УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДОСМОТРА ОБЪЕКТОВ Российский патент 2012 года по МПК G01N23/203 

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам досмотра объектов с использованием проникающего излучения и, в частности, изобретение относится к устройствам досмотра, в которых используется несколько источников излучения.

Уровень техники.

Часто возникает потребность в определении наличия таких вложений как контрабанда, оружие или взрывчатые вещества, спрятанных, например, в движущемся транспортном средстве или на человеке, или в любом досматриваемом объекте в процессе прохождения досматриваемого объекта мимо одного или более устройств, выдающих изображение содержимого объекта с использованием проникающего излучения. Нужно иметь возможность проводить проверку в процессе движения досматриваемого объекта или альтернативно, когда устройство досмотра движется относительно человека или объекта. Действительно, так как превалирующим фактором является скорость досмотра и, следовательно, пропускная способность, желательно, чтобы транспортное средство, например, продолжало перемещение без предъявления к водителю или пассажирам требования покинуть его. В случае обнаружения чего-либо должна быть возможность предъявления для доказательства визуального изображения.

В использовании изображений, полученных по результатам регистрации и анализа проникающего излучения, рассеянного от облучаемого объекта, контейнера или транспортного средства, заключается сущность изобретения в патенте US 6459764 на имя Чалмерса и др. от 01.10.2002. В патенте Чалмерса указывается на досмотр движущегося транспортного средства с использованием обратного рассеяния путем облучения этого движущегося транспортного средства рентгеновским излучением сверху, снизу, а также с одной из сторон.

Использование источника рентгеновского излучения и детектора рентгеновского излучения, расположенных с целью защиты персонала на портале, составляет сущность изобретения в патенте US 6094072 на имя Смита от 25.07.2000.

Рентгеновское излучение рассеивается веществом во всех направлениях, следовательно, рассеянное излучение можно регистрировать рентгеновским детектором, расположенным под любым углом относительно рассеивающего материала с учетом направления падающего излучения. Поэтому обычно используют устройство облучения "бегущим пятном". При этом в любой данный момент времени облучается проникающим излучением только одна точка досматриваемого объекта, так что местоположение объекта рассеяния может быть определено однозначно, по меньшей мере, относительно плоскости, перпендикулярной направлению пучка проникающего излучения.

Для получения нескольких ракурсов досматриваемого объекта могут быть использованы несколько устройств визуализации на рассеянном излучении на одной позиции досмотра. Это может привести к влиянию или взаимным помехам между соответствующими устройствами визуализации, что повлечет за собой ухудшение изображения. Происходит это из-за невозможности для каждого из устройств визуализации с бегущим пятном различить рассеянное излучение от каждого из источников устройств визуализации. До настоящего времени эта проблема решалась размещением устройств визуализации на некотором расстоянии друг от друга, чтобы минимизировать взаимные помехи. Такой подход приводит к увеличению размера всего устройства. При работе в условиях ограниченного пространства такое увеличение часто нежелательно.

Раскрытие изобретения

В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения предложено устройство досмотра, предназначенное для досмотра объекта, характеризующегося тем, что он перемещается в определенном направлении относительно устройства досмотра, причем к достоинствам устройства относится то, что перемещение может осуществляться относительно локальной системы координат или объектом, или устройством досмотра, или обоими вместе. Устройство досмотра содержит первый источник для формирования первого пучка проникающего излучения определенного поперечного сечения, направленного в первом направлении пучка, в основном, перпендикулярном направлению движения объекта. Оно также содержит второй источник для формирования второго пучка проникающего излучения, направленного во втором направлении пучка, и может содержать дополнительные источники для формирования дополнительных пучков. Пучки проникающего излучения разнесены во времени. Кроме того, устройство содержит группу детекторов рассеянного излучения для регистрации излучения, рассеянного из по меньшей мере одного из первого и другого пучков каким-либо рассеивающим материалом, находящимся внутри досматриваемого объекта, и для выработки сигнала рассеянного излучения. Устройство может также содержать один или более детекторов прошедшего излучения, предназначенных для регистрации проникающего излучения, прошедшего через объект. Наконец, устройство содержит контроллер, предназначенный для построения изображения рассеивающего излучения материала на основе по меньшей мере сигнала рассеянного излучения или в ином случае для определения параметров рассеивающего излучения материала.

