Compton verstrooiing tomografie voor landbouw-metingen

publicaties
landbouwmachines MANAGEMENT

Compton verstrooiing tomografie voor landbouw-metingen

Tomógrafo de espalhamento Compton para medidas agrícolas

Paulo E. CruvinelI; Fatai A. BalogunII

IDoctor in Automatisering, Onderzoeker bij de Embrapa Agrarische Instrumentatie, e-mail: [email protected]
Iifysica Professor, onderzoeker aan de Physics Department, Obafemi Awolowo University, Ile-Ife, Nigeria

ABSTRACT

dit artikel presenteert een nieuwe aanpak in tomografische instrumentatie voor de landbouw op basis van Compton scattering, die het mogelijk maakt om de dichtheid en het vochtgehalte van bodemmonsters gelijktijdig te meten. Compton tomografie is een techniek die kan worden gebruikt om een ruimtelijke kaart van elektronische dichtheid van monsters te verkrijgen. Kwantitatieve resultaten kunnen worden verkregen met behulp van een reconstructie-algoritme dat rekening houdt met de absorptie van invallende en verspreide straling. De resultaten laten een lineaire correlatie-coëfficiënt zien die beter is dan 0,81, wanneer een vergelijking wordt gemaakt tussen gronddichtheidsmetingen op basis van deze methode en directe transmissietomografie. Voor de inhoud van het bodemwater werd een lineaire correlatie-coëfficiënt van beter dan 0,79 gevonden in vergelijking met metingen verkregen door tijddomeinreflectrometrie (TDR). Daarnaast wordt een reeks Compton-scatterbeelden gepresenteerd om de effectiviteit van deze beeldvormingstechniek te illustreren, die een verbeterde ruimtelijke variabiliteitsanalyse van vooraf vastgestelde vlakken mogelijk maakt.Trefwoorden: Compton tomography, soil density and moisture, agricultural automation.

abstract

dit werk presenteert een nieuwe tomografische instrumentatie voor de landbouw op basis van Compton-verstrooiing, die het mogelijk maakt de dichtheid en het vochtgehalte van bodemmonsters gelijktijdig te meten. De Compton-tomografie is een techniek die het ruimtelijke in kaart brengen van de elektronische dichtheden van een steekproef toestaat. De resultaten tonen een lineaire correlatiecoëfficiënt beter dan 0,81 voor vergelijkende metingen uitgevoerd tussen deze methode en de transmissie tomografie techniek. Voor de meting van bodemvocht werd een lineaire correlatiecoëfficiënt gevonden die beter is dan 0,79 in vergelijking met de tijddomein reflectrometrie (RTD) techniek. Bovendien, wordt een reeks Compton het verspreiden tomografisch verkregen beelden voorgesteld om de doeltreffendheid van de ontwikkelde techniek te illustreren, die het mogelijk maakt om de ruimtelijke veranderlijkheid in vooraf geselecteerde vlakken te analyseren.Trefwoorden: Compton tomography, soil density and moisture, agricultural automation.

inleiding

niet-destructief onderzoek beoefenaars die worden uitgedaagd door complexe producten kunnen kiezen voor geavanceerde methoden en systemen, zoals gecomputeriseerde tomografie, emissie tomografie of een van de verschillende systemen voor beeldvorming met magnetische resonantie die voor andere toepassingen zijn ontwikkeld. Computerized tomography (CT) een techniek die door Cormack en Hounsfield werd ontwikkeld, maakt beeldvorming van objecten in axiale doorsneden mogelijk (Cormack, 1973; HOUNSFIELD, 1973). Deze beelden kunnen dan worden opgeslagen als een stapel van tweedimensionale (2D) matrices van getallen. Ondanks het bewezen succes van deze technieken op diverse gebieden, zijn de studies van toepassingen van verspreide fotonen blijven momentum binnen het afgelopen decennium winnen. Zowel coherent als incoherent verspreide fotonen en een techniek die het energieprofiel van Compton-verstrooiingspieken gebruiken zijn verschillend en in combinatie gebruikt om lichaamsweefsels zoals beenderen, zacht weefsel, longen en vetten te karakteriseren. Compton verstrooiingsmetingen hebben toepassingen gevonden zoals kwaliteitscontrole in de productie van gereedschapswerktuigen en auto-onderdelen, evenals voor het bewaken van omgevingen met hoge temperaturen van gesmolten metalen. In al deze gevallen maakt de compactheid van de vereiste instrumentatie het mogelijk om zowel de bron als de detector aan dezelfde kant van het object te plaatsen waarvan de dichtheid moet worden gemeten. Het gebruik van “back-scattering” hoeken heeft aangetoond dat het de gevoeligheid en de reproduceerbaarheid van de meting verbetert (GIGANTE & HANSON, 1989).

