Технология бессепарационного экспресс определения характеристик потоков многофазной жидкости и устройство для ее реализации (стр. 2 )

- во-вторых, момент перехода при анализе интенсивностей от излучения непрерывного спектра к «эквивалентному» моноэнергетическому излучению с той же интенсивностью. Очевидно, характер взаимодействия непрерывного спектра и моноэнергетической линии излучения можно рассматривать как эквивалентные очень грубо. Это приближение приводит к значительной ошибке при интерпретации полученной зависимости интенсивности от энергии, что снижает точность анализа, и, как следствие, требует увеличение времени облучения потока жидкости для того чтобы скомпенсировать ошибку, но при этом автоматически увеличивается объем прокаченной жидкости по которому проходит усреднение измеряемых параметров.

В качестве альтернативы известным способам предлагается переход к волнодисперсионному анализу излучения прошедшего через многофазную среду. Отличие «волновой» технологии заключается в том, что из непрерывного спектра излучения трубки, при помощи блока монохроматоров-анализаторов, выделяют излучение с двумя различными длинами волн (энергиями) зависимость интенсивности которых и рассматривают в дальнейшем. Это позволяет избежать при анализе приближений, являющихся источниками ошибки в «двухэнергетической» технологии и значительно увеличить потенциальный резерв счетной характеристики детектора. На рисунке 3 приведена принципиальная схема двухволновой технологии.

Рисунок 3 – принципиальная схема двухволновой технологии

Основная трудность двухволновой технологии – выделение монохроматических линий достаточной интенсивности, и самое главное без высших гармоник (порядков), которые вносят погрешности. Данная задача может быть решена с использованием комбинированного двухкристального монохроматора-анализатора, состоящего из акустомонохроматора и традиционного брэгговского монохроматора. Первый кристаллический акустомонохроматор позволяет выделить линию в мягкой части спектра, при этом высшие порядки будут более чем на порядок подавлены из-за невыполнения условия полной переброски (µt = 1). Прототип акустомонохроматора был разработан в ходе проекта ГК № 11.519.11.2030 «Разработка адаптивной рентгеновской оптики нового поколения для устройств исследования биологических объектов и быстропротекающих процессов». Второй кристаллический монохроматор выбирается таким образом, что первый порядок дифракции приходится в диапазон спектра сильного подавления, а рабочей линией является второй порядок дифракции. Линии от третьего порядка дифракции нет по определению, так как напряжение на трубке выбирается меньше энергии третьего порядка дифракции.

2. Модель взаимодействия электронного пучка и рентгеновского излучения с веществом. Численное моделирование. Определение оптимальных параметров и режимов работы рентгеновского источника.

Как известно, взаимодействие РИ с веществом носит вероятностный характер. Любое исследование, основанное на регистрации РИ, таким образом, подчиняется законам математической статистики. В частности, возможность отличить в реальном эксперименте различные элементы в исследуемом объекте, а в случае анализа многофазных жидкостей - различные компоненты смеси, определяется количеством квантов РИ упавших на объект и зарегистрированных детектором. В силу последнего факта, важным параметром для предложенного способа анализа компонентного состава многофазных жидкостей является интенсивность потока РИ, который могут обеспечить те или иные виды источников РИ на основе рентгеновских трубок.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом является многопараметрическим процессом и определение оптимальных параметров устройства должно привести к значительному количественному и экономическому эффекту. Для оптимизации использовался метод численного полномасштабного моделирования: процессов взаимодействия излучения с веществом (электронного пучка с анодом и рентгеновского излучения с веществом), основанный на методе статистических испытаний Монте-Карло. Данный метод в настоящее время наиболее применим для расчета спектрального состава и интенсивности излучения, генерируемого источниками РИ.

Поскольку для анализа предлагается использование двухволновой технологии, в которой используются две узкие энергетические линии излучения, важным является вопрос оптимизации параметров источника излучения для получения наибольшего выхода излучения требуемых линий. Этот вопрос осложняется тем, что две энергетические линии получаются одновременно и от одного источника, а, как следствие, оптимизация параметров РТ для увеличения выхода одной лини может приводить к уменьшению выхода другой линии. Проведение моделирования позволит оптимизировать параметры РТ для одновременного получения двух энергетических линий подходящей интенсивности, более точно оценить необходимые мощность рентгеновской трубки и предел обнаружения, оценить точность и минимальное время измерения.

