СПОСОБ ПРОВЕРКИ ОБЪЕКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N23/83 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу проверки больших объектов с использованием мультиэнергетического излучения и к установке для осуществления способа, и более конкретно к способу, обеспечивающему идентификацию и отображение материалов в объектах больших или средних размеров, например, в грузовых контейнерах, в частности в грузовых контейнерах для воздушных перевозок, с использованием мультиэнергетического ионизирующего излучения и установки для осуществления способа.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В существующих системах проверки грузов, в которых используется техника рентгеноскопии, в общем случае создают пучок излучения с одним уровнем энергии для взаимодействия с проверяемым объектом, принимают излучение после его взаимодействия с объектом и затем получают изображение. Такая система способна обнаруживать изменение формы и толщины массы проверяемого объекта. Однако идентификация материалов в объекте в этом случае невозможна.

Известно, что когда пучки рентгеновского излучения с разными уровнями энергии взаимодействуют с объектом, то результат физической реакции зависит от характеристики материала объекта. Так, взаимодействие рентгеновских лучей с одним и тем же материалом изменяется при изменении их энергии. Для разных энергетических спектров будут доминировать эффекты фотоэмиссии, комптоновского рассеяния или возникновения электронных пар. Эти три физических явления также связаны с атомным числом материала.

Характеристическое взаимодействие рентгеновских лучей с объектом выражается уравнением (1):

где t_m - толщина массы объекта, µ_m - коэффициент эквивалентного ослабления массой для данного энергетического спектра рентгеновских лучей и определяется материалами объекта и энергией излучения, I' - величина интенсивности рентгеновских лучей, имеющих определенную энергию, после взаимодействия с досматриваемым объектом, и I₀ - величина интенсивности рентгеновских лучей, имеющих определенную энергию, до взаимодействия с объектом.

Очевидно, что нельзя отличить друг от друга соответствующие влияния, оказываемые материалом и толщиной массы объекта, если использовать излучения, имеющие только один уровень энергии. Однако возможно добиться того, что соответствующие физические взаимодействия произойдут между пучками рентгеновского излучения, имеющими разные уровни энергии, и материалом путем измерения пучков рентгеновского излучения после их взаимодействия с объектом, и таким образом определить характеристику материала объекта. В системах проверки багажа небольших размеров идентификация материала проверяемого объекта осуществляется с использованием пучков рентгеновского излучения, имеющих два разных уровня энергии. Однако уровни энергии рентгеновских лучей, используемые в таких системах, недостаточны для проникновения сквозь объекты, имеющие большую толщину массы, и поэтому такой подход неприменим для проверки объектов, имеющих большие или средние размеры, например контейнеров, в частности контейнеров для воздушных перевозок.

В документе [1] (Патент США №5524133) было предложено техническое решение, при котором два пучка рентгеновского излучения высокой энергии, имеющих разную энергию, используются для определения характеристик материалов объектов больших размеров. В такой системе используются два комплекта стационарных источников рентгеновского излучения и две соответствующие группы детекторов. Две рентгеновские установки создают два пучка рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, причем один уровень выше, чем другой. Например, один уровень энергии равен 5 МэВ и другой уровень равен 1 МэВ. Затем среднее атомное число материала определяется по предварительно составленной таблице на основе соотношения между двумя полученными результатами. Из-за проблем, связанных со сложной структурой, высокой стоимостью и другими факторами, присущими двум рентгеновским установкам и двум группам детекторов, этот метод, опубликованный в 1993 году, не получил широкого распространения.

Для того чтобы преодолеть проблемы, связанные со сложной структурой, высокой стоимостью и др., в патентном документе [2] (WO 00/437600) и патентном документе [3] (Патент США №6069936) было предложено получать два пучка рентгеновского излучения преобразованием рентгеновских лучей, создаваемых одним ускорителем, с использованием фильтра. Оба технических решения патентных документов [1 и 2] предлагают использование одного ускорителя для получения пучков рентгеновских лучей, имеющих разные уровни энергии. Однако два пучка рентгеновских лучей, получаемых фильтрацией рентгеновских лучей с помощью фильтра, установленного на ускорителе, имеют ограниченную разницу их энергетических спектров, и поэтому возможности точной идентификации материалов ограничены.

В патентном документе [4] (WO 2004/030162 А2) предложено решение, позволяющее получить два пучка рентгеновского излучения с разными энергиями с использованием линейного ускорителя с бегущей волной. В нем продемонстрирована возможность получения двух пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, с использованием одного ускорителя.

В патентном документе [5] (WO 2005/084352 А2) раскрывается способ обнаружения объектов, содержащих материалы с высоким атомным числом, с использованием двух пучков рентгеновского излучения, имеющих разные энергии. В патентном документе [5] определяется статистическая функция, и на основании выбранного значения стандартной дисперсии, устанавливающего баланс между чувствительностью и точностью, задается пороговое значение, и предупредительный сигнал вырабатывается, когда атомное число материала выше, чем заданное значение.

