Получение рентгеновских и гамма изображений протяженных источников с использованием кодирующих апертур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ИВАНОВ ОЛЕГ ПЕТРОВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ И ГАММА ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОДИРУЮЩИХ АПЕРТУР

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной

физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 7 MAP 2011

Москва-2010

4840846

Работа выполнена в Российском научном центре «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук С. В. Акулиничев

доктор физико-математических наук, профессор Б. С. Ишханов

доктор технических наук, профессор Л. П. Старчик

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН

Защита состоится «_

3 I О 3, 2011

2011 г. в

часов на

заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН

2 8. О 2. 2011

Автореферат разослан «_»_2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01

к. ф.-м. н.

Б. А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию методов получения изображений в рентгеновском и гамма диапазонах энергий с помощью портативных систем с кодирующими апертурами. Получение изображений в указанных диапазонах энергий используется в последнее время как метод решения задач радиационных измерений, экологии и безопасности. Необходимость новых методов для рассматриваемого круга применений связана с отсутствием чувствительных портативных систем, которые переносимы оператором или могут быть установлены на манипуляторы с ограниченной грузоподъемностью. Достаточная чувствительность не может быть достигнута с использованием коллимированных детекторов или пинхольных коллиматоров. Решением задачи по повышению чувствительности и эффективности систем получения у-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 них требуются дистанционные методы радиационного обследования в сложной радиационной обстановке. Получение у-изображений в этом случае является одним нз возможных решений. Задачи бесконтактного определения запрещенных веществ (взрывчатые вещества, наркотики) решаются с использованием ядерных методов, а получение у-изображений в этом случае наиболее информативно. Результатом измерений в этом случае является распределение сигнала сразу по всем объекту. 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 у-астрономия) и в медицинской диагностике с применением радиоактивных препаратов, могут значительно улучшить характеристики систем получения рентгеновских и "/-изображений. На основе 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 выведено из эксплуатации. С учетом многообразия и специфики ядерных установок это свидетельствует о технической сложности работ и необходимости новых 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.

Приведенные данные показывают, что в России вывод из эксплуатации ядерных установок различного назначения уже приобретает массовый характер и техническая политика страны должна быть направлена на создание новых приборных средств и методов для проведения измерений при выполнении этих работ. Важным 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, Горнохимического 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 у-диапазоне энергий для задач радиационных измерений, экологии и безопасности, которые могут быть реализованы для портативных

систем. Требование портативности систем накладывает ограничения на методы получения у-изображений. Могут использоваться либо кодирующие апертуры, либо эффект комнтоновского 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 и системами в реальном времени.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются протяженные источники рентгеновского и у-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 у-изображений рассмотрены системы с компактными позиционно-чувствительными детекторами излучения как со спектральным разрешением, так и без него. Для формирования у-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 изображений (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 у-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 и полупроводниковыми (СсГГс + МеШртх2).

Разработаны алгоритмы получения, предварительной обработки теневых 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.

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 2к 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 у-фона и контроля за перемещением у-источников с высокой энергией излучения в условиях сильного фона.

Впервые проведен расчетно-теоретический анализ системы у-радар со спектрометрическими детекторами различных типов. Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие положения.

I. Разработка для портативных систем метода получения рентгеновских и у-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. Создание опытных образцов 4-х систем получения у-изображений с кодирующими апертурами на основе разных типов детекторов, включая сцинтилляционные и полупроводниковые (Сс1Те + Мес11р1х2) 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 Се-137 экспозиция составляет ~10нГр; для Со-60 -50 нГр при нормальном у-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. Исследование системы у-радар для нахождения структуры объектов при одностороннем доступе: моделирование влияния энергетического разрешения на качество изображения, анализ и предложение ее реализации с использованием детекторов типа сцинтисфера.

VI. Разработка системы получения изображений с углом обзора 2-к 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 у-фона и контроля за перемещением у-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 изготовления. Исследование новых масок высоких рангов.

Личный вклад. Автор инициировал исследования и разработку портативных систем получения у-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 у-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 лабораторной системы исследования приповерхностных слоев материалов с односторонним доступом, исследовал возможности реализации системы «у-радар» с различными спектрометрическими детекторами.

Разработал и предложил технические решения реализации системы получения одномерных у-изображешш 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 рентгеновских и у-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 у-излучения в условиях, когда другие средства картирования ие дают изображений. Измерения также проводились в рамках международных проектов по программе ИНТАС, в рамках программы сотрудничества РНЦ Курчатовский институт - КАЭ, Франция; при выполнении работ по программе «ФЦП ЯРБ России».

2. Проведенные исследования и разработанные модели и прототипы дают техническое решение по созданию легких систем поиска у-источников путем их визуализации в чрезвычайных и аварийных ситуациях. Например носимый прибор весом 500 г позволит визуализировать источники с энергией до 1300 кэВ (60Со ) в реальном времени.

3. Разработанные системы одностороннего доступа для исследования структуры приповерхностных слоев материалов с использованием комптоновского рассеяния актуальны в задачах безопасности- при поиске запрещенных и опасных материалов! 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 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 lNTAS-93-2288: 1995-1996, Grant No 1NTAS-01-401: 2002-2004), Collaborative NATO Linkage grant (CR6-L697-2058, 1999-2001), Программы поддержки молодых ученых КИ-2000, РФФИ (грант 2000-02-16311), 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-M1C (Norfolk, США) , 1995 IEEE NSS-MIC (San Francisco США), 1996 Annual Meeting on Nuclear Technology (Mannheim, Германия), 1996 IEEE NSS-MIC, (Anaheim CA, США ), 1997 IEEE NSS-MIC (Albuquerque, США), 1998 SORMA (Ann 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 München 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.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи исследования, научная новизна и практическое значение результатов работы, формулируются основные положения, составляющие предмет защиты.

Глава 1. Методы получения изображений протяженных источников жесткого излучения портативными приборами: различные подходы

В разделе 1.1 обсуждается получение у-изображений для решения прикладных задач с помощью портативных систем. Рассмотрена портативная пинхольная у-камера (рис. 1) и некоторые задачи, для решения которых она применялась. Например, изображение на

рис. 2 свидетельствует о загрязнении всего дна среднего резервуара, а не отдельной точки на его дне как предполагалось до измерений.

Рис. 1. Устройство гаммавизора (у-камера с /-----1

пинхольным коллиматоро м) и принцип

получения изображения: 1 - двухкоиуснъш рис_ 2. Оптическое (слева) и суперпозиция

коллиматор; 2 - сциптшштор; 3 - ЭОЛ; 4 - оптического и ^изображений (справа) ПЗС камера; 5 - передняя и боковая защита ; 6 - источники излучения

Так как пинхольная камера имеет небольшую апертуру ("светосилу"), то повышение ее чувствительности и улучшение других характеристик является важной задачей. Повысить чувствительность у-камеры можно используя кодирующую апертуру (КА). КА -это поглощающий излучение экран (маска) с набором отверстий, расположенных в определенном порядке, через которые излучение попадает на позиционно-чувствительный детектор (ПЧД). На рис. 3 показаны схемы получения изображений в двух типах камер и пояснены основные геометрические параметры, определяющие характеристики системы: разрешение в плоскости источника: к=(1Цр, угловое поле зрения: в=т(2Л+1)Н\ угловое разрешение: 8в=т//. Размер элементарного детектора с1 и элемента маски т в идеальном случае связаны соотношением: (1=т(1-,+/)/Ь.

.д, имТ .

Коли ру I

Рис. 3. Схемы получения у-изображетш пинхольным коллиматором и с использованием кодирующей апертры. Справа - теневые картины и восстановленные изображения различных источников

Сигнал на детекторе й(г) является сверткой функции источника и функции апертуры маски А: £> = а восстановленное изображение определяется с

использованием обратного преобразования С: SA = C*D, где А*С=5. Выбор узора маски (функция А), который бы обеспечил наилучшее совпадение исходного и восстановленных изображений источников - многопараметрическая задача и ее решение является компромиссом различных требований.

При создании портативной системы получения изображений у-источников с энергией порядка МэВ, маска будет частично прозрачной. В этом случае лучшими свойствами по величине отношения сигнал шум (ОСШ) в изображении имеют маски, основанные на исевдо случайных последовательностях типа URA и MURA. Для элемента изображения, получаемого идеальной кодирующей маской, величина ОСШ имеет вид [ 1J:

а для элементов изображения, получаемых с помощью пинхольного коллиматора:

здесь N - число открытых элементов в базовом узоре маски. - число событий от элемента (к, I) источника изображения в одном пикселе детектора, зарегистрированных за время измерения, В„,„ - число фоновых (смодулированных маской) событий в одном пикселе детектора (ш, я), зарегистрированных за время измерения. Поэтому теоретически маска с N открытыми элементами будет чувствительнее пинхольного коллиматора для точечных источников в раз (т.е. изображение с одинаковым качеством можно

получить в /V раз быстрее или зарегистрировать в N раз более слабый источник) и позволит получать изображения при фоне в N/2 раз большем.

В разделе 1.2 рассматриваются общие вопросы применения КА. Обсуждаются геометрические характеристики масок, рассматривается величина поля зрения и угловое разрешение прибора. Проводится выбор характерных геометрических размеров масок для возможной реализации в портативных приборах получения у-изображений.

Раздел 1.3 посвящен аналитическим оценкам и моделированию характеристик систем с использованием КА. Разработана простая модель для оценки параметров получаемых изображений. Для восстановления изображений применяется простой метод корреляции. Исследованы чувствительность и угловое разрешение, которые могут быть получены в портативной системе с поперечным размером позиционного-чувствительного детектора -40 мм (рис. 4). Проведено моделирование для сравнения систем с пинхольным коллиматором и КА при отображении слабых источников. Для пинхольной камеры рассмотрены только процессы в двухконусном коллиматоре и сцинтилляторе. Площадь отверстия коллиматора и толщина сцинтиллятора равны соответствующим величинам в

SNR

системе с кодирующей апертурой, угол конуса коллиматора 28°, материал коллиматора -вольфрам. Для таких условий источник становится виден в пинхольной камере за время в 12 раз большее, чем в камере с КА.

Рис. 4. Моделирование изображения слабых точечных источников Со-60 для различных положений в поле зрения прибора и зависимость чувствительности от положения в поле зрения

Раздел 1.4 посвящен обсуждению возможностей использования принципа

комптоновской камеры для создания портативных систем получения у-изображений.

Глава 2. Разработанные системы с КА, их детекторы и параметры

Глава содержит описание разработанных систем, используемых в них детекторов и масок, описание лабораторных измерений и полученных характеристик приборов. В четырех камерах используется сцинтилляциониый ПЧД. Регистрация излучения происходит в сцинтилляционном диске. Чувствительность и пространственное разрешение определяются толщиной сцинтиллятора. Эти величины были оптимизированы при разработке пинхольных камер. Свет, образующийся в сцинтилляторе при поглощении у-излучения, собирается в ЭОП и усиливается в нем. Усиленный световой сигнал с электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) считывается цифровой ПЗС- камерой.

Такой сцинтилляционный детектор сравнительно дешев и имеет достаточную чувствительность. В рассмотренных камерах он был реализован с использованием разных типов перечисленных компонентов. Некоторые системы на основе сцинтилляционных детекторов имели также пинхольную апертуру, и поэтому для этих систем проводилось сравнение получаемых характеристик для обоих типов апертур.

Раздел 2.1 посвящен описанию камеры КИ - САИК, разработанной в рамках программы по технологиям мониторинга, проводимой в России под наблюдением фирмы САИК, США. Камера является единым измерительным блоком (рис.5), который соединен кабелем с управляющим компьютером. Измерительный блок включает измерительную головку, блок электроники, заслонку и портативную цветную видеокамеру. Заслонка и видеокамера вынесены в отдельный ящик, расположенный перед маской. Заслонка,

открывающая и закрывающая маску, представляет собой свинцовый цилиндр (диаметр 90 мм, толщина 27 мм). 11а заслонке смонтирована видеокамера. Блок электроники включает электронику ПЗС-камеры, электронику видеокамеры, высоковольтный блок питания ЭОПов, управление этим блоком, интерфейсные платы для связи отдельных плат электроники между собой и с компьютером. Электроника помещена в отдельный ящик, который одновременно служит подставкой для измерительной головки и заслонки. Суммарный вес измерительного блока составляет 67 кг, вес измерительной головки - 55 кг. Измерительная головка включает комбинированный детектор сцинтиллятор + ЭОГ1 + ПЗС, свинцовую защиту и кодирующую маску (рис. 6). Толщина боковой защиты составляет от 20 до 25 мм.

Детектор включает в себя сцинтиллятор, два электронно-оптических преобразователя и ПЗС-матрицу. Электронно-оптические преобразователи помимо усиления обеспечивают масштабирование (4.5 : 1) изображения между сцинтиллятором и ПЗС. Используется низкошумящая ПЗС-матрица с Пельтье-охлаждением.

Рис. 5. Фотография

собранного измерительного блока камеры КИ САИК и трех кодирующих масок

Рис. б. Схематический чертеж измерительной головки. Корпус -1. ПЗС-камера -2, ЭОП ХХ1310 -3, свинцовая защита - 4, высоковольтная изоляция - 5. ЭОП ЭПВ - 6. сцинтиллятор - 7, кодирующая маска - 8

Рис.7. Влияние различных процедур обработки

теневой картины на вид восстановленного изображения

Получение достоверной теневой картины является необходимым условием корректного восстановления исходного у-изображения. Главной причиной отличия регистрируемой теневой картины от реального распределения интенсивности у-излучения в плоскости детектора является неоднородность чувствительности детектора по его площади.

