Глава 1 Методы и средства
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
КАРЯГИН Максим Александрович
РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННОГО КИЛОВОЛЬТМЕТРА ДЛЯ
ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ РЕНТГЕНОВСКИХ
ДИАГНОСТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Специальность 05.11.13
Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
Лелюхин А.С.
Москва 2015
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ
АНОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ…………………………………………...
1.1 Контроль параметров рентгенодиагностических аппаратов в
условиях эксплуатации……………………………………………………..
1.2 Современное состояние отечественного парка неинвазивных
киловольтметров ………………………………………………………….
1.3 Отечественные разработки в области радиационных методов
контроля параметров рентгенодиагностических аппаратов……………..
1.4 Постановка проблемы исследований ……………………………….
ГЛАВА 2. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЕТЕКТОРНОЙ
СЕКЦИИ РАДИАЦИОННОГО КИЛОВОЛЬТМЕТРА………………
2.1 Физическая модель детекторной секции радиационного
киловольтметра………………........................................................................
2.1.1 Рентгенооптическая схема метода ……………………………….
2.1.2 Ослабление излучения в объеме фантома………………………..
2.1.3 Основные допущения, принимаемые при моделировании……...
2.2 Программа имитационного моделирования…………………………
2.3 Результаты имитационного моделирования………………………….
2.3.1 Влияние анодного напряжения и фильтрации на величину
коэффициентов приведенного рассеяния ………………………………..
2.3.2 Влияние размеров фантома на величину коэффициентов
приведенного рассеяния……………………………………........................
2.3.3 Характер спектров ослабленного и рассеянного излучений
2.3.4 Влияние вещества фантома на величину коэффициентов
приведенного рассеяния …………………………………………………..
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА
КОЭФИЦИЕНТОВ ПРИВЕДЕННОГО РАССЕЯНИЯ………………
3.1 Описание экспериментального стенда………………………………..
3.2 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с
фантомами из различных материалов …………………………………….
4
12
12
13
20
28
29
30
30
31
33
39
42
42
44
54
58
68
68
75
3
3.2.1 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с
фантомом из фторопласта………………………………………………….
3.2.2 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с
фантомом из воды………………………………………………………….
3.2.3 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с
фантомом из селенита ……………………………………………………
3.2.4 Влияние суммарной фильтрации на величину коэффициентов
приведенного рассеяния…………………………………………………..
3.3 Связь коэффициентов приведенного рассеяния и величины слоя
половинного ослабления …………………………………………………..
ГЛАВА
4.
ВСТРОЕННАЯ
СИСТЕМА
КОНТРОЛЯ
РЕНТГЕНОВСКОГО АППАРАТА 12Л7УР…………………………
4.1 Описание встроенной системы контроля рентгенодиагностических
аппаратов………………………………….....................................................
4.2 Методика и результаты калибровки встроенной системы
контроля………………………………………...............................................
4.3 Испытания встроенной системы контроля в составе аппарата
12Л7УР………………………….....................................................................
4.3.1 Измерение анодного напряжения и суммарной фильтрации……
4.3.2 Измерение радиационного выхода ……………………………….
4.4 Режимы работы встроенной системы контроля аппарата 12Л7УР ...
4.5 Автономное использование радиационного киловольтметра..............
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………
ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………………………………………..
ПРИЛОЖЕНИЕ Б…………………………………………………………..
ПРИЛОЖЕНИЕ В…………………………………………………………..
ПРИЛОЖЕНИЕ Г…………………………………………………………..
75
79
82
88
92
95
95
99
102
102
104
108
109
115
117
127
137
138
139
4
В
диссертации
описаны
исследования,
выполненные
автором
в
Оренбургском государственном университете. Основные результаты этих
исследований опубликованы в работах [1-14]. Проведенный цикл работ посвящен
разработке радиационного киловольтметра для бесконтактного измерения
анодного напряжения и суммарной фильтрации по величине коэффициентов
приведенного рассеяния и созданию встроенной системы контроля для палатных
рентгенодиагностических аппаратов.
ВВЕДЕНИЕ
Одним
из
направлений
развития
современного
рентгеновского
приборостроения является внедрение встроенных систем контроля режимов
генерации тормозного излучения на основе радиационных киловольтметров. В
цифровых рентгенодиагностических комплексах задачи контроля частично
решаются посредством детектирующей системы самого аппарата. Тем не менее
для самого массового сегмента малобюджетных палатных аппаратов, не
оборудованных
цифровыми
системами
визуализации,
проблема
контроля
радиационных параметров в межповерочный период стоит особенно остро.
Внедрение встроенных систем контроля гарантирует безопасность работы
рентгеновских диагностических аппаратов (РДА) в процессе эксплуатации.
Основными параметрами, определяющими дозовую нагрузку и качество
рентгенограмм, являются значения напряжения на электродах рентгеновской
трубки и суммарная фильтрация излучения. Изменения данных параметров могут
быть обусловлены вариациями режимов работы питающего устройства и дрейфом
характеристик рентгеновских излучателей в результате износа анода и старения
электроизолирующих материалов.
В условиях лечебно профилактических учреждений (ЛПУ) применяют
сертифицированные
неинвазивные
приборы,
осуществляющие
контроль
параметров РДА по генерируемому ими излучению. При этом в актуальном
списке средств измерения РФ только универсальный дозиметр RTI Piranha (RTI
5
Electroniks
AB,
Швеция)
заявлен
как
прибор,
позволяющий
измерять
радиационным методом анодное напряжение и суммарную фильтрацию.
Известные методы, разработанные российскими специалистами, как
правило, не обеспечивают возможности одновременного определения анодного
напряжения и суммарной фильтрации и в большинстве своем не получили
практического внедрения.
Так, например, рентгеноспектральный метод измерений являлся предметом
исследований И.П. Зубкова, Б.Г. Потапова, В.Н. Васильева, Ю.В. Ларчикова и
М.Г. Петрушанского.
Используемые
на
практике
неинвазивные
приборы
работают
по
рентгенооптической схеме со спектросмещающими фильтрами. Исследования
Н.Н. Блинова, Л.В. Владимирова, Т.В. Даниленко, А. И. Лейченко, Н.А.
Шенгелия, Г.И. Бердякова послужили основой для создания единственного
отечественного неинвазивного киловольтметра (УКРЭХ).
В работах Д.А. Муслимова, А.С. Лелюхина решалась задача определения
практического пикового напряжения по величине градиента затухания излучения
в веществе линейного полупроводникового детектора.
Известна также схема измерения анодного напряжения с рассеивающим
фантомом (Н.Н. Блинов, Л.В. Владимиров, Т.В. Даниленко, А.И. Лейченко, Ю.В.
Ларчиков). Авторами данной разработки было выявлено, что отношение сигналов
детекторов, работающих в полях ослабленного и рассеянного излучений,
определяется потенциалом анода рентгеновской трубки. Однако возможность
измерения суммарной фильтрации излучения не рассматривалась. Развитие этого
направления исследований и установление влияния фильтрации излучения,
материала рассеивающего фантома и его геометрии на результаты измерений и
разработка на этой основе нового метода измерения анодного напряжения и
суммарной фильтрации будет способствовать повышению оперативности и
качества контроля параметров рентгеновских излучателей и обеспечению
безопасности эксплуатации РДА.
6
Целью
работы
являлось
создание и
исследование радиационного
киловольтметра для встроенной системы контроля рентгенодиагностических
аппаратов по анодному напряжению и суммарной фильтрации излучения на
основе метода коэффициентов приведенного рассеяния.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи.
1. Рассмотреть радиационный метод измерения анодного напряжения,
основанный на регистрации интенсивностей в полях рассеянного и ослабленного
излучений. Найти критерий, позволяющий одновременно определять анодное
напряжение и суммарную фильтрацию. Разработать рентгенооптическую схему
измерения анодного напряжения и суммарной фильтрации на основе метода
коэффициентов приведенного рассеяния.
2. Создать математическую модель радиационного киловольтметра.
Исследовать влияние условий возбуждения рентгеновского излучения и
параметров
рентгенооптической
схемы
на
величину
коэффициентов
приведенного рассеяния.
3. Определить структуру и состав радиационного киловольтметра.
Обосновать выбор детекторов и осуществить схемотехническое проектирование.
Создать действующий макет радиационного киловольтметра для встроенной
системы контроля рентгенодиагностических аппаратов.
4. Выполнить экспериментальное исследование метода определения
анодного напряжения и суммарной фильтрации на макете радиационного
киловольтметра, сопоставить результаты моделирования с экспериментальными
данными.
Выявить
ограничения
метода
и
оценить
эффективность
его
практического применения для контроля параметров рентгенодиагностических
аппаратов.
5. Разработать методику калибровки радиационного киловольтметра для
одновременного измерения анодного напряжения и суммарной фильтрации
излучения. Провести испытания радиационного киловольтметра в составе
встроенной системы контроля (ВСК) параметров рентгеновского аппарата
7
12Л7УР.
Оценить
достоверность
полученных
диапазоны погрешностей измерения
результатов
и
определить
анодного напряжения и суммарной
фильтрации излучения.
При решении задач исследования использовались методы имитационного
моделирования
с
применением
системы
математического
моделирования
MathCAD, статистические методы обработки экспериментальных данных, методы
численного решения систем нелинейных алгебраических уравнений.
Научная новизна исследований и практическая значимость работы
состоят в следующем:
– предложен метод измерения анодного напряжения и суммарной
фильтрации излучения по величине коэффициентов приведенного рассеяния;
– разработана математическая модель радиационного киловольтметра,
позволяющая оценивать влияние режимов генерации рентгеновского излучения
на величину КПР для фантомов из различных материалов;
– разработана методика нахождения анодного напряжения и суммарной
фильтрации по калибровочной характеристике;
– создан и интегрирован в состав рентгеновского аппарата 12Л7УР опытный
образец радиационного киловольтметра (РК). Проведены его испытания и
получены экспериментальные зависимости КПР для различных условий
генерации излучения.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Метод коэффициентов приведенного рассеяния для определения
анодного напряжения и суммарной фильтрации излучения.
2. Алгоритм и программа имитационного моделирования РК. Результаты
имитационного моделирования, в виде зависимостей КПР от анодного
напряжения и суммарной фильтрации излучения для фантомов из различных
материалов, разных геометрических размеров.
3.
Структурная
схема
экспериментального
стенда
и
методика
8
восстановления значений анодного напряжения и суммарной фильтрации
излучения по калибровочной характеристике.
4. Результаты экспериментального исследования опытного образца РК в
составе ВСК в виде графиков и диаграмм. Калибровочная характеристика для
экспериментального стенда и результаты испытаний для серийных рентгеновских
аппаратов.
Реализация
результатов
работы.
Разработанный
радиационный
киловольтметр для ВСК РДА внедрен на ЗАО «Уралрентген», осуществляющем
производство рентгеновских аппаратов с дополнительной опцией встроенного
контроля по анодному напряжению и суммарной фильтрации.
Прототип РК применяется в лаборатории ЗАО «Уралрентген» на стенде
настройки
рентгеновских
излучателей.
Предприятием
начато
серийное
производство рентгеновских аппаратов 12Л7УР с ВСК.
Созданная программа имитационного моделирования используется при
проведении лабораторных работ и выполнении проектных и экспериментальных
работ студентами, дипломирующимися на кафедре проектирования и технологии
радиоэлектронных средств Оренбургского государственного университета.
Апробация
работы
проведена
на
шестой
Троицкой
конференции
«Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-6) 2-6 июня 2014 (г.
Троицк Московской области, 2014); Всероссийской научно-методической
конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования,
науки и культуры» 29–31 января 2014 года (Оренбург, 2014); ежегодной
Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в
биологии и медицине – 2013» 6–8 ноября 2013 года (Саратов, 2013); пятой
Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ5) 4-8 июня 2012 (г. Троицк Московской области, 2012); восьмой Всероссийской
научно-практической конференции (с международным участием) «Современные
информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2009);
шестой Всероссийской научно-практической конференции (с международным
9
участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и
практике» (Оренбург, 2007).
По материалам исследований автором подготовлено четырнадцать
печатных работ, в том числе пять научных статей, опубликованных в
журналах из «Перечня...» ВАК. Программное обеспечение, разработанное при
выполнении
работы,
зарегистрировано
в
Федеральной
службе
по
интеллектуальной собственности и имеет соответствующее свидетельство.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех
глав, заключения, библиографического списка литературы из 86 наименований,
четырех приложений и содержит 126 страниц основного текста, включая 81
рисунок и 10 таблиц.
В первой главе приведен аналитический обзор по теме диссертационной
работы и рассмотрены известные методы и средства измерения напряжения
генерирования тормозного излучения и суммарной фильтрации излучения.
Проанализировано состояние парка неинвазивных киловольтметров, внесенных в
перечень средств измерения РФ, дана оценка технических возможностей каждого
из приборов, раскрыты их преимущества и недостатки.
Представлена
ретроспектива
исследований
российских
ученых,
занимавшихся проблемой неинвазивных измерений параметров РДА. Дана
краткая характеристика двухдетекторного и рентгеноспектрального методов
измерений, рассмотрена многодетекторная схема измерений по градиенту
затухания излучения. Отмечены ограничения и недостатки этих методов.
Обоснована необходимость дальнейшего совершенствования известных и поиска
новых методов неинвазивного измерения анодного напряжения и суммарной
фильтрации с целью повышения оперативности и качества радиационного
контроля параметров РДА. Обозначена основная проблема, являющаяся
предметом диссертационного исследования.
10
Во второй главе описана рентгенооптическая схема метода коэффициентов
приведенного рассеяния для неинвазивного измерения анодного напряжения и
суммарной фильтрации излучения; проанализированы физические процессы,
протекающие при формировании полей рассеянного и ослабленного излучений
вокруг фантома заданной формы; определены ограничения математической
модели РК и представлена блок-схема алгоритма программы имитационного
моделирования; приведены результаты моделирования в виде графиков и
диаграмм.
Построение
математической
модели
РК
осуществлялось
в
пакете
математического моделирования MathCAD. При моделировании учитывались
процессы фотоэлектрического поглощения, когерентного и некогерентного
рассеяния. В случае рассеяния рассчитывались вторичные события до момента
поглощения или вылета рассеянного кванта, с учетом изменения энергии квантов
и углов вылета.
Результаты
моделирования
показали,
что
расширение
диапазона
эффективной работы РК можно добиться путем применения фантомов из
материалов с более высоким атомным номером. В случае использования
фторопластового
фантома
цилиндрической
формы
чувствительность
РК
повышается с увеличением высоты и одновременным уменьшением радиуса
фантома.
В третьей главе приведено описание макета блока регистрации РК и
экспериментального стенда для его отработки; представлены структурная схема
стенда и функциональная схема макета блока регистрации; представлены
результаты экспериментального исследования в виде зависимостей КПР от
условий возбуждения излучения и параметров рентгенооптической схемы.
Полученные экспериментальные зависимости качественно согласуются с
результатами моделирования.
Экспериментально было установлено, что вариации тока анода и
длительности экспозиции не влияют на результаты измерений. При этом
11
фокусное расстояние должно быть не менее 80 см. При меньших значениях
величина КПР начинает быстро возрастать по мере уменьшения фокусного
расстояния.
В главе четвертой описана методика калибровки опытного образца РК,
представлена калибровочная характеристика опытного образца РК, дано описание
сервисной программы для ВСК и приведены результаты контроля параметров для
рентгеновских аппаратов различных типов.
Для калибровочной характеристики, построенной по экспериментальным
точкам, относительные
погрешности
измерения
анодного
напряжения
и
суммарной фильтрации излучения не превышают 5 и 30 % соответственно.
В заключении перечислены основные результаты, достигнутые в ходе
выполнения
диссертационной
работы,
и
сформулированы
выводы,
подытоживающие проведенные исследования.
В
приложения
вынесены:
листинг
программы
имитационного
моделирования радиационного киловольтметра, свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ, листинг программы формирования импульсов
и листинг сервисной программы для ВСК.
12
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
МЕТОДОВ
И
СРЕДСТВ
НЕИНВАЗИВНОГО
ИЗМЕРЕНИЯ
АНОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Раздел посвящен обсуждению проблемы измерения анодного напряжения
радиационными методами. Рассмотрены требования нормативных документов,
регламентирующих
процедуры
неинвазивного
контроля
параметров
рентгеновских излучателей. Проанализировано состояние отечественного парка
неинвазивных киловольтметров, зарегистрированных в государственном реестре
средств измерений. Представлена ретроспектива исследований, выполненных
российскими учеными, занимавшимися проблемой неинвазивного измерения
анодного напряжения. Выявлены ограничения и недостатки известных методов
измерения.
1.1 Контроль параметров рентгенодиагностических аппаратов в
условиях эксплуатации
Требования СанПиН 2.6.1. 1192-03 [15] предписывают контролировать
следующие параметры:
- суммарную фильтрацию излучения от рентгеновского источника;
- точность соответствия уставок анодного напряжения на рентгеновской
трубке;
- слой половинного ослабления;
- неравномерность временной характеристики анодного напряжения;
- погрешности уставок анодного напряжения и количества электричества;
- точность уставки длительности экспозиции.
Для контроля приведенных параметров необходимо специализированное
оборудование, обеспечивающее метрологические требования
условиях
напряжения
лечебно-профилактических
контактным
методом
учреждений
практически
контроля.
измерение
невозможно
В
анодного
вследствие
труднодоступности высоковольтных цепей аппарата и сложности подключения
13
измерительного оборудования, поэтому для контроля анодного напряжения
используются радиационные киловольтметры. Требования к радиационным
измерителям анодного напряжения представлены в стандарте МЭК 61676 [16].
Контроль
параметров
необходим
для
обеспечения
радиационной
безопасности рентгенологических процедур и достижения высокого качества
рентгеновского изображения как в период эксплуатации, так и после проведения
ремонта оборудования в условиях ЛПУ.
Контроль радиационных параметров РДА осуществляют организации,
имеющие лицензии на этот вид деятельности. Число таких организаций
постоянно растет, что обусловлено увеличением количества рентгеновских
аппаратов на балансе у больниц и медицинских центров. Необходимым условием
лицензирования
измерительных
лабораторий
является
наличие
специализированного оборудования, допущенного к использованию в РФ. Однако
номенклатура средств измерений радиационных параметров, внесенных в
государственный реестр средств измерений РФ, ограничена и не во всех случаях
отвечает требованиям регламентирующих документов.
1.2 Современное состояние отечественного парка неинвазивных
киловольтметров
В феврале 2013 года занесены в госреестр ряд универсальных дозиметров
для контроля параметров рентгеновских аппаратов производства RTI Electroniks
AB, Швеция. Зарегистрировано два типа приборов RTI Piranha и RTI Cobia Smart
R/F. Приборы этих серий имеют сертификаты соответствия для России.
Приборы серии RTI Piranha [17] осуществляют измерение следующих
параметров: анодное напряжение (пиковое значение, kVp); воздушную керму;
воздушную керму за импульс; произведение поглощенной дозы в фантоме на
длину (в томографическом фантоме); длительность экспозиции; анодный ток;
освещенность и яркость рабочего поля. RTI Piranha также позволяет определять
количество импульсов, частоту следования импульсов, мощность воздушной
14
кермы, значение слоя половинного ослабления СПО (HVL), суммарную
фильтрацию, форму анодного напряжения (осциллограмма), произведение ток время.
Результаты отображаются на ПЭВМ с помощью программного
обеспечения
Ocean,
позволяющего
одновременно
наблюдать
за
всеми
результатами измерений и легко экспортировать их в Exсel. Связь дозиметра с
ПЭВМ осуществляется с помощью Bluetooth либо USB – кабеля. Внешний вид
прибора показан на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Внешний вид дозиметра Piranha (рисунок
заимствован с
официальный сайта компании RTI Electronics AB, http://www.rti.se/ [17])
В состав серии входят различные модификации приборов, отличающиеся
набором функций, дополнительными опциями, диапазоном измерения величин.
Дополнительными опциями являются подключение детекторов для инвазивного и
неинвазивного измерения экспозиции и для измерения яркости и освещенности.
RTI Piranha R/F&M 657 является моделью с максимальной комплектацией
и с полным набором функций. Технические характеристики этой модели
представлены в таблице 1.1.
RTI Cobia Smart R/F (рисунок 1.2) – максимально простой прибор для
контроля основных электрических и радиационных параметров медицинских
рентгеновских аппаратов. С помощью прибора осуществляется измерение
анодного напряжения (пиковое значение, kVp), воздушной кермы, длительности
экспозиции и определение слоя половинного ослабления СПО (HVL), мощности
воздушной кермы, количества импульсов. Все измерения производятся с
15
помощью одного прибора и отображаются на широкоэкранном цветном дисплее.
Детектор встроен в корпус прибора.
Рисунок 1.2 - Прибор Cobia Smart (рисунок заимствован с официальный
сайта компании RTI Electronics AB, http://www.rti.se/ [17])
Основные характеристики RTI Cobia Smart R/F даются в таблице 1.1.
Прибор Nomex (номер в госреестре № 14958-95 [18]) производства PTWFreiburg
Германия
является
универсальным
высокоточным
дозиметром,
погрешность измерения дозы которого составляет 1,5%, погрешность измерения
анодного напряжения составляет 0,75% или 0,5 кВ. Особенностью построения
прибора является размещенная в едином корпусе электроника и детекторная
матрица (рисунок 1.3). Подключение осуществляется через USB напрямую к
ноутбуку или ПК. Он может быть использован для контроля параметров
аппаратов для рентгенографии, рентгеноскопии, стоматологии, компьютерной
томографии и маммографии. NOMEX измеряет дозу, мощность дозы, время
экспозиции, дозу за импульс, пульсации, анодное напряжение (kVpmax, kVpmean,
PPV), общую фильтрацию (до 40 mm Al) и слой половинного ослабления при
однократном воздействии излучения. Осуществляет расчет практического
пикового напряжения (PPV) по алгоритму МЭК 61676 [16].