Вышеупомянутые способы, позволяющие идентифицировать материал, используют пучки излучения, которые имеют два разных уровня энергии, и в них подозреваемый объект определяется обработкой результатов просвечивания на двух уровнях энергии. В патентном документе [1] и в патентном документе [5] выполняемые вычисления обеспечивают выборку в таблице, построенной на соотношении между двумя полученными результатами, позволяющую определить, содержит объект подозрительный материал или нет. Однако из-за ограничений по уровню энергий двух пучков рентгеновского излучения и существующими ошибками измерений, в этом способе очень высока вероятность того, что будет сделан неверный вывод в тех случаях, когда проверяемый объект заключает в себе смесь материалов, или когда толщина массы объекта очень мала. В соответствии со способом принятия решения, в которой используется соотношение между двумя полученными значениями, одна и та же форма функции не обеспечивает распознавания разницы полученных значений для различных материалов, и, кроме того, существует вероятность того, что соотношения между значениями для различных материалов будут одинаковыми. Это будет приводить к неверным результатам. Кроме того, поскольку диапазон материалов, для которых могут различаться результаты облучения пучками разных энергий, ограничен, то одновременно невозможно точно идентифицировать материалы с низким и высоким атомными числами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на преодоление вышеуказанных недостатков существующих способов. Целью настоящего изобретения является создание способа проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения и установки для осуществления этого способа, в котором для взаимодействия с объектом используются пучки излучения с разными уровнями энергии, и результат взаимодействия используется для вычисления и анализа с использованием аппроксимирующей функции, в результате чего осуществляется идентификация для различных материалов в широком диапазоне и неразрушающий контроль предметов.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения предлагается способ проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения, включающий следующие стадии: осуществление взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом; измерение и регистрация измеренных величин после того, как будет осуществлено взаимодействие пучков излучения, имеющих различные уровни энергии, с проверяемым объектом; подстановка части измеренных значений в заранее определенную калибровочную функцию для получения информации, содержащей основное значение характеристики объекта; и определение дополнительных характеристик материала объекта путем применения набора функций, подходящих для энергетической полосы, соответствующей полученной информации.

Предпочтительно информация содержит дополнительно информацию о толщине массы объекта.

Предпочтительно в качестве калибровочной функции используется аппроксимирующая функция измеренных значений, полученных после взаимодействия пучков излучения, имеющих различные уровни энергии, с известным материалом.

Предпочтительно количество пучков излучения, которые имеют разные уровни энергии и используются для аппроксимации калибровочной функции при взаимодействии с известным материалом, равно или больше, чем количество пучков излучения, которые имеют разные уровни энергии и которые используются для взаимодействия с материалами, имеющимися в проверяемом объекте.

Предпочтительно мультиэнергетическое излучение содержит по меньшей мере три пучка излучения, имеющих разные уровни энергии или разные энергетические спектры.

Предпочтительно каждое измеренное значение, полученное после взаимодействия с объектом, является величиной интенсивности пучка излучения, прошедшего сквозь объект.

Предпочтительно энергетической полосой является характеристическая энергетическая полоса, соответствующая определенному материалу, и в этой энергетической полосе измеренные значения, полученные после того, как произойдет взаимодействие пучков излучения с материалами, имеют увеличенную разницу, по сравнению с измеренными значениями для других материалов.

Предпочтительно набор функций представляет собой функции, способные только увеличивать разницу между измеренными значениями для различных материалов.

Предпочтительно набор функций представляет собой различные представления функций, используемые для сегментной обработки для объектов, имеющих различную толщину массы.

Предпочтительно источником излучения является радиоактивный изотоп.

Предпочтительно источником излучения является ускоритель.

Предпочтительно источником излучения является рентгеновский аппарат.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения обеспечивается способ проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения, включающий следующие стадии: осуществление взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом; измерение и регистрация измеренных величин после того, как будет осуществлено взаимодействие мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, и формирование изображений, соответствующих пучкам рентгеновского излучения, имеющим разные уровни энергии; подстановка части измеренных значений в заранее определенную калибровочную функцию для определения толщины массы объекта; и выбор весовых коэффициентов для измеренных величин в зависимости от толщины массы для объединения изображений с целью получения более точного полутонового изображения.

Предпочтительно способ содержит дополнительно стадию преобразования оттенков серого цвета полутонового изображения в соответствующие цвета цветного изображения.

Предпочтительно мультиэнергетическое излучение содержит по меньшей мере два пучка излучения, имеющих разные уровни энергии или разные энергетические спектры.

Предпочтительно определение толщины массы осуществляется по действительному ослаблению пучков излучений.

Предпочтительно выбор весовых коэффициентов для измеренных значений осуществляется следующим образом: чем меньше толщина массы, тем меньше весовые коэффициенты для измеренных значений для пучков излучения, имеющих более высокие уровни энергии, и тем больше весовые коэффициенты для пучков излучения, имеющих более низкие уровни энергии; и чем больше толщина массы, тем меньше весовые коэффициенты для измеренных значений для пучков излучения, имеющих более низкие уровни энергии, и тем больше весовые коэффициенты для пучков излучения, имеющих более высокие уровни энергии.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения предлагается установка для проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения, содержащая комплект аппаратуры источника излучения для генерации мультиэнергетического излучения; модуль детектора, предназначенный для одновременного измерения пучков излучения, имеющих разные уровни энергии; процессор, соединенный с модулем детектора для обработки измеренных величин, полученных после того, как осуществляется взаимодействие мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, с целью получения характеристики материала и/или формирования полутоновых изображений объекта; и система управления, соединенная с источником излучения для изменения рабочих параметров источника излучения.

Предпочтительно мультиэнергетическое излучение содержит по меньшей мере три пучка излучения, имеющих разные уровни энергии или разные энергетические спектры.

Предпочтительно модуль детектора является многослойным мультикристаллическим детектором, составленным из различных кристаллов.

Предпочтительно различные кристаллы модуля детектора отделены друг от друга листовыми фильтрами.

Предпочтительно источником излучения является радиоактивный изотоп.

Предпочтительно радиоактивный источник представляет собой набор радиоактивных изотопов различных элементов, и пучки рентгеновского излучения, имеющие различные уровни энергии, получают, обеспечивая прохождение излучения различных радиоактивных изотопов через прорези коллиматора в последовательные моменты времени.

Предпочтительно источником излучения является ускоритель, который может генерировать излучение, имеющее непрерывный энергетический спектр, в котором преобладают соответствующие уровни энергии.

Предпочтительно ускоритель содержит установленный на его выходе преобразователь энергетического спектра для преобразования энергетического спектра излучения ускорителя.

