RU2529648C2

RU2529648C2 - Method and device for radiation measurement of solids density

Info

Publication number: RU2529648C2
Application number: RU2012151412/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Владимирович Глебов; Сергей Алексеевич Колосков; Евгений Васильевич Скачков; Вячеслав Александрович Першуков; Валентин Пантелеймонович Смирнов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-09-27
Also published as: RU2012151412A

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to the field of measurement of density of items using X-rays. The method of radiation measurement of density of solids by means of radiation of a controlled object is carried out with a flow of wideband X-radiation, practically all back-scattered ration is recorded, and density is detected by produced data from spectra of back-scattered radiation, which is recorded simultaneously in each of two detectors, the function of distribution of back-scattered radiation is determined depending on energy for each of detectors, corrected in accordance with variation of geometry during movement, energy ranges are identified in the spectrum of back-scattered radiation, they produce integral characteristics of back-scattered X-radiation in each energy range, on the basis of which using mathematical models of dependence of integral characteristics on density under various energies of radiation they establish density of the control object, which is described for each channel (detector). In a mobile X-ray densimeter device, comprising a source of gamma radiation in a radiation shield and detectors, a contactless method is used to determine density, and the source used is generated wideband radiation of a panoramic X-ray generator, and detectors are two energy dispersion detectors for detection of spectral distribution of back-scattered radiation, the device additionally includes two distance sensors to take into account impact of variation of geometry in process of measurement during movement.

EFFECT: increased efficiency, higher accuracy and efficiency of measurement.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения плотности изделий с использованием рентгеновского излучения. Сущность заключается в том, что первичное рентгеновское излучение генерируют панорамным рентгеновским генератором, позволяющим получать мощный поток рентгеновского излучения, на несколько порядков превышающий потоки от радиоизотопных источников, которые используются в известных устройствах (Troxler), и, как следствие, сократить время и погрешность измерения, что позволяет проводить измерения в движении. Применение панорамного рентгеновского генератора дает возможность значительно увеличить зону анализа, что особенно важно для контроля дорожных покрытий.The invention relates to the field of measuring the density of products using x-ray radiation. The essence is that primary x-ray radiation is generated by a panoramic x-ray generator, which allows to obtain a powerful x-ray flux, several orders of magnitude higher than the fluxes from radioisotope sources that are used in known devices (Troxler), and, as a result, to reduce the time and measurement error, which allows measurements in motion. The use of a panoramic X-ray generator makes it possible to significantly increase the analysis area, which is especially important for the control of road surfaces.

Обратнорассеянное излучение регистрируют одновременно двумя сцинтилляционными детекторами и получают спектры обратно рассеянного излучения в зависимости от энергии, выделяют энергетические диапазоны в спектре обратнорассеянного излучения, получают интегральные характеристики обратнорассеянного рентгеновского излучения в каждом энергетическом диапазоне, на основе которых по математическим моделям зависимости интегральных характеристик от плотности при различных энергиях излучения устанавливают плотность объекта контроля.Backscattered radiation is simultaneously recorded by two scintillation detectors and the spectra of backscattered radiation are obtained depending on the energy, the energy ranges in the spectrum of backscattered radiation are extracted, the integrated characteristics of backscattered X-ray radiation are obtained in each energy range, based on which, according to mathematical models, the dependence of the integral characteristics on density for various radiation energies set the density of the control object.

Известны способы и устройства, предназначенные для контроля плотности изделий с использованием гамма-излучения, принцип работы которых основан на явлении рассеяния гамма-излучения атомами вещества контролируемого объекта. Рассеяние является главным образом результатом комптоновского взаимодействия фотонов с электронами атомов вещества объекта, причем количественно такое взаимодействие определяется плотностью вещества. Измеряя плотность потока рассеянных фотонов, можно получить прямую зависимость между показаниями прибора и плотностью вещества. Обычно измерения плотности проводят с использованием калибровочного графика.Known methods and devices designed to control the density of products using gamma radiation, the principle of operation of which is based on the phenomenon of scattering of gamma radiation by atoms of the substance of a controlled object. Scattering is mainly the result of the Compton interaction of photons with the electrons of atoms of the substance of an object, and such an interaction is quantified by the density of the substance. By measuring the flux density of scattered photons, you can get a direct relationship between the readings of the device and the density of the substance. Typically, density measurements are made using a calibration graph.

