СПОСОБ МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА В СИСТЕМЕ ИНТРОСКОПИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01N23/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к интроскопии, и более конкретно, к способу мультиэнергетического сканирования объекта в системе интроскопического сканирования.

Уровень техники

В настоящее время существует большой интерес к проблеме эффективного и автоматизированного обнаружения взрывчатых веществ (ВВ) в грузах, перевозимых автомобильным транспортом и в контейнерах для морских перевозок. Разработан ряд методов обнаружения ВВ, например, обнаружение следов с помощью ионной спектроскопии, нейтронный элементный анализ и так далее, однако они не получили широкого распространения в силу ряда причин, связанных с эффективностью, скоростью и особенностями досмотра, ограничениями по радиологической безопасности (для нейтронных методов), сложностью технического и сервисного обслуживания.

Наиболее широко распространенным методом в мире, облегчающим задачу выявления ВВ, является рентгеновское сканирование груза с использованием источника излучения с дуальной энергией, т.е. генерирующего импульсы излучения с двумя различающимися энергиями, которое позволяет проводить распознавание материалов по эффективному атомному номеру.

Отечественными специалистами был предложен способ генерации тормозного излучения с дуальной энергией, в основе которого лежит поимпульсное переключение величины энергии ускоренного пучка электронов на одной и той же частоте, и который был впервые описан в источнике: Ogorodnikov S.; Petrunin V. (2002). “Processing of interlaced images in 4-10 MeV dual energy customs system for material recognition”. Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams 5 (104701) [1]. Эта методика нашла свое отражение, в частности, в способе генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источнике излучения для осуществления этого способа, описанных в патенте RU 2452143 [2].

Главным преимуществом метода дуальной энергии является возможность распознавания материалов по их атомным номерам (Z), которая достигается путем сравнения двух разных величин поглощения рентгеновского излучения для различных материалов. Материалы с большим Z поглощают лучше, чем материалы с малым Z, такие как водород, углерод, азот, кислород, и могут быть отделены от других групп материалов, таких как, например, неорганические материалы с большим Z. Метод дуальной энергии позволяет оценивать атомный номер объекта со сравнительно высокой точностью, что дает возможность увеличить эффективность распознавания ВВ, большинство из которых, как показано в Таблице 1, имеет эффективный атомный номер, близкий к 7.

Кроме того, большинство ВВ имеют сравнительно большую плотность ≥1.5 г/см³ по сравнению с большинством органических веществ с плотностью <1 г/см³, и, соответственно, большие значения массовой толщины (произведение плотности на толщину объекта), которые также можно оценить по радиоскопическому изображению с дуальной энергией. Таким образом, применение метода дуальной энергии обеспечивает возможность выделения и локализации группы ВВ по критерию атомный номер - массовая толщина в досматриваемом грузе, и, соответственно, визуализации данного объекта и его выделения на рентгеновском изображении графическими средствами программного обеспечения.

В общем виде, задача распознавания материалов методом дуальной энергии представляет собой поиск решения системы интегральных уравнений относительно атомного номера Z и массовой толщины f неизвестного барьера по экспериментально полученным значениям радиоскопической прозрачности T_1exp и T_2ехр при высокой и низкой энергии излучения (E_e1 и Е_е2):

Функция под знаком интеграла в приведенной системе уравнений является произведением спектрального распределения интенсивности тормозного излучения по формуле Шиффа и функции отклика детектора (f_det - массовая толщина кристалла детектора в г/см²):

Содержащиеся в приведенном выше выражении полный (µ_det) и энергетический коэффициент ослабления для кристаллов детектора вычисляется по формуле для сложных веществ:

где µ_i - коэффициент ослабления, A_i - атомный вес и n_i - число атомов i-го элемента в молекуле вещества.

Ключевым фактором для анализа существования решения приведенной системы уравнений и оценки эффективности распознавания материалов по Z является отношение логарифмированных прозрачностей барьера при номинальной E₁ и дуальной Е₂ граничных энергиях тормозного излучения:

Для монохроматического пучка гамма-излучения отношение R является отношением полных коэффициентов поглощения для высокой и низкой энергий, которое является постоянным и однозначно характеризует исследуемый материал. На практике, в случае непрерывного спектра тормозного излучения с дуальной граничной энергией данное отношение становится чувствительным к массовой толщине барьера и может быть интерпретировано как отношение эффективных коэффициентов поглощения, усредненных по спектру. Это явление обусловлено ужестчением спектра при его прохождении через вещество барьера.

