λe — длина пробега в веществе электронов с данной исходной энергией; ρ — плотность веще-
ства, г/см3.
Исходя из этого, логично полагать, что замена координатного детектора из легкого материала
(рентгеновская пленка или кремний) на Anger-камеру из тонкого сцинтилляционного кристалла с
высокой плотностью и множеством полупроводниковых фотосенсоров, уменьшит эту составляю-
щую погрешности в несколько раз.
Главная же причина низкой контрастности 2D-изображений, получаемых традиционными спо-
собами, состоит в рассеянии первичного «просвечивающего» излучения веществом массивного
объекта исследования (рис. 3). Идеальный случай — формирование изображения квантами «1» и
«2». Кванты «3» и «4» затушевывают картину.
Дефектоскопия
№ 10
2019
52
М.А. Горбунов, С.В. Дудин, О.В. Игнатьев и др.
2,5
1
2
3
4
2,33
γ
γ
γ
γ
2
γ′
1,5
e-
1,39
e-
e-
e+
1
0,68
Исследуемый
0,5
объект
0,39
γ
γ′
γ′
Координатный
00
20
40
60
80
100
детектор
Толщина U, мм
Рис. 3. Рассеяние γ-квантов в исследуемом объекте. Четкое
Рис. 4. Зависимость отношения числа рассеянных
изображение формируется квантами «1» и «2».
в образце γ-квантов к числу прошедших через него без
взаимодействия в функции от толщины пластины.
Проведенное нами моделирование в пакете GEANT4 [5] для образцов из урана и источника
60Со показало значительный рост относительной доли рассеянных γ-квантов («3» и «4») с ростом
толщины просвечиваемого объекта (рис. 4). По-видимому, именно в этой зависимости кроется объ-
яснение феномена того, что средствами классической радиографии удается обнаруживать лишь
дефекты с линейными размерами Ld, превышающими (0,7—1,0) % от толщины просвечиваемого
образца из тяжелого металла [3].
Очевидно, что для повышения контрастности получаемых 2D-изображений необходимо:
а) уметь различать на выходе исследуемого образца рассеянные и исходные γ-кванты;
б) исключить регистрацию рассеянных γ-квантов.
Есть всего лишь одна возможность различить прямые и рассеянные γ-кванты — по величине
их энергии. Это означает, что в качестве их источника должен быть использован γ-радионуклид.
Линейные электронные ускорители и бетатроны автоматически исключаются из-за сплошного спек-
тра тормозного излучения. Возникает вопрос о том, как одновременно измерять энергию и коор-
динату кванта с субмиллиметровой точностью? Координатные детекторы в виде матрицы из сцин-
тилляторов, применяемые в медицине при энергиях до 500 кэВ, обеспечивают пространственное
разрешение в несколько мм при весьма низкой эффективности регистрации и высокой стоимости.
СПОСОБ ГАММА-РАДИОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТРОСКОПИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
В мировой практике распространены т.н. γ-телескопы (или комптоновские гамма-камеры (ме-
дицина, астрономия)), позволяющие получить изображение излучающего объекта [6] путем вос-
становления траекторий отдельных γ-квантов. Схематическое изображение γ-камеры приведено
на рис. 5. Отбор событий для формирования изображения ведется по совпадению во времени сра-
батываний двух детекторов и равенству суммы энергий, оставленных в них энергии первичных
квантов.
Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что применение традиционной комптоновской
γ-камеры для целей γ-интроскопии массивных объектов из тяжелых металлов с субмиллиметро-
вым пространственным разрешением практически невозможно. Это обусловлено устройством
координатного детектора полного поглощения. Обычно это матрица 8×8 оптически изолирован-
ных сцинтилляторов. К детектору полного поглощения предъявляются конкурирующие требова-
ния. Высокая эффективность регистрации требует сантиметровых размеров элементарных кри-
сталлов в матрице, а позиционное разрешение — субмиллиметровых. Противоречие вроде бы
снимается увеличением расстояния d до таких значений, чтобы угол, под которым из точки на
рассеивателе видится один элемент поглотителя, составлял десятые доли градуса. При сечении
элемента матрицы 6×6 мм (характерный размер кремниевого фотоумножителя) для получения
эффективного сечения одного элемента поглотителя 0,1×0,1 мм расстояние между детекторами
составляет
d = 3015 мм.
