РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК G01N23/04 

Изобретение относится к области цифровой рентгеновской техники, используемой для контроля объектов.

Известны цифровые рентгенографические устройства, формирующие теневые изображения контролируемых объектов (см. 1. Рентгенотехника, т. 2. Справочник под ред. В. В. Клюева, 1992 г.). Базовая модель этих устройств содержит инспекционную камеру с транспортным устройством для перемещения объектов, источник тормозного рентгеновского излучения с формирующей коллиматорной структурой для получения узкого веерообразного потока рентгеновского излучения, пересекающего трассу перемещения объектов, однорядную матрицу фотоприемников с отсекающей коллиматорной структурой для устранения рассеянного по пути распространения рентгеновского излучения, систему приема сигналов, преобразующую сигналы с выходов фотоприемников в цифровой код, вычислительное устройство со средствами отображения информации, а также средства управления с пультом управления.

Вычислительное устройство производит нормировку сигналов с выходов фотоприемников по сигналам с тех же фотоприемников в отсутствие объекта, формирует на средствах отображения теневое изображение объекта и осуществляет по заданию с пульта управления простейшие операции над изображением: контрастирование, масштабирование и т.п.

В рассматриваемых устройствах подлежащий контролю объект транспортным устройством перемещается в инспекционной камере через зону облучения. Прошедший через объект поток рентгеновского излучения через отсекающую коллиматорную структуру поступает на входы однорядной матрицы фотоприемников. Выходные сигналы фотоприемников считываются системой приема сигналов, которая преобразует их в цифровой код и передает в вычислительное устройство. Шаг за шагом по мере перемещения объекта через зону облучения вычислительное устройство формирует на мониторе (на средствах отображения) теневое рентгеновское изображение объекта.

В качестве источников тормозного рентгеновского излучения могут использоваться как рентгеновские трубки, способные генерировать рентгеновское излучение вплоть до энергий квантов 300-500 кэВ, так и ускорители электронов с соответствующими мишенями для генерирования излучения с энергиями фотонов до энергий 10 МэВ, что необходимо, например, при контроле крупногабаритных объектов, таких как морские контейнеры. При этом могут применяться как непрерывные, так и импульсные источники, поскольку сигналы на выходе фотоприемников пропорциональны накопленной фотоприемниками энергии излучения за время между двумя считываниями.

По технологическим соображениям и для облегчения юстировки однорядная матрица фотоприемников состоит, как правило, из отдельных блоков фотоприемников.

Основным недостатком рассматриваемых устройств является то, что в формируемых ими теневых рентгеновских изображениях информация о химическом составе объекта и информация о его массогабаритных характеристиках перемешаны, так как ослабление объектом рентгеновского излучения зависит как от его химического состава, так и от массового набега по лучу зондирования. При этом под лучом зондирования (рентгеновским лучом) здесь и далее подразумевается часть потока рентгеновского излучения, которая воспринимается отдельным фотоприемником из матрицы фотоприемников.

Отсутствие информации о химическом составе объектов не позволяет выделять объекты, содержащие наркотики, взрывчатые вещества и т. п.

Указанный недостаток частично устранен в рентгенографических устройствах, формирующих псевдоцветные теневые изображения объектов, окраска которых несет информацию о химическом составе объектов (см. 2. Патент РФ 2115914, класс 6 G 01 N 29/24 от 23.04.1997 г.; 3. Проспекты на устройства Linescan фирмы EG & G Astrophysics, 1993 г.).

Устройство по патенту РФ 2115914 содержит все элементы очерченной выше базовой модели и отличается тем, что на входах однорядной матрицы фотоприемников, состоящей из элементарных фотодетекторов, установлены пластинчатые рентгеновские фильтры через один детектор, а вычислительное устройство дополнительно осуществляет сравнение сигналов с затененных и незатененных фотодетекторов и в зависимости от соотношения этих сигналов окрашивает теневое изображение объекта в соответствии с заданной шкалой цветности.

