CC BY
14
УДК 674.419
С. Б. Шишкина, И. В. Яцун, Ю. И. Ветошкин, С. В. Совина
Уральский государственный лесотехнический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЗАЩИТЫ ЛАКОКРАСОЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ СО СПЕЦИФИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ МЕТОДОМ ОЦЕНКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЦИФРОВОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ
Разработана лакокрасочная композиция с защитными свойствами от рентгеновского излучения для комплексной отделки специализированных помещений в учреждениях здравоохранения, имеющая также высокие показатели технико-эксплуатационных и эстетических свойств. Различные варианты состава наносились на древесную подложку и были высушены естественным способом. Образцы покрытий на основе данной композиции прошли проверку на цифровом аппарате рентгеновской диагностики экстра-класса «Пульмоскан-760У» («Унискан») при различных показателях мощности облучения.
Были получены цифровые изображения, требующие оценки наличия защитных свойств у образцов и их численных значений для определения состава, обладающего максимальными показателями защиты по сравнению со свинцовой пластиной (толщиной 0,3 мм) и просвинцо-ванной резиной (толщиной 3 мм). Предложен метод оценки показателей защитных свойств композиции при различной толщине покрытия на древесной подложке и трех фиксированных значений мощности напряжения в рентгеновской установке. Разработана методика расчета условного коэффициента защиты, позволяющая произвести сравнение с известными значениями свинцового эквивалента.
Ключевые слова: защитный материал, защитные свойства, условный коэффициент защиты, цифровая рентгенография, растровые изображения, оценка защитных свойств материала.
S. B. Shiskina, I. V. Yatsun, Y. I. Vetoshkin, S. V. Sovina
Ural State Forest Engenering University
DETERMINATION OF CONDITIONAL PROTECTION FACTOR OF PAINT COMPOSITION WITH SPECIFIC PROPERTIES BY METHOD ASSESSMENT RESULTS OF DIGITAL RADIOGRAPHY
Was developed a paint composition with protective properties against X-ray radiation for complex finishing of specialized health care facilities, which also has high levels of technical, and operational and aesthetic properties. Various composition applied to wood substrate and were dried in a natural way. Coatings of samples based on this composition variants were were tested on a digital X-ray diagnostics device of extraclass "Pulmoskan-760U" ("Uniscan") at different irradiation rates.
Digital images were obtained, which require availability assessment of protective properties of the samples and their numerical values to determine the composition, which has the highest rates of protection compared to a lead plate (0.3 mm thick) and lend rubber (3 mm thick). Method for estimating parameters of protective properties of the composition at different thickness of coatings on wood substrate and three fixed values of the power voltage in the X-ray unit was-proposed. Calculating technique of the conditional protection factor was developed, allowing to make a comparison with the known values of lead equivalent.
Keywords: protective material, protective properties, nominal protection factor, digital radiography, bitmaps, evaluation of the protective properties of the material.
Введение. Широкая область применения ионизирующих излучений в медицине, промышленности и научных исследованиях, а также жесткие требования к радиационной безопасности делают разработку радиационно-защитных материалов перспективным направлением. При использовании на практике рентгеновских лучей применяется защита, выполненная в виде различных защитных материалов [1]. Кафедрой механической обработки
древесины разработан ряд конструкционных материалов с защитными свойствами от ионизирующих излучений для комплексной отделки специализированных помещений [2]. Данная группа материалов не обладает всем комплексом эксплуатационных свойств, необходимых для ее использования в помещениях данного типа и нуждается в дополнительной отделке. Лакокрасочные материалы должны не только обладать защитными свойствами, но и иметь
высокие показатели адгезии к поверхностям, безусадочное высыхание, исключающее образование трещин, и отвечать эстетическим требованиям. Перечисленным условиям удовлетворяет рентгенозащитная лакокрасочная композиция (ЛКК), состоящая из полимерного связующего и природного минерального наполнителя.