(3)
Дефектоскопия
№ 10
2019
Новый способ и установка высокоразрешающей γ-радиографической интроскопии...
53
Плата рассеивателя
Плата поглотителя
E1, x1, y1, t1
d
E2, x2, y2, t2
θc
θcone
rcone
θin
E
in
=
E
1
+
E
2
θ
cone
2
2
m
e
⋅c
m
e
⋅c
cos(θ
)=1−
+
cone
E
2
E
1
+
E
2
r
cone
=r
1
(x
1
,y
1
,0)
−r
2
(
x
2
,y
2
,d )
E
in
, θin, φin
Рис. 5. Принцип действия комптоновской γ-камеры [6]. Scatter plane — тонкий координатный детектор-рассеиватель
(Anger-камера); absorption plane — координатный детектор полного поглощения в виде матрицы из сцинтилляторов с
индивидуальными фотосенсорами. В медицинских приложениях d = 50 мм.
Простой расчет показывает, что из 400 комптоновских квантов, образованных в детекторе-рас-
сеивателе, в детектор-поглотитель попадет всего один. Это неприемлемо.
Нами предложен способ гамма-радиографической интроскопии [7], свободный от многих не-
достатков описанного выше. Он заключается в следующем (рис. 6). Детектор-рассеиватель фикси-
рует координату взаимодействия с ним γ-кванта и оставленную им энергию. Детектор-поглотитель
1
2
3
4
γ
γ
γ
γ
γ′
e-
e-
e-
e+
3
γ
γ′
γ′
1
γ′
γ′′
d
γ′′
2
Рис. 6. Предложенная схема γ-интроскопии:
1 — координатный детектор-рассеиватель; 2 — детектор полного поглощения; 3 — исследуемый объект.
комптоновских квантов измеряет только энергию рассеянного кванта. Если оба детектора сработа-
ли одновременно и сумма оставленных в них энергий равна энергии первичных γ-квантов, облуча-
ющих образец, то только в этом случае происходит запись в память координаты взаимодействия с
детектором-рассеивателем. Таким образом исключается участие в формировании 2D-изображения
рассеянных в образце квантов.
УСТРОЙСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ИНТРОСКОПА
Координатный детектор-рассеиватель представляет собой (рис. 7) герметично упакованный
быстрый кристалл LaBr3:Ce в виде диска размерами ∅55×5 мм производства S.-Gobain (спецза-
каз) с приклеенной матрицей 8×8 кремниевых фотоумножителей (SiPM) размерами 6×6 мм про-
изводства SensL. Выход каждого из SiPM соединен со входом своего индивидуального цифрово-
го процессора детекторных импульсов (PDP), выполняющего комплексную обработку сигналов
(усиление, формирование, стабилизация базовой линии, инспекция наложений, таймирование,
кодирование амплитуд). По сути это модификация Anger-камеры.
Дефектоскопия
№ 10
2019
54
М.А. Горбунов, С.В. Дудин, О.В. Игнатьев и др.
57,4 мм
7 мм
D = 55 мм
6 мм
Рис. 7. Детектор-рассеиватель. Пустые квадраты — SiPM SensL.
При взаимодействии γ-кванта со сцинтиллятором возникает короткая сцинтилляционная
вспышка с числом фотонов света, пропорциональным оставленной энергии. Для LaBr3:Ce све-
товыход (LY) составляет 61000—65000 фотон/мэВ. Модуль сбора и обработки данных сумми-
рует амплитуды сигналов от 64-х PDP и определяет энергию, оставленную в сцинтилляторе.
Энергетическое разрешение координатного детектора по линии 137Cs (Eγ = 661,7 кэВ) составляет
10 %. Эффективность конверсии исходных γ-квантов в комптоновские составляет 11,5 %.
Координаты точки взаимодействия определяются в реальном времени согласно выражениям:
n
=64
n
=64
X
=
(x
×
E
)/
E
,
(4a)
∑
i
i
∑
i
i
=1
i
=1
n
=64
n
=64
(4б)
Y
=
(y
×
E
)/
E
,
∑
i
i
∑
i
i
=1
i
=1
где xi и yi — координаты i-го SiPM; Ei — энергия (амплитуда) в канале i-го SiPM.
