Comptonův rozptyl tomografie pro zemědělské měření

VĚDECKÉ články
ZEMĚDĚLSKÉ STROJE ŘÍZENÍ

Comptonův rozptyl tomografie pro zemědělské měření

Tomógrafo de espalhamento Compton medidas para agrícolas

Paulo E. CruvinelI; Závažná A. BalogunII

IDoctor v Automatizaci, výzkumný Pracovník na Embrapa Zemědělské Přístroje, e-mail: [email protected]
IIPhysics Profesor, vědecký Pracovník v Oddělení Fyziky, Univerzitě obafemi Awolowo, Ile-Ife, Nigeria

ABSTRAKT

Tento článek prezentuje nový přístup v tomografické přístroje pro zemědělství založené na Comptonův rozptyl, což umožňuje současné měření hustoty a vlhkosti půdy vzorky. Comptonová tomografie je technika, kterou lze použít k získání prostorové mapy elektronické hustoty vzorků. Kvantitativní výsledky lze získat pomocí rekonstrukčního algoritmu, který bere v úvahu absorpci dopadajícího a rozptýleného záření. Výsledky ukazují koeficient lineární korelace lepší než 0,81, když se porovnává měření hustoty půdy založené na této metodě a tomografie přímého přenosu. Pro obsah půdní vody byl zjištěn koeficient lineární korelace lepší než 0,79 ve srovnání s měřeními získanými reflektrometrií časové domény (TDR). Kromě toho, sada Comptonův rozptyl obrázky jsou uvedeny pro ilustraci účinnosti této zobrazovací techniky, což umožňuje lepší prostorové analýzy variability předem stanovených rovinách.

klíčová slova: Comptonová tomografie, hustota půdy a vlhkost, zemědělská automatizace.

abstrakt

tato práce představuje nový tomografické přístroje pro zemědělství založené na Comptonův rozptyl, což umožňuje současné měření hustoty a vlhkosti půdy vzorky. Comptonová tomografie je technika, která umožňuje prostorové mapování elektronických hustot vzorku. Výsledky ukazují lineární korelační koeficient lepší než 0.81 pro srovnávací měření se provádí mezi touto metodou a transmisní tomografie technika. Pro měření vlhkosti půdy byl zjištěn lineární korelační koeficient lepší než 0,79 ve srovnání s technikou reflectrometrie v časové doméně (RTD). Dále je prezentována sada Tomograficky získaných obrazů comptonova rozptylu pro ilustraci účinnosti vyvinuté techniky, která umožňuje analyzovat prostorovou variabilitu v předem vybraných rovinách.

klíčová slova: Comptonová tomografie, hustota půdy a vlhkost, zemědělská automatizace.

ÚVOD

Nedestruktivní testování odborníky zpochybněny komplexní produkty můžete vybrat sofistikované metody a systémy, jako jsou počítačová tomografie, emisní tomografie, nebo jeden z několika magnetická rezonance systémy vyvinuté pro jiné aplikace. Počítačová tomografie (CT) technika propagoval Cormack a Hounsfield umožňuje zobrazování objektů v osové řezy (CORMACK, 1973; HOUNSFIELD, 1973). Tyto obrázky pak mohou být uloženy jako stoh dvourozměrných (2D) matic čísel. Navzdory prokázanému úspěchu těchto technik v různých oblastech, studie aplikací rozptýlených fotonů pokračovaly v nabírání na síle v posledním desetiletí. Oba souvisle i nesouvisle rozptýlené fotony a technika, využívající energetický profil Comptonův rozptyl vrcholy byly použity různě a v kombinaci charakterizovat tělesných tkání, jako jsou kosti, měkké tkáně, plíce a tuky. Comptonův rozptyl měření zjistili, aplikace, jako je řízení kvality ve výrobě obráběcích strojů a automobilových dílů, jakož i pro monitorování prostředí s vysokou teplotou roztavené kovy. Ve všech těchto případech umožňuje kompaktnost požadovaného přístrojového vybavení umístění zdroje i detektoru na stejnou stranu objektu, jehož hustota má být měřena. Ukázalo se, že použití úhlů zpětného rozptylu zlepšuje citlivost a zvyšuje Reprodukovatelnost měření (GIGANTE & HANSON, 1989).

kromě jednobodové denzitometrie bylo provedeno mapování hustoty roviny zájmu (zobrazování) na různých objektech. Mezi často citované výhody patří, z různých důvodů, částečné zobrazování těla, přístupnost, a snížená potřeba výpočetní rekonstrukce obrazu. Použitelnost této techniky však byla omezena kvůli řadě faktorů. Ty zahrnují systematické nejistoty ohledně útlumu obou incidentu a rozptýlené světlo fotonů v objektu, příspěvek více rozptýlené fotony na užitečný signál, a rozptyl objemu, ze které užitečný signál je odvozen. V roce 1993 Balogun a spolupracovníci studovali variaci objemu rozptylu s úhlem rozptylu pomocí počítačového algoritmu založeného na numerické analýze (BALOGUN & SPYROU, 1993). Tloušťka závislost rozptýleného fotonu plynulost byla prokázána pro epoxidové pryskyřice vyšetřovaném vzorku na 150º úhel rozptylu pomocí 60 keV fotonu energie 241Am. Pro tloušťku nasycení byla získána hodnota 5 cm.