behalve de enkelvoudige densitometrie is op verschillende objecten een densiteitskartering van een relevant vlak (beeldvorming) uitgevoerd. De vaak genoemde voordelen omvatten, om verschillende redenen, gedeeltelijke lichaamsweergave, toegankelijkheid, en verminderde behoefte aan computationele beeldreconstructie. De toepasbaarheid van deze techniek was echter beperkt door een aantal factoren. Deze omvatten systematische onzekerheden met betrekking tot de verzwakking van zowel incident als verspreide straal van fotonen in het object, bijdrage van veelvoudige verspreide fotonen aan het nuttige signaal, en het verstrooien volume waarvan het nuttige signaal wordt afgeleid. In 1993 hebben Balogun en medewerkers de variatie van het verstrooiingsvolume met verstrooiingshoek bestudeerd met behulp van een numeriek-analyse-gebaseerd computeralgoritme (BALOGUN & SPYROU, 1993). De dikte-afhankelijkheid van verstrooide fotonfluentie werd aangetoond voor een epoxyharsmonster dat onder een verstrooiingshoek van 150º werd onderzocht met behulp van de 60 keV-fotonenergie van 241Am. Voor de verzadigingsdikte werd een waarde van 5 cm verkregen.X-ray computerized tomography (CT) een van de verschillende typen tomografische systemen met directe transmissie die sinds 1984 door het Embrapa Agricultural Instrumentation Center worden toegepast, wordt nu erkend als een veelzijdige techniek door zowel de bodemwetenschap als verschillende industriële sectoren (PETROVIC et al., 1982; HAINSWORTH & AYLMORES, 1983; CRESTANA et al. 1985; CRUVINEL et al., 1987, 1990). In deze studie, die is ontworpen om problemen met directe transmissie tomografie methoden te overwinnen, rapporteren we de resultaten van een speciale Compton verstrooiing tomografie scanners, ontwikkeld voor agrarische toepassingen.

theoretische achtergrond

een invallende gamma of Röntgenstraal kan interageren met materie, inclusief bodems van verschillende vormen. De waarschijnlijke interactievormen kunnen onderling of in het algemeen gebeuren in de vorm van coherente verstrooiing, onsamenhangende verstrooiing, foto-elektrisch effect en paarproductie. In de foto-elektrische interactie wordt de energie van het binnenkomende foton volledig geabsorbeerd door een orbitaal elektron, terwijl een gedeeltelijk energieverlies wordt geleden door het foton als het een onsamenhangende verstrooiing ondergaat met een vrijwel vrij elektron (BEISER, 1969). In het laatste geval delen het doel elektron en het verstrooide foton de energie van het foton. Bij paarproductie wordt een invallend foton, in aanwezigheid van een kernveld, omgezet in een elektron positronpaar. Interacties via coherente verstrooiingsroute leiden niet tot energieverlies door het invallende foton. Verschillende vormen van stralingsinteractie met materie zijn afhankelijk van de invallende fotonenergie, maar ze worden ook beïnvloed en gemoduleerd volgens het Z atoomnummer van de doelelementen.

