КОМПЛЕКС РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЙ ИНСПЕКЦИИ Российский патент 2005 года по МПК G01N23/04 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области создания технических средств для борьбы с контрабандой и терроризмом. Комплексы рентгенографической инспекции могут быть применены для контроля крупногабаритных грузов - автофургонов и контейнеров, перевозимых морским, железнодорожным и автомобильным транспортом. Они могут устанавливаться как в стационарных пунктах таможенной инспекции, так и в пунктах инспекции, которые могут перебазироваться по мере необходимости.

Уровень техники.

Большое количество перевозок грузов в автофургонах и контейнерах и необходимость их контроля с целью предотвращения контрабанды и террористических актов потребовало создания комплексов для быстрой инспекции крупногабаритных грузов. Наиболее перспективными являются комплексы рентгенографической инспекции. Обычно такой комплекс содержит следующие основные устройства:

- Источник рентгеновского (тормозного) излучения, создающий узкий веерообразный луч, который просвечивает инспектируемый объект;

- Система детекторов рентгеновского излучения, которые улавливают излучение, прошедшее через объект и преобразуют его в электрические сигналы;

- Многоканальная система обработки электрических сигналов с детекторов и визуализации теневого изображения объекта на экране монитора;

- Транспортная система для перемещения инспектируемых объектов в зоне контроля;

- Помещения для систем и устройств комплекса, а также для рабочих мест персонала, осуществляющего инспекцию грузов и эксплуатацию комплекса.

В качестве источника рентгеновского излучения обычно используется линейный ускоритель электронов с энергией электронов от 3 до 9 МэВ, оборудованный конверсионной мишенью, в которой энергия электронов преобразуется в тормозное излучение. Источник излучения работает в импульсном режиме, причем длительность импульса значительно меньше периода между импульсами.

Система детекторов обычно представляет собой металлическую ферму, на которой монтируется большое количество (от нескольких сотен до 1,5 тысяч) детекторов рентгеновского излучения. В качестве детекторов могут использоваться кристаллы вольфрамата кадмия и прикрепленные к ним фотодиоды. Электрический сигнал на выходе детектора пропорционален мощности дозы рентгеновского излучения, поглощаемого в кристалле.

Многоканальная система обработки сигналов осуществляет усиление сигналов, пришедших с детекторов, их оцифровку и преобразование. Полученные сигналы используются для формирования теневого изображения инспектируемого объекта на экране видеомонитора.

Транспортная система обеспечивает перемещение инспектируемого объекта в зоне просвечивания с постоянной малой скоростью. При этом источник излучения, работающий в импульсном режиме, производит последовательное просвечивание инспектируемого объекта в плоскостях, отстоящих друг от друга приблизительно на размер одного детектора.

Помещения для комплекса должны обеспечивать выполнение требований по радиационной безопасности персонала. Поэтому для размещения комплекса необходимо строить специальные здания (бункеры) с толщиной стен из бетона 2-2,5 метра. Это существенно увеличивает объемы строительных работ и значительно повышает стоимость сооружения комплекса.

Способность инспекции крупногабаритных грузов характеризуется толщиной просвечивания, которая обычно определяется толщиной стального листа, за которым еще видны детали объекта. Для инспекции крупногабаритных грузов - автофургонов и больших контейнеров - считается достаточным иметь толщину просвечивания по стали около 350 мм.

В последнее время большой интерес представляют так называемые перебазируемые комплексы рентгенографической инспекции, помещения для которых монтируются из легкосборных конструкций и могут быть многократно смонтированы, демонтированы и перебазированы на новое место дислокации. При создании таких комплексов очень остро стоит проблема обеспечения радиационной безопасности. Поэтому в таких комплексах стремятся использовать локальную радиационную защиту источника излучения.

Комплексы ретгенографической инспекции, в которых используются источники излучения с локальной радиационной защитой, описаны в работе "3 Types of Linacs for Customs Large Container Inspection Application", Proceedings of 2001 Particle Accelerator Conference, pp.2808-2810, Chicago, 2001. Один из представленных в ней комплексов может рассматриваться как прототип.Он имеет энергию ускоренных электронов 6 МэВ и импульсную мощность пучка 600 кВт. В этом комплексе источник излучения содержит компактный ускоритель электронов с конверсионной мишенью. Комплекс имеет комбинированную радиационную защиту, содержащую оболочку вокруг ускорителя, изготовленную из вольфрама, с ослаблением радиации 10⁴, и бетонные стены с небольшой толщиной. Однако комплекс применяется для инспекции только контейнеров малых и средних размеров, так как максимальная толщина просвечивания по стали не превышает 250 мм, что недостаточно для просвечивания контейнеров больших размеров и автофургонов.