16
Рисунок 1.3 - Прибор Nomex (рисунок заимствован с официального сайта
компании PTW-Freiburg, http://www.ptw.de/ [19])
Универсальный диагностический дозиметр NOMEX представляет собой
автоматизированную измерительную микропроцессорную систему, включающую
в себя измерительный пульт с дисплеем и встроенным цифропечатающим
устройством, набор из трех ионизационных камер для измерения кермы в воздухе
и мощности кермы в воздухе, детектор для измерения максимальных напряжений
на рентгеновской трубке, детектор для счета числа импульсов рентгеновского
излучения,
маммографический
детектор.
Принцип
измерения
анодного
напряжения базируется на двухдетекторном методе. Прибор соответствует всем
требованиям стандарта [16], но срок действия свидетельства истек 01.05.2007.
Комплект DIAset UNIVERSAL X-ray QC производства PTW-Freiburg
(Германия) зарегистрирован в Госреестре СИ РФ под номером 34724-09 [20] (срок
действия свидетельства до 1.09.2014). Данный комплект представлен дозиметром
DIADOS
Е
и
измерительным
прибором
DIAVOLT
UNIVERSAL,
контролирующим параметры рентгеновского излучения.
Дозиметр DIADOS Е включает в
свой состав блок управления и два
подсоединяемых к нему полупроводниковых детектора, используемых для
проведения
измерений
рентгенографическими,
с
различными
типами
стоматологическими,
рентгеновских
маммографичекими.
аппаратов:
Дозиметр
DIADOS Е измеряет дозу, мощность дозы, время экспозиции, дозу за импульс,
число импульсов, ток, заряд, заряд за импульс.
17
Приборы для контроля параметров рентгеновского излучения DIAVOLT
UNIVERSAL (с серийными номерами до 0999) измеряют анодное напряжение на
рентгеновской
трубке,
время
экспозиции
и
относительное
количество
электричества (мАс). В измерители с заводскими номерами от 1000 и выше
добавляется возможность измерения кермы в воздухе.
Анодное напряжение на рентгеновской трубке измеряется двухдетекторным
методом, заключающимся в определения разности значений сигналов от двух
полупроводниковых
детекторов,
установленных
за
фильтрами
различной
толщины.
В процессе измерения анодного напряжения приборами DIAVOLT
UNIVERSAL
вычисляются
значения
среднего
напряжения
kVmean,
максимального напряжения kVmax, и практического пикового напряжения PPV (в
соответствии со стандартом МЭК 61676:2002).
Приборы DIAVOLT UNIVERSAL имеют разъем для подключения
осциллографа и через интерфейс RS-232 могут подключаться к компьютеру типа
IBM PC, в который данные измерений передаются по средствам программного
обеспечения DiaControl. Таким образом
контролируются пульсации и форма
кривой анодного напряжения. Внешний вид прибора представлен на рисунке 1.4,
а основные технические характеристики приведены в таблице 1.1.
Рисунок 1.4 – Прибор DIAVOLT UNIVERSAL (рисунок заимствован с
официального сайт компании PTW-Freiburg, http://www.ptw.de/ [19])
В сентябре 2013 года на смену одному из самых распространенных
приборов в организациях, осуществляющих радиационный контроль параметров
18
медицинской техники в РФ, прибору Unfors Xi [21] (номер в госреестре №3504607, срок действия истек) [22] пришел прибор RaySafe solo R/F(номер в госреестре
№54915-13) [23].
Прибор
RaySafe
solo
R/F
(рисунок
1.5)
осуществляет
измерение
среднепикового анодного напряжения в диапазоне от 22 до 160кВ с
погрешностью 2,5%,
поглощенной дозы,
мощности дозы, длительности
экспозиции, анодного тока, количества электричества. Кроме того, этот прибор
выполняет определение количества импульсов, частоты следования импульсов,
слоя половинного ослабления СПО (HVL), формы анодного напряжения
(осциллограммы). Срок действия свидетельства о внесении в Государственный
реестр средств измерения РФ на прибор RaySafe solo R/F – до 23.09.2018.
Рисунок 1.5 – Универсальный дозиметр RaySafe solo R/F (рисунок
заимствован
c
официального
сайта
компании
Unfors
RaySafe
AB,
http://www.unfors.com/ [21])
В Госреестр (№22584-02) [24] внесен только один прибор отечественного
производства – УКРЭХ, разработанный и выпускаемый Научно-практическим
центром медицинской радиологии департамента здравоохранения города Москвы.
Принцип действия прибора основан на сравнении интенсивности излучения за
фильтрами различной толщины.
Детекторная секция состоит из трех детекторов типа сцинтилляторфотодиод. Подробно работа прибора описана в [25, 26]. Прибор УКРЭХ имеет
ряд недостатков и выпускается в очень ограниченном количестве. Основные
параметры представлены в таблице 1.1.
19
Таблица 1.1 – Основные параметры радиационных
радиационного выхода рентгеновских аппаратов
Прибор
Мощность
воздушной
кермы
Воздуш
ная
керма
Анодное
напряжение
Параметр
значение
Время
экспозиции
диапазон, кВ
погрешность,
%
Диапазон, Гр
Погрешность,
%
Диапазон,
мГр/с
Погрешность,
%
Диапазон, с
Погрешность,
% (мс)
Количест диапазон
во
импульс Погрешность,
ов
импульс
СПО
Диапазон, мм
(HVL)
Al
Погрешность,
мм Al
Суммарн Диапазон, мм
ая
Al
фильтра Погрешность,
ция
мм Al
Номер по Госреестру СИ
РФ
Срок действия
свидетельства об
утверждении типа СИ
RTI
Piranha
R/F&M
657
PPV
RTI
Cobia
Smart
R/F
PPV
35 –155 38 (18-49) 155
± 1.5
±2
50-150
DIAVOL
T
UNIVERSAL
kVpmax,
kVpmean,
PPV
22-150
±0,75
± 2,5
15 10-91000
±5
3 10-9 - 50 10-6
0,005
50
±1.5
± 4,0
(±0.7кВ)
40 10-81000
±5
Nomex
kVpmax,
kVpmean,
PPV
-
приборов контроля
RaySafe
solo R/F
УКРЭХ
kVpmax
kVpmean
kVpmean
PPV
22 - 160
40 - 125
±3
±5
10 10-9 9999
± 10
-
15 10-6 - 40 10-5450
100
50 10-6
5
50 10-3-50
10 10-6–
1000
6 - 200
Р/мин
±5
±5
±5
± 0,5
± 10
± 20
10-42000
±1
10-42000
±1(±
0,33)
1–
9999
±1
-
10-3 –
999,9
±3
10-2 – 5
-
3 10-4 999
± (0,3)
-
-
1 – 9999
-
-
1–
65535
±1
1,00 –
14,0
± 0,2
1,5 - 38
1,2 –
14,0
± 10%
или 0,2
мм Al
-
± 0,3
-
5256913
31.01.
2018
5256813
31.01.
2018
до 40
1495895
01.05.
2007
-
1,0 -14,0
-
-
-
-
-
-
34724-09
5491513
23.09.
2018
1.09.
2014
±5
22584-02
29.10.
2017
На протяжении последних лет в РФ ведется разработка нового метода и
прибора для радиационного контроля. Основные наработки в этой области
представлены ниже.
20
1.3 Отечественные разработки в области радиационных методов
контроля параметров рентгенодиагностических аппаратов
Ведущим российским предприятием, разрабатывающим нормативную базу
и осуществляющим научные исследования в области неинвазивных методов
контроля
параметров
Всероссийский
научно
рентгеновских
–
диагностических
исследовательский
и
аппаратов
является
испытательный
институт
медицинской техники. Сотрудниками института решались задачи развития
методов комплексного контроля радиационных и электрических характеристик
рентгеновских диагностических аппаратов [27-30] на основе двухдетекторного и
рентгеноспектрального методов измерения.
Так в работах Даниленко Т.В. [31, 33-37] рассматривался радиационный
двухдетекторный метод измерения анодного напряжения и ряда сопутствующих
параметров РДА. Отличительной особенностью предложенного метода измерений
являлось определение высокого напряжения по отношению зарядов двух
детекторов, генерируемых ими при одновременном облучении рентгеновским
излучением, ослабленным фильтрами разной толщины. Автором была сделана
попытка оценки и учета влияния на результаты измерений таких факторов, как
неоднородность
пучка
излучения,
собственная
фильтрация
излучения
рентгеновской трубки, чистота материала фильтра, форма анодного тока и тока
накала трубки. Для снижения погрешности измерений принимался во внимание
«ход с жесткостью» эффективности регистрации использованных детекторов. В
основу аналитического описания предложенного метода измерений легло
соотношение, описывающее среднюю за период спектральную плотность
тормозного излучения [31], формирующего зарядовый сигнал на выходе
детектора
1 T U0 (t)
Vi Fa t, U 0 (t) U 0 U Fμμ, U o (t), X i dUdt ,
T0 0
(1.1)
где Vi – заряд тока i-ого детектора за фильтром; μ –линейный коэффициент
ослабления материала фильтра; Xi – толщина фильтра; Fa t, U 0 (t) - функция,
21
учитывающая неоднородность пучка излучения;
Fμμ, U o (t),X i
- функция,
учитывающая неоднородность состава фильтра.
Экспериментально было установлено, что наибольшую неопределенность в
результаты
измерений
вносит
неоднородность
химического
состава
используемых фильтров.
Для практической реализации описанного метода измерений автором
использовалось схемотехническое решение, обеспечивающее интегрирование
токов детекторов и последующее аналоговое деление сигналов. Очевидно, что в
этом случае сигнал, формируемый детекторами, пропорционален суммарной
энергии квантов рентгеновского излучения, достигающих чувствительной
области и эффективно поглощаемых рабочим телом детектора. В качестве
детекторов
применялся
сцинтиллятор
ZnSe,
оптически
сопряженный
с
полупроводниковым фотодиодом. Для построения калибровочной характеристики
системы использовалась аппроксимация квадратичной функцией, что обеспечило
погрешность измерения анодного напряжения на уровне 2%.
В работах Ларчикова Ю.В. [32, 39, 40, 41], в отличие от предыдущих, упор
был сделан на создание высокоточной поверочной установки для поверки средств
контроля анодного напряжения рентгеновских диагностических аппаратов. За
основу был взят рентгеноспектральный метод измерения высокого напряжения,
суть которого сводится к решению задачи восстановления спектра тормозного
излучения и сопоставления граничной энергии в спектре пиковым значениям
напряжения на аноде рентгеновской трубки. Сложность разработки методов
определения границы спектра тормозного излучения обуславливается характером
восстанавливаемых спектров, имеющих большую неоднородность по диапазону и
экспоненциально затухающих при приближении к граничной энергии. Последнее
приводит к неоднозначности в определении границы спектра, обусловленной
конечной чувствительностью измерительной установки.
Кроме того, необходимо учитывать и по возможности устранять влияние
таких факторов, как собственная фильтрация излучения и износ анода
рентгеновской трубки, обуславливающих изменение собственной фильтрации,
22
вклад афокального излучения, угол выхода фотонов из анода рентгеновской
трубки,
квантовая
эффективность
используемых
детекторов.
Однако
достоинством рентгеноспектрального метода измерения является то, что метод
является абсолютным, поскольку энергетическая шкала калибруется независимо
от меры электрического напряжения, по монолиниям в спектрах излучения
радиоизотопных источников.
Процедура восстановления истинного спектра излучения рентгеновской
трубки сводится к решению интегрального уравнения Фредгольма первого рода,
записанного в следующем виде
(1.2)
где N(U) – функция отклика измерительной системы; G(E,U) – аппаратная
функция детекторного модуля; Ф(Е) – функция, описывающая спектральное
распределение квантов на входе детектора.
Для восстановления функции Ф(Е) в работе [41] было предложено
использовать метод «обдирки» [42]. При этом аппаратная функция детекторного
модуля
задавалась
с
учетом
квантовой
эффективности,
энергетического
разрешения и темновых токов детектора, определенных экспериментально. В
результате был создан вычислительный алгоритм, отличающийся высокой
достоверностью определения граничной энергии в спектре излучения.
На основе описанного метода был разработан рентгеноспектральный
измеритель высоких напряжений рентгеновских диагностических аппаратов,
обеспечивающий измерение анодных напряжений в диапазоне от 40 кв до 125 кВ
с основной относительной погрешностью менее 0,1 %. Прибор был аттестован
Госстандартом как ОСИ 2-го разряда «Рентгеноспектральный самоповеряющийся
измеритель высокого напряжения». Однако по экономическим соображениям
область
использования
радиационных
измерений.
данного
рентгеновских
прибора
тестеров
с
ограничена
более
задачами
высокой
поверки
погрешностью
23
Двухдетекторный метод радиационного измерения анодного напряжения
получил развитие в работах [25, 26, 43-45]. В НПЦ медицинской радиологии
совместно с ЗАО «АМИКО» был создан универсальный рентгеновский тестер
УКРЭХ (устройство контроля радиационных и электрических характеристик).
Однако в данной разработке для регистрации рентгеновского излучения за
спектросмещающими фильтрами используются уже три канала детектирования.
Введение дополнительного канала детектирования позволило разбить весь
диапазон измерений на поддиапазоны, в каждом из которых работает своя пара
детекторов. Выбор диапазона осуществляется в автоматическом режиме. В
результате удалось повысить точность измерений. Согласно паспортным данным,
УКРЭХ обеспечивает неинвазивное измерение анодного напряжения в диапазоне
40 – 125 кВ с относительной погрешностью до 5%.
Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 - Устройство контроля радиационных и электрических
характеристик (рисунок заимствован из работы [44])
Однако есть ряд ограничений при работе с рентгентестером УКРЭХ. Так,
например, в работе [11] экспериментально показано, что при введении
дополнительной фильтрации излучения показания киловольтметра растут при
неизменном значении «уставки» анодного напряжения. Влияние введения
дополнительной фильтрации наглядно демонстрируется рисунком 1.7.
Анодное напряжение, кВ
24
76
75
74
73
72
71
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Суммарная фильтрация, мм Al
Рисунок 1.7 – Характер изменений показаний рентегнтестера УКРЭХ при
фиксированном анодном напряжении (72,4 кВ) в зависимости от толщины
дополнительного алюминиевого фильтра [11]
Кроме того, результаты измерений оказываются крайне чувствительными к
фокусному расстоянию. В [46] отмечается, что прибор калибруется при фокусном
расстоянии 1 м и измерения рекомендуется осуществлять в тех же условиях. Но
на практике это требование может оказаться невыполненным, например, при
контроле компьютерных томографов. Тем не менее отечественная разработка
нашла широкое применение в практике контроля параметров рентгеновских
диагностических аппаратов, прежде всего, благодаря относительной простоте
устройства и его сравнительно низкой рыночной стоимости.
Попытка учета суммарной фильтрации при радиационных измерениях
анодного напряжения была предпринята в работе Петрушанского М.Г [47].
Автором был предложен метод спектрального преобразования, суть которого
сводится к измерению коэффициентов пропускания тормозного излучения
заданными рентгенооптической схемой аппарата фильтрами, отличающимися по
толщине на величину известного добавочного спектросмещающего фильтра
толщиной dp и последующему решению системы уравнений с двумя
неизвестными вида
25
К1 g (d ,U a )
К 2 g ((d d р ),U a ) ,
(1.3)
где К1 – экспериментально измеренный коэффициент пропускания собственным
фильтром толщиной dΣ при анодном напряжении Ua; К2 - экспериментально
измеренный коэффициент пропускания собственным и спектросмещающим
фильтрами при анодном напряжении Ua.
В результате решения системы уравнений (1.3) определяются две
неизвестные величины: анодное напряжение Ua и величина суммарной
фильтрации рентгеновского пучка dΣ.
Как было показано [47], коэффициент пропускания можно аналитически
представить в виде функции двух параметров: анодного напряжения Ua и
толщины эквивалентного суммарного фильтра df
e d
i
К
i 1
nКi
i 1,U24
1
,
24
U
e
(U a U ) Ki
Ki
1,24
U
U i 1
Ui
2
t
1,24
(U a U ) Ki
U
i 1 U i 1
2 Ui
nКi
Ki
U
e
1,24
ni
( d f d t )
,
n
1, 24 i
i
d f
U
dU
(1.4)
dU
где индекс i обозначает номер поддиапазона энергий рентгеновских квантов
( i 1 для величин энергии от 10 до 40 кэВ, i 2 для величин энергии от 40 до 150
кэВ); U 0 0 , U1 40кВ , U 2 U a ; – плотность вещества фильтра; , и n –
известные для каждого вещества постоянные величины, входящие в выражение
для зависимости массового коэффициента ослабления излучения m от энергии
излучения Е .
С помощью предложенного метода спектрального преобразования можно
измерять значения слоя половинного ослабления, анодного напряжения РДА и
суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения с достаточно большой
точностью, но диапазон измерения ограничен энергией 150 кэВ.
Альтернативная схема измерений может быть основана на регистрации
кривых абсорбции рентгеновского излучения в веществе линейных дискретных
полупроводниковых детекторов. Поскольку характер затухания излучения в
26
заданной среде полностью определяется его спектральным составом, то анализ
формы абсорбционных кривых позволяет находить критерии, однозначно
связанные с условиями возбуждения излучения.
В работе Муслимова Д. А. [48] описано два метода измерения анодного
напряжения.
Суть предложенного способа формирования абсорбционных кривых
заключается в том, что группа микродетекторов, расположенных на одной
прямой, образует многоэлементный рентгеновский фильтр, в котором каждый
предыдущий микродетектор является фильтром для последующего. При
воздействии на детектор рентгеновского излучения в объеме детектора создается
распределение
излучения.
квантов,
отвечающее
Электрические
микродетектора,
сигналы,
обуславливают
спектральному
возникающие
дискретное
составу
на
падающего
выходе
представление
каждого
абсорбционной
кривой.
Было показано [49], что практическое пиковое напряжение определяется
градиентом затухания абсорбционной кривой на ее начальном участке.
Поскольку характер затухания излучения в заданной среде полностью
определяется его спектральным составом, то анализ формы абсорбционных
кривых приводит к обратной задаче восстановления спектральных распределений
по известному отклику детектора и последующему расчету контрастно
эквивалентного напряжения [50].
Задача восстановления спектрального состава излучения по сигналам с
«идентичных»
микродетекторов,
имеющих
различную
эффективность
регистрации, определяемую пространственным положением микродетектора в
линейке, приводит к решению системы линейных алгебраических уравнений.
Учитывая вероятностную природу взаимодействия рентгеновского излучения со
средой, записанная система уравнений является системой со стохастической
матрицей. Для ее решения был использован метод минимизации направленного
расхождения.
27
Решение
сводится
к
сравнению
двух
макросостояний
системы,
характеризующихся соответственно апостериорной вероятностью абсорбции
квантов, заданной считанным с каждого микродетектора сигналом, и априорной
вероятностью,
определенной
эффективностью
поглощения
квантов
в
микродетекторах. Количество информации, получаемое в результате регистрации
абсорбционной кривой, является величиной, равной разности энтропий системы
до и после регистрации. Энтропия системы определяется числом возможных
реализаций процесса абсорбции квантов в веществе детектора и задается
уравнением
Шеннона.
Причем
энтропия
системы
после
регистрации
абсорбционной кривой должна быть максимальной. Условие максимума энтропии
системы позволило сформировать итерационный процесс последовательных
приближений для искомого спектрального распределения, заданного начальным
приближением.
достижению
Выход
минимума
из
итерационного
информации,
процесса
получаемой
осуществляется
при
по
реализации
экспериментально регистрируемой абсорбционной кривой.
Однако в данном случае точность результатов измерения во многом зависит
от того, как расположена линейка детекторов по отношению к рентгеновскому
пучку. Линейка детекторов должна размещаться строго вдоль рентгеновского
луча. При несоблюдении этого условия часть детекторов окажется в прямом
пучке, что приведет к изменению абсорбционной кривой и ошибкам при
восстановлении спектра излучения и оценки градиента затухания.
Из приведенных методов и приборов для измерения параметров РДА,
разработанных в РФ, только прибор УКРЭХ зарегистрирован в Госреестре как
прибор для поверки РДА.
28
1.4 Постановка проблемы исследований
Анализ
методов
и
средств
неинвазивного
измерения
параметров
рентгеновских аппаратов показывает, что в настоящее время проблема создания
универсальных приборов контроля, удовлетворяющих в полной мере требованиям
регламентирующих документов, окончательно не решена. Так, существующие
средства
контроля
имеют
ограниченный
диапазон
измерения
анодных
напряжений, не превышающий 160 кВ и, следовательно, не применимы для
оценки
параметров
Суммарная
излучателей
фильтрация
излучения
рентгенотерапевтических
и
слой
комплексов.
половинного
ослабления
рассчитываются по результатам измерения ослабления ограниченного набора
фильтров, что обуславливает высокую методическую погрешность. При этом
спектральный состав излучения вообще не анализируется. Задачи контроля
параметров РДА средствами, интегрированными в их состав, решаются только
для оценки качества изображения. Встроенные системы контроля электрических
и радиационных параметров не внедрены. Таким образом, актуальной является
проблема поиска критериев для оценки анодного напряжения и суммарной
фильтрации, разработки алгоритмов решения обратной задачи определения
условий генерации излучения и создания радиационного киловольтметра для
встроенной системы контроля параметров РДА.