Оценка наличия защитных свойств того или иного материала традиционно сводится к расчету коэффициента линейного ослабления и сравнения показателя со свинцовым эквивалентом. Данный способ достаточно трудоемок для композиционных составов с большим количеством компонентов, иногда расчет становится просто невозможным из-за отсутствия данных о веществе. В таком случае проводится сравнительная оценка рентгеновских снимков с применением электрических фотоблескомеров [3]. При проведении замеров пропускной способности рентгеновского снимка исследуемого образца необходимо учитывать погрешность качества пленочного материала, погрешность прибора и фиксации измерений, требуются большой временной диапазон для проведения замеров и затраты на пленку для снимков. Кроме того, пленочные рентгеновские аппараты морально устарели и постепенно выходят из оборота как в медицинских, так и в диагностических учреждениях.
Таким образом, возникла необходимость разработать метод оценки цифровых изображений для определения показателей защитных свойств рентгенозащитной композиции.
Основная часть. Большинство современных рентгеновских установок являются цифровыми и, в отличие от аналоговых аппаратов, формируют результаты сканирования в виде цифрового растрового изображения, на котором цветовой оттенок изменяется в зависимости от пропускной способности спроецированного участка исследуемого объекта. Изображения ахроматических цветов формируются по следующему принципу: чем больше количество поглощенных объектом лучей, тем светлее участок изображения, соответствующий этому объекту.
Цифровые растровые изображения представляют собой матрицу элементарных единиц - пикселей, каждый из которых обладает собственным цветом. Растровое изображение может состоять из нескольких миллионов пикселей, благодаря чему исчезает дискретное восприятие изображения. Цвет каждого пикселя определяется одним числом или набором чисел в зависимости от выбранного
цветового режима палитры. Цветовые режимы характеризуются компонентными цветами (каналами) и глубиной цвета. При смешении компонентных цветов в различных пропорциях образуется множество всех оттенков цветов палитры. Глубина цветового режима определяет количество оттенков компонентного цвета и задается в битах. Например, цветовой режим RGB (24 бита) состоит из трех компонентных цветов (красный, зеленый, синий) с глубиной цвета каждого канала - 8 бит (28 = = 256), т. е. каждый канал содержит по 256 оттенков цвета.
Ахроматические изображения с целью уменьшения размера файла формируются на основании одноканальных цветовых режимов с различной глубиной цвета, которая в данном случае определяет светлоту серого цвета. Данный цветовой режим имеет название «оттенки серого» (grayscale).
Определяя значение глубины цвета каждого конкретного пикселя и оценивая светлоту различных областей изображения можно определять относительное изменение интенсивности (кратность ослабления) рентгеновских лучей при прохождении через объект.
Степень ослабления в таком случае будет определяться по формуле:
„ (2Д -!)-йФ
°сл" (2D -1)-¿об,
где D - глубина канала изображения, бит; йф -значение глубины цвета фона, т. е. участка прямого воздействия; йоб - значение глубины цвета участка соответствующего объекту.
Количество оттенков серого меняется в зависимости от глубины канала и может быть равно:
8 бит (1 байт) - 256;
12 бит - 4096;
14 бит - 16 386;
16 бит (2 байта) - 65536.
Поскольку единицей измерения информации является 1 байт, на практике используются каналы с глубиной 8 бит (1 байт) и 16 бит (2 байта). От глубины канала в первую очередь зависит точность измерений, так для канала 8 бит (256 цветов) погрешность измерения составит 0,2%; для канала 16 бит (65536 цветов) -0,00076%.
Необходимо отметить, что на пути преобразования энергии фотонов излучения в конкретные значения глубины цвета пикселя изображения происходит множество физических процессов, которые могут вызвать искажение результатов (ошибки аналого-цифрового
преобразования, скрытые дефекты исследуемого объекта, дефекты матрицы дозиметра и т. д.). Поэтому для уменьшения погрешности эксперимента в целом, необходимо измерять среднее арифметическое значение глубины цвета массива пикселей, которые принадлежат к определенной области изображения.
Опыт проведения подобного анализа показывает, что различные снимки, выполненные в одинаковых условиях, имеют отличие цветового оттенка одних и тех же участков в пределах 1-2%, поэтому нежелательно сравнивать результаты измерений, полученные с разных снимков.
