Томография почв: методические рекомендации и требования к подготовке и съемке монолитов и микромонолитов

ФИЦ “Почвенный институт им. В.В. Докучаева”, Россия, 119017, Москва, Пыжевский пер, 7, стр. 2, , e-mail:

7 Bld. 2 Pyzhevskiy per., Moscow 119017, Russian Federation, , e-mail:

Компьютерная томография для исследования структуры почвы и порового пространства применяется с начала 80-х годов ХХ в. За прошедшее время проведены тысячи исследований и опубликовано множество статей и монографий по самым разным задачам почвоведения, доступных для изучения методом томографии. Но при этом в значительной части исследований методике отбора образцов и томографической съемке уделяется совсем немного внимания, при том, что именно эти два этапа являются определяющими для результатов всего исследования. Плохую сегментацию порового пространства, ошибочную объемную модель или результаты анализа можно переделать. Реконструкцию объемной структуры можно сделать с иными параметрами под другую задачу. Но плохо снятый образец почвы придется переснимать заново, растрачивая моторесурс томографа. Как и плохо отобранный образец придется отбирать заново в поле, если это возможно. Одна из целей этой стати – сформулировать круг задач, для решения которых используется компьютерная томография (КТ), определить габариты образцов, для этого необходимых.

Наиболее часто в исследованиях встречается образцы почвы в форме цилиндра совершенно разных размеров. При этом специально подготовленные и упакованные (Perret, 1998; Корост, 2012; Pfeifer, 2015; Шеин, 2017; Miyoshi, 2021 и др.). Образцы для томографического исследования по своему диаметру (около 10 см) сопоставимы с шириной почвенного монолита, так что термин “монолит” обрел новый смысл и часто упоминается в томографических статьях именно в контексте монолита для томографии, а его уменьшенная версия в шприцах или мелких трубках стала называться микромонолитами (Абросимов, 2022).

Единых стандартизированных требований к подготовке и оформлению почвенного образца для томографического исследования не существует. Сложно найти даже методические рекомендации в формате “что будет если сделать так…”. Отсюда вторая цель – дать подробное описание правильному способу подготовки образцов для КТ-исследования. От полевого отбора до помещения в томограф .

С методической литературой по настройками томографической съемки почв примерно та же ситуация что и с пробоотбором – обрывочная информация или перечисление параметров применительно к конкретному образцу без пояснения почему именно так правильно. Или просто слепое копировании записей лог-файла. Томографы для исследования почв используются самые разные – в диапазоне от лабораторных настольных до анализаторов керна и дефектоскопов с грубым разрешением и очень мощной рентгеновской трубкой. Концепция томографии – съемка рентгенограмм через определенный угловой шаг определяет примерно одинаковые настройки для томографов вне зависимости от их специального назначения, но с разными значениями. В зависи- мости от модели доступ к настройкам у оператора может быть неполным, возможна частичная автоматизация. Или настройки не полностью прописываются в лог-файл с отснятыми данными, что может быть причиной непопадания этой информации в научные статьи. С учетом литературных данных и опыта эксплуатации автор двух томографов Почвенного института – Bruker SkyScan 1172 и Neoscan N80, а также некоторого опыта работы с результатами съемок систем РКТ-180, Skyscan 1174, 1173 и данными медицинской томографии определена третья цель – сформировать список базовых настроек томографической съемки с описанием их функционала и некоторыми результатами их применения.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ В ПОЧВОВЕДЕНИИ

Компьютерная томография – метод неразрушающего контроля, позволяющий изучить внутреннюю структуру исследуемого объекта, оцифровать ее при разрешении томографической съемки, обработать методами анализа изображений с возможностью получить ряд морфометрических показателей и визуализировать в объеме отдельные рентген-контрастные фазы, а также промоделировать процессы (например, фильтрацию жидкости или газов).

Начало активного применения компьютерной томографии связано с изобретениями американского физика Алана Кормака и английского инженера-физика Годри Хаунсфилда из компании EMI Ltd. Первый решил задачу томографического восстановления – получения поперечных плотностных рентгеновских срезов из набора теневых рентгеновских проекций (Cormack, 1963, 1964). Хаунсфилд сконструировал первый компьютерный рентгеновский томограф, клинические испытания которого прошли в 1972 г. (Hounsfield, 1973).

Со временем томографы разделились по предназначению – медицинские томографы, томографы-дефектоскопы, лабораторные микро- и нанотомографы, томографы-анализаторы кернов и др. Специализированных томографов для изучения почв не существует, но большинство из существующих классов томографов для таких исследований пригодны.

Помимо назначения существует градация и по разрешающей способности. Томографы, способные делать съемку с пространственным разрешением до 1 мкм, относят к классу микротомографов. Способные снимать более детально (до 100 нм и более у моделей Bruker Skyscan 2011, 2214) – к нанотомографам (Stock, 2009).

Первые опыты съемки почв в 80-е годы проводились на медицинских томографах. Тогда же определилась наиболее удобная для исследования форма монолита – цилиндр. Такая форма равномерно просвечивается, а толщина около 10 см в диаметре примерно сопоставима по поглощению с человеческим телом, и такой образец на томографе можно снимать с пресетом (комплексом базовых настроек) для “человека целиком”. В качестве дешевой рентген-прозрачной упаковки почти сразу стали использовать полипропиленовые трубы 110–160 мм, доступные в любом строительном магазине. Этот опыт повсеместно применяется и сейчас.

Томография почв развивалась следом за совершенствованием томографической техники по пути увеличения пространственного разрешения и возможности изучения новых типов образцов. С появлением настольных томографических систем типа SkyScan 1072 в 90-е годы ХХ в. возможности исследования структуры почв с высоким разрешением значительно возросли. Стало возможным исследовать образцы на микроуровне структурной организации в масштабе отдельных тонких горизонтов или агрегатов. Тогда же было отработано большинство из известных сейчас способов подготовки препарата для томографического исследования. Настройки съемки, как правило, использовались исходя из рекомендаций производителя томографов. По опыту мировых томографических исследований можно утверждать, что почва – один самых тяжелых объектов для компьютерной томографии. Высокое рентгеновское поглощение – на уровне горных пород, но при этом очень непрочная структура, подверженность изменениям структуры при изменении влажности, наличие живой и мертвой органики, минеральных включений или железистых конкреций – все это осложняющие факторы для томографического исследования. Иногда почву просто сложно качественно отобрать для исследования.

ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗЦА ПОЧВЫ ДЛЯ ТОМОГРАФИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Форма и габариты образца для томографического исследо-ва-ния определяются двумя основными критериями: задача, для решения которой делается томография почв, и технические параметры рентгеновского томографа, выбранного для томографического исследования.