Для оптимизации затрат на физическое моделирование источника РИ целесообразно провести компьютерное моделирование спектральных характеристик РИ, генерируемого рентгеновской трубкой. Для этих целей была разработана модель процесса генерации РИ с использованием физических и математических библиотек Geant4 и CLHEP, соответственно. На рисунке 4 приведена схема моделируемого эксперимента.

Рисунок 4 - Схема моделируемого эксперимента по генерации РИ из аморфной мишени пучком электронов

В качестве примера, выбрана мишень выполненная из серебра толщиной 5 мм и поперечными размерами 2×2 см2 на которую падает пучок электронов с энергией 60 кэВ, который рождает в ней поток РИ. Детектор с поперечными размерами 5×5 см2 установлен на расстоянии 10 см. Воздух из рассматриваемой области откачан. Задача состоит в моделировании спектрального распределения фотонов РИ (рисунок 5).

Рисунок 5 – Расчетный спектр РИ от электронов с энергией 60 кэВ для мишени-анода, выполненной из серебра

Разработанная модель позволяет путем варьирования параметров описываемой установки моделировать различные источники и режимы работы. В дальнейшем, по разработанной модели проводился расчет спектров РИ для различных вариантов исполнения рентгеновских трубок (геометрия падения и вывода пучка, материалы мишени-анода и т. д.).

В зависимости от схемы взаимного расположения элементов и схемы вывода пучка можно выделить множество различных вариантов исполнения РТ. Так, например, существуют РТ с центральным односторонним, центральным по кольцу, торцевым односторонним и по кольцу вариантами вывода пучка. Различные схемы вывода, как правило, предназначаются для генерации пучков определенной формы для использования в конкретных задачах. Для предложенной в проекте технологии предпочтительно использование равномерного точечного пучка РИ и, соответственно, применение РТ, предназначенных для генерации пучков специфической формы не имеет смысла. Однако, спектральный состав излучения может также сильно меняться в зависимости от взаимного расположения элементов трубки. Два основных фактора, которые влияют на характеристики РИ, генерируемого рентгеновским аппаратом, - угол падения пучка электронов на мишень и угол вывода пучка РИ. Именно поэтому в целях оптимизации схемы генерации РИ следует провести расчет спектральных характеристик излучения в зависимости от этих двух факторов.

Существуют две основных схемы исполнения РТ с массивным анодом. Эти схемы представлены на рисунке 6. В схеме, представленной на рисунке 5б, пучок электронов падает на мишень-анод перпендикулярно, а вывод РИ, генерируемого в мишени, производится под малыми углами к ее поверхности. Такие РТ получили в настоящее время наибольшее распространение в области дефектоскопии. Во втором варианте исполнения пучок падает на мишень, представляющую собой цилиндр со срезанным под углом основанием. В зависимости от угла среза основания угол падения электронов на мишень может так же варьироваться. Вывод пучка РИ может осуществляться под разными углами. Для выбора наиболее подходящего для нашей задачи варианта исполнения были промоделированы спектры генерируемого непосредственно в мишени РИ для обоих этих вариантов.

Рисунок 6 - Схемы исполнения РТ

Спектры РИ, генерируемого в мишени, рассчитанные для двух описанных выше вариантов приведены на рисунке 7. При этом для первого варианта угол между направлением падения пучка на мишень и поверхностью задавался равным 45 градусов, угол между поверхностью и направлением вывода так же 45 градусов. Для второго варианта угол вывода составлял 6 градусов. Оба эти варианта реализации с такими параметрами являются вполне типичными для производства. В качестве материала анода использовалось серебро, ускоряющее напряжение составляло 60 кВ.

Рисунок 7 - Спектры РИ при различных вариантах исполнения РТ.

Как видно из рисунка 6, при варианте исполнения трубки с перпендикулярным падением пучка на мишень уровень интенсивностей излучения (рисунок 6а) в среднем для всех энергий приблизительно на порядок ниже, чем при варианте исполнения с наклонной мишенью, что подтверждает важность вопроса оптимизации параметров источника излучения. Наличие значительных флуктуаций в спектре, представленном на рисунке 6а, объясняется тем, что в силу меньшей относительной интенсивности выхода РИ, при одном и том же количестве разыгранных при моделировании историй количество зарегистрированных квантов будет так же отличаться в 10 раз для двух рассмотренных вариантов, а уменьшение числа фотонов в 10 раз ведет к увеличению относительной ошибки в = 3,62 раза.