X-ray počítačová tomografie (CT), jeden z několika typů přímého přenosu tomografické systémy uplatňované Embrapa Zemědělské Přístrojové Centrum od roku 1984, je nyní rozpoznán jako univerzální technika, jak půdu, vědy a různých průmyslových odvětvích (PETROVIC et al., 1982; HAINSWORTH & AYLMORES, 1983; CRESTANA et al. 1985; CRUVINEL a kol., 1987, 1990). V této studii, navržen tak, aby překonal problémy vzniklé metodami přímé přenosové tomografie, uvádíme výsledky specializovaných skenerů Compton scattering tomography vyvinutých pro zemědělské aplikace.

teoretické základy

dopadající gama nebo rentgen mohou interagovat s hmotou včetně půd několika forem. K pravděpodobným interakčním formám může dojít vzájemně nebo obecně ve formě koherentního rozptylu, nekoherentního rozptylu, fotoelektrického jevu a výroby párů. V fotoelektrické interakce, energie příchozí foton zcela pohlcen orbitální elektron, zatímco částečné energetické ztráty, kterou utrpěl foton, jak to prochází nekoherentní rozptyl s prakticky volný elektron (BEISER, 1969). V posledním případě cílový elektron a rozptýlený foton sdílejí energii fotonu. V případě výroby párů se dopadající foton v přítomnosti jaderného pole převede na elektronový pozitronový pár. Interakce prostřednictvím koherentní rozptyl trasy za následek žádnou ztrátu energie dopadajícího fotonu. Několik forem interakce záření s hmotou závisí na dopadající fotonové energii, ale jsou také ovlivněny a modulovány podle atomového čísla z cílových prvků.

pokud jsou parciální pravděpodobnosti interakce různých režimů interakčních režimů vyneseny proti energii fotonu, je rozsah vlivu každého režimu jasně zřejmý. To ukazuje, že pod 30 keV fotonové energie, fotoelektrický efekt je dominantní s koherentním rozptylem, který vykazuje určitý přínos. Nad touto úrovní a až 60 keV je směs fotoelektrického efektu a koherentního a nekoherentního rozptylu. V rozmezí 60 keV až několik MeV rozsah, nicméně, nesouvislý rozptyl přebírá jako dominantní způsob interakce gama v půdě. Výroba párů začíná od 1,22 MeV a stává se relevantní pouze při vysoké energii při několika MeV fotonové energie.

Tak, že mezi tato hranice 60 keV a 1,33 MeV, z komerčně dostupných radioizotopů, převládající režim interakce gama záření v půdě je nesouvislý nebo Comptonův rozptyl. Jako rozptyl převažuje, Klein-Nishina diferenciální průřez pro volný elektron je dána jednoznačně tím, že energie a úhel vztah, jako nás:

kde,

r0 – klasický poloměr elektronu číselně rovna 2.818 × 10-15 m;
q – rozptyl úhel rozptýleného fotonu, a
sazba mezi energií E dopadajícího fotonu a klidové hmotnosti energie elektronu, který se rovná 511 keV.

platnost rovnice (1) nastává, když je fotonová energie mnohem větší než vazebná energie cílových elektronů. Proto lze říci, že se očekává, že počet rozptýlených fotonů bude pro tuto energii úměrný sypné hustotě nebo obsahu vody. V realističtější podobě, paprsky dopadající a rozptýlené fotony trpět útlum v cestování od zdroje prostřednictvím vzorku rozptyl objemu a tedy k detektoru. Aby bylo možné považovat tento, můžeme napsat rovnici (2), pro číslo jednotné rozptýlené fotony detekovány v detektoru jako:

kde,

t – čas v sekundách, během počítání období;

I0(E) – incident photon flux s energií E;

– Klein-Nishina diferenciální průřezu na energii E pro volný elektron;

dW – diferenční úhel související s Klein-Nishina diferenciální průřez;

r – objemová hmotnost;

Z – protonové číslo;

NA – Avogadrovo číslo;

N-hmotnostní číslo zkoumaného materiálu.