Решение исследовать макропористость на микротомографе будет неудачным выбором – большинство этих томографов оборудованы слабыми рентгеновскими трубками мощностью до 10 ватт. Этого достаточно для того, чтобы просветить 2 см почвы с приемлемым результатом, или 5 см, но с очень грубым; 16–20 ватт уже достаточно для хорошего результата съемки 5 см образца и грубого результата для 8–10 см. Так же в микротомографах жесткие требования по высоте монолита (микромонолита), обычно не больше нескольких сантиметров. Для анализатора кернов длина образца измеряется погонными метрами, а мощность рентгеновской трубки до 400 W, следствием чего является очень высокая скорость съемки.

Сделать группировку типоразмеров образцов почвы для томографического исследования можно по литературным источникам, исходя из задач и объектов исследования. Чаще всего томография почв применяется для:

• 1)    Исследования развития корневых систем (ризосферы) и их влияния на структуру почв или почвогрунтов (Lontoc-Roy, 2005; Lucas, 2019; Chirol, 2021; Nagayama, 2025 и др.). Для этих задач чаще всего использовались крупные образцы в форме цилиндра диаметром 5–15 см и высотой до 20 см. Для съемки используются макротомографы, но в последние годы стали встречаться работы с использованием мощных лабораторных томографических систем. Иногда публикуются исследования, основанные на съемке образцов меньшего диаметра – 1–2 см, но при этом сами авторы исследований отмечают серьезные недостатки такого способа, в частности маленькую область развития корневой системы (Шеин, 2021; Суздалева, 2022 и др.).

• 2)    Исследование морфологии и функций порового простран-

  ства (Perret, 1998; Mooney, 2002; Rabot, 2018; Schlueter, 2020; Li Q, 2024 и др.). Метод компьютерной томографии подходит как для исследования порового пространства на микроуровне структурной организации с детализацией свыше 1 мкм, так и на макроуровне с детальностью грубее 75 мкм. При микроструктурном исследовании существует ограничение на размер образца – большинство существующих томографов не смогут отснять монолит или частицу почвы диаметром 2–3 мм детальнее разрешения 1 мкм. Для разрешения 4–5 мкм уже станет доступным диаметр образца 1.5– 2 см. Для макроуровня фактическое ограничение – 10 см в диаметре (с максимальной детальностью до 37.5 мкм на томографе Neoscan N80 или от 70–100 мкм на любом анализаторе кернов). Промышленные дефектоскопы способны просветить монолит почвы и большего диаметра. Известны исследования таких монолитов диаметром 15 см и более (Kaur и др., 2024).

• 3)    Исследование изменений в структуре твердой фазы и порового пространства в результате физических процессов – набухания-усадки или замерзания-оттаивания (Skvortsova, 2020; Wang 2020; Fomin, 2023; Li, 2024 и др.). Как правило, в таких исследованиях используется серийная съемка одного и того же образца несколько раз, иначе называемая 4D-томографией. Съемка в мерзлом состоянии пока что доступна при использовании столиков-термостатов для некоторых моделей томографов Bruker SkyScan 1172, 1272, 1073, 1273 и 1275 и Neoscan N80, N70, N60. Для этих столиков размер образца почвы сильно ограничен. В столик от Bruker помещается образец диаметром до 1 см и высотой 1.5–2 см. При таких габаритах доступна съемка при стабильной температуре не менее -5° С (при максимальном промерзании -20° С для образца размером на порядок меньше). Разрешение съемки в столике будет грубее чем без его использования для образцов одинакового диаметра из-за внешней рентген-прозрачной крышки, которая не позволит приблизить образец к источнику излучения на близкое расстояние. Похожие ограничения по габаритам и температуре действительны и для термостата от Neoscan, но при этом температура образца таких габаритов будет ниже за счет более высокой мощности охлаждающего устройства.

• 4)    Исследование изменений почвенной структуры при разной

  антропогенной нагрузке (Gorbov et al., 2022) или обработке (Pöh-litz, 2018 и др.). Такие исследования по размерам и форме образцов идентичны исследованиям порового пространства.

• 5)    Исследование изменений структуры и порового пространства при внесении удобрений. Для этого используются в основном крупные монолиты (диаметром 5–10 см.) (Yu, 2018; Wang, 2020 и др.).

Задачи определяют выбор рентгеновского томографа для образца почвы. Нет никакого смысла использовать анализатор кернов для исследования микроструктуры или наоборот микротомограф для исследования макропор. Однако для разных задач многие образцы имеют схожие габариты. Лимитирующем фактором становится высота монолита. Те же 10 см почвы в диаметре и 15 см по высоте можно исследовать как на анализаторе кернов (быстро, но грубо), так и на лабораторных томографах Neoscan N70, N80, Skyscan 1273 (дольше, чем на анализаторе керна, но намного детальнее).

Томографы объединяет реализация технической концепции томографии, где образец снимается на просвет, с фиксированным угловым шагом, по определенной траектории и с определенным количеством снимков на каждой точке углового шага. Конечный этап съемки – создание качественного стека теневых проекций для последующей реконструкции объемной структуры при разрешении съемки. Это определяет ряд параметров для самого образца:

• 1)    Цилиндрическая форма. Нужна для равномерного просвечивания и минимальных перепадов поглощения рентгеновского излучения. Чем сложнее и неравномерное по длине и ширине форма образца – тем выше вероятность артефактов и ошибок при реконструкции томографических данных.

• 2)    Рентгеновское поглощение около 60% при базовых настройках томографа. Это определит детализацию изображения и адекватное соотношение сигнал/шум. При поглощении более 90% излучения и невозможности компенсировать увеличением времени экспозиции уровень шумов будет крайне высоким, сильно влияющим на детализацию изображения. Подобное возможно, если попытаться снять образец почвы плотного сложения (горизонт

  ВС, например) диаметром 4–5 см на томографе типа SkyScan 1172. Технически любой плотный образец почвы снять можно, но с крайне плохой детализацией и в течение длительного времени (20 часов и более), что нерационально. Тот же образец на более мощном томографе типа Neoscan N80 может быть отснят при сопоставимом разрешении и с намного более хорошим качеством результата за 40–50 минут. За счет более мощного рентгеновского источника.

• 3)    Точка крепления по геометрическому центру образца (рис. 1). В абсолютном большинстве микротомографов образец вращается, а детектор и источник излучения неподвижны (кроме медицинских). Есть исключения в виде анализаторов керна горизонтальной ориентации, где образец лежит на боку и перемещается вперед-назад по направляющим или специализированных микротомографов под биологические объекты типа Bruker SkyScan 1176. Почву на таком томографе тоже снимать возможно, но образец придется адаптировать под форму лотка. Точка крепления в центре поможет при центровке образца, чтобы при съемке образец вращался вокруг своей центральной оси, а не “летал по орбите”. Съемка получится в обоих случаях, но во втором варианте придется пожертвовать разрешением (в сторону его огрубления) и установить более частый угловой шаг, что значительно удлинит время съемки и увеличит объем данных. Для монолитов, не имеющих точки крепления, придется изготовить рентген-прозрачные адаптеры или подставки. Для этого можно использовать медицинские шприцы большего диаметра или 3d печать.