Недостатками известных способов являются контактность используемых методов измерения, ограничение диапазона измерения за счет низкой чувствительности измерений, а также длительное время измерения. Кроме того, из-за процесса распада изотопа и снижения потока гамма-излучения необходима регулярная экспериментальная коррекция калибровочного графика, что снижает производительность измерения.The disadvantages of the known methods are the contactivity of the measurement methods used, the limitation of the measurement range due to the low sensitivity of the measurements, as well as the long measurement time. In addition, due to the process of isotope decay and a decrease in the gamma-ray flux, regular experimental correction of the calibration graph is necessary, which reduces the measurement performance.

За прототип принят способ измерения плотности, при котором с целью расширения диапазона измерений и повышения точности контроль плотности ведут в области максимальной интенсивности обратнорассеянного излучения. Для этого одновременно с регистрацией рассеянного излучения изменяют базовое расстояние до нахождения области максимальной интенсивности излучения, например путем перемещения источника или детектора параллельно поверхности контролируемого объекта.The prototype adopted a method of measuring density, in which in order to expand the measurement range and improve accuracy, density control is carried out in the region of maximum intensity of backscattered radiation. To do this, simultaneously with the registration of scattered radiation, the base distance is changed to find the region of maximum radiation intensity, for example, by moving a source or detector parallel to the surface of the controlled object.

При этом для регулирования ширины экстремальной области источник и детектор можно коллимировать. Так как положение экстремального значения калибровочного графика при найденном базовом расстоянии для заданной энергии источника не зависит от активности источника, то контроль ведут по положению пика. Положение пика на калибровочной кривой сохраняется при изменении как вещественного состава, так и активности источника излучения [Способ измерения плотности среды или расстояния от прибора до поверхности среды. Авторское свидетельство №247420, G01N 23/06, БИ №22, 1969 г.].Moreover, to control the width of the extreme region, the source and detector can be collimated. Since the position of the extreme value of the calibration graph at the found base distance for a given source energy does not depend on the activity of the source, control is carried out by the position of the peak. The position of the peak on the calibration curve is preserved when changing both the material composition and the activity of the radiation source [Method for measuring the density of the medium or the distance from the device to the surface of the medium. Author's certificate No. 247420, G01N 23/06, BI No. 22, 1969].

Измерение плотности среды осуществляют по найденному базовому расстоянию. Для этого можно пользоваться калибровочными графиками или градуировкой шкалы прибора в непосредственных единицах плотности. В этом случае оценка плотности контролируемых объектов проводится с учетом поля обратнорассеянного излучения.The density measurement of the medium is carried out according to the found base distance. To do this, you can use the calibration graphs or calibration of the scale of the device in direct units of density. In this case, the density of the controlled objects is estimated taking into account the backscattered radiation field.

Детектором регистрируется лишь незначительная часть фотонов, в связи с чем для измерения плотности указанным способом требуется значительное время и возможность измерения в процессе формования практически исключается, кроме того, это приводит к необходимости для получения заданной точности измерения либо повышать активность источника, либо увеличивать время измерения, либо увеличивать площадь сцинтиллятора.Only an insignificant part of photons is recorded by the detector, and therefore, it takes considerable time to measure the density in the indicated way and the possibility of measurement during molding is practically eliminated, in addition, this leads to the need to obtain the specified measurement accuracy either increase the activity of the source or increase the measurement time, or increase the area of the scintillator.

Однако активность источника ограничена требованиями безопасности, а увеличение площади сцинтиллятора уменьшает разрешающую способность, так как суммарное количество обратнорассеянных фотонов практически не зависит от плотности рассеивающего материала, что не дает возможности использования больших кристаллов для повышения доли обратнорассеянных фотонов.However, the activity of the source is limited by safety requirements, and an increase in the scintillator area decreases the resolution, since the total number of backscattered photons is practically independent of the density of the scattering material, which makes it impossible to use large crystals to increase the proportion of backscattered photons.