Предпочтительно источником излучения является рентгеновский аппарат.

Предпочтительно рентгеновский аппарат содержит установленный на его выходе преобразователь энергетического спектра для преобразования энергетического спектра излучения ускорителя.

Предпочтительно преобразователь энергетического спектра имеет форму колеса с лопатками, сформированными из различных преобразующих материалов и поворачивающимися вокруг оси в моменты времени, соответствующие пучкам излучения, имеющим соответствующие уровни энергии.

Предпочтительно преобразователь энергетического спектра синхронизирует испускание пучков излучения источником излучения с получением сигнала в детекторе путем передачи пускового сигнала в систему управления источником излучения и сигнала на измерение в контроллер детектора.

Предпочтительно при получении пускового сигнала система управления сразу же передает в источник излучения сигналы, соответствующие разным уровням энергии излучения, для задания работы источника излучения в нужных рабочих режимах.

Предпочтительно каждое измеренное значение для пучков излучения, имеющих разные уровни энергии, является интенсивностью излучения, прошедшего сквозь проверяемый объект.

За счет использования для идентификации материалов объекта пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии или разные энергетические спектры, могут быть использованы разные оптимальные энергетические полосы для соответствующих материалов, в результате чего можно достичь существенного улучшения точности распознавания материалов. Вместе с тем совместное влияние характеристики материала и толщины массы объекта способствуют пересечению кривых полученных результатов. Однако улучшение точности распознавания материала обеспечивается за счет того, что используется ряд измеренных значений для мультиэнергетического рентгеновского излучения с целью согласования с кривыми для распознавания материала. Кроме того, поскольку сегментные аппроксимирующие функции, полученные из измеренных значений для известных материалов, обеспечивают пороговые значения для сравнения, то в целом определение основывается на действительных измеренных значениях, и за счет вторичного определения и специальной обработки, учитывающей толщину, могут быть снижены ошибки, вызванные непосредственной интерполяцией и поиском в таблице, и точность определения материала может быть улучшена.

За счет получения измеренных величин после того, как произойдет взаимодействие пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, с материалами, и назначения разных весовых коэффициентов данным, соответствующим пучкам с высокой и низкой энергиями, для материалов, имеющих большее различие в толщине массы, могут быть также получены четкие полутоновые и цветные изображения.

В зависимости от объектов, для которых осуществляется распознавание материалов, используются различные преобразующие материалы для преобразования энергетических спектров для разных уровней энергии рентгеновского излучения, генерируемого ускорителем, в результате чего достигается оптимальный эффект преобразования энергетического спектра и оптимальный энергетический спектр для распознавания материалов. Это обеспечивает снижение ошибок окончательных результатов распознавания, вызываемых дисперсией энергетического спектра излучения.

Дальнейшее улучшение результатов применения предложенного способа, в котором используются пучки излучения, имеющие разные уровни энергии, достигается за счет использования многослойного детектора, который позволяет улучшить эффективность и точность измерений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 - вид сечения установки для проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фигура 2 - вид сверху преобразователя энергетического спектра для преобразования мультиэнергетического излучения в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фигура 3 - временная диаграмма сигналов, передаваемых из преобразователя энергетического спектра в систему управления.

Фигура 4 - схематический вид детектора для осуществления точного приема пучков мультиэнергетического излучения в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фигура 5 - графики заданных функций для зависимостей между уровнями энергии пучков излучения и характеристикой и толщиной массы материалов во всей энергетической полосе.

Фигура 6 - графики заданных функций, которые отличаются от приведенных на фигуре 5, для зависимостей между уровнями энергии излучения и характеристикой и толщиной массы материалов в энергетической полосе, которая предпочтительна для обнаружения материалов с высоким атомным числом.

Фигура 7 - общая блок-схема алгоритма, в котором принятые величины нескольких пучков излучения, имеющих разные уровни энергии, используются для распознавания материалов.

Фигура 8 - общая блок-схема алгоритма осуществления способа настройки изображений с использованием информации о различной толщине массы.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением для сканирования грузового контейнера необходим ускоритель рентгеновского излучения, имеющего достаточно высокую энергию и интенсивность так, чтобы детектором мог быть получен достаточный сигнал после того, пучок излучения пройдет сквозь грузовой контейнер. Ключевым признаком для распознавания материалов является получение на ускорителе нескольких пучков рентгеновского излучения, которые имеют разные уровни энергии и которые после взаимодействия с проверяемым объектом, находящимся в одном и том же положении, измеряются детектором.

На фигуре 1 представлен вид сечения устройства для проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения (пучки излучения, имеющие разные уровни энергии), в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Ускоритель 1, показанный на фигуре 1, может генерировать пучки рентгеновского излучения, имеющие разные уровни энергии, путем изменения его рабочих параметров. Рабочие параметры ускорителя 1 изменяются системой 4 управления.

Рабочие режимы, соответствующие состояниям ускорителя, при которых генерируются пучки излучения, имеющие разные уровни энергии, сохраняются в памяти системы 4 управления. При получении пускового сигнала 3 система 4 управления сразу же передает в ускоритель 1 сигналы, соответствующие разным уровням энергии излучения, для задания работы ускорителя 1 в требуемых рабочих режимах. Ускоритель 1 возвращает в систему 4 управления сигнал завершения операции после того, как он завершает циклы генерации пучков излучения, имеющих определенные уровни энергии, в необходимых рабочих режимах. Затем излучение, генерируемое ускорителем 1, преобразуется в преобразователе 2 энергетического спектра, который позволяет получить оптимизированный спектр рентгеновского излучения. Несколько пучков рентгеновского излучения взаимодействуют с проверяемым объектом 7, причем он находится в одном и том же положении. Детектор 8, управляемый контроллером 9, обеспечивает обнаружение пучков рентгеновского излучения после их прохождения сквозь проверяемый объект 7. Принятые сигналы 12 из детектора 8 по сети передаются в рабочую станцию 13. В рабочей станции 13 осуществляется обработка принятой информации для получения полутоновых изображений и характеристики материала проверяемого объекта.