Эксперименты показали, что отсутствие учета неоднородности чувствительности детектора радикальным образом влияет на качество восстанавливаемых у-изображений. Большая неоднородность чувствительности этого ПЧ-детектора может привести даже к полной потере формы визуализируемого объекта. Так, изображение кольцевого источника

рис. 7(1) восстановлено декодированием теневой картины, непосредственно зарегистрированной в эксперименте. Можно видеть, что идентифицировать форму объекта при этом не удается. Изображение на рис. 7(2) восстановлено с учетом неоднородности чувствительности детектора по той же самой теневой картины. Сравнение этих изображений позволяет сделать заключение о важности получения максимально достоверных теневых картин при использовании метода кодирующих апертур. В камере-обскуре неоднородность чувствительности детектора не влияет на получаемые изображения столь радикальным образом.

Предварительно теневые картины обрабатываются временным медианным фильтром, который устраняет следы прямого взаимодействия у-квантов с ПЗС-матрицей. Разработан новый итерационный декодирующий алгоритм для уменьшения шума в восстанавливаемом изображении. Еще один декодирующий алгоритм (описан в главе 3) позволяет существенно улучшить угловое разрешение прибора без потери его чувствительности. Изображение 4 на рис. 7 восстановлено с применением данного декодирующего алгоритма. При его получении использовались три независимых

разбиения теневой картины. Видно значительное улучшение качества изображения за счет улучшения углового разрешения прибора по сравнению с изображением на рис. 7 (3), восстановленным с использованием одного разбиения. В настоящее время количество разбиений увеличено до нескольких десятков.

На основе камеры КИ-САИК была сделана система «у-микроскоп», реализующая возможность получения изображений мелких у-источников. Для этого используется сцинтилляционный детектор и маска типа MURA 11-ого ранга из танталовой фольги толщиной 0,5 мм с малым размером элементов. Шаг структуры маски 0,5 мм, диаметр отверстий - 0,37 мм. Расстояние маска - детектор в несколько раз больше расстояния маска-объекг, при этом получается увеличенное изображение источника. На рис. 8 приведено изображение источника Am-241. Круглая вставка - тот же объект, снятый в другом положении. Видно, что структура объекта хорошо воспроизводится. При оптимизации толщины детектора гамма-микроскоп с кодирующей апертурой позволяет быстро получать изображения источников с пространственным решением 300 микрон.

Рис. 8. Изображение небольшого распределенного источника Ат-241 в у-микроскопе

В разделе 2.2 описана камера с КА на основе сцинтилдяционного позиционно-чувствительного детектора КАРТОГАМ. По сравнению с другими пипхольными камерами камера КАРТОГАМ очень компактна: диаметр - 8 см, длина 40 см, а вес ~ 17 кг. Детектор состоит из сцинтиллятора Св1(Т1) (толщина 4 мм, диаметр примерно 35 мм), усилителя изображения - ЭОПа па основе МКП и Г13С камеры для считывания изображения. В базовой конфигурации используются двухконусные коллиматоры из вольфрама с полем зрения 30° и 50°. Особенностью камеры является получение видео изображения через отверстие пинхольного коллиматора с помощью той же ПЗС матрицы, которая используется для считывания света сцинтиллятора. Таким образом, сохраняется малый поперечный размер камеры. При этом полностью исключается параллакс в получаемых оптическом и у-изображениях, но возникает значительное неудобство в работе с камерой. При использовании КА оптическое изображение получается внешней видеокамерой.

Были разработаны и изготовлены с помощью электроэрозионной резки 3 маски из сплава вольфрама. Маски основаны на шестиугольном 1ЖА узоре (рис. 10). Их особенности - малый размер и точная шестиугольная форма отверстий. Открытая область центрального узора имеет площадь примерно 1.9 см2.

Рис. 9. у-камера с маской б ранга, Рис. Ю. Фото изготовленных масок типа 1/ИА: (а) ранг б установленной в механизме (толщина 12 мм) и (б) ранг 9 (толщина 6 мм) поворота

В лабораторных экспериментах были измерены зависимость чувствительности по полю зрения (уменьшается всего на 30% от центра к периферии) и угловое разрешение. Угловое разрешение слабо меняется от энергии излучения источника. Для пинхольного коллиматора это изменение более значительно, и разрешение для Со-60 примерно в 1.5 раза хуже, чем Се-137 (таблица 1).

Интересная особенность масок типа ЫЖА состоит в том, что маска превращается в свою противоположность - антимаску при повороте на 60°. Если вычесть два теневых

изображения, одно сделанное для маски в основном положении, а другое - в положении антимаски, то фон (часть сигнала, который не промодулирована маской) будет устранен.

Таблица 1. Разрешение камеры с разными масками для источников С8-137 и Со-60 (пиксели и градусы), определяемое как ПУНМ пика в изображении источника.

С8-137 Со-60

пиксели град пиксели Град

Ранг 6 66+5 3 64±5 3

Ранг 9 49+3 2,2 60+8 2,6

Пинхол 30 0 2,3 3,2

Пинхол 50 0 4,6 6,7

Для проверки этого свойства был проведен эксперимент: источник Се-137 поместили па расстоянии 7 м от камеры в поле ее зрения, а источник Со-60 - сбоку от камеры для создания высокого фона, как показано на рис. 11. Восстановленные изображения, полученные без поворота маски и с применением процедуры поворота, показаны на рис. 12. В последнем случае наблюдается значительное уменьшение уровня фона, так как контраст возрастает с 83 % до 98 %, а увеличение отношения сигнал - шум составляет от 6.9 до 28.1 для того же самого полного времени экспозиции.

1 |Лу/|1

¡е|йу//1 -1 т

•7т

'"Со 53 МВц

Рис. 11. Эксперимент с высокой боковой фоновой подсветкой -источник Са-137 па оси, а источник Со-60 расположен сбоку от прибора

Рис. 12. Изображения источника 600 МБк Сх-137 на расстоянии 7 м в условиях сильного фона от источника Со-60, полученные за 6 минут (общее время экспозиции), с использованием (справа) и без использования (слева) процедуры маска-антимаска (маска ранга 6) Процедура маска-антимаска позволяет также: 1) снизить влияние фоновых подсветок видимым излучением в детекторе (они возможны в случае Картогам), 2) устранить влияние неидеальности маски, имеющей конечную толщину, приводящее к разному изменению прозрачности открытых элементов маски (в зависимости от окружения данного элемента - прозрачные или непрозрачные элементы) при смещении источника от оси системы. Второй эффект уменьшается для масок с отверстиями, имеющими диаметр отверстий меньший чем шаг узора маски.

Были оценен предел чувствительности камеры с кодирующей апертурой. Источник С8-137 был размещен на расстоянии от 20 м камеры. Мощность дозы в местоположении

камеры была 120 нГр/ч. Рис. 22 демонстрирует, что при этой мощности дозы источник детектируется через десять минут.

Рис. 13. Восстановленное изображение Рис. 14. Изображение, полученное за 2 минуты, источника 600 МБк !37Cs на 20 м от камеры близко к пределу чувствительности. (¡20 нГр/ч), полученное за 10 минут (процедура маска-антимаска, маска ранга 6)

В разделе 2.3 описана камера КИ-НУКЕМ. Ее разработка является продолжением совместных работ по системам получения у-изображений для использования при обращении с РАО. Первая камера имела пинхольный коллиматор и детектор, аналогичный системе КИ-САИК с двумя ЭОПами с электростатическим усилением и электронной оптикой. Камера имела встроенный компьютер с сенсорным экраном. Камера с КА имеет тот же детектор. Используется маска из сплава вольфрама с гексагональным узором типа URA 9 ранга, толщина маски б мм, шаг узора маски 2,3 мм, диаметр отверстий 1,9 мм. Особенностями конструкции камеры являются встроенный компьютер, управляющий всеми системами камеры и связанный по локальной сети (проводной или беспроводной) с удаленным компьютером оператора, и механизм для поворота маски, управляемый встроенным компьютером. Камера разработана и используется для проведения картирования у-загрязнения в условиях высокого и низкого радиационного фона и для характеризации радиоактивных отходов.

Схема измерительного блока и детектора камеры приведена на рис. 15. Детектор камеры включает охлаждаемую ПСЗ-матрицу и два электростатических ЭОПа. Фотография камеры со стороны маски (рис 15, справа) показывает расположение механизма поворота маски и оптической USB камеры. Камера имеет следующие параметры: диапазон энергии 60 - 1500 кэВ, FoV у-изображения ~ 30°, угловое разрешение для Cs-137 - 1.8°, чувствительность 0.02 мкГр для Cs- i 37. Вес измерительного блока примерно 30 кг.

.л! i

Рис. 15 Схема камеры (слева): 1 - вставка и 2 - ПХ коллиматор; 3- USB видео камера; 4-сцинтшляциошшй диск; 5 и 6 - ЭОПы; 7- ПЗС камера; 8- электронные платы; 9- блок питания; 10- одноплатный компьютер; 11- экран; 12 - корпус и устройство механизма поворота маски и оптической USB камеры (справа).

В разделе 2.4 представлена камера КИ-МКП, разработанная для проведения измерений остаточного у-загрязнения при реабилитационных работах в РНЦ КИ. Эта камера со сцинтилляционным детектором, использующим ЭОП с МКП усилением света. Для проведения работ по у-картирования в условиях высокого фона старый ЭОП детектора камеры заменен на современный ЭОП BV 2584 фирмы Прокситроник (Германия) с входным окном диаметром 25 мм, а вместо пинхолышого коллиматора в новой версии камеры используется маска из тантала 9 ранга (толщина - 4 мм, шаг узора маски - 1,9 мм, диаметр отверстий - 1,7 мм). Камера используется для проведения картирования в условиях высокого и неоднородного радиационного фона.

Сравнение чувствительности различных систем со сцинтилляционными детекторами, выраженной в виде экспозиционной дозы, необходимой для обнаружения точечного источника Cs-137 (изображение источника с OCIII =5), приведено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение чувствительности систем с КА на основе сцинтилляционных детекторов.

Cs-137 Чувствительность А, Бк L, м МЭД, мкГр/ч;

мкГр( =100мкР) t, мин

КИ-SAIC 0.015 МО8 10 0.08; 11

КИ-NUKEM 0,005 I.I-I09 10 0.9; 0,3

0.02 7104 0,3 0.04; 30

КАРТОГАМ - КА 0.004 6108 20 0.12; 2

КИ-МКП 0.007 5Т0б 2 0.09; 5

Раздел 2.5 посвящен разработке систем с полупроводниковым ПЧД с платой Medipix2. Электронная плата Medipix2 для считывания сигналов полупроводниковых ПЧД была разработана коллаборацией Medipix2 [3] в ЦЕРНе. Она основана на многопиксельной ASIC (application-specific integrated circuit) и включает 256 х 256 ячеек (пикселей). Каждый

пиксель имеет размер 55x55 мкм2 и содержит: зарядо-чувствительный предусилитель с формирователем импульса, уставки двух порогов и 13-битовый оцифровщик. Чип подходит для детекторов из различных материалов (51, ваЛя, Сё(2п)Те и др.), так как он может работать как в «электронном», так и «дырочном» режиме регистрации. Плата МеШр1х2 превращается в ПЧД при стыковке с полупроводниковой пластиной, которая предварительно обрабатывается для получения пиксельной структуры - на каждый пиксель специальным припоем наносится выступ для контакта с электродами чипа.

Рис. 16. Маска hURA 13-го ранга, схема ее базового узора и увеличенное изображение небольшой

области шестиугольного узора. Гамма-изображения с кодирующими апертурами были получены с использованием

CdTe детектора толщиной 1 мм и Si детектора толщиной 0,3 мм. Для экспериментов была

изготовлена маска hURA 13-го ранга (рис 2.29.). Толщина маски 0,5 мм, средний диметр

отверстий 0,32 мм (имеется незначительная конусность),

шаг структуры узора 0,5 мм. Размер базового узора

12 мм. Были проведены опыты с Si детектором

толщиной 0,7 мм и источником Аш-241.

Полученные изображения точечных источников

показывают эффективность применения кодирующих

апертур даже при большой прозрачности теневых

элементов масок. Изображение источника Am-241

приведено на рис 17.

Последние версии чипа Medipix2 имеют USB интерфейс с компьютером. С использованием такой платы была создана портативная сверхлегкая у-камера со следующими характеристиками: поле зрения 33°, угловое разрешение 1,5", чувствительность для Аш-241 0,02 мкГр (Si 0,7 мм), для Cs-137 0,2 мкГр (CdTe 1 мм). Вес 265 г.

Рис. 17. Изображение источника Ат-241 активностью 74МВк. Расстояние - 1 м, МЭД - 200 нГр/час, экспозиция -10 минут

Глава 3. Методы получения теневых картин и программное обеспечение для

разработанных систем

В главе рассмотрены алгоритмы и программное обеспечение, разработанные для получения у-изображений портативными системами с кодирующими апертурами. Программное обеспечение позволяет работать с системами, в которых в качестве кодирующей апертуры применяются шестиугольные маски типа URA и MURA любого ранга.