Исследования в области разработки новых радиационных методов и средств
измерения параметров рентгеновских излучателей предполагают: разработку
математических моделей, описывающих процессы формирования измерительных
сигналов
под
действием
рентгенооптической
моделирования;
действующий
рентгеновского
схемы
создание
макет
излучения;
измерительного
экспериментального
радиационного
тракта
оценку
параметров
по
результатам
стенда,
киловольтметра;
включающего
выполнение
экспериментальной отработки измерительной системы и создание прототипа
встроенной системы контроля параметров РДА.
29
ГЛАВА 2. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЕТЕКТОРНОЙ
СЕКЦИИ РАДИАЦИОННОГО КИЛОВОЛЬТМЕТРА
Контроль
радиационных
параметров
рентгеновских
диагностических
аппаратов предполагает применение неинвазивных методов измерения. Анализ
приборного парка показывает, что современные киловольтметры реализуют
двухэнергетическую
методику
измерений,
основанную
на
использовании
спектросмещающих фильтров [51,52,57,59-62]. Однако существующие схемы
питания рентгеновских трубок предполагают различные формы кривой анодного
напряжения, что вносит неоднозначность в определение потенциала анода
неинвазивными методами. В связи с этим для характеристики анодного
напряжения используют несколько параметров [53, 54, 58, 59]: абсолютное
пиковое напряжение, среднее пиковое напряжение, эффективное пиковое
напряжение [52], практическое пиковое напряжение (PPV) [55,56].
В случае неизменного потенциала анода все перечисленные величины
принимают одно и то же значение. Но при наличии пульсаций они различаются
тем в большей степени, чем больше становится величина пульсаций. Последнее
обусловлено неэквивалентностью спектров излучения, воздействующего на
объект при неизменном и меняющемся потенциалах анода.
В основе работы радиационного киловольтметра лежит идея одновременной
регистрации
ослабленного
и
рассеянного
излучений,
возникающих
при
прохождении тормозного излучения через твердотельный фантом заданной
формы.
В качестве критерия для оценки условий возбуждения излучения и
измерения анодного напряжения было предложено использовать коэффициент
КПР, определяемый отношением сигналов детекторов прямого и рассеянного
пучков.
Очевидно, что на величину КПР влияют как спектральный состав
падающего излучения, так и параметры самого фантома: его материал, плотность
и геометрические размеры.
30
2.1
Физическая
модель
детекторной
секции
радиационного
киловольтметра
2.1.1 Рентгенооптическая схема метода
Суть работы радиационного киловольтметра сводится к следующему:
- фантом цилиндрической формы высотой h и радиусом равным
R= h/n,
(2.1)
где n – форм-фактор (из вещества плотностью с эффективным атомным
номером Z eff ), помещается в прямой пучок рентгеновского излучения;
-
по
направлению
излучения
вокруг
фантома
формируется
поле
ослабленного и рассеянного излучений, для регистрации которого по боковой
поверхности устанавливаются детекторы D2, а за основанием – детекторы D1.
Данные детекторы обладают идентичными параметрами и работают в режиме
интегрирования токовых импульсов;
- отношение усредненных уровней сигналов детекторов D2 к сигналам D1
за время экспозиции пропорционально отношению интенсивностей рассеянного в
объеме фантома излучения к интенсивности излучения, ослабленного в материале
фантома. Данное отношение, названное коэффициентом приведенного рассеяния,
является функцией двух переменных: анодного напряжения U a и суммарной
фильтрации излучения t ;
- для определения значений потенциала анода U x и суммарной фильтрации
tx
рентгеновского
излучателя
необходимо
провести
две
экспозиции
с
дополнительным фильтром заданной толщины и без него. По полученным
значениям
коэффициентов
приведенного
рассеяния
с
применением
калибровочной поверхности находятся определяемые параметры;
- калибровочная характеристика прибора строится в виде поверхности
k f (U a , t ) по результатам измерений коэффициентов приведенного рассеяния
для заданных значений U a и t .
Рентгенооптическая схема метода измерений приведена на рисунке 2.1.
31
C2F4
Al
CsI
D1
CsI
D2÷D1
D2
Рисунок
2.1
–
Рентгенооптическая
схема
метода
коэффициентов
приведенного рассеяния
2.1.2 Ослабление излучения в объеме фантома
Процесс ослабления рентгеновского излучения в веществе сложен, он
состоит из каскада взаимодействий с отдельными атомами [63 - 68]. Основными
каналами
взаимодействия
являются
фотоэлектрическое
поглощение
(фотоэффект), когерентное рассеяние (Томсоновское рассеяние), некогерентное
рассеяние (эффект Комптона) и рождение электронно-позитронных пар.
Вероятность каждого эффекта определяется энергией падающих квантов.
В нашем случае энергетический диапазон сверху ограничен величиной
анодного напряжения, прикладываемого к диагностическим рентгеновским
трубкам. Обычно анодное напряжение не превышает 120 кВ (эквивалентная
максимальная энергия ускоренного электрона – 120 кэВ). Снизу диапазон
ограничен
величиной
собственной
фильтрации
рентгеновской
трубки,
составляющей единицы мм в алюминиевом эквиваленте. Как правило, кванты с
энергией менее 10 кэВ полностью поглощаются в материале анода и внешней
оболочки трубки. Будем полагать, что верхняя граница в спектре тормозного
излучения заключена в диапазоне от 50 до 120 кэВ. Тогда из отмеченных четырех
процессов
возможны
только
первые
три:
фотоэффект,
когерентное
и
некогерентное рассеяние. Вероятность каждого из процессов определяется
величиной
сечения
взаимодействия,
распространения и энергии квантов.
зависящего
от
свойств
среды
32
В качестве материала фантома был выбран фторопласт-4 (C2F4). Расчет
сечений взаимодействия осуществлялся по табулированным данным, полученным
с помощью программы XCOM [69]. Эмпирические формулы подбирались в виде
полиномов степени k
f ( E ) a0 E k a1 E k 1 ak 1 E ak ,
(2.2)
в наименьшей степени уклоняющихся от табулированных данных.
Рисунок 2.2 – Сечения ослабления ( E) ( E) ( E) , рассеяния (E ) и
поглощения (E )
в зависимости от энергии квантов, рассчитанные для
фторопласта
Согласно рисунку 2.2 в исследуемом диапазоне энергий процессы
фотопоглощения и рассеяния являются «конкурирующими»: на малых энергиях
преобладает
поглощение,
а
на
больших
-
рассеяние.
Фотопоглощение
сопровождается выбросом фотоэлектрона и генерацией флуоресцентного фотона
или выбросом Оже - электрона. Однако для фторопласта, чей эффективный
атомный номер Z эфф 6,9 , флуоресцентный выход менее 0,5%. Пробеги фото и
Оже – электронов пренебрежимо малы в сравнении с линейными размерами
фантома. Поэтому можно считать, что фотопоглощение происходит в точке, не
33
сопровождается вторичными процессами и приводит к выбыванию квантов
излучения из падающего пучка.
Рассеяние квантов может идти по двум каналам: путем когерентного и
некогерентного
рассеяний.
Вероятность
каждого
процесса
определяется
соответствующим сечением рассеяния. В случае когерентного рассеяния энергия
кванта не меняется, а в случае некогерентного рассеяния рассчитывается по
формуле [67]
E
E
,
1 1 cos
(2.3)
где E – энергия первичного фотона; - угол вылета рассеянного фотона в системе
центра инерции;
E
. Углы вылета рассеянных фотонов можно определить
me c 2
исходя из дифференциального сечения рассеяния [67]
d re2
1 cos 2
d 2
(2.4)
при когерентном рассеянии и
d re2
1 cos 2
1 cos 2
1
2
2
d 2 1 1 cos
1 cos 1 1 cos
(2.5)
при некогерентном рассеянии. Здесь re - классический радиус электрона.
2.1.3 Основные допущения, принимаемые при моделировании
Ввиду стохастического характера взаимодействия излучения со средой
расчет соотношения интенсивностей первичного и вторичного излучений можно
выполнить методом имитационного моделирования. Построение математической
модели системы осуществлялось в пакете математического моделирования
MathCAD.
Для расчета спектра излучения рентгеновской трубки с вольфрамовым
анодом использовалась модифицированная формула Крамерса [66, 67]
( E ) 1
E
E max
,
(2.6)
где E max - граничная энергия в спектре излучения, соответствующая заданному
потенциалу анода U .
34
Для аналитического представления спектра были введены поправки,
учитывающие
возбуждение
характеристического
излучения,
поглощение
излучения в материале анода и в материале фильтра
,
здесь (E max) - поправка на возбуждение k линии вольфрама; (E max) поправка на возбуждение k линии вольфрама; Qa(E ) - вероятность поглощения
излучения в материале анода; Qf (E, t_Al) - вероятность поглощения излучения в
материале алюминиевого фильтра.
Модифицированная формула Крамерса записывалась в виде программного
модуля MathCAD
γ χ ( E) :
8.8 108 Z j Emax 1 χα( Emax) Qf ( E, t_Al) Qa( E) if ( Ekα1 0.1) E ( Ekα1 0.1) Emax Uk
E
8.8 108 Z j Emax 1 χβ ( Emax) Qf ( E, t_Al) Qa( E) if ( Ekβ1 0.1) E ( Ekβ1 0.1) Emax Uk
E
otherwise
0 if E < 2
8.8 10 Z j
8
Emax
E
1 Qf ( E, t_Al) Qa( E) otherwise
,
где Z - атомный номер материала анода (вольфрам); j - ток анода; Uk потенциал возбуждения характеристического излучения.
На рисунке 2.3 приведен расчетный спектр излучения вольфрамового анода
при напряжении 120 кВ и суммарной фильтрации 1мм алюминия.
35
Рисунок 2.3 – Спектр излучения рентгеновской трубки с вольфрамовым
анодом, приведенный к максимуму
Расчет координат точек взаимодействия квантов излучения со средой
осуществлялся путем задания случайных координат точки в плоскости (X,Y) и
расчете координаты Z как длины свободного пробега кванта излучения в
материале фантома в направлении оси Z. Очевидно, что в этом случае делается
предположение
об
однородности
рентгеновского
пучка
в
плоскости,
перпендикулярной направлению его распространения. Длина свободного пробега
квантов находилась по формуле [70]
L( , E )
1
ln rnd ( ) ,
(E)
(2.7)
где - случайное число в интервале от 0 до 1, - плотность материала фантома,
(г/см3).
В реальной системе используются сцинтилляционные рентгеновские
детекторы, обладающие высокой квантовой эффективностью регистрации. При
разработке модели учитывались эффективности регистрации детекторов прямого
и рассеянного излучений во всем диапазоне энергий. Была рассчитана
эффективная
площадь
детекторов
и
введен
поправочный
коэффициент,
учитывающий геометрию системы при расчете отношения сигналов детекторов.
Величина поправочного коэффициента составила 0,125.
36
Расчет углов вылета рассеянных фотонов осуществлялся с помощью
программных
модулей,
возвращающих
углы
вылета,
заданные
дифференциальным сечением рассеяния. В случае некогерентного рассеяния
использовался модуль G( )
G( ) : 1
while TOL
rnd ( )
rnd ( )
if
2
( 1 cos ( ) )
1
2
2
2
1 cos ( ) [ 1 ( 1 cos ( ) ) ]
[ 1 ( 1 cos ( ) ) ]
1
1 cos ( )
2
break
,
а в случае когерентного рассеяния – модуль
: 1
while TOL
rnd ( )
rnd ( )
if
1
2
1 cos ( )
2
break
.
При расчете координат вылета квантов излучения из фантома область
фантома описывалась тремя граничными поверхностями: верхнее основание
Z 0 , нижнее основание Z h , боковая поверхность X 2 Y 2 R 2 . Если квант
излучения пересекает боковую поверхность фантома, то он вносит вклад для
сигналов детекторов рассеянного излучения D2. Если квант пересекает нижнее
основание, то он попадает в детекторы D1. Квант, покинувший фантом через
верхнее основание, выбывает из системы.
Формирование массива энергий квантов, соответствующих условиям
возбуждения излучения, выполнялось с помощью модуля Etbf ( E max, t _ Al )
37
Etbf( Emax, t_Al ) : Ef
1
i0
n
while i < 1 10
x
while TOL
rnd ( )
break if 0
y rnd ( )
E ( Emax 1) x 1
I Emaxy
if I
Emax
E
1 ( Qf ( E, t_Al) )
X E
i
ii 1
X
X
.
Для обеспечения приемлемой статистики расчета формировался массив,
содержащий 106 значений энергий квантов. Пример распределения для анодного
напряжения 120 кВ и суммарной фильтрации 1 мм алюминия приведен на
рисунке 2.4.
H : histogram( 30, Etbf( 120, 0.1) )
v : max( H)
3
810
3
610
1
H
3
410
3
210
0
50
100
150
0
H
Рисунок 2.4 – Дискретное представление тормозного спектра
Исходя
из
физики
процессов,
протекающих
при
взаимодействии
рентгеновских квантов в объеме фантома и основных допущениях, сделанных
выше, была предложена блок-схема алгоритма работы программы имитационного
моделирования (рисунок 2.5). Полный листинг программы представлен в
приложении А. Свидетельство о регистрации программы – в приложении Б.
38
Начало
Задание
входных
параметров
Вычисление
сечений
взаимодействия
Формирование
массива энергий
квантов (спектр)
Расчет длины
свободного
пробега i-го
кванта (li)
i=i+1
нет
Выбор энергии
i-го кванта
нет
да
i<105
да
li >h
нет
Фотопоглощени
е
да
Запись энергии
кванта
в массив D1
Определение
координат точки
рассеяния
нет
да
Когерентное
рассеяние
Расчет энергии
рассеянного
кванта
Вычисление углов
вылета
Расчет длины
свободного
пробега
нет
да
Вылет через Sбок.
нет
Вычисление КПР
да
Вылет через Sосн.h
Запись энергии
кванта
в массив D1
КПР
нет
Запись энергии
кванта
в массив D2
да
Вылет через Sосн.0
Конец
Рисунок 2.5 – Блок-схема алгоритма работы программы имитационного
моделирования
39
2.2 Программа имитационного моделирования
Расчет спектров пропускания и поглощения выполнялся с помощью модуля,
приведенного на рисунке 2.6
while i < length ( Etb)
1
Обращение к функции расчета длины свободного
пробега квантов в материале фантома
E Etb
i
l L( , E)
i
if l h
Формирование массива энергий квантов, покидающих
фантом без взаимодействия
i
E_out Etb
j
i
jj1
otherwise
if rnd ( ) <
( E)
( E)
Формирование массива энергий квантов, рассеянных в
объеме фантома
E_in Etb
k
i
Z_in l
k
i
kk 1
1
Формирование массива координат точек рассеяния вдоль
оси Z
ii 1
Рисунок 2.6 - Модуль расчета спектра вылета в направлении первичного
пучка и спектра поглощения в объеме фантома
Суть работы модуля сводится к последовательной выборке энергий квантов
из массива Etb , расчету длины пробега квантов в зависимости от их энергии и
проверке условия вылета за пределы фантома. Если длина пробега больше h , то
текущее значение энергии вносится в массив энергий вылета. Если длина пробега
меньше h , то произошло либо фотоэлектрическое поглощение, либо рассеяние.
Вероятность
взаимодействия
текущего
события
определяется
отношением
сечений
(E)
. Если произошло рассеяние, то запоминается энергия и
(E)
координата рассеянного фотона. Таким образом формируется спектр энергий
квантов, рассеянных в объеме фантома.
Расчет координат точек отдельных актов рассеяния и поглощения
осуществлялся с помощью программного модуля, показанного на рисунке 2.7.
40
while m < length ( E_in)
1 1
2 1
sh1 rnd ( 1 )
sh2 rnd ( 2 )
X0
m
Генерация случайных координат точки события в
плоскости (X,Y)
R sh1 cos ( 2 sh2 )
Y0 R sh1 sin ( 2 sh2 )
m
Z0 Z_in
m
m
P2 Vt X0 , Y0 , Z0 , E_in
X
m
m
m
m
m
Обращение к внешнему модулю расчета координат
вторичных событий
P2
0
Y P2
m
Z
m
1
P2
Формирование вектора, определяющего направление
вылета и энергию рассеянного кванта
2
E P2
m
3
X00 P2
m
4
Y00 P2
m
5
Z00 P2
m
6
E00 P2
m
7
m m 1
Рисунок 2.7 - Модуль расчета координат событий
Суть работы модуля расчета координат событий сводится к выбору
случайных координат в плоскости (X,Y), задающих начальную точку для расчета
процесса многократного рассеяния квантов излучения. При этом координата Z
задана значением, выбранным из массива, сформированного ранее. Далее идет
обращение к внешнему модулю, с помощью которого рассчитывается дальнейшая
судьба рассеянного фотона. Внешний модуль возвращает координаты точки
вылета кванта, его энергию и координаты точки последнего взаимодействия.
Таким образом фактически задается вектор в пространстве. Причем начало этого
вектора лежит внутри фантома, а его конец – за пределами объема фантома.
Модуль определения поверхности, через которую вылетел рассеянный
фотон, представлен на рисунке 2.8.
41
while p < length ( Z)
h Z00
A X00
p
X X00
Z Z00
p
p
h Z00
p
B Y00
Y Y00
p
p
p Zp Z00p p
0 Z00
p
A0 X00
X X00
p
p
p Zp Z00p p
0
Z00
p
B0 Y00
Y Y00
p
p
p Zp Z00p p
2
2
2
if Z h A B < R
p
p
p
p
p
p
Ed1 E
f
p
Определения координат
пересечения поверхностей Z=0 или
Z=h рассеянным фотоном
Формирование массива энергий
квантов, рассеянных в направлении
детекторов Д1
p
ff1
p 2 Yp 2 R2 0 < Zp < h
if X
Ed2h0 E
r
p
rr 1
p Bp
if Z h A
p
2
2
R
2
Ed2h E
Формирование массива энергий
квантов, рассеянных в направлении
детекторов Д2
p
1
p 2 B0p 2 R2
if Z < 0 A0
p
Ed20 E
p
1
pp1
Рисунок 2.8 – Модуль определения поверхности вылета рассеянного фотона
Суть работы последнего модуля сводится к определению поверхности,
через которую вылетел рассеянный фотон, и к формированию массивов энергий
квантов, рассеянных в направлении детекторов D1 или детекторов D2. Расчет
коэффициента приведенного рассеяния с помощью модуля представлен на
рисунке 2.9.
42
Рисунок 2.9 – Модуль расчета коэффициента приведенного рассеяния
2.3 Результаты имитационного моделирования
2.3.1
Влияние
анодного
напряжения
и
фильтрации
на
величину
коэффициентов приведенного рассеяния
Графики зависимостей коэффициента приведенного рассеяния от анодного
напряжения для фторопластового цилиндрического фантома, рассчитанные для
нескольких значений дополнительной фильтрации, приведены на рисунке 2.10
(высота фантома при расчете составляла 4 см, диаметр 2 см, плотность материала
фантома 2,15 г/см3).
КПР
2,2 мм
4 мм
0,33
5,8 мм
7,6 мм
0,26
`
0,19
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 2.10 – Характер изменения коэффициента приведенного рассеяния
в зависимости от анодного напряжения при различных значениях суммарной
фильтрации
43
Зависимость КПР от напряжения хорошо описывается полиномиальной
функцией второго порядка. Данные зависимости можно использовать в качестве
калибровочных для решения обратной задачи нахождения потенциала анода по
измеренному значению КПР.
Видно, что при меньших напряжениях изменение фильтрации излучения
приводит к большим изменениям КПР. Причем результаты расчетов показывают,
что при заданном напряжении КПР квазилинейно зависит от фильтрации
(рисунок 2.11).
КПР
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110кВ
0,4
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120кВ
0,33
0,26
0,19
1
3
5
7
9
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.11 - Расчетные зависимости коэффициента приведенного
рассеяния от суммарной фильтрации при различных значениях анодного
напряжения
При решении задачи контроля параметров рентгеновских аппаратов
неизвестными являются и анодное напряжение, и суммарная фильтрация пучка.
Очевидно, что в этом случае калибровочная характеристика может быть
представлена поверхностью, отражающей зависимость КПР от двух параметров
одновременно. Тогда для определения напряжения и суммарной фильтрации
задача должна быть доопределена путем повторного измерения КПР с
добавочным фильтром заданной толщины.
44
2.3.2 Влияние размеров фантома на величину коэффициентов приведенного
рассеяния
В результате моделирования были получены зависимости КПР от
приложенного анодного напряжения и величины суммарной эквивалентной
фильтрации при различных значениях высоты (h) и радиусах (R) исследуемого
фантома.
Рисунки 2.12-2.17 иллюстрируют результаты моделирования при различных
высотах и неизменном радиусе фантомов, а рисунки 2.18-2.20 иллюстрируют
результаты моделирования при различных радиусах и неизменной
высоте
фантомов.
КПР
2.2 мм
4 мм
5,8 мм
7,6 см
0,007
0,0065
0,006
0,0055
0,005
40
50
60
70
80
90
100 110 120
Анодное напряжение, кВ
КПР
0,007
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110кВ
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120кВ
6
8
а
0,0065
0,006
0,0055
0,005
0
2
4
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.12 – Изменение
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте фантома h = 0,5см и радиусе R = 1см
45
Согласно рисунку 2.12 абсолютные значения КПР очень малы, а их
изменения лежат в пределах погрешности расчетов. При увеличении высоты
фантома КПР растет и появляется общий тренд зависимости КПР от условий
съемки (рисунок 2.13).