Технический результат, получаемый при реализации предложенного способа, заключается в бесконтактном методе проведения измерений, в повышении быстродействия, а также в повышении точности и производительности измерения.The technical result obtained by the implementation of the proposed method consists in a non-contact measurement method, in increasing the speed, and also in improving the accuracy and productivity of the measurement.

Указанный результат получается за счет того, что в способе радиационного измерения плотности твердых тел путем облучения контролируемого объекта облучение проводят потоком широкополосного рентгеновского излучения, регистрируется практически все обратнорассеянное излучение, и определение плотности по полученным данным из спектров обратнорассеянного излучения регистрируют одновременно в каждом из двух детекторов, определяют функцию распределения обратнорассеянного излучения в зависимости от энергии для каждого из детекторов, корректируют в соответствии с изменением геометрии при движении, выделяют энергетические диапазоны в спектре обратнорассеянного излучения, получают интегральные характеристики обратнорассеянного рентгеновского излучения в каждом энергетическом диапазоне, на основе которых по математическим моделям зависимости интегральных характеристик от плотности при различных энергиях излучения устанавливают плотность объекта контроля, которая описывается для каждого из каналов (детекторов) зависимостью:This result is obtained due to the fact that in the method of radiation measuring the density of solids by irradiating a controlled object, the irradiation is carried out by a stream of broadband x-ray radiation, almost all backscattered radiation is recorded, and the density is determined from the data obtained from the backscattered radiation spectra simultaneously in each of the two detectors, determine the distribution function of backscattered radiation depending on the energy for each of the detectors rectify in accordance with the change in geometry during movement, select the energy ranges in the spectrum of backscattered radiation, obtain the integrated characteristics of backscattered X-ray radiation in each energy range, based on which mathematical models of the dependence of the integral characteristics on density at various radiation energies establish the density of the control object, which is described for each of the channels (detectors) by the dependence:

ρ - плотность объекта контроля,ρ is the density of the object of control,

κ - номер канала (детектора) 1, 2,κ - channel (detector) number 1, 2,

i - номер энергетического интервала,i is the number of the energy interval,

n - число выделенных энергетических интервалов,n is the number of allocated energy intervals,

a _i, b_i - эмпирические коэффициенты, a _i , b _i - empirical coefficients,

N_i - интенсивность обратнорассеянного излучения в i энергетическом интервале,N _i - the intensity of backscattered radiation in the i energy interval,

R - среднее расстояние до объекта за время измерения.R is the average distance to the object during the measurement.

Значения эмпирических коэффициентов определяют из измерения стандартных образцов. Значение плотности определяют по формуле:The values of empirical coefficients are determined from the measurement of standard samples. The density value is determined by the formula:

ρ=(ρ₁+ρ₂)/2ρ = (ρ ₁ + ρ ₂ ) / 2

Плотномеры, работа которых основана на явлениях рассеяния гамма-излучения материалом объекта контроля, известны. Плотномер, выбранный в качестве прототипа устройства [Способ и устройство для радиационного измерения плотности твердых тел. Патент RU 2345353 от 27.01.2009 г.], который включает в себя источник гамма-излучения, радиационный экран-коллиматор, защищающий сцинтилляторы от прямого излучения, заглушка для выпуска и перекрытия потока излучения, устройство перемещения источника, позволяющее менять сферический угол ввода фотонов в объект исследования, кольцевые сцинтилляторы, блоки преобразователей световых импульсов в электрические импульсы (фотоэлектронные умножители или фотодиоды), сумматоры импульсов, счетчики импульсов.Density meters, whose operation is based on the phenomena of gamma-ray scattering by the material of the test object, are known. Density meter selected as a prototype of the device [Method and device for radiation density measurement of solids. Patent RU 2345353 dated January 27, 2009], which includes a gamma radiation source, a radiation collimator screen that protects the scintillators from direct radiation, a plug for emitting and blocking the radiation flux, a source moving device that allows changing the spherical angle of photon input into object of study, ring scintillators, blocks of converters of light pulses to electric pulses (photoelectronic multipliers or photodiodes), pulse adders, pulse counters.