• 4)    Исключить влияние вибрации и динамических нагрузок в процессе съемки. Образец почвы не должен шевелиться или перемещаться в процессе съемки. Крепежный материал должен обеспечивать устойчивость образца в ходе всего эксперимента. При работе с насыщенными образцами рекомендуется помещать их в герметичные колбы, при необходимости заполненные водой (Корост, 2012). Это необходимое условие, в противном случае результат такой съемки просто не может быть реконструирован.

• 5)    Если почва не высушена, то перед съемкой такой образец следует загерметизировать рентген-прозрачными материалами – пищевой пленкой или скотчем (неармированным). Это не остано-

• вит процесс высыхания почвы в условиях помещения, но очень сильно его замедлит. Этого достаточно для того, чтобы изменения структуры не повлияли на результат съемки.

Рис. 1. Варианты готовых почвенных образцов для томографического исследования: А) Микромонолит, D = 3 см, герметизированный пластилином и скотчем (Shein, 2016; Gorbov et al., 2022). Б) Микромонолит D = 2 см, герметизированный двумя резиновыми шомполами (самый надежный вариант для сохранения влажности. Остается влажным в течение нескольких лет) (Шоркунов и др., 2018). В) Воздушно-сухие агрегаты с прослойкой из пенопласта в шприцах разного диаметра (Абросимов, 2023).

Fig. 1. Types of prepared soil samples for tomographic analysis: А) Micromonolith, D = 3 cm, sealed with modeling clay and adhesive tape (Shein, 2016; Gorbov et al., 2022). Б) Micromonolith, D = 2 cm, sealed with two rubber stoppers (the most reliable option for moisture retention; remains moist for several years) (Shorkunov et al., 2018). В) Air-dry aggregates with a foam spacer in syringes of various diameters (Abrosimov, 2023).

ПОДГОТОВКА И УПАКОВКА ОБРАЗЦОВ ПОЧВЫ

Для возможности получения качественных результатов съемки образец почвы должен соответствовать перечисленным выше параметрам: быть рентген-прозрачным, близким по форме к цилиндру или сфере, герметичным, неподвижным в пределах упаковки и с возможностью прочного крепления в томографе (рис. 2).

Рис. 1. Микромонолит в процессе отбора вручную. Прикопка, обрезка колонны почвы под диаметр шприца 50 мл (Gorbov et al., 2022). При таком способе отбора опасность представляет быстрое высыхание почвы. Микромонолит может стать меньше диаметра шприца и потерять устойчивость. Края начнут фрагментироваться и осыпаться. Почву после обрезки колонны потребуется подпереть комком из скотча или пленки при герметизации.

Fig. 2. Micromonolith during manual sampling: excavating and trimming the soil column to fit the diameter of a 50-mL syringe (Gorbov et al., 2022). Rapid soil drying poses a risk with this sampling method; the micromonolith may shrink to a diameter smaller than that of the syringe and lose stability, causing the edges to fragment and crumble. After trimming the column, the soil will need to be supported with a wad of adhesive tape or plastic film during sealing.

Для монолитов диаметром 10 см и длиной более 10 см крепление не обязательно, т. к. снимаются они горизонтально. Но при этом их отбор значительно сложнее и дольше по времени (рис. 3).

Для качественного образца почвы для КТ-исследования потребуется:

• 1)    Правильный отбор пробы (препарата, образца). Почвенный монолит (микромонолит) отбирается вертикально путем вырезания (или выкапывания) колонны почвы и надвига на нее упаковочного материала (трубы или шприца) (рис. 2, 3).

Рис. 3. Организация отбора монолита D = 10 см, L = 50 см для томографического исследования. Окапывание вертикальной колонны почвы с последующей обрезкой по периметру и надвигом полипропиленовой трубы. Опасность представляет возможность перелома столба почвы в процессе отбора. Особенно если отбор ведется с небольшим наклоном (фотографии Хохлова С.Ф. и Скворцовой Е.Б.).

Fig. 3. Procedure for collecting a soil monolith (D = 10 cm, L = 50 cm) for tomographic analysis. Excavation of a vertical soil column, followed by trimming around the perimeter and sliding a polypropylene pipe over it. There is a risk of the soil column breaking during collection, especially if the sampling is performed at a slight angle. (Photos by S.F. Khokhlov and E.B. Skvortsova).

Обрезка монолита или микромонолита тонким ножом (идеально подойдет монтажный или канцелярский нож с тонкими сменными лезвиями) с последующей упаковкой в пластиковую трубу, шприц или колбу. Вдавливать почву в трубу, забивать трубу в почву молотком или чем-то еще категорически недопустимо в большинстве случаев. Это практически сразу приводит к деформации трубы до овальной формы, растрескиванию почвы и серьезным повреждениям внутренней структуры (рис. 4).

Рис. 4. Последствия неправильного пробоотбора: искажение внутренней структуры в результате забивания трубы в почву. Торфяные слои (А) выгибаются, суглинистые трескаются поперек монолита на разную глубину от края (Б–В) .

Fig. 4. Consequences of improper sampling: distortion of the internal structure resulting from driving the tube into the soil. Peat layers (А) bulge, while loamy layers crack across the monolith to varying depths from the edge (Б–В) .

Если труба в процессе вдавливания натолкнется на древесный корень – то не сможет его разрезать, а корень вытянет за собой часть почвенного материала. В итоге произойдет еще большая деформация образца. Томографическое исследование подобных образцов не имеет смысла. Вдавливать трубу в почву можно только на незначительную глубину – до 5 см по глубине в условиях очень рыхлой и пористой почвы. Следует отметить, что существуют отборники проб, где труба в почву именно забивается на небольшую глубину, такие как Bulk Density Soil Sampling Kit Compact Slide Hammer (AWS, USA). Устройство позволяет отобрать микромонолит диаметром около 5 см и аналогичной высоты. При этом явных повреждений структуры нет. В данных устройствах используется прозрачная (акриловая или поликарбонатная) труба, сцепление с которой даже у мокрой суглинистой почвы минимально.

• 2)    Использование только рентген-прозрачных материалов для упаковки и крепежа, не дающих засвета, артефактов, или иным способом влияющих на качество данных. Крепежный материал должен быть максимально прозрачен для рентгеновских лучей (Корост, 2012). Для упаковки почвы идеально подходят полипропиленовые трубы любого диаметра (серые или оранжевые), каналы для вентиляции (ПВХ), пластиковые круглые кабель-каналы, прозрачные трубы из оргстекла (поликарбонат или акрил), медицинские одноразовые шприцы (из ПВХ) с центральным носиком как на рисунках 1 и 2. В качестве герметизации влажных образцов от высыхания идеально подходит тонкая пищевая пленка, прозрачный скотч (армированный или металлизированный использовать нежелательно), пластилин или стоматологический воск. Зафиксировать почву в упаковке от разбалтывания можно клиньями из пенопласта. Еще хороший вариант для герметизации микромонолита на основе шприца – черная резина от поршня.