Сущность изобретения

В настоящее время актуальной проблемой в области инспекции крупногабаритных грузов является создание комплексов рентгенографической инспекции, в которых применяется источник излучения с локальной радиационной защитой. Основными требуемыми характеристиками таких комплексов являются большая толщина просвечивания и достаточно высокая производительность. Проблема создания таких комплексов решается следующим образом

Указанные характеристики комплекса рентгенографической инспекции определяются энергией ускоренных электронов, мощностью пучка электронов, а также чувствительностью и динамическим диапазоном регистрирующей аппаратуры -системы детекторов излучения и многоканальной системы обработки сигналов.

Возможности повышения энергии ускоренных электронов являются ограниченными. Нормативными актами во всех развитых странах запрещено использование пучков электронов с энергией выше 10 МэВ для любых технологических применений, а в случае рентгенографии предельная энергия еще ниже, так как уже при энергиях выше 8 МэВ начинается интенсивный рост потока нейтронов и активация конверсионной мишени, которая обычно изготавливается из вольфрама. Повышение мощности пучка также ограничено нормативами на величину поглощенной дозы в инспектируемом объекте, которая не должна превышать 25 мРад на однопроекционной установке и 50 мРад на двухпроекционной установке.

Перспективным способом увеличения толщины просвечивания является повышение чувствительности и соответствующее расширение динамического диапазона регистрирующей аппаратуры. Современная электронная аппаратура и детекторы рентгеновского излучения по своим шумовым характеристикам позволяют реализовать динамический диапазон регистрирующей аппаратуры порядка 10⁵. Однако на практике получить такой динамический диапазон не удается из-за влияния на регистрирующую аппаратуру паразитных сигналов.

Электрический сигнал на выходе рентгеновского детектора во время просвечивания объекта имеет следующие составляющие (без учета шумовой составляющей):

- полезный сигнал, величина которого пропорциональна мощности дозы излучения, прошедшего через инспектируемый объект;

- темновой ток фотодиода рентгеновского детектора;

- электрический сигнал, полученный от радиационного фона в месте расположения детектора.

Из этих сигналов только первый несет однозначную информацию о характере инспектируемого объекта и является полезным. Второй и третий сигналы являются паразитными, поскольку они нарушают прямую зависимость величины сигнала на выходе детектора от параметров инспектируемого объекта.

Влияние темнового тока фотодиода на выходной сигнал детектора может быть скомпенсировано путем его измерения при выключенном рентгеновском излучении и вычитания из значения тока на выходе детектора, которое измеряется во время инспекции объекта. Выключение рентгеновского излучения путем выключения ускорителя является нецелесообразным, так как включение ускорителя и ввод его в номинальный режим может занимать значительное время, что приводит к увеличению длительности цикла инспекции и снижению производительности комплекса. Более целесообразным является выключение рентгеновского излучения путем установки радиационного экрана на пути распространения излучения.

Влияние радиационного фона в местах расположения детекторов может быть значительно ослаблено путем установки локальной радиационной защиты, окружающей ускоритель электронов и конверсионную мишень. Такая защита одновременно играет роль биологической защиты персонала. Для получения мощности поглощенной дозы вне защиты, допустимой для персонала в соответствии с правилами радиационной безопасности, биологическая защита должна обеспечить ослабление дозы приблизительно в 10⁶ раз. Этого вполне достаточно для обеспечения динамического диапазона регистрирующей аппаратуры 10⁵. Влияние оставшегося радиационного фона также может быть скомпенсировано путем измерения сигнала с детектора в состоянии, когда облучение объекта отсутствует, но ускоритель включен, и вычитания этого сигнала из сигнала, получаемого во время облучения объекта.