Устройства Linescan также содержат все элементы базовой модели и отличаются тем, что однорядная матрица фотоприемников построена на основе составных фотоприемников, состоящих из двух элементарных фотодетекторов, установленных друг за другом так, что первый из них является рентгеновским фильтром для второго, а цветность формируемого теневого изображения определяется соотношением между величинами сигналов с выходов первого и второго фотоприемников.

Физической основой для различения объектов по химическому составу в рассматриваемых устройствах являются различия в зависимостях от энергии фотонов в диапазоне до энергий 200-300 кэВ двух основных механизмов ослабления рентгеновского излучения в веществе: фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния фотонов.

Фотоэлектрическое поглощение фотонов сильно зависит как от физико-химической природы вещества, так и от энергии фотонов, быстро уменьшаясь с ростом энергии фотонов. Комптоновское же рассеяние фотонов слабо и примерно одинаково для всех веществ, зависит от энергии фотонов. Поэтому ослабление рентгеновского излучения объектом, обусловленное фотоэлектрическим поглощением фотонов, определяется в основном химическим составом объекта по лучу зондирования, а ослабление, обусловленное комптоновским рассеянием, определяется массовым набегом по лучу зондирования и практически не зависит от химического состава объекта.

В устройстве по патенту РФ 2115914 затененные фотодетекторы регистрируют в основном высокоэнергетическую часть спектра потока рентгеновского излучения, ослабление которой определяется массовым набегом по лучу зондирования, а разность сигналов от незатененного и затененного соседних фотодетекторов определяется низкоэнергетической частью спектра рентгеновского излучения, ослабление которой зависит от химического состава объекта по лучу зондирования. Аналогично в устройствах Linescan сигнал с первого фотодетектора сильно зависит от химического состава объекта по лучу зондирования, а сигнал со второго определяется массовым набегом по лучу зондирования. Фактически в данных устройствах осуществляется разделение методом фильтрации прошедшего объект рентгеновского потока на две части: часть, ослабление которой зависит от химического состава объекта, и часть, ослабление которой определяется массовым набегом по лучу зондирования. Действительно, спектральная интенсивность рентгеновского луча, прошедшего через фильтр, равна
B(E)=T(E)I(E), (1)
где Е - энергия фотонов;
В (Е) - спектральная интенсивность первичного рентгеновского излучения на выходе фильтра;
I (Е) - спектральная интенсивность первичного рентгеновского излучения на входе фильтра;
Т (Е) - спектральный коэффициент пропускания фильтра для рентгеновского излучения.

Так как Т (Е=0) = 0 и Т (Е) быстро растет с увеличением энергии Е фотонов, то подходящим выбором фильтра и достигается выделение из общего потока рентгеновского излучения его высокоэнергетической части.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является устройство по патенту РФ 2115914. Установленные в этом устройстве на входах матрицы фотоприемников пластинчатые рентгеновские фильтры через один фотоприемник можно рассматривать как элементы фильтрующей структуры, модифицирующей узкий веерообразный поток рентгеновского излучения на входах фотоприемников в структурированный поток, состоящий в отсутствие объекта из повторяющейся группы из двух рентгеновских лучей с разными энергетическими спектрами рентгеновских фотонов.

Отличительными характеристиками химических компонент при этом являются по сути соотношения между величинами сигналов на выходах соседних фотоприемников, порождаемых соседними рентгеновскими лучами (или соотношением каких - либо функций от величин сигналов, например, логарифмов нормированных сигналов и т.п.). Эти отличительные характеристики должны быть заранее известны и заложены в измерительное устройство.

Принципиальным недостатком обоих типов рассматриваемых устройств является то, что они позволяют осуществлять распознавание (идентификацию) только однокомпонентных по лучу зондирования объектов. В случае, если объект имеет две или более химические компоненты по лучу зондирования (например, наркотики или взрывчатое вещество в упаковке), такие устройства позволяют провести только простейшую классификацию состава объекта по типу легкие - средние - тяжелые компоненты и т.п., что недостаточно для достижения целей контроля.

Другим важным недостатком является то, что рассматриваемые устройства неработоспособны при использовании в них в качестве источника тормозного излучения ускорителей электронов, то есть не применимы для контроля крупногабаритных объектов, для инспекции которых необходимо использовать рентгеновское излучение с энергией фотонов до 10 МэВ, генерируемое ускорителями электронов на специальных мишенях.