Благодаря процедуре «взвешивания», согласно выражениям (4), удается определять координату
с точностью до долей размеров SiPM. По нашим оценкам эффективный размер фотосенсора со-
ставляет не 6×6 мм, а 350×350 мм.
Модуль питания,
Детекторы: рассеиватель
Крейт
вычисления и связи
(сверху) и поглотитель (снизу)
"евромеханики"
4×16
Аналого-
цифровых
цифровой
PDP
PDP
Рис. 8. Общий вид измерительного комплекса интроскопа.
Дефектоскопия
№ 10
2019
Новый способ и установка высокоразрешающей γ-радиографической интроскопии...
55
Детектор полного поглощения представляет собой кристалл LaBr3:Ce в виде цилиндра разме-
рами ∅70×38 мм с приклеенным к нему через световод из оргстекла вакуумным фотоумножителем
(PMT) R6233 (Hamamatsu) с диаметром фотокатода 70 мм. Сигналы с него поступают на аналого-
цифровой процессор детекторных импульсов, выполняющий те же функции, что цифровые PDP.
Энергетическое разрешение спектрометра полного поглощения составляет 4 %.
Общий вид измерительного комплекса интроскопа показан на рис. 8. Все 65 процессоров де-
текторных импульсов, модуль сбора и обработки информации, источники питания детекторов и
интерфейс для связи с компьютером посредством Ethernet размещены в одном крейте «евромеха-
ники».
РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРВЫХ ИСПЫТАНИЙ УСТАНОВКИ
В качестве источника излучения использовался гамма-терапевтический аппарат «Агат» с ра-
дионуклидом 60Co активностью ≈ 1000 Кюри. Просвечивались «сэндвичи», состоявшие из специ-
ально подготовленных свинцовых пластин толщиной 5 мм с нанесенными дефектами (рис. 9), Ta-
мультипинового коллиматора толщиной 30 мм (64 отверстия ∅1,0 мм) и двух свинцовых защитных
блоков общей толщиной 100 мм.
Образец 1: Pb, четыре сквозных
Образец 2: Pb, две перпенди-
отверстия диаметрами 4, 3, 2 и 1,5 мм
кулярные друг другу борозды
и два отверстия (4 мм и 2 мм)
глубиной 2 и 0,5 мм.
глубиной 2 мм.
Образец 3: Pb, три линейки
Ta-коллиматор: толщина 30 мм;
сквозных отверстий
64 отверстия диаметрами 1,0 мм.
диаметрами 1,5; 0,6; 1,0 мм.
Рис. 9. Исследовавшиеся образцы и Ta-коллиматор.
Результаты измерений и обработки изображений приведены на последующих рисунках. К со-
жалению, из-за крайне ограниченного срока аренды мощного γ-излучателя не удалось обеспечить
оптимальные условия измерений. На их результатах сказались геометрические факторы деграда-
ции пространственного разрешения: расстояние от собственно γ-радионуклида до «сэндвича» со-
ставляло всего около полутора метров (этого было бы достаточно при диаметре сечения радио-
Дефектоскопия
№ 10
2019
56
М.А. Горбунов, С.В. Дудин, О.В. Игнатьев и др.
нуклида в 1 мм); не удалось, как выяснилось позже, направить поток квантов перпендикулярно
поверхности детектора-рассеивателя из-за того, что для увеличения расстояния головку аппарата
пришлось устанавливать под отличным от 90о углом к горизонту (элипсоидные отверстия коллима-
тора на изображениях).
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
При планировании практического применения установки возникает ряд вопросов.
1. Как влияет толщина просвечиваемого объекта на чувствительность установки к разме-
рам дефектов?
В соответствии с законом Бугера—Ламберта—Бера, описывающим ослабление потока
γ-квантов веществом, мы имеем в каждой точке на кристалле-рассеивателе:
If = I0 × exp(-ν × ρ × Ls),
(5а)
Id = I0 × exp[-ν × ρ × (Ls - Ld)],
(5б)
где I0 — интенсивность γ-квантов первичного излучения источника в каждой точке на поверхности
объекта, ph/s; If — интенсивность первичных γ-квантов в точках на обратной стороне объекта над
которыми в его теле нет микропустот; Id — интенсивность первичных γ-квантов в «поддефектных»
точках на обратной стороне объекта; ν — массовый коэффициент ослабления, см2/г; ρ — плотность
вещества, г/см3; Ls и Ld — толщины объекта и дефекта соответственно, см.
