Compton scattering per tomografia agricolo di misurazioni

pubblicazioni SCIENTIFICHE
MACCHINE AGRICOLE di GESTIONE

Compton scattering per tomografia agricolo di misurazioni

Tomógrafo de espalhamento Compton medidas para agrícolas

Paolo E. CruvinelI; Fatai A. BalogunII

IDoctor in Automazione, Ricercatore presso l’Embrapa Agricolo di Strumentazione, e-mail: [email protected]
Professore di IIPhysics, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica, Obafemi Awolowo University ,le-I, Nigeria

ABSTRACT

Questo articolo presenta un nuovo approccio nella strumentazione tomografica per l’agricoltura basata sullo scattering Compton, che consente la misurazione simultanea della densità e dell’umidità dei campioni di terreno. La tomografia compton è una tecnica che può essere utilizzata per ottenere una mappa spaziale della densità elettronica dei campioni. I risultati quantitativi possono essere ottenuti utilizzando un algoritmo di ricostruzione che tiene conto dell’assorbimento di radiazioni accidentali e sparse. I risultati mostrano un coefficiente di correlazione lineare migliore di 0,81, quando viene effettuato il confronto tra le misurazioni della densità del suolo basate su questo metodo e la tomografia a trasmissione diretta. Per il contenuto di acqua del suolo, è stato trovato un coefficiente di correlazione lineare migliore di 0,79 rispetto alle misurazioni ottenute dalla riflettometria nel dominio del tempo (TDR). Inoltre, viene presentata una serie di immagini a dispersione Compton per illustrare l’efficacia di questa tecnica di imaging, che rende possibile una migliore analisi della variabilità spaziale di piani prestabiliti.

Parole chiave: Tomografia compton, densità e umidità del suolo, automazione agricola.

abstract

questo lavoro presenta una nuova strumentazione tomografica per l’agricoltura basata sullo scattering Compton, che consente la misurazione simultanea della densità e dell’umidità dei campioni di terreno. La tomografia compton è una tecnica che consente la mappatura spaziale delle densità elettroniche di un campione. I risultati mostrano un coefficiente di correlazione lineare migliore di 0,81 per le misurazioni comparative eseguite tra questo metodo e la tecnica della tomografia a trasmissione. Per la misurazione dell’umidità del suolo, è stato trovato un coefficiente di correlazione lineare migliore di 0,79 rispetto alla tecnica di riflettometria nel dominio del tempo (RTD). Inoltre, viene presentato un insieme di immagini di scattering Compton ottenute tomograficamente per illustrare l’efficacia della tecnica sviluppata, che consente di analizzare la variabilità spaziale nei piani preselezionati.

parole chiave: Tomografia compton, densità e umidità del suolo, automazione agricola.

INTRODUZIONE

I professionisti dei test non distruttivi sfidati da prodotti complessi possono scegliere metodi e sistemi sofisticati, come la tomografia computerizzata, la tomografia ad emissione o uno dei numerosi sistemi di risonanza magnetica sviluppati per altre applicazioni. Tomografia computerizzata (CT) una tecnica pionieristica di Cormack e Hounsfield consente l’imaging di oggetti in sezioni trasversali assiali (CORMACK, 1973; HOUNSFIELD, 1973). Queste immagini possono quindi essere memorizzate come una pila di matrici bidimensionali (2D) di numeri. Nonostante il comprovato successo di queste tecniche in diversi campi, gli studi sulle applicazioni di fotoni sparsi hanno continuato a guadagnare slancio negli ultimi dieci anni. Sia i fotoni sparsi coerentemente che incoerentemente e una tecnica che impiega il profilo energetico dei picchi di dispersione Compton sono stati usati variamente e in combinazione per caratterizzare i tessuti del corpo come ossa, tessuti molli, polmoni e grassi. Le misure di scattering Compton hanno trovato applicazioni come il controllo di qualità nella produzione di macchine utensili e parti automobilistiche, nonché per il monitoraggio di ambienti ad alta temperatura di metalli fusi. In tutti questi casi, la compattezza della strumentazione richiesta consente di posizionare sia la sorgente che il rivelatore sullo stesso lato dell’oggetto di cui si deve misurare la densità. L’uso di angoli di back-scattering ha dimostrato di migliorare la sensibilità e migliorare la riproducibilità della misura (GIGANTE & HANSON, 1989).