Материалы, которые использовать не рекомендуется: поролон, изолента всех видов, любые металлические трубы (вне зависимости от толщины стенки) или фольга, резина, вспененный (толстый) двусторонний скотч. Обычно в комплекте томографа поставляются различные подставки и крепежи для образцов. Использовать их следует с осторожностью, особенно металлические.

8 см монолит, поставленный на латунную тарелку, будет частично засвечен на высоту около 1–1.5 см от края тарелки (по опыту использования Neoscan N80).

• 3)    Правильная ориентация и подпись образца. Пространственная ориентация указывается стрелкой на упаковке “верх – низ” (желательно использовать перманентный несмываемый маркер для надписей, а потом надпись дополнительно заклеить прозрачным скотчем). Горизонтальную ориентацию также можно отметить тонкой медной проволокой по внешней границе монолита (без ее контакта с почвой, просто примотать скотчем к упаковке). Также необходимо указать разборчиво номер образца или его название согласно ведомости.

• 4)    При транспортировке и хранении избегать отрицательных температур (при условии, что сама почва не мерзлая изначально). Почва – не горная порода. Цикл замерзания-оттаивания значительно изменит структуру почвы (Skvortsova et al., 2020).

• 5)    Составить ведомость образцов. Обязательно должна включать в себя: нумерацию и названия образцов, название почвы по одной из используемых классификаций, глубину пробы, название горизонта, GPS-координаты разреза и его краткое описание.

УСТАНОВКА ОБРАЗЦА ПОЧВЫ В ТОМОГРАФ

Для большинства томографов (микротомографов) характерно вертикальное расположение образца на предметном столике, на котором, скорее всего, одна точка крепления – или цанговый зажим (Bruker Skyscan), или короткая трубка с прижимным винтом (Neoscan). Фирменных креплений, столиков или подставок часто недостаточно или они несовместимы с почвенными образцами. Установка шприцев как способа упаковки препарата для томографического исследования вообще ни одним из производителей не предполагается. Единственное решение – самостоятельное изготовление крепежа для образцов нужного типа. На рисунке 5 показаны различные самодельные крепления для почвенных образцов, используемые для Neoscan N80. Часть из них совместимы с цанговым зажимом SkyScan 1172 (цанга и винтовой зажим Neoscan отличаются по диаметру на 0.3 мм).

Рис. 5. Различные самодельные варианты крепежа к предметному столику томографа Neoscan N80. А) Пластиковая муфта под монолиты диаметром 8–10 см и высотой не более 10 см. Б) Напечатанный крепеж под 4–5-сантиметровые микромонолиты (цилиндр образца без изначальной точки крепежа ставится на 3 опорные точки – ребра на поверхности крепежа. Выравнивается по горизонтали вручную). В) Напечатанный переходник-крепеж для образцов в крупных шприцах 100–150 мл. Г) Фрезерованный переходник для шприцев с креплением Luer-lock (рис. 2) совместим и со шприцами объемом 150 мл с длинным носиком. Д) Фрезерованный крепеж для мелких шприцев с обычным креплением иглы.

Fig. 5. Various custom-made mounting options for the Neoscan N80 tomograph sample stage. А) Plastic sleeve for monoliths with a diameter of 8– 10 cm and a height of no more than 10 cm. Б) 3D-printed mount for 4–5 cm micromonoliths (the cylindrical sample, lacking a dedicated mounting point, rests on three support points – ribs on the mount's surface – and is leveled manually). В) 3D-printed adapter for samples in large (100–150 ml) syringes. Г) Machined adapter for Luer-lock syringes (Fig. 2). Also compatible with 150 ml syringes featuring a long nozzle. Д) Machined mount for small syringes with a standard needle attachment.

Для самодельного крепежа нужно соблюсти ряд условий:

• 1)    Прочность конструкции. Точки крепления к томографу и образцу должны быть прочными, способными выдержать небольшие циркулярные нагрузки (шаговый сдвиг при съемке) и горизонтальные (на сдвиг и излом, при смещении столика к камере или рентгеновской трубке при выборе разрешения съемки). Образец почвы должен быть неподвижен в своей упаковке в процессе съемки.

• 2)    Рентген-прозрачный материал при условии плотного контакта с почвой, или любой другой, если есть прослойка в 3 мм и более, и если крепеж не затеняет почвенный образец при съемке.

• 3)    Центральная ось крепежа должна совпадать с осью вращения предметного столика.

Для изготовления можно использовать как 3D печать (рис. 5Б, 5В), так и токарно-фрезерное оборудование (рис. 5Г, 5Д). Фрезерованный крепеж надежнее напечатанного и дольше может эксплуатироваться. Шприцы различных производителей могут незначительно различаться. Стандартно только крепление для иглы у шприцев 5–50 мл. Между креплениями у шприцев 100 и 150 мл (большой носик) есть разница по диаметру и форме. Для образцов в такой упаковке понадобится разный крепеж в томографе, или доработанный до совместимости с обоими вариантами. Иногда есть необходимость дополнительно использовать крепежный материал для жесткой фиксации. В большинстве своем материалы те же, что и при изготовлении упаковки для образца. Но при этом в качестве подложки или дополнительной точки опоры крайне нежелательно использовать пластилин или вспененный двусторонний скотч. Воск (без ароматических добавок) хорошо заменяет пластилин и менее подвержен температурному расширению.

ВЫБОР ОБЛАСТИ СКАНИРОВАНИЯ

После установки образца в томограф нужно убедиться в его центральном положении. Для этого в режиме live view достаточно визуально сравнить отображаемые теневые проекции в стартовом положении и при повороте на 90°. Таким образом выявляется наклонное положение образца или расположение столика со сдвигом.

Следующий шаг – определение границ по высоте, внутри которых съемка будет осуществляться (расширенная область сканирования). Для каждой модели это делается согласно прилагаемой инструкции. Если этого не сделать – съемка будет происходить в пределах поля зрения камеры томографа (для томографов SkyScan и Neoscan).