indien de partiële interactiekansen van de verschillende interactiemodi worden uitgezet tegen fotonenenergieën, is het bereik van de invloed van elke modus duidelijk zichtbaar. Dit toont aan dat onder 30 keV van fotonenergie, foto-elektrisch effect dominant is met coherente verstrooiing die enige bijdrage toont. Boven dit niveau en tot 60 keV is een mengsel van foto-elektrisch effect en coherente en onsamenhangende verstrooiing. In het bereik 60 keV tot een paar MeV bereik, echter, incoherente verstrooiing neemt over als de dominante modus van gamma-interactie in de bodem. Paarproductie begint vanaf 1,22 MeV en wordt alleen relevant bij hoge energie bij meerdere mev fotonenergie.Onder deze limieten van 60 keV en 1,33 MeV, afkomstig van in de handel verkrijgbare radio-isotopen, is de overheersende interactiemodus van gammastraling in de bodem de onsamenhangende of Compton-verstrooiing. Als verstrooiing overheerst, de Klein-Nishina differentiële cross-sectie voor een vrije elektronen gegeven is uniek door de energie en hoek, die ons:

waar,

r0 – klassieke elektron straal numeriek gelijk aan 2.818 x 10-15 m;
q – verstrooiingshoek van het verstrooide foton, en
een – tarief tussen de energie E van het invallend foton en de rest massa-energie van het elektron, die gelijk is aan 511 keV.

de geldigheid van vergelijking (1) komt voor wanneer de fotonenergie veel groter is dan de bindende energie van de doelelektronen. Men kan dus zeggen dat het aantal verstrooide fotonen naar verwachting proportioneel zal zijn voor dergelijke energie aan de bulkdichtheid of het watergehalte respectievelijk. In een meer realistische vorm, lijden de bundels van incident en verspreide fotonen verzwakking in het reizen van de bron door de steekproef aan het het verspreiden volume en, vandaar aan de detector. Om dit te overwegen, kunnen we de vergelijking (2) schrijven, voor het aantal enkele verspreide fotonen gedetecteerd bij de detector als:

waarbij,

T-tijd in seconden gedurende een telperiode;

I0 (E) – invallende fotonflux met energie E;

– Klein-Nishina differentiële dwarsdoorsnede bij energie E voor een vrij elektron;

DW-differentiële hoek gerelateerd aan de Klein-Nishina differentiële dwarsdoorsnede;

R-bulkdichtheid;

Z-atoomnummer;

na-Avogadro ‘ s nummer;

N-massagetal van het onderzochte materiaal.

µ1 en µ2 – lineaire demping factoren van de demping van de primaire en verstrooide fotonen binnen de steekproef;

e – detector photopeak het tellen van de efficiëntie bij het verstrooide foton energie;

x1 en x2 – lengte van de paden van de fotonen in de steekproef van de bron naar de verstrooiing centrum en terug naar de melder, respectievelijk de en

dV – differentiële volume beschouwd voor de straling en de interactie met de materie.

materiaal en methoden

de in deze studie gebruikte bodem werd verzameld in het experimentele veld van Pindorama, SP, Brazilië, onderdeel van het agronomisch Instituut van Campinas, binnen een oppervlakte van 5000 m2 gecombineerd Braziliaans Podzol (Paleuhumult) en rood-geel Braziliaans Latosol uit Motuca – SP, Brazilië. Om de bulkdichtheidsmetingen van de bodem te kalibreren, werden aan de lucht gedroogde en gezeefde bodemmonsters in een aantal plexiglas dozen van 50 x 50 x 80 mm geplaatst.

om de metingen van het bodemwatergehalte te kalibreren, werd ook een reeks gezeefde bodemmonsters met een verschillend vochtgehalte in verschillende Plexiglaskisten van 50 x 50 x 80 mm geplaatst.

de experimentele opzet bestond uit twee radioactieve bronnen, één van 137c ‘ s voor metingen van de bulkdichtheid van de bodem en de andere van 231Am voor metingen van het watergehalte, die gammastraling-energieën van respectievelijk 662 keV en 60 keV uitzendt. De gebruikte telgeometrie is ontworpen om de beschikbare invallende flux te vergroten en de experimentele tijd die nodig is voor een bepaalde telnauwkeurigheid te verminderen. De activiteit van de radioactieve bronnen tijdens het experiment was 600 mCi en 300 mCi.

de gebruikte teltijd voor elke energie bedroeg 50 seconden per meetpunt op de projectie met een ruimtelijke resolutie van 2 mm, in totaal 30 meetpunten per projectie en een totale verticale verplaatsing van 10 cm.