В разделе 3.1 рассмотрены алгоритмы получения достоверной теневой картины. Эта информация получается в две стадии:

1) формирование маской теневой картины в у-лучах на детекторе.

2) регистрация этой картины с помощью позиционно-чувствителыюго детектора.

В детекторе регистрируются не только прошедшие через маску у-кванты и провзаимодействовавшие со сцинтиллятором кванты. Имеется также фоновая подложка, связанная с излучением, прошедшим через защиту камеры. Источником этих квантов являются объекты, не попадающие в поле зрения прибора. Это могут быть также прямые или рассеянные у-кванты от визуализируемого объекта. Наличие боковой подсветки искажает теневую картину, и, в конечном счете, приводит к ухудшению качества восстановленного изображения. В зависимости от расположения источников фоновая подсветка может быть неоднородной. В детекторах с ЭОПами с электростатической оптикой из-за неоднородной чувствительности фон неоднороден даже при однородной подсветке. Кроме сигнала от у-излучения в фон дает вклад темновой ток ПЗС.

Для устранения боковой подсветки используется заслонка, которая ранее эффективно применялась в гаммавизоре. Полное время экспозиции составляет десятки минут и складывается из времени экспозиции отдельных кадров ПЗС-камеры. Заслонка представляет собой металлический (например, свинцовый) цилиндр, который может фиксироваться в двух положениях (маска закрыта, маска открыта). Режим накопления представляет собой последовательность темновых (маска перекрыта заслонкой) и информационных (маска открыта) кадров. Полученные кадры ПЗС-камеры алгебраически складываются (темновой кадр - со знаком минус, информационный - со знаком плюс) в суммарный сигнал. При этом практически полностью устраняется фоновый сигнал.

Если фоновый сигнал зависит от времени (чаще всего это связано с температурной нестабильностью режимов электроники), простая разность кадров вида " + - + - + - + - " (знак "+" - информационный кадр, знак "-" темновой) не устраняет его полностью. Однако последовательность "+-- + - + + -" дает возможность устранить фоновую подложку,

разложение которой в ряд но времени содержит квадратичные члены (I(t) = oíg + a¡t + a2t2 + ... ).

В нескольких разработанных приборах реализован метод "маска-антимаска". Метод "маска-антимаска" служит в основном для устранения влияния фона (вместо заслонки) и устранения шумов в восстановленном изображении, связанных с неидеалыюстыо маски. При наличии дрейфа параметров детектора также используется последовательность из кадров маска (+) и антимаска (-) вида " +-- + - + + - ".

В разделе 3.2 рассмотрены используемые подходы декодирования теневых картин. Основной алгоритм - это свертка теневой картины с обратной матрицей (которая для случая URA и MURA апертур превращается в процедуру вычисления корреляции). Для улучшения качества восстановленных изображений разработан ряд алгоритмов, применяемых при декодировании.

1-й алгоритм улучшения углового разрешения. При использовании комбинированного детектора сцинтиллятор + ЭОП + ПЗС зарегистрированная теневая картина представляет собой большой массив чисел, соответствующих отдельным пикселям ПЗС-матрицы. Этот массив позволяет проводить множественные разбиения теневой картины на элементарные домены, соответствующие отдельным элементам маски. При достаточно большом числе разбиений со смещениями в пределах шага структуры маски может быть реализовано теоретическое угловое разрешение, равное отношению шага структуры маски к расстоянию маска-детектор. Схема получения изображения показана на рнс. 18.

Ь) "*' i |2*1 В одномерном случае

I 2 1 3 1 4 1 3

1 2 1 з 1 4 ' количество разбиении может быть

i-i—t с I I 4 1 с

" любым. В двумерном случае для гексагональных масок возможно число

а)

ч ь

0.75--

0.5

0.25

0 J-

1Ь 2а За ЭЬ 2Ь

\ Á

разбиений т=к2 или т=3к2.

2-й

алгоритм

улучшения

ю

Lid

углового разрешения. 1-й алгоритм не позволяет получить угловое разрешение, меньшее чем бв=сI//.

Рис. 18. Схема разбиения детектора для реализации теоретического углового разрешения маски Дальнейшее улучшение углового разрешения 8в при фиксированном угле зрения в возможно при увеличении ранга кодирующей маски Я. Однако это приводит к сужению диапазона рабочих энергий у-квантов. Уменьшение шага с1 и сохранение угла зрения прибора эффективно только при уменьшении толщины маски. Но при этом она становится прозрачной для квантов высоких энергий. Другой путь улучшения углового разрешения,

не связанный с увеличением ранга R, состоит в следующем. Уменьшим диаметр отверстий (прозрачных элементов) в маске без изменения ее шага d. Два точечных источника, угловое расстояние А(р между которыми удовлетворяет неравенствам ёв" <Л(р <30, (8ff=d"/f. где d* - диаметр отверстия), создадут на идеальном детекторе две сдвинутые разрешенные тени маски. В декодирующем алгоритме, позволяющем разрешить эти источники, теневая картина разбивается на массив доменов, шаг которого равен шагу маски d, а размер отдельного домена меньше, чем d. Домены при этом не имеют общих границ. Отклики условных детекторов соответствуют суммарному сигналу от пикселей, принадлежащих соответствующему домену. Этот подход в совокупности с рассмотренным ранее алгоритмом дополнительно улучшает угловое разрешение и дает возможность использовать маски с диаметром отверстия меньше шага узора маски (по сути, маска типа URA становится маской типа «нет касания»). Такое построение маски позволяют использовать разные URA узоры без риска артефактов в восстановленном изображении, связанных с неидеальностыо (конечной толщиной) маски, которые возникают при смещении источника от оси системы.

В разделе 3.3 описаны алгоритмы, используемые при получении и восстановлении изображений, реализованные в программном обеспечении для управления разработанными камерами. Для учета фонового излучения при использовании масок типа MURA апертура камеры может закрываться заслонкой. Для шестиугольных масок URA, узоры которых являются антисимметричными для поворота на угол 60° (т.е. при повороте на этот угол открытые элементы маски переходят в закрытые и наоборот), фон можно устранять путем получения двух теневых картин в двух указанных положениях. При вычитании теневых картин, полученных для двух положений маски, фон устраняется, полезный сигнал увеличивается в 2 раза. Программное обеспечение проверено при получении изображений со всеми изготовленными масками. Пакет программ для работы с камерой содержит различные модули, включая модуль управления камерой и получения изображения с детектора. Программные модули запускаются из единой графической оболочки.

Теневая картина представляется в виде серии отдельных кадров цифровой камеры, которые складываются для увеличения суммарного времени экспозиции. После экспозиции каждого кадра накопленная теневая картина и восстановленное у-изображение обновляются на экране управляющего компьютера. Представленное в псевдоцветах у-изображение может быть наложено на оптическое изображение.

Декодирование начинается с разделения теневой картины на области, соответствующие проекции элементов маски на плоскость детектора с центром проекции, расположенным на расстоянии, соответствующем возможному положению источников, и

суммирования сигнала в этих областях. Полный сигнал из этих областей подается на вход процедуры расшифровки. При декодировании необходим учет неоднородности чувствительности детектора. Поэтому должна быть выполнена калибровка чувствительности детектора по площади и определено взаимное расположение кодирующей маски и детектора. Для этого регистрируются, так называемые, единичный и центральный кадры, которые используются для нахождения карты разделения детектора на отдельные элементы, соответствующие элементам маски.

В процедуре декодирования сначала определяется полный сигнал во всех областях карты разделения. Эта процедура повторяется q раз: первый раз - для несмещенной карты разделения, затем (я - 1) раз - для смещенной. Таким образом, вместо начальной теневой картины (256x256 пикселей) получается набор qL чисел (здесь Ь = 3 Я (Я+1)+1 -количество элементов в базовом узоре маски ранга Я). Полученный набор чисел содержит необходимую информацию для реконструкции у-изображения.

у-Изображения, которые представляются на дисплее в течение времени накопления теневой картины, восстанавливаются с помощью операции свертки. После того как накопление закончено, могут быть применены другие алгоритмы декодирования, позволяющие лучше устранить шум в восстановленном изображении. Результат реконструкции у-изображения - это набор qL чисел. Для улучшения восприятия восстановленное изображение сглаживается и представляется на дисплее в том же формате, что и теневая картина (формат ПЗС-матрицы).

Для восстановления изображения в приборе с кодирующей апертурой необходимо предварительно получить единичный и центральный кадры. Единичный кадр соответствует чувствительности детектора. Для его получения необходимо направить однородный поток у-излучения на поверхность детектора. Для этой цели используется точечный удаленный источник. Кодирующая маска удаляется с прибора при получении изображения.

Центральный кадр содержит информацию о расположении кодирующей маски относительно детектора. Фактически, центральный кадр - это проекция маски на детектор из точки, в которой находится источник. Для получения этого изображения используется удаленный точечный источник, который помещается примерно на ось устройства (центральное отверстие маски проецируется приблизительно на центр сцинтилляционной пластины детектора).

Карта разделения детектора на области зависит от расстояния до источника. Для декодирования изображений источников, помещенных на большое расстояние, можно использовать одну и ту же карту.

Для получения изображения близких объектов производится масштабирование карты разделения, вычисленной по измерениям с удаленным источником. Возможность масштабирования карты разделения позволяет определять расстояние до источника.

Карта разделения ПЗС кадра на области, соответствующие элементарным детекторам, вычисляется по двум подготовительным кадрам. Единичный кадр соответствует карте чувствительности детектора по его площади. При получении единичного кадра обеспечивается однородный по площади поток у-излучения на поверхность детектора. Для этого используется удаленный точечный источник у-излучения. Кодирующая маска при получении единичного кадра удаляется. Единичный кадр необходимо обновлять после каждой разборки и последующей сборки прибора. Это обусловлено возможностью поперечных сдвигов сцинтиллятора, электронно-оптических преобразователей и ПЗС-матрицы относительно друг друга.

Центральный кадр содержит информацию о расположении кодирующей маски относительно детектора. При его получении используется удаленный точечный источник. Источник располагается на оптической оси прибора так, что центральное отверстие маски проецируется приблизительно на центр сцинтиллятора. Центральный кадр должен обновляться после каждой смены кодирующей маски и, тем более, после разборки прибора для учета возможного углового поворота или поперечного сдвига маски относительно предыдущего ее местоположения. Карта разделения рассчитывается с помощью интерактивной итерационной процедуры. Процедура определяет проекцию идеального узора круглых отверстий, представляющих используемую маску, на теневую картину, полученную с цифровой камеры (экспериментальный центральный кадр), таким образом, чтобы получить их максимальное совпадение. При проецировании используются преобразования смещения, поворота, масштабирования и положительной квадратичной дисторсии изображения. Преобразования описываются семью переменными параметрами, которые изменяются при итерациях. Используются два критерия близости совпадения -минимизация интегрального шума в восстановленном изображении центрального кадра и максимизация отношения сигналов в открытых и закрытых элементах маски.

Значение ту, в созданной карте разделения является индексом элемента базового узора маски, на который отображается пиксель (/, () теневой картины. Если области, соответствующие отделенным элементам маски, являются малыми (например, в случае масок 11-го или 13-го рангов области включают приблизительно 30 пикселей), необходимо более точное отображение границ областей на пиксели картины. На рис. 3.7 показаны кадры, используемые для определения карты разделения площади детектора на отдельные области (единичный и центральный), и рассчитанная карта элементарных областей.

Восстановление изображений в реальном времени. После каждого последовательного шага получения теневой картины при экспозиции, когда последнее считанное с цифровой камеры изображение добавлено к теневой картине, проводится быстрое декодирование для получения текущего восстановленного изображения. При этом сначала из трех массивов: теневой картины, карты чувствительности детектора и карты разбиения детектора на элементы, вычисляется массив сигналов в элементарных областях и соответствующий массив для нормализации чувствительности для всех д различных положений карты разделения относительно теневой картины. Декодирование основано на свертке с одномерным массивом, который является обратным к псевдослучайному массиву, описывающему маску.

Для уменьшения шума в восстановленном изображении используется быстрая полуэмпирическая процедура, основанная на оценке средней величины отрицательных сигналов в восстановленном изображении после декодировкп с помощью свертки.

Восстановленные изображения сглаживаются и затем представляются как двумерные распределения интенсивности с использованием цветной или черно-белой палитры. Элементарные области в изображениях - треугольники или шестиугольники. Зарегистрированные необработанные теневые картины, необходимые для расшифровки исходных изображений, и восстановленные изображения сохраняются на жестком диске. Эти данные могут использоваться для более позднего анализа изображений с различными процедурами восстановления. Изображения могут быть восстановлены с различным числом разделений, чтобы увеличить качество, или с другой картой разделений, которая соответствует более точному расстоянию до источника, например, в случае близко расположенных источников.

Кроме того, получение изображений источников, находящихся в области неполного кодирования маски, требует специальной обработки теневых картин. Поэтому восстановление изображений в этих случаях следует проводить после окончания измерений, используя сохраненные теневые картины.

Программа работы с прибором и получения теневых изображений управляет работой ПЗС-камеры и рядом вспомогательных систем (заслонка или поворотный механизм маски, видеокамера, высоковольтный источник питания ЭОПов).