Для почвенных монолитов и микромонолитов есть особенность подготовки образца – неровная верхняя и нижняя граница, иногда обрезанная под конус или отломанная. При съемке монолита интерес представляет его центральная область, удаленная от края и с наименьшей вероятностью подверженная изменениям при отборе образца. Не всегда нужно снимать образец целиком, иногда достаточно выбрать отдельную область для съемки. Верхнюю и нижнюю границы снимаемой области можно точно установить визуально или по отображаемому значению в меню настроек. Боковые границе удобнее всего выставлять по границам упаковки монолита (стенкам трубы или шприца), но иногда доступна возможность съемки области внутри монолита, когда сам монолит будет больше поля зрения. Такой режим съемки потребует реконструкции в режиме “объект больше поля зрения камеры” (для ПО nRecon) а изображение может быть со значительно большим количество цифровых шумов, чем для образца аналогичного диаметра, но без дополнительного поглощения от почвы, не попадающей в снимаемую область.

ТОМОГРАФИЧЕСКАЯ СЪЕМКА ПОЧВ.

БАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Томографическая съемка – единственный этап томографического исследования, где непосредственно задействован томограф. Ее результатом становится стек (набор) теневых проекций (рентгенограмм), снятых через фиксированный угловой шаг.

Яркость (диапазон различных градаций серого) на рентгеновской теневой проекции отражает ослабление рентгеновского излучения за счет эффектов рассеивания и поглощения сигнала, прошедшего через образец. Ослабление будет зависеть от плотно- сти и эффективного атомного номера (Z-ЭФ), из которого состоит изучаемый объект. Описывается этот эффект законом Ламберта-Бера, определяющим ослабление монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде (Rontgen, 1898). Закон выражается формулой:

I(x) = I_oe^,                (1)

где I o – начальная интенсивность рентгеновского излучения; x – толщина слоя вещества, через которое проходит излучение; μ – показатель поглощения среды (Cullity, 2001).

В случае, когда сканируемый объект не гомогенен по своему составу, а таковы практически все горные породы, то уравнение (1) приобретает вид:

I(x) -Це^^,            (2)

где каждому инкременту i соответствует отдельный материал с определенным показателем поглощения μi и линейной длиной xi.

При прохождении рентгеновского излучения через какой-либо материал уровень поглощения излучения может быть сопряжен с четырьмя видами взаимодействия (Halmshaw, 1991):

• •    Фотоэлектрическим поглощением.

• •    Комптоновским рассеянием.

• •    Образованием электрон-позитронных пар.

• •    Когерентным рассеянием Релея.

В случае с изучением почв, когда применяются источники излучения с энергией до 100 кэВ, основным процессом, определяющим ослабление рентгеновского излучения, будет фотоэлектрическое поглощение (Корост, 2012).

Если образец почвы просвечивается на превью в нескольких ракурсах, то можно приступать к подготовке съемки. Перед параметрами съемки есть важный этап – центровка образца и его фиксация. Для возможности выставить наиболее детальное разрешение и получить снимки с максимальным качеством образец нужно расположить прямо по центру оси вращения при съемке. А желательно вообще совместить центральную ось цилиндра монолита почвы с осью вращения крепежа в томографе. Простой способ центровки – вручную добиться прямого расположения монолита с равным расстоянием от края поля зрения камеры, а после провернуть его на 90° и снова выправить монолит.

Для массивных и крупных образцов, 5–10 см диаметром, точная центровка не столь важна, но для маленьких, менее 1 см, – просто необходима. Для коррекции центрального расположения в большинстве томографов реализован режим автоподстройки оси вращения. Для максимальной точности можно использовать мик-ропозиционные устройства типа отдельных модулей-приставок для систем Bruker Skyscan или встроенных в сам томограф (Neoscan). Также в процессе съемки образец должен быть прочно закреплен и неподвижен. Частицы почвы не должны перемещаться при съемке внутри упаковки или тем более высыпаться наружу.

Если объект исследования правильно подготовлен для съемки, надежно зафиксирован, и его рентген-проницаемость находится в пределах нормы (поглощение от 40%, до 80–90%) на используемом томографе, то необходимо выставить ряд настроек съемки или использовать готовые протоколы или пресеты.

Настройки съемки практически идентичны для большинства томографов, но их значения и доступность для изменения могут существенно различаться в зависимости от типа томографа, модели и др. Базовыми параметрами являются:

• 1)    Энергия съемки (Энергия рентгеновской трубки, Source Voltage). Основной параметр, влияющий на контрастность томографических данных, зависит от модели установленной рентгеновской трубки. Для микротомографов он варьируется в диапазоне 20–150 Kv 20–1000 uA. В анализаторы кернов и дефектоскопы могут устанавливать трубки с неизменяемым значением энергии. Низкие энергии в диапазоне 20–50 Kv хорошо подходят для съемки образцов с низким поглощением рентгеновского излучения – древесина, большинство пластмасс, тонкая костная ткань и др. Этот диапазон энергий допустимо использовать для изучения почвенных структур с большим содержанием органического вещества, например, торфяных горизонтов. При энергиях 70–100 Kv удобно снимать монолиты диаметром 1–5 см. При таких энергиях

хорошо различима структура твердой фазы, агрегированность, поровое пространство и органические объекты в почве (корни и др.). Энергии свыше 100 Kv понадобятся для объектов с высоким поглощением и диаметром 8 см и более. Однако при высоких значениях энергии возможно снижение контрастности. На 400 Kv фактически ничто не будет различимо, кроме твердой фазы и порового пространства.

• 2)    Пространственное разрешение (Image Pixel Size, мкм) – размер одного пикселя изображения. Для анализаторов керна разрешение обычно фиксировано (70, 100 или 200 мкм), для медицинских томографов разрешение также фиксировано, но еще и не изометрично. Пиксель вместо кубика будет “вытянутым” с разрешением, например, 240 × 240 × 600 мкм. На томографах других типов такое не встречается. Микротомографы обычно снимают с разрешением в диапазоне примерно от 1 до 50 мкм с небольшой разницей в обе стороны. Есть прямая зависимость разрешения и размеров образца. Невозможно 10-сантиметровый монолит снять с разрешением 1 мкм. Всегда будет ограничение по полю зрения и крайним положениям рентгеновского источника и детектора. Маленький монолит можно переместить близко к источнику излучения, что позволит снять его гораздо более детально.

• 3)    Шаг съемки (Rotation Step, угловой шаг) – угол поворота образца, через которой делается съемка теневой проекции. При детальной микросъемке угол поворота обычно составляет 0.15°– 0.25°, при грубой съемке достигает 0.8° и более. Выставляется вручную, влияет на общее время томографической съемки. Чем выше значение – тем меньше итоговых теневых проекций. Неправильное значение (грубее чем необходимо) отрицательно скажется на детализации изображения, особенно по краям, где расхождение теневых проекций будет особенно заметно в форме “вытягивания” элементов изображения от центра к краю. Завышенное значение на качество не повлияет, но резко увеличит длительность съемки на объем данных.