В результате соударения ускоренных электронов с мишенью генерируется рентгеновское излучение, которое затем проходит через коллимационную систему 6А для формирования веерообразной схемы пучков рентгеновского излучения. Кроме того, коллиматоры 6В и 6С, показанные на фигуре 1, подавляют рассеянное излучение в процессе измерений.

Поскольку различные материалы используются для преобразования энергетических спектров пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, то в рассматриваемом варианте осуществления изобретения преобразователем 2 энергетического спектра формируются пусковые сигналы 3 и 10 для осуществления синхронизации между испусканием пучков излучения ускорителем и приемом сигналов детектором.

В преобразователе 2 энергетического спектра используются различные материалы преобразования энергетического спектра для разных уровней энергии пучков излучения, испускаемых ускорителем 1. Как показано на фигуре 2, преобразователь 2 имеет форму колеса с лопатками и полой сетчатой осью. Лопатки, которые могут вращаться вокруг оси, выполнены из различных преобразующих материалов. Пусковые сигналы могут передаваться в контроллер ускорителя. Пучки рентгеновского излучения, имеющие разные уровни энергии, преобразуются соответствующими лопатками, выполненными из различных преобразующих материалов. Взаимодействие между рентгеновским излучением и объектом определяется не только параметрами рентгеновского излучения, но и характеристикой объекта. В результате использование различных способов преобразования и различных пучков рентгеновских лучей разных уровней энергии будут приводить к совершенно различным эффектам преобразования.

Например, поскольку материалы с низким атомным числом отличаются значительным поглощением пучков рентгеновского излучения, имеющих более высокую энергию в энергетическом спектре, то когда энергетическая полоса в спектре распределения энергии рентгеновского излучения имеет нижнюю границу, которая выше, чем некоторое пороговое значение в области высоких энергий (например, порядка 3 МэВ), в качестве материала, преобразующего энергетический спектр для этого пучка рентгеновского излучения, должны выбираться материалы с низким атомным числом, например бор, полиэтилен и другие богатые водородом органические вещества.

Так как материалы с высоким атомным числом отличаются значительным поглощением пучков рентгеновского излучения, имеющих уровень энергии порядка нескольких сотен кэВ, то, когда энергетическая полоса в спектре распределения энергии рентгеновского излучения имеет нижнюю границу, которая выше, чем некоторое пороговое значение в области низких энергий (например, порядка 300 кэВ), в качестве материала, преобразующего энергетический спектр для этого пучка рентгеновского излучения, должны выбираться материалы с высоким атомным числом, например свинец, вольфрам, уран и другие.

На фигуре 2 представлен вид сверху преобразователя энергетического спектра для преобразования пучков энергии, имеющих разные уровни энергии, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Для испускаемого ускорителем 1 пучка рентгеновского излучения, имеющего уровень энергии порядка 3-6 МэВ, каждая из лопаток первого типа, используемых для преобразования, состоит из первой части 14 и второй части 15. В качестве материала первой части 14 может быть выбран полиэтилен для поглощения рентгеновских лучей с более высокими уровнями энергии, в то время как в качестве материала второй части 15 может быть выбран свинец для поглощения компонентов с более низкими уровнями энергии.

Для пучков рентгеновского излучения, имеющих энергию порядка 9 МэВ, могут выбираться макромолекулярные материалы для формирования лопаток 16 второго типа, используемых для преобразования. Для пучков рентгеновского излучения, имеющих уровни энергии в диапазоне 200 кэВ-1 МэВ, для лопаток 17 третьего типа может быть выбран вольфрам. Как можно видеть на фигуре 2, лопатки трех типов размещены вокруг оси регулярным образом, так что каждый из пучков рентгеновских лучей, имеющих соответствующие уровни энергии, может преобразовываться каждый раз при повороте лопаток на определенный угол.

Лопатки преобразователя, обеспечивающие преобразование энергетического спектра, вращаются с постоянной скоростью вокруг оси 18. Когда одна из лопаток первого типа преобразователя занимает фиксированное положение в направлении распространения рентгеновских лучей, подается пусковой сигнал, как показано на временной диаграмме фигуры 3. Ускоритель 1 непрерывно генерирует несколько пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, с интервалами t₁ между пучками. По истечении интервала t₁ преобразователь энергетического спектра поворачивается так, что в фиксированном положении устанавливается следующая лопатка. Затем по истечении интервала t₂ лопатка первого типа преобразователя устанавливается в то же самое фиксированное положение, снова выдается пусковой сигнал и выполняется цикл излучения следующего пучка рентгеновского излучения непрерывного импульса. При этом пусковой сигнал передается также в систему управления детектора. Начало приема сигналов детектором задается с некоторой временной задержкой. Таким образом, обеспечивается синхронизация работы всех частей устройства.

В качестве детектора используется датчик, имеющий многослойную мультикристаллическую структуру. В этом случае вместо ускорителя 1 можно использовать радиоактивный изотоп. Например, источник излучения может представлять собой набор радиоактивных изотопов различных элементов, и пучки рентгеновского излучения, имеющие разные уровни энергии, получают, обеспечивая прохождение излучения различных радиоактивных изотопов через прорези коллиматора в последовательные моменты времени. Как можно видеть на фигуре 4, в детекторе, составленном из нескольких слоев различных материалов для лучей, имеющих разную энергию, первый измерительный элемент 41 может быть сформирован из кристалла йодистого цезия и используется для приема рентгеновских лучей, имеющих невысокий уровень энергии, и выходной сигнал передается из первой выходной части 42. Другие пучки рентгеновского излучения, имеющие более высокие уровни энергии, проходят через первый измерительный элемент 41 и первую выходную часть 42 и поступают в фильтр 43. Фильтр 43 представляет собой листовой фильтр и используется для фильтрации рентгеновских лучей, имеющих низкие уровни энергии, например, возникающих в результате комптоновского рассеяния. В качестве материала для фильтра 43 может быть выбран свинец или вольфрам. Для второго измерительного элемента 44 может использоваться кристалл вольфрамата кадмия, который воспринимает почти все компоненты рентгеновского излучения, имеющие высокие уровни энергии. Сигналы второго измерительного элемента 44 выдаются из второй выходной части 45. Измеряемые сигналы, которые поступают из детектора, с помощью АЦП преобразуются в 16-битный двоичный код и передаются в рабочую станцию 13.