В области высоких энергий фотонов основными механизмами ослабления рентгеновского излучения являются комптоновское рассеяние и образование пар электрон + позитрон, которые трудно разделить по спектру фотонов, хотя ослабление излучения объектом, обусловленное образованием пар, также зависит от химического состава объекта.

Целью предлагаемого изобретения является устранение названных недостатков. Эта цель достигается путем разделения части потока рентгеновского излучения, ослабление которой объектами зависит от химического состава объектов, на несколько дополнительных частей, раздельной регистрации всех частей потока и применением специальной методики распознавания химического состава объектов, при которой в качестве отличительных характеристик химических компонент используются их массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения. Эти коэффициенты должны быть известны и заложены в устройство.

Именно в рентгенографических устройствах, содержащих источник тормозного рентгеновского излучения, формирующую коллиматорную структуру, инспекционную камеру, транспортное устройство для перемещения объектов, отсекающую коллиматорную структуру, фильтрующую структуру, однорядную матрицу фотоприемников, систему приема сигналов, вычислительное устройство со средствами отображения информации и средства управления с пультом управления, фильтрующую структуру предлагается выполнить в виде повторяющейся группы из нескольких рентгеновских фильтров с различающимися спектральными коэффициентами пропускания. Размеры фильтров и их размещение в фильтрующей структуре должны быть согласованы с размерами и положением входных апертур фотоприемников однорядной матрицы фотоприемников так, что на выходе фильтрующей структуры в отсутствие объекта формируется структурированный поток рентгеновского излучения в виде группы из трех или более трех рентгеновских лучей. При этом вычислительное устройство формирует теневые изображения объекта, соответствующие разным энергетическим спектрам рентгеновского излучения, и/или синтезированное из них теневое изображение объекта, осуществляет проверку гипотез о химическом составе объектов путем сравнения измеренных сигналов и вычисленных в предположении о составе объекта из химических компонент, представленных в банке данных устройства, представляет на средствах отображения цифро-буквенную информацию и/или псевдоцветные изображения объектов в соответствии с найденным их химическим составом. Для вычисления величин ожидаемых сигналов используются массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения химическими компонентами в пределах используемого спектра рентгеновского излучения.

Упомянутые массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения известны для всех простых химических элементов во всем представляющем интерес диапазоне энергий фотонов, а массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения сложными химическими компонентами могут быть вычислены по их химическому составу. Если же химический состав какой-либо компоненты не установлен, необходимы измерения.

В общем случае под химическими компонентами далее следует понимать либо простые химические элементы, либо соединения элементов, либо смеси элементов и/или соединений, массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения которыми могут быть или вычислены или измерены.

Использование группы из двух фильтров, устанавливаемой через один фотоприемник, или группы из трех фильтров позволяет разбить поток рентгеновского излучения на повторяющуюся группу из трех рентгеновских лучей, различающихся энергетическими спектрами фотонов. Это позволяет осуществить распознавание двухкомпонентных по лучу зондирования объектов. При этом сигналы, порождаемые двумя из трех лучей, используются для оценки массовых набегов, соответствующих каждой из предполагаемых компонент в рамках рассматриваемой гипотезы о химическом составе данного элемента объема объекта, а сигналы, порождаемые оставшимся лучом, используются для подтверждения самой гипотезы.

Использование группы из трех фильтров, устанавливаемой через один фотоприемник, или группы из четырех фильтров позволяет разбить поток рентгеновского излучения на повторяющуюся группу из четырех рентгеновских лучей и осуществить распознавание трехкомпонентных по лучу зондирования объектов и т.д.

Предложенное может быть использовано и при зондировании объектов высокоэнергетическими фотонами, так как не требуется выделение части потока рентгеновского излучения, ослабление которой зависит только от массового набега по лучу зондирования.