• 4)    Траектория съемки. В абсолютном большинстве томографов реализована кольцевая траектория. Это позволяет снимать одиночные образцы почвы в поле зрения камеры за один сегмент, а более крупные – расположить вертикально и снять 2 и более сег-

• ментов с последующей “склейкой” на этапе реконструкции данных. У такого типа съемки имеется недостаток, известный еще с первых томографических исследований и не только почвы, – кольцевые артефакты. Контрастные частицы или просто точечные объекты могут “потянуть” за собой кольцо другого оттенка (рис. 6).

Это ошибка реконструкции, для борьбы с которой существуют несколько решений. Одно из которых, и, вероятно, самое эффективное, использование другой траектории съемки, если это возможно. В некоторых томографах (анализаторы кернов, лабораторные модели Bruker Skyscan 1273, Neoscan N80 и др.) возможность выбора траектории реализована, но не всегда идеально. Проблема в размере итоговых данных съемки (суммарный объем теневых проекций), которые будут в разы больше, чем при использовании кольцевой траектории.

Рис. 6. Проявление кольцевого артефакта на томографических срезах. А) Тонкие кольца, обычно легко удаляемые при реконструкции. Б) Массивные кольца, сложно удаляемые программными фильтрами.

Fig. 6. Appearance of ring artifacts on tomographic slices. А) Thin rings, usually easily removed during reconstruction. Б) Massive rings, difficult to remove using software filters.

• 5)    Металлические фильтры. “Фильтр” в рентгеновской томографии представляет собой металлическую пластину толщиной в диапазоне от 0.1 до 1 мм, расположенную на пути луча между источником рентгеновского излучения и камерой, через которую рентгеновские лучи проходят либо до, либо после прохождения образца. Фильтр удаляет низкоэнергетическую часть спектра энергий рентгеновского излучения. Фильтры желательно использовать при наличии в исследуемом образце объектов с высоким и низким поглощением рентгеновского излучения. Без использования фильтров высока вероятность того, что органические объекты в образце почвы при реконструкции будут трудно отделимы или вообще неотличимы от порового пространства на фоне твердой фазы почвы, которая обладает высоким уровнем поглощения. Также без использования фильтра вероятен ряд артефактов изображения – появление яркой кромки поверхности образца, перепады контрастности и др. Обычно фильтры изготавливаются из алюминия или меди, реже из титана, и к ним привязываются настройки (пресеты) энергии томографа, образуя предлагаемые режимы съемки, которые можно вручную корректировать. Так для небольших образцов почвы диаметром от 1 мм до нескольких сантиметров часто используется алюминиевый фильтр с толщиной 0.25–1 мм. Для образцов большого диаметра (5–10 см.) обычно используются наиболее толстые, а иногда и составные фильтры (Сu или Al+Cu) совместно с высокой энергией съемки.

• 6)    Количество накоплений (Averaging). Под этим параметром понимается количество снимков теневых проекций с одного углового шага. Параметр, необходимый для коррекции цифрового шума путем его вычитания при наложении нескольких проекций друг на друга. При кольцевой съемке на 360° оптимальным для систем Bruker считается значение 3, для 180° – 6. В обоих случаях общее время съемки образца будет равным. Для систем Neoscan 3 накоплений достаточно для большинства режимов. Опытным путем было установлено, что при съемке плотного образца диметром 2.5 см на томографе SkyScan 1172 какие-либо изменения в изображении исчезают после 14 накоплений. При 16, 20 и более результат получается аналогичным, но общее время съемки значительно увеличивается.

• 7)    Угол съемки (180° или 360°). Он же общий угол поворота образца при съемке. Образцы с высоким поглощением рекомендуется снимать на 360° на системах Bruker SkyScan 1172–1174, несмотря на вдвое большее время съемки. Это нужно для более качественной реконструкции данных. Также это может пригодится в результате порчи части данных путем переключения в режим “реконструировать образец только на 180°, начиная с точки № …” в программах реконструкции, где это возможно, например, Bruker nRecon.

• 8)    Выдержка (Camera Exposure, мс). Время экспозиции при съемке каждого накопления. В современных томографах выдержка фиксированная для разных режимов, но с возможностью ручной корректировки. Обычно в процессе длительной эксплуатации томографа выдержку приходится корректировать в сторону увеличения. Для объектов с высоким поглощением выдержка длительная (более 1 сек.), для объектов с низким поглощением – короткая (миллисекунды). Для систем Bruker SkyScan установка выдержек вынесена в сервис-меню и не доступна без предварительного нажатия клавиш Ctrl+Alt+Shift+S, для Neoscan ситуация аналогична, только другое сочетание клавиш – Ctrl+update flat field. Для систем Bruker возможна коррекция выдержки через реестр Windows. Следует учитывать, что, если время экспозиции для объектов с высоким поглощением в результате коррекции превышает 5 сек. (для систем Bruker SkyScan), – это признак серьезной деградации рентгеновской трубки и основание для ее замены.

• 9)    Формат файла теневой проекции. Теневые проекции в КТ-системах создаются в градациях серого. Современные ПЗС матрицы и флэт-панели на основе КМОП-датчиков создают 12- или 14битные изображения, что определяет наилучший для использования формат файла – TIFF (с поддержкой 16 бит). Также в большинстве систем возможно сохранение теневых проекций в форматы BMP, PNG или JPEG, но это неоправданно, т. к. это форматы 8битные, и часть информации будет теряться.

• 10)    “Панорамный” режим съемки. Настройка, реализованная в ряде моделей Bruker SkyScan для съемки крупногабаритных, но сравнительно легко просвечиваемых объектов, что среди почвенных образцов встречается очень редко. Монолит снимается по ча-

  стям, а сама съемка одного сегмента разбивается на 8 фрагментов (для модели томографа Bruker Skysacn 1172). Из-за увеличения времени съемки минимум в 8 раз (если не уменьшать угловой шаг) целесообразность использования этого режима для исследования почв сомнительна.

ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПРОТОКОЛОВ ДЛЯ ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

Исходя из многолетнего опыта изучения почв методом компьютерной томографии, подбора и использования рентген-контрастных материалов и программного обеспечения в лаборатории Физики и гидрологии почв были сформированы методические требования для подготовки препаратов для КТ-исследования и протоколы томографической съемки для нескольких типов монолитов и микромонолитов на двух имеющихся в распоряжении лаборатории рентгеновских микротомографах – Neoscan N80 и Bruker SkyScan 1172. А также для монолитов, пригодных для съемки на анализаторах кернов.

