21 марта 2022

Томский политех разработал новые протоколы сканирования и компенсационные фильтры для российских томографов

Исследователи Томского политеха разработали протоколы, которые позволяют повысить производительность традиционных томографов и качество томограмм. Протоколы применимы к оборудованию, которое используется в геологии при исследовании полноразмерных кернов, а также в атомной, энергетической и других отраслях. При этом их внедрение не требует изменения конструкции томографов и больших дополнительных затрат. Исследования и разработки новых протоколов проводятся в рамках программы «Приоритет 2030». Усовершенствованные томографы имеют более высокую скорость сканирования, улучшенную контрастную чувствительность и могут стать полноценной заменой зарубежной технике.

Разработка протоколов сканирования — совместный проект специалистов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и лаборатории рентгеновской оптики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ. Исследование проводилось для томографа полноразмерного керна. Оборудование позволяет реконструировать объемные образцы породы (керны) с получением трехмерной модели его внутренней структуры. Сегодня перед недропользователями стоит задача оцифровать физические образцы и создать цифровые хранилища кернов. Применив к большой цифровой базе кернов новые алгоритмы, построенные с использованием нейронных сетей и искусственного интеллекта (ИИ), можно будет выявлять скрытые закономерности, которые не видны в конкретном эксперименте, но проявляются на большой выборке.

Для получения адекватных результатов моделирования и работы алгоритмов ИИ к цифровым двойникам керна предъявляются высокие требования по разрешению. А для наполнения цифрового кернохранилища необходимым объемом данных от аппарата требуется работа на высокой скорости, чтобы отсканировать километры керна. Традиционные протоколы позволяют сканировать образцы полноразмерного керна со скоростью от 4-5 часов/метр с разрешением до 150 микрон, что крайне медленно. Увеличение скорости неизбежно ведет к ухудшению разрешения до 200-300 микрон. Этого недостаточно для детального анализа, направленного на поиск скрытых закономерностей.

Специалисты ТПУ улучшили оптическую схему томографа и добавили к классической схеме томографии пассивные оптические элементы — компенсационные фильтры специальной формы. Это их первое применение в томографах такого типа. Ранее компенсационные фильтры сложной формы использовались только в медицине для минимизации дозы излучения.

«Классические томографы работают на 10 % от возможностей используемых в них источников излучения. При работе с неживыми объектами главный параметр — разрешающая способность и микроконтраст. В случае с керном можно свести форму фильтров к геометрическим примитивам и тем самым «уместить» всю мощность излучения источника в ограниченный динамический диапазон детектора с минимальными потерями в фильтре, — рассказывает директор Исследовательской школы физики высокопрочных процессов ТПУ Алексей Гоголев. — Мы провели полномасштабное моделирование и показали, что, применив несложные оптические элементы, можно использовать всю мощность источника при томографии полноразмерных кернов, не переделывая систему детектирования».

Детектор обладает двумя базовыми характеристиками — разрешение и динамический диапазон. Если интенсивность излучения очень высокая, то даже при наличии объекта или в тонких его местах сигнал может выйти за предел динамического диапазона и исчезнуть с проекции. Это как при попытке рассмотреть предмет, когда в глаза светит яркое солнце. Чтобы избежать такого эффекта в случае с томографом, в качестве «солнцезащитных очков» выступают компенсационные фильтры. Они модулируют интенсивность и спектральный состав излучения от источника таким образом, чтобы по всему периметру детектора интенсивность и спектр излучения были одинаковые как с предметом (керном), так и без него.

Разработанные томскими учеными компенсационные фильтры имеют ряд преимуществ. Они не требуют дополнительного обслуживания, технологичны, просты в изготовлении и позволяют на фундаментальном уровне обеспечить выравнивание сигналов и утилизацию полной мощности рентгеновского источника.  

Эксперименты показали, что новые протоколы позволяют проводить сканирование разрешением лучше 150 микрон на высокой скорости, до 40-60 минут на один метр керна.  Или, другими словами, увеличить производительность традиционного томографа до пяти раз. На данный момент технология апробирована и внедрена на томографе производства ТПУ в компании ООО «Корэтест Сервис» (Тюмень), подана заявка на регистрацию патента.

«Полученные протоколы легко оптимизировать под задачи атомной, медицинской, энергетической и других отраслей. В рамках «Приоритета 2030» наша команда будет заниматься разработкой инструментов для контроля ТВЭЛов исследовательских реакторов и создания технологий по утилизации СО2. Таким инструментом станет спектральный микротомограф с новым протоколом увеличения контрастной чувствительности», — резюмирует Алексей Гоголев.