КПР
2.2 мм
0,022
4 мм
5.8 мм
0,0205
7.6 мм
0,019
0,0175
0,016
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
КПР
0,0235
0,022
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110 кВ
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120 кВ
6
8
а
0,0205
0,019
0,0175
0,016
0
2
4
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.13 – Изменение
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте фантома h = 1см и радиусе R = 1см
46
Дальнейшее увеличение высоты фантома приводит к росту КПР по
абсолютной величине, и зависимость КПР от условий съемки становится явно
выраженной (рисунок 2.14).
2.2 мм
4 мм
5,8 мм
7,6 см
КПР
0,08
0,07
0,06
0,05
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Анодное напряжение, кВ
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110кВ
КПР
0,09
0,08
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120кВ
0,07
0,06
0,05
1
3
5
7
9
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.14 – Изменение
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте h = 2 см и радиусе R = 1 см
Согласно рисунку 2.15 при высоте фантома равной 3 см четко проявляется
характер изменения КПР при изменении параметров съемки. При дальнейшем
увеличении h увеличивается абсолютное значение КПР. Зависимость становится
47
более выраженной, однако рост h приводит к потери чувствительности на
участке 100 - 120 кВ (рисунки 2.16 и 2.17).
КПР
0,19
2.2 мм
4 мм
0,17
5,8 мм
7,6 см
0,15
0,13
0,11
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Анодное напряжение, кВ
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110кВ
КПР0,21
0,19
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120кВ
0,17
0,15
0,13
0,11
1
3
Рисунок 2.15 – Изменение
5
7
9
Суммарная фильтрация, мм
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте h = 3см и радиусе R = 1см
48
2.2 мм
КПР
0,37
4 мм
5.8 мм
0,32
7.6 мм
0,27
0,22
0,17
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110 кВ
КПР
0,45
0,4
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120 кВ
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
1
3
Рисунок 2.16 – Изменение
5
7
9
Суммарная фильтрация, мм
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте h = 4см и радиусе R = 1см
49
КПР
2.2 мм
4 мм
5.8 мм
7.6 мм
0,39
0,32
0,25
0,18
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
КПР
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110кВ
0,39
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120кВ
0,32
0,25
0,18
1
3
5
7
9
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.17 – Изменение
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте h = 5см и радиусе R = 1см
Согласно рисункам 2.18 и 2.19 рост радиуса фантома приводит к
уменьшению абсолютного значения КПР.
50
2.2 мм
КПР
4 мм
5.8 мм
7.6 мм
0,21
0,18
0,15
0,12
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Анодное напряжение, кВ
50 кВ
60 кВ
0,24
70 кВ
80 кВ
0,22
90 кВ
100 кВ
110 кВ
120 кВ
КПР
0,2
а
0,18
0,16
0,14
0,12
1
2
3
4
5
6
7
8
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.18 – Изменение
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте h = 4см и радиусе R = 2см
51
0,15
2.2 мм
4 мм
0,135
5,8 мм
7,6 см
КПР
0,12
0,105
0,09
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Анодное напряжение, кВ
КПР
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110кВ
0,15
0,135
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120кВ
0,12
0,105
0,09
1
3
5
7
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.19 – Изменение
9
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте h = 4см и радиусе R = 3см
Выбор оптимальных геометрических размеров фантома осуществляется по
величине градиента КПР в области эффективной работы киловольтметра по
формуле
КПРUUmin КПРUUmax
,
U max U min
(2.8)
52
где Umax, Umin – граничные значения напряжений, определяющие диапазон работы
киловольтметра. Согласно расчетам, выполненным в диапазоне 50 -110 кВ,
оптимальное значение достигается при h/R, равном 4/1.
КПР
0,11
2,2 мм
4 мм
0,095
5,8 мм
7,6 мм
0,08
0,065
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Анодное напряжение, кВ
50 кВ
70 кВ
90 кВ
110 кВ
КПР
0,11
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120 кВ
0,095
0,08
0,065
1
2
3
4
5
6
7
8
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.20 – Изменение
б
коэффициентов приведѐнного рассеяния в
зависимости от приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации
(б) при высоте h = 4 см и радиусе R = 4 см
Исследование влияния форм-фактора на результаты измерений показало,
что уменьшение высоты фантома h при неизменном радиусе R приводит к
уменьшению абсолютного значения КПР и снижению чувствительности системы
(рисунок 2.21).Увеличение высоты фантома при постоянном радиусе до величины
53
4 см дает положительный эффект, при дальнейшем росте высоты фантома
зависимости КПР от анодного напряжения существенно не меняются.
КПР
0,4
h=1см
h=1,5cм
h=2 см
h= 3cм
h=4 см
h=5 см
0,32
0,24
0,16
0,08
0
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 2.21 – Расчетные зависимости КПР от анодного напряжения при
различных значениях высоты фторопластового фантома (суммарная фильтрация
2,2 мм алюминия, радиус фантома 1 см)
При фиксированной высоте фантома чувствительность системы растет при
уменьшении радиуса фантома
и достигает своего максимума при значении
радиуса равного 1 см (рисунок 2.22).
R=1см
R=2 см
R= 3cм
R=4 см
КПР
0,4
0,32
0,24
0,16
0,08
0
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 2.22 – Расчетные зависимости КПР от анодного напряжения при
различных значениях радиуса фторопластового фантома (суммарная фильтрация
2,2 мм алюминия, высота фантома 4см)
54
2.3.3 Характер спектров ослабленного и рассеянного излучений
Помимо значений КПР в результате моделирования были также получены
спектры ослабленного и рассеянного излучений, воздействующих на детекторы
D1 и D2 . Расчетные спектры излучения рентгеновской трубки на 120 кВ при
толщине фильтра 2 мм нормировались по максимумам и отображены на рисунках
2.23-2.30. На диаграммах по оси OY откладывались приведенные величины
сигналов детекторов D1/D1max, D2/D2max.
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
1
D2
1
max D2
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.23 – Входные спектры при 120 кВ (h = 2 см, R=1cм)
Видно, что спектры ослабленного D1 и рассеянного D2 излучения смещены
в максимумах. При этом спектр D2 является более однородным, если степень
однородности
характеризовать
величиной
полной
ширины
спектра
на
полувысоте.
Согласно рисунку 2.24 при уменьшении высоты фантома максимумы
спектральных распределений сходятся.
55
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
1
D2
1
max D2
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.24 – Входные спектры при 120 кВ (h = 1 см, R=1cм)
При дальнейшем уменьшении высоты фантома спектры ослабленного и
рассеянного излучения становятся все менее различимы (рисунок 2.25).
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
1
D2
1
max D2
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.25 – Входные спектры при 120 кВ (h = 0,5 см, R=1cм)
Согласно рисунку 2.26 при малых значениях h в спектре рассеянного
излучения наблюдается значительный разброс, что говорит о недостаточности
статистики расчета.
56
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
1
D2
1
max D2
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.26 – Входные спектры при 120 кВ (h = 0,35 см, R=1cм)
Уменьшение радиусов фантомов при неизменной высоте приводит к четко
выраженному смещению в спектрах ослабленного и рассеянного излучений
(рисунки 2.27-2.29). Причем при больших значениях радиуса R вылет рассеянных
фотонов
осуществляется
из
ограниченной
пространственной
области,
прилегающей к боковой поверхности цилиндра, и при достижении R=4 см его
дальнейшее увеличение не имеет смысла.
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.27– Входные спектры при 120 кВ (R = 4 см, , h= 4 cм)
1
D2
1
max D2
57
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
1
D2
1
max D2
1
D2
1
max D2
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.28 – Входные спектры при 120 кВ (R = 2 см, , h= 4 cм )
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.29 – Входные спектры при 120 кВ (R = 0,5 см, h= 4 cм)
Спектры ослабленного и рассеянного излучений при оптимальном
соотношение равном 4/1 приведены на рисунке 2.30.
58
1
0.8
0.8
0.6
1
D1
1
max D1
0.4
0.6
0.2
0.2
0.4
0
50
100
1
D2
1
max D2
150
0
0
D1 , D2
Рисунок 2.30 – Входные спектры при 120 кВ (h = 4 см, R = 1 см)
Результаты моделирования показывают, что цилиндрический фантом
является наиболее оптимальным по своей геометрии для определения значений
коэффициента приведѐнного рассеяния. Коэффициент приведенного рассеяния
может служить критерием для оценки условий генерации тормозного излучения.
2.3.4 Влияние вещества фантома на величину коэффициентов приведенного
рассеяния
На следующем этапе исследования с использованием имитационной модели
устанавливалась
зависимость
коэффициента
приведенного
рассеяния
от
эффективного атомного номера вещества фантома.
Целью
исследования
являлось
выявление
возможности
расширения
диапазона измеряемых значений анодных напряжений за счет изменения
материала
фантома.
Методом
имитационного
моделирования
рассчитаны
зависимости КПР от анодного напряжения при заданных условиях возбуждения
излучения и параметрах фантомов, выполненных из разных материалов (таблица
2.1).
59
Таблица 2.1 Свойства материалов и параметры фантома, использованные при
расчетах КПР
Материал
фантома
Химический
символ или
Zэфф.
Плотность,
Высота,
г/см3
см/радиус, см
формула
Графит
C
6
2,08
Фторопласт
C2F4
6,9
2,15
Селенит
CaSO4
15,0
2,30
Рутил
TiO2
18,6
4,20
Ляпис
AgNO3
40,4
4,40
При
вычислениях
учитывались
вторичные
4/1
процессы
рассеяния
и
поглощения квантов излучения в материале фантома. Выходные сигналы
рассчитывались по числу поглощенных квантов с учетом эффективности
регистрации, определяемой рабочим веществом CsI - детекторов (таблица 2.2).
Таблица 2.2 Свойства материала и параметры детекторов, использованные при
расчетах КПР
Материал
детектора
Химический
символ или
формула
Zэфф.
Плотность,
г/см3
Толщина
кристалла в
направлении
просвечивания,
см
Йодистый
цезий
CsI
54,1
4,51
0,23
Влияние фильтрации излучения, выраженной в алюминиевом эквиваленте,
на величину КПР в диапазоне анодных напряжений и влияние анодного
напряжения иллюстрируются рисунками 2.31 – 2.35
60
2,2 мм
КПР
0,4
4 мм
5,8 мм
0,35
7,6 мм
0,3
0,25
0,2
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160
Анодное напряжение, кВ
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120 кВ
140 кВ
КПР
0,4
0,35
0,3
160 кВ
0,25
0,2
2
4
6
8
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.31 – Зависимости коэффициента приведѐнного
б
рассеяния от
приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации (б) при высоте
h = 4 см и радиусе R = 1 см фантома из фторопласта (С2F4)
Отметим, что при толщине фильтра равной 7,6 мм на результаты расчета
влияет низкая статистика, обусловленная значительным ослаблением пучка в
материале фильтра. Аналогичный эффект наблюдается и при напряжении 60 кВ,
здесь
статистика
расчета
способности излучения.
уменьшается
при
уменьшении
проникающей
61
КПР 0,3
2,2 мм
0,28
5,8 мм
0,26
7,6 мм
4 мм
0,24
0,22
0,2
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160
Анодное напряжение, кВ
а
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120 кВ
140 кВ
КПР
0,29
0,27
0,25
160 кВ
0,23
0,21
0,19
2
4
6
8
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.32 – Зависимости коэффициента приведѐнного
б
рассеяния от
приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации (б) при высоте
h = 4 см и радиусе R = 1 см фантома из графита (С)
Применение в качестве материала фантома графита
приводит к
уменьшению абсолютных значений КПР. Характер получаемых зависимостей в
целом не меняется.
62
КПР 0,8
2,2 мм
0,7
5,8 мм
0,6
7,6 мм
4 мм
0,5
0,4
0,3
0,2
70
90
110
130
150
170
Анодное напряжение, кВ
а
80 кВ
100 кВ
120 кВ
140 кВ
160 кВ
180 кВ
КПР
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
2
4
6
8
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.33 – Зависимости коэффициента приведѐнного
б
рассеяния от
приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации (б) при высоте
h = 4 см и радиусе R = 1 см фантома из селенита (СaSO4)
При использовании в качестве материала фантома селенита абсолютное
значение КПР также возрастает. Однако уменьшается влияние суммарной
фильтрации излучения вследствие повышения абсорбционной способности
материала (рисунок 2.33).
63
2,2 мм
4 мм
5,8мм
7,6 мм
КПР
3,1
2,1
1,1
0,1
80
100
120
140
160
180
200
Анодное напряжение, кВ
а
100 кВ
КПР
3,5
120кВ
3
140 кВ
2,5
160 кВ
2
180 кВ
1,5
200 кВ
1
0,5
2
4
6
8
Суммарная фильтрация, мм
б
Рисунок 2.34 – Зависимости коэффициента приведѐнного
рассеяния от
приложенного анодного напряжения (а) и от суммарной фильтрации (б) при
высоте h = 4 см и радиусе R = 1 см фантома из рутила (TiO2)
Согласно рисунку 2.34 применение в качестве материала фантома рутила
приводит к росту абсолютных значений КПР, но зависимость от фильтрации
теряется. Аналогичные результаты получаются и при применении ляписа.
64
КПР
2,2 мм
4 мм
5,8 мм
7,6 мм
5,2
4,2
3,2
2,2
1,2
0,2
195
215
235
255
275
295
Анодное напряжение, кВ
а
200 кВ
КПР 6
220 кВ
5
240 кВ
4
260 кВ
3
280 кВ
2
300 кВ
1
0
2
4
6
8
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 2.35 – Зависимости коэффициента приведѐнного
б
рассеяния от
приложенного анодного напряжения (а) и суммарной фильтрации (б) при высоте
h = 4 см и радиусе R = 1 см фантома из ляписа (Ag NO3)
Расчеты показали, что для фантомов из материалов с малым Zэфф.
наблюдается квазилинейное уменьшение КПР с ростом фильтрации излучения.
По мере увеличения эффективной энергии рентгеновского пучка при повышении
анодного напряжения зависимость становится менее выраженной. В случае
материалов с относительно большим Zэфф. (Zэфф.> ZAl) в диапазоне эффективной
работы фантомов КПР практически не зависит от величины суммарной
фильтрации излучения, выраженной в алюминиевом эквиваленте.
65
На рисунке 2.36 приведены зависимости КПР от анодного напряжения,
рассчитанные для цилиндрических фантомов, выполненных из материалов,
представленных в таблице 2.1. Расчет осуществлялся при суммарной фильтрации
КПР, отн. ед.
излучения 2,2 мм алюминия.
0,80
Графит
0,70
Фторопласт
Селенит
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
20
50
80
110
140
170
КПР, отн. ед.
Анодное напряжение, кВ
10,00
9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
Рутил
Ляпис
0
100
200
300
400
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 2.36. Зависимости КПР от анодного напряжения, рассчитанные для
фантомов из материалов с разными Zэфф.
66
Видно, что с увеличением эффективного атомного номера абсолютные
значения КПР возрастают. Рост КПР обусловлен повышением абсорбционной
способности материала фантома и, как следствие, уменьшением интенсивности
ослабленного пучка. Тот же фактор определяет и увеличение статистической
погрешности расчетов.
Для того чтобы сопоставить полученные зависимости между собой,
результаты расчетов были приведены к максимуму и отложены на одной
КПР/КПРmax, отн. ед.
диаграмме (рисунок 2.37).
Графит
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Фторопласт
Селенит
Рутил
Ляпис
0
50
100
150
200
250
300
Анодное напряжение, кВ
Рис. 2.37 Зависимости КПР от анодного напряжения, приведенные к
максимуму
Для каждого материала можно выделить эффективный диапазон работы по
напряжению. Так, фторопласт и графит обеспечат наибольшую чувствительность
прибора в диапазоне от 40 до 100 кВ, селенит и рутил можно применять в
диапазоне 100 - 200 кВ, а ляпис можно использовать в диапазоне 200 - 300 кВ.
Таким образом, подбором материалов можно расширить диапазон работы
радиационного киловольтметра, построенного по схеме с рассеивающим
фантомом.
По результатам расчетов для графита, фторопласта, селенита и рутила при
постоянном значении анодного напряжения 100 кВ и суммарной фильтрации 2,2
67
мм Al был построен график зависимости КПР от эффективного атомного номера
вещества фантома (рисунок 2.38), показывающий общий возрастающий тренд
КПР с увеличением эффективного атомного номера вещества.
КПР, отн. ед.
10,00
1,00
0
5
10
15
20
0,10
Zэфф.
Рисунок 2.38 – Зависимость КПР от эффективного атомного номера
вещества, из которого сделан фантом при анодном напряжении 100 кВ и
суммарной фильтрации 2,2 мм Al
На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:
- применение КПР в качестве критерия определения напряжения на аноде
рентгеновской трубки по генерируемому излучению обеспечивает максимальную
чувствительность в диапазоне напряжений от 50 до 100 кВ при использовании
фторопластового образца цилиндрической формы с форм-фактором
- для
h 4
;
R 1
расширения эффективного диапазона работы радиационного
киловольтметра до 300 кВ необходимо применять фантомы из веществ с более
высоким эффективным атомным номером;
- на практике выбор материалов необходимо осуществлять исходя из
соображений доступности и возможности изготовления фантома заданной формы
и размеров. При этом плотность материалов не должна быть большой, иначе
прозрачность фантома будет низкой, возрастут абсолютные значения КПР и
статистическая погрешность результатов.
68
ГЛАВА
3.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕТОДА КОЭФИЦИЕНТОВ ПРИВЕДЕННОГО РАССЕЯНИЯ
В третьей главе представлено описание РК и экспериментального стенда
для отработки
метода измерения напряжения генерирования тормозного
рентгеновского излучения с использованием рассеивающего фантома. Приведены
результаты испытаний. Получены зависимости коэффициентов приведенного
рассеяния от анодного напряжения и суммарной фильтрации. Проведена оценка
влияния условий съемки (фокусное расстояние, анодный ток трубки, время
экспозиции, расположение добавочных фильтров) на результаты измерений.
Показана возможность измерения анодного напряжения и выявлены условия, при
которых обеспечивается достаточная точность измерений при наибольшей
чувствительности к измеряемым параметрам.
3.1 Описание экспериментального стенда
Испытания
макета
специализированной
радиационного
лаборатории
ЗАО
киловольтметра
«Уралрентген»,
проводились
в
оборудованной
средствами радиационной защиты и дозиметрическими приборами. Структурная
схема экспериментального стенда изображена на рисунке 3.1.
В качестве источника рентгеновского излучения применялся рентгеновский
аппарат 12Л7-УР моноблочного типа с высокочастотным питающим устройством
(100 кГц), позволяющим изменять значения анодного напряжения с шагом 1 кВ в
диапазоне от 40 до 100 кВ при анодных токах от 5 до 45 мА.
Общая
фильтрация
источника
рентгеновского
излучения
включала
эквивалентную фильтрацию рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом 0,5
мм Al, фильтрацию выходного окна моноблока и фильтрацию коллиматора 1,5 мм
Al и соответствовала величине 2,2 мм в алюминиевом эквиваленте [71].
Ограничение
рентгеновского
пучка
осуществлялось
штатным
коллиматором излучателя и дополнительным коллиматором, установленным
69
непосредственно перед фантомом, что исключало попадание первичного пучка на
боковые детекторы.
Аналоговые
ключи
Усилитель
Фронтальные
детекторы
Фантом
Коллиматор
Фильтр
Коллиматор
Излучатель
Блок регистрации
Боковые
детекторы
Источник высокого
напряжения
Блок питания
БП
ДС
Пульт управления
ПК
АЦП
USB
Рисунок 3.1 – Структурная схема экспериментального стенда
Конструктивно
макет
блока
регистрации
(БР)
состоит
из
блока
преобразования (БП) и детекторной секции (ДС), включающей цилиндрический
фторопластовый фантом, окруженный фронтальными и боковыми детекторами.
Выбор материала и геометрии фантома осуществлялся исходя из требования
обеспечения наибольшей чувствительности в заданном диапазоне напряжений.
Согласно результатам имитационного моделирования, выполненного с помощью
программного модуля [14], при использовании фторопласта-4 высота фантома
должна соотноситься с его радиусом как h R 4 1 .
На начальной стадии исследований ДС была выполнена в двух исполнениях
с фантомом цилиндрической формы и c фантомом в виде прямоугольной
пластины. Расположение детекторов относительно фантома для различных
конструкций детекторных
секций представлено на рисунке 3.2. Результаты
измерений с прямоугольной пластиной подтвердили выводы, полученные при
моделировании.
При
малых
h
изменения
КПР
малы
и
использование пластины прямоугольной формы не целесообразно.
практическое
70
42
3,5
Боковые
детекторы
42
5
20
Фронтальные
детекторы
а)
Фантом
42
б)
Рисунок 3.2 – Конструкции ДС: а) с цилиндрическим фантомом, б) с
фантомом в форме прямоугольной пластины
В качестве приемника - преобразователя первичного и вторичного потоков
излучения был выбран детектор OSM9714-6 типа сцинтиллятор-фотодиод.
Внешний вид детектора изображен на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 - Детектор рентгеновского излучения
Детектор представляет собой кремниевый фотодиод со сцинтиллятором. В
качестве сцинтиллятора используется кристалл CsI. Данный тип детекторов
может применяться в широком диапазоне энергий квантов рентгеновского
излучения. При этом на энергии 100 кэВ линейный коэффициент поглощения
составляет 10 см-1. Время высвечивания сцинтиллятора составляет 1 мкс.
Приведенная интенсивность после свечения через 100 мс – не более 0,3% [72].
Функциональная схема макета БР приведена на рисунке 3.4.
71
R1
C1
DA1
VD 1
РАЗЪЕМ
DA 9
R8
C8
DA 8
VD 8
DA 16
Рисунок 3.4 – Функциональная схема макета блока регистрации
Под
воздействием
излучения
детекторы
VD1-VD8
формируют
электрические импульсы, поступающие на входы операционных усилителей DA1DA8. На выходах усилителей возникают импульсы отрицательной полярности с
амплитудой,
пропорциональной
интегральной
интенсивности
падающего
излучения за одну экспозицию. В блоке преобразования (БП) аналоговые сигналы
усиливаются и посредством ключей транслируются на вход восьмиканального
аналого-цифрового преобразователя, работающего на связи с персональным
компьютером (ПК).
Конструктивно
макет
БР
выполнен
в
виде
единого
модуля,
обеспечивающего радиационную защиту электроники. Чувствительная область
обозначена мишенью, размещенной на корпусе прибора.
Внешний вид макета БР иллюстрируется рисунком 3.5.
72
Рисунок 3.5 – Макет блока регистрации
Первичный массив данных формировался в программном модуле «ADC» в
виде текстового файла со значениями напряжений по каждому из детекторных
каналов. Программное обеспечение «ADC 2.3.80.3011» предоставлено компанией
«Аурис» совместно с АЦП В-480 [73, 74].
Внешний вид окна программы представлен на рисунке 3.6. С помощью
интерфейса программы осуществляется управление АЦП и регистрация сигналов
с длительностью, равной длительности рентгеновского снимка. В программе
непосредственно отображались сигналы с детекторов во временной области.
Рисунок 3.6 – Окно программы ADC
73
Последующая обработка массива данных производилась средствами
математического пакета MathCAD. В среде MathCAD формировались временные
диаграммы сигналов с каждого из детекторов, по которым определялось их
среднее значение за время экспозиции. Затем, с помощью программы обработчика
первичных импульсов, рассчитывались коэффициенты приведенного рассеяния
как отношения сигналов боковых и фронтальных детекторов. Листинг программы
формирования импульсов представлен в приложении В.
По полученным данным строились зависимости КПР от заданных
параметров экспозиции.
На рисунках 3.7-3.8 показан характерный вид рентгеновского импульса,
получаемого при заданных режимах экспозиции на этапе регистрации данных с
детекторов.
Рисунок 3.7 – Импульс напряжения, возникающий в результате воздействия
рентгеновского излучения, на выходе первого канала БПП (анодное напряжение
40 кВ, анодный ток 40 мА, длительность импульса 100 мс)
74
Рисунок 3.8 – Импульс напряжения, возникающий в результате воздействия
рентгеновского излучения, на выходе второго канала БПП (а - результат
восстановления импульса в среде MathCAD; б - осциллограмма с контрольной
точки излучателя (2) и с выхода второго канала БП (1))
75
3.2
Результаты
испытаний
радиационного
киловольтметра
с
фантомами из различных материалов
3.2.1 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомом из
фторопласта
Характер изменения КПР в зависимости от анодного напряжения, при
различных значениях дополнительной фильтрации и неизменных фокусном
расстоянии и анодном токе, иллюстрируется рисунком 3.9. Полученные кривые
хорошо описываются полиномиальной функцией второго порядка. Согласно
рисунку, c увеличением анодного напряжения КПР сначала быстро уменьшается
и затем на границе диапазона выходит на плато. Таким образом, для
используемого
в
исследовании
фантома
существует
ограничение
по
чувствительности со стороны больших анодных напряжений.
2,2 мм Al
4,0 мм Al
5,8 мм Al
КПР
0,31
7,6 мм Al
9,4 мм Al
0,29
0,27
0,25
0,23
0,21
45
55
65
75
85
95
105
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 3.9 – Экспериментальные зависимости КПР от анодного
напряжения при разной толщине дополнительного фильтра, на фокусном
расстоянии 80 см
Зависимость КПР от дополнительной фильтрации имеет квазилинейный
характер (рисунок 3.10), причем при увеличении суммарной фильтрации наклон
кривых уменьшается, и чувствительность метода ухудшается.
76
КПР
0,31
50кВ
60кВ
70кВ
80кВ
90кВ
100 кВ
0,29
0,27
0,25
0,23
0,21
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Суммарная фильтрация, мм
Рисунок 3.10 – Экспериментальные зависимости КПР от суммарной
фильтрации при разных анодных напряжениях на фокусном расстоянии 80 см
Зависимости, показанные на рисунках 3.9 и 3.10, получены при размещении
дополнительного
фильтра
в
плоскости
излучателя.
При
размещении
дополнительного фильтра в плоскости входного окна ДС наблюдается
квазилинейный рост КПР с увеличением толщины фильтра, что обусловлено
влиянием вторичного излучения, возбуждаемого в материале фильтра. Последнее
наглядно иллюстрируется рисунком 3.11.
КПР
0,32
0,31
0,30
плоскость ДС
0,29
плоскость коллиматора
0,28
0,27
0,26
2
4
6
8
10
Cуммарная фильтрация, мм
Рисунок 3.11 – Зависимость КПР от дополнительной фильтрации при
различном расположение фильтров относительно плоскостей входного окна ДС и
коллиматора излучателя на фокусном расстоянии 80 см
77
Измерения, выполненные при фиксированных анодных напряжениях и
фильтрации, но для разных фокусных расстояний, выявили, что взаимное
расположение излучателя и ДС оказывает сильное влияние на экспериментальные
результаты.
В качестве примера на рисунке 3.12 представлены данные, полученные при
напряжении 80 кВ и суммарной фильтрации 4 мм Al. Видно, что зависимость
КПР от расстояния можно аппроксимировать линейной функцией, отражающей
преобладающий тренд изменения КПР. Однако в отличие от зависимостей,
приведенных на рисунках 3.9 и 3.10, в данном случае наблюдается значительно
больший разброс экспериментальных данных.
В целом, установлено, что при изменении фокусного расстояния в
диапазоне от 40 до 140 см КПР меняется в среднем на 3,8 %. Следовательно,
влиянием фокусного расстояния пренебречь нельзя. На практике, при реализации
измерительного устройства, фокусное расстояние должно быть фиксированным.
Выбор
оптимального
фокусного
расстояния
определяется
расхождением
рентгеновского пучка и величиной сигналов детекторов.
КПР
0,23
0,225
0,22
0,215
0,21
0,205
35
45
55
65
75
85
95
105 115 125 135 145
Фокусное расстояние, см
Рисунок 3.12 - Зависимость КПР от фокусного расстояния (измерения
выполнены при анодном напряжении 80 кВ, суммарной фильтрации 4 мм Al и
токе анода 30 мА)
Анализ экспериментальных данных показал, что в условиях измерительного
стенда фокусное расстояние должно быть не менее 80 см. Опытным путем
78
установлено, что градиент КПР с увеличением фокусного расстояния сильно
меняется в диапазоне до 60 см и почти не меняется в диапазоне от 60 до 110 см.
Исследование
влияния
длительности
экспозиции
проводилось
при
идентичных уставках анодного напряжения и тока, на различных уставках
количества электричества. В результате установлено, что на значение КПР
длительность экспозиции влияния не оказывает. Разброс экспериментальных
значений КПР в широком диапазоне длительности снимка (от долей секунды до
нескольких
секунд)
значительно
меньше
инструментальной
погрешности
(рисунок 3.13).
КПР
0,249
0,2488
0,2486
0,2484
0,2482
0,248
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Длительность экспозиции, c
Рисунок 3.13 – Зависимость КПР от длительности экспозиции
Для нахождения зависимости КПР от анодного тока условия съемки
оставались неизменными, но менялось значение напряжения на накале
рентгеновской трубки. Было установлено, что вариации тока анода в пределах от
5 мА до 40 мА практически не влияют на величину КПР (рисунок 3.14).
Изменения КПР при этом носят случайный характер и не превышают 0,1 %. На
практике изменения анодных токов можно не учитывать.
79
КПР
0,235
0,232
0,229
0,226
0,223
0,22
5
10
15
20
25
30
35
Ток анода, мА
Рисунок 3.14 - Зависимость КПР от значений анодного тока
3.2.2 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомом из
воды
Для сравнения с результатами моделирования был подготовлен фантом,
содержащий дистиллированную воду в герметичном пластиковом контейнере
цилиндрической формы с соотношением высоты к радиусу основания 4 к 1.
Зависимость КПР от анодного напряжения, полученная при тех же условиях, что
и для фторопластового фантома,
приведена на рисунке 3.15, а рисунок 3.16
иллюстрирует результаты моделирования, полученные для фантома из воды.
2,2 мм
4 мм
5,8 мм
7,6 мм
КПР0,12
0,115
0,11
0,105
0,1
0,095
0,09
0,085
55
65
75
85
95
105
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 3.15 – Экспериментальные зависимости КПР от анодного
напряжения для фантома из воды при разной толщине дополнительного фильтра,
на фокусном расстоянии 80 см
80
КПР
2,2 мм
0,125
3,2 мм
0,115
5,2 мм
0,105
6,2 мм
0,095
0,085
0,075
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 3.16 – Расчетные зависимости КПР от анодного напряжения для
фантома из воды при разной толщине дополнительного фильтра
Видно, что характер экспериментальной зависимости в целом не меняется,
однако абсолютные значения КПР, начиная с 80 кВ, становятся больше по
сравнению с соответствующими расчетными значениями КПР, что обусловлено
возбуждением вторичного излучения в элементах конструкции радиационного
киловольтметра. Для сравнения
приведем на одном рисунке результаты
эксперимента и результаты моделирования при суммарной фильтрации 2,2 мм Al
(рисунок 3.17).
КПР0,14
Расчетные данные (по числу
квантов)
0,13
Экспериментальные данные
0,12
0,11
0,1
0,09
0,08
0,07
45
55
65
75
85
95
105
115
125
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 3.17 Экспериментальные и расчетные зависимости КПР от
анодного напряжения для водного фантома при суммарной фильтрации 2,2 мм Al
81
Если сравнить расчетные данные по таким веществам, как вода, фторопласт,
и графит, то, как видно (рисунок 3.18), величина значений КПР в исследуемом
диапазоне анодных напряжений для водного фантома меньше, чем для
фторопластового и графитового фантомов, хотя эффективные атомные номера
отличаются всего на единицу.
Графит(С)
КПР
0,4
Фторопласт(С2F4)
0,35
0,3
Вода(H2O)
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
40
70
100
130
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 3.18 – Расчетные зависимости КПР от анодного напряжения для
фантома из графита, фторопласта и воды при суммарной фильтрации 2,2 мм Al
Для
объяснения
полученных
зависимостей
рассмотрим
физические
свойства исследуемых веществ, приведенные в таблице 3.1 [75].
Таблица 3.1 - Свойства материалов
Материал
фантома
Вода Н2О
Фторопласт
C2F4
Графит С
Zэфф.
Плотность,,
г/см3
8
1,00
Массовый
коэффициент
ослабления
на энергии
60кэВ, м,
см2/г
0,202
6,9
2,15
0,186
0,399
6
2,08
0,173
0,359
Линейный
коэффициент
ослабления на
энергии 60кэВ,
, см-1
0,202
Вода обладает меньшей плотностью, чем графит и фторопласт и,
следовательно, имеет меньшие массовый и линейный коэффициенты ослабления
(таблица 3.1). Ослабление излучения зависит только от свойств вещества, так как
82
при моделировании и в эксперименте использовались фантомы равной высоты.
КПР для воды окажется меньше за счет увеличения интенсивности ослабленного
излучения по сравнению с интенсивностью рассеянного излучения.
Как показывают результаты экспериментов, применение дистиллированной
воды в качестве вещества фантома для РК не обеспечивает достаточного для
оценивания величины анодного напряжения градиента КПР.
3.2.3 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомом из
селенита
Программа имитационного моделирования позволяет получать значения
КПР как по соотношению количества квантов зарегистрированных детекторами
D2 и D1, так и по соотношению
энергии,
выделенной квантами в
соответствующих детекторах. Ниже приведены экспериментальные результаты в
сравнении с расчетными данными по энергии и количеству квантов.
В данном исследовании источником рентгеновского излучения являлся
рентгенодиагностический комплекс ЦРДК-УР производства ЗАО «Уралрентген»,
с питающим устройством РПУ ВЧ/3 [76], генерирующим высокое напряжение в
диапазоне от 40 до 150 кВ с пульсациями до 7% и значениями токов от 10 до 600
мА. Рентгеновский излучатель без коллиматора имеет суммарную фильтрацию не
более 1 мм Al, размер большого фокусного пятна составляет 1,8 мм. Фокусное
расстояние устанавливалось равным 80 см.
На рисунках 3.19 и 3.20 приведены расчетные и экспериментальные
зависимости КПР от анодного напряжения для фторопласта и селенита
соответственно.
Во
время
эксперимента
контроль
соответствия
уставок
напряжения осуществлялся универсальным дозиметром Piranha (RTI Electronics
AB, Швеция). Отклонения уставок не превышали 5% во всем диапазоне
измерений. Эквивалентная суммарная фильтрация рентгеновского излучателя без
добавочных фильтров составляла 2,2 мм алюминия. Показания прибора «Piranha»
при различных условиях генерации приведены в таблице 3.2.
83
Таблица 3.2 – Показания прибора Piranha
Суммарная фильтрация излучения при установке добавочных
эталонных фильтров, мм Al
Уставка
анодного
напряжения,
2,2
4
5,8
7,6
Измеренные прибором значения анодного напряжения (АН) и
суммарной фильтрации (СФ)
кВ
АН,
СФ,
АН,
СФ,
АН,
СФ,
АН,
СФ,
кВ
мм Al
кВ
мм Al
кВ
мм Al
кВ
мм Al
60
57,6
2,1
57,6
3,7
57,7
5,3
57,7
6,8
70
67,0
2,1
66,8
3,8
67,0
5,5
67,1
7,0
80
76,2
2,2
76,1
3,9
76,3
5,5
76,1
7,3
90
85,4
2,2
85,0
4
85,2
5,7
85,3
7,3
100
94,8
2,2
94,1
4
94,5
5,7
94,2
7,4
110
103,4
2,3
103,1
4,1
103,3
5,8
103,0
7,5
120
112,3
2,3
111,9
4,2
112,6
5,8
111,8
7,6
130
121,8
2,3
121,5
4,2
121,5
5,9
121,8
7,5
140
134,4
1,9
134,3
3,8
134,5
5,5
134,5
7,1
150
143,1
1,9
143,1
3,8
143,4
5,5
143,6
7,0
84
Экспериментальные данные
Расчетные данные(по числу квантов)
Расчетные данные(по энергии квантов)
КПР
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170
Анодное напряжение, кВ
а
Экспериментальные данные
КПР
Расчетные данные(по числу квантов)
0,37
Расчетные данные(по энергии квантов)
0,32
0,27
0,22
0,17
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170
Анодное напряжение, кВ
б
Экспериментальные данные
КПР
Расчетные данные(по числу квантов)
0,37
Расчетные данные(по энергии квантов)
0,32
0,27
0,22
0,17
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170
Анодное напряжение, кВ
Рисунок
в
3.19- Экспериментальные и расчетные зависимости КПР от
анодного напряжения для фторопласта, полученные для значений суммарной
фильтрации 2,2 мм (а), 4 мм (б) 5,8 мм (в) в алюминиевом эквиваленте
85
Расчетные данные (по числу квантов)
КПР 0,9
Эксперимент 2,2 мм
Расчетные данные (по энергии квантов)
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
70
90
110
130
150
Анодное напряжение, кВ
а
Расчетные данные (по числу квантов)
Эксперимент 4 мм
Расчетные данные (по энергии квантов)
КПР 0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
70
90
110
130
150
Анодное напряжение, кВ
б
Расчетные данные (по числу квантов)
Эксперимент 5,8 мм
Расчетные данные (по энергии квантов)
КПР0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
70
Рисунок
90
110
130
150
Анодное напряжение, кВ
в
3.20 - Экспериментальные и расчетные зависимости КПР от
анодного напряжения для селенита, полученные для значений суммарной
фильтрации 2,2 мм (а), 4 мм (б) 5,8 мм (в) в алюминиевом эквиваленте
86
Количественные расхождения в результатах расчетов и эксперимента могут
быть обусловлены возбуждением вторичного излучения в элементах конструкции
радиационного киловольтметра. Причем в случае материалов с малым Zэфф. поля
рассеянного излучения являются более интенсивными, что и определяет большее
расхождение результатов для фторопластового фантома в сравнении с фантомом
из селенита.
На рисунке 3.21 схематично представлена конструкция детекторной секции
РК с отображением возможных путей возникновения паразитного вторичного
излучения, которое будет воздействовать на фронтальные детекторы D1.
Al
C2F4
Свинцовые
коллиматоры
CsI
Ip
CsI
D2
D1
Паразитное
вторичное
излучение, Ip’
Io
Плата из текстолита с
медными дорожками
Сu
Рисунок 3.21 – Детекторная секция РК
Можно записать следующее выражение для КПР
КПР
Ip
,
Io Ip
где Ip – интенсивность рассеянного в фантоме изучения,
Io – интенсивность ослабленного в фантоме излучения,
Ip’ - паразитное вторичное излучение.
(3.1)
87
Таким образом, за счет появления дополнительного слагаемого в
знаменателе выражения 3.1 значение КПР уменьшается, что подтверждается
экспериментально. С увеличением энергии излучения наблюдается уменьшение
отклонения экспериментальных данных от расчетных значений, что объясняется
уменьшением образования вторичного излучения в элементах конструкции
вследствие увеличения проникающей способности рентгеновских квантов.
При разработке конструкции РК необходимо исключить воздействие
вторичного излучения за счет добавления свинцовых пластинок при установке
фронтальных детекторов на печатную плату.
Для наглядного сравнения полученных результатов на рисунке 3.22
представлены одновременно экспериментальные зависимости КПР от потенциала
анода для фантомов из селенита
и фторопласта, по которым видно, что
эффективный диапазон работы РК сдвигается в сторону больших анодных
напряжений для фантомов из материалов с большим значением эффективного
атомного номера.
2,2 мм Селенит(СaSO4)
7,6 мм Селенит(СaSO4)
2,2 мм Фторопласт(С2F4)
7,6 мм Фторопласт(С2F4)
КПР
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
55
65
75
85
95
105 115 125 135 145
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 3.22 – Зависимости КПР от анодного напряжения для селенита и
фторопласта
88
3.2.4 Влияние суммарной фильтрации на величину коэффициентов
приведенного рассеяния
Как показано ранее, зависимости КПР от СФ имеют квазилинейный
характер и хорошо описываются линейными уравнениями регрессии. Для
полученных уравнений регрессии зависимостей КПР от СФ рассчитаны такие
параметры, как коэффициенты регрессии a и b, коэффициент корреляции,
коэффициент детерминации. Значения данных параметров приводятся в таблице
3.3. Оценка статистической значимости коэффициента корреляции проведена с
помощью t-критерия Стьюдента [77, 78].
На
основании
обработки
экспериментальных
и
расчетных
данных
установлено, что:
- теснота связи КПР и СФ при работе с фантомом из фторопласта весьма
высокая и зависимость КПР от СФ с высокой степенью достоверности
описывается линейным уравнением в диапазоне от 50 до 100 кВ;
- теснота связи КПР и СФ при применении фантома из селенита резко
падает с увеличением значения анодного напряжения и зависимость между этими
параметрами приобретает случайный характер;
- для фантомов из рутила и ляписа теснота связи меняет свой характер с
положительного на обратный случайным образом при различных значениях
высокого напряжения, т.е. зависимость полностью отсутствует.
Полученные результаты иллюстрируются рисунками 3.23 и 3.24 для
расчетных и экспериментальных данных соответственно.
89
Таблица 3.3 – Коэффициенты статистической оценки взаимосвязи СФ и КПР по
расчетным и экспериментальным данным
Данные
эксперимента
Результаты моделирования
Параметр
Фторопласт Селенит Фторопласт Селенит
Коэффициент
корреляции
Коэффициенты
регрессии
Коэффициент
детерминации
Коэффициент
корреляции
Коэффициенты
регрессии
Коэффициент
детерминации
Коэффициент
корреляции
Коэффициенты
регрессии
Коэффициент
детерминации
Коэффициент
корреляции
Коэффициенты
регрессии
Коэффициент
детерминации
Коэффициент
корреляции
Коэффициенты
регрессии
Коэффициент
детерминации
Коэффициент
корреляции
Коэффициенты
регрессии
Коэффициент
детерминации
.