Это особенно важно при определении эквивалентов по ослаблению относительно других материалов (чаще всего определяют свинцовый эквивалент). В этом случае эталонные образцы должны присутствовать на каждом снимке (рисунок).
Расположение образцов и эталонов на снимке: 1 - свинцовая пластина, 2 - просвинцованная резина
На практике определение значения глубины цвета может быть реализовано средствами любого языка программирования, однако существует ряд графических редакторов изображений, в которых уже реализована данная функция в виде инструмента «Пипетка» (eyedropper). Наиболее удобными для этих целей являются такие программные продукты как Corel Photo-Paint, Adobe Photoshop, Corel Paint Shop Pro.
В ходе эксперимента по определению показателей защитных свойств лакокрасочной композиции на основе природного минерального наполнителя и полимерного связующего были разработаны 14 вариантов составов композиции согласно трехфакторному плану В3. Затем на пластины из фанеры размером 45*90 мм с помощью шпателя и трафарета каждый состав был нанесен трижды с толщиной защитного слоя 1, 2 и 3 мм. Таким образом, было получено 42 образца. Покрытие формировалось атмосферной сушкой в течение 48 часов. Высушенные образцы просвечивались на цифровой рентгенографической системе «ПУЛЬМО-СКАН-760У» с различной величиной анодного напряжения: 50, 75 и 100 кВ и при величине экспозиции 0,02 [4].
Полученные рентгенограммы обрабатывались на ЭВМ. При этом на снимке каждого образца выполнялось по три измерения в различных, равномерно распределенных областях, результаты которых были приняты за дублированные опыты. Кроме того, определялся цвет фона, подложки и эталонных образцов свинца и просвинцованной резины [5].
На основании полученных данных, рассчитанных по формуле (в соответствии с ГОСТ 51532-99), определялась степень ослабления каждого образца в трех областях в сравнении со степенью ослабления сегмента просвинцо-ванной резины и пластины из свинца. Результаты измерений и вычислений представлены в таблице.
Заключение. Используя метод оценки цифровых изображений, были определены защитные свойства лакокрасочной композиции на основе природного минерала и полимерного связующего в сравнении со свинцовой пластиной толщиной 0,3 мм.
Предварительные опыты показали, что лакокрасочная композиция на основе природного минерала имеет высокие показатели защитных свойств при мощности излучения в диапазоне 50-100 кУ (рис. 2). Применение покрытий на ее основе позволит завершить комплексную отделку помещений специального назначения, а именно улучшить показатели ослабляющих свойств уже используемых в этих целях материалов и эстетические свойства стеновых панелей, экранов, ширм, дверей и т. д.
К достоинствам данного вида оценки цифровых изображений относится более высокая скорость обработки, возможность автоматизации процесса программными средствами ЭВМ, а также отсутствие необходимости использования специального оборудования для обработки пленочных снимков.