Для реализации указанных способов предлагается использовать в качестве источника излучения малогабаритный линейный ускоритель электронов с конверсионной мишенью, преобразующей энергию электронов в рентгеновское излучение, и локальной радиационной защитой, выполненной из металла. В передней части радиационной защиты, где должно выходить рентгеновское излучение, в защиту встроен двухпозиционный коллиматор излучения. Он представляет собой поворотный металлический цилиндр, ось которого перпендикулярна оси пучка электронов. В цилиндре вдоль его оси прорезана узкая щель, размеры которой определяются требованиями к параметрам излучения. Цилиндр может вращаться вокруг своей оси и занимать два положения. Когда цилиндр находится в положении, при котором продольная координата щели направлена вдоль оси пучка электронов, он работает как коллиматор рентгеновского излучения, который из излучения с широким телесным углом вырезает узкий веерообразный луч, направляемый на инспектируемый объект. Когда цилиндр повернут вокруг своей оси на некоторый угол (например, на 90°), тело цилиндра полностью перекрывает рентгеновское излучение. Диаметр цилиндра выбирается таким образом, чтобы коэффициент ослабления рентгеновского излучения в этом состоянии составлял величину порядка 10⁵-10⁶. Для этого диаметр цилиндра должен быть близким к толщине радиационной защиты в той области, где установлен цилиндр.

Таким образом, при постоянно работающем ускорителе электронов поворотом цилиндра осуществляется выключение рентгеновского излучения для проведения калибровки детекторов и включение рентгеновского излучения для облучения объектов. Калибровка рентгеновских детекторов производится в то время, когда происходит смена объектов инспекции. После проведения калибровки включается рентгеновское излучение и начинается облучение очередного объекта. При данной конструкции источника излучения переход из состояния "калибровка" в состояние "облучение" производится без выключения ускорителя и без потерь времени на его включение и наладку. Многоканальная система обработки сигналов содержит устройства для калибровки каждого сигнала. В состоянии "калибровка" они измеряют и запоминают паразитный сигнал от каждого рентгеновского детектора, который создается темновым током фотодиода и радиационным фоном. В состоянии "облучение" система производит измерение сигналов от фотодиодов, вычитание из них паразитных сигналов, дальнейшую обработку сигналов и построение теневого изображения на экране видеомонитора. При таком алгоритме работы исключается или значительно ослабляется влияние паразитных сигналов, что позволяет существенно расширить динамический диапазон регистрирующей аппаратуры и увеличить толщину просвечивания инспектируемых объектов.

Перечень чертежей.

Фиг.1. Комплекс рентгенографической инспекции в положении облучения инспектируемого объекта (вид сбоку и вид сверху).

Фиг.2. Комплекс рентгенографической инспекции в положении калибровки регистрирующей аппаратуры (вид сбоку и вид сверху).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Комплекс рентгенографической инспекции, показанный на фиг.1, содержит следующие основные устройства:

1 - ускоритель электронов,

2 - устройства питания ускорителя,

3 - конверсионная мишень,

4 - радиационная защита,

5 - коллиматор излучения,

6 - инспектируемый объект,

7 - транспортная система,

8 - система детекторов рентгеновского излучения,

9 - многоканальная система обработки сигналов.

Ускоритель электронов содержит инжектор электронов и ускоряющий резонатор, выполненный в виде цепочки связанных ячеек. Устройства питания ускорителя содержат сверхвысокочастотный генератор с волноводным трактом, импульсный модулятор, блоки питания и управления. Конверсионная мишень содержит пластину из вольфрама, обладающего высоким коэффициентом конверсии энергии электронов в тормозное излучение, и подложку из меди, которая предназначена для улучшения отвода тепла от вольфрамовой пластины.

Радиационная защита окружает ускоритель электронов и конверсионную мишень. Она содержит металлические блоки, изготовленные, например, из чугуна. Толщина защиты определяется из условий обеспечения радиационной безопасности персонала, в частности, толщина больше в тех местах, где больше мощность излучения.

Коллиматор излучения представляет собой цилиндр, также изготовленный из металла, например из чугуна. Вдоль оси цилиндра прорезана узкая щель, размеры которой определяются требованиями к параметрам излучения, а именно ширине луча и его углу раствора, которые в свою очередь определяются размерами системы детекторов и выбранной геометрией просвечивания. Цилиндр имеет возможность вращаться вокруг своей оси, которая направлена в данном случае вертикально. На фиг.2 показано положение калибровки комплекса, в котором щель расположена перпендикулярно направлению распространения рентгеновского излучения, а на фиг.1 - положение облучения объектов, в котором щель расположена по направлению распространения рентгеновского излучения.