В соответствии с альтернативными вариантами выполнения изобретения первый источник проникающего излучения может представлять собой источник рентгеновского излучения или может быть другим источником проникающего излучения. Направление первого пучка и направления любого из других пучков могут, в основном, лежать в одной плоскости. Различные источники могут включать механизм сканирования пучка, такой как вращающийся обтюратор или электромагнитное устройство сканирования, причем один или более пучки могут иметь геометрию узкого пучка.

В соответствии с другими вариантами выполнения изобретения испускание проникающего излучения в первом пучке может характеризоваться первым временным периодом, и испускание проникающего излучения во втором пучке может характеризоваться вторым временным периодом, причем первый и второй временные периоды сдвинуты в фиксированном фазовом соотношении. Временной период каждого источника может характеризоваться рабочим циклом, и испускание излучения соседними источниками может характеризоваться фазовым соотношением относительно соседнего источника, причем фазовое соотношение может быть равным 2π рабочих циклов.

В соответствии с другими вариантами выполнения изобретения устройство досмотра может также содержать дисплей для воспроизведения изображения в рассеянном излучении материала, находящегося внутри объекта.

Краткое описание чертежей

Приведенные выше признаки изобретения будут более понятны при обращении к нижеследующему подробному описанию, изложенному со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг.1 схематически изображено поперечное сечение рентгеновского устройства досмотра, в котором используются несколько работающих на обратно рассеянном излучении устройств визуализации, реализованных в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения; и

На фиг.2 представлен вид сбоку варианта выполнения рентгеновского устройства досмотра, показанного на фиг.1.

Осуществление изобретения

В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения минимизируются взаимные помехи между несколькими устройствами визуализации, построенными по принципу бегущего пятна с использованием рассеянного излучения, которые выполнены как многоракурсные устройства досмотра на рассеянном излучении. При этом не накладывается ограничений на расстояние между отдельными устройствами визуализации. Другими словами в многоракурсных устройствах, содержащих отдельные устройства визуализации на рассеянном излучении, предназначенные для получения каждого из изображений, отдельные устройства визуализации могут быть размещены так близко друг к другу, как конструктивно возможно, при одновременном эффективном уменьшении или устранении взаимных помех.

Способы и преимущества досмотра по обратнорассеянному излучению движущихся транспортных средств при облучении их рентгеновскими лучами сверху или снизу описаны в патенте US 6249567 от 19.06.2001, который включен в данное описание в качестве ссылки. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения области возрастания рассеянного излучения, возникающие при наличии материала, спрятанного вблизи боковой стенки транспортного средства, обнаруживаются без необходимости в процессе досмотра сквозного прохождения проникающего излучения через транспортное средство.

На фиг.1 схематически представлено поперечное сечение элементов устройства досмотра, обозначенного в общем позицией 10. Объект 18 досмотра, который может быть одушевленным или неодушевленным, перемещается или его перемещают в прямом или обратном направлении относительно плоскости чертежа, пересекая таким образом портал 12. На портале 12 закреплены несколько источников 13, 15 и 17 проникающего излучения. Источники 13, 15 и 17 обычно представляют собой рентгеновские трубки, снабженные устройствами формирования и направления пучка излучения, известными из предшествующего уровня техники. Например, источник 13 испускает проникающее излучение в виде пучка 23 с поперечным сечением определенной формы. В случае построения изображения в рассеянном излучении обычно используют геометрию узкого пучка. Пучок 23 проникающего излучения может быть, например, пучком рентгеновских лучей в том числе полихромного спектра. В предпочтительном варианте источник 13 проникающего излучения представляет собой, например, рентгеновскую трубку, однако могут быть использованы другие источники проникающего излучения, например, линейный ускоритель, что подпадает под рамки настоящего изобретения, и в действительности проникающее излучение не ограничено только рентгеновским, но может также включать гамма-излучение.