Единого протокола для томографической съемки почвенных образцов добиться невозможно из-за множества переменных (разный тип и сложение почвенных образцов, немного различные диаметры, разная влажность почвы и др.), которые придется учитывать. Но есть возможность сделать подобие пресетов для почвенных образцов разного диаметра по аналогии с медицинскими томографами, где настройки будут варьироваться в небольшом диапазоне (табл. 2). Образцы различных почв, но сопоставимого диаметра, будут также близки по рентгеновской проницаемости и не потребуют серьезных корректировок настроек. Единственным исключением могут стать образцы органических или торфяных горизонтов соответствующих почв, где понадобится изменять энергию съемки в сторону уменьшения, как и время экспозиции, и, соответственно, серьезно скорректируется общее время съемки образца. Таким образом, для образца почвы типа “монолит” или “микромонолит” можно подготовить 5 еще не протоколов, но оснований для успешной съемки. Размеры и тип образцов, их краткая подготовка, совместимые с ними томографы и результат съемки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Размеры и назначение монолитов и микромонолитов

Table 1. Dimensions and purpose of monoliths and micromonoliths

Тип образца, габариты, размеры видимых объектов (на примере пор)	Форма, используемые материалы	Пригодный томограф, вероятное пространственное разрешение результата, ориентировочное время съемки
Монолит, фрагмент  мо нолита, D = 8– 11           см, L = 10–100 см Подходит для изучения крупных    и средних  мак ропор в масштабе почвенного профиля	Цилиндр, полипропиленовая труба с крышками. Зазоры сверху и снизу поджимаются смятой пвх-пленкой. Монолит вырезается в вертикальной проекции из разреза путем окапывания (обтачивания) колонны почвы нужного диаметра и постепенным надвигом на нее трубы сверху.	Анализаторы кернов (РКТ или зарубежные аналоги),   медицинские     томографы. Пространственное разрешение минимум 70 мкм, при энергии съемки      180 Kv. 1000 × 1000 pix. Несколько минут.
Монолит, фрагмент  мо нолита, D = 8– 11           см, L = до 10 см Подходит для изучения макропор  вплоть до 70 мкм. Для мезопор    не годится.	Цилиндр, полипропиленовая труба с крышками. Зазоры сверху и снизу поджимаются смятой пвх-пленкой. Монолит вырезается в вертикальной проекции из разреза путем окапывания (обтачивания) колонны почвы нужного диаметра и постепенным надвигом на нее трубы сверху.	1)    Анализаторы кернов (РКТ или зарубежные аналоги). Медицинские томографы.   Пространственное  разрешение  минимум  70 мкм, при энергии съемки      180 Kv. 1000 × 1000 pix. Несколько минут. 2)    Neoscan N80 (с флет-панелью). 27–35 мкм при энергии 110 Kv, 2700 × 2700 pix. 2–12 часов.

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Тип образца, габариты, размеры видимых объектов (на примере пор)	Форма, используемые материалы	Пригодный томограф, вероятное пространственное разрешение результата, ориентировочное время съемки
Монолит, фрагмент  мо нолита, D = 4–5 см, L = до 10 см Подходит для изучения  мез- опористых структур в диапазоне от 20 до 70 мкм.   Для изучения макропор недостаточный объем.	Цилиндр, полипропиленовая или акриловая труба с крышками. Иной вариант – крупный шприц 150 200 мл. Герметизируется пленкой, скотчем и воском (носик шприца). Монолит вырезается в вертикальной проекции из разреза путем окапывания (обтачивания) колонны почвы нужного диаметра и постепенным надвигом на нее трубы сверху.	Neoscan N80 (с флет-панелью). 16–20 мкм при   энергии   70– 110 Kv, 2700 × 2700 pix. 1–4 часа.
Микромонолит, D = 3–2 см, L = до 5 см Подходит для изучения всего диапазона мезопор. Для макро и микропор не пригоден.	Шприц 50–20 мл. Герметизируется пленкой, скотчем и воском (носик шприца). Монолит вырезается в вертикальной проекции из разреза путем (обтачивания) колонны почвы нужного диаметра и постепенным надвигом на нее трубы сверху	1)    Neoscan N80 (с флет-панелью). 8–16 мкм при энергии 50– 110 Kv, 2700 × 2700 pix. 1–4 часа. 2)    SkyScan 1172 (11 mp), 4–8 мкм при энергии 60–100 Kv, до 4000 × 4000, от 8 часов и более.

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Тип образца, габариты, размеры видимых объектов (на примере пор)	Форма, используемые материалы	Пригодный томограф, вероятное пространственное разрешение результата, ориентировочное время съемки
Микромонолит, D = 1 см, L = 2 см Подходит для детального изучения структуры на стыке мезо- и микропористости	Шприц 10 мл. Герметизируется пленкой, скотчем и воском (носик шприца). Вырезается в вертикальной проекции из разреза или более крупного монолита путем обтачивания колонны почвы ножом нужного диаметра и постепенным надвигом на нее трубы сверху.	1)    Neoscan N80 (с флет-панелью). 4–8 мкм при энергии 50–70 kv, 2700 × 2700 pix. 20 мин. и больше. 2)    SkyScan 1172 (11 mp), 2–5 мкм при энергии 50–100 kv, до 4000 × 4000, от 2 часов и более.
Агрегат (или частица почвы), размерная фракция 3–2 мм. Подходит для изучения микропористости и внутриагрегатных пор	Предпочтительно сухое состояние (в увлажненном критически трудно загерметизировать образец и сделать для него прочное крепление к предметному столику). Упаковка между слоями пенопласта в тонком шприце (объемом не более 5 мл или шприце для инъекций инсулина). Для Skyscan 1172 допускается упаковка сразу нескольких частиц (до 8–10) без пересечения по высоте.	SkyScan 1172 (11 mp), 0.75–3 мкм при энергии 50–100 kv, до 4000 × 4000, от 2 часов и более.

Таблица 2 . Базовые настройки томографической съемки

Table 2. Basic settings for tomographic imaging

Тип образца, габариты	Базовые настройки томографической съемки
Монолит, фрагмент монолита, D = 8–11 см, L = 10–100 см	Source Voltage 180 kV Image Pixel Size (um) = 100 Scanning Trajectory = SPIRAL
Монолит, фрагмент монолита, D = 8–11 см, L = до 10 см	**Source Voltage 110 kV, 37 uA Camera Exposure (ms) = 2426 Filter = Cu 1.0 mm Image Pixel Size (um) = 35 Rotation Step (deg) = 0.200 Averaging (Nframes) = 3 Use 360 Rotation = YES Scanning Trajectory = ROUND Total Duration (2 Subscans) = 8 h 35 min*
Монолит, фрагмент монолита, D = 4–5 см, L = до 10 см	**Source Voltage 75 kV, 53 uA Camera Exposure (ms) = 324 Filter = Al 1.0 mm Image Pixel Size (um) = 17.5 Rotation Step (deg) = 0.200 Averaging (Nframes) = 5 Use 360 Rotation = YES Scanning Trajectory = ROUND Total Duration (2 Subscans) = 2 h 38 min*
Микромонолит, D = 3–2 см, L = до 5 см	**Source Voltage 58 kV, 68 uA Camera Exposure (ms) = 196 Filter = Al 0.25 mm Image Pixel Size (um) = 8.750080 Rotation Step (deg) = 0.200 Averaging (Nframes) = 5 Use 360 Rotation = NO Scanning Trajectory = ROUND Total Duration (3 Subscans) = 1 h 47 min*