figuur 1 in het blokdiagram toont de architectuur van het Compton scattering tomografie scansysteem, dat bestaat uit twee radioactieve bronnen (Een werkt met 60 keV en de tweede met 662 keV), en scintillator detector (Nai(Tl)) gemonteerd over een mechanische ring.er werden twee stappenmotoren gepresenteerd: een voor vertaling en een voor verticale verschuiving van het monster.

de manier om de implementatie van het platform te vergemakkelijken en meer modulair te worden, was het ontwikkelen van vijf kernen die de eindgebruiker van het systeem volledig gebruik van de vorm van architectuur die het meest intuïtief was en dus transparant werd voor de eindgebruiker van de processorarchitectuur. Van deze modules zijn er drie ontwikkeld in C en uitgevoerd in de architectuur. Deze drie modules voor driedimensionale en tweedimensionale parallelle reconstructie algoritmen werden geïmplementeerd respectievelijk door middel van het adaptieve filter en 2D wavelets. Daarnaast werden de Hamming, wavelets 1D en de signaalherstel geïmplementeerd in de module van de tweedimensionale reconstructie. De andere twee modules werden ontwikkeld in de Windows-omgeving met het gebruik van Borland Builder C++ versie 5.0. Deze modules zijn verantwoordelijk voor de interfacing met de reconstructiemodules en worden een volledig onafhankelijke interface naarmate de reconstructies plaatsvinden. De grafische interface maakt de selectie mogelijk van de databestanden met projecties die zullen worden gereconstrueerd door middel van de driedimensionale en tweedimensionale parallelle algoritmen. Met deze toepassingen, kan men een tweedimensionale visualisatie maken die de selectie van het gebied van belang toestaat, gebruikend de grijsaard (of pseudo-kleuren) tonen om de dichtheid of vochtigheid te vertegenwoordigen die in een geanalyseerd monster wordt ontmoet. Daarnaast kan men ook kiezen voor de parameters van filtratie en regio ‘ s van belang.

resultaten en discussie

Figuur 2 toont het Compton-tomografie-instrument voor toepassing in de landbouw, dat gebaseerd is op de toepassing van twee eenkanaals analysatoren en twee digitale tellers en timers.

Figuur 3 toont de hoekafhankelijkheid van het verstrooiingsvolume van het monster en het aantal tellingen, zoals beschreven door vergelijking (1).

Figuur 4 toont zowel typische Compton spectra zonder en met bodem voor energie van 662 keV, d.w.z. in termen van het aantal tellingen per kanaal versus de pulshoogte in Volt. Compton verstrooiing, ook bekend als incoherent verstrooiing, komt voor wanneer het invallende röntgenfoton een elektron uit een atoom uitstraalt en een röntgenfoton van lagere energie van het atoom wordt verspreid. Relativistische energie en momentum worden behouden in dit proces en het verspreide Röntgenfoton heeft minder energie en daarom een langere golflengte dan het invallende foton. Vervolgens, in Figuur 4, is het mogelijk om de afwezigheid van de scatter photopeak in het spectrum verkregen zonder bodem, dat wil zeggen, uit een lege container waar te nemen. Echter, het tweede spectrum verkregen uit de bodemmonster toont het optreden van een grote verstrooiing photopeak in een dergelijk energieniveau, dat kleiner is dan de bronenergie. Zoals verwacht uit Vergelijking (2) is dit resultaat een functie van de vergroting van de Klein-Nishina differentiële dwarsdoorsnede voor de vrije elektronen van het te analyseren bodemmonster.

