страница - 123
где X - длина волны в свободном пространстве; е - относительная диэлектрическая проницаемость элемента.
Затем передатчик перемещается по окружности объекта контроля и вычисления проводят при различных положениях приемника. При повышении частоты передатчика можно получить более точную информацию о распределении диэлектрической проницаемости.
Еще одним направлением в разработке томографических систем на СВЧ является применение допплеровского метода. Суть метода в следующем. СВЧ антенна используется для облучения вращающегося объекта с некоторой заданной мощностью излучения на одной частоте. Эта же антенна используется и для приема отраженных сигналов. Исследуемый объект поворачивается на угол 360°, при этом на каждом угле наблюдения фиксируются амплитуда и фаза сигналов. Поскольку исследуемый объект поворачивается относительно неподвижной антенны, центры рассеяния энергии облучения внутри объекта дают отраженные сигналы, сдвинутые по частоте относительно исходной на величину, зависящую от скорости перемещения отдельных отражателей.
Если объект вращается с постоянной угловой скоростью, то центры рассеяния, лежащие на линии постоянной поперечной дальности, будут иметь одинаковую составляющую скорости в направлении на антенну. Таким образом, в данный момент времени все эти центры рассеяния будут отражать сигнал и все отраженные ими сигналы будут иметь один и тот же допллеровский сдвиг частоты.
Измеряя выходной сигнал приемника на некоторой частоте, получим сумму (линейный интеграл) рассеянного излучения на данной поперечной дальности, соответствующей этой частоте. Амплитуда отраженных сигналов на других частотах дает линейные интегралы для рассеивателей на других поперечных дальностях. График зависимости мгновенной амплитуды от частоты можно интерпретировать как томографическую проекцию. Через некоторое время исследуемый объект повернется в новое положение и будут получены новые проекции и т.д.
Таким образом, за полный оборот исследуемого тела будет получен набор проекций. Алгоритм томографической реконструкции по данным, получаемым из этих проекций, дает изображение распределения центров рассеяния в облучаемом объекте.
Восстановление изображения по когерентной допплеровской томограмме состоит в вычислении двумерного преобразования Фурье.
Главное преимущество когерентной допплеровской томографии состоит в том, что она обладает высоким пространственным разрешением, которое можно получить при непрерывном излучении, не прибегая к использованию широкополосных сигналов. К недостаткам относится наличие больших боковых лепестков у передаточной функции точки, которые ограничивают динамический диапазон и ухудшают разрешение.
Наибольший интерес в обращении волнового уравнения, необходимого для количественных оценок, достигнут в реконструктивной томографии при работе в трансмиссионном режиме. Примером такого подхода являются методы СВЧ-томографии, основанные на принципах С В Ч-радиовидения и многочастотной радиоголографии.
Принцип многочастотной голографии наиболее перспективен для формирования томографических изображений в СВЧ-диапазоне. Для голографии присуща возможность избирательного восстановления определенной части образной информации об источниках волнового поля в процессе реконструкции. Однако разрешающая способность не одинакова в различных координатных направлениях и зависит от метода регистрации голограмм. Так, предложено использовать для облучения объектов широкополосные сигналы. Применение широкополосных сигналов в радиоголографии позволяет: во-первых, значительно улучшить разрешающую способность в радиальном направлении и повысить качество изображений; во-вторых, осуществить синтезирование приемной апертуры.
Синтезирование приемной апертуры осуществляется при облучении исследуемой среды широкополосным квазигармоническим сигналом с линейной частотной модуляцией или дискретной перестройкой частоты. При этом сканирование одной из координат в пространстве заменяется сканированием частотой.
При реализации методов многочастотной радиоголографии для облучения объекта используют зондирующий сигнал в виде короткого импульса, в виде квазигармонического сигнала с линейной частотной модуляцией или дискретной перестройкой частоты. При этом разрешающая способность не зависит от вида используемого сигнала и определяется только шириной его спектра и размерами приемной апертуры.
Метод многочастотной голографии обеспечивает улучшение характеристик томографических систем в диапазоне СВЧ. При получении изображений объектов, скрытых неоднородными средами, метод наиболее эффективно подавляет ложные изображения.
Применение широкополосных зондирующих сигналов, улучшая разрешающую способность по глубине, открывает перспекти-
вы построения изображений объектов по сечениям.
Описанные выше методики и алгоритмы могут быть использованы при решении прикладных задач по контролю изделий из диэлектрических полимерно-композиционных материалов. Может использоваться метод когерентной допплеровской томографии для контроля и диагностики изделий в виде тел вращения из радиопрозрачных полимерно-композиционных материалов и многочастотный метод послойного зондирования. В другом случае методика может быть основана на радиоволновом методе синтезирования огибающей радиоимпульсного сигнала во временной области по данным измерений на многих частотах отражающей способности исследуемых структур при их электромагнитном облучении в диапазоне СВЧ. Данная методика может быть использована для следующего:
измерения общей электрической толщины слоистой структуры;
измерения электрических толщин каждого из слоев структуры;
определения геометрических толщин каждого из слоев структуры;
измерения расстояния от апертуры антенны до передней грани образца;
выявления внутренних неоднородностей в слоях и определения глубины их залегания;
определения эффективной относительной диэлектрической проницаемости материала каждого из слоев;
определения модуля коэффициента отражения всей структуры и границы раздела между слоями.
В результате использования данной методики и сканирования объекта может быть получено квазитомографическое изображение поперечного сечения исследуемого объекта в отраженных волнах.