Продолжение таблицы 2

Table 2 continued

Тип образца, габариты	Базовые настройки томографической съемки
Микромонолит, D = 1 см, L = 2 см	**Source Voltage 58 kV, 68 uA Camera Exposure (ms) = 196 Filter = Al 0.25 mm Image Pixel Size (um) = 4.375040 Rotation Step (deg) = 0.200 Averaging (Nframes) = 5 Use 360 Rotation = NO Scanning Trajectory = ROUND Scan Duration = 34 min 43 sec
Агрегат (частица почвы) размерной фракции 3–2 мм	Source Voltage 70 kV, 129 uA Camera Exposure (ms) = 2900 Filter = Al 0.5 mm Image Pixel Size (um) = 1.001 Rotation Step (deg) = 0.200 Averaging (Nframes) = 3 Use 360 Rotation = NO Scanning Trajectory = ROUND Scan Duration = 03:58:34

Примечание. *Время съемки указано для нескольких сегментов.

**Значения настроек для Neoscan N80.

Note. *Acquisition time is indicated for several segments.

**Setting values for Neoscan N80.

Детальные настройки съемки для тех же образцов приведены в таблице 2. Большинство данных для Neoscan N80 в таблицах 1 и 2 приведено на основе опыта съемок первых двух лет для проекта РНФ 23-74-00069 (Абросимов, 2023). Для SkyScan использованы результаты съемок для проекта РНФ 23-74-00069 (агрегаты), а также результаты съемок, по которым был выпущен ряд статей (Шеин и др., 2017; Skvortsova et al., 2020; Gorbov et al., 2022; Fomin et al., 2023) и докладов (Шоркунов и др., 2018). Результаты съемки на анализаторе кернов частично использованы в статье про алгоритмы сегментации (Abrosimov et al., 2021).

Время съемки рассчитывается автоматически и сильно меняется при изменении настроек. Настройки из таблицы 2 допустимо применять для съемки образцов одного диаметра, но в рамках разных задач желательно вносить коррективы. Так для исследования корневых систем желательно не использовать энергию съемки выше 70 Kv (Шеин и др., 2021; Суздалева и др., 2022) а фильтр толще 1 mm (Al). Медные фильтры использовать так же крайне нежелательно. А вот угловой шаг сделать меньше (0.2° до 0.15°) и количество накоплений увеличить до 6–10. Для задач исследования морфологии порового пространства, наоборот, желательно сделать приоритет времени, но не в ущерб детализации, т. к. поры и твердая фаза – контрастные объекты и хорошо различимы на фоне друг друга. Уплотнение почв практически не детектируется по малым образцам, снятым с разрешением 2–1 мкм (Gorbov et al., 2022). Под эту задачу лучше отбирать монолиты или микромонолиты диаметром до 3 см.

Настройки в таблице 2 для каждого из пяти типоразмеров не являются безусловными для всех почв без исключения. Торфяной или органический горизонт всегда будет исключением, т. к. его рентген-проницаемость намного выше. Это же относится к почвам с древесными остатками (Шоркунов и др., 2018), углями разного возраста, конструктоземам с торфом (Шеин и др., 2017) и прочим аналогичным объектам исследования. Съемка с приоритетом “третьей фазы”, которая по проницаемости сопоставима с водой в порах или чуть выше, но значительно отличается от воздуха и минеральной (твердой) фазы почв всегда потребует значительно больше времени, чем просто съемка под задачу исследования структуры пор для тех же образцов.

ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ И ЕЕ ВЛИНИЕ НА РЕЗУЛЬТАТ СЪЕМКИ

Почвенная влага способна оказывать влияние на результат томографической съемки. Если снять один и тот же образец почвы в воздушно-сухом состоянии и при избыточном насыщении, когда практически все поровое пространство будет заполнено водой, при полностью идентичных настройках, результат съемки почвы с водой, помимо явных признаков набухания (изменений размеров и пористости), будет менее контрастным и немного более темным (рис. 7). При небольшой влажности почвы потемнение практически незаметно и не выявляется программно. Наиболее явно такое проявляется на торфяных горизонтах почв или органических горизонтах в местах археологических раскопок. Подобный эффект потребует корректировки протокола сегментации, т. к. порог разделения поры/почва может существенно отличаться.

Еще одно свойство свободной воды в порах – ее полное совпадение по рентген-контрастной фазе с корнями растений, что делает бессмысленным томографическую съемку препарата с растением, которое только что полили водой.

Из “положительных” свойств – влажную почву всегда удобнее отбирать для томографического исследования в полевых условиях, чем почти полностью сухую.

Рис. 7. Фрагмент горизонта погребенной слаборазвитой почвы в толще органического слоя в сухом и переувлажненном состоянии. Из коллекции А. Долгих (Шоркунов и др., 2018).

Fig. 7. Fragment of a buried weakly developed soil horizon within the organic layer, shown in dry and overwetted states. From the collection of A. Dolgikh (Shorkunov et al., 2018).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Соблюдение условий отбора и методики съемки почвенных образцов – гарантия успешного томографического исследования. Итогом томографической съемки должен стать стек (набор) теневых проекций, пригодный для реконструкции без каких-либо ограничений и корректировок. Ошибки, допущенные на этих этапах, фактически не исправимы. Если однократное смещение образца при съемке еще можно программно исправить на этапе реконструкции (Sasov et al., 2008), то многократное – уже нет. Протоколы съемки несовершенны и, по сути, гораздо ближе к методическим рекомендациям, чем к тому, что обычно является протоколом. Достаточно на конструктивной базе того же томографа Neoscan N80 использовать трубку мощнее в 5 раз (аналоги уже существуют, в т. ч. и в томографах отечественного производства – Рен-том micro CT и др.), и настройки съемки изменятся практически полностью. Для образцов диаметром 8–10 см достаточно будет использовать энергию 50–70 Kv под любые перечисленные выше задачи, а не выкручивать ее на максимум в попытке просветить почву на 4–5% получше и получить чуть меньше шумов в результате. Количество накоплений также можно будет сократить до минимума. При этом “горизонт диаметров” образцов расширится, и придется разрабатывать оптимальный протокол уже для 30 см или более. Универсальный протокол останется недостижимым, как и универсальный томограф, для любых образцов, даже для любых почвенных образцов. Создание работоспособных протоколов возможно только в масштабе одного типа почв или группы почв с очень близкой рентгеновской плотностью и внутренней структурой, но при этом корректируемых параметров избежать не удастся. Даже один и тот же томограф разного возраста будет выдавать сильно различные данные с одинаковыми настройками.