Figuur 5 toont Compton beelden met respectievelijk 662 keV en 60 keV van een representatief Braziliaans bodemmonster, verpakt in een plexiglas doos. Het beeld vertegenwoordigt een longitudinale dwarsdoorsnede van het monster, mogelijk gemaakt door rasterbeweging van gegevensverzameling van het scansysteem. In deze beelden, hebben we direct volex-door-volex variatie van het aantal verspreide fotonen door pseudo-kleur niveaus weergegeven. Een nadere studie van de beelden toont enkele gebieden met lage waarden voor verspreide fotonen aan de linkerkant van het beeld. Dit is toe te schrijven aan ongelijke verzwakking in de verspreide bundel gemoduleerd door de afstand die door de verspreide bundel binnen het monster wordt doorkruist.

de figuren 6 en 7 laten respectievelijk een vergelijking zien van de resultaten die zijn verkregen voor zowel gronddichtheidsmetingen door middel van Compton tomografie versus transmissietomografie methode, als volumetrische watergehaltemetingen door middel van Compton tomografie versus de tijddomein reflectrometrie (TDR) methode. Dergelijke vergelijkingen hebben lineaire correlatie-coëfficiënten van 0,81 voor de bulkdichtheid van de bodem en 0,79 voor volumetrische watergehaltemetingen aangetoond.

voor een betere kwantitatieve Compton scatter tomografie, dit probleem vereist extra correctiefactoren. Nochtans, tonen deze resultaten aan dat beelden die met deze techniek worden verkregen toepassingen in de bodemwetenschap zouden kunnen hebben vergelijkbaar met zijn transmissie tegenhanger, die de weg openen naar een veldmeetapparaat dat op Compton backscatter fotondetectietechniek wordt gebaseerd.

conclusies

in het Embrapa Agricultural Instrumentation Center, São Carlos, Brazilië is een Compton-tomografische scanner ontworpen en gebouwd voor bodemonderzoek. Deze apparatuur, gebaseerd op zowel 137Cs en 231Am radioactieve bronnen, is gebruikt om de afhankelijkheid van het aantal verspreide fotonen op bodemdichtheid en vocht te bestuderen. Kwantitatieve metingen werden verstoord door het effect van verstrooide bundeldemping. De resultaten tonen ook de mogelijkheden aan om de ontwikkeling van deze techniek voor bodemonderzoek in situ voort te zetten en moeten daarom van bijzonder belang zijn voor de landbouw.

erkenning

de auteurs willen hun waardering uitspreken voor Embrapa, de Braziliaanse Onderzoeksraad (CNPq) en de Third World Academy of Science (TWAS).BALOGUN, F. A.; SPYROU, N. M. Compton scattering tomography in the study of a dense material in a lighter matrix. Nuclear Instruments and Methods B 83, Amsterdam, blz. 533-8, 1993.

BEISER A. Perspectieven van de moderne natuurkunde. New York: McGraw-Hill, 1969.

Cormack A. M. reconstructie van dichtheden uit hun projecties met toepassingen. Radiologische fysica, fysica, geneeskunde en biologie, v. 18, n. 2, 195-207, 1973. CRESTANA S.; MASCARENHAS S.; POZZI-MUCELLI R. S. Static and dynamic three-dimensional studies of water in soil using computed tomographic scanning. Soil Science, Madison, v. 140, n. 5, pp. 326-32, 1985. CRUVINEL P. E.; CESAREO R.; CRESTANA, S.; MASCARENHAS S. X and Gamma rays computerized minitomograph scanner for soil science. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurements, New York, v. 39, n. 5, 745-50, 1990. CRUVINEL P. E. X en Gamma ray computerized miniscanner voor multidisciplinair gebruik. 1987. 329 f. proefschrift (Doctoraal) – Universiteit van Campinas, UNICAMP, Campinas, 1987.

GIGANTE, G. E.; HANSON, A. L. Evaluation of geometrical contribution to the spread of the Compton scatter energy distribution. Physical Review A, New York, V. 40, n. 1, p.171-80, 1989. HAINSWORTTH, J. M.; AYLMORE L. A. G. Het gebruik van Computergesteunde tomografie om de ruimtelijke verdeling van het bodemwatergehalte te bepalen. Austrian Journal of Soil Research, Collingwood, V. 21, 435-43, 1983. HOUNSFIELD G. N. Computerized transverse axial scanning (Tomography): Part 1. Beschrijving van het systeem. Britannic Journal of Radiology, V. 46, p. 1016-22, 1973. PETROVIC A. M.; SIEBERT J. E.; RIEKE P. E. soil bulk density analysis in three dimensions by Computed Tomographic Scanning, soil water content. Austrian Journal of Soil Research, Collingwood, V. 21, 445-50, 1982.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.