Для анализа данных после получения измеренных величин используется модуль обработки изображений. Сначала на основании результатов, полученных для известных материалов, осуществляется калибровка набора функций внутри всех энергетических полос, для получения графиков, отображающих зависимость между функциями из наборов функций. Как можно видеть на фигуре 5, функции в наборе функций могут выбираться произвольно. Например, координаты Х и Y могут быть вычислены с использованием функций в качестве уравнений (2) и (3):

где индексы m, n, и k относятся к разным уровням энергии рентгеновского излучения, символы α, β, γ, η и λ - заранее определенные параметры для известного материала, t - толщина массы объекта, µ - коэффициент ослабления массой, I_n - данные измерений после того, как произошло взаимодействие с объектом пучков рентгеновского излучения, имеющих n-й уровень энергии, и I_n0 - данные измерений до того, как произошло взаимодействие с объектом пучков рентгеновского излучения, имеющих n-й уровень энергии. Разрешения между различными функциями в наборе функций изменяются для разных энергетических полос. Эта особенность будет использоваться для распознавания различных материалов с помощью функций, откалиброванных для различных материалов.

При проведении проверки измеренные величины для нескольких уровней энергии для проверяемого объекта подставляются в калибровочные функции, и значения результирующей функции сравниваются со значениями калибровочной функции для известных материалов, в результате чего осуществляется первичное определение диапазона потенциальных материалов, к которым может относиться проверяемый объект.

Оптимальная энергетическая полоса для определения материала зависит от материала, и, соответственно, представления функций, выбранных для каждой из энергетических полос, отличаются друг от друга. Как можно видеть на фигуре 6, это иллюстрируется графиками зависимостей функций, соответствующими энергетической полосе, подходящей для распознавания тяжелых металлов. Очевидно, что тяжелые металлы могут легко распознаваться путем использования определенных графиков функций в данной энергетической полосе. Таким образом, на основании первичного определения диапазона материалов, к которому относится проверяемый материал, далее могут использоваться подходящие формы комбинации энергии и функциональных зависимостей соответствующих сегментов для более точного определения характеристики материала.

Если объект имеет меньшую толщину массы, то это будет влиять на точность идентификации материала объекта. Объект может рассматриваться как имеющий меньшую толщину массы, когда значения функции выбранной функциональной зависимости попадают в определенную область координаты или когда ослабление очень мало. В случае если статистические флуктуации измеренных результатов после взаимодействия излучения с объектом, имеющим меньшую толщину массы, достаточно велики, то для дальнейшей обработки результатов измерений принимается функциональная зависимость, соответствующая объекту, имеющему меньшую толщину массы, и в результате обеспечивается точность идентификации.

Например для объекта, имеющего большую толщину массы, может быть выбрана функция, выраженная уравнением (4):

Для объекта, имеющего меньшую толщину массы, функция, выраженная уравнением (4), не подходит: В этом случае выбирается функция, выраженная уравнением (5):

где I_n, I_m - результаты измерения рентгеновского излучения после того, как произошло его взаимодействие с объектом; I_n0, I_m0 - результаты измерения рентгеновского излучения до того, как произошло его взаимодействие с объектом; α, β, γ - заранее определенные параметры.

На фигуре 7 представлена блок-схема алгоритма осуществления способа определения характеристики материала с использованием пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, например шесть разных уровней энергии.

На стадии S110 на основании взаимодействия пучков рентгеновского излучения, имеющих шесть уровней энергии, с известным материалом выбирается определенная функциональная зависимость для любых трех (в этом случае число пучков рентгеновского излучения равно или больше двух и меньше шести, например два или четыре) уровней энергии из шести для приближения функции, так что проверяемый материал калибруется.

На стадии S120 проверяемый объект сканируется с использованием пучков рентгеновского излучения, имеющих шесть разных уровней энергии. Детектор измеряет значения для пучков рентгеновского излучения, имеющих шесть разных уровней энергии, после того, как произошло их взаимодействие с объектом. Затем на стадии S130 пучки рентгеновского излучения делятся на две группы в зависимости от уровня их энергии. Например, пучки рентгеновского излучения, имеющие первый, третий и четвертый уровни энергии, относятся к первой группе. А пучки рентгеновского излучения, имеющие второй, пятый и шестой уровни энергии, относятся ко второй группе. На стадиях S130 и S140 измеренные значения для трех пучков рентгеновского излучения для каждой из вышеуказанных групп подставляются в вышеупомянутую калибровочную функцию для первичного определения характеристики материала. Например, измеренные значения для пучков рентгеновского излучения первой группы могут быть использованы для того, чтобы определить, содержит ли объект первый материал, а значения для пучков рентгеновского излучения второй группы могут быть использованы для того, чтобы определить, содержит ли объект второй материал.