Механизм сканирования введен для обеспечения развертки пучка 23, в основном, вдоль вертикальной оси, так что во время части рабочего цикла пучок 23 принимает ряд направлений, одно из которых обозначено позицией 24. Объект 18, который нужно досматривать, перемещается относительно пучка 23, в основном, в горизонтальном направлении от наблюдателя перпендикулярно плоскости чертежа, как отображено на фиг.1.

Источник 13 может содержать механизм сканирования, такой как вращающийся обтюратор для формирования бегущего пятна, известный специалистам в данной области техники. В альтернативе могут быть применены сканеры с использованием электромагнитного принципа, такие как описаны в патенте US 6421420 от 23.07.2003 под названием "Способ и устройство создания последовательных пучков проникающего излучения", включенном в данное описание в качестве ссылки.

Пучки от источников 15 и 17 показаны в типичных крайних положениях своих соответствующих областей сканирования и обозначены через 25, 26, 27 и 28. Досматриваемый объект 18, который, как указывалось ранее, может относиться к транспортному средству, контейнеру или человеку, например, может передвигаться через зону пучков 23-28 за счет собственной тяги или может перемещаться специальным механизмом, или протягиваться трактором и т.д. В альтернативных вариантах выполнения изобретения устройство досмотра, выполненное, например, в виде портала, может перемещаться или его можно перемещать над объектом, таким как транспортное средство, которое само может перемещаться или быть неподвижным.

Пучки 23-28 в данном описании будут рассматриваться без ограничения только пучками рентгеновского излучения. В соответствии с предпочтительными вариантами выполнения изобретения вращающийся обтюратор используется для формирования узкого пучка 23-28, который распространяется, в основном, в плоскости, параллельной плоскости чертежа. Размеры поперечного сечения узкого пучка 23 сравнимы в каждом из направлений, и обычно пучок имеет круговое сечение, хотя может иметь и другую форму. Размеры узких пучков 23-28 обычно определяют разрешение на изображении в рассеянном излучении, достижимое при использовании устройства. В конкретных приложениях могут быть с успехом использованы другие формы поперечного сечения.

Детекторная система, представленная детектором 31 рассеянного излучения, расположена в плоскости, параллельной направлению перемещения в процессе сканирования объекта 18. Рентгеновские лучи 30, отклоненные в процессе комптоновского рассеяния из пучка 24, в основном, в обратном направлении, регистрируются одним или более детекторами 31 обратно рассеянного излучения, расположенными между источником 13 и объектом 18. Дополнительные детекторные системы 32, 33, 34, 35 и 36 могут добавочно использоваться для регистрации комптоновски рассеянного излучения из пучка 24 и аналогично, как будет описано ниже, излучения из каждого из пучков, падающих поочередно на досматриваемый объект 18.

Кроме того, могут быть использованы детекторы прошедшего излучения, расположенные на удаленной относительно источника излучения стороне объекта 18, для дополнения изображения или изображений в рассеянном излучении изображением объекта, полученным в прошедшем излучении, например, детекторы, обозначенные позициями 35 и 36, регистрируют излучение от источника 13, прошедшее через досматриваемый объект. В другом варианте выполнения изобретения один отдельно стоящий детектор расположен между парой детекторов 35 рассеянного излучения и парой детекторов 36 рассеянного излучения и используется для регистрации проникающего излучения, прошедшего через объект 18.