Результаты замеров и расчетов защитных свойств образцов при Е = 100 кВ
Толщина покрытия № состава Анодное напряжение 100 кВ
глубина цветового оттенка степень ослабления
подл-ки фона образцов свинц. резины свинца образцов ср. знач. свинца 0,3 мм свинц. резины 3 мм
1 мм 1 73 68 91 88 86 254 209 1,11 1,09 1,08 1,09 4,07 187,00
2 73 68 130 144 134 254 209 1,46 1,64 1,50 1,53 4,07 187,00
3 81 74 130 128 123 254 212 1,39 1,37 1,32 1,36 4,21 181,00
4 81 74 152 144 145 254 212 1,69 1,57 1,58 1,61 4,21 181,00
5 79 74 129 125 132 254 212 1,40 1,35 1,43 1,39 4,21 181,00
6 79 74 159 152 166 254 212 1,83 1,71 1,98 1,84 4,21 181,00
7 85 80 131 141 133 254 214 1,37 1,49 1,39 1,42 4,27 175,00
8 85 80 143 133 141 254 214 1,52 1,39 1,49 1,47 4,27 175,00
9 78 73 125 124 118 254 211 1,36 1,35 1,29 1,33 4,14 182,00
10 78 73 164 165 168 254 211 1,95 1,97 2,03 1,98 4,14 182,00
11 84 79 168 173 173 254 214 1,97 2,09 2,09 2,05 4,29 176,00
12 84 79 143 146 157 254 214 1,53 1,57 1,74 1,61 4,29 176,00
13 79 74 175 174 182 254 212 2,20 2,17 2,41 2,26 4,21 181,00
14 79 74 161 166 169 254 212 1,87 1,98 2,05 1,97 4,21 181,00
2 мм 1 73 68 124 121 123 254 209 1,39 1,36 1,38 1,38 4,07 187,00
2 73 68 181 185 180 254 209 2,46 2,60 2,43 2,50 4,07 187,00
3 81 74 130 133 138 254 212 1,39 1,43 1,49 1,44 4,21 181,00
4 81 74 149 152 161 254 212 1,64 1,69 1,85 1,73 4,21 181,00
5 79 74 161 153 150 254 212 1,87 1,73 1,68 1,76 4,21 181,00
6 79 74 175 171 161 254 212 2,20 2,10 1,87 2,06 4,21 181,00
7 85 80 142 135 137 254 214 1,50 1,42 1,44 1,45 4,27 175,00
8 85 80 173 164 158 254 214 2,07 1,87 1,75 1,90 4,27 175,00
9 78 73 139 133 136 254 211 1,53 1,45 1,49 1,49 4,14 182,00
10 78 73 183 180 187 254 211 2,46 2,36 2,60 2,47 4,14 182,00
11 84 79 174 172 167 254 214 2,11 2,06 1,94 2,04 4,29 176,00
12 84 79 164 173 165 254 214 1,88 2,09 1,90 1,95 4,29 176,00
13 79 74 159 155 161 254 212 1,83 1,76 1,87 1,82 4,21 181,00
14 79 74 151 160 164 254 212 1,69 1,85 1,93 1,83 4,21 181,00
3 мм 1 73 68 117 127 116 254 209 1,32 1,42 1,31 1,35 4,07 187,00
2 73 68 180 184 179 254 209 2,43 2,56 2,39 2,46 4,07 187,00
3 81 74 156 165 157 254 212 1,76 1,93 1,78 1,82 4,21 181,00
4 81 74 194 183 186 254 212 2,85 2,42 2,52 2,60 4,21 181,00
5 79 74 159 148 143 254 212 1,83 1,64 1,57 1,68 4,21 181,00
6 79 74 169 168 166 254 212 2,05 2,02 1,98 2,02 4,21 181,00
7 85 80 170 169 165 254 214 2,00 1,98 1,89 1,96 4,27 175,00
8 85 80 185 183 188 254 214 2,43 2,36 2,54 2,44 4,27 175,00
9 78 73 170 168 157 254 211 2,08 2,03 1,81 1,97 4,14 182,00
10 78 73 203 196 196 254 211 3,40 3,00 3,00 3,13 4,14 182,00
11 84 79 189 193 194 254 214 2,59 2,76 2,80 2,72 4,29 176,00
12 84 79 168 173 178 254 214 1,97 2,09 2,22 2,09 4,29 176,00
13 79 74 170 171 182 254 212 2,07 2,10 2,41 2,19 4,21 181,00
14 79 74 181 177 178 254 212 2,38 2,26 2,29 2,31 4,21 181,00
А
10
Свинец (0,3 мм)
0
1
2
3
Толщина покрытия, мм
Рис. 2. Зависимость показателей защитных свойств при напряжении Е = 100 кУ.
Литература
1. Аглинцев К. К. Дозиметрия ионизирующих излучений. М.: Технико-техническая литература,
2. Ветошкин Ю. И., Яцун И. В., Чернышев О. Н. Конструкции и эксплуатационно-технологические особенности композиционных рентгенозащитных материалов на основе древесины: моногр. Екатеринбург, УГЛТУ, 2009. 148 с.
3. Карякина М. И. Лабораторный практикум по техническому анализу и контролю производств лакокрасочных материалов и покрытий. М.: Химия, 1989. 168 с.
