Измерение, моделирование и количественная оценка изменений в распределении интенсивности, вызванных преломлением рентгеновского излучения при прохождении через цилиндрические объекты
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1. Традиционная радиография 6
1.2. Распространение рентгеновского излучения в объекте с точки зрения
волновой оптики 7
1.3. Принципы геометрической оптики для расчета преломления
рентгеновского излучения 10
1.4. Практическое применение эффекта преломления рентгеновских
лучей 13
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 16
2.1. Экспериментальная установка и параметры измерения 16
2.1.1. Синхротрон как источник рентгеновского излучения 16
2.1.2. Образец исследования и параметры эксперимента 18
2.2. Обработка экспериментальных данных 20
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ПРЕЛОМЛЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ 25
3.1. Метод, основанный на геометрической оптике 25
3.1.1. Цилиндрический объект 26
3.1.2. Полый цилиндрический объект 31
3.2. Метод, основанный на волновой оптике 38
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
4.1. Результат моделирования методом геометрической оптики для цилиндрического объекта 41
4.2. Результат моделирования методом геометрической оптики для полого
цилиндрического объекта 43
4.3. Результат моделирования методом волновой оптики для полого
цилиндрического объекта 47
4.4. Сравнительный анализ измеренного и смоделированного распределений
интенсивности 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57
Список публикаций 58
Список используемых источников 59
На протяжении последних двух десятилетий одной из целей в области радиографии и компьютерной томографии было уменьшение влияния и коррекция эффектов рассеяния рентгеновских лучей, вызывающих нерезкость изображения. Однако, при исследовании слабопоглощающих объектов традиционные технологии, основанные на регистрации изменения коэффициента поглощения рентгеновских лучей различными участками объекта, не позволяют получить хорошо разрешимую картину с достаточным контрастом. Эта проблема особенно актуальна при исследовании биологических объектов. Применение методов на основе преломления (рассеяния) рентгеновских лучей, напротив, позволяют значительно увеличить контраст изображения при исследовании внутренней структуры слабопоглощающих объектов.
Основным направлением применения данных технологий является обнаружение и количественная оценка внутренних поверхностей в неоднородных материалах. Типичными материалами для исследования являются биологические вещества [23], [24], керамика и армированные композиты. Такие элементы микроструктуры как волокна, частицы, поры и трещины оказывают наибольшее влияние на механические свойства данных материалов [12], [13].
Перечисленные внутренние поверхности микроструктуры материала (поры, частицы и волокна), зачастую имеющие сферическую или цилиндрическую форму, вызывают преломления рентгеновского излучения. Значительные изменения в распределении интенсивности, связанные с этим эффектом, наиболее заметны в окрестностях границ объекта ввиду наибольших углов преломления.
В случае если объект имеет форму полого цилиндра эффекты, происходящие на внутренней границе и вызванные специфичным перераспределением преломленных лучей, не были исследованы с точки зрения фазоконтрастного получения радиографического изображения.
Это является причиной создания и реализации в настоящей работе алгоритма для расчета эффектов преломления и распределение интенсивности после взаимодействия рентгеновских лучей с объектами простой геометрической формы. Алгоритм позволит варьировать различные параметры объекта, такие как геометрические размеры, материал, линейный коэффициент ослабления и декремент показателя преломления, а также параметры эксперимента: расстояние объект-детектор, энергия излучения. Все это позволит использовать моделирование для получения данных о распределении интенсивности без непосредственного его измерения, для последующего подбора наиболее рациональных параметров эксперимента.
Все поставленные в данном исследовании задачи были выполнены. По результатам работы можно сделать следующие выводы:
• Экспериментальное исследование эффектов рефракции на полом цилиндре выявило значительные искажения в распределении интенсивности в окрестностях внешних и внутренних границ (наблюдаемые максимумы и минимумы);
• Возрастание амплитуды этих искажений было прослежено при изменении расстояния между объектом и детектором от 80мм до 800мм;
• Моделирование на основе геометрической и волновой оптики показывает результаты, соответствующие экспериментально полученным данным. Это говорит о том, что физическая природа искажений интенсивности включает в себя оба подхода;
• Лучи, взаимодействующие с внутренней поверхностью капилляра, делятся на два типа в зависимости от их траектории распространения после преломления. Лучи, относящиеся к первому типу, не пересекается. Траектории лучей другого типа пересекаются, тем самым падая на участки, уже экспонированные лучами первого типа, приводя к образованию локального максимума интенсивности.
• Минимум интенсивности на внутренней границе обусловлен концентрацией одной части лучей, взаимодействующих с внутренней поверхностью капилляра, и отклонением другой части лучей, проходящих только через стенку капилляра, в сторону внешней границы, что ведет к образованию пробела на плоскости детектора.
• Описанное наблюдение соответствует определению линии каустики. В данной работе было доказано, что каустика, известная для видимого света, наблюдается и в случае рентгеновского излучения.