Программное обеспечение позволяет использовать одну калибровку камеры для получения изображения источников, расположенных на разных расстояниях. Это дает возможность определять расстояние до источников у-излучения, а также устранять артефакты при получении изображений источников, находящихся в области неполного

кодирования апертуры. В последнем случае получают повторные изображения, изменив расстояние между маской и детектором для увеличения области полного кодирования.

Глава 4. Измерения на радиационных объектах и дополнительная обработка полученных изображений

Образцы систем применялись при проведении обследования объектов ядерной энергетики в разных странах. При измерениях, проводимых в условиях реального внешнего фона, сравнивались работоспособность и реальные возможности систем получения у-изображений с разными коллиматорами.

Раздел 4.1 представляет результаты, полученные при использовании разработанных систем на объектах атомной энергетики и промышленности. В Бельгии измерения проводились в зале системы теплообменников действующего реактора. Со всех ракурсов изображения получались с использованием нинхольной камеры и камеры КИ-КАРТОГАМ с КА. На рис. 19-20 приведены примеры изображений, полученных с использованием двух типов у-камер. Результаты показывают, что во всех случаях изображения полученные с помощью КА имели лучшее угловое разрешение. Время экспозиции в случае КА было в несколько раз меньше. В нескольких случаях высокого неоднородного фона изображение можно было получить только с использованием КА.

Рис. 19. Сравнение пространственного разрешения камеры тпаольной камеры - слева и камеры с КА - справа

В центре КАЭ Сакле (Франция) было проведено измерение распределения активности в цилиндрическом бетонном контейнере с трансурановыми отходами. Из-за низкого отношения С/Ш и протяженного характера источника изображение удалось получить только при использовании процедуры маска - антимаска (рис. 21а). Бетонный контейнер исследовался также с помощь метода фотоядерных реакций, вызываемых фотонами энергией выше 6 МэВ, образующимися при торможении пучка ускоренных электронов на мишени. Распределения активности, определенные обоими методами, достаточно точно совпали.

I Рис. 20. Получение изображения в условиях высокого фона с помощью пинхольной камеры -слева и КА - справа

Система КИ НУКЕМ применялась в Германии для проведения картирования у-загрязнения в условиях высокого и низкого радиационного фона и для характеризации радиоактивных отходов. Кроме этого были получены изображения различных источников.

| Был создан виртуальный протяженный непрерывный источник с энергией -180 кэВ, распределение интенсивности излучения в котором может быть точно рассчитано. Этот источник получается, когда коллимированный поток у-квантов от источника Cs-137 (рис. 21 б) облучает 30 мм плиту из алюминия. В результате возникает виртуальный распределенный круговой источник с энергией -180 кэВ рассеянного излучения (рассеяние на -175 град).

а) б)

Рис. 21. уИзображение распределения активности в цилиндрическом бетонном контейнере (а) и у-изображение протяженного источника, сформированного при рассеянии излучения точечного коллимированного источника (б).

Камера КИ-МКП применяется для картирования радиоактивного загрязнения

помещений и оборудования при подготовительных работах для вывода из эксплуатации

исследовательского реактора МР в РНЦ КИ. Она используется при технологических

операциях - определении распределения активности по длине облученных конструкций

исследовательского реактора перед их резкой (рис 22а). Эти измерения проведены в

условиях высокого фона от источника (~ 30 мГр/ч) с использованием процедуры маска-

антимаска.

Рис. 22. Определение распределений активности по длине сборок (а). Контроль контейнеров с загруженными облученными блокам:расстояние до контейнера 2,75м (б),расстояние до контейнера 4 м (в)

Изображения, полученные для контроля загрузки РАО в контейнеры перед отправкой контейнеров на временное хранение, представлены на рис. 22 (б) и (в). Изображения получены в условиях сильного неоднородного фона в зале остановленного реактора, где находится много случайно расположенных источников. Вклад излучения от контейнера в МЭД в точке измерений мал по сравнению с фоном в зале реактора. Изображения показывают, что вся активность сосредоточена в центре контейнера (оптимальная упаковка для выполнения транспортных норм).

Рис. 23. у-изображения одного объекта, полученные с Рис. 24. Теневые картины и ттхольной апертурой (а) и с кодирующей апертурой восстановленные изображения разных (б). источников.

В разделе 4.2 рассмотрены методы дополнительной обработки результатов измерений. Изображения, получаемые с использованием КА, могут содержать артефакты. Они возникают при наличии источников, расположенных вне области полного кодирования апертуры системы. Примеры таких артефактов получены как в производственных условиях (рис. 23), так и в лаборатории (рис. 24).

Разработан алгоритм восстановления изображений, полученных при неполном кодировании. Он основан на поиске изображения в расширенном поле зрения системы

(FOV) путем минимизации функционала, в результате чего определяется предполагаемое восстановленное изображение, создающее на детекторе максимально близкую к экспериментальным данным теневую картину.

Алгоритмы минимизации применяются при восстановлении изображений, целиком лежащих в области полного кодирования. В этом случае минимум соответствующей функции находится безо всяких предварительных предположений о возможном расположении источников. Сигнал - теневая картина на детекторе D(x) определяется потоком фотонов от источника S(y), прошедших через апертуру маски, определяемую ее узором А(х): D(x)=A(y+x)*S(y), где * - оператор корреляции. Восстановленное изображение определяется или с использованием свертки: S'(y)=D(x)*C(x+y), здесь С(х) -обратная к А (х) последовательность, или с помощью минимизации функционала, который подбирает распределение источников максимально близкое к зарегистрированной теневой картине на детекторе: Fin=^(D(x)-A(y + x)S"(y))2 .

В разработанном алгоритме восстановления изображения поле зрения FOV расширено и вводится соответствующее ему неизвестное распределение источниковS^,(у): SlM(y)-$ Se\,(у). Функция апертуры кодирующей маски Л(у) заменяется на расширенную апертурную функцию, учитывающую возможное нахождение источников в области неполного кодирования расширенного поля зрения и позволяющую создавать реальные тени от таких источников: Эта функция - не простая унимодальная

матрица, используемая в процедуре свертки, а набор линейных сверток с нелинейными ограничениями, связанными с обрезанием поля зрения. Задача нахождения распределения источников в расширенном поле зрения решается минимизацией нового функционала: Fea = Ц (О(х) - At„ (у + x)S:a (у))2

х

Для изучения свойств алгоритма восстановления был сгенерирован ряд теневых картин методом Монте-Карло и получены экспериментальные теневые картины кольцевых и точечных источников.

Функционал поиска восстановленного изображения путем подгонки ожидаемой теневой картины к экспериментальным данным (закодированная теневая картина) нелинейный. Из-за этой нелинейности сходимость итераций зависит от используемого начального приближения. При восстановлении различных изображений были изучены скорость работы и качество восстановленного изображения для случая нескольких источников в РОУ прибора; зависимость скорости работы процедуры от размера расширенного РОУ; зависимость качества восстановленных изображений от их сложности.

Результат обработки теневой картины от кольцевого источника (вращающийся точечный источник Ат-241, радиус 10, расстояние 1,5 м, шестиугольная маска иЯА 9-ого ранга) представлен на рис. 25 (исходное иоле зрения шестиугольной 1ЖА маски ранга 11= 9 соответствует матрице (2И. +1) х (2И +1) -> 19 х 19 элементов). Алгоритм требует порядка тысячи итераций, если процесс решения начинается с пустого изображения -

При использовании метода восстановления изображений, учитывающего наличие источников в области неполного кодирования и проводящего восстановление с увеличением поля зрения за область полного кодирования, удается получать изображения, свободные от артефактов.

Желательно иметь методы, позволяющие избегать артефакты на стадии получения изображений. Сканирование по области расположения источников решает эту проблему частично. Для некоторых ориентации источников в поле зрения камеры при сканировании невозможно определить истинное расположение источников. Наилучший способ для решения этой проблемы - сделать так, чтобы источник целиком попал в область полного кодирования. Это можно осуществить двумя способами: 1) - изменением расстояния до | источника или 2) путем изменения фокусного расстояния (расстояние маска-детектор). I Реализация первого способа представлена на рис. 22 (б, в). На изображении рис. 22 (б) видны артефакты, которые устраняются (рис. 22 в) при удаления камеры от объекта. Если установить на камеру механизм перемещения маски относительно плоскости детектора, можно реализовать второй способ. Алгоритм восстановления изображения отработан при получении изображений объектов, лежащих на разных, но достаточно близких

источника частично попадающего в область неполного кодирования камеры с КА, радиус источника 10 см

расстояниях до детектора. В этом случае при восстановлении изображений проводится масштабирование карты разбиения, полученной при настройке системы, с учетом изменения расстояний детектор - маска и маска - источник.

у-Камера со сцинтилляциопным ПЧД является прибором, не обладающим спектральной чувствительностью. После калибровки чувствительности камеры для основных источников (61)Со или |37Сз) с ее помощью можно оценивать парциальную мощность дозы в элементе изображения и определять активность источников. Когда известно расстояние до объекта, можно рассчитать абсолютное значение активности источников или абсолютное распределение активности по загрязненной поверхности.

Глава 5. Моделирование систем с КА и разработка новых систем

В разделе 5.1 обсуждаются необходимость и цели моделирования при разработке новых систем получения изображений с использованием КА.

В разделе 5.2 представлены основные модули, используемые при моделировании. Рассмотрено моделирование формирования теневой картины, описаны расчетные параметры и форматы данных для использования результатов в других программах. Описан расчет сигнала от фонового излучения, рассмотрено преобразование энергии в детекторе. Представлены экспериментальные исследования для уточнения модели.

В разделе 5.3 модель применяется для анализа разных задач, которые можно решать получая у-изображения с помощью КА. Например, определение расстояния до объекта основано на предположении, что в любом изображении можно выделить самый яркий элемент, и будет логично использовать для поиска оптимальной величины с! интенсивность этого самого яркого элемента. Проведя восстановление изображения при разных значениях сI, определяется значение с!*, которое соответствует максимуму сигнала, а по соотношению, связывающему параметр разбиения и расстояние, определяется расстояние до источника. С помощью разработанной модели была исследована система для получения увеличенных изображений источников излучения - "у-микроскоп".

В разделе 5.4 представлены результаты моделирования характеристик нескольких перспективных систем получения изображений, интересных для решения различных задач. Рассмотрено портативное устройство на основе исследованного сцинтилляционного ПЧД для поиска слабых радиоактивных источников. Исследованы характеристики чувствительной системы для дистанционного мониторинга загрязнения почвы. Предложена легкая система для аварийных ситуаций с маской из сплава вольфрама

толщиной 1.5 мм и детектором МесИр1х2/Сс1Те с размерами полупроводникового детектора ~ 14x14x2мм. Схема прибора показана на рис. 26.

^ Маска имеет следующие

0

* характеристики: ранг 17, материал

вольфрам, толщина 1,5 мм; шаг узора 0,4 мм, диметр отверстий примерно

USD

овд™- 0,3 мм. Система (рис. 26) будет иметь

Шамера

лазсрпылП t следующие параметры: поле зрения -

уктатель 1 Medipix2 Н^^Я^Я^^В

--р0у 20 , угловое разрешение 59 = 0,8 ,

чувствительность - обнаружение а) б)

Рис. 26. Схема легкой камеры для аварийных источника Со-60, создающего МЭД

ситуаций и поиска источников (а) н изображение , 0мр/ч _ ,р/ч ^ 1(ю _ lceKj в£с _5(Юг_ источника Со-60 с расстояния 10 м, экспозиция

8-10"'(б). Плата Medipix2 связана с портативным

компьютером через шину USB. Система содержит USB видео камеру и лазерный указатель.

Проведено моделирование системы для получения у-изображений при поиске запрещенных веществ с использованием нейтронно-активационного анализа (НАА). Генератор нейтронов - низковольтная D-T трубка (Еп=14.3 МэВ, средняя интенсивность излучения нейтронов Ш10 нейтрон/с стеррад). Система состоит из 271 детектора объемом -50-100 см3 [3J, площадь детектора -3500cm2, кодирующая апертура - hURA маска 9-ого ранга из вольфрама, толщина маски 20 мм. Чувствительность системы позволяет получить за одну минуту изображение источника 6 МэВ с интенсивностью 8*103 кванта/сек с величиной SNR-3.

Изготовление масок для портативных систем получения изображений является сложной задачей. Сложность представляют твердый материал (вольфрам или сплав вольфрама), узор маски, точность изготовления. Были использованы 4 технологии на станках с программным управлением: механическое сверление - только для масок из тантала, электроэрозия с использованием движущейся проволоки, электроэрозия с конца проволоки, резка лазером. Для всех способов изготовления разработаны алгоритмы создания управляющих чертежей, включающие их автоматическую проверку.

Раздел 5.5 посвящен рассмотрению системы с линейной кольцевой маской и углом обзора 2л. В системе используются два оригинальных подхода: 1) кодирующая апертура выполнена в виде круговой одномерной маски, поэтому система регистрирует излучение, полезное для кодирования изображения, из полного угла 2л, и 2) отдельные элементы детектора - пиксели - совмещены с элементами маски. Возможность реализации такого

подхода для получения у-изображения следует из свойств масок, узор которых представляет псевдослучайную последовательность типа 1ЖА. Схема камеры в сравнении с обычной КА и трехмерный вид представлены на рис. 27.