Oltre alla densitometria a punto singolo, la mappatura della densità di un piano di interesse (imaging) è stata eseguita su vari oggetti. I vantaggi spesso citati includono, per vari motivi, l’imaging parziale del corpo, l’accessibilità e la ridotta necessità di ricostruzione dell’immagine computazionale. Tuttavia, l’applicabilità di questa tecnica era stata limitata a causa di una serie di fattori. Questi includono incertezze sistematiche per quanto riguarda l’attenuazione di entrambi incidente e fascio sparso di fotoni nell’oggetto, contributo di più fotoni sparsi per il segnale utile, e il volume di dispersione da cui il segnale utile è derivato. Nel 1993, Balogun e collaboratori hanno studiato la variazione del volume di scattering con l’angolo di scattering utilizzando un algoritmo informatico basato sull’analisi numerica (BALOGUN & SPYROU, 1993). La dipendenza dallo spessore della fluidità del fotone sparso è stata dimostrata per un campione di resina epossidica esaminato ad un angolo di scattering di 150º utilizzando l’energia del fotone di 60 keV di 241Am. È stato ottenuto un valore di 5 cm per lo spessore di saturazione.

Tomografia computerizzata a raggi X (CT) uno dei diversi tipi di sistemi tomografici a trasmissione diretta applicati dal Embrapa Agricultural Instrumentation Center dal 1984, è ora riconosciuto come una tecnica versatile sia dalla scienza del suolo che da vari settori industriali (PETROVIC et al., 1982; HAINSWORTH & AYLMORES, 1983; CRESTANA et al. 1985; CRUVINEL et al., 1987, 1990). Nel presente studio, progettato per superare i problemi sostenuti dai metodi di tomografia a trasmissione diretta, riportiamo i risultati di uno scanner di tomografia a scattering Compton dedicato, sviluppato per applicazioni agricole.

BACKGROUND TEORICO

Una gamma incidente o un raggio X possono interagire con la materia, compresi i terreni di diverse forme. Le probabili forme di interazione possono avvenire reciprocamente o generalmente sotto forma di scattering coerente, scattering incoerente, effetto fotoelettrico e produzione di coppie. Nell’interazione fotoelettrica, l’energia del fotone in arrivo è completamente assorbita da un elettrone orbitale, mentre una perdita parziale di energia è subita dal fotone mentre subisce uno scattering incoerente con un elettrone praticamente libero (BEISER, 1969). Nell’ultimo caso, l’elettrone bersaglio e il fotone sparso condividono l’energia del fotone. Nel caso della produzione di coppie, un fotone incidente, in presenza di un campo nucleare, viene convertito in una coppia di positroni di elettroni. Le interazioni tramite la via di scattering coerente non comportano alcuna perdita di energia da parte del fotone incidente. Diverse forme di interazione della radiazione con la materia dipendono dall’energia del fotone incidente, ma sono anche influenzate e modulate in base al numero atomico Z degli elementi bersaglio.

Se le probabilità di interazione parziale dei vari modi di modi di interazione sono tracciate contro le energie fotoniche, la gamma di influenza di ogni modo è chiaramente evidente. Questo dimostra che al di sotto di 30 keV di energia fotonica, effetto fotoelettrico è dominante con dispersione coerente mostrando qualche contributo. Sopra questo livello e fino a 60 keV è una miscela di effetto fotoelettrico e, dispersione coerente e incoerente. Nell’intervallo da 60 keV a pochi MeV, tuttavia, lo scattering incoerente prende il sopravvento come modalità dominante di interazione gamma nel suolo. La produzione di coppie inizia da 1,22 MeV diventando rilevante solo ad alta energia a diversi MeV di energia fotonica.

Quindi, tra questi limiti di 60 keV e 1,33 MeV, dai radioisotopi disponibili in commercio, la modalità di interazione predominante dei raggi gamma nel suolo è lo scattering incoerente o Compton. Come scattering predomina, la Klein-Nishina differenziale di sezione per un elettrone libero è dato unicamente dall’energia e dall’angolo di relazione, come:

dove,

r0 – classico dell’elettrone raggio numericamente uguale alla 2.818 x 10-15 m;
q – scattering angolo dei dispersi del fotone, e
a – rapporto tra energia E del fotone incidente e la massa a riposo dell’energia dell’elettrone, che è pari a 511 keV.

