В ТПУ создали мультиконтрастный томографический комплекс для промышленности и медицины

| 673

Физики Томского политехнического университета создали первый отечественный томограф, позволяющий визуализировать внутреннюю структуру объектов с использованием не только корпускулярных, но и волновых свойств рентгеновского излучения. Благодаря этому томограф может сканировать и находить микродефекты в сложных объектах с низкоконтрастными включениями и восстанавливать распределение химических элементов по объему. Это могут быть и сложные композитные материалы для авиакосмической отрасли, биологические или геологические объекты. Разработка проводилась при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» при участии компании «ЭлеСи».

«Мы разработали исследовательский томограф со свободной конфигурацией. Томограф объединяет традиционный способ трансмиссионной или абсорбционной рентгеновской томографии, сканирование в темном поле, позволяющее  визуализировать контуры оптических неоднородностей, фазовоконтрастный способ и спектральную (цветную) томографию. Последний способ позволяет, например, определить распределение химических элементов в объекте исследования по их способности поглощать рентгеновское излучение. Концепция томографа-конструктора позволяет быстро сконфигурировать любой томографический эксперимент под самые разные задачи, интересные для промышленности, научных или биомедицинских исследований», — говорит руководитель проекта, заместитель директора по развитию Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Алексей Гоголев.

Разработанный томограф умеет не только считать кванты рентгеновского излучения, прошедшего через объект, но и учитывать изменение фазы, амплитуды и длины волны рентгеновского излучения, а также возникающие при прохождении объекта интерференционные эффекты.

Традиционная рентгеновская томография определяет элементы в материале по плотности. Но среди современных материалов самого разного применения очень много композитных материалов, состоящих из компонентов с близкой плотностью. Это касается и биологических объектов — например хрящ, окруженный мягкими тканями, слабо отличается от них по плотности. Поэтому увидеть дефект в таких объектах с помощью традиционной рентгеновской томографии бывает сложно, особенно если он имеет малые линейные размеры.

Рентгеновское излучение обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами, что позволяет использовать не только методы на основе его прохождения, но и более точные интерференционные методы, которые активно используются, например, при работе с видимым светом. Совместный учет амплитуды, фазы и длины волны рентгеновского излучения позволяет получить информацию о низкоконтрастных материалах и их структуре.

«Техническая возможность создать компактные устройства, работающие с волновой информацией в рентгеновском диапазоне, приемлемого размера для диагностики больших объектов появилась только в 2000-х годах.

Сейчас томографы, работающие на этих принципах, создаются несколькими научными коллективами в США, Европе, Японии. В России подобных томографов до нашего не было. Он позволяет нам отслеживать сразу четыре параметра вместо одного. К традиционному количеству квантов добавились длина, амплитуда волны и ее фаза. Именно эти параметры и позволяют нам сканировать низкоконтрастные объекты и получать больше информации»,

— поясняет Алексей Гоголев.

По его словам, одной из самых трудоемких задач для разработчиков было создание программного обеспечения для обработки информации и согласования работы всех новых элементов конструкции, добавленных к традиционным элементам томографа. Конечно, волновая природа излучения используется уже давно на синхротронных источниках света больших ускорительных комплексов заряженных частиц. Но это оборудование не доступно для широкого массового применения в отличие от рентгеновской трубки

«Наш томограф позволяет проводить исследования в условиях небольшой лаборатории, — говорит ученый. — Сейчас мы продолжаем развивать инструментальную и программную базу разработанного томографа и формируем коллекцию результатов сканирования с целью поиска технических решений по улучшению повторяемости и точности результатов исследований. В ближайшем будущем наши наработки по этому проекту будут использованы в других российских крупных научных проектах, в том числе на установках класса мегасайнс».