УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ В ПРЕДМЕТЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК G01N23/207 

Настоящее изобретение относится к устройству для определения наличия в предмете кристаллических и поликристаллических материалов.

В целях обеспечения безопасности, например, воздушного сообщения багаж (объект) с входящими в этот багаж предметами необходимо контролировать прежде всего на наличие взрывчатых веществ, для чего задействуются самые современные технические средства.

Для поиска взрывчатых веществ может быть, в частности, использован рентгенодифракционный анализ, в котором измеряют рассеянное кристаллической структурой рентгеновское излучение и сравнивают его с характерными энергетическими спектрами, например, различных взрывчатых веществ, что позволяет на основании указанного измерения энергии сделать вывод о наличии в объекте взрывчатого вещества, а также о материале взрывчатого вещества.

В DE 19510168 А1 описано соответствующее устройство. В этом устройстве на источнике рентгеновского излучения установлена диафрагма, с помощью которой формируется веерообразный пучок рентгеновских лучей, направляемый на контролируемую зону проверяемого материала. В контролируемой зоне напротив источника рентгеновского излучения симметрично оси центрального рентгеновского луча в плоскости, перпендикулярной веерообразному пучку рентгеновских лучей, расположены щелевые коллиматоры. Рентгеновское излучение детектируется по всей просвечиваемой контролируемой зоне несколькими детекторами.

В ЕР 0354045 А2 описаны устройство и способ, в которых также предусмотрено формирование веерообразного пучка рентгеновских лучей. При просвечивании проверяемого объекта этим веерообразным пучком рентгеновские лучи дифрагируют на кристаллической решетке объекта, что регистрируется в виде энергетического спектра несколькими детекторами.

Еще одно устройство описано в US 4956856. В этом устройстве формируется узкий пучок рентгеновских лучей, который вращающимся диском со спиралевидной щелью направляется на просвечиваемый объект. Этой щелью узкий пучок перемещается по проверяемому объекту в поперечном направлении.

Использование в рентгеновской установке первичного пучка лучей небольшого сечения описано в DE 4101544 А1. При этом рассеянное излучение первичного пучка лучей регистрируется несколькими детекторами и концентрической коллиматорной системой.

В публикации SU 1608526 А1 раскрыто наиболее близкое к изобретению техническое решение, по существу относящееся к устройству для определения наличия кристаллических и поликристаллических материалов предмета в объектах, имеющему электронограф, включающий коллимационно-детекторную систему, состоящую из коллиматоров и детекторов, и ориентированный на нее источник рентгеновского излучения. Однако известное решение относится к рентгеновскому вычислительному томографическому устройству и не приспособлено для быстрого определения наличия кристаллических и поликристаллических материалов в отдельных предметах багажа.

Соответственно, недостаток вышеописанных устройств состоит в том, что для определения всех не разрешенных к провозу предметов багажа сканированию всегда подвергается все место багажа целиком.

Из DE 4130039 А1 известна система для формирования вытянутого пучка рентгеновских лучей. Используемая для этой цели диафрагма состоит из двух ограничительных элементов, которые ориентированы друг относительно друга таким образом, чтобы ограничивать промежуток, соответствующий форме пучка лучей. Эта система предназначена для увеличения охватываемой рентгеновским излучением площади поверхности.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такое устройство указанного в начале описания типа, которое позволяло бы быстро определять наличие в отдельном предмете кристаллических и поликристаллических материалов.

Указанная задача решается за счет усовершенствования конструкции ближайшего аналога таким образом, что коллимационно-детекторная система имеет возможность регулирования ее положения по высоте относительно источника рентгеновского излучения с помощью соответствующих приспособлений и возможность синхронного регулирования ее бокового положения вместе с этим источником рентгеновского излучения, для чего источник рентгеновского излучения выполнен с возможностью направленного перемещения в боковом направлении с помощью приспособления, а управление указанными приспособлениями осуществляется компьютером.

Основная идея изобретения состоит в том, чтобы на соответствующей ступени контроля располагать в рентгеновской установке электронограф, включающий коллимационно-детекторную систему и направленный на нее источник рентгеновского излучения, с возможностью регулирования по высоте и в поперечном направлении, что с использованием рентгенодифракционного анализа позволяет определять материал предмета в заданной локальной зоне контроля. С этой целью коллимационно-детекторная система и источник рентгеновского излучения выполнены с возможностью их совместного синхронного регулирования по положению, при этом коллимационно-детекторную систему предпочтительно выполняют регулируемой по высоте относительно источника рентгеновского излучения.

На основании лишь двух известных координат предварительно заданной локальной зоны (например, положения транспортерной ленты и угла) регулируемый по положению электронограф может непрерывно сканировать третью недостающую координату за один измерительный проход. Благодаря этому создается возможность измерять и определять с привязкой к конкретной локальной зоне расположенные на этой линии материалы. На основании трех известных координат предварительно заданной локальной зоны электронограф может целенаправленно наводиться на ту точку, в которой затем будет определен тип материала.