Система детекторов рентгеновского излучения содержит большое количество детекторов, каждый из которых представляет собой кристалл вольфрамата кадмия с прикрепленным к нему фотодиодом. Для инспекции больших контейнеров или автофургонов с требуемой разрешающей способностью необходимо иметь систему детекторов с общей высотой 4-5 м и количеством детекторов приблизительно 1000 штук, при этом каждый детектор может иметь размеры от 3×3 до 5×5 мм².

Многоканальная система обработки сигналов содержит блоки усиления сигналов, пришедших с детекторов, аналого-цифровые преобразователи и блоки формирования теневого изображения инспектируемого объекта на экране видеомонитора. Она содержит также устройства для калибровки каждого канала, которые включают в себя блоки для измерения паразитных сигналов и их запоминания.

Комплекс радиографической инспекции работает следующим образом. Ускоритель электронов работает непрерывно, в импульсном режиме, при котором длительность импульса (порядка 10 мкс) значительно меньше паузы между импульсами (порядка 10 мс). Устройства питания ускорителя вырабатывают импульсы питания для инжектора электронов и ускоряющего резонатора. Инжектор генерирует пучок электронов и инжектирует его в резонатор. В ячейках резонатора с помощью сверхвысокочастотного генератора возбуждается электромагнитное поле, под воздействием которого пучок электронов группируется в сгустки, следующие с частотой питающего генератора, ускоряется и фокусируется. Далее пучок ускоренных электронов поступает на конверсионную мишень, в которой он тормозится, производя тормозное рентгеновское излучение.

Перед началом облучения очередного инспектируемого объекта производится калибровка регистрирующей аппаратуры. Для этого цилиндр коллиматора излучения устанавливается в положение "калибровка", при котором его щель расположена не по направлению распространения рентгеновского излучения, например, перпендикулярна ему (см. фиг.2). В этом положении цилиндр своим телом перекрывает рентгеновское излучение. Многоканальная система обработки сигналов производит опрос всех детекторов и запоминает величину паразитного сигнала от каждого из них.

После калибровки цилиндр коллиматора излучения устанавливается в положение "облучение", при котором его щель расположена по направлению распространения рентгеновского излучения (см. фиг.1). Очередной инспектируемый объект движется медленно и равномерно мимо источника излучения в направлении, перпендикулярном оси пучка. При каждом импульсе работы ускорителя через щель коллиматора выходит узкий веерообразный луч. Он пронизывает инспектируемый объект по всему сечению и создает на детекторах сигналы, зависящие от плотности материала объекта в соответствующих местах. Многоканальная система обработки сигналов при каждом импульсе излучения производит опрос всех детекторов, определяет величину сигнала от каждого детектора и вычитает из нее соответствующую величину паразитного сигнала. Полученные величины сигналов обрабатываются и используются для построения теневого изображения на экране видеомонитора.

Использование: для контроля крупногабаритных грузов. Сущность: комплекс рентгенографической инспекции содержит источник излучения, систему детекторов, многоканальную систему обработки сигналов и транспортную систему для перемещения инспектируемых объектов. Источник излучения содержит ускоритель электронов, конверсионную мишень и локальную радиационную защиту, выполненную из металлических блоков. Защита содержит двухпозиционный коллиматор рентгеновского излучения, выполненный в виде поворотного металлического цилиндра с узкой щелью для прохода рентгеновского излучения в позиции излучения и перекрытия излучения в позиции калибровки. Система обработки сигналов содержит устройства для калибровки каждого канала. Технический результат: обеспечение высокой проникающей способности и большой производительности в помещениях без общей радиационной защиты. 2 ил.

Комплекс рентгенографической инспекции, содержащий источник излучения, который включает в себя ускоритель электронов, конверсионную мишень для преобразования энергии ускоренных электронов в рентгеновское излучение и локальную радиационную защиту, выполненную из металлических блоков; систему детекторов рентгеновского излучения, прошедшего через инспектируемый объект; многоканальную электронную систему обработки сигналов и визуализации теневого изображения объекта; транспортную систему для перемещения инспектируемых объектов, отличающийся тем, что локальная радиационная защита содержит двухпозиционный коллиматор тормозного излучения, выполненный в виде поворотного металлического цилиндра, ось которого перпендикулярна оси пучка электронов, с узкой щелью для прохода рентгеновского излучения в позиции излучения и перекрытия излучения в позиции калибровки, а многоканальная система обработки сигналов содержит устройства для калибровки каждого канала при установке коллиматора в позиции калибровки.