3.8.5. ТОМОГРАФИЯ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ЯМР)
Среди магнитно-резонансных методов для томографии могут быть использованы ЯМР и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Эти методы основаны на том, что обладающие магнитным моментом ядра атомов (ЯМР) или парамагнитные атомы (ЭПР), помещенные в однородное магнитное поле, избирательно взаимодействуют с магнитной компонентой электромагнитной волны, частота которой строго определена. ЯМР и ЭПР отличаются исключительной чувствительностью к самым тонким особенностям физических и химических свойств различных веществ и биологических объектов. Поэтому методы ЯМР и ЭПР томографии позволяют не
только обнаруживать нарушения сплошности в контролируемых материалах, но обнаруживать так же и различия в материалах, отличающихся по химическому составу, но совпадающих по элементному.
Вначале ЯМР использовался для ЯМР-спектроскопии. Были достаточно хорошо разработаны импульсные методы ЯМР-спектро-скопии, однако первые ЯМР-изображения модельных образцов имели низкое качество и требовали больших затрат времени. Поэтому интенсивно разрабатывались методы построения ЯМР-изображений. Были предложены методы построения изображений, причем не только спиновой плотности, но и времен релаксации резонирующих магнитных моментов. ЯМР-томография развивалась в направлении повышения чувствительности, разрешающей способности и сокращения времени построения видеоизображений. Одновременно была решена проблема создания высокооднородных магнитных полей в больших объемах, что позволило создать лабораторные образцы ЯМР-томографов.
Пространственное разрешение ЯМР томографов в медицине составляет -0,1 мм. Медицинские томографы обычно работают на ядрах водорода 2Н, углерода 13С, фтора 19F, натрия 23Na и фосфора 31Р.
В начале 80-х годов ЯМР-томографы, первоначально разработанные для медицины, стали применяться в промышленности. Широкое применение нашли сравнительно простые ЯМР-спектрометры и ЯМР-релаксометры с вынесенным полем. Такие приборы применяются для анализа горных пород и могут быть использованы как миноискатели. ЯМР-томография может быть использована для неразрушающего контроля неметаллических материалов и изделий.
Возрос интерес исследователей к ЯМР-томографии твердого тела (полимеры, керамика, резина и т.д.). Основной трудностью здесь является получение высокого пространственного разрешения, поскольку линии ЯМР твердого тела имеют большую ширину, а разрешение обратно пропорционально ширине линии. Применяют в основном два метода сужения линии: вращение образца с большой скоростью и использование специальных импульсных последовательностей с последующей математической обработкой. Предложен метод вращающегося магнитного поля; при этом нет необходимости вращать образец. Применение этого метода для интроскопии изделий из полимеров позволило получить пространственное разрешение около 50 мкм.
Сложность обусловлена необходимостью получения однородных магнитных полей напряженностью до 2 - 5 Тл и импульсных переменных полей с заданными градиентами в
объемах до 1 м3. Для ЯМР-томографии выпускают сверхпроводящие соленоиды с горизонтально расположенным рабочим каналом диаметром 1 м и длиной 0,85 м.
Структурная схема системы ЯМР-томографии приведена на рис. 3.8.8.
Объект исследования 14 помещается в зазор между полюсами сверхпроводящего соленоида 1 и датчиком ЯМР 8, который в свою очередь заключен в гелиевый криостат 2. Поле соленоида 1 возбуждается от специального источника питания 5, в основу которого положен преобразователь, состоящий из генератора и усилителя мощности. Блок управления 4 задает режим работы сверхпроводящего соленоида 1 с помощью ключа 3. Создаваемая соленоидом однородность и стабильность поля в объеме 1 см3 должна быть на уровне 10"7 Тл.
Поскольку соленоид работает в наиболее экономичном "замороженном" режиме, для развертки поля применяется дополнительная двухслойная сверхпроводящая обмотка 6, помещенная в рабочее отверстие соленоида, а с помощью блока развертки поля 7 значительно снижаются искажения однородности поля. Возникающие в объекте исследования 14 сигналы свободной прецессии улавливаются датчиком 8 и поступают на низкочастотный тракт 10, который соединен с устройствами документирования 9, реконструкционным спецпроцессором 12, вычислительной машиной 11 и пультом управления 13.
Синтез томограммы реализуется с помощью хорошо отработанного Фурье-алгоритма. Исследован механизм возникновения и разработаны процедуры коррекции геометрических и амплитудных искажений изображения.
ЯМР-томографы выпускаются в Германии (Bruker, Siemens), США (General Electric), Японии (Hitachi, Toshiba, Sanyo), Финляндии.
Ниже даны характеристики этих ЯМР-томографов: диаметр рабочего отверстия от 70 до 900 мм,
индукция магнитного поля от 0,02 до 9,4 Тл,
тип соленоида - резистивный или сверхпроводящий магнит.
Достигнутое пространственное разрешение (при интроскопии изделий из полимеров) 25 - 100 мкм. Основное применение - в медицине. В этих странах, а также в России ведутся исследования по применению ЯМР для контроля изделий из керамики, полимерных материалов и резины (в частности, для контроля процесса полимеризации резиноподобных материалов), для анализа качества угля и жидкого топлива в топливно-энергетическом комплексе. ЯМР создает уникальную возможность измерения расхода жидкого топлива и измерения профиля скоростей в потоке без внесения дополнительного гидравлического сопротивления в систему топливоподачи. Применение таких расходомеров на порядок повышает производительность труда при регулировке двигателей на топливную экономичность, гарантирует создание обоснованных норм расхода топлива.
Метод ЯМР широко применяется как инструмент научных исследований при изучении тончайших свойств большинства веществ - структуры молекул, скорости реакций и химического равновесия, химических связей, кристаллических структур, внутренних движений в твердых телах и жидкостях, электронных плотностей в металлах, сплавах и полупроводниках, внутренних полей в ферромагнитных и антиферромагнитных веществах.
Рис. 3.8.8. Структурная схема системы ЯМР-томографин
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]