В системах досмотра обычно выбирается номинальная энергия E₁=6 МэВ и дуальная энергия Е₂=3.5 МэВ. Выбор этих значений энергии обуславливается решением задачи оптимизации радиационно-безопасной эксплуатации системы досмотра и обеспечения максимально эффективного распознавания групп материалов. Зависимости отношения R логарифмированных прозрачностей барьеров с различными массовыми толщинами t для тормозного излучения с граничными энергиями 6 МэВ (E₁) и 3.5 МэВ (Е₂) от атомного номера Z представлены на Фиг. 1. Представленные на Фиг. 1 отношения нормированы на величину для водорода, а верхняя кривая «МСН» приведена для монохроматических пучков с указанными энергиями 6 МэВ и 3.5 МэВ.

Как видно на Фиг.1, отношение R представляет собой монотонно возрастающую функцию от атомного номера практически во всем диапазоне массовых толщин, за исключением тонких барьеров (10 г/см²). Благодаря этому атомный номер Z может быть аппроксимирован по известному отношению R и массовой толщине t (или в случае, когда последняя неизвестна, по известной прозрачности для одной из энергий). Следовательно, можно составить справочную таблицу для прямого вычисления Z по экспериментально измеренным прозрачностям для двух энергий, что и применяется на практике в инспекционно-досмотровых комплексах (ИДК), работающих с дуальной энергией.

На сегодняшний день создание досмотровых систем с модуляцией энергии генерирующего источника излучения и распознаванием материалов является мировым технологическим трендом и ведущие мировые производители ведут интенсивные научно-технологические исследования в данной области. Примерами новых решений в данной области могут служить следующие патенты США: US 7257188, US 8604723, US 8750454, US 8401270, US 8457274. В основном разработка новых решений ведется в отношении способов стабильной генерации тормозного излучения с дуальной модуляцией энергии, а также качественного детектирования модулированного двухэнергетического сигнала.

Метод дуальной энергии получил дальнейшее качественное развитие в способе и системе интроскопического сканирования инспекционно-досмотрового комплекса, описанным в заявке на изобретение RU 2014128071 [3], в основу которых легла идея минимизации временного интервала между генерируемыми импульсами низкой и высокой энергии, то есть перехода к генерации и детектированию импульсного дуплета. Указанная идея реализована в [3] в виде комплексного технического решения, заключающегося в комбинации линейного ускорителя, способного генерировать импульсы низкой и высокой энергии, отстоящие друг от друга на малый временной интервал [Ermakov A. et al. Main parameters and operational experience with new generation of electron accelerators for radiography and cargo inspection, XXIV Russian Particle Accelerators Conference, RuPAC 2014, 6-10 October 2014, Obninsk, Russia], и системы детектирования, выполненной с возможностью качественного детектирования этих импульсов. Таким образом, в системе интроскопического сканирования [3] достигается минимизация ошибки пространственного смещения в режиме таможенного сканирования при сравнительно высоких скоростях перемещения объекта контроля и обеспечивается возможность со сравнительно высокой точностью разделять и визуализировать на радиоскопических изображениях группы материалов по их атомному номеру Z.

Для целей таможенного досмотра обычно применяется разделение материалов на четыре основные группы:

- легкие или «органические» материалы с малым атомным номером 1<Z<10;

- материалы со средним атомным номером 10<Z<20;

- «неорганические» материалы 20<Z<50;

- тяжелые металлы с высоким атомным номером Z>50.

Характерными материалами для каждой из четырех групп являются соответственно углерод (Z=6), алюминий (13), сталь (26) и свинец (82).

Описанный в [3] способ интроскопического сканирования наиболее близок к заявленному изобретению и выбран в качестве его прототипа. Однако данный способ имеет существенные недостатки, прежде всего связанные с ограничениями эффективности идентификации атомного номера Z материала методом дуальной энергии.

В энергетическом диапазоне 1-10 МэВ, где имеет место интроскопическое сканирование для целей досмотра, наиболее существенными процессами являются фотоэффект, эффект Комптона и рождение электрон-позитронных пар, и спектр тормозного излучения находится в области, где вариация полного коэффициента поглощения от материала к материалу минимальна. Это обусловлено доминированием комптоновского эффекта с его слабой зависимостью от атомного номера (µ_с ~ Z/A, где А - атомный вес) над фотоэффектом (µ_τ ~ Z⁵). Поэтому здесь имеет место лишь слабая вариация интегрального поглощения тормозного излучения для разных материалов, связанная с эффектом рождения электрон-позитронных пар (µ_k ~ Z²/A ~ Z).

Как уже отмечалось выше, в диапазоне малых массовых толщин (нижняя кривая для массовой толщины барьера f=10 г/см² на Фиг. 1), где вклад фотоэффекