Исследование методов и средств неинвазивного измерения напряжения генерирования тормозного излучения

Контроль параметров рентгеновских аппаратов является необходимым условием нормального функционирования отделений лучевой диагностики лечебно-профилактических учреждений. Нахождение контролируемых параметров в пределах норм, устанавливаемых техническим регламентом, является гарантией обеспечения радиационной безопасности при проведении рентгенологических исследований. Точность выполнения «уставок» анодного напряжения при заданной суммарной фильтрации предопределяет как качество рентгеновских изображений, так и величину дозовой нагрузки на пациента. Условия эксплуатации рентгеновского оборудования требуют, чтобы текущий контроль осуществлялся неинвазивно, т. е. без непосредственного вмешательства в электрическую схему аппарата. Новый стандарт на дозиметрические приборы, используемые для неинвазивного измерения напряжения на рентгеновской трубке в диагностической радиологии [18], предусматривает, что все вновь разрабатываемые средства контроля должны обеспечивать возможность измерения практического пикового напряжения (РРУ). Однако в стандарте прописана методика косвенных измерений РРУ, требующая, по сути, восстановления формы волны анодного напряжения, действующего за время экспозиции. Поскольку всегда существуют пороги запуска, определяемые текущим значением мощности дозы, то, как правило, регистрируется не весь рентгеновский импульс, а только его часть. Последнее приводит к занижению данных и к появлению ненормируемой систематической ошибки измерений, зависящей от формы кривой анодного напряжения [19−21].

Добиться снижения погрешности можно путем разработки нового радиационного метода прямых измерений практического пикового напряжения. Одним из возможных вариантов прямого измерения РРУ может г стать метод определения параметров рентгеновского пучка по кривым абсорбции излучения в веществе тестового фильтра.

Актуальность проблемы разработки и исследования новых радиационных методов и средств контроля параметров рентгеновских аппаратов обусловлена отсутствием прямых методов измерения практического пикового напряжения, отвечающих требованиям физической воспроизводимости методики измерений в независимости от величины пульсаций потенциала анода.

Объектом исследований диссертационной работы являлись методы и средства неинвазивного измерения напряжения генерирования тормозного излучения.

Непосредственным предметом исследований, описанных в работе, был новый радиационный метод измерения практического пикового напряжения, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе полупроводникового детектора и в последующем расчете скорости затухания излучения, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики или расчете контрастно-эквивалентного напряжения по восстановленному спектру излучения.

Целью работы являлась разработка и экспериментальное исследование методов неинвазивного измерения практического пикового напряжения по кривым затухания тормозного излучения в веществе линейного дискретного полупроводникового детектора.

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи.

1. Подготовить обзор современных радиационных методов и средств определения параметров и характеристик рентгеновского пучка и обосновать целесообразность поиска методов измерения PPV по кривым абсорбции тормозного излучения.

2. Разработать способ формирования абсорбционных кривых и провести экспериментальное исследование характера затухания тормозного излучения в линейном дискретном GaAs детекторе (GaAs детекторе). Выполнить обработку экспериментальных данных и оценить влияние величины анодного напряжения и дополнительной фильтрации на скорость затухания излучения.

3. Разработать метод измерения PPV по скорости затухания тормозного излучения в веществе GaAs детектора. Создать математическую модель абсорбционного киловольтметра, включающего математическое описание рентгеновской трубки, генераторного устройства, фильтра и приемника излучения. Исследовать влияние формы кривой анодного напряжения на результаты измерения PPV по скорости затухания излучения при различной дополнительной фильтрации.

4. Рассмотреть проблему восстановления спектра тормозного излучения по кривой затухания в GaAs детекторе и разработать метод нахождения практического пикового напряжения по восстановленным спектральным распределениям.

5. Выполнить экспериментальное исследование предложенных методов измерения PPV при различных условиях генерации тормозного излучения.

В ходе решения поставленных задач были использованы статистические методы обработки экспериментальных данныхметоды имитационного моделирования с применением системы математического моделирования MathCAD, методы решения обратных некорректно поставленных задач.

Теоретической и методологической основой исследований послужили труды ведущих отечественных ученых и специалистов в области рентгеновского приборостроения — H.H. Блинова, Б. И. Леонова, В.В.

Клюева, JI.B. Владимирова, М. И. Зеликмана и ряда других [22−27].

Вопросы радиационного измерения анодного напряжения рентгеноспектральным методом рассматривались в статьях И. П. Зубкова, Б. Г. Потапова, В. Н. Васильева и Ю. В. Ларчикова [28−31].

Задача определения анодного напряжения по соотношению интенсивностей тормозного излучения, ослабленного заданными фильтрами, решалась в работах H.H. Блинова, Г. И. Бердякова, Т. В. Даниленко [32, 33]. Результатом этих изысканий стало создание единственного отечественного радиационного киловольтметра, внесенного в реестр средств измерений РФ [34].

Понятие практического пикового напряжения и методика его измерения были предложены зарубежными исследователями, такими как: Kramer Н.-М., Selbach H.-J, Iles W.J. Baorong Y., Lange В [35, 36].

В трудах Ramires-Jimenez FJ, Lopez-Callejas R, Benitez-Read JS, Pacheco-Sotelo JO. Ricardo Andrade Terini, Maria da Penha Albuquerque Potiens, Silvio Bruni Herdade, Marco Aurelio Guedes Pereira, Joao dos Santos Justo Pires, Heber Simoes Videira рассматривались проблемы метрологического обеспечения процесса измерения практического пикового напряжения [21, 37].

Информационную базу исследований составили работы, опубликованные в таких периодических изданиях, как: «Медицинская техника», «Медицинская физика», «Измерительная техника», «Анри», «Датчики и системы». В числе информационных источников диссертации можно выделить также зарубежные периодические издания: Br. J. RadiolRadiol Bras, Nuci Instrum Methods, Med. Phys.

При подготовке обзора по теме работы использовались интерактивная информационная база данных Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам и открытая онлайн-версия Государственного реестра средств измерений, допущенных к использованию в Российской Федерации Всероссийского научно-исследовательского.

Института Метрологической Службы.

Анализ литературных источников выявил, что проблема поиска прямого радиационного метода измерения практического пикового напряжения по кривым затухания тормозного излучения в веществе полупроводникового детектора, удовлетворяющего требованиям простоты технической реализации методики измерений в условиях лечебно-профилактического учреждения, ставится впервые. Так, приборы, способные неинвазивно измерять PPV, выпускают только крупные мировые корпорации: Fluke Corporation, СШАPTW-Freiburg, ГерманияRadcal Corporation, США. Номенклатура средств измерения PPY ограничена четырьмя типами приборов. В реестр средств измерения РФ внесены два типа приборов, измеряющих PPV. Причем, все известные неинвазивные киловольтметры реализуют двухэнергетический метод косвенных измерений PPV. Суть метода заключается в преобразовании полупроводниковыми детекторами энергии ионизирующих излучений в электрический сигнал в двух спектральных диапазонах, в регистрации зависимости изменения мощности дозы излучения от времени и в последующей обработке полученной зависимости по специальному алгоритму с использованием калибровочных коэффициентов.

Научная новизна исследований и практическая значимость работы состоят в следующем:

— предложен способ формирования абсорбционных кривых по сигналам, считанным с линейного GaAs детектора, расположенного по отношению к рентгеновскому пучку таким образом, что каждый предыдущий канал детектирования является фильтром для последующего;

— показано, что скорость затухания тормозного излучения в веществе GaAs детектора может служить критерием для оценки напряжения генерированияэкспериментально обнаружена линейная связь между эффективной энергией тормозного пучка и амплитудным значением приложенного анодного напряжения.

— предложен новый метод прямых радиационных измерений РРУ, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе ваАэ детектора и расчете скорости затухания, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики.

— создана математическая модель абсорбционного киловольтметра и проведено исследование влияния формы кривой анодного напряжения и суммарной фильтрации излучения на результаты измерения РРУпоказано, что увеличение пульсации анодного напряжения фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации рентгеновского пучка;

— в развитие ранее известного способа восстановления спектральных распределений методом минимизации направленного расхождения разработана методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым, регистрируемым ваАэ детектором;

— предложено определять РРУ по величине контрастно-эквивалентного напряжения, рассчитанного по восстановленным спектральным распределениям;

— создан комплекс программных модулей «8ресЖ.ау», позволяющий осуществлять расчет рентгеновских систем в среде математического пакета МаЛСАО.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ формирования абсорбционной кривой и результаты экспериментального исследования характера затухания тормозного излучения в веществе ОаАэ детектора. Установлено:

— скорость затухания излучения, найденная как угловой коэффициент касательной к абсорбционной кривой на ее начальном участке, плавно уменьшается при увеличении приложенного анодного напряжения и может служить критерием для оценки РРУ;

— в условиях проведенного эксперимента эффективная энергия рентгеновского пучка, рассчитанная по величине скорости затухания излучения, линейно возрастает с ростом анодного напряжения;

— отклонение экспериментальных значений эффективной энергии от значений наиболее вероятной энергии, рассчитанной по спектрам пропускания, не превышает 4%.

2. Метод определения PPV по скорости затухания тормозного излучения в веществе GaAs детектора, рассчитанной на начальном участке абсорбционной кривой.

3. Математическая модель абсорбционного киловольтметра и результаты сопоставления инвазивных и неинвазивных измерений практического пикового напряжения. Выявлено:

— увеличение пульсации анодного напряжения приводит к росту скорости затухания излучения и фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации;

— в диапазоне анодных напряжений при пульсациях до 15% различия в значениях инвазивных и неинвазивных измерений не превышают 1%- при пульсации 100% отклонения достигают 7%.

4. Метод определения PPV по восстановленным спектральным распределениям, результаты расчета CEV и методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым.

5. Результаты измерения PPV и CEV по экспериментальным кривым затухания тормозного излучения, регистрируемым GaAs детектором при различных условиях генерации тормозного излучения.

Реализация работы. Результаты работы в виде интерактивного справочника сечений взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом (SVK) и комплекса программных модулей «SpectRay» внедрены в учебный процесс кафедры проектирования и технологии радиоэлектронных средств ОГУ. ЗАО «Уралрентген» использует разработанные методики определения практического пикового напряжения при создании прототипа абсорбционного киловольтметра.

Апробация работы проведена на третьем Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (Москва,.

2010) — Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2010) — Международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010) — Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2010) — международной конференции по биоинформатике и биомедицинской инженерии (Wuhan, China, 2011).

В целом, по материалам исследований автором подготовлено1 17 печатных работ. Отдельные результаты оформлены в виде научных статей, опубликованных в журналах из «Перечня.» ВАК: «Научно-технический вестник Поволжья" — «Вестник ОГУ" — «Жизнь без опасностей».

На оригинальные решения, найденные при выполнении работы, поданы заявки на изобретения. Разработанное программное обеспечение зарегистрировано и защищено тремя свидетельствами Роспатента.

Результаты работы отмечены дипломами: Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи (Москва — 2010 г.) — конкурса молодых ученых, проводимого в рамках третьего Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова — 2010 г.) и лауреата премии Губернатора Оренбургской области в сфере науки и техники за 2010 год.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка литературы из 90 наименований, 5 приложений и содержит 141 страницу основного текста, включая 67 рисунков и 24 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе подготовки диссертационной работы создана экспериментальная установка для регистрации кривых затухания тормозного излучения, осуществлено опытное исследование ее характеристик и разработаны методы обработки экспериментальных данных, обеспечивающие в совокупности возможность измерения параметров рентгеновского пучка.

Предложенные методы измерения могут стать основой для опытно-конструкторской, разработки отечественного неинвазивного абсорбционного киловольтметра, отличающегося возможностьюосуществления прямых радиационных измерений РРУ. Этот вывод подтверждается следующими результатами, достигнутыми в ходе решения задач диссертационной работы:

1. Предложен способ формирования абсорбционных кривых по сигналам, считанным с линейного дискретного ЭаАБ детектора, расположенного по отношению к рентгеновскому пучку таким образом, что каждый предыдущий канал детектирования является фильтром для последующего.

2. Экспериментально показано, что скорость затухания тормозного излучения может являться критерием для оценки напряжения генерирования тормозного излучения.

3. Разработан метод прямого неинвазивного измерения РРУ и эквивалентной суммарной фильтрации, заключающийся в регистрации кривой затухания тормозного излучения в веществе ОаАэ детектора и расчете скорости затухания, сопоставленной значениям РРУ посредством калибровочной характеристики.

4. Создана математическая модель абсорбционного киловольтметра и проведено исследование влияния формы кривой анодного напряжения и суммарной фильтрации излучения на результаты измерения РРУ. Показано, что увеличение пульсации анодного напряжения фактически эквивалентно уменьшению величины суммарной фильтрации рентгеновского пучка.

5. В развитие ранее известного способа восстановления спектральных распределений методом минимизации направленного расхождения разработана методика восстановления спектров тормозного излучения по абсорбционным кривым, регистрируемым GaAs детектором.

6. Предложено находить PPV по величине контрастно-эквивалентного напряжения, рассчитанного по восстановленным спектральным распределениям.

7. Возможность практического использования предложенных методов определения PPV подтверждена воспроизводимостью методик измерений на разных моделях рентгеновских аппаратов и сопоставлением опытных данных с показаниями аттестованного киловольтметра УКРЭХ.

В заключение, автор выражает признательность своему научному руководителю, к.т.н., доценту Лелюхину A.C. за практическую помощь в работе и полезные обсуждения результатов исследований.

Автор искренне благодарит заведующего кафедрой ПТРС ОГУ, к.ф.— м.н., доцента Корнева Е. А., и руководителя группы радиационного контроля Оренбургской областной клинической больницы Канынина В. В. за помощь, оказанную при проведении экспериментальной части работы.