а о в

Рис. 27. Схема получения у-изображения с использованием кодирующей апертуры: а)- плоская маска; б) - одномерная кольцевая маска: 1 - у-источиик, 2 - поток у-квинтов, 3 - кодирующая апертура, 4 - позиционно-чувствительный детектор; и в)- трехмерный вид кольцевой маски-детектора

Схема получения изображения должна включать следующую последовательность операций. Регистрируется теневая картина - сигнал со всех пикселей детектора за время экспозиции II. Полученная теневая картина используется для восстановления распределения источников. Назовем ее парциальной картиной для данного положения. Затем система поворачивается на угол, равный угловому расстоянию между пикселями детектора. Операции повторяются при последовательном вращении системы разными шагами на полный угол 2п. Парциальные картины, полученные во всех положениях, последовательно складываются с учетом ориентировки детектора относительно внешней системы координат. Одно восстановленное парциальное изображение дает сильно искаженную картину распределения источников. Но по мере вращения изображение улучшается и, когда произойдет полный оборот, полученное суммарное изображение становится близко к реальному. Изменение изображения двух источников по мере сложения парциальных изображений для детектора с маской длиной в 19 элементов, полученное в модельном эксперименте, представлено на рис. 28.

В портативном виде система имеет элементарные детекторы из сцинтиллятора СвДТ!) размером 5x10x50 мм, помещенные в светоотражатель и дополнительно закрытые с наружной стороны поглотителем из вольфрама толщиной -3 мм. Эти элементы устанавливаются на окружности согласно используемой псевдослучайной последовательности типа 1ЖА. Выделяющийся в сцинтилляторе при взаимодействии у-квантов свет передается на вход электронно-оптического преобразователя по оптоволокну.

С помощью оптоволокна длиной 200 мм можно собрать и перенести на устройство усиления свет так, что на фотокатоде усилителя света в среднем будет создаваться 10 фотоэлектронов от одного зарегистрированного в сцинтилляторе у-кванта энергией 660 кэВ. Схема регистрации света дана на рис. 29. С выходного окна ЭОПа свет считывается портативной ПЗС камерой.

Гпс.28. Моделирование восстановления изображений двух источников по мере вращения блока детектирования для кодирующей апертуры из 19 элементов (источники находятся в положении 8 и 12)

Рис. 29. Элемент детектора и схема регистрации вспышек света в сцинтилляторе: 1 - сцинтилляционный элемент в светоизолирующем корпусе; 2 -поглотитель из вольфрама; 3 - световод из стекловолокна; 4 - электронно-оптический преобразователь; 5 - объектив; 6 - цифровая видеокамера

Характеристики системы были исследованы на двумерной математической модели. При диаметре детектора 230 мм система будет иметь следующие параметры - угловое разрешение по горизонтали 5,10 (для расстояния 20 м пространственное разрешение 1,5 м), поле зрения по вертикали ~ 23°. Чувствительность для распространенных техногенных источников у-излучения 137С5 и 60Со, создающих мощность экспозиционной дозы 30 нГр/ч, позволяет обнаружить источник '"Ся при радиационном фоне до 1 мкГр/ч за 3 мин, а источник б1|Со - за 5 мин. Масса системы сосредоточена в основном в дисках защиты и при их толщине ~ 1 см составит примерно 10 кг. Прибор с такими характеристиками будет востребован при проведении как сложных плановых работ с за1рязненным оборудованием, РАО, отдельными радиоактивными источниками, так и при аварийных работах. Современное развитие электроники позволяет реализовать серийный выпуск системы и использовать отдельные приборы как наблюдательные узлы в распределенной сети для контроля радиационной обстановки и выявления нежелательных источников у-излучения на больших территориях.

Глава 6. Системы для исследования приповерхностных слоев материалов, нснользующие комптоновское рассеяние

Методы исследования структуры объектов, основанные на облучении их внешними источниками и регистрации рассеянного излучения, основаны на получении изображения протяженного источника рентгеновского или у-нзлучения, которым является в этом случае исследуемый объект.

В разделе 6.1 рассматривается система для получения двумерных изображений (томографии) приповерхностных слоев материалов, использующая комптоновское рассеяние рентгеновского излучения (РекСкаи). Принцип получения изображений показан на рис. 30. На исследуемый объект (3) от рентгеновской трубки (7) через щелевую диафрагму (5) подается веерный пучок излучения (4).

Регистрация рассеянного излучения осуществляется познционно-чувствительным детектором (8), изображение на котором формируется с помощью пинхольной камеры (6). Из рисунка видно, что разные элементы детектора регистрируют излучение, возникающее при рассеянии в различных точках образца (2). Исследуемый объект проецируется на плоскость детектора целиком и одновременно и, следовательно, не требуется сканирование объекта для получения двумерных изображений. Это значительно упрощает требования к изготовлению таких систем.

Анализ системы был проведен на математической модели, основанной на Монте-карловском алгоритме вычисления показаний детектора в геометрии близкой к реальной. Были выбраны оптимальные геометрические размеры системы (основные - ширина пучка и диаметр отверстия пинхолыюго коллиматора). Для этих размеров были рассчитаны зависимости одной из основных характеристик системы контроля - отношения сигнал/шум ОСШ - от глубины залегания дефекта при различных временах экспозиции. Общепринятыми параметрами источников являются максимальная энергия излучения Е0 и мощность экспозиционной дозы Р0 на расстоянии 1 м от источника. Поэтому в качестве характеристики времени экспозиции в расчетах выбирался параметр 1-Р0, который является более универсальным, т.к. учитывает характеристики источника излучения. Величина

объектов, сформированных рассеянным излучением: 1 - поле зрения детектора, 2 -дефект, 3 - исследуемый объект, 4 - веерный пучок рентгеновского излучения, 5 - нулевая диафрагма, 6 - коллиматор, 7 рентгеновская трубка, 8 - двумерный детектор

ОСШ рассчитывалась по формуле = Л1/ак, где Л1 - изменение показаний детектора, при наличии дефекта в контролируемом объекте; <У„ - среднеквадратичное отклонение показаний детектора, обусловленное статистическими (квантовыми) флуктуациями регистрируемого рассеянного излучения. В этом выражении не учитываются аппаратурные шумы, поэтому величина ОСШ является оценкой предельно достижимой величины соотношения сигнал/шум.

Рис. 31. Зависимость отношения сигнал/шум Рис. 32. Зависимость отношения сигнал/шум от глубины залегания дефекта в исследуемых от глубины залегания дефекта в алюминиевом

объектах из различных материалов. 1 - образце при различной величине параметра

алюминий, 2 - пластик, 3 - сталь, 4 - cewieij. t*P0: 1 - 0,6 Р; 2 - 0,4 Р; 3 - 0,2 Р; 4 - 0,1 Р.

Объем дефекта - 0,1 мм3, (*Ро=0,б Р Объем дефекта - 0,1 мм3

На рис. 31 приведены результаты расчетов зависимости отношения сигнал/шум от глубины залегания дефекта (полость объёмом 0,1 мм3) для объектов из различных материалов (свинец, сталь, алюминий и пластик). Дефект является обнаружимым, когда SNR>3, поэтому он может быть выявлен в свинце на глубине 0,2-0,3 мм, в стали - 1-2 мм, в алюминии - 10-15 мм и в пластике - 30-40 мм для рентгеновской трубки с анодным напряжением 150 кВ и временем экспозиции определяемым из t-P0=0,6 Р (Р0 -мощность экспозиционной дозы). Легкие материалы легче контролируются с использованием комптоновского рассеяния. На рис. 32 дана рассчитанная для алюминия зависимость SNR от глубины залегания дефекта при разных значениях (t-P0). Время экспозиции является критическим параметром для возможности обнаружения дефекта в контролируемом образце на заданной глубине.

Разработана лабораторная система для получения изображений приповерхностных слоев непрозрачных материалов (рис. 33). Источник излучения - рентгеновская трубка "РАПАН 200/100" (напряжение - 200 кВ; средний ток - 0.5 мА) (1). Перед трубкой расположена щелевая диафрагма из свинца (2) длиной 5 см и шириной 1 мм. Она формирует веерный пучок рентгеновского излучения, который падает на исследуемый объект (3) под углом ф=30°.

/11 / '* 1 4 '

| «■856 " Д1 1

а)

б)

Рис. 33. Схема системы контроля (а): I- рентгеновская трубки, 2 - щелевая диафрагма, 3 -объект исследования, 4 - коллиматор, 5 - сцинтмлятор, 6 - ЭОПы, 7 - ПЗС-матрица, 8 -свин110вая защита, 9 - интерфейс связи с ПК; и изображения тестовых объектов (б) Полученные рентгеновские изображения тестовых объектов: алюминиевой пластины с отверстием диаметром 5 мм и пластины с параллельными прорезями разной глубины шириной 1,3 мм, свинцовой пластины (рис. 33 б), экспериментально доказывают работоспособность метода. Для получения более качественных изображений необходимо оптимизировать параметры прибора и использовать другую рентгеновскую трубку, так как использованная трубка имела большой диаметр фокусного пятна (>3мм) и недостаточную мощность. При этом можно достичь чувствительности как у системы СотБсап фирмы Филипс, в которой используется линейный детектор и сканирующий игловидный рентгеновский пучок.

В разделе 6.2 рассмотрен алгоритм реального времени для обработки получаемого распределения интенсивности рассеянного излучения при контроле толстых сварных швов. В этом случае применение описанной выше системы позволит вести контроль швов при многослойной сварке в реальном времени. Алгоритм служит для определения плотности материала в реальном времени. Алгоритм эволюционен по своей сути и не требует больших вычислительных затрат при работе, и поэтому может быть использован в системах реального времени. Алгоритм самонастраивающийся, для начала его работы необходимо получить некоторые изображения в небольшой области образца, где материал имеет постоянную плотность, дефекты, отверстия отсутствуют и поверхность является плоской. После настройки на основе информации от первых изображений алгоритм принимает во внимание поверхностный рельеф с любым отклонением от среднего уровня, наличие отверстий и пор любых размеров.

Проведено численное моделирование работы алгоритма для его упрощенного варианта - двумерное распределение плотности и одномерные сечения. Исследована устойчивость работы алгоритма в зависимости от пространственного шага, энергии излучения и величины шума.

В разделе 6.3 представлены результаты исследования характеристик системы неразрушающего контроля с аннигиляционным источником излучения (гамма-радар). Схема измерений в ней (рис 34) следующая. Источник аннигиляционного излучения S расположен в точке R0. После рассеяния одного кванта в точке R¡c на угол Û, он регистрируется в точке R2 спектрометрического ПЧД Det2 одновременно с регистрацией опорного кванта в точке R¡ ПЧД Detl. Координаты точек связаны следующими соотношениями:

R,c=R0-c£„

где Е, = й, - R0, L2=R2-R0, а = -р2 / /?, - cot / p¡ - pl / p¡ , и

p. =(А■ A). Pi = (А А). Рэ = (£з ■£>)•

Угол рассеяния т) определяется по энергии зарегистрированного рассеянного кванта.. Таким образом, по интенсивности сигнала из соответствующей обрасти пространства или вдоль отрезка луча можно определить распределение плотности электронов, а значит зарегистрировать изменение плотности материала.

Моделирование основано на получении методом Монте-Карло спектральных сигналов для различных конфигураций системы, объекта и разных параметрах детекторов. Исследована работа системы с детекторами D2, обладающими разным энергетическим разрешением. Рассмотрены сцинтилляционный детектор CsI(Tl) объемом 1 смЗ с кремниевым фотодиодом (разрешение 6% FWHM для 662 кэВ), детектор из 04 германия (разрешение 0.6%) и новый сцинтилляционный спектрометр - «Сцинтисфера» [3J. Сцинтиллятор CsI(Tl) особой формы и использование математической обработки регистрируемого спектра позволяют получить энергетическое разрешение у «Сциитисферы» лучше 2 % для 662кэВ.

Размеры пикселей детектора Detl равны 7x7x20 мм, расстояние от него до источника - R|=30 см, половина угла поля зрения системы 1% равна 20°. Положение одного детектора D2 определяется углом г)0' = 20° и расстоянием rsd от источника, которое равно 10 см.

Рас. 34. Схема измерений на основе комптоновского

Рис. 35. Зависимости ОСШ от экспозиции А01 для

рассеяния. Dell и Det2 двумерные детекторов с различным

позициоино-чувствительные детекторы, 5 - источник аннигиляционных у-квантов, К, точка, в которой произошло рассеяние, О - точка начала координат

Рис. 36. Зависимости ОСШ от глубины (положение вдоль луча £) при экспозиции Аи' = 10пБк сек,

r,j = 10 см, Ai =20", iV =20"

энергетическим разрешением Н: I - детектор С$1(Т1),

И=6%; 2 - детектор С$1(Т1) с для различных материалов восстановлением спектра, объекта и разном И=2%; 3 - детектор из ОЧ энергетическом разрешении германия, 11=0.6% детектора И: 1-А1, И =

0.6%; 2 - А1, « = 6%; 3 - 1-е, К = 0.6%; 4 - РЬ, К = 0.6% Зависимости ОСШ от активности источника у-излучения Ло и времени экспозиции / для различных датчиков при определении дефекта - полости показаны на рис. 35. Для величины ОСШ =3 дефект будет обнаружен с вероятностью 93 %. Этот уровень обозначен пунктирной линией. Зависимость ОСШ от глубины положения полости в объекте для объектов, имеющих различный состав, включая А1, Бе и РЬ, дана на рис. 36. Моделирование чувствительности системы проведено для детектирования щелевой полости толщиной 2 мм.