µ1 a µ2 – lineární zeslabení faktory zeslabení primární a rozptýlené fotony ve vzorku;

e – detektor je photopeak počítání účinnosti v rozptýlené energie fotonu;

x1 a x2 – délka cesty fotonů ve vzorku od zdroje rozptylu centra a zpět k detektoru, respektive, a

dV – diferenciální objem považovat za záření a jeho interakce s hmotou.

MATERIÁL A METODY

půdy použité v této studii byly shromážděny v experimentální oblasti Pindorama, SP, Brazílie, součástí Agronomické Institute of Campinas, uvnitř 5000 m2 plochy v kombinaci Brazilské Podzol (Paleuhumult) a červeno-žluté Brazilské Latosol z Motuca – SP, Brazílie. Pro kalibraci měření sypné hustoty půdy byla sada vzduchem sušených a prosetých vzorků půdy umístěna do řady krabic z plexiskla 50 x 50 x 80 mm.

kalibrovat měření obsahu vody v půdě, sada proseté vzorky zeminy s různým obsahem vlhkosti byl také kladen do různých 50 x 50 x 80 mm, Plexi boxy.

experimentální set-up se skládala ze dvou radioaktivních zdrojů, jedním z 137Cs v půdě hromadné měření hustoty a druhé 231Am na obsahu vody měření, emitující záření gama energií 662 keV a 60 keV, resp. Použitá geometrie počítání byla navržena tak, aby zvýšila dostupný dopadající tok a zkrátila experimentální čas potřebný pro danou přesnost počítání. Aktivita radioaktivních zdrojů během experimentu byla 600 mCi a 300 mCi.

počítání času použité pro jednotlivé energie byl 50 sekund na vzorku bod na projekce s prostorovým rozlišením 2 mm, celkem 30 vzorku bodů na projekční a celkem 10 cm vertikální posun.

Obr. 1 blokové schéma ukazuje, architektura Comptonův rozptyl tomografie skenování systému, který se skládá ze dvou radioaktivních zdrojů (jeden pracující s 60 keV a druhý s 662 keV), a scintillator detektor (NaI(Tl)) shromáždil přes mechanické prsten zařízení, dva krokové motory byly prezentovány: jeden pro překlad a jeden pro vertikální posun vzorku.

způsobem, aby se usnadnilo provádění platformy, a stát se více modulární bylo vytvořit pět jader, která umožnila koncový uživatel systému úplné využití podobě architektury, která byla nejvíce intuitivní a stal se tak pro koncového uživatele transparentní procesoru architektury. Z těchto modulů, tři byly vyvinuty v C a byly provedeny v architektuře. Tyto tři moduly pro trojrozměrné a dvourozměrné algoritmy paralelní rekonstrukce byly implementovány pomocí adaptivního filtru a 2D waveletů. Dále, Hamming, wavelets 1D, a obnovení signálu byly implementovány v modulu dvourozměrné rekonstrukce. Další dva moduly byly vyvinuty v prostředí Windows s použitím Borland Builder C++ verze 5.0. Tyto moduly jsou zodpovědné za propojení s rekonstrukčními moduly a při rekonstrukcích se stávají zcela nezávislým rozhraním. Grafické rozhraní umožňuje výběr datových souborů, které mají projekce, které budou rekonstruovány pomocí trojrozměrných a dvourozměrných paralelních algoritmů. S těmito aplikacemi, jeden může udělat dvou-dimenzionální vizualizace umožňující výběr oblasti zájmu, s použitím šedé-úrovni (nebo pseudo-barvy) tóny představují hustoty nebo vlhkosti setkali v analyzovaném vzorku. Kromě toho lze také zvolit parametry filtrace a oblasti zájmu.

výsledky a diskuse

Obrázek 2 ukazuje Comptonův tomografický přístroj pro zemědělskou aplikaci, který je založen na aplikaci dvou jednokanálových analyzátorů a dvou digitálních čítačů a časovačů.

obrázek 3 ukazuje úhlovou závislost objemu rozptylu vzorku a počtu počtů, jak je popsáno v rovnici (1).

Obrázek 4 ukazuje, jak typické Compton spektra bez a s půdou pro energii 662 keV, tj., pokud jde o počet, počítá na kanál versus puls výška ve Voltech. Comptonův rozptyl, také známý jako nekoherentní rozptyl, nastává, když dopadající rentgenový foton vysune elektron z atomu a rentgenový foton s nižší energií je rozptýlen z atomu. V tomto procesu je zachována relativistická energie a hybnost a rozptýlený rentgenový foton má méně energie, a proto delší vlnovou délku než dopadající foton. Potom je na obrázku 4 možné pozorovat nepřítomnost rozptylového fotopeaku ve spektru získaném bez půdy, tj. z prázdné nádoby. Druhé spektrum získané ze vzorku půdy však ukazuje výskyt velkého rozptylového fotopeaku v takové energetické hladině, která je menší než zdrojová energie. Jak se očekávalo z rovnice (2), tento výsledek je funkcí zvětšení diferenciálního průřezu Klein-Nishina pro volné elektrony analyzovaného vzorku půdy.