К недостаткам данного устройства относятся использование радиационных источников с невысокой интенсивностью излучения, которая приводит к увеличению времени измерения для получения необходимой точности анализа, и обязательное контактное применение данного устройства в его применении, а также экологическая безопасность использования радиационных источников в процессе проведения измерений в движении, то есть на «улице».The disadvantages of this device include the use of radiation sources with a low radiation intensity, which leads to an increase in the measurement time to obtain the necessary analysis accuracy, and the mandatory contact use of this device in its application, as well as the environmental safety of the use of radiation sources in the process of measuring in motion, is on the "street".

Предлагаемое устройство мобильный рентгеновский плотномер, с помощью которого реализуется предложенный способ, показан на фиг.1.The proposed device is a mobile x-ray densitometer, with which the proposed method is implemented, is shown in figure 1.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит панорамный рентгеновский генератор /1/, излучение которого формируется с помощью использования фильтров /4/, двух сцинтилляционных детекторов /2/ с коллиматорами /5/ для наиболее эффективного сбора вторичного излучения и двух датчиков расстояния /3/, позволяющих контролировать геометрические параметры системы «источник - образец - детектор».A device that implements the proposed method contains a panoramic x-ray generator / 1 /, the radiation of which is generated using filters / 4 /, two scintillation detectors / 2 / with collimators / 5 / for the most efficient collection of secondary radiation and two distance sensors / 3 /, allowing to control the geometric parameters of the system "source - sample - detector".

Плотность вычисляется либо по экспериментально определенной постоянной С (Е), либо на основании самой калибровочной зависимости.The density is calculated either by the experimentally determined constant C (E), or on the basis of the calibration dependence itself.

Работа устройства предложенным способом происходит следующим образом. Плотномер с источником рентгеновского излучения, которое генерируется рентгеновским генератором, при включении излучает широкополосное излучение, которое формируют фильтрами и первичными коллиматорами и направляют на объект измерения. Спектры рассеянных веществом объекта фотонов регистрируют двумя коллимированными детекторами. По энергетическим спектрам обратнорассеянного излучения рассчитывают плотность вещества по вышеописанному методу.The operation of the device by the proposed method is as follows. A densitometer with a source of x-ray radiation, which is generated by an x-ray generator, when turned on, emits broadband radiation, which is formed by filters and primary collimators and sent to the measurement object. The spectra of photons scattered by the substance of an object are recorded by two collimated detectors. The energy spectra of backscattered radiation calculate the density of the substance according to the method described above.

По мнению авторов, указанные отличительные признаки являются новыми и в предложенном функциональном единстве необходимы и достаточны для обеспечения заявленного технического результата.According to the authors, these distinguishing features are new and in the proposed functional unity are necessary and sufficient to ensure the claimed technical result.

Claims

1. The method of radiation measurement of the density of solids by irradiating a controlled object with a gamma ray flux, registering backscattered radiation and determining the density from the obtained data, characterized in that the object is irradiated with broadband x-ray radiation, which is generated by a panoramic x-ray generator, and backscattered radiation is recorded by energy dispersive detectors, determine the distribution function of backscattered radiation depending on the energy According to measurements performed using distance sensors, the energy ranges in the spectrum of backscattered radiation are extracted, the integral characteristics of backscattered X-ray radiation in each energy range are obtained, based on which, according to mathematical models, the dependence of the integral characteristics on density for various radiation energies set the density of the control object.

2. The device is a mobile x-ray densitometer, which includes a gamma radiation source in radiation protection and detectors, characterized in that the non-contact density method is used and the generated broadband radiation of a panoramic x-ray generator is used as a source, and two energy dispersive detectors for for determining the spectral distribution of backscattered radiation, two distance sensors are additionally introduced into the device to take into account the effect of changes geometry in the measuring process while moving.