Моделирование работы радара при поиске металлических объектов в менее плотной среде проведено на примере обнаружения металлических пластин (металлический корпус мин) в почве или положения элементов арматуры в бетоне. Смоделированные спектры (рис. 37) ясно показывают увеличение сигнала из-за дополнительного рассеивания в скрытых металлических объектах. Зависимости ОСШ для этих случаев показаны на рис. 38. Провалы на кривых ОСШ в точке расположения металлических листов связаны с поглощением рассеянных квантов в металле.

Результаты моделирования системы показывают, что она может состоять из простого (без энергетического разрешения) ПЧД (одно- или двумерного) и только одного детектора, имеющего энергическое разрешение. Чувствительность системы увеличивается

с увеличением числа элементов в Det2, так как больше рассеянных квантов, несущих информацию о структуре изучаемого объекта, будет зарегистрировано.

Energy, Е (MeV)

Рис. 37. Рассчитанные спектры Рис. 38. Зависимости ОСШ от глубины объекта в совпадений для детектора из 04 различных средах для детектора из ОЧ германия при германия при наблюдении стальной д0=2СР; $,'=45°; г^ = 15 см; Г =10'2 Бк сек. Стачьная пластины толщиной З.им, пластина толщиной 2мм в почве (1) и в бетоне (3), расположенной при 1=10 см в грунте алюминиевая пластина толщиной 2 ли» в почве (2) (1)ив бетоне (2)

Для аналитическая оценки необходимой активности источника и создаваемой им дозы используем формулу для вероятности одновременной регистрации в соответствующих детекторах «опорного» у-кванта и рассеянного у-кванта, который родился одновременно с опорным:

N,(d2\d,) = k„

Séfn -"с

Шг р, ' АЛ1

Для вычисления Л^ используем следующие значения входящих в формулу параметров: Р ~ 0.2-0.3 (вероятность регистрации); 5~1 см2 (площади детекторов); е1' ~ 0.3 (характерные экспоненты); I ~ 20 см (характерный размер); р/ц, ~ 1/3 (отношение вероятности комптоновского рассеяния к полной вероятности взаимодействия); ~ 0.1 (безразмерный элемент рассеяния) и, конечно, корректирующий множитель ксогг порядка единицы. Для таких параметров 10 ". Число зарегистрированных событий из области дефекта будет равно пЛ= А ■/■А',. Если полагать, что дефект составляет один пиксель в графическом представлении, то пл должно составлять примерно 50 событий для надежной регистрации изменения плотности. Тогда А -1 ТО"" = 50 и А ■? = 5Т012 (хорошо совпадает с результатами численного моделирования - рис. 38). При Г = 600 сек необходимая активность источника аннигиляционного излучения составляет А ~ Ю|0Бк. Эта оценка для одного детектора. Если использовать сборку из 30 детекторов, то требуемая активность составит А~ 3 108 Бк. Мощность дозы от такого источника на расстоянии 1 м составляет 1мР/ч без защиты и

может быть значительно уменьшена с помощью защиты. При активности ЗТО8 Бк на расположенный на расстоянии 20 см от источника детектор площадью 10 см2 падает примерно 5 104 фотонов в секунду. Загрузка тракта регистрации будет порядка 10V .

Важным преимуществом системы «Гамма-радар» является отсутствие коллиматора для создания направленного источника излучения. Информация о направлении зондирующих квантов получается путем определения совпадений событий в детекторах. Защита необходима только для радиационной безопасности оператора установки. При реализации системы можно применять новые сцингилляционные детекторы LaBr3 и полупроводниковые детекторы CZT, у которых энергетическое разрешение лучше, чем у детектора «Сцинтисфера».

Диссертация содержит Приложение, в котором представлены найденные автором гексагональные маски семейств URA и MURA высоких рангов (до ранга 150), приведены узоры нескольких масок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В результате выполненной работы были развиты методы и разработаны портативные приборы с кодирующими апертурами для получения гамма изображений, которые позволяют проводить измерения непосредственно на объектах атомной промышленности. Проведенная работа позволила получить следующие основные результаты.

I. Впервые для портативных систем разработан метод получения рентгеновских и у-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 у-изображений с кодирующими апертурами на основе разных типов детекторов, включая сцинтилляционные и полупроводниковые (CdTe + Medipix2) 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 Cs-137 - экспозиция ЮнГр; Со-60 экспозиция 50 нГр при нормальном у-фоне (200 нГр/ч).

III. Разработаны алгоритмы получения и предварительной обработки теневых картин, алгоритмы восстановления изображений. Программы позволяют иитерактивно 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 системы, продемонстрирована возможность применения 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 влияния энергетического разрешения на качество изображения, дан анализ ее работы с использованием детекторов типа «Сцинтисфера», показана возможность ее практической реализации.

VI. Разработаны системы получения изображений с углом обзора 2к и отсутствием артефактов в изображениях, исследована возможность их реализации для решения разных задач. Показана возможность построения портативных чувствительных систем для поиска источников в городских условиях неоднородного у-фона и контроля за перемещением у-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.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ivanov О. P., Chesnokov A.V., Stepanov V. Е., Sudarkin А. N.. Tyurin A.S. Volkovich A.G. Gamma-vision camera real-time system for creation images of gamma-radioactive objects. 1993 IEEE Int Conf on Systems, Man and Cybernetics, vol. 3 pp. 1-6, Le Touquet, France, October 17-20, 1993.

2. Sudarkin A.N., Ivanov O. P., Stepanov V. E., Volkovich A.G, Turin A.S. Danilovich A.S, Rybakov D.D., Urutskoev L.I. "HERV - High-Energy Radiation Visualizer: A New System for Imaging in X-Ray and Gamma-Ray Emission Regions," 1994 IEEE NSS-MIC Conf Record, vol. (1?2), pp. 2-, Oct 30 -Nov 5, 1994.

3. Волкович А.Г., Иванов О.П., Степанов B.E., Сударкин А.Н., Уруцкоев Л.И. Применение гаммавизора для обследования реакторов. Атомная энергия. 1995. Т. 79, № 5. С. 367370.

4. Sudarkin A.N., Ivanov O.P., Stepanov V.E., Volkovich A.G., Danilovich A.S., Urutskoev L.I. The improvement of image processing and noise reduction scheme of HERV

and results of gamma-imaging. 1995 IEEE NSS-MIC Conference Record, 21-28 Oct 1995 vol.2, pp. 809-813.

5. Ivanov O.P., Stepanov V.E., Sudarkin A.N., Volkovich A.G., Urutskoev L.I. An algorithm for material density reconstruction from X-ray images of field of Сompton scattering obtained with HERV. 1995 IEEE NSS-MIC Conference Record, 21-28 Oct 1995 vol.1, pp.52-55.

6. Волкович А.Г., Данилович A.C., Иванов О.П., Степанов В.Е., Сударкин А.Н., УруцкоевЛ.И. Гаммавнзор - автоматизированная системы получения изображений радиоактивных объектов. Приборы и техника эксперимента. 1996. №3. С. 131-135.

I. Sudarkin А. N., Ivanov О. Р., Stepanov V. Е„ Volkovich A.G, Turin A.S. Danilovich A.S, Rybakov D.D., Urutskoev L.I. High-Energy Radiation Visualizer (HERV): A New System for Imaging in X-Ray and Gamma-Ray Emission Regions, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 43, no. 4, pp. 2427-2433, August, 1996.

8. Stepanov V.E., Ivanov O.P., Sudarkin A.N., Volkovich A.G., Danilovich A.S., Urutskoev LI. Possibility of HERV Using for Radioactive Contamination Mapping before Decommissioning Research Reactor. - Proceeding of Annual Meeting on Nuclear Technology, 96, Germany, Mannheim, May 1996, pp. 654-657. (Jahrestagung Kerntechnik'96)

9. Sudarkin A.N., Ivanov O.P., Stepanov V.E., Urutskoev L.l. Portable gamma-ray imager and its application for the inspection of the near-reactor premises contaminated by radioactive substances. NIM A. 1998. v. 414. № 2-3. pp. 418-426.

10. Sudarkin A.N.; Ivanov O.P.; Stepanov V.E.; Urutskoev L.I. Portable digital X-ray and gamma-ray imaging system with pinhole and coded mask collimators. 1997 IEEE Nuclear Science Symposium, 9-15 Nov 1997. Conference Record vol. 2, pp. 1586 - 1590.

II. Ivanov O. P., Stepanov V. E., Sudarkin A. N., and Urutskoev L. I., "Different Methods of Image Reconstruction for Portable X-Ray and Gamma-Ray Imager with Coded Aperture", 1997 IEEE NSS/MIC, 9-15 November 1997, Albuquerque, New Mexico Conference Record

12. Ivanov O.P. Control and image decoding software for portable gamma-ray imaging system with coded aperture. 1999 IEEE NSS/MIC, 24-30 Oct 1999, Conference Record vol. 1, pp. 459-463.

13. Stepanov V.E., Ivanov O.P., Potapov V.N., Sudarkin A.N., Urutskoev L.I. Application of gamma-ray imager for non-destructive testing. NIM A. 1999. v. 422. № 1-3. pp. 724-728.

14. Ivanov O.P., Chesnokov A.V., Sudarkin A.N., Stepanov V.E., Urutskoev L.l. History of development and application of gamma-ray imagers in Russia since 1986. NIM A. 1999, v. 422, n. 1-3, pp. 677-682.

15. Ivanov O.P., Sudarkin A.N., Stepanov V.E., Urutskoev L.I. Portable X-ray and gamma-ray imager with coded mask: performance characteristics and methods of image reconstruction. NIM A. 1999, v. 422, n. 1-3, pp. 729-734.

16. Ivanov O.P., Potapov V.N., Stepanov V.E. and Ignatov S.M. Simulation of Gamma-Ray Radar Performance with Different Position Sensitive Detectors, 2000 IEEE Nuclear Science

Symposium and Medical Imaging Conference, Lion, France, 17-22 Oct 2000. Conference Record on CD: pp.6-299-6-303.

17. Stepanov V.E., Ivanov O.P., Bahur A.E. System for visualization of radionuclide distribution in samples of mountain rock. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2001. v. 48, n 4, pp. 1190-1193.

18.Gmar M„ Gal O., Le Goaller C„ Ivanov O.P., Potapov V.N., Stepanov V.E., Laine F., Lamadie F. Development of coded-aperture imaging with a compact gamma camera IEEE Transactions on Nuclear Science. 2004, v. 51, № 4, pp. 1682-1687.

19. Ivanov O. P., Stepanov V. E., Volkov V. G., Volkovich A. G., Smirnov S. V., Danilovich A. S. New Portable Gamma-Camera for Nuclear Environment and Its Application at Rehabilitation Works. 2004 NSS-M1C Rome, Italy, 16-22 Oct 2004, Conference Record on CD: paper N33-62.

20. Ivanov O. P., Stepanov V. E., et al. Application of portable gamma camera for the control on extraction of the radioactive wastes from temporal storage in territory of RRC Kurchatov Institute. ICEM05/DECOM05 Glasgow 2005, Abstract Book: pp 78, Conference Record on CD: paper ICEM09-1197.

21. Gal O., Gmar M„ Laine F., Manach E., Lamadie F., Le Goaller C, Mahe C, Ivanov O.P. Development of a portable gamma-imaging device with coded aperture. Book of abstract of the 7-th IWoRID Conference - Grenoble, July 4-7, 2005 pp.

22. Gal O., Gmar M., Ivanov O.P., Laine F., Lamadie F., Le Goaller C., Mahe C., Manach E., Stepanov V.E. Development of a portable gamma camera with coded aperture. N1M A. 2006. v. 563. n l.pp. 233-237.

23. Ivanov O.P., Stepanov V.E., Sudarkin A.N., and Sudarkin N.A. Search of New Low-Noise Patterns of Coded Apertures with Arbitrary Rank and Transparency. 2008 NSS-MIC Dresden. Abstract book: pp 38-39; Conference proceeding: paper N02-217 pp. 994-998.

24. Ivanov O.P., Potapov V.N., Schmitt C., Simon G.G., Sokcic-Kostic M., Stepanov V.E. Development of New Version of RayMoS Gamma-Camera with Coded Mask. 2008 NSS-MIC Dresden Oct 2008, Abstract book: N02-207, p.37.

25. Иванов О.П., Степанов B.E., Сударкин A.H., Уруцкоев Л.И. Портативный прибор для получения изображений источников у-излучения с апертурой на основе кодирующих масок. Приборы и техника эксперимента. 1998. № 4. с. 127-133.

26. Степанов В.Е., Иванов О.П., Степанов А.В., Потапов В.Н. Моделирование путей безопасного проведения дезакгивационных работ. - Атомная энергия, 2001. Т. 90. № 6. с. 495-499.

27. Иванов О.П. Новый подход к созданию портативной у-камеры с максимальным углом обзора. Атомная энергия. 2010. Т.108, №1. с. 46-50.