Распознавание химического состава объекта осуществляется путем совместного анализа сигналов, порождаемых всеми рентгеновскими лучами, принадлежащими одной группе или нескольким соседним группам лучей. При этом предполагается однородность объекта по химическому составу в пределах его пространственного элемента, соответствующего рассматриваемым группам рентгеновских лучей.

Изложенное выше подтверждает существенность основных отличительных признаков предлагаемого изобретения для достижения поставленных целей.

Фильтрующая структура может быть выполнена, например, в виде стопы из двух, трех и т.д. перфорированных пластин. Пластины могут быть выполнены из одного материала или из разных материалов, отличаться по толщине или иметь одинаковую толщину, что определяется конкретным назначением устройства и технологическими соображениями.

Надежность распознавания химического состава объектов определяется ошибками измерений и вычислений. Для уменьшения ошибок предлагается осуществить также и отсечку рассеянного фильтрами рентгеновского излучения. Это достигается путем установки фильтрующей структуры перед отсекающей коллиматорной структурой либо установкой между фильтрующей структурой и фотоприемниками дополнительной отсекающей коллиматорной структуры, а также использованием в отсекающих коллиматорных структурах растровых рентгеновских коллиматоров или коллиматоров на основе многоканальных пластин. Последние могут иметь коллимирующих отверстий на единице площади при высоком коэффициенте прозрачности для первичного рентгеновского излучения, что позволяет практически полностью исключить влияние на выходные сигналы фотоприемников рассеянного объектом и фильтрами рентгеновского излучения.

Для облегчения юстировки элементов устройства коллиматорную структуру (коллиматорные структуры) и фильтрующую структуру целесообразно разбить на блоки, размеры которых определяются размерами блоков фотоприемников, из которых составлена матрица фотоприемников.

Для улучшения механической стабильности юстировки фильтрующая структура и коллиматорная структура могут быть выполнены в едином блоке путем, например, подходящего заполнения (затенения) щели в щелевых коллиматорах или отверстий в растровых и многоканальных коллиматорах.

Для уменьшения влияния нестабильности интенсивности рентгеновского излучения на процесс распознавания предлагается установить на выходе рентгеновского источника в зоне действия неиспользуемого рентгеновского излучения дополнительные фотоприемники. Сигналы с этих фотоприемников, пропорциональные текущей интенсивности рентгеновского излучения, через дополнительные каналы регистрации системы приема сигналов должны поступать в вычислительное устройство и использоваться для перенормировки основных сигналов.

При использовании предлагаемого устройства для контроля продуктов, перекачиваемых по трубопроводам (нефть, газ, пульпа в горнодобывающей промышленности и т.п.) основные трудности связаны с большим ослаблением рентгеновского излучения стенками труб. Для уменьшения этого эффекта предлагается транспортное устройство выполнить в виде двухсекционной трубы, между соединительными фланцами секций поместить уплотнитель из материала с малым атомным номером, например из алюминия. При этом зондирующий веерообразный поток рентгеновского излучения должен проходить через уплотнитель, ослабление излучения в котором существенно меньше, чем в трубе, даже при обеспечении высоких давлений внутри трубы.

Дополнительные признаки, изложенные выше, содержат частные технические решения, направленные либо на улучшение потребительских свойств, либо на расширение области использования предлагаемого устройства, что подтверждает существенность этих дополнительных признаков.

На фиг.1 представлена структура рентгенографического устройства; на фиг. 2 схематично изображена компоновка рентгеновских фильтров в виде стопы перфорированных пластин; на фиг.3 приведена зависимость коэффициента пропускания рентгеновских фильтров из разных материалов для энергии квантов 0-200 кэВ; на фиг.4 схематично показано взаимное положение веерообразного потока рентгеновского излучения двухсекционной трубы отсекающей коллиматорной структуры, фильтрующей структуры и матрицы фотоприемников.

Устройство по фиг. 1 содержит источник тормозного рентгеновского излучения 1, формирующую коллиматорную структуру 2, инспекционную камеру 3, транспортное устройство 4, на котором размещаются инспектируемые объекты 5, коллиматорные структуры 6 и 8 (при необходимости), фильтрующую структуру 7, однорядную матрицу фотоприемников 9, систему приема сигналов 10, вычислительное устройство 11 со средствами отображения информации 12, средства управления 13 с пультом управления 14, дополнительные фотоприемники 15 (при необходимости).