В рамках настоящего изобретения в детекторных системах 31-36 может быть использован любой известный из предшествующего уровня техники способ регистрации рентгеновского излучения. В детекторах могут быть использованы сцинтилляционные материалы как твердотельные, так и жидкие, и газообразные, с регистрацией светового излучения с помощью фоточувствительных детекторов, таких как фотоумножители или твердотельные детекторы. Жидкие сцинтилляторы могут иметь присадки в виде олова или другого элемента или элементов с высоким атомным номером. Соответствующие выходные сигналы с детекторов 31-36 объекта рассеяния передаются в процессор 40, где обрабатываются с целью получения изображений неоднородности 42 внутри досматриваемого объекта. Так как фотоны падающего рентгеновского излучения отклоняются источником рассеяния, находящимся внутри объекта 18, во всех направлениях, для максимального сбора рассеянных фотонов используются детекторы большой площади. В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения процессор 40 (иначе именуемый в данном описании "контроллером") может также использоваться для определения других параметров рассеивающего объекта, таких как масса, массовая плотность, эффективный атомный номер и т.д., то есть всего, что известно из предшествующего уровня техники.

Для того чтобы обеспечить возможность получения изображений досматриваемого объекта с нескольких направлений, для его облучения используется группа источников 13-17. Однако, так как фотоны, испускаемые каждым источником, рассеиваются во всех направлениях, должны быть приняты меры по устранению взаимных помех, то есть по устранению ошибочного определения источника облучения. В соответствии с одним из вариантов выполнения настоящего изобретения взаимные помехи успешно уменьшаются или устраняются путем обеспечения того, что в данный момент времени испускает излучение только одно устройство визуализации. Во-первых, рабочий цикл пучков, испускаемых устройствами визуализации, устанавливается меньше или равным величине, обратной числу устройств визуализации, или числу изображений в многоракурсном устройстве. Например, если установленное число изображений равно шести, то каждое устройство визуализации настраивается на рабочий цикл, равный 1/6 или меньше.

Далее, фазовое соотношение между каждой парой соседних источников устанавливается равным 2π рабочих циклов. Это устанавливает такую последовательность испускания излучения устройствами визуализации, при которой устраняется возможность совпадающего облучения объекта от более, чем одного устройства визуализации. Например, для многоракурсного устройства с шестью источниками требуется, чтобы они действовали с одинаковой частотой, чтобы их рабочий цикл был равен 1/6 и чтобы их фазовое соотношение было равно 2π/6 или 60 градусов.

В случаях, когда устройства с бегущим пятном реализуются с применением механических средств, таких как вращающиеся диафрагмы или обтюраторы, вышеназванные критерии могут быть выполнены путем синхронизации со сдвигом по фазе движения перекрывающих пучок механических элементов. Таким образом, при вращении, например, коллиматоров, формирующих направление испускания пучка 23 рентгеновского излучения, для управления их вращением могут быть использованы работающие по замкнутой схеме устройства регулирования. Рабочий цикл задается установкой апертуры веера (полного угла сканирования пучка, то есть угла между крайними положениями 23 и 24 для одного источника), равной 2π рабочих циклов. В устройствах, в которых испускаемое излучение можно регулировать электронными средствами, любая желательная последовательность облучения или диапазон сканирования могут быть установлены целиком за счет схемных или программных решений.

К достоинствам работы с разделением по времени, при которой уменьшаются или устраняются взаимные помехи, относится то, что источники могут быть размещены ближе друг к другу, чем, возможно, в других случаях. В частности, источники 13-17 могут располагаться в одной плоскости, что позволяет фактически синхронно включать/выключать поток рентгеновского излучения вне зависимости от скорости перемещения объекта при прохождении устройства визуализации.

Описанное устройство может с успехом давать изображение в перспективе, построенное по излучению последовательно работающих источников 13-17. На фиг.1 в качестве примера представлено трехракурсное устройство, в котором пучки 23, 25 и т.д. сканируют объект по траекториям, лежащим в одной плоскости.