При этом предпочтительно, чтобы регулируемая по высоте коллимационно-детекторная система состояла из юстируемого коллиматора и расположенного за ним детектора. В таком варианте коллиматор может иметь конически расширяющуюся круговую щель, воспроизводящую заданный угол и ориентированную на детектор.

На следующей стадии, зная дифракционный спектр и дополнительно определяемый по среднему значению заряда ядра атомов тип материала, можно получить дополнительную информацию для определения этого материала. С этой целью в коллиматоре с круговой щелью может быть предусмотрено центральное глухое, закрытое со стороны детектора отверстие, в котором последовательно на некотором расстоянии друг от друга расположены два различных детекторных блока и с помощью которого известным образом определяется среднее значение заряда ядра атомов для находящегося в первичном пучке предмета. Этим отверстием коллимационно-детекторная система может быть ориентирована на первичный пучок от источника рентгеновского излучения. Первый детекторный блок может быть выполнен в виде детектора для более низкой, а второй - в виде детектора для более высокой энергии рентгеновского излучения.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение предлагаемого в изобретении устройства,

на фиг.2 - изображение электронографа по фиг.1,

на фиг.3 - еще одно изображение коллимационно-детекторной системы по фиг.2.

На фиг.1 показан просвечиваемый объект 1, который находится в рентгеновской камере 2 контрольной рентгеновской установки 3. Внутри рентгеновской камеры 2 расположен регулируемый по положению электронограф 10. Этот электронограф 10 состоит из коллимационно-детекторной системы 11 и источника 12 рентгеновского излучения. Коллимационно-детекторная система 11 ориентирована на рентгеновский луч FX'. который предпочтительно представляет собой узкий первичный пучок, излучаемый указанным источником 12 рентгеновского излучения, который предпочтительно располагать в рентгеновской камере 2 под транспортером 4. Коллимационно-детекторная система 11 выполнена регулируемой по положению с возможностью ее одновременного перемещения по высоте и в боковом направлении (в направлениях Z и Y), для чего предусмотрены не показанные более подробно приспособления 5. Вместе с этим источник 12 рентгеновского излучения также выполнен регулируемым в боковом направлении с возможностью перемещения в направлении Y, для чего служит приспособление 6, на котором он закреплен. Направленное перемещение коллимационно-детекторной системы 11 источника 12 рентгеновского излучения происходит синхронно, для чего предусмотрено централизованное управление приспособлениями 5 и 6, например прямолинейными направляющими с приводом от ходового винта. Такое перемещение может координировать не показанный на чертеже компьютер. Просвечиваемый объект 1 с его предметами 7, 8 находится на транспортере 4.

На фиг.2 более подробно показан электронограф 10.

Коллиматор 13 имеет круговую щель 15, которая имеет форму усеченного конуса и которая выполнена таким образом, чтобы пропускать только ту часть рассеянного излучения, идущего от контролируемой точки G_M7 предмета 7 в объекте, которая падает под определенным углом θ_M. Таким образом, рассеянное излучение FX", поступающее под углом рассеяния θ_M, регистрируется расположенным за коллиматором 13 детектором 14, а именно его чувствительной к энергии излучения поверхностью 14.1. Для получения первичного пучка FX' перед источником 12 рентгеновского излучения установлена диафрагма 16, например точечная диафрагма.

При падении первичного пучка FX' на материал этот пучок FX'. как известно, частично отклоняется кристаллической решеткой материала (закон Брэгга) и выходит из материала в виде рассеянного излучения FX". В результате по энергетическому спектру, полученному чувствительным к энергии излучения детектором 16, можно определить кристаллическую структуру материала, а тем самым идентифицировать и сам материал. Подобным образом можно, в частности, распознавать и различать также взрывчатые вещества.

Если на более низкой ступени контроля известна информация о положении, например, предметов 7 и 8 по двум пространственным координатам (например, положение транспортерной ленты и угол), то недостающую координату необходимо в каждом случае определять непрерывным сканированием с помощью измерительного прохода. С этой целью транспортер 4 и коллимационно-детекторную систему 11 каждый раз переводят в начальное положение, соответствующее предмету 7. Отсюда начинается измерительный проход, заключающийся в перемещении указанной системы 11 по высоте и при необходимости вбок синхронно с источником 12 рентгеновского излучения в направлении недостающей координаты. Сигналы, воспринимаемые детектором в течение измерительного прохода, запоминаются в одном или нескольких энергетических спектрах и известным образом сравниваются в компьютере с известными энергетическими спектрами. Это позволяет путем сравнения определить тип материала, прежде всего материал взрывчатого вещества.

Если положение предварительно определенных точек G_M7 и G_M8 в трех пространственных координатах известно, то коллимационно-детекторную систему 11 и источник 12 рентгеновского излучения электронографа 10 последовательно смещают в точки G_M7 и G_M8. Отклоняемое кристаллической решеткой предметов 7 или 8 рассеянное излучение FX" источника 12 рентгеновского излучения улавливается круговой щелью 15 коллиматора 13. Дополнительное перемещение коллимационно-детекторной системы 11 во время соответствующего измерения не является необходимым.