Отношение интенсивностей (контрастность в точке)
Cp = Id / If = exp(ν × ρ ×Ld).
(6)
Два важных вывода следуют из выражения (6):
а) отношение интенсивностей никак не зависит от толщины исследуемого объекта;
б) чем более плотным является объект и чем выше его Z, тем выше, при прочих равных услови-
ях, оказывается контрастность — дефекты в Pu должны обнаруживаться проще, чем в U.
2. Как зависит чувствительность анализа от относительных размеров фотосенсоров (коор-
динатного разрешения)?
Предположим, что мы знаем точное расположение дефекта с площадью сечения Sd в перпенди-
кулярной направлению облучения плоскости в исследуемом объекте. Поставим напротив дефекта
с противоположной от излучателя стороны один элемент координатного детектора площадью SPM
(сцинтиллятор, совпадающий по размерам с размерами SiPM). Гамма-проекция дефекта перекры-
вает только часть SiPM, расположенного под ним, и очевидно, что скорости счета Rd от части де-
тектора-рассеивателя, покрытой проекцией пустотного дефекта, и Rf от остальной его части будут
соотноситься не просто как Сp /1. Очевидно, что
Rf-d = ε × If × (SPM - Sd) / SPM ,
(7)
где Rf-d — скорость счета от «бездефектной» части элементарного детектора; ε — эффективность
регистрации детектора-рассеивателя.
Исходное изображение
Обработанное изображение
Контуры дефектов на обработанном
изображении
Рис. 10. Результаты измерения образца № 1.
Дефектоскопия
№ 10
2019
Новый способ и установка высокоразрешающей γ-радиографической интроскопии...
57
Исходное изображение
Обработанное изображение
Контуры дефектов на обработанном
изображении
Рис. 11. Результаты измерения образца № 2.
Исходное изображение
Обработанное изображение
Контуры дефектов на обработанном
изображении
Рис. 12. Результаты измерения образца № 3. Тень обусловлена неудачной установкой свинцовой защиты, примененной
для снижения паразитной статистической загрузки от рассеянного в воздухе излучения.
Скорость счета от «поддефектной» части элементарного детектора
Rd = ε × If × Сp × Sd / SPM.
(8)
Суммарная скорость счета по выходу SiPM под дефектом составит
RΣ_d = Rf-d + Rd.
(9)
Контрастность измерений элементарным детектором Ce по аналогии с (6) дается выражением
Ce = (Rf-d + Rd)/ RΣ_f ,
(10)
где RΣ_f — скорость счета фотосенсором, над которым нет дефекта.
Для нахождения RΣ_f необходимо в (6) и (8) положить Сp = 1, а в (7) и (8) — Sd = 0. Выполнив
эти условия, получаем RΣ_f = ε × If.
Чрезвычайно важной характеристикой является относительная разность скоростей счета по
выходу фотосенсора при наличии дефекта над ним и без него (дифференциальная контрастность):
DC = (RΣ_d - RΣ_ f) / RΣ_ f .
(11)
Реальный координатный детектор-рассеиватель представляет собой матрицу 8×8 из SiPM
(6×6 мм) и координата взаимодействия γ-кванта со сцинтиллятором находится “взвешиванием”
сигналов нескольких одновременно засвеченных фотосенсоров. Как было упомянуто выше, за
счет процедуры “взвешивания” вместо 64-х SiPM c размерами 6×6 мм мы имеем 293,88×64 вир-
туальных SiPM с эффективными размерами 350×350 мкм.
Дефектоскопия
№ 10
2019
58
М.А. Горбунов, С.В. Дудин, О.В. Игнатьев и др.