La validità dell’equazione (1) si verifica quando l’energia del fotone è molto più grande dell’energia di legame degli elettroni bersaglio. Quindi si può dire che il numero di fotoni sparsi dovrebbe essere proporzionale per tale energia alla densità apparente o al contenuto di acqua rispettivamente. In una forma più realistica, i fasci di fotoni incidenti e sparsi subiscono un’attenuazione nel viaggiare dalla sorgente attraverso il campione al volume di dispersione e, quindi, al rivelatore. Al fine di considerare questo, possiamo scrivere l’equazione (2), per il numero dei singoli sparsi fotoni rilevati presso il rivelatore come:

dove

t – tempo in secondi durante un periodo di conteggio;

I0(E) – incidente flusso di fotoni con energia E;

– Klein-Nishina differenziale sezione trasversale in corrispondenza di energia E per un elettrone libero;

dW – differenziale angolo relative a Klein-Nishina differenziale sezione trasversale;

r – densità di massa;

Z numero atomico;

NA – numero di Avogadro;

N-numero di massa del materiale oggetto dell’inchiesta.

µ1 e µ2 – attenuazione lineare dei fattori di attenuazione del primario, e sparsi fotoni all’interno del campione;

e – detector fotopicco efficienza di conteggio alla sparsi energia del fotone;

x1 e x2 – lunghezza dei percorsi dei fotoni nel campione dall’origine alla dispersione centro e il retro del rivelatore, rispettivamente, e

dV – differenziale volume da prendere in considerazione per la radiazione e la sua interazione con la materia.

MATERIALE E METODI

Il terreno utilizzato in questo studio è stato raccolto nel campo sperimentale di Pindorama, SP, Brasile, parte dell’Istituto Agronomico di Campinas, all’interno di un’area di 5000 m2 di Podzol brasiliano combinato (Paleuhumult) e Latosol brasiliano rosso-giallo di Motuca – SP, Brasile. Per calibrare le misure di densità apparente del suolo, una serie di campioni di terreno essiccati all’aria e setacciati sono stati collocati in una serie di scatole di plexiglass da 50 x 50 x 80 mm.

Per calibrare le misurazioni del contenuto di acqua del suolo, è stato anche inserito un set di campioni di terreno setacciati con diverso contenuto di umidità in varie scatole di plexiglass da 50 x 50 x 80 mm.

L’impianto sperimentale consisteva in due sorgenti radioattive, una di 137C per le misurazioni della densità apparente del suolo e l’altra di 231Am per le misurazioni del contenuto idrico, che emettevano energie di raggi gamma rispettivamente di 662 keV e 60 keV. La geometria di conteggio utilizzata è stata progettata per aumentare il flusso incidente disponibile e ridurre il tempo sperimentale richiesto per una data precisione di conteggio. L’attività delle sorgenti radioattive durante l’esperimento era di 600 mCi e 300 mCi.

Il tempo di conteggio impiegato per ogni energia era di 50 secondi per punto campionato sulla proiezione con una risoluzione spaziale di 2 mm, un totale di 30 punti campionati per proiezione e uno spostamento verticale totale di 10 cm.

Figura 1 schema a blocchi mostra l’architettura del Compton scattering tomografia sistema di scansione, che si compone di due sorgenti radioattive (uno funzionante con 60 keV e la seconda con 662 keV), e scintillatore rivelatore NaI(Tl)), montato sopra una meccanica anello di dispositivo; due motori passo-passo sono stati presentati: uno per la traduzione e uno per lo spostamento verticale del campione.

Il modo per facilitare l’implementazione della piattaforma e diventare più modulare era quello di sviluppare cinque nuclei che permettessero all’utente finale del sistema l’uso completo della forma di architettura che era la più intuitiva e quindi divenne trasparente per l’utente finale dell’architettura del processore. Di questi moduli, tre sono stati sviluppati in C e sono stati eseguiti nell’architettura. Questi tre moduli per algoritmi di ricostruzione parallela tridimensionale e bidimensionale sono stati implementati rispettivamente mediante il filtro adattivo e le wavelet 2D. Inoltre, l’Hamming, wavelets 1D e il ripristino del segnale sono stati implementati nel modulo di ricostruzione bidimensionale. Gli altri due moduli sono stati sviluppati in ambiente Windows con l’uso di Borland Builder C++ versione 5.0. Questi moduli sono responsabili dell’interfacciamento con i moduli di ricostruzione, diventando un’interfaccia totalmente indipendente man mano che si verificano le ricostruzioni. L’interfaccia grafica permette la selezione dei file di dati con proiezioni che verranno ricostruite attraverso gli algoritmi paralleli tridimensionali e bidimensionali. Con queste applicazioni, si può fare una visualizzazione bidimensionale permettendo la selezione della regione di interesse, utilizzando il livello di grigio (o pseudo-colori) toni per rappresentare la densità o umidità incontrato in un campione analizzato. Oltre a questo, si possono anche scegliere i parametri di filtrazione e le regioni di interesse.