Существует также возможность комбинировать информацию о координатах, полученную на более низкой ступени контроля, с дополнительной пространственной информацией, полученной на более высокой ступени контроля, расширив ее при необходимости за счет использования нескольких измерительных проходов, и таким образом определять объем и точное пространственное расположение, например, предмета 8 в объекте 1.

Предпочтительный вариант выполнения коллиматора 13 с круговой щелью представлен на фиг.3. При этом в коллиматоре 13 предпочтительно предусмотреть центральное глухое отверстие 17. Глухой конец этого отверстия 17 расположен со стороны установленного за ним детектора 14. В отверстии 17 расположен первый детекторный блок 21, а за ним и на определенном расстоянии от него - второй детекторный блок 22. Первый детекторный блок 21 выполнен в виде детектора для более низкой, а второй детекторный блок 22 - в виде детектора для более высокой энергии рентгеновского излучения. При такой конструкции с помощью этого коллиматора 13 можно, например, дополнительно проводить обычное обнаружение материалов путем определения средней величины заряда ядра атомов у материала предмета 7 или 8. Комбинирование указанной величины заряда ядра с полученным энергетическим спектром позволяет более надежно идентифицировать материал предметов 7 или 8. Такая возможность имеет особое значение прежде всего в тех случаях, когда предметы 7 или 8 содержат материал с высокой поглощающей способностью. Так, в частности, часто более низкая энергия центрального пучка FX' поглощается этим материалом, в результате чего в измеренном энергетическом спектре отсутствуют соответствующие дифракционные линии. Информацию об их отсутствии вместе с результатом дополнительного определения материала можно вводить в компьютер для их учета в сравнительном анализе.

Кроме того, детекторные блоки 21, 22, которые можно выполнить, например, в виде квадрантных детекторов, позволяют с высокой точностью пространственно наводить (юстировать) коллимационно-детекторную систему 11 на источник 12 рентгеновского излучения. Саму юстировку при этом производят без присутствия объекта 1 между коллимационно-детекторной системой 11 и источником 12 рентгеновского излучения. Для этой цели в показанном на фиг.2 коллиматоре 13 предусматривается указанное дополнительное отверстие 17 с детекторными блоками, что для упрощения на фиг.2 подробно не показано.

Очевидно, что в изобретение можно вносить различные изменения, не выходя при этом за его объем. Так, например, можно использовать и другие электронографы 10, например такие, которые известны и описаны в уровне техники, при этом необходимо предусматривать возможность регулирования электронографа 10 по положению, как это, например, рассмотрено в настоящем описании.

Использование: для определения наличия кристаллических и поликристаллических материалов предмета в объектах, преимущественно в багаже. Сущность изобретения заключается в том, что коллимационно-детекторная система выполнена регулируемой по высоте относительно источника рентгеновского излучения и оба они вместе выполнены регулируемыми по положению в продольном и соответственно боковом направлениях. В коллимационно-детекторной системе предпочтительно предусмотрены лишь по одному коллиматору и детектору. Коллиматор имеет конически расширяющуюся круговую щель, воспроизводящую заданный угол θ_М хода лучей рассеянного излучения. Технический результат: повышение скорости определения наличия в объекте кристаллических и поликристаллических материалов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения наличия кристаллических и поликристаллических материалов предмета в объектах, преимущественно в багаже, имеющее электронограф, включающий коллимационно-детекторную систему, состоящую из коллиматоров и детекторов, и ориентированный на нее источник рентгеновского излучения, отличающееся тем, что коллимационно-детекторная система (11) имеет возможность регулирования ее положения по высоте относительно источника (12) рентгеновского излучения с помощью соответствующих приспособлений (5) и возможность синхронного регулирования ее бокового положения вместе с этим источником рентгеновского излучения, для чего источник (12) рентгеновского излучения выполнен с возможностью направленного перемещения в боковом направлении с помощью приспособления (6), а управление указанными приспособлениями (5, 6) осуществляется компьютером.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллимационно-детекторная система (11) состоит из коллиматора (13) и расположенного за ним детектора (14), при этом коллиматор (13) имеет конически расширяющуюся круговую щель (15), воспроизводящую заданный угол (θ_М) и ориентированную на детектор (14).3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что коллиматор (13) имеет центральное глухое, закрытое со стороны детектора (14) отверстие (17), в котором на определенном расстоянии друг от друга последовательно расположены два детекторных блока (21, 22).4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что первый детекторный блок (21) выполнен в виде детектора для более низкой, а второй детекторный блок (22) выполнен в виде детектора для более высокой энергии рентгеновского излучения.5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что коллимационно-детекторная система (11) ориентирована отверстием (17) на первичный пучок (FX') от источника (12) рентгеновского излучения.