Фильтрующие структуры 7 по фиг.2 состоят из однородных перфорированных пластин 16-22.

Транспортное устройство по фиг. 4 содержит две секции трубы 23 и 24 и прокладку 25 между их соединительными фланцами 26 и 27.

Устройство функционирует следующим образом. Объект 5 устанавливается на транспортном устройстве 4 и по команде с пульта управления 14 начинает перемещаться внутри инспекционной камеры 3. При подходе объекта к зоне облучения средства управления 13 инициируют работу рентгенографического устройства в целом. Поток рентгеновского излучения от источника 1, пройдя через формирующую коллиматорную структуру 2, приобретает веерообразную форму в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения объекта 5, пронизывает инспекционную камеру 3 и через отсекающую коллиматорную структуру 6 попадает на фильтрующую структуру 7.

Отсекающая коллиматорная структура 6 устраняет из рентгеновского потока рассеянное по пути распространения рентгеновское излучение и на фильтрующую структуру 7 поступает в основном первичное излучение источника.

Фильтрующая структура 7 в отсутствие объекта структурирует веерообразный поток излучения на повторяющуюся группу из нескольких рентгеновских лучей, различающихся энергетическими спектрами фотонов.

Далее структурированный поток рентгеновского излучения через отсекающую коллиматорную структуру 8 попадает на входы однорядной матрицы фотоприемников 9 (если рассеянием рентгеновского излучения на материале фильтрующей структуры можно пренебречь, одна из коллиматорных структур 7 или 8 может отсутствовать).

Сигналы с выходов фотоприемников матрицы 9 последовательно считываются системой приема сигналов 10, трансформируются в цифровой код и передаются в вычислительное устройство 11.

При появлении в зоне облучения объекта сигналы на выходе фотоприемников уменьшаются из-за ослабления объектом излучения. Процесс регистрации сигналов продолжается, пока объект не пройдет полностью через зону облучения.

Если установлены дополнительные фотоприемники 15, сигналы с их выходов также поступают в систему приема сигналов на дополнительные каналы регистрации, преобразуются в общем порядке в цифровой код и передаются в вычислительное устройство 11.

Вычислительное устройство 11 осуществляет нормировку измененных объектом сигналов по сигналам с одних и тех же фотоприемников, полученным в отсутствие объекта. При наличии сигналов от дополнительных фотоприемников вычислительное устройство осуществляет перенормировку сигналов, несущих информацию об объекте, по этим дополнительным сигналам. Тем самым существенно ослабляется влияние на информационные сигналы нестабильности источника излучения.

По мере перемещения объекта через зону облучения в памяти вычислительного устройства формируются несколько двумерных матриц данных (по числу рентгеновских лучей в упомянутой повторяющейся группе лучей), представляющих собой теневые цифровые изображения объекта. Эти теневые изображения соответствуют разным виртуальным спектрам зондирующего рентгеновского излучения. Совместная обработка этих изображений и позволяет определить химический состав объекта. Однако сформированные таким образом двумерные цифровые изображения объекта соответствуют разным пространственным элементам объекта. Поэтому перед процедурой совместной обработки необходимо провести процедуру сглаживания теневых изображений путем формирования виртуальной апертуры фотоприемника, одной и той же для всех теневых изображений, но перекрывающей несколько элементов разрешения. В итоге сглаживания получаются новые матрицы, представляющие цифровые изображения объекта, соответствующие тем же виртуальным спектрам зондирующего рентгеновского излучения. Но элементы этих изображений относятся уже к одним и тем же пространственным элементам объекта, соответствующим виртуальным апертурам фотоприемников.

Кроме названных процедур вычислительное устройство осуществляет вывод любого из теневых изображений или синтезированного из них изображения на средства отображения информации 12, формирование и вывод цифробуквенной информации и/или окрашивание теневого изображения в псевдоцвета в соответствии с найденным химическим составом объекта.