RISULTATI E DISCUSSIONE

La figura 2 mostra lo strumento di tomografia Compton per applicazioni agricole, che si basa sull’applicazione di due analizzatori a canale singolo e due contatori e timer digitali.

La figura 3 mostra la dipendenza angolare del volume di dispersione del campione e del numero di conteggi, come descritto dall’equazione (1).

La figura 4 mostra entrambi gli spettri tipici di Compton senza e con il suolo per un’energia di 662 keV, cioè in termini di numero di conteggi per canale rispetto all’altezza dell’impulso in Volt. Lo scattering Compton, noto anche come scattering incoerente, si verifica quando il fotone a raggi X incidente espelle un elettrone da un atomo e un fotone a raggi X di energia inferiore viene sparso dall’atomo. L’energia relativistica e la quantità di moto sono conservate in questo processo e il fotone a raggi X sparsi ha meno energia e quindi una lunghezza d’onda più lunga del fotone incidente. Quindi, nella Figura 4, è possibile osservare l’assenza del photopeak di dispersione nello spettro ottenuto senza terreno, cioè da un contenitore vuoto. Tuttavia, il secondo spettro ottenuto dal campione di terreno mostra il verificarsi di una grande dispersione photopeak in un tale livello di energia, che è più piccolo dell’energia sorgente. Come previsto dall’equazione (2) questo risultato è una funzione dell’allargamento della sezione differenziale di Klein-Nishina per gli elettroni liberi del campione di terreno in analisi.

La figura 5 mostra immagini Compton con 662 keV e 60 keV rispettivamente di un campione rappresentativo di terreno brasiliano, confezionato in una scatola di plexiglass. L’immagine rappresenta una sezione trasversale longitudinale del campione, resa possibile dal movimento raster della raccolta dei dati del sistema di scansione. In queste immagini, abbiamo mostrato direttamente la variazione volex-by-volex del numero di fotoni sparsi per livelli di pseudo-colore. Uno studio più attento delle immagini mostra alcune aree con valori bassi per i fotoni sparsi a sinistra dell’immagine. Ciò è dovuto all’attenuazione disuguale nel fascio sparso modulato dalla distanza percorsa dal fascio sparso all’interno del campione.

Le figure 6 e 7 mostrano rispettivamente un confronto dei risultati ottenuti sia per le misurazioni della densità del suolo mediante tomografia Compton rispetto al metodo della tomografia a trasmissione, sia per le misurazioni volumetriche del contenuto di acqua mediante tomografia Compton rispetto al metodo della riflettometria nel dominio del tempo (TDR). Tali confronti hanno mostrato coefficienti di correlazione lineare di 0,81 per la densità apparente del suolo e 0,79 per le misurazioni volumetriche del contenuto idrico.

Per una migliore tomografia a dispersione Compton quantitativa, questo problema richiede ulteriori fattori di correzione. Tuttavia, questi risultati dimostrano che le immagini ottenute utilizzando questa tecnica potrebbero avere applicazioni nella scienza del suolo paragonabili alla sua controparte di trasmissione, aprendo la strada a un dispositivo di misurazione del campo basato sulla tecnica di rilevamento dei fotoni di backscatter Compton.

CONCLUSIONI

Uno scanner tomografico Compton dedicato agli studi di scienze del suolo è stato progettato e costruito presso l’Embrapa Agricultural Instrumentation Center, São Carlos, Brasile. Questa apparecchiatura, basata su sorgenti radioattive 137Cs e 231Am, è stata utilizzata per studiare la dipendenza del numero di fotoni sparsi sulla densità del suolo e sull’umidità. Le misurazioni quantitative sono state osservate distorte dall’effetto dell’attenuazione del fascio sparso. I risultati mostrano anche le potenzialità per continuare lo sviluppo di questa tecnica da impiegare per lo studio del suolo in situ e dovrebbero quindi essere di particolare interesse per l’agricoltura.

RICONOSCIMENTO

Gli autori desiderano esprimere il loro apprezzamento a Embrapa, al Consiglio di Ricerca brasiliano (CNPq) e alla Terza Accademia Mondiale delle Scienze (TWAS).

BALOGUN, F. A.; SPYROU, N. M. Tomografia a dispersione Compton nello studio di un materiale denso in una matrice più leggera. Strumenti e metodi nucleari B 83, Amsterdam,p.533-8, 1993.

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