На стадии S150, если результаты определения по двум группам будут, например, медь и вольфрам, соответственно, то выбираются измеренные значения энергетических полос, которые наиболее подходят для меди и вольфрама, а также используются функциональные зависимости, подходящие для энергетических полос, для дальнейшего определении характеристики материала. Например, для первого материала используются наборы функций измеренных значений для пучков рентгеновского излучения внутри оптимального энергетического диапазона, таких как пучки, имеющие второй, третий и четвертый уровни энергии, для дальнейшего определения характеристики материала. А для второго материала используются наборы функций измеренных значений для пучков рентгеновского излучения внутри оптимального энергетического диапазона, таких как пучки, имеющие четвертый, пятый и шестой уровни энергии, для дальнейшего определения характеристики материала.

В процессе дальнейшего определения может быть выявлено, что либо медь, либо вольфрам не подходит для соответствующей функциональной зависимости. Ясно, что дальнейшее увеличение уровней энергии может обеспечить более качественное разделение областей. Из сравнения можно понять, что способ выбора диапазонов энергий с использованием нескольких уровней энергии может существенно улучшить точность определения характеристики материала.

Наконец, для того чтобы получить четкое изображение объекта, несколько изображений, полученных при сканировании объекта пучками рентгеновского излучения, имеющими разные уровни энергии, могут быть объединены для получения суммарного изображения, имеющего высокое качество.

Хорошо известно, что пучки рентгеновского излучения, имеющие высокие уровни энергии, обладают повышенными возможностями прохождения сквозь объект и что в этом случае измеренные значения для излучения, прошедшего сквозь объект, имеющий большую толщину массы, более точны. Поэтому полутоновое изображение объекта, имеющего большую толщину массы, будет более четким. Однако в случае прохождения пучков рентгеновских лучей, имеющих высокие уровни энергии, сквозь объект, имеющий малую толщину массы, будет получено нечеткое изображение, и многие детали изображения будут потеряны. Однако этот недостаток может быть устранен, если полутоновое изображение получать при пропускании сквозь объект пучков рентгеновского излучения, имеющих низкие уровни энергии.

На фигуре 8 представлена общая блок-схем алгоритма осуществления способа настройки изображений с использованием информации о различной толщине массы. С помощью способа слияния изображений, представленного на фигуре 8, можно объединить измеренные величины для пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, с целью получения четких изображений в широком диапазоне толщин масс.

На стадиях S210 и S220 определяется характеристика материала объекта. Например, определяется, является ли толщина массы объекта большой или малой. При этом на основании степени ослабления излучения может быть приближенно определена толщина массы объекта. Если ослабление значительное, например, оно меньше, чем заданное пороговое значение, то определяется, что объект имеет большую толщину массы. Если ослабление незначительное, например, оно больше, чем заданное пороговое значение, то определяется, что объект имеет малую толщину массы.

На стадии S230 для материала, имеющего малую толщину массы, измеренным величинам, полученным для высоких уровней энергий, назначается малый весовой коэффициент, например 30%, а измеренным величинам, полученным для невысоких уровней энергий, назначается увеличенный весовой коэффициент, например 70%.

На стадии S240 для материала, имеющего большую толщину массы, измеренным величинам, полученным для высоких уровней энергий, назначается больший весовой коэффициент, например 70%, а измеренным величинам, полученным для невысоких уровней энергий, назначается меньший весовой коэффициент, например 30%.

Затем на стадии S250 изображения, полученные для низких и высоких уровней энергий, объединяются с учетом весовых коэффициентов для получения суммарного изображения, имеющего более высокое качество.

Как можно видеть из вышеописанного, в соответствии с настоящим изобретением осуществляют сравнение с заданными пороговыми величинами измеренных величин, полученных после того, как произойдет взаимодействие пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, с материалами объекта, и затем величинам для низких энергий и величинам для высоких энергий присваивают соответствующие весовые коэффициенты в зависимости от результатов сравнения и получают суммарное полутоновое изображение.

Таким образом, хотя изображения, полученные для пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, имеют разные элементы изображения, однако предлагаемый в настоящем изобретении способ позволяет получить суммарное изображение, имеющее высокое качество, в особенности для объекта, имеющего сильно отличающиеся толщины масс. Кроме того, полутоновое изображение может быть конвертировано в цветное на базе соответствия между оттенками серого цвета и цветовыми оттенками. Таким образом, могут быть получены четкие полутоновые изображения и цветные изображения с интенсивными цветовыми оттенками для объекта, части которого имеют большие различия в толщине масс.

Как указано выше, ускоритель генерирует по меньшей мере три пучка рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, которые последовательно взаимодействуют с одним и тем же объектом. Детектор измеряет рентгеновское излучение, которое прошло сквозь объект, и результаты измерений анализируются и обрабатываются для идентификации характеристики материала проверяемого объекта.

Ускоритель может генерировать спектры нескольких пучков рентгеновского излучения, в которых превалируют разные энергетические составляющие, за счет изменения его рабочих параметров. Поскольку ускоритель испускает рентгеновское излучение в достаточно широком энергетическом спектре, и составляющие с другими уровнями энергии составляют достаточно высокую величину, то возникает необходимость в увеличении составляющей излучения, имеющей нужный уровень энергии, с использованием преобразования энергетического спектра. Для пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, используются различные материалы для преобразования с целью получения оптимизированных пучков излучения. Вообще говоря, при использовании различных радиоактивных элементов в качестве источников излучения, имеющих разные уровни энергии, преобразование энергетического спектра не требуется. Однако выбираемый энергетический спектр не является непрерывным.

Как указывалось выше, поскольку излучение, испускаемое ускорителем, имеет непрерывный спектр, то это будет влиять на точность распознавания материалов. В настоящем изобретении используется преобразователь энергетического спектра для осуществления преобразования рентгеновского излучения, испускаемого ускорителем. Для преобразования энергетического спектра используются различные материалы для разных уровней энергии, в результате чего может быть получен энергетический спектр, наиболее подходящий для распознавания материалов.