Упомянутая процедура сглаживания одновременно приводит и к увеличению отношения сигнал/шум, что увеличивает надежность распознавания. Дополнительное увеличение отношения сигнал/шум можно получить при выполнении отсекающих коллиматорных структур на основе растровых рентгеновских коллиматоров или на основе многоканальных пластин. Однако такой метод трудно исполним при работе с рентгеновскими квантами больших энергий.

Изложенное справедливо как при работе устройств на основе рентгеновских трубок, так и при использовании ускорителей электронов, причем источники могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

При использовании транспортных устройств в виде двухсекционных труб (фиг. 4), разделенных прокладкой, из-за особенностей контролируемых объектов реализовать регистрацию сигналов в отсутствие объекта невозможно. В этом случае нормировка сигналов может осуществляться по данным, полученным при пусконаладочных работах или расчетным путем, а перенормировка по данным, полученным от дополнительных фотоприемников. Роль этих дополнительных фотоприемников в этом случае возрастает, так как при этом устраняется влияние на информационные сигналы долговременной нестабильности источника.

Рассмотрим процесс совместной обработки теневых изображений и распознавания химического состава объектов более подробно.

Величина нормированных сигналов U_i на выходе фотоприемников, соответствующих одному и тому же i-му фильтру в повторяющейся группе фильтров, для одного и того же элемента объема объекта (после процедуры сглаживания) может быть представлена в виде

i=1, 2, 3...k,
где E₀ - максимальная энергия фотонов, генерируемых рентгеновским источником;
I(Е) - спектральная интенсивность рентгеновского излучения на выходе рентгеновского источника;
Т_i (Е) - спектральный коэффициент пропускания для i-го фильтра;
S (Е) - спектральная чувствительность фотоприемника;
m_j - массовый набег для j-ой химической компоненты объекта на пути зондирующего луча, воспринимаемого рассматриваемым фотоприемником;
μ_j(E) - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения j-ой компонентой при энергии квантов Е;
n - число химических компонент в объекте по лучу зондирования;
k - число фильтров в группе (в число фильтров включается и световое окно, если фильтры установлены через один фотоприемник), в общем случае к>n.

Будем предполагать, что для всех химических компонент, которые могут содержаться в инспектируемых объектах, измерены или вычислены μ(E) в пределах используемого спектра излучения и заложены в банк данных измерительного устройства. Будем рассматривать первые, например, n соотношений (2) как систему интегральных уравнений относительно массовых набегов m_j. Осуществим перебор всех возможных комбинаций компонент из банка, вычисляя из интегральных уравнений возможные массовые набеги для этих компонент, исходя из очевидного условия
m_j≥0 (3).

На первом шаге проверяется гипотеза об однокомпонентном составе рассматриваемого пространственного элемента объекта. Для этого выбирается из банка данных какая-либо одна компонента и соответствующая ей функция μ(E) подставляется в систему уравнений (1). Далее, из первого, например, уравнения определяется значение массового набега m. Подставляя найденные значения m и функцию μ(E) в другие уравнения системы, проверяют их выполнение, что эквивалентно вычислению величины ожидаемых сигналов при заданных фильтрах и их сравнению с измеренными сигналами при тех же фильтрах. Если в пределах ошибок измерений и вычислений эти уравнения выполняются, процедура распознавания завершается. В противном случае переходят к следующей компоненте из банка данных.

Минимально необходимое число уравнений для однокомпонентного объекта при изложенной процедуре равно двум. Это означает, что для идентификации (распознавания) однокомпонентных объектов необходимо, чтобы фильтрующая структура содержала повторяющуюся группу фильтров, состоящую не менее, чем из двух фильтров, одним из которых может быть световое окно, для которого Т= 1.

На практике обычно ставится вопрос, содержит ли объект какие-либо из небольшого списка компоненты (взрывчатка, наркотики и т.п.). В этом случае проверяется только этот небольшой список компонент.