28. Иванов О.П. Программное обеспечение у-камер для картирования радиоактивного загрязнения. Атомная энергия. 2010. Т.108, № 3. с. 164-172.

29.Волковнч А.Г, Иванов О.П, Степанов В.Е., Сударкнн А. И, Уруцкоев Л.И. Получение сформированных рассеянным излучением двумерных изображений объектов как новый метод неразрушающего контроля. Заводская лаборатория (диагностика материалов) ] 995, №7, с. 14-16.

30. Иванов О.П., Потапов В.Н., Степанов В.Е. Применение кодирующих апертур для наблюдения поля у-излучения при использовании метода нейгронно-активациошюго анализа для обнаружении мин. Тезисы докладов 3-й межд конф компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике NDT - 02, Москва 18-21 марта 2002, с. 176-177.

31. Иванов О.П., Потапов В.Н., Степанов В.Е. Оценка характеристик системы неразрушающего контроля на основе комптоновского рассеяния (гамма-радар).-Тезисы докладов 6-й межд конф компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике NDT -07, Москва 15-17 мая 2007 с. 157.

32. Gmar М, co-ordinator, Ivanov О.P., Stepanov V.E. et al. Investigations on coded aperture imaging with compact gamma camera. Final Report INTAS Project #01-401 CEA, May 2002 - May 2004.

33. Волков В.Г., Зверков Ю.А., Иванов О.П., Лемус А.В., Семенов С.Г., Степанов В.Е., Чесноков А.В., Шиша А.Д. Ликвидация труднодоступного хранилища высокоактивных отходов РНЦ «Курчатовский институт». - Атомная энергия. 2008. Т. 105. № 3. с. 154169.

34. Иванов О.П., Степанов В.Е., Сударкин А.Н., Сударкнн Н.А. Новые слабошумящие узоры кодирующих апертур с произвольными рангом и прозрачностью. - Доклады Академии наук. 2008. Т. 420. № 1. с. 37-41.

Литература

1. Е. Е. Fenimore and Т. М. Cannon, Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays // Appl. Opt. 1978, v.17, pp. 337-347.

2. Medipix2 [online] http://medipix.web.cern.ch/MEDIPIX/Medipix2/indexMPlX2.html

3. L.J. Meng, D. Ramsden, V.M. Chirkin, V,N. Potapov, O.P. Ivanov, S.M. Ignatov "Scintisphere" - The Shape of Things to Come in Gamma-Ray Spectroscopy // IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.49, No4, August 2002, pp.1681-1686

ИВАНОВ ОЛЕГ ПЕТРОВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ И ГАММА ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОДИРУЮЩИХ АПЕРТУР

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Усл.п.л. - 2.5 Заказ №03476 Тираж: ЮОэкз.

Копицеитр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Цель и задачи исследования.

Объекты и методы исследования

Методологический подход.

Научная новизна работы и теоретический вклад 1 о

Защищаемые положения.

Личный вклад. ' \

Практическая ценность работы

Научные программы, в рамках которых были получены результаты диссертации.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем диссертации.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЖЕСТКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОРТАТИВНЫМИ ПРИБОРАМИ: РАЗЛИЧНЫЕ

ПОДХОДЫ

1.1. Получение гамма-изображений для решения прикладных задач

Пинхольная камера.

Повышение чувствительности: гамма-камеры с кодирующими апертурами.

1.2. Применение КА. Угол зрения и угловое разрешение прибора

1.3. Моделирование получения изображений в системах с КА

1.3.1. Угловое разрешение при использовании кодирующих апертур

1.3.2. Методы восстановления изображений и пространственное разрешение

1.3.4. Результаты моделирования и аналитические оценки

1.3.5. Сравнение чувствительности систем с КА и пинхолом

1.4. Об использовании комптоновекой камеры

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТАННЫЕ СИСТЕМЫ С КА, ИХ ДЕТЕКТОРЫ И ПАРАМЕТРЫ

СИСТЕМ

2.1. Камера КИ - САИК [

2.1.1. Описание и принцип управления камеры КИ-САИК

2.1.2. Лабораторные эксперименты и параметры системы

2.1.3. Получение теневых картин, методы и фильтры

2.1.4. Система гамма-микроскоп

2.1.5. Параметры системы КИ-САИК

2.2. Камера с кодирующей апертурой на основе сцинтилляционного позиционно-чувствительної о детектора КАРТОГАМ [61,104]

2.2.1. Конструкция компактной камеры КАРТОГАМ

2.2.2. Параметры камеры с детектором КАРТОГАМ и КА

2.2.3. Зависимость чувствительности от угла

2.2.4. Поле зрения системы (РоУ)

2.2.5. Угловое разрешение

2.2.6. Уменьшение втаяния фона

2.3. Камера КИ-НУКЕМ

2.3.1. Особенности конструкции и работы

2.4. Камера КИ-МКП

2.5. Системы с полупроводниковым ПЧД

2.5.1. Система счшывания Мес1іріх

2.5.2. Получение изображений с платой Месііріх2 и КА [67, 105]

2.5.3. Портативная система с платой Месііріх

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕНЕВЫХ КАРТИН И ПРОГРАММНОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТАННЫХ СИСТЕМ

3.1. Алгоритмы получения достоверной теневой картины

3.2. Алгоритм учета дрейфа параметров детектора

3.3. Декодирование теневой картины.

3.4. Программное обеспечение

Восстановление изображений.

Получение предварительных данных

Подготовительные кадры

Восстановление изображений в реальном времени.

Процедура быстрой оценки шума.

Представление декодированных изображений. '

Хранение и обработка данных.

Программа работы с прибором и получения теневых изображений

3.3. Выводы к главе

ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЯ НА РАДИАЦИОННЫХ ОБЪЕКТАХ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

ГЛАВА 6. СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ КОМПТОНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ

6.1. Система для получения двухмерных изображений (томографии) приповерхностных слоев материалов, использующая комптоновское рассеяние (РеСкан)

6.1.1. Теоретический анализ

6.1.2. Экспериментальная проверка предлагаемого подхода [85, 95]

6.1.3. Обсуждение результатов и сравнение с другими подходами

6.2. Алгоритм обработки распределения интенсивности рассеянного излучения при использовании системы в реальном времени для контроля толстых сварных швов

6.2.1. Задача, необходимость измерений и их актуальность

6.2.2. Алгоритм реального времени для определения плотности материала при сканировании

6.2.3. Моделирование работы алгоритма восстановления плотности

6.3. Исследование характеристик системы неразрушающего контроля с аннигиляционным источником излучения (Гамма-радар)

6.3.1. Схема измерений с использованием гамма-радара

6.3.2. Моделирование работы системы

6.3.3. Параметры системы, достижимые для разных детекторов

6.3.4. Обсуждение результатов моделирования

6.4. Выводы к главе

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 гамма -изображений 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™ новых 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 типов -сцинтилляционными, ЭОП, ПЗС и полупроводниковыми (СсГГе + МесНр5х2).

Разработаны алгоритмы ' получения, предварительной* обработки- теневых 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 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. Создание опытных образцов 4-х систем получения гамма изображений с кодирующими апертурами на основе разных типов детекторов, включая сцинтилляционные и полупроводниковые (СсГГе + МесНр1х2) 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 ~10нГр; Со-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, Франция; при 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 NATO- Linkage grant (CR6-L697-2058, 1999-2001), Программы поддержки молодых ученых КИ-2000, РФФИ (грант 2000-02-16311), 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 München 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 является- отсутствие 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 + МесНр1х2) 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 Сб-137 -экспозиция ЮнГр; для 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 изображения; дан 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.

1. Не Z., Guru S.V., Wehe D.K., Knoll G.F., Truman A., Ramsden D. Portable wide-angle y-ray vision system. IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 42, No. 4, pp. 668674, 1995.

2. Migliaccio R., Petito D., Nutter V., and Smith D. Gamma ray imaging in nuclear power plants. -Nuclear Plant Journal. 1996, March-April, v. 14, n 2, pp.205-212.

3. Ramsden D. , Bird A. J., Palmer M. J., and DurrantP. T. Gamma-Ray Imaging Systems for the Nuclear Environment. In: Proceedings of Remote techniques for hazardous Environment, BNES, London, 1996.

4. Guru S.V., He Z., Wehe D.K. and Knoll G.F. A portable gamma camera for radiation monitoring. IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 42, No. 4, pp. 940-945, 1995.

5. Волков В.Г., Волкович А.Г., Никсонов В.И. и др. Прибор для поиска и идентификации источников у-излучения и получения у-изображения (гаммавизор). Атомная энергия, 1991, т.71 вып.6, с. 578-580.

6. Le Goaller С., Imbard G., et al. The development and improvement of the Aladin gamma camera to localise gamma activity in nuclear installations. European Commission, Nuclear Science and Technology EUR18230 EN, 1998.

7. AIL, GammaCam™ Radiation Imaging System -Deactivation and Decommissioning Focus Area. Report Prepared for U.S. Department of Energy - Office of Environmental Management Office of Science and Technology, February 1998.

8. RMD, RadCam http://www.rmdinc.com/products/pOQ4.html

9. Gal O., Izac C., Jean F., Laine F., Leveque C., Nguyen A. CARTOGAM a portable gamma camera for remote localization of radioactive sources in nuclear facilities. -Nucl. Instrum. Meth., vol. A 460, pp. 138-145, 1999.

10. Martin J.B., Knoll G.F., Wehe D.K., et al. A Ring Compton Scatter Camera for Imaging Medium Energy Gamma Rays. IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 40, No. 4, pp. 972-978, August 1993.

11. Skinner G. K. Imaging with coded-aperture masks.- Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 1984, v.221, pp. 33-40.

12. Skinner G.K. X-Ray Imaging with Coded Masks. Scientific American, Aug. 1988, p. 66.

13. Jean in't Zand на сайте NASA: http://astron1wsics.gslc.nasa.gov/cai/.

14. Caroli E., Stephen J. В., Di Cocco G., Natalucci L., and Spizzichino A. Coded Aperture Imaging in X and gamma-ray astronomy. - Space Science Reviews, vol.45, Nos. 3/4, pp. 349-403, 1987.

15. Gilfanov M., Syunyaev R., Churazov E., et al. Observations of X-ray pulsars with the Roentgen observatory on the Kvant module.- Soviet Astronomy Letters, J989, vl5, p.291.

16. Syunyaev R.A., Arefev V.A., Borozdin K.N., Gilfanov M.R., et al. Broad-band X-ray-spectra of black-hole candidates, X-ray pulsars, and low-mass binary-X-ray systems Kvant module results. - Soviet Astronomy Letters, 1991, v. 17, p.409.

17. Winkler C., Courvoisier T. J.-L., Di Cocco G., Gehrels N., Gimunez A., Grebenev S., Hermsen W., Mas-Hesse J. M., Lebrun F., Lund N., et. al. The INTEGRAL mission.-Astron. Astrophys., 2003, 411, LI.

18. Limousin O., Duda J. -M., Lebrun F. and Leray J. -P. The basic component of the ISGRI CdTe gamma-ray camera for space telescope IBIS on board the INTEGRAL satellite. Nucl Instr and Meth A, 1999 Vol. 428, no 1, pp. 216-222

19. Dicke R. H. Scatter-hole cameras for X-rays and gamma rays," Astrophys. J., 1968, v. 153, L101-L106.

20. Федоров Г. А. Радиационная интроскопия: Кодирование информации и оптимизация эксперимента. -М.: Энергоатомиздат, 1982.

21. Федоров Г. А., Терещенко С.А. Вычислительная эмиссионная томография. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-184 с.

22. Федоров Г. А. Интегрально-кодовые системы регистрации ионизирующих излучений. АНРИ-2008, №1 (52), стр.32-47.

23. Accorsi R., Gasparini F., Lanza R.C. Optimal coded aperture patterns for improved SNR in nuclear medicine imaging. NIM A, v.474 (2001) 273-284

24. Accorsi R., Lanza R.C. Near-field artifact reduction in planar coded aperture imaging. Appl. Optics 2001, Vol. 40, No. 26 pp.4694-4705

25. Accorsi R., Gasparini F., Lanza R.C. A Coded Aperture for High-Resolution Nuclear Medicine Planar Imaging With a Conventional Anger Camera: Experimental Results .IEEE Transactions on Nuclear Science, 2001 v. 48, No. 6, pp 2411- 2417

26. Abies J. G., Fourier transform photography: a new method for X-ray astronomy.-Proc. Astron. Soc. Aust. 1, 172-173, 1968.

27. Fenimore E. E., Cannon Т. M., Van Hulsteyn D. В., and Lee P. Uniformly redundant array imaging of laser driven compressions: preliminary results. Appl. Opt. 18, 945947, 1979.

28. Chen Y. W., Yamanaka M., Miyanaga N., Yamanaka Т., Nakai S., Yamanaka C., and Tamura S. Three-dimensional reconstruction of laser-irradiated targets using URA coded aperture cameras. Opt. Commun. 71, 249-255, 1989.

29. Koral K. F., Freitas J. E., Rogers W. L., and Keyes J. W. Thyroid scintigraphy with time-coded aperture. J. Nucl. Med. 20, 345-349 —1979!.