Кроме того, в настоящем изобретении указывается, что полосы распределения энергии в энергетическом спектре рентгеновского излучения различны и подходящие материалы для преобразования энергетического спектра также различны. Например, в случае, когда основная полоса энергии в распределении энергетического спектра некоторого пучка рентгеновского излучения имеет нижнюю границу, которая выше, чем некоторое пороговое значение высокого уровня энергии (например, порядка 3 МэВ), в качестве материала для преобразования энергетического спектра для этого пучка рентгеновского излучения должен выбираться материал с низким атомным числом, например бор, полиэтилен и другие богатые водородом органические материалы. При этом для поглощения рассеянной составляющей рентгеновского излучения, имеющей меньший уровень энергии, предпочтительным будет добавление тонкого слоя материала с высоким атомным числом для преобразования энергетического спектра после преобразования энергетического спектра толстым слоем материала с высоким атомным числом. В случае, когда основная полоса энергии в распределении энергетического спектра некоторого пучка рентгеновского излучения имеет нижнюю границу, которая выше, чем некоторое пороговое значение низкого уровня энергии (например, порядка 300 кэВ), в качестве материала для преобразования энергетического спектра для этого пучка рентгеновского излучения должен выбираться материал с высоким атомным числом, например свинец, вольфрам, уран и т.п. Также могут использоваться материалы со средним атомным числом, например медь.

В измерительной части установки в соответствии с настоящим изобретением, относящейся к пучкам рентгеновского излучения, имеющим разные уровни энергии, используется модуль детектора, обеспечивающего точное измерение значений сигналов для пучков рентгеновского излучения, после их взаимодействия с материалами так, чтобы точно определять разницу взаимодействия пучков рентгеновского излучения с объектом.

Различные измерительные кристаллы, чувствительные к пучкам рентгеновского излучения, имеющим разные уровни энергии, имеют разные характеристики. Пучки рентгеновского излучения, имеющие разные уровни энергии, предназначены для возбуждения сигналов в различных измерительных кристаллах, и затем эти сигналы, измеренные для разных уровней энергии, собираются и всесторонне обрабатываются для дальнейшего использования.

Поскольку наиболее различимая энергетическая полоса, соответствующая пучкам рентгеновского излучения, изменяется из-за разницы во взаимодействии различных материалов с рентгеновским излучением, то в настоящем изобретении указывается, что для получения точных характеристик различных материалов должна использоваться определенная энергетическая полоса, которая наилучшим образом способствует различению материалов, с самой низкой и самой высокой пороговыми величинами, определенными заранее. Например, в соответствии с настоящим изобретением энергетическая полоса, наиболее подходящая для распознавания органических и неорганических материалов, находится в диапазоне 0,3 МэВ-3 МэВ, а наиболее подходящая полоса для распознавания тяжелых металлов - 1 МэВ-4 МэВ. Обрабатывающие функции, принятые в настоящем изобретении, также изменяются для разных энергетических полос.

Ключевым моментом для определения характеристики материала с использованием пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии, является обеспечение возможности точного измерения различий во взаимодействии с объектами пучков рентгеновского излучения, имеющих разные уровни энергии. В вышеописанных стадиях также проводится анализ с целью определения, имеет ли объект малую толщину массы. Поскольку выбранная энергия обнаружения обычно выше, чем некоторая величина, то можно определить, что соответствующее значение µ не может быть слишком малым. Таким образом, можно определить, имеет ли объект меньшую толщину массы по области координат, в которой находится значение функции. Если толщина массы проверяемого объекта мала, то присущие ему статистические характеристики, определяемые в радиационной физике, не могут быть пренебрежимо малыми. Кроме того, в непрерывном спектре рентгеновского излучения, испускаемого ускорителем, трудно получить характеристики взаимодействия с объектом пучков рентгеновского излучения, имеющих полосу с преобладающим уровнем энергии. Это приводит к ухудшению точности измерения и, соответственно, к ухудшению точности распознавания характеристик материалов. В соответствии с настоящим изобретением в случае объекта, имеющего малую толщину массы, выбирается энергетическая полоса, для которой достигается наибольший эффект при взаимодействии с объектом, и затем для обработки измеренных значений используется модель обработки, предназначенная для случаев больших флуктуации, и после этого осуществляется точное определение характеристик материалов проверяемого объекта.

Вместе с тем возможны некоторые модификации в пределах объема изобретения. Например, возможно использование рентгеновского аппарата вместо вышеуказанного ускорителя. В этом случае преобразователь энергетического спектра может быть установлен на выходе рентгеновского аппарата.

Использование: для проверки объекта с использованием мультиэнергетического ионизирующего излучения. Сущность заключается в том, что осуществляют взаимодействие мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, измерение и регистрацию измеренных величин после взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, подстановку части измеренных значений в заранее определенную калибровочную функцию для получения информации, содержащей основное значение характеристики объекта и более точное определение характеристики материала объекта путем применения набора функций, подходящих для энергетической полосы, соответствующей полученной информации. Технический результат: обеспечение возможности идентификации различных материалов в широком диапазоне атомных чисел. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения, включающий:
осуществление взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемьм объектом;
измерение и регистрацию измеренных величин после взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом;
подстановку части измеренных значений в заранее определенную калибровочную функцию для получения информации, содержащей основное значение характеристики объекта; и
более точное определение характеристики материала объекта путем применения набора функций, подходящих для энергетической полосы, соответствующей полученной информации.

2. Способ по п.1, в котором информация содержит дополнительно значение толщины массы объекта.

3. Способ по п.1, в котором в качестве калибровочной функции используется аппроксимирующая функция измеренных значений, полученных после взаимодействия пучков излучения, имеющих разные уровни энергии, с известным материалом.