При отрицательном ответе по всему списку компонент необходимо перейти к аналогичной процедуре в предположении, что объект (элемент объекта) является двухкомпонентным (например, содержит взрывчатку в упаковке). Как и ранее, из банка данных (или из небольшого списка возможных комбинаций) выбираются две компоненты. Подставляя известные для них значения μ₁(E) и μ₂(E), например, в первые два уравнения системы (1), определяют величины m₁ и m₂. Найденные значения m₁ и m₂ и известные функции μ₁(E) и μ₂(E) подставляют в остальные уравнения. Если последние в пределах ошибок измерений и вычислений выполняются, процедура завершается. В противном случае необходимо перейти к новой паре компонент.

Минимально необходимое число уравнений для распознавания двухкомпонентных объектов равно трем, причем два из них используются для определения массовых набегов, а третье - для подтверждения гипотезы о составе объекта. Это означает, что для распознавания двухкомпонентных объектов необходимо, чтобы фильтрующая структура содержала повторяющуюся группу фильтров, состоящую не менее, чем их трех фильтров, одним из которых может быть световое окно.

Аналогично, для распознавания трехкомпонентных объектов необходимо, чтобы фильтрующая структура содержала повторяющуюся группу не менее, чем из четырех фильтров и т.д.

Следует, однако, отметить, что при переходе к распознаванию объектов из трех и более компонент сильно возрастают требования к точности измерений.

Рассмотренная процедура распознавания должна применяться ко всем пространственным элементам объекта независимо. При этом под пространственным элементом объекта понимается часть объема объекта, зондируемая одним рентгеновским лучом.

При выполнении фильтрующей структуры в виде стопы из перфорированных пластин путем подбора числа пластин, материалов для изготовления пластин, толщины пластин и рисунка перфорации можно получить любую требуемую комбинацию фильтров. Так, например, стопа из двух пластин, изображенная на фиг.2а, реализует повторяющуюся группу из трех фильтров, одним из которых является световое окно. При этом пластины 16 и 17 могут отличаться только рисунком перфорации. Стопа, изображенная на фиг.2б, реализует повторяющуюся группу из четырех фильтров. Однако в этом случае пластины 18 и 19 должны отличаться дополнительно либо толщиной, либо материалом, либо тем и другим. Стопа, изображенная на фиг.2в, также реализует повторяющуюся группу из четырех фильтров, при этом пластины 20, 21, 22 могут отличаться только рисунком перфорации и т.д.

На фиг. 3 приведены зависимости спектральных коэффициентов пропускания фильтров от энергии фотонов для фильтров, выполненных из алюминия (фиг.3а), меди (фиг.3б) и ванадия (фиг.3в) при разной толщине пластин. Значения коэффициентов пропускания нормированы на соответствующий коэффициент пропускания при энергии квантов 200 кэВ. Для всех материалов нижняя граница пропускания рентгеновского излучения смещается при увеличении толщины пластин в сторону более высоких энергий фотонов. Видно, что вариацией материала и толщины пластин можно получить любую требуемую корректировку энергетического спектра фотонов в рентгеновском луче, соответствующем данному фильтру. Предполагается при этом, что шаг перфорации, размеры отверстий на пластинах и положение пластин выбраны так, что каждый рентгеновский луч соответствует отдельному фотоприемнику матрицы фотоприемников.

В качестве вычислительного устройства в виду большого объема вычислительных операций целесообразно использовать современные универсальные персональные ЭВМ.

Требования к другим элементам заявленного устройства не выходят за рамки обычных. Поэтому реализуемость заявленного устройства можно считать доказанной.

Предлагаемое устройство может найти применение в таможенной службе для контроля грузов и багажа на предмет выявления недозволенных вложений; в службе авиаперевозок для выявления взрывчатых веществ в багаже авиапассажиров; в службах безопасности для выявления оружия и взрывчатых веществ в посылках, кейсах, чемоданах; на трубопроводном транспорте для контроля состава продуктов, например примесей тяжелых металлов и т.п.