Пучки каждого устройства визуализации сканируют объект последовательно, так что в данный момент времени облучение объекта производится не более, чем одним, устройством визуализации. Таким образом, сначала источник 13 проводит сканирование своим пучком. Излучение, рассеянное от объекта и обозначенное лучами 44, воспринимается всеми детекторами. Сигналы с каждого детектора воспринимаются по отдельным каналам устройством сбора информации. Этот процесс повторяется для каждого из трех устройств визуализации, и при этом формируется "срез" проходящего объекта.

На фиг.2 представлен вид сбоку системы с фиг.1 с обозначениями элементов позициями, совпадающими с фиг.1. Показана щель 50, через которую пучок излучения от источника 13 проходит через части 52 и 54 детектора 31, осуществляя сканирование объекта 18 при его перемещении в поперечном направлении 16.

Сигналы с детекторов могут быть раздельно использованы для построения изображения объекта. Так как рассеянные фотоны 44 от источника 13, регистрируемые детекторами 33 и 34, несут такую же полезную информацию, как рассеянные фотоны от источника 17, одни и те же детекторы могут быть использованы для всех источников, что приводит к улучшенному сбору рассеянного излучения при эффективном использовании аппаратуры детекторов.

Более того, в вариантах выполнения изобретения с использованием рассеянного излучения по способу бегущего пятна могут быть с успехом построены многоракурсные изображения в условиях стесненного рабочего пространства за счет устранения взаимных помех и за счет более близкого расположения отдельных устройств визуализации, формирующих каждый из ракурсов. Более близкое расположение этих устройств визуализации (под "устройством визуализации" понимается источник, по меньшей мере один детектор и связанные с ними электронное оборудование и средства обработки сигнала) может позволить использовать детекторы рассеянного излучения для всех устройств визуализации, что обеспечит улучшенный сбор рассеянного излучения и улучшение качества изображения при эффективном использовании аппаратуры детекторов.

В приложениях, когда желательно сканирование выбранных областей объекта, расположение устройств визуализации в одной плоскости позволяет синхронно включать/выключать поток рентгеновского излучения вне зависимости от скорости перемещения объекта при прохождении устройства визуализации. Это значительно упрощает схему регулирования испускания рентгеновского излучения каждым устройством визуализации, входящим в многоракурсное устройство досмотра, делая таким образом ненужным установление отдельной последовательности испускания рентгеновского излучения, как обычно имеет место в устройствах, в которых облучение осуществляется в разных плоскостях.

Кроме отображения содержимого скрытых вложений, в приложении к чему были представлены варианты выполнения настоящего изобретения, в рамках данного изобретения могут быть получены другие параметры досматриваемого объекта. Например, способы, основанные на обратно рассеянном излучении, могут быть использованы, как известно, из предшествующего уровня техники, для определения массы, массовой плотности, распределения массы, среднего атомного номера или, возможно, содержания опасных материалов.

В конкретных вариантах выполнения изобретения используется рентгеновское излучение с максимальной энергией, лежащей в диапазоне от 160 до 300 килоэлектронвольт. При этих энергиях рентгеновское излучение проникает в транспортное средство, и внутри транспортного средства могут быть обнаружены органические объекты. Таким образом, так как можно использовать малые дозы рентгеновского облучения, с использованием настоящего изобретения допускается сканировать автомобили. В приложениях, когда в транспортном средстве могут находиться люди, предпочтительно использовать излучение с максимальной энергией ниже 300 килоэлектронвольт. Однако рамки настоящего изобретения не ограничиваются диапазоном энергии используемого проникающего излучения.

Описанные варианты выполнения изобретения приведены просто в качестве примера, и специалисту в данной области техники видны возможные многочисленные варианты и модификации. Предполагается, что все такие варианты и модификации укладываются в рамки настоящего изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.