30. Rogers W. L., Koral K. F., Mayans R., Leonard P. F., Thrall J. H., Brady T. J., and Keyes J. W., Jr. Coded-aperture imaging of the heart. J. Nucl. Med. 21, 371-378 1980

31. Barrett H. H. Fresnel zone plate imaging in nuclear medicine. J. Nucl. Med. 13, 382-385 1972.

32. Fenimore E. E. and Cannon Т. M. Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays. Appl. Opt. 1978, v. 17, pp. 337-347.

33. Fenimore E. E. and Cannon Т. M. Uniformly redundant arrays: digital reconstruction methods. Appl. Opt. 20, 1858-1864, 1981.

34. Baryshevsky V.G., et al. Gamma-Ray Spectroscopic System for Remote Detection and Monitoring of Fission Materials. IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 41, No 4, pp. 971-975, August 1994.

35. Арефьев B.A., Бугров В.П., Волчанский A.B., Гуров А.Ю., Короткова Е.В., Перьков А.И., Федотов С.Н., Шарак М.П., Гамма-телескоп с одномерной кодированной апертурой. -Приборы и техника эксперимента, 1990, №4, стр. 61

36. Гуров А.Ю., Федотов С.Н. Чувствительность комптоновского гамма-телескопа. -Приборы и техника эксперимента, 1990, №1, стр. 56-58.

37. Xu D., Не Z., Lehner С.Е., and Zhang F. 4-pi Compton imaging with single 3D position sensitive CdZnTe detector. Proc. of SPIE vol.5540, pp. 144-155, 2004.

38. Lee W. and Wehe D: Hybrid gamma ray imaging—Model and results. -NIM A 2007 vol. 579 N1 pp200-204r

39. Волкович А.Г., Иванов О.П., Степанов B.E., Сударкин А.Н., Уруцкоев Л.И. Применение гаммавизора для обследования реакторов. Атомная энергия, т. 79, № 5 стр. 367-370, ноябрь 1995.

40. Gottesman S.R. and Fenimore Е.Е. New family of binary arrays for coded aperture imaging. Appl. Opt., 1989, vol.28, No.20, p.4344-4352.

41. Sudarkin A.N., Ivanov O.P., Stepanov V.E. and Urutskoev L.I. Portable gamma ray imager and its application for the inspection of the near-reactor premises contaminated by radioactive substances. -Nucl. Instrum. Meth., vol. A 414, pp. 418-426, 1998.

42. Durrant P.T., Dallimore M., Jupp I.D. and Ramsden D. The application of pinhole and coded aperture imaging in the nuclear environment. -Nucl. Instrum. Meth., vol. A 422, pp. 667-671, 1999.

43. Ivanov O.P., Sudarkin A.N., Stepanov V.E. and Uratskoev L.I. Portable Digital X-Ray and Gamma-Ray Imaging with Coded Mask -Performance Characteristics- and Methods of Image Reconstruction. Nucl. Instrum. Meth., vol. A 422, pp. 729-734, 1999.

44. Gal O., Jean F., Laine F., Leveque C. The CARTOGAM portable gamma imaging system. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 47, no. 3, pp. 952956, June 2000.

45. Medipix Homepage CERN, http://medipix.web.cem.ch/MEDIPIX/; http://medipix.web.cern.ch/medipix/pages/medipix2.php

46. Medipixl Homepage http://medipix.web.cern.ch/medipix/pages/medipixl.php

47. Bardelloni G., et al., A new read-out system for an imaging pixel detector. -Conference Records of the IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Lyon, France, October 14-20, 2000.

48. Accorsi R., Autiero M., Celentano L., Laccetti P., Lanza R. C., et al. Toward a Medipix2 coded aperture gamma microscope. In: Conf rep. of 2004 IEEE NSS-MIC, Rome 2004

49. Gmar M., Gal O., Le Goaller C. Ivanov O. P., Stepanov V.E., et. al. Development of coded-aperture imaging with a compact gamma camera. IEEE Trans, on Nucl. Science 2004, v. 51; n 4; p. 1682-1687.

50. Ivanov O.P., Potapov V.N., Schmidt C., et. al. Development of new version of RayMoS gamma-camera with coded mask. 2008 NSS/MIC Dresden, Germany, 19 -25 October 2008. Abstract Book: N02-207, p.37.

51. Волкович А.Г, Данилович А.С., Иванов О.П., и др. Гаммавизор -автоматизированная система для получения изображений радиоактивных объектов. Приборы и техника, эксперимента, 1996, №3, с. 131-135.

52. Иванов О.П., Степанов В.Е., Сударкин А.Н., и Уруцкоев Л.И. Портативный прибор для получения изображений источников гамма-излучения с апертурой на основе кодирующих масок. Приборы и техн. экспер., 1998, N4, с. 1-8.

53. Волкович А.Г., Иванов О.П., Степанов В.Е., и др. Применение гаммавизора для обследования реакторов. Атомная энергия, 1995, т 79, №5 с. 367-370.

54. Gal O., Gmar M., Ivanov O. et. al. Development of a portable gamma camera with coded aperture- Nucl. Instr. and Meth. A, 2006, v. 563, p. 233-237.

55. Каталог фирмы Прокситроник OnLine., http://proxitronic.de/datasheets/20091027ebv.pdf/.

56. Sudarkin A.N.; Ivanov O.P.; Stepanov V.E.; Urutskoev L.I. Portable digital X-ray and gamma-ray imaging system with pinhole and coded mask collimators. -In: 1997 IEEE Nuclear Science Symposium, 9-15 Nov 1997. Conference Record vol.2, pp. 1586-1590.

57. Hammersley A., Ponman Т., and Skinner G. Reconstruction of Images from a Coded-Aperture Box Camera. NIM A vol. 311, pp.595-594, 1992

58. Ducros G. and Ducros R. Statistical Analysis for Coded Aperture Gamma-Ray Telescope. -Nucl. Instr. and Meth., vol. 221, no. 1-3, pp. 49-53, 1981.

59. Burger A, Groza M, Cui Y, Roy U.N, et al. Development of portable CdZnTe spectrometers for remote sensing of signatures from nuclear materials.- Phys. Stat. Sol. 2003 V. 236, No. 2, pp. 251

60. Chesnokov A.V., Ignatov S.M., Potapov V.N., et al. Determination of Surface Activity and Radiation Spectrum Characteristics inside a Building by Gamma Locator. -NIM A 401, 414-420, 1997.

61. Sudarkin A.N., Ivanov О.P., Stepanov V.E., et al. Technical Reports on Subcontract # 29-990028-142, September 17 1998 with SAIC GT, Vol.## 1 6.

62. ZiockK., Cunningham M., Fabris L. Two-sided coded aperture imaging without a detector plane. 2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conf. Record on CD, ISBN: 978-1-4244-2715-4, paper SD1-1.

63. Ziock K., J. Collins W., Craig W., et.al. Source-search sensitivity of a large-area, coded-aperture, gamma-ray imager, 2004 IEEE Nuclear Science Symp. Conf. Record on CD, paper N15-1.

64. Clark D., Bird A., Ramsden D. A sensitive radiation imaging system having a 360 degree field-of-view. In 2008 IEEE Nuclear Science Symp. Conf. Record on CD, ISBN: 978-1-4244-2715-4, paper SD2-5.

65. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Под ред. В.В.Клюева. М. -Машиностроение, 1992.

66. Harding G. On the sensitivity and application possibilities of a novel Compton scatter imaging system. IEEE Trans, on Nucl. Sci., 1982, v.NS-29, N3, p.l269.

67. Kozanetsky J., Harding G. Materialprufung mit Rontgen-Ruckstreustrahlung.-Materialprufung, 1987, Bd.29,N7/8, s.217-221.

68. Clarke R.L., Milne E.N.C. and Van Dyk G. The use of Compton scattered gamma rays for tomography. Investig. Radiolog., 1976, N11, p.225.

69. Babot D., Berodias G. and Pcix G. Detecting and Sizing by X-ray Compton Scattering of Near-Surface Cracks under Weld Deposited Cladding. NDT&E International, vol. 24, No 5, pp. 247-251, October 1991.

70. Harding G., Strecker H., Tishler R. X-ray imaging with Compton-scatter radiation. -Philips Technical Review, 1983/1984, v.41, N2, p.46-59.s

71. Гусев^ Е.А., Потапов В.Н., Карпельсон А.Е. Анализ характеристик сканирующих систем контроля, использующих обратно рассеянное излучение. -■

72. Дефектоскопия, 1992, N8, с.79-84.

73. Harding G., "On the sensitivity and application possibilities of a hovel Compton scatter imaging system", IEEE Trans, on Nuc. Sei, 1982, vol. NS-29, No 3, pp. 12601265.

74. Berodias M.G., Peix M.G. Nondestructive Measurement of Density and Effective Atomic Number by Photon Scattering.- Materials Evaluation, vol. 4, August 1988, pp. 1209-1213.

75. Towe,B.C, and Jacobs A.M. X-Ray Backscatter Imaging. IEEE Trans, on Biomedical Engineering, vol. BME-28, Sept. 1981, pp. 646-654.

76. Dudzus Т., and Segebade С. Messungen mit einer Gamma-Ruckstreusonde.-Materialprufung, vol. 18, Sep. 1976, pp. 336-338.

77. Gautam S.R., Hopkins F.F., Klinksiek R. and Morgan I.L. Compton Interaction Tomography 1. Feasibility Studies for Applications in Earthquake Engineering.- IEEE Trans, on Nuc. Sei., vol. 30, Apr. 1983, pp. 1680-1684.

78. Radko V. E. Compton gamma-flaw detection. Instruments and experimental techniques, vol. 34, no. 4, pp. 929-938, Jul-Aug 1991.

79. Stepanov V. E., Ivanov O. P., Potapov V. N., et. al. Application of gamma-ray imager for non-destructive testing. NIM A, vol. 422, pp. 724-728, 1999.

80. Meng L-J., and Ramsden D. Improved quantitative gamma-ray spectroscopy using a standard 3" Nal detector.- Proceedings of 2000 IEEE NSS/MIC, Lyon, France, 15-20 October, 2000.

81. Ivanov O.P., Chesnokov A.V., Sudarkin A.N., Stepanov V.E., Urutskoev L.I. History of development and application of gamma-ray imagers in Russia since 1986. NIM A. 1999. v. 422.n 1-3. C. 677-682.

82. Ivanov O.P., Potapov V.N., Stepanov V.E. A simulation of gamma-ray radar performance with different position sensitive detectors. In: 2000 IEEE NSS-MIC Conference Record, vol. 1, pp. 6/299 -6/303, Lyon, France, 17-22 Oct 2000.

83. Stepanov V.E., Ivanov O.P., Bahur A.E. System for visualization of radionuclide distribution in samples of mountain rock. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2001. v. 48, no 4. pp. 1190-1193.

84. Ivanov O.P., Stepanov V. E., Volkov V. G., Volkovich A. G., Smirnov S. V., Danilovich A. S. New Portable Gamma-Camera for Nuclear Environment and Its

85. Application at Rehabilitation Works. 2004 NSS-MIC Rome, Italy, 16-22 Oct 2004, Conference Record on CD: paper N33-62.

86. Application of portable gamma camera for the control on extraction of the radioactive wastes from temporal' storage in territory of RRC Kurchatov Institute. ICEM05/DECOM05 Glasgow 2005, Abstiact Book p. 78, Conference Record on CD: paper ICEM09-1197.

87. Gal O., Gmar M., Laine F., Manach E., Lamadie F., Le Goaller C, Mahe C, Ivanov O.P. Development of a portable gamma-imaging device with coded aperture. Book of abstract of 7-th IWoRID Conference- Grenoble, July 4-7, 2005 pp.

88. Ivanov O.P., Stepanov V.E., Sudarkin A.N., and SudarkinN.A. Search of New Low-Noise Patterns of Coded Apertures with Arbitrary Rank and Transparency. 2008 NSS-MIC Dresden. -Abstract book pp 38-39. Conference proceeding on CD paper N02-217 pp. 994-998.

89. Степанов B.E., Иванов О.П., Степанов A.B., Потапов В.Н. Моделирование путей безопасного проведения дезактивационных работ. -Атомная энергия, 2001. т. 90. № 6. с. 495-499.

90. Волков В.Г., Зверков Ю.А., Иванов О.П., Лемус А.В., Семенов С.Г., Степанов В.Е., Чесноков А.В., Шиша А.Д. Ликвидация труднодоступного хранилища высокоактивных отходов РНЦ «Курчатовский институт». Атомная энергия, 2008, т. 105. №3. с. 154-169.

91. Иванов О.П., Степанов В.Е., Сударкин А.Н., Сударкин Н.А. Новые слабошумящие узоры кодирующих апертур с произвольными рангом и прозрачностью. Доклады Академии наук. 2008. Т. 420. № 1. С. 37-41.

92. Иванов О.П. Новый подход к созданию портативной гамма-камеры с максимальным углом обзора. -Атомная энергия. 2010. Т.108, №1. С. 46-50.

93. Иванов О.П. Программное обеспечение гамма-камер для картирования радиоактивного загрязнения. -Атомная энергия. 2010. Т.108, № 3. С. 164-172.

94. Иванов О.П., Потапов В.Н., Степанов В.Е. Применение кодирующих апертур для наблюдения поля гамма излучения при использовании метода нейтронно-активационного для обнаружения мин. Тезисы докладов 3-ей межд конф17. X 18.