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
-0,955
-0,966
-0,008
0,312
-0,011
0,395
0,91
0,93
Рутил
Ляпис
Ус
тав
ка,
кВ
60
-0,918
-0,989
-0,998
-0,908
-0,005
0,266
-0,023
0,692
-0,007
0,320
-0,013
0,755
0,84
0,98
1,00
0,82
-0,905
-0,548
-0,995
-0,959
0,773
-0,003
0,243
-0,004
0,486
-0,006
0,286
-0,009
0,512
0,038
3,160
0,82
0,30
0,99
0,92
0,60
-0,775
-0,384
-0,974
-0,913
0,082
-0,001
0,225
-0,002
0,412
-0,005
0,264
-0,005
0,416
0,005
1,789
0,60
0,15
0,95
0,83
0,01
-0,258
-0,985
-0,676
-0,001
0,366
-0,005
0,368
-0,015
1,353
0,07
0,97
0,46
80
100
120
140
0,148
a
b
0,058
5,357
0,02
200
90
60 кВ
80 кВ
100 кВ
120 кВ
140 кВ
КПР
0,4
0,35
0,3
160 кВ
0,25
0,2
2
4
6
8
Суммарная фильтрация, мм
а
80 кВ
100 кВ
120 кВ
140 кВ
160 кВ
180 кВ
КПР
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
2
4
6
8
Суммарная фильтрация, мм
б
Рисунок 3.23 – Зависимости КПР от суммарной фильтрации излучения,
рассчитанные для фантомов из фторопласта (а) и селенита (б)
91
КПР
0,32
0,3
0,28
60 кВ
80кВ
100кВ
120кВ
140кВ
70кВ
90кВ
110кВ
130кВ
150кВ
7
8
0,26
0,24
0,22
0,2
2
3
4
5
6
Суммарная фильтрация
80 кВ
100 кВ
120 кВ
140 кВ
КПР
0,7
0,6
а
90 кВ
110 кВ
130 кВ
150 кВ
0,5
0,4
0,3
2
3
4
5
6
7
8
Суммарная фильтрация, мм
б
Рисунок 3.24 – Экспериментальные зависимости КПР от суммарной
фильтрации излучения, полученные для фантомов из фторопласта (а) и селенита
(б)
В случае применения фантома из фторопласта в диапазоне анодных
напряжений от 50 до 100 кВ возможно однозначное определение и потенциала
анода и СФ. При использовании фантомов из материалов с более высоким
эффективным
атомным
номером
дополнительное
измерение
суммарной
фильтрации становится невозможным. Таким образом, можно упростить
процедуру калибровки прибора, описанную в [1], и перейти от калибровочной
поверхности к одномерной зависимости.
92
3.3 Связь коэффициентов приведенного рассеяния и величины слоя
половинного ослабления
Одним
из
параметров
рентгеновских
излучателей,
требующих
периодического контроля, является слой половинного ослабления (СПО)[79,80].
Современные универсальные дозиметры и рентген-тестеры обеспечивают режим
измерения данного параметра.
Для макета РК с фантомами из селенита и фторопласта (таблица 3.3)
экспериментально установлена зависимость СПО от величины КПР при
различных значениях суммарной фильтрации.
Таблица 3.3 – Результаты экспериментального исследования
СФ, мм Al
Уставка
АН, кВ
Длительность,
мс
2,2
4,4
5,6
СПО,
КПР
КПР
СПО,
КПР
КПР
СПО,
КПР
КПР
мм
C2F4
CaSO4
мм
C2F4
CaSO4
мм
C2F4
CaSO4
80
118,9
2,42
0,26
0,645
3,34
0,241
0,597
4,02
0,237
0,546
90
124,5
2,76
0,251
0,554
3,81
0,234
0,518
4,56
0,231
0,509
100
122,4
3,1
0,24
0,489
4,25
0,229
0,461
5,05
0,227
0,455
110
123
3,51
0,233
0,449
4,7
0,225
0,427
5,56
0,223
0,421
120
119,9
3,92
0,223
0,416
5,18
0,221
0,399
6,01
0,215
0,394
130
128
4,32
0,222
0,39
5,59
0,219
0,376
6,49
0,218
0,372
140
127
4,46
0,218
0,37
5,9
0,216
0,357
6,88
0,214
0,354
150
124,4
4,8
0,215
0,338
6,3
0,213
0,343
7,28
0,211
0,34
Данные, представленные в таблице, иллюстрируются рисунком 3.25. На
рисунке приведены зависимости КПР от СПО, построенные для различных
значений дополнительной фильтрации, при неизменных фокусном расстоянии и
анодном токе. Полученные кривые хорошо описываются степенной функцией.
93
КПР0,28
2,2 мм
4,0 мм
0,26
5.8 мм
0,24
0,22
0,2
2
4
6
8
Слой половинного ослабления, мм
КПР0,8
2,2 мм
0,7
4,0 мм
0,6
а
5.8 мм
0,5
0,4
0,3
0,2
2
4
6
8
Слой половинного ослабления, мм
б
Рисунок 3.25 – Зависимость КПР от слоя половинного ослабления для
фантомов из фторопласта (а) и селенита (б)
СПО
излучателей
медицинских
диагностических
аппаратов
обычно
составляет от 2,3 до 5 мм Al [81]. Не трудно видеть что КПР можно использовать
в том числе и для оценки значений СПО современных РДА.
Исследования метода измерения анодного напряжения и суммарной
фильтрации на макете РК показали:
- КПР линейно связан с величиной суммарной фильтрации излучения;
- зависимость КПР от анодного напряжения может быть выражена
полиномиальной функцией второго порядка;
- правильность выбора цилиндрической формы рассеивающего фантома с
отношением значений высоты к радиусу, равным 4;
94
- калибровка системы и последующие измерения должны осуществляться
при фиксированном фокусном расстоянии и размещении эталонных добавочных
фильтров в плоскости коллиматора;
- анодные токи и длительность экспонирования не влияют на величину
КПР;
- уменьшение плотности материала вещества ухудшает чувствительность
РК;
- увеличение эффективного атомного номера вещества фантома позволяет
расширить эффективный диапазон работы РК до 150 кВ;
- при использовании фантомов из материалов с бóльшими атомными
номерами калибровку
прибора
можно
осуществлять только по одному
параметру – анодному напряжению;
- абсорбционные свойства материала фантома определяют абсолютное
значение коэффициентов приведенного рассеяния и статистические погрешности
результатов измерений;
- зависимость КПР от СПО можно описать степенной функцией.
95
ГЛАВА
4.
ВСТРОЕННАЯ
СИСТЕМА
КОНТРОЛЯ
РЕНТГЕНОВСКОГО АППАРАТА 12Л7УР
В четвертой главе описывается встроенная система контроля РДА для
серийного рентгеновского аппарата 12Л7УР. Рассмотрена методика калибровки
ВСК и представлены данные калибровки для аппарата 12Л7УР (заводской номер
48). Приведены результаты испытаний ВСК.
4.1 Описание встроенной системы контроля рентгенодиагностических
аппаратов
Результаты экспериментального исследования влияния условий генерации
рентгеновского излучения на величину КПР стали основой разработки ВСК для
палатного РДА 12Л7УР, производимого ЗАО «Уралрентген» (г. Оренбург).
Структурная схема рентгеновского аппарата с ВСК представлена на
рисунке 4.1.
ВСК
Усилитель
Детектор 2
Фантом
Коллиматор
Фильтр
Коллиматор
Моноблок
Блок регистрации РК
Детектор 1
Питающее
устройство
Система индикации
параметров
Пульт управления
АЦП
Рисунок 4.1 – Структурная схема рентгеновского аппарата 12Л7УР с ВСК
96
Блок регистрации (БР) включает цилиндрический фантом с двумя
детекторами,
один
из которых расположен в прямом пучке за фантомом, а
второй – в рассеянном пучке, и усилитель, согласованный с внешними цепями
передачи и обработки сигналов. БР является выносным блоком, устанавливаемым
в пучок излучения и подключаемым к пульту управления РДА для контроля
параметров.
Обработка и визуализация данных с БР осуществляется с использованием
интерфейса аппарата 12Л7УР.
В аппарате 12Л7УР применяются следующие модификациями пультов
управления (ПУ):
-
с
сенсорным
управлением
на
основе
встроенного
планшетного
компьютера;
- с кнопочным управлением на основе микроконтроллера.
В зависимости от модификации ПУ ВСК РА имеет два типа интерфейса.
Каждый
тип
интерфейса
предусматривает
различные
алгоритмы
функционирования ВСК. Общими необходимыми условиями работы ВСК
является обеспечение стабильного питания и помехоустойчивости БР.
Для
питания
потребляемом
токе,
БР
не
необходимо
постоянное
превышающем
300
напряжение
мА.
Данным
12
В
при
требованиям
удовлетворяет система питания РА 12Л7УР. Питание ВСК осуществляется от
внутреннего источника питания РА.
Усилитель
БР
РК
разработан
таким
образом,
чтобы
обеспечить
максимальное усиление с необходимым соотношением сигнал/шум в рабочем
диапазоне детекторов. Уровень информационного сигнала с БР составляет от 0,1
до 3 В, что задает требуемый динамический диапазон для АЦП.
В ПУ с
C8051F022.
кнопочным управлением задействован АЦП микроконтроллера
Ресурсы данного контролера позволяют осуществлять контроль
только по анодному напряжению и суммарной фильтрации, с использованием
дополнительной встроенной в основную программу подпрограммы обработки и
вывода на экран данных, полученных с БР. Визуализация данных осуществляется
97
жидкокристаллическим экраном рентгеновского аппарата. Для связи с пультом
управления используется экранированный кабель.
В ПУ с сенсорным управлением на основе планшетного компьютера
используется дополнительный АЦП В-480, подключаемый к РА по USB каналу.
Визуализация данных контроля осуществляется вызовом дополнительного
программного модуля, встроенного в программное обеспечение РА 12Л7УР.
Внешний вид аппарата 12Л7УР представлен на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Рентгеновский аппарат 12Л7УР
Внешний вид пульта с кнопочным управлением (с выведенными на экран
результатами) и вид пульта с сенсорным экраном представлены на рисунках 4.3 и
4.4.
98
Рисунок 4.3 – Внешний вид ПУ аппарата 12Л7УР с кнопочным управлением
Рисунок 4.4 – Сенсорный пульт управления 12Л7УР (слева)
регистрации (справа) и АЦП
с блоком
99
4.2 Методика и результаты калибровки встроенной системы контроля
Калибровка
РК
в
составе
ВСК
является
необходимым
условием
нормального функционирования системы.
Для выполнения калибровки выбирается минимальный шаг изменения
добавочных
фильтров
и
шаг
анодного
напряжения
и
устанавливается
соответствие между показаниями поверенного прибора Piranha и измеренными
значениями КПР.
Калибровочная
характеристика
представляет
собой
функциональную
зависимость КПР от измеренного анодного напряжения и измеренной величины
суммарной фильтрации в алюминиевом эквиваленте (tAl, мм).
Было предложено формировать калибровочную таблицу с шагом 5 кВ по
напряжению в диапазоне 60 - 100 кВ и 0,9 мм по добавочной фильтрации в
диапазоне 0,9 – 7,2 мм алюминия.
В качестве внешних дополнительных фильтров использовались пластины из
высокочистого алюминия размером 85х85 мм2 толщиной 0,9 мм, последовательно
устанавливаемые на выходное окно коллиматора рентгеновского аппарата.
Фокусное расстояние при калибровке и контроле должно составлять 80 см.
Ниже
представлены
результаты
калибровки
для
аппарата
12Л7УР
(заводской номер 48).
Соответствующие уставкам анодное напряжение (Uар, кВ) и суммарная
фильтрация (tpAl, мм) при калибровке измерялись универсальным дозиметром
Piranha (RTI Electronics AB, Швеция) с действующим свидетельством о поверке.
Собственная фильтрация аппарата с коллиматором составила 2,2±0,3 мм Al,
отклонения уставок по напряжению не превышали 5 %.
калибровочные данные приведены в таблице 4.1.
Полученные
100
Таблица 4.1 – Экспериментальные значения КПР при различных значениях
анодного напряжения (АН) и суммарной фильтрации (СФ)
Измеренное
Измеренные прибором значения СФ, мм Al
значение
АН, кВ
2,2
3,1
4
4,9
5,7
6,7
7,6
8,5
9,4
57,7
0,3186
0,3138
0,3092
0,3048
0,3012
0,2969
0,2933
0,2900
0,2870
63,2
0,3038
0,3138
0,2951
0,2911
0,2877
0,2839
0,2807
0,2777
0,2750
67,2
0,2945
0,2993
0,2862
0,2825
0,2794
0,2758
0,2728
0,2701
0,2677
72,2
0,2838
0,2902
0,2762
0,2728
0,2699
0,2667
0,2641
0,2617
0,2596
76,9
0,2753
0,2799
0,2683
0,2652
0,2626
0,2597
0,2574
0,2553
0,2535
82,1
0,2674
0,2717
0,2611
0,2583
0,2560
0,2535
0,2515
0,2498
0,2483
87,0
0,2614
0,2641
0,2557
0,2532
0,2513
0,2491
0,2474
0,2460
0,2448
91,9
0,2570
0,2584
0,2519
0,2497
0,2480
0,2462
0,2448
0,2437
0,2429
97,3
0,2537
0,2543
0,2493
0,2475
0,2461
0,2446
0,2436
0,2429
0,2424
По
измеренным
значениям
КПР
средствами
MathCAD
строилась
калибровочная зависимость (рисунок 4.5), заданная уравнением вида
K(U a , t Al ) A9 U a2 A8 U a A7 A6 t Al2 A5 t Al A4 U a t Al ,
(4.1)
где А4 ... А9 – коэффициенты аппроксимации функции по исходным данным,
представленным в таблице 4.1, Ua – измеренные эталонным прибором значения
анодного напряжения,
tAl
– измеренные эталонным прибором значения
суммарной фильтрации.
Согласно калибровочной характеристике, отображенной на рисунке 4.5, c
увеличением анодного напряжения и СФ величина КПР сначала быстро
уменьшается и затем на границе диапазона выходит на плато. Таким образом, при
использовании
фторопластового
фантома,
существуют
ограничения
по
101
чувствительности со стороны больших анодных напряжений и больших значений
суммарной фильтрации.
Рисунок 4.5
- Калибровочная характеристика рентгеновского аппарата
12Л7УР (заводской номер 48)
Задача определения анодного напряжения и суммарной фильтрации
излучения может быть решена, если известны два значения КПР, полученные при
одинаковой экспозиции, но за разными добавочными фильтрами известной
толщины. Для нахождения Ua и tAl решается система уравнений:
К1 f(U a ,t Al )
,
К 2 f(U a ,t Al t)
(4.2)
где К1 и К2 – измеренные значения КПР без добавочного фильтра и с
добавочным фильтром толщиной Δt.
Путем подстановки в (4.2) уравнения для КПР (4.1) получаем следующую
систему нелинейных уравнений:
a2 A8Ua A7 A6tAl t A5tAl t 2 A4UatAl t
K : A U
1
9
a
K : A U
2
9
2
A U A A t
8
a
7
6 Al
Al
A t
5
2
A U t
4
a Al.
Для решения данной системы уравнений разработаны программные модули,
встроенные в программное обеспечение палатных аппаратов 12Л7УР, имеющие
102
различную структуру в зависимости от модификации аппарата. Данные модули
используют известные численные методы решения систем нелинейных уравнений
[82-84].
4.3 Испытания встроенной системы контроля
в составе
аппарата
12Л7УР
4.3.1 Измерение анодного напряжения и суммарной фильтрации
Экспериментальное исследование заключалось в проведении серии снимков
на уставках от 60 до 100 кВ с интервалом 10 кВ без дополнительных фильтров по
шесть измерений на каждой уставке. По многократно измеренным значениям
анодного напряжения UAИj на каждой из уставок определялась средняя величина
напряжения UАИ, измеренного ВСК РА 12Л7УР.
Полученные результаты измерений представлены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Результаты измерений анодного напряжения при фиксированном
значении СФ 2,2 мм Al
Значение
Значения анодного напряжения,
Среднее
анодного
измеренные РК ВСК РА
измеренное
напряжения
12Л7УР
на
заданной
уставке
значение
по
РА, UАИj, кВ
анодного
эталонному
напряжения
прибору, UАР,
UАИ, кВ
1
2
3
4
5
6
кВ
57,5 58,4 54,3 55,1 55,8 61,7
57,5
57,1
Абсолютное
отклонение
анодного
напряжения,
Относительное
отклонение, %
кВ
2,5
4,3
68,2
67,3
70,5
72,8
67,6
68,2
66.9
69,3
2,1
3,0
77,1
75,9
76,4
82,7
75,1
75,9
84,7
78,5
3,8
4,8
86,3
87,4
90,5
81,0
82,3
89,7
90,3
86,9
4,2
4,9
95,9
87,7
91,5
83,4
94,2
93,3
95,5
90,9
4,6
5,0
На рисунке 4.6 приведены зависимости значений измеренного РК анодного
напряжения от значений напряжения, измеренного эталонным прибором Piranha.
Видно, что измеренные РК величины UАИ хорошо согласуются с результатами,
103
полученными эталонным прибором. Аппроксимирующая прямая для значений
102
102
92
92
82
82
Uаи
72
72
Uаи Uар
Uар
62
62
52
52
55 55
65 65
75 75
8585
Напряжение, измеренное
эталонным прибором UАР , кВ
Напряжение, измеренное РК
UАИ, кВ
измеренных РК лежит в пределах погрешностей эталонного прибора.
9595
Напряжение,
АРАР
, кВ
Напряжение,измеренное
измеренноеэталонным
эталоннымприбором
приборомUU
, кВ
Рисунок 4.6 - Зависимости измеренного РК анодного напряжения UAИ (кВ)
и значения напряжения UАР (кВ), измеренного эталонным прибором Piranha, от
UАР (кВ) (при суммарной фильтрации 2,1 + 0,3 мм Al)
Для оценки погрешности определения СФ проводились измерения при
постоянной
уставке
анодного
напряжения
80
кВ
(UАР=76,9
кВ)
без
дополнительного фильтра и с дополнительными фильтрами по 0,9 мм Al.
Таблица 4.3 – Результаты измерений суммарной фильтрации (СФ) при
фиксированной уставке анодного напряжения
Значение
СФ по
эталонному
прибору, мм
Al
2,2
3,1
4,0
4,9
Значения СФ, измеренные РК
ВСК РА 12Л7УР на
определенной уставке РА, мм Al
1
2,6
3,5
3,7
4,7
2
2,8
3,3
4,4
4,8
3
2,4
4,5
5,8
6,0
4
2,4
3,5
3,8
5,1
5
2,3
3,2
3,5
5,4
6
2,9
3,9
3,1
8,5
Среднее
измеренное
значение CФ,
мм Al
Абсолютное
отклонение
CФ, мм Al
Относительное
отклонение СФ,
%
2,6
3,7
4,1
5,8
0,2
0,4
1,0
1,4
9
12
24
25
Из данных, представленных на рисунке 4.7, видно, что доверительные
интервалы значений СФ, измеренных РК ВСК РА 12Л7УР
и значений,
104
измеренных поверенным прибором, пересекаются. Причем статистическая
7
7
СФ, измеренная эталонным
прибором, мм Al
СФ, измеренная РК, мм Al
погрешность измеренных значений СФ увеличивается с увеличением СФ.
СФ по СФ
РК по РК
СФ по СФ
Piranha
по Piranha
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
2
3
2,8
2
3,6
4
4,4
5
СФ,измеренная
измереннаяэталонным
эталоннымприбором,
прибором,мм
ммAlAl
СФ,
Рисунок 4.7 – Зависимости измеренного РК значения СФ и значения СФ,
измеренного эталонным прибором, от CФ по эталонному прибору (при анодном
напряжении 76,9 + 1,9 кВ)
Видно, что относительные погрешности по анодному напряжению и
суммарной фильтрации не выходят за пределы 5 и 30 % соответственно. При этом
погрешность Piranha по анодному напряжения составляет 2,5% по суммарной
фильтрации 0,3 мм Al.
4.3.2 Измерение радиационного выхода
Современные
требования
предписывают
осуществлять
контроль
эффективных доз облучения пациента. В соответствии с [85] возможны два
способа определения эффективных доз:
- по непосредственно измеренному значению произведения дозы на
площадь при каждом снимке, что требует установки ионизационной камеры
между излучателем и пациентом;
- по значению радиационного выхода, заранее определенному для данного
аппарата, которое необходимо контролировать не реже одного раза в год, в том
105
числе при проведении технического обслуживания, после выполнения ремонта
аппарата или замены отдельных блоков аппарата.
Расчет эффективной дозы (Е, мкЗв) облучения пациента вторым способом
производится по следующей формуле [86]
E R(U ) i t K e ,
(4.3)
где R (U) - радиационный выход рентгеновской трубки, зависящий от анодного
напряжения, (мГр·м2)/(мА·с); i – значение анодного тока, мА; t – длительность
экспозиции, с; Ke – коэффициент перехода от значений радиационного выхода к
эффективной дозе, зависящий от условий съемки (фокусное расстояние, размер
поля) вида исследования и области контроля, мкЗв/(мГр·м2).
При производственном контроле каждого выпускаемого аппарата 12Л7УР
определяется и записывается в модуль программы расчета эффективной дозы,
функция радиационного выхода R(U).
ВСК РА 12Л7УР позволяет по нескольким контрольным снимкам проверить
соответствие заданной функции R(U) функции
Rи(U), измеренной
во время
проведения контроля. По результатам контроля выдается сообщение о
соответствии
параметров
заводским
установкам
или
о
необходимости
переустановки текущих параметров.
ВСК РА 12Л7УР с сенсорным управлением оценивает радиационный выход
по мгновенным значениям напряжения UD1, считанным с детектора D1,
находящимся в поле ослабленного излучения, за время TЭ - воздействия
излучения, по следующей формуле
RиРК
1
TЭ
N
U
i 1
D1
(4.4)
где N – количество уровней дискретизации по времени (задается программно).
Калибровка осуществляется следующим образом:
- производится определение значений параметра RиРК ВСК в диапазоне
анодных напряжений от 40 до 110 кВ с шагом 10 кВ;
- определяются значения радиационного выхода эталонным прибором Rизм ;
- устанавливается функциональная связь между RиРК и Rизм;
106
- полученная калибровочная характеристика записывается в память ВСК РА
12Л7УР.