Obrázek 5 ukazuje, Compton obrázky s 662 keV a 60 keV respektive zástupce Brazilského vzorku půdy, baleno v plexi krabičce. Obraz představuje podélný průřez vzorku, umožněný rastrovým pohybem sběru dat skenovacího systému. Na těchto obrázcích jsme zobrazili přímo variaci počtu rozptýlených fotonů pomocí pseudobarevných úrovní. Bližší studium obrázků ukazuje některé oblasti s nízkými hodnotami pro rozptýlené fotony vlevo od obrázku. To je vzhledem k nerovnému útlum v rozptýleného paprsku modulovaného vzdálenost projet rozptýleného paprsku ve vzorku.

obrázky 6 a 7 ukazují, respektive srovnání výsledků získaných pro obě půdy měření hustoty pomocí Compton tomografie versus převodovka tomografie metoda, stejně jako objemový obsah vody měření pomocí Compton tomografie versus time domain reflectrometry (TDR) metoda. Taková srovnání ukázala koeficienty lineární korelace 0,81 pro objemovou hustotu půdy a 0,79 pro měření objemového obsahu vody.

pro lepší kvantitativní tomografii Compton scatter vyžaduje tento problém další korekční faktory. Nicméně, tyto výsledky ukazují, že obrazy získané pomocí této techniky mohla mít aplikace v půdě vědy srovnatelné s jeho přenos protějšek, který otevírá cestu na pole, měřicí zařízení na základě Compton zpětného rozptylu foton detekční technika.

závěry

Compton tomografický skener věnovaný studiím půdních věd byl navržen a vyroben v Embrapa Agricultural Instrumentation Center, São Carlos, Brazílie. Toto zařízení, založené na 137Cs a 231Am radioaktivních zdrojích, bylo použito ke studiu závislosti počtu rozptýlených fotonů na hustotě půdy a vlhkosti. Bylo pozorováno, že kvantitativní měření jsou zkreslena účinkem útlumu rozptýleného paprsku. Výsledky také ukazují možnosti dalšího vývoje této techniky, která má být použita pro studium půdy in situ, a proto by měla být zvláště zajímavá pro zemědělství.

POTVRZENÍ

autoři by chtěli vyjádřit svou vděčnost Embrapa, Brazilské Rady pro Výzkum (CNPq) a Třetí Světové Akademie Věd (TWA).

BALOGUN, F. a.; SPYROU, N. M. Comptonův rozptyl tomografie při studiu hustý materiál v lehčí matrix. Jaderné Nástroje a metody B 83, Amsterdam, s. 533-8, 1993.

BEISER a. Perspektivy moderní fyziky. New York: McGraw-Hill, 1969.

Cormack A. M. rekonstrukce hustot z jejich projekcí s aplikacemi. Radiologická fyzika, fyzika, medicína a biologie, v. 18, n. 2, s. 195-207, 1973.

CRESTANA. S.; MASCARENHAS. S.; POZZI-MUCELLI. R. S. Statické a dynamické trojrozměrné studie vody v půdě pomocí počítačové tomografické skenování. Soil Science, Madison, v. 140, č. 5, s. 326-32, 1985.

CRUVINEL P. E.; CESAREO R.; CRESTANA, s.; MASCARENHAS s. X a gama paprsky počítačový minitomografický skener pro půdní vědu. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurements, New York, v. 39, n. 5, s. 745-50, 1990.

CRUVINEL P. E. X a gama ray počítačový mini-skener pro multidisciplinární použití. 1987. 329 f. Disertační práce (Doktorské) – University of Campinas, UNICAMP, Campinas, 1987.

GIGANTE, G. E.; HANSON, a. L. hodnocení geometrického příspěvku k šíření distribuce energie Comptonova rozptylu. Physical Review A, New York, v. 40, n. 1, s. 171-80, 1989.

HAINSWORTTH, J. M.; AYLMORE L. a. G. Použití počítačové tomografie k určení prostorového rozložení obsahu půdní vody. Austrian Journal of Soil Research, Collingwood, v. 21, s. 435-43, 1983.

HOUNSFIELD g. n. počítačové příčné axiální skenování (tomografie): Část 1. Popis systému. Britannic Journal of Radiology, v. 46, s. 1016-22, 1973.

PETROVIC A. M.; SIEBERT J. E.; RIEKE. P. E. Půdní objemová hmotnost analýzy ve třech rozměrech pomocí počítačové Tomografické Skenování, půdní obsah vody. Austrian Journal of Soil Research, Collingwood, v. 21, s. 445-50, 1982.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.