Материал: Симонов Томографические измерителные информационные системы 2011

3.2.2. Коллиматор рентгеновского излучения

Анализ погрешностей коллиматора. В гл. 2 было показано,

что для решения задач томографии требуется достаточно узкий коллимированный рентгеновский пучок. Для веерной схемы сканирования рентгеновский пучок должен быть узким по толщине и охватывать все единичные детекторы блока детекторов.

Общий принцип коллимирования – это диафрагмирование поперечного сечения пучка введением на его пути материалов, максимально поглощающих излучение (чаще всего это свинец или его сплавы). Диафрагмирующие пластины размещаются перпендикулярно оси пучка излучения. Один из критериев качества диафрагмирования – ширина полутени края облучения. Различают полутени геометрическую и краевого эффекта как для основного пучка, исходящего из неточечного фокуса трубки, так и афокального излучения. Схематически эти компоненты показаны на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Схема диафрагмирования поперечного сечения рентгеновского пучка

Геометрическая полутень основного пучка обусловлена неточечностью фокуса и составляет

где b – ширина оптического фокуса; F – расстояние от фокуса до детектора излучения; f – расстояние от фокуса до коллимирующих пластин.

Геометрическая полутень афокального излучения

где d – диаметр анода трубки.

Полутень от краевого эффекта обусловлена неодинаковостью ослабления излучения на краях коллимирующих пластин и выражается

кр f

где х – толщина пластин; α – угол между краем поглотителя и лучом, проходящим через край пластины.

Приведенные закономерности (3.34)–(3.36) определяют общие подходы к конструированию коллиматоров. Во-первых, максимально приближают к объекту исследования детектирующую систему при разумно большом удалении объекта от фокуса, тем самым уменьшают F – f при возможно максимальном f. Во-вторых, уменьшение hr возможно за счет уменьшения фокусного пятна трубки b. Однако эти общие соображения не всегда могут быть удовлетворены из-за ряда ограничивающих факторов. Так, уменьшение b требует уменьшения анодного тока трубки Jа из-за ограничений удельной тепловой нагрузки на единицу площади анода (3.18). Следствием является уменьшение интенсивности излучения на входе детектирующей системы, чувствительность которой достаточно ограничена. Это ведет к необходимости уменьшить f, что, в свою очередь, ведет к увеличению hr.

Уменьшение геометрической полутени афокального излучения получают за счет максимального приближения коллиматора к фокусу. Обычно располагают коллиматор непосредственно на входном окне рентгеновского излучателя. Составляющую полутени за счет краевого эффекта уменьшают геометрической конструкцией коллимирующей пластины (уменьшение угла α (3.36)).

212

Учитывая, что объект исследования имеет не плоскопрямоугольную форму, а овальную или круглую, проходящее через него излучение поглощается неравномерно даже в случае его идеальной гомогенности. Динамический диапазон линейности детекторной системы обычно ограничен, поэтому на пути пучка необходимо помещать компенсационные фильтры (так называемые доджеры), частично выравнивающие интенсивность излучения в плоскости сканирования для двух типов исследования: для головы и тела человека.

Материал этих фильтров по поглощающей способности выбирается эквивалентным исследуемому объекту, а форма должна соответствовать усредненным значениям поглощения излучения системы компенсационный фильтр + исследуемый объект. В этом случае угловое распределение толщины компенсационного фильтра для веерной схемы сканирования будет иметь вид, как показано на рис. 3.13.

S

γ

θ

К

Компенсационный фильтр

М С

r

N

Исследуемый объект

0

Луч

P

Рис. 3.13. Угловое распределение толщины компенсационного фильтра

213

Угловое распределение толщины фильтра Т(γ) = KM определяется из геометрических соотношений рис. 3.32 при условии, что сумма толщины исследуемого объекта l (γ) = NP и толщины

фильтра T(γ) равна постоянной величине. Исходя из этого T(γ) определяется соотношением

Методы уменьшения полихроматичности излучения. Кол-

лиматоры, наряду с формированием геометрии рабочего пучка излучения, решают задачу сужения спектра излучения для приближения его к моноэнергетическому, чего требует постановка решения задачи томографии, показанного в гл. 2. Это достигается помещением на пути пучка фильтров. Фильтрация излучения обусловлена зависимостью коэффициента ослабления рентгеновского излучения μ от энергии Е.

Первичная фильтрация пучка осуществляется в рентгеновском излучателе (стенка трубки, трансформаторное масло, выходное окно). Этой фильтрации, как правило, оказывается недостаточно. Поэтому устанавливают дополнительный фильтр. Чем толще слой дополнительного фильтра, тем относительно больше энергия прошедшего через него излучения и тем меньше вклад “мягкой” длинноволновой составляющей, обладающей меньшей проникающей способностью (рис. 3.14).

До напряжений генерирования рентгеновского излучения ~120 кВ (Е =17–150 кэВ) используют фильтры из алюминия 2,5 мм, так как для алюминия линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения для низкоэнергетических составляющих спектра указанного диапазона резко возрастает (рис. 3.15).

Применение компенсационного фильтра (доджера), основной задачей которого является выравнивание интенсивности вдоль блока детекторов с целью уменьшения динамического диапазона ее

214

измерения, также частично решает задачу сужения спектра рентгеновского излучения.

J, % 100

50

25

5 мм Al

2 мм Al

Рис. 3.14. Спектральные характеристики рентгеновского излучения в зависимости от толщины алюминиевого фильтра

μ,cmсм−1

103

Cu

101

100

Рис. 3.15. Зависимость коэффициента линейного ослабления рентгеновского излучения от энергии для алюминия (Al) и меди (Cu)

Однако ни дополнительные (Al, Cu и т. д.), ни компенсационные фильтры могут не решить задачу уменьшения влияния поли-

215