Использование: для досмотра объектов с использованием проникающего излучения. Сущность заключается в том, что осуществляют облучение объекта проникающим излучением, сформированным в первый пучок, облучение средства передвижения проникающим излучением, сформированным во второй пучок, регистрацию излучения первого пучка и второго пучка, рассеянного объектом, для выдачи сигнала рассеянного излучения, воспроизведение изображения в рассеянном излучении по сигналу рассеянного излучения и определение параметров объекта на основе полученного изображения, при этом испускание проникающего излучения в первом пучке задают первым временным периодом и испускание проникающего излучения во втором пучке задают вторым временным периодом, причем первый и второй временные периоды сдвигают в фиксированном фазовом соотношении. Технический результат: повышение качества изображения визуализируемых объектов. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство досмотра объектов, перемещающихся относительно него, включающее первый источник формирования первого пучка проникающего излучения определенного поперечного сечения, направленного в первом направлении пучка, в основном перпендикулярном направлению движения объекта, второй источник формирования второго пучка проникающего излучения определенного поперечного сечения, направленного во втором направлении пучка и разделенного во времени с первым пучком проникающего излучения, группу детекторов рассеянного излучения, установленных с возможностью регистрации излучения, рассеянного из, по меньшей мере, одного из первого и второго пучков каким-либо находящимся внутри досматриваемого объекта рассеивающим материалом, и выработки сигнала рассеянного излучения, и контроллер, являющийся средством построения изображения рассеивающего излучение материала на основе, по меньшей мере, сигнала рассеянного излучения, при этом испускание проникающего излучения в первом пучке характеризуется первым временным периодом и испускание проникающего излучения во втором пучке характеризуется вторым временным периодом, причем первый и второй временные периоды сдвинуты в фиксированном фазовом соотношении.

2. Устройство по п.1, которое установлено фиксировано относительно локальной системы координат.

3. Устройство по п.1, которое выполнено с возможностью перемещения в процессе контроля относительно локальной системы координат.

4. Устройство по п.1, в котором первый источник проникающего излучения представляет собой источник рентгеновского излучения.

5. Устройство по п.1, в котором направление первого пучка и направление второго пучка лежат, в основном, в одной плоскости.

6. Устройство по п.1, в котором первый источник проникающего излучения содержит механизм сканирования пучка излучения.

7. Устройство по п.6, в котором механизм сканирования пучка излучения представляет собой вращающийся обтюратор.

8. Устройство по п.6, в котором механизм сканирования пучка излучения содержит электромагнитное устройство сканирования.

9. Устройство по п.1, в котором первый пучок проникающего излучения представляет собой узкий пучок.

10. Устройство по п.1, в котором временной период каждого источника характеризуется рабочим циклом.

11. Устройство по п.10, в котором временной период каждого источника характеризуется фазовым соотношением относительно соседнего источника, равным 2π рабочих циклов.

12. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит дисплей, являющийся средством воспроизведения изображения в рассеянном излучении материала, находящегося внутри объекта.

13. Устройство по п.1, которое содержит, по меньшей мере, один детектор прошедшего излучения, являющийся средством регистрации, по меньшей мере, одного из первого и второго пучков, прошедших через досматриваемый объект, и выработки сигнала прошедшего излучения.

14. Способ досмотра объектов, включающий облучение объекта проникающим излучением, сформированным в первый пучок, облучение средства передвижения проникающим излучением, сформированным во второй пучок, регистрацию излучения первого пучка и второго пучка, рассеянного объектом, для выдачи сигнала рассеянного излучения, воспроизведение изображения в рассеянном излучении по сигналу рассеянного излучения и определение параметров объекта на основе полученного изображения, при этом испускание проникающего излучения в первом пучке задают первым временным периодом и испускание проникающего излучения во втором пучке задают вторым временным периодом, причем первый и второй временные периоды сдвигают в фиксированном фазовом соотношении.

15. Способ по п.14, в котором изменяют направление первого пучка относительно транспортного средства.

16. Способ по п.15, в котором при определении параметров материала, находящегося внутри транспортного средства, производят сочетание сигнала рассеянного излучения, полученного при облучении излучением с первым спектральным составом, с сигналом рассеянного излучения, полученным при облучении излучением с вторым спектральным составом.