Таблица
1
Расчетные зависимости времен экспозиции от размеров дефектов
Сторона
Требуемая статистика по 1 SiPM
3σTmeas
2σTmeas
1σTmeas
кубичес-
Дифференциальная
По всему
кого
контрастность
Nv
N3мм
N6мм
рассеивателю
(99,8%),
(95%),
(68,3%),
дефекта,
DC=(RΣ_d -RΣ_f) /RΣ_f
(виртуальный
(одиночный
(одиночный
NSD
м (ч)
м (ч)
м (ч)
мм
SiPM)
SiPM 3×3 мм)
SiPM 6×6 мм)
1,26⋅104
5,6⋅103
1,4⋅103
0,25
0,01498804
4,01⋅104
294,4⋅104
1177,3 ⋅104
75,4⋅107
(209)
(92,9)
(23,3)
1,25⋅103
560
139
0,40
0,04741511
4,00 ⋅103
294,1⋅103
1176,5⋅103
75,3⋅106
(20,9)
(9,3)
(2,3)
0,65⋅103
290
72,5
0,55
0,06576977
2,08⋅103
152,9⋅103
611,4⋅103
39,1⋅106
(10,9)
(4,8)
(1,2)
0,40⋅103
175
44,0
0,70
0,08444608
1,26⋅103
92,7⋅103
370,9⋅103
23,7⋅106
(6,60)
(2,93)
(0,73)
Численные значения дифференциальной контрастности DC, требуемого числа событий N на
каждый сенсор и времени экспозиции для достижения заданной статистической точности Tmeas в
функции от размеров дефектов содержатся в табл. 1. При расчетах положено, что скорость нако-
пления отобранных координат составляет 103/с (экспериментальное значение).
Из данных табл. 1 следуют выводы:
1. Нет смысла, с точки зрения времени экспозиции, пытаться обнаруживать дефекты с раз-
мерами в поперечнике меньшими, чем размеры виртуального фотосенсора — можно сравнить
данные для дефекта со стороной 250 мкм и 400 мкм. Требуемая статистика отличается на по-
рядок! Видно, что замена примененных SiPM на меньшие (3×3 мм) позволит почти вдвое уве-
личить координатную разрешающую способность интроскопа. Данные моделирования, пока-
занные на рис.13, иллюстрируют сказанное.
2. Совершенно очевидно, что скорость накопления координат отобранных событий ≈ 103 1/с явно
недостаточна. Можно проанализировать причины низкой скорости формирования изображения.
Из потока гамма-квантов с Eγ = 1.33 мэВ взаимодействуют с тонким кристаллом-рассеивателем
(5 мм LaBr3) по механизму комптоновского рассеяния лишь ≈11,5 %, 0,35 % — полностью погло-
щаются в «рассеивателе», а остальные 88,15 % проходят без взаимодействия и попадают в кри-
сталл полного поглощения. Таким образом, в первом приближении в детектор-поглотитель попа-
дает почти 99 % потока квантов, направленных на кристалл-рассеиватель. Статистическая загрузка
по входу электронного канала детектора-поглотителя оказывается в 8,4 раза выше, чем суммарная
загрузка по всем 64-м каналам детектора-рассеивателя. Более того, детектор полного поглощения
регистрирует значительный поток рассеянного в воздухе первичного излучения, требуется орга-
низация защиты большого кристалла от фонового излучения. Отсюда следует, что именно быстро-
действие спектрометра с детектором-поглотителем в первую очередь определяет времена получе-
ния контрастных гамма-снимков.
Быстродействие созданного спектрометра полного поглощения характеризуется величинами
максимальных статистических загрузок по входу Ri_max ≈ 1,9×106 с-1 и по выходу Ro_max ≈ 7,0×105 с-1
(определяет быстродействие интроскопа). При указанном значении Ro_max длительность сформи-
рованных детекторных импульсов TW составляет 525 нс, а максимум квазитреугольных сигналов
Tpeak достигается через 200 нс после их возникновения. Естественным ограничением в сокраще-
нии TW и, соответственно, увеличении Ro_max, является необходимость достаточно полного сбора
фотонов света вспышки. Сцинтиллятор LaBr3:Ce один из самых быстрых неорганических сцин-
тилляторов. Его постоянная времени высвечивания τF составляет всего 16 нс. Если Tpeak = 4τF =
= 64 нс, то в формировании спектрометрического импульса поучаствует 97 % фотонов вспышки.