Экспериментально установлено, что значения параметра RиРК, измеренные
РК при фокусном расстоянии 80 см в диапазоне от 40 до 110 кВ, имеют
квазилинейную связь со значениями радиационного выхода Rизм, определенными
поверенным
универсальным дозиметром. Соответствующая
калибровочная
характеристика показана на рисунке 4.8.
Rирк,
y = 1,2217x - 7,8474
В/с
75
65
55
45
35
25
15
5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Rизм, (мГр*м2)/мА*с
Рисунок
4.8
–
Калибровочная
характеристика
ВСК
12Л7УР
по
радиационному выходу
При проведении контроля радиационного выхода проводится определение
зависимости радиационного выхода от анодного напряжения R(Ua). Данная
зависимость имеет квазилинейный характер и может быть представлена в
следующем виде
R(U a ) k U a b
(4.5)
где k и b – коэффициенты, зависящие от параметров рентгеновского излучателя.
При настройке РА на заводе-изготовителе значения коэффициентов k и b
определяются с помощью поверенного прибора и заносятся в память пульта
управления РА для последующего использования в программном модуле
определения эффективной дозы облучения пациента.
107
Методика
контроля
радиационного
выхода,
обеспечиваемая
ВСК,
заключается в оценке степени соответствия измеренных в данный момент
времени значений k и b заводским настройкам.
ВСК РА 12Л7УР позволяет оценивать достоверность расчета эффективной
дозы облучения пациента и корректировать ее в случае несоответствия заводским
настройками вследствие дрейфа параметров рентгеновского излучателя с
течением времени.
Основные технические характеристики ВСК РА 12Л7УР приведены в
таблице 4.4, с указанием возможностей разработанной системы в зависимости от
модификации пульта управления (ПУ) аппарата.
Таблица 4.4 – Технические характеристики ВСК РА 12Л7УР
12Л7УР с
12Л7УР с
кнопочным
сенсорным
ПУ
ПУ
Диапазон значений анодного напряжения, кВ
60-110
60-110
Относительная погрешность измерения АН не более, %
5
5
Диапазон измерения значений СФ, мм Al
1 – 9,4
1 – 9,4
25
25
Контроль достоверности расчета эффективной дозы
нет
есть
Диапазон измерения слоя половинного ослабления, мм Al
-
1-15
Относительная погрешность определения СПО, %
-
15
Фокусное расстояние при выполнении контроля, см
80
80
Габаритные размеры БР, мм
125х80х73
125х80х73
Масса БР, кг
0,5
0,5
Диапазон рабочих температур, 0С
+1…+40
+1…+40
Наименование параметра
Относительная погрешность измерения значений СФ не
более, %
108
4.4 Режимы работы встроенной системы контроля аппарата 12Л7УР
В ВСК РА 12Л7УР с кнопочным пультом управления возможен контроль
только по анодному напряжению и суммарной фильтрации с выводом
результатов измерения на жидкокристаллический экран ПУ.
Контроль
параметров
осуществляется
в
технологическом
режиме
тестирования аппарата, вызываемом при удерживании кнопки «М» в момент
включения аппарата. В данном режиме имеется 5 контрольных точек измерения,
позволяющих оценить точность уставок анодного напряжения в диапазоне от 50
до 100 кВ. Последовательно в каждой точке производится по два снимка без
фильтра и с дополнительным фильтром 0,9 мм Al. После чего выдается
сообщение о степени соответствия измеренных и установленных значений. В
случае несоответствия предлагается перейти в технологический режим настройки
параметров, в противном случае – перейти в рабочий режим.
ВСК РА 12Л7УР с сенсорным пультом управления имеет 3 режима работы:
контрольный по АН и СФ, измерительный, контрольный по радиационному
выходу.
Перед началом работы рентгенлаборант может запустить дополнительный
программный модуль контроля параметров ВСК 12Л7УР и выбрать один из
режимов тестирования аппарата.
Режим «контрольный по АН и СФ» аналогичен режиму работы на аппарате
с кнопочным ПУ.
Режим «измерительный» применяется на любой из выбранных уставок АН
для определения значения напряжения на рентгеновской трубке, суммарной
фильтрации, слоя половинного ослабления, длительности экспозиции.
Режим «контрольный по радиационному выходу» применяется для оценки
достоверности определения эффективных доз облучения. При несоответствии
заводским настройкам предлагается провести корректировку программных
констант согласно полученным измерительным данным.
109
4.5 Автономное использование радиационного киловольтметра
Для контроля работы рентгеновских аппаратов в процессе настройки
отдельных блоков и после сборки разработан экспериментальный стенд на базе
спроектированного РК.
Стенд успешно применяется в производственных
условиях ЗАО «Уралрентген».
Использование в испытательной лаборатории для текущей настройки
поверенного измерительного оборудования отдела технического контроля может
ограничить
работу
ОТК,
а
покупка
для
лаборатории
дополнительного
измерительного оборудования экономически невыгодна.
Методика обработки данных с экспериментального стенда, рассмотренного
в разделе 3,
подразумевает
использование дополнительного ПО - ADC 2.0,
поставляемого совместно с АЦП В-480 и MathCAD 14.0.
С целью упрощения
ПО
для применения РК в условиях лаборатории
разработано новое ПО, осуществляющее управление всеми режимами работы
АЦП, считывание информации из буферного ОЗУ, ее первичную обработку и
передачу в компьютер для дальнейшего анализа. Для управления АЦП В-480
необходимы драйверы «Auris Drivers». Для работы с данными драйверами
разработчиком (НПК «Аурис») были предоставлены модули B480.Dll и
FTD2XX.Dll.
Сервисное программное обеспечение разрабатывалось в среде Delphi 7.
Рассмотрим алгоритм работы программы управления режимами АЦП
(рисунок 4.9). Алгоритм включает следующую последовательность действий:
1 − начало программы;
2 − инициализация (задаются начальные значения переменных);
3 − проверка наличия драйвера к устройству B480 в системе;
4 − Если драйвер не установлен, сообщаем об этом пользователю;
5 − проверка: подключено ли устройство к разъему USB;
6 − если устройство не подключено, сообщаем об этом пользователю;
7 − ввод пользователем значения толщины фильтра;
110
8 − блокируем устройство, чтобы другие приложения не смогли получить
доступ к нему;
9 − производим настройку АЦП;
10 − запускаем АЦП;
11 − загружаем массив данных, полученных после оцифровки значений с
датчиков из буфера устройства;
12 − останавливаем АЦП;
13 − разблокируем устройство;
14 − заполняем таблицу;
15 − проверка условия K=1 (данное условие обеспечивает двукратное
обращение к датчикам);
16 − получаем среднее значение сигналов с датчиков D1;
17 − получаем среднее значение сигналов с датчиков D2;
18 − рассчитываем интерполяционные коэффициенты первого уравнения;
19 – рассчитываем интерполяционные коэффициенты второго уравнения;
20 − проверяем, имеются ли положительные, отличные от нуля, корни в
решении системы уравнений;
21 − находим среднее значение положительных корней уравнений;
22 − округляем полученные значения;
23 − выводим полученные значения пользователю;
24 − проверяем условия закрытия программы;
25 − завершение программы.
111
1
2
Рисунок 4.9 – Алгоритм работы сервисной программы
3
112
1
2
3
Рисунок 4.9 (Продолжение) – Алгоритм работы сервисной программы
113
Использование сервисной программы по обработке данных с АЦП В-480,
входящего в состав РК, дало следующие положительные эффекты:
- позволило в автоматическом режиме выдавать на экран значения анодного
напряжения на рентгеновской трубке;
- исключило необходимость ручной загрузки и обработки
текстовых
данных, полученных с АЦП;
- повысило эффективность работы техников, связанной с измерением
анодного
напряжения,
поверкой
готовых
аппаратов
и
предпродажной
подготовкой.
Для загрузки программы достаточно запустить разработанный
модуль,
подключить устройство и установить драйвера.
Как только на детекторы начинает поступать сигнал излучения, программа
обновляет значение анодного напряжения, выводимого на экран. Это значение
изменится только, когда напряжение превысит заданный пользователем уровень
запуска.
На рисунке 4.10 представлено окно программы после выполнения
снимка на уставке 60 кВ.
Рисунок 4.10 − Окно программы экспериментального стенда после
выполнения снимка
114
Полный листинг программы приведен в приложении Г.
Результаты испытаний для трех палатных аппаратов (ПА) 12Л7УР и
цифрового рентгенодиагностического комплекса (РДК) представлены на рисунке
4.11.
КПР
№45
№46
№48
РДК
0,31
0,29
0,27
0,25
0,23
55
65
75
85
95
105
115
Анодное напряжение, кВ
Рисунок 4.11 – Результаты испытаний четырех аппаратов в виде
зависимостей КПР от анодного напряжения
Нетрудно увидеть, что повышение точности РК достигается за счет
проведения калибровки для каждого аппарата, оснащенного ВСК. Использование
РК как отдельного прибора возможно на этапе первичной настройки РДА в
производственных лабораториях.
115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе подготовки диссертационной работы создана экспериментальная
установка для измерения анодного напряжения и собственной фильтрации,
осуществлено опытное исследование ее характеристик и разработаны методы
обработки
экспериментальных
данных,
обеспечивающие
в
совокупности
возможность измерения параметров рентгеновского пучка и получены следующие
результаты.
1. Проанализированы
физические
процессы,
протекающие
при
распространении рентгеновского излучения в объеме фантомов, заданной формы.
В
среде
математического
имитационного
моделирования
моделирования
функциональные
зависимости
и
MathCAD
выполнена
коэффициента
ее
создана
отладка.
приведенного
программа
Определены
рассеяния
от
напряжения на аноде рентгеновской трубки и суммарной фильтрации излучения.
Установлено, что:
-
зависимость коэффициента приведенного рассеяния от анодного
напряжения носит нелинейный характер и является убывающей в исследуемом
диапазоне;
- значения коэффициентов приведенного рассеяния с увеличением
суммарной фильтрации рентгеновского пучка квазилинейно уменьшаются;
- коэффициент приведенного рассеяния в качестве критерия определения
напряжения на аноде рентгеновской трубки по генерируемому излучению в
диапазоне
от
50
до
120
кВ
может
применяться
при
использовании
фторопластового фантома в виде цилиндра с форм-фактором, равным четырем;
-
расширения
эффективного
диапазона
работы
радиационного
киловольтметра до 300 кВ можно достичь, применяя фантомы из веществ с
большим эффективным атомным номером.
2. Разработана рентгенооптическая схема измерения анодного напряжения
и суммарной фильтрации методом коэффициентов приведенного рассеяния, и
создан действующий прототип радиационного киловольтметра для встроенной
системы контроля рентгенодиагностических аппаратов.
116
3.
Экспериментальные
исследования
метода
измерения
анодного
напряжения и суммарной фильтрации на макете радиационного киловольтметра
показали, что:
- коэффициент приведенного рассеяния линейно связан с величиной
суммарной фильтрации излучения;
-
зависимость коэффициента приведенного рассеяния от анодного
напряжения может быть выражена полиномиальной функцией второго порядка;
- калибровка системы и последующие измерения должны осуществляться
при фиксированном фокусном расстоянии;
- анодные токи и длительность экспонирования не влияют на величину
коэффициентов приведенного рассеяния;
- применение в качестве материала фантома селенита позволило расширить
диапазон работы радиационного киловольтметра до 150 кВ;
- результаты моделирования качественно согласуются экспериментальными
данными.
4. Разработана методика определения анодного напряжения и суммарной
фильтрации
для
встроенной
системы
контроля
рентгенодиагностических
аппаратов.
5. Результаты испытаний опытного образца радиационного киловольтметра
в составе встроенной системы контроля рентгенодиагностических аппаратов
показали, что погрешности измерений анодного напряжения и суммарной
фильтрации лежат в пределах 5 и 30 % соответственно.
Метод коэффициентов приведенного рассеяния может применяться для
бесконтактного измерения напряжения генерирования рентгеновского излучения
и суммарной фильтрации излучения в диапазоне анодных напряжений 50-300 кВ.
Схемотехническое
решение,
использованное
при
создании
прототипа
радиационного киловольтметра, и предложенная методика калибровки в составе
встроенной системы контроля параметров РДА обеспечивают приемлемый
уровень погрешностей результатов измерений.
117
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1
Карягин, М.А. Радиационный киловольтметр для системы контроля
рентгеновских диагностических аппаратов / М.А. Карягин, А.С. Лелюхин //
Приборы. – 2014. – № 5. – С. 4 – 6.
2
Карягин, М.А. Влияние условий генерации рентгеновского излучения
на величину коэффициентов приведенного рассеяния при измерениях анодного
напряжения / М.А. Карягин, А.С.Лелюхин // Медицинская техника. – 2014.- №5. –
С. 29-31.
3
Карягин, М.А. Определение напряжения на аноде рентгеновской
трубки по генерируемому излучению / М.А. Карягин, А.С. Лелюхин // Вестник
ОГУ. – 2013. – №9. – С. 217-222.
4
Карягин, М.А. Состояние и перспективы развития методов и средств
неинвазивного измерения напряжения на рентгеновских трубках / М.А. Карягин //
Медицинская техника. – 2013. – №5. – С.24-27.
5
Карягин, М.А. Сравнение результатов измерения практического
пикового напряжения при различных условиях генерации рентгеновского
излучения / М.А. Карягин, Д.А. Муслимов, А.С. Лелюхин // Научно-технический
вестник Поволжья. – 2011.– №3. – С. 128-131.
6
Karyagin, M. A. Current State and Trends in the Development of Methods
and Devices for Noninvasive Measurement of X-Ray Tube Voltage / M. A. Karyagin, //
Biomedical Engineering. – 2014. – Vol. 47. – №5 January.– Р. 250 - 252.
7
Scattering
Karyagin, M.A. Effect of X-Ray Generation Conditions on Reduced
Coefficients
in
Anode
Voltage
Measurements / M.A. Karyagin,
A.S. Lelyukhin // Biomedical Engineering. – 2015. – Vol. 48. – №5 January. - Р. 261263.
8
Карягин, М.А. Экспериментальный стенд для контроля радиационных
параметров рентгеновских излучателей / М.А. Карягин, А.С. Лелюхин //
Медицинская физика и инновации в медицине (ТКМФ-6). VI Троицкая
118
конференция 2-6 июня 2014 г. Сб. трудов конференции. – Троицк, Москва.:
типография ООО «Тровант», 2014. – С. 634 – 635.
9
Карягин,
М.А.
Радиационный
киловольтметр
для
системы
самотестирования рентгенодиагностических аппаратов / М.А. Карягин //
Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и
культуры:
материалы
Всероссийской
научно-методическая
конференции;
Оренбург. гос. ун-т.– Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2014. – С.1372-1376.–
CD-R [электронный ресурс].
10
Карягин, М. А. Измерение анодного напряжения рентгеновских
диагностических аппаратов по величине коэффициента приведенного рассеяния /
М. А. Карягин, А.С. Лелюхин, Д. А. Муслимов // «Методы компьютерной
диагностики в биологии и медицине-2013»: материалы ежегодной Всероссийской
научной школы-семинара. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2013. – С.190-192.
11
аппарата
Карягин, М.А. Определение суммарной фильтрации рентгеновского
с
помощью
радиационного
М.Г. Петрушанский, Н.Г. Шилкин //
киловольтметра
/
М.А.
Карягин,
Медицинская физика и инновации в
медицине (ТКМФ-5). V Троицкая конференция 4-8 июня 2012 г. Сборник
материалов. Том 1. – Троицк, Московская область: типография ООО «Тровант»,
2012. – С. 373-374.
12
Карягин,
М.А.
Результаты
разработки
зарядочувствительного
усилителя с применением аппаратно-программных средств / М.А. Карягин
//
Современные информационные технологии в науке, образовании и практике.
Материалы
VIII
всероссийской
научно-практической
конференции
(с
международным участием). – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. – С. 286-290.
13
Карягин, М.А. Автоматизированная система измерения параметров
рентгеновских диагностических аппаратов / М.А. Карягин, М.Г. Петрушанский //
Современные информационные технологии в науке, образовании и практике.
Материалы
VI
всероссийской
научно-практической
конференции
международным участием). – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. – С. 336-338.
(с
119
14
Модуль расчета коэффициента приведенного рассеяния для модели
радиационного киловольтметра: свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ №2012618284 / М.А. Карягин,
А.С.
Лелюхин. – зарег. в
Д.А. Муслимов,
Федеральной службе по интеллектуальной
собственности; заявка №2012615886 от 13 июля 2012; зарег. в Реестре программ
для ЭВМ 12.09.2012.
15
Санитарные
Гигиенические
правила
требования
к
и
нормативы
устройству
и
СанПиН
2.6.1.1192-03
эксплуатации
рентгеновских
кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований. – М.:
ФЦГСЭН, 2003. – 47 с.
16
ГОСТ Р МЭК 61676-2006 Медицинское электрическое оборудование.
Дозиметрические
приборы,
используемые
для
неинвазивного
измерения
напряжения на рентгеновской трубке в диагностической радиологии. – М.:
Стандартинформ, 2007. – 24 с.
17
Официальный сайт компании RTI Electronics AB [Электронный
ресурс]. – Режим доступа: http://www.rti.se/.
18
измерения
Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств
РФ
№
14958-95
ресурс].
[Электронный
–
Режим
доступа:
http://www.vniims.ru/.
19
Официальный сайт компании PTW-Freiburg [Электронный ресурс]. –
Режим доступа: http://www.ptw.de/.
20
измерения
Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств
РФ
№
34724-09
ресурс].
[Электронный
–
Режим
доступа:
http://www.vniims.ru/.
21
Официальный сайт компании Unfors RaySafe AB [Электронный
ресурс]. – Режим доступа: http://www.unfors.com/.
22
измерения
Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств
РФ
№35046-07
[Электронный
ресурс].
–
Режим
доступа:
http://www.vniims.ru/.
23
Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств
120
измерения
РФ
№54915-13
[Электронный
ресурс].
–
Режим
доступа:
http://www.vniims.ru/.
24
измерения
Свидетельство о внесении в Государственный реестр средств
РФ
№22584-02
[Электронный
ресурс].
–
Режим
доступа:
http://www.vniims.ru/.
25
Бердяков, Г.И. Устройство контроля радиационных и электрических
характеристик рентгеновских аппаратов УКРЭХ / Г.И. Бердяков // Медицинская
техника.– 2002.– №5.– С. 18 – 21.
26
Бердяков, Г.И. Типовой ряд радиационных киловольтметров / Г.И.
Бердяков, Н.Н. Блинов // Медицинская техника.– 2005.– №5.– С. 19 – 21.
27
Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского
излучателя по слою кратного ослабления: а. с. 1103372 СССР: МПК H 05 G 1/26/
Блинов Н.Н., Карадимов Д.С., Кускова Н.М., Мишкинис Б.Я., Петухов Н.Н,
Смехов М.Е.(CCCР). – № 3497812/18-25; заявл. 06.10.82; опубл. 15.07.84, Бюл.
№ 26. – 2 с.
28
Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского
аппарата по слою кратного ослабления: а. с. 1144196 СССР : МПК H 05 G 1/26/
Блинов Н.Н., Лейченко А.И., Смехов М.Е., Урванцева И.Л., Шенгелия
Н.А.(CCCР).– № 3663913/24-25; заявл. 21.11.83; опубл. 07.03.85, Бюл. № 9. – 2 с.
29
Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского
аппарата по слою кратного ослабления: а. с. №1144197 СССР: МПК H 05 G 1/26/
Блинов Н.Н., Бардина Н.Д., Кускова Н.М., Лейченко А.И., Шенгелия Н.А.
(CCCР). – № 3663914/24-25; заявл. 21.11.83; опубл. 07.03.85, Бюл. № 9. – 2 с.
30
Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского
аппарата по слою кратного ослабления: а. с. №1144198 СССР: МПК H 05 G 1/26/
Блинов Н.Н., Лейченко А.И., Смехов М.Е., Шенгелия Н.А.(CCCР). – №
3663925/24-25; заявл. 21.11.83; опубл. 07.03.85, Бюл. № 9. – 2 с.
31
Даниленко, Т.В. Метод комплексного контроля радиационных и
электрических характеристик РДА и его приборная реализация: автореф. дис. …
канд. тех. наук 05.11.10 / Даниленко Тимур Васильевич. – М., 1990. – 21 с.
121
32
Ларчиков, Ю. В. Развитие рентгеноспектрального метода измерения
высокого напряжения для РДА и его приборная реализация: : автореф. дис. …
канд. тех. наук 05.11.10/ Ларчиков Юрий Викторович. – М., 1995.- 19 с.
33
Устройство для измерения высокого напряжения на рентгеновской
трубке : а. с. 1261142 СССР : МКП Н 05 G 1/26 / Н.Н. Блинов, Т.В. Даниленко,
А.И. Лейченко (CCCР). – № 3898761/28-25; заявл. 25.05.85; опубл. 30.09.86, Бюл.
№ 36. – 2 с.
34
Устройство для измерения высокого напряжения на рентгеновской
трубке : а. с. 1233307 СССР : МКП Н 05 G 1/26 / А.И. Лейченко, Н.Н. Блинов, А.Я.
Глиберман, Т.В. Даниленко, И.И. Ковалев, Г.А. Четверикова, Р.В. Ставицкий, Б.Я.
Мишкинис (CCCР). – № 3784715/24-25; заявл. 01.09.84; опубл. 23.05.86, Бюл. №
19. – 4 с.