4. Способ по п.3, в котором количество пучков излучения, которые имеют разные уровни энергии и используются для аппроксимации калибровочной функции при взаимодействии с известным материалом, равно или больше, чем количество пучков излучения, которые имеют разные уровни энергии и которые используются для взаимодействия с материалами, имеющимися в проверяемом объекте.

5. Способ по п.1, в котором мультиэнергетическое излучение содержит по меньшей мере три пучка излучения, имеющих разные уровни энергии или разные энергетические спектры.

6. Способ по п.1, в котором каждое измеренное значение, полученное после взаимодействия с объектом, является величиной интенсивности пучка излучения, прошедшего сквозь объект.

7. Способ по п.1, в котором энергетической полосой является характеристическая энергетическая полоса, соответствующая определенному материалу, и для этой энергетической полосы измеренные значения, полученные после того, как произойдет взаимодействие излучения с материалами, имеют увеличенную разницу по сравнению с измеренными значениями для других материалов.

8. Способ по п.1, в котором набором функций являются функции, способные только увеличивать разницу между измеренными значениями для различных материалов.

9. Способ по п.1, в котором набором функций являются различные представления функций, используемые для сегментной обработки объектов, имеющих разную толщину массы.

10. Способ по п.1, в котором источником излучения является радиоактивный изотоп.

11. Способ по п.1, в котором источником излучения является ускоритель.

12. Способ по п.1, в котором источником излучения является рентгеновский аппарат.

13. Способ проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения, включающий:
осуществление взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом;
измерение и регистрацию измеренных величин после того, как произошло взаимодействие мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, и формирование изображений, соответствующих пучкам рентгеновского излучения, имеющим разные уровни энергии;
подстановку части измеренных значений в заранее определенную калибровочную функцию для определения толщины массы объекта и
выбор весовых коэффициентов для измеренных величин в зависимости от толщины массы для объединения изображений с целью получения более точного полутонового изображения.

14. Способ по п.13, дополнительно содержащий стадию преобразования оттенков серого цвета полутонового изображения в соответствующие оттенки цветов цветного изображения.

15. Способ по п.13, в котором мультиэнергетическое излучение содержит по меньшей мере два пучка излучения, имеющих разные уровни энергии или разные энергетические спектры.

16. Способ по п.13, в котором определение толщины массы осуществляется по действительному ослаблению пучков излучений.

17. Способ по п.13, в котором выбор весовых коэффициентов для измеренных значений осуществляется следующим образом: чем меньше толщина массы, тем меньше весовые коэффициенты для измеренных значений для пучков излучения, имеющих более высокие уровни энергии, и тем больше весовые коэффициенты для пучков излучения, имеющих более низкие уровни энергии; и чем больше толщина массы, тем меньше весовые коэффициенты для измеренных значений для пучков излучения, имеющих более низкие уровни энергии, и тем больше весовые коэффициенты для пучков излучения, имеющих более высокие уровни энергии.

18. Установка для осуществления способа проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения по пп.1-17, содержащая:
комплект аппаратуры источника излучения для генерации мультиэнергетического излучения;
модуль детектора, предназначенный для одновременного измерения пучков излучения, имеющих разные уровни энергии;
процессор, соединенный с модулем детектора для обработки измеренных величин, полученных после осуществления взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, для получения характеристики материала и/или формирования полутоновых изображений объекта; и
систему управления, соединенную с источником излучения для изменения рабочих параметров источника излучения.

19. Установка по п.18, в которой мультиэнергетическое излучение содержит по меньшей мере три пучка излучения, имеющих разные уровни энергии или разные энергетические спектры.

20. Установка по п.18, в которой модуль детектора является многослойным мультикристаллическим детектором, составленным из разных кристаллов.

21. Установка по п.20, в которой разные кристаллы модуля детектора отделены друг от друга листовыми фильтрами.

22. Установка по п.18, в которой источником излучения является радиоактивный изотоп.

23. Установка по п.22, в которой радиоактивный источник может представлять собой набор радиоактивных изотопов различных элементов и пучки рентгеновского излучения, имеющие разные уровни энергии, получают, обеспечивая прохождение излучения различных радиоактивных изотопов через прорези коллиматора в последовательные моменты времени.

24. Установка по п.18, в которой источником излучения является ускоритель, который может генерировать излучение, имеющее непрерывный энергетический спектр, в котором преобладают соответствующие уровни энергии.

25. Установка по п.24, в которой ускоритель содержит установленный на его выходе преобразователь энергетического спектра для преобразования энергетического спектра излучения ускорителя.

26. Установка по п.25, в которой преобразователь энергетического спектра синхронизирует испускание пучков излучения источником излучения с получением сигнала в детекторе путем передачи пускового сигнала в систему управления источником излучения и сигнала на измерение в контроллер детектора.

27. Установка по п.25, в которой преобразователь энергетического спектра имеет форму колеса с лопатками, сформированными из различных преобразующих материалов и поворачивающимися вокруг оси в моменты времени, соответствующие пучкам излучения, имеющим соответствующие уровни энергии.

28. Установка по п.18, в которой источником излучения является рентгеновский аппарат.

29. Установка по п.28, в которой рентгеновский аппарат содержит установленный на его выходе преобразователь энергетического спектра для преобразования энергетического спектра излучения рентгеновского аппарата.

30. Установка по п.29, в которой преобразователь энергетического спектра имеет форму колеса с лопатками, сформированными из различных преобразующих материалов и поворачивающимися вокруг оси в моменты времени, соответствующие пучкам излучения, имеющим соответствующие уровни энергии.

31. Установка по п.18, в которой при получении пускового сигнала система управления сразу же передает в источник излучения сигналы, соответствующие разным уровням энергии излучения, для задания работы источника излучения в нужных рабочих режимах.

32. Установка по п.18, в которой каждое измеренное значение для пучков излучения, имеющих разные уровни энергии, является интенсивностью излучения, прошедшего сквозь проверяемый объект.