Изобретение относится к области цифровой рентгеновской техники, предназначенной для неразрушающего контроля объектов, и может быть использовано для таможенного контроля грузов и багажа, досмотра багажа авиапассажиров, для контроля продуктов в трубопроводах и т.д. Технический результат изобретения заключается в возможности осуществить распознавание химического состава сложных объектов, состоящих из нескольких химических компонент по лучу зондирования. Сущность: предложено рентгенографическое устройство, формирующее узкий веерообразный поток рентгеновского излучения для зондирования объектов и использующее для регистрации излучения однорядную матрицу фотоприемников с фильтрующей структурой на входе фотоприемников. Устройство содержит также инспекционную камеру с транспортным узлом для перемещения объектов через зону облучения и ЭВМ для формирования теневых изображений и распознавания химического состава объектов. Фильтрующая структура формирует на входах фотоприемников в отсутствие объекта повторяющуюся группу из трех или более трех рентгеновских лучей с различающимися энергетическими спектрами фотонов. В процессе зондирования объектов ЭВМ формирует несколько теневых изображений объекта, соответствующих разным виртуальным энергетическим спектрам зондирующего излучения (по числу лучей в упомянутой выше группе). Совместная обработка этих изображений позволяет осуществить распознавание химического состава объекта. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рентгенографическое устройство, содержащее источник тормозного рентгеновского излучения с формирующей коллиматорной структурой для получения веерообразного потока рентгеновского излучения, инспекционную камеру с транспортным устройством для перемещения объектов через зону облучения, отсекающую коллиматорную структуру для устранения рассеянного по пути распространения рентгеновского излучения, фильтрующую структуру для модификации энергетического спектра рентгеновского излучения, однорядную матрицу фотоприемников, систему приема сигналов, вычислительное устройство со средствами отображения информации и средства управления с пультом управления, отличающееся тем, что фильтрующая структура формирует из веерообразного потока рентгеновского излучения в отсутствие объекта повторяющуюся группу из трех или более рентгеновских лучей с различающимися внутри группы энергетическими спектрами фотонов, а вычислительное устройство формирует теневые изображения объекта, соответствующие упомянутым разным спектрам рентгеновского излучения, и/или синтезированное теневое изображение объекта, осуществляет проверку гипотез о химическом составе объекта путем сравнения измеренных сигналов с выходов фотоприемников и вычисленных в предположении о составе объекта из химических компонент из банка данных устройства и представляет на средствах отображения цифробуквенную информацию и/или псевдоцветное изображение объекта в соответствии с найденным его химическим составом. 2. Рентгенографическое устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтрующая структура выполнена в виде стопы из двух или более перфорированных пластин, размеры и положение отверстий на которых согласованы с размерами и положением входных апертур однорядной матрицы фотоприемников. 3. Рентгенографическое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что фильтрующая структура расположена перед отсекающей коллиматорной структурой. 4. Рентгенографическое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что после фильтрующей структуры установлена дополнительная отсекающая коллиматорная структура. 5. Рентгенографическое устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что фильтрующая и отсекающая структуры разделены на блоки, размеры и положение которых согласованы с размерами и положением блоков однорядной матрицы фотоприемников. 6. Рентгенографическое устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что отсекающая коллиматорная структура выполнена на основе растровых рентгеновских коллиматоров. 7. Рентгенографическое устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что отсекающая коллиматорная структура выполнена на основе многоканальных пластин. 8. Рентгенографическое устройство по пп.1-7, отличающаяся тем, что коллиматорная и отсекающая структуры совмещены путем соответствующего заполнения (затенения) коллимирующих отверстий или щелей коллиматорной структуры. 9. Рентгенографическое устройство по пп.1-8, отличающееся тем, что оно содержит дополнительные фотоприемники, расположенные в зоне действия неиспользуемого излучения рентгеновского источника, система приема сигналов дополнена каналами по числу дополнительных фотоприемников, а вычислительное устройство осуществляет перенормировку сигналов с выходов матрицы фотоприемников по сигналам дополнительных фотоприемников. 10. Рентгенографическое устройство по пп.1-9, отличающееся тем, что средства транспортировки объектов выполнены в виде двухсекционной трубы, между соединительными фланцами которой помещен уплотнитель из материалов с малыми атомными номерами, например из алюминия, причем упомянутый веерообразный поток рентгеновского излучения пересекает трубу по уплотнителю.