4. Шитиков Б. Д. Технико-эксплуатационные возможности и клиническое применение диагностической цифровой рентгенографической системы «Пульмоскан-760У» («Унискан»). Инструкция по применению. Минск, 2002. 38 с.
5. Шишкина С. Б. Определение защитных свойств от рентгеновского излучения лакокрасочной композицией на основе природного минерала // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: труды евразийского симпозиума. Екатеринбург, 2010. С. 141-144.
1. Aglintsev K. K. Dozimetriya ioniziruyushchikh izlucheniy [Dosimetry of ionizing radiation]. Moscow, Tekhniko-tekhnicheskaya literature Publ., 1957. 503 p.
2. Vetoshkin Yu. I., Yatsun I. V., Chernyshev O. N. Konstruktsii i ekspluatatsionno-tekhnologicheskie osobennosti kompozitsionnykh rentgenozashchitnykh materialov na osnove drevesiny: monogr. [Design and operational and technology of composite materials on the basis of x-ray timber: monograph]. Ekaterinburg, USFEU, 2009. 148 p.
3. Karyakina M. I. Laboratornyy praktikum po tekhnicheskomu analizu i kontrolyu proizvodstv lako-krasochnykh materialov i pokrytiy [Laboratory workshop on technical analysis and control of production of paints and coatings]. Moscow, Khimiya Publ., 1989. 168 p.
4. Shitikov B. D. Tekhniko-ekspluatatsionnye vozmozhnosti i klinicheskoe primenenie diagnosticheskoy tsifrovoy rentgenograficheskoy sistemy «Pul'moskan-760U» («Uniskan»). Instruktsiya po primeneniyu [Technical and operational capabilities and clinical application of diagnostic digital radiographic system "Pulmoskan - 760U" ( "Uniscan"). Instructions for use]. Minsk, 2002. 38 p.
5. Shishkina S. B. [Determination of the protective properties of the X-ray -based paint composition of natural mineral]. Derevoobrabotka: tekhnologii, oborudovanie, menedzhment XXI veka: trudy evraziysko-go simpoziuma [Woodworking: technologies, equipment, management of the XXI Century: Proceedings of the Eurasian Symposium]. Shishkina S. B. - Ekaterinburg, 2010, pp. 141-144 (in Russian).
1957. 503 с.
References
Информация об авторах
Шишкина Светлана Борисовна — старший преподаватель кафедры механической обработки древесины. Уральский государственный лесотехнический университет (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, Российская Федерация). E-mail: [email protected].
Яцун Ирина Валерьевна — кандидат технических наук, доцент кафедры Механической обработки древесины. Уральский государственный лесотехнический университет (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, Российская Федерация). E-mail: [email protected].
Ветошкин Юрий Иванович — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры Механической обработки древесины. Уральский государственный лесотехнический университет (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, Российская Федерация). E-mail: [email protected].
Совина Светлана Валентиновна — кандидат технических наук, доцент кафедры Механической обработки древесины. Уральский государственный лесотехнический университет (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, Российская Федерация). E-mail: [email protected].
Information about the authors
Shishkina Svetlana Borisovna — senior Lecturer, Department of Machining of wood, Ural State Forest Engenering University (37, st. Siberian path, 620100, Yekaterinburg, Russian Federation). E-mail: [email protected].
Yatsun Irina Valeryevna — Ph. D. Engineering, assistant professor, Department of Machining of wood, Ural State Forest Engenering University (37, st. Siberian path, 620100, Yekaterinburg, Russian Federation). E-mail: [email protected].
Vetoshkin Yury Ivanovich — Ph. D. Engineering, assistant professor, professor Department of Machining of wood, Ural State Forest Engenering University (37, st. Siberian path, 620100, Yekaterinburg, Russian Federation). E-mail: [email protected].
Sovina Svetlana Valentinovna — Ph. D. Engineering, assistant professor, Department of Machining of wood, Ural State Forest Engenering University (37, st. Siberian path, 620100, Yekaterinburg, Russian Federation). E-mail: [email protected].
Поступила 23.02.2015 г.