Есть возможность выполнить условие TW =2Tpeak=128 нс. В этом случае Ro_max =1/e×TW = ≤ 2,87×
×106 с-1. Это четырехкратное увеличение быстродействия канала полного поглощения.
Следующий этап работ — увеличение быстродействия детектора-рассеивателя и его электрон-
ных каналов. Дело в том, что SiPM SensL имеют постоянную времени восстановления после
образования лавины 50 нс. Полное восстановление, с точностью до 0,1 %, занимает 6,9×50 =
= 345 нс соответственно для этого канала Ro_max ≥ 1,05×106 с-1. Знак ≥ употреблен вместо знака ра-
венства из-за того, что при возникновении сцинтилляции засвечиваются не все 64 фотосенсора.
Ситуация облегчается тем, что детектор-рассеиватель регистрирует лишь 12 % событий.
Дефектоскопия
№ 10
2019
Новый способ и установка высокоразрешающей γ-радиографической интроскопии...
59
Виртуальные SiPM 350 мкм.
Виртуальные SiPM 350 мкм.
Без селекции γ-квантов
Комптоновская селекция γ-квантов
Виртуальные SiPM 100 мкм.
Виртуальные SiPM 100 мкм.
Без селекции
Комптоновская селекция
U, толщина 50 мм. Дефект в виде пустого куба со стороной 250 мкм
Рис. 13. Моделирование 0,25 мм дефекта в заготовке толщиной 5 см. Сопоставимые контрастности снимков достигаются
при почти вдвое меньшей статистике, если применена селекция γ-квантов.
ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
1. Созданный измерительный комплекс опытной установки может практически использоваться
для поиска дефектов с характерными размерами от 400 мкм при условии применения последую-
щей матобработки изображений для компенсации недостаточной статистики.
2. Время экспозиции при достаточной активности источника, а также пространственное раз-
решение, «в идеале» не зависят от толщины объекта и размеров фотосенсоров, если эффективный
размер фотосенсора (350 × 350 мкм) не превышает размер дефекта. Важны размеры дефекта, плот-
ность и Z вещества объекта (чем выше, тем лучше). Есть практическая возможность уменьшения
эффективного размера фотосенсоров до 200×200 мкм (замена сенсоров 6×6 мм на 3×3 мм с увели-
чением числа каналов регистрации.
3. Существуют реальные, технически реализуемые решения, позволяющие как минимум в 2-3
раза уменьшить время получения одного гамма-снимка.
4. В будущем возможна двухрежимная работа интроскопа:
а — быстрый поиск крупных дефектов в режиме классического интроскопа (отключен детектор
полного поглощения, скорость набора возрастает на порядок);
б — тщательный просмотр подозрительных областей в режиме комптоновского γ-телескопа.
Дефектоскопия
№ 10
2019
60
М.А. Горбунов, С.В. Дудин, О.В. Игнатьев и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement (3-rd Edition). John Wiley & Sons, Inc., 2000. 802 p.
2. Marinho C.A., Rebello J., Lopes R. Film replacement by digital techniques applied to weld inspection
3. Неразрушающий контроль
/ Справочник. В
8 т.
/ Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.1.
М.: Машиностроение, 2008. 560 с.
4. Jevremovic T. Nuclear Principles in Engineering (2-nd edition). Springer, 2009. 546 p.
6. Kong Y., Brands H., Glaser T., Herbach Claus-M., Hoy L., Kreuels M., Küster M., Pausch G., Petzoldt J.,
Plettner C., Preston J., Roemer K., Scherwinski F., Teofilov N., Verity J., Wolf A., Lentering R. and Stein J.
A prototype Compton camera array for localization and identification of remote radiation sources // IEEE
Trans. on Nucl. Sc. 2013. V. 60. № 2. P. 1066—1071.
7. Патент РФ 2680849 , G01T 1/36. Способ гамма-радиографической интроскопии / Игнатьев О.В.,
Горбунов М.А., Морозов С.Г., Купчинская Е.А., Купчинский А.В., Пулин А.А., Дудин С.В., Фофанов Д.А.
Опубл. 28.02.2019. Бюл. № 7. 2 с.
Дефектоскопия
№ 10
2019