35
Устройство для измерения времени рентгенографической выдержки:
а. с. 1284012 СССР : МКП Н 05 G 1/28 / Н.Н. Блинов, Т.В. Даниленко, А.И.
Лейченко (CCCР). – № 3928468/28-25; заявл. 12.07.85; опубл. 15.01.87, Бюл. № 2.
– 3 с.
36
Устройство для определения высокого напряжения на рентгеновской
трубке : а. с. 1536525 СССР : МКП Н 05 G 1/26 / Н.Н. Блинов, Л.В. Владимиров,
Т.В. Даниленко, А.И. Лейченко, Ю.В. Ларчиков (CCCР). – № 4417656/28-25;
заявл. 27.04.88; опубл. 15.01.90, Бюл. № 2. – 3 с.
37
Даниленко, Т.В. Методы и средства контроля основных параметров
рентгенодиагностических аппаратов / Т.В. Даниленко // Труды института
(ВНИИИМТ), вып.8, М., 1987 г.
38
Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн.1. / Под общ. ред. В.В.
Клюева. – М.: Машиностроение, 1992. – 368 с.
39
Зубков, И.П. Рентгеноспектральный измеритель высоких напряжений/
И.П. Зубков, Ю.В. Ларчиков // Измерительная техника.– 1993.– №2.– С. 68–70.
40
Ларчиков,
Ю.В.
Рентгеноспектральный
измеритель
высоких
напряжений для рентгеновских аппаратов / Ю.В. Ларчиков, И.П. Зубков //
Медицинская техника.– 1993.– №4.– С. 53–55.
122
41
Zubkov, I. P. High voltage measurement by means of X – ray spectra /
I. P. Zubkov, Larchikov Yu. V.// Measurement Techniques. Vol 36, №2, P. 232 – 234.
42
Краснов, М. Л. Интегральные уравнения: введение в теорию / М. Л.
Краснов. – М.: Наука, 1975. – 302 с.
43
Бердяков, Г. И. Компактный рентгеновский мультиметр с мобильным
компьютером / Г. И. Бердяков, Н. Н. Блинов (мл.) // Медицинская техника.–
2004.– №5.– С. 53–55.
44
Бердяков, Г.И. Применение многофункционального рентгентестера
УКРЭХ в рентгенодиагностических кабинетах / Г.И. Бердяков, Ю.В. Ларчиков,
Г.М. Ртищева, Н.А. Шенгелия //Радиология – Практика. – 2007. – № 2. – С. 57-58.
45
Бердяков, Г.И. Контроль характеристик рентгенодиагностических
аппаратов в условиях эксплуатации / Г.И. Бердяков, Н. Н. Блинов // Медицинская
техника.– 2014.– №5.– С. 16–18.
46
Устройство контроля радиационных и электрических характеристик
рентгеновских аппаратов дистанционное «УКРЭХ» Руководство по эксплуатации
ВУКФ.941529.01.00 РЭ. – Москва, 2005.
47
Петрушанский,
М.Г.
Разработка
метода
спектрального
преобразования и программно-аппаратных средств для измерения параметров
излучателей рентгенодиагностической аппаратуры: дис. … канд. техн. наук:
05.11.10 / Петрушанский Михаил Георгиевич. – Москва, 2006. – 129 с.
48
Муслимов, Д. А. Исследование методов и средств неинвазивного
измерения напряжения генерирования тормозного излучения: дис. … канд. техн.
наук: 05.11.10 / Муслимов Дмитрий Алексеевич. – Москва, 2011. – 141 с.
49
Муслимов, Д. А. Определение практического пикового напряжения
по скорости затухания тормозного излучения в полупроводниковом детекторе /
Д. А. Муслимов, А. С. Лелюхин // Медицинская техника. – 2012. – №1. – С. 18-22.
50
Муслимов, Д.А. Определение практического пикового напряжения
по восстановленным спектральным распределениям тормозного излучения /
Д.А. Муслимов, А.С. Лелюхин, К.А. Гамалей // Медицинская техника. – 2011. –
№5. – С. 34-39.
123
51
Ranallo, F.N. The Noninvasive Measurement of X-Ray Tube Potential /
F.N. Ranallo // Medical Physics Department, PhD Thesis, University of Wisconsin,
(1993).
52
Dosimetry in diagnostic radiology: an international code of practice /
Technical Reports Series No. 457. - Vienna: International Atomic Energy Agency,
2007. – 372 с.
53
IEC 61676:2002 Medical electrical equipment. Dosimetric instruments
used for non-invasive measurement of X-ray tube voltage in diagnostic radiology. –
Geneva: International Electrotechnical Commission, 2002.
54
IEC 61674:2012 Medical electrical equipment. Dosimeters with ionization
chambers and/or semiconductor detectors as used in X-ray diagnostic imaging. –
Geneva: International Electrotechnical Commission, 2012.
55
Kramer, H. M. The practical peak voltage of diagnostic X-ray generators /
H. M. Kramer, H. J. Selbach, W.J. Iles // Br. J. Radiol. 71 (1998), pp. 200-209.
56
Baorong, Y. Experimental determination of practical peak voltage / Y.
Baorong, H. M. Kramer, H. J. Selbach, Lange B. // Br. J. Radiol. 73 (2000), pp. 641649.
57
Всероссийский
Метрологической
Службы,
научно-исследовательский
Государственный
реестр
Институт
средств
измерений
допущенных к использованию в Российской Федерации [Электронный ресурс]. –
Режим доступа: http://www.vniims.ru/.
58
ГОСТ Р МЭК 61674-2006 Медицинское электрооборудование с
ионизационными
камерами
и/или
полупроводниковыми
детекторами
в
рентгеновской диагностике. – М.: Стандартинформ, 2007. – 33 с.
59
Нурлыбаев, К., Метрологическое обеспечение средств контроля
электрических
и
радиационных
параметров
рентгеновских
аппаратов
/
К. Нурлыбаев, Л.Л. Синников, Д.В. Ярына // Анри. – 2007. – №2. – С. 53-57.
60
Шалимов, С.В. Технико-экономическое сравнение приборов для
контроля РДА / С.В. Шалимов // Медицинский алфавит. Радиология. – 2008. –
№2. – С. 6-8.
124
61
Владимиров, Л.В. Радиационные методы контроля параметров
рентгенодиагностических аппаратов / Л.В. Владимиров, Ю.Л. Владимиров,
А.А. Козлов // Медицинская техника.– 2007.– №5.– С. 35–37.
62
Владимиров, Л.В. Радиационный метод определения напряжения
генерирования
рентгеновского
излучения.
Состояние
и
перспективы
/
Л.В. Владимиров, А.А. Козлов, В.А. Лыгин, А.Н. Рябкин // Медицинская
техника.– 2000.– №5.– С. 15–19.
63
Жутяев, С.Г. Спектральное распределение тормозного излучения в
рентгеновских трубках с вольфрамовым анодом / С.Г. Жутяев,
Г.И. Смелик,
А.Б. Мишкинис, Б.Я. Мишкинис, Э.Г. Чикирдин // Медицинская техника.– 2001.–
№4.– С. 3–5.
64
Жутяев, С.Г. Исследование характеристик рентгенодиагностических
излучателей. Взаимосвязь спектрального распределения тормозного излучения
с его дозиметрическими характеристиками / С.Г. Жутяев,
Г.И. Смелик,
А.Б. Мишкинис, Б.Я. Мишкинис, Э.Г. Чикирдин // Медицинская техника.– 2001.–
№5.– С.15–17.
65
Нелипа, Н.Ф. Введение в теорию многократного рассеяния частиц /
Н.Ф. Нелипа. – М.: Атомиздат., 1960. – 159 с.
66
Павлинский, Г.В.
Основы физики рентгеновского излучения
/
Г.В. Павлинский. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 240 с.
67
Черняев,
А.П.
Взаимодействие
ионизирующего
излучения
с
веществом / А.П. Черняев. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 152 с.
68
Дворянкин, В.Ф. Определение мгновенной эффективной энергии
тормозного излучения рентгеновских трубок / В.Ф. Дворянкин, Ю.М. Дикаев,
А.А. Кудряшов, А.А. Соколовский // Измерительная техника.– 2003. – №8. –
С. 56 – 58.
69
XCOM: Photon Cross Sections on Personal Computer // by M.J. Berger
and J.H.Hubbell / National Bureau of Standards / 1987.NBSIR 87-3597.
70
Соболь, И.М. Численные методы Монте-Карло / И.М. Соболь. – М.:
Наука, 1973. – 312 с.
125
71
ГОСТ Р МЭК 61267–2001 Аппараты рентгеновские медицинские
диагностические. Условия излучения при определении характеристик.– М.: ИПК
Издательство стандартов, 2002. – 20 с.
72
Ляпидевский,
В.К.
Сцинтилляционный
метод
детектирования
излучений / В.К. Ляпидевский. – М.: Изд. МИФИ, 1981, – 88 с.
73
Преобразователи измерительные регистрирующие В-480: Сертификат
об утверждении типа средств измерений в Госреестре средств измерений
Республики
Беларусь
[Электронный
ресурс].
–
Режим
доступа:
http://auris.ru/rus/products/cert_B480.htm.
74
Многоканальный
аналого-цифровой
преобразователь
Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. –
B-480.
Режим доступа:
http://auris.ru/rus/products/b480.htm.
75
Кипер, Р. А. Свойства веществ: Справочник по химии / Р. А. Кипер. –
Хабаровск, 2013. – 1016 с.
76
Рентгеновские питающие устройства РПУ ВЧ/3. Руководство по
эксплуатации: ЮВИЕ. 943157. 000 РЭ. – Истра, 2014. – 73 с.
77
Савчук, В.П. Обработка результатов измерений / В.П. Савчук. –
Одесса: ОНПУ, 2002. – 54 с.
78
Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений
/
П.В. Новицкий, И.А. Зограф. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. –
248с.
79
Прикладная дозиметрия / Под общ. ред. проф. К.К. Аглинцева. – М.:
Госатомиздат, 1962. – 248 с.
80
Частные
ГОСТ Р 50267.28-95 Изделия медицинские электрические. Часть 2
требования
безопасности
к
диагностическим
блокам
источника рентгеновского излучения и рентгеновским излучателям. – М.: ИПК
Издательство стандартов, 1995. – 15 с.
81
Денискин, Ю.Д. Медицинские рентгеновские трубки и излучатели /
Ю.Д. Денискин, Ю.А. Чижунова. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 209 с.
126
82
Тихонов, А.Н. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов,
В.Я. Арсенин. – М.: Наука, 1974. – 224 с.
83
Дзядык, В. К. Введение в теорию равномерного приближения
функций полиномами / В. К. Дзядык. – Главная редакция физико-математической
литературы издательства «Наука», 1977. – 512 с.
84
Мышкис, А.Д.
Элементы
теории
математических
моделей /
А.Д. Мышкис. – М.: КомКнига, 2007. – 192 с.
85
облучения
Методические указания МУ 2.6.1.2944-11 Контроль эффективных доз
пациентов
при
проведении
медицинских
рентгенологических
исследований. – 2011. – 26 с.
86
Брегадзе, Ю.И. Прикладная метрология ионизирующих излучений /
Ю.И. Брегадзе, Э.К.Степанов, В.П. Ярына. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 264 с.
127
Приложение А
Листинг программы имитационного моделирования
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
Приложение Б
Свидетельство о государственной регистрации программы для
ЭВМ
138
Приложение В
Листинг программы формирования импульсов
mean(A) 0.029
L :
n0
T :
q mean ( A )
q mean ( A )
for k 0 length ( A ) 1
length(A) 250000
n0
for k 0 length ( A ) 1
nn1
n n 1 if A < q
( break ) if A < q
k
k
D1 : q mean ( A )
L
n
D2 : q mean ( A )
n0
for k 0 length ( A ) 1
L
n0
for k 0 length ( A ) 1
nn1
nn1
( break ) if A < q
k
R L
( break ) if A < q
k
n0
for k 0 length ( A ) 1
R L
n0
for k 0 length ( A ) 1
n n 1 if A < q
k
n n 1 if A < q
k
n
n
j0
j0
for i L R
for i L R
if A < q
i
F A
j
if B < q
F B
m length ( D2)
jj1
while i < m
j
jj1
ii 1
KPR : i 0
i
i
êïð :
mean( D2)
i
D2
ii 1
mean( D1)
F
kpr
i
F
F
i
F
ii 1
kpr
stdev (D1) 0.029
i
D1
139
Приложение Г
Листинг сервисной программы
unit Main;
interface
uses Forms, Controls, StdCtrls, Grids, Classes, ExtCtrls, Spin;
type
TForm1 = class(TForm)
StringGrid1: TStringGrid;
Label1: TLabel;
Timer1: TTimer;
Label2: TLabel;
Label3: TLabel;
Label4: TLabel;
Label5: TLabel;
Label6: TLabel;
Label7: TLabel;
GroupBox1: TGroupBox;
SpinEdit1: TSpinEdit;
GroupBox2: TGroupBox;
SpinEdit2: TSpinEdit;
procedure Timer1Timer(Sender: TObject);
procedure FormCreate(Sender: TObject);
procedure SpinEdit1Change(Sender: TObject);
procedure SpinEdit2Change(Sender: TObject);
end;
var
Form1: TForm1;kk:double;
Ki:integer;
Kf:array[1..2]of double;
Kf2:array[1..2]of double;
implementation
uses SysUtils,Math,Dialogs;
{$R *.dfm}
140
const EM:array[1..6] of string[50]= ('Сбой платы' ,'Драйвер не найден',
'Неверный индекс', 'Каналы не обнаружены', 'Неверный параметр', 'Устройство не
подключено');
const KL:array[1..9] of double= (3,3,2,-0.057,10.561,-19.563,12.407,0.232,0.00147); //Данные калибровочной поверхности
type TC=array[0..59] of byte;
TD=array [word] of smallint;
EB480Exception=class(Exception);
var CD:TD;
function ClearBuffer(const i:longword):longword;stdcall;external 'B480Drv.dll';
function ConfigDevice(const i:longword;const c:TC):longword;stdcall;external
'B480Drv.dll';
function GetDeviceData(const i:longword;out b:TD;var c:longword;out
s:byte):longword;stdcall;external 'B480Drv.dll';
function
GetCoefs(const
i:longword;out
c:single;out
z:smallint):longword;stdcall;external 'B480Drv.dll';
function
GetDevicesCnt(out
c:longword):longword;stdcall;external
'B480Drv.dll';
function LockDevice(const i:longword):longword;stdcall;external 'B480Drv.dll';
function StartDevice(const i:longword):longword;stdcall;external 'B480Drv.dll';
function StopDevice(const i:longword):longword;stdcall;external 'B480Drv.dll';
function
UnlockDevice(const
i:longword):longword;stdcall;external
'B480Drv.dll';
procedure mes(const x: longword);
begin
case x of
1:form1.Label1.Caption:='Сбой платы';
2:form1.Label1.Caption:='Драйвер не найден';
3:form1.Label1.Caption:='Неверный индекс';
4:form1.Label1.Caption:='Каналы не обнаружены';
5:form1.Label1.Caption:='Неверный параметр';
6:form1.Label1.Caption:='Устройство не подключено';
else form1.Label1.Caption:='';
end;
end;
procedure TabShapka();
var i:integer;
begin
for i:=0 to 7 do
begin
// Заполнение шапки таблицы
141
form1.StringGrid1.Cells[i,0]:='АЦП '+inttostr(i+1);
end;
//form1.StringGrid1.Cells[0,0]
end;
function Analiz1():double;
// Функция анализа находит среднее
значение для всех каналов
var U:array[0..7]of double;
Us:double;
i,j:longword;
begin
for j:=0 to 7 do U[j]:=0;
for i:=1 to 30 do
for j:=0 to 7 do
U[j]:=U[j]+strtofloat(form1.StringGrid1.Cells[j,i]);
// U[0]:=U[0]*(-1);
// U[1]:=U[1]*(-1);
for j:=0 to 7 do
U[j]:=U[j]/30;
Us:=0;
for j:=0 to 7 do Us:=Us+U[j];
Us:=Us/8;
//инвертирование u1
//инвертирование u2
// Находим среднее для U1-U8
Analiz1:= Us;
end;
//Функция анализа 2 находит анодное напряжение решением
системы двух уравнений
// опираясь на полученные данные, калибровочные данные,
фильтрацию
function Analiz2(Ax0:double;
variant:integer):double;
//с учетом данных калибровочной поверхности
var dis:double;
b1,b2,b3:double;
//коэффициенты уравнений
filtr:integer;
// значение фильтрации
Ax1,Ax2, Ax:double;
// корни уравнения
dy:double;
// дельта Y константа
begin
filtr:=form1.SpinEdit1.Value;
// получили данные фильтрации,
введенные пользователем
142
dy:=0.1;
//константа
// находим коэффициенты
if (variant=1) then
// первое уравнение
begin
b1:=KL[9];
// a
b2:=KL[8]+(KL[4]*filtr);
//b
b3:=KL[7]+(KL[6]*filtr)+(KL[5]*filtr*filtr)-Ax0;
// привели к форме
квадратного уравнения
//c
end else
begin
// второй уравнение
b1:=KL[9];
//a
b2:=KL[8]+(KL[4]*(filtr+dy));
//b
b3:=KL[7]+(KL[6]*(filtr+dy))+(KL[5]*(filtr+dy)*(filtr+dy))-Ax0;
// привели к форме квадратного уравнения
//c
end;
dis:=(b2*b2)-(4*b1*b3);
if ((dis<0)or(Ax0<=0))then // нет корней
begin
Ax:=0;
// корней нет, вернем 0
end else // иначе два корня либо два одинаковых корня
begin
Ax1:= ((b2*(-1))+sqrt(dis))/(2*b1); //первый корень
Ax2:= ((b2*(-1))-sqrt(dis))/(2*b1); //второй корень
if (Ax1>0)then
begin
if (Ax2>0) then Ax:=(Ax1+Ax2)/2 else Ax:=Ax1;
end else
begin
if (Ax2>0) then Ax:=Ax2 else Ax:=0;
end;
Ax:=(Ax1+Ax2)/2; // возвращаем среднее корней // либо корень, если
один из корней отрицательный
end;
Analiz2:=Ax;
// возвращаем функцию
end;
procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);
// таймер
const
Cx:TC=($FF,$00,$00,$00,$7F,$80,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,
143
$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$01,$00,$00,$00,$01,$00,$00,$00,$01,$00,
$00,$00,$01,$00,$00,$00,$01,$00,$00,$00,$01,$00,$00,$00,$01,$00,$00,$00,$01,$00,
$00,$00);
var DC:longword;
DS:byte;
i,j:longword;
Arr:array[0..7] of double;
K:array[0..3] of double;
C:single;
Pr:double;
m1:smallint;
res:double;
res2:integer;
begin
form1.Label2.Caption:='Запуск';
form1.Label2.Font.Color:=form1.Label3.Font.Color;
DC:=$FF00;
mes(GetDevicesCnt(i));
if i<>1 then
begin
form1.Label2.Caption:='Остановлен';
form1.Label2.Font.Color:=form1.Label4.Font.Color;
mes(6);
form1.Label6.Caption:='';
form1.Label7.Caption:='';
end else
begin
mes(LockDevice(0));
// блокировать устройство
mes(GetCoefs(0,C,m1));
mes(ConfigDevice(0,Cx));
// конфигурирование
mes(StartDevice(0));
// старт
mes(GetDeviceData(0,CD,DC,DS));
// получаем данные
mes(StopDevice(0));
// стоп
mes(ClearBuffer(0));
// очистка
mes(UnLockDevice(0));
// разблокировать
TabShapka();
for i:=0 to 255 do
begin
j:=i mod 8;
// шапка таблицы
// получаем данные и заполняем таблицу
144
Pr:=C*(CD[i]+(m1/100));
Arr[j]:=Arr[j]+Pr;
StringGrid1.Cells[j,i div 8 + 1]:=floattostr(Pr);
end;
if (Ki=0) then
begin
Kf[1]:=0;
Kf[2]:=0;
end;
// Коэффициент Ki нужен для того, чтобы получить данные два раза
для решения уравнения
Ki:=Ki+1;
Kf[Ki]:=Analiz1; // получаем среднее значение
if (Ki>1) then
begin
Ki:=0;
res:=Analiz2(Kf[1],1);
if res>form1.SpinEdit2.Value then KF2[1]:=res;
res:=Analiz2(Kf[2],2);
if res>form1.SpinEdit2.Value then KF2[2]:=res;
form1.Label6.Caption:=floattostr(Kf2[1]);
form1.Label7.Caption:=floattostr(Kf2[2]);
res:=(Kf2[1]+Kf2[2])/2;
res2:=0;
while (res>1) do
округляем
begin
res:=res-1;
res2:=res2+1;
end;
if (res2>form1.SpinEdit2.Value)
заданного уровня, то выводим на экран
// среднее
// переводим в действительный тип и
then //если анодное напряжение выше
form1.Label5.Caption:=inttostr(res2)+' КВ'; // вывод пользователю
end;
145
form1.Label2.Caption:='Работает';
form1.Label2.Font.Color:=form1.Label5.Font.Color;
end;
end;
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
Ki:=0;
Kf2[1]:=0;
Kf2[2]:=0;
end;
procedure TForm1.SpinEdit1Change(Sender: TObject);
begin
if (form1.SpinEdit1.Value <1) then form1.SpinEdit1.Value:=1;
end;
procedure TForm1.SpinEdit2Change(Sender: TObject);
begin
if (form1.SpinEdit2.Value <1) then form1.SpinEdit2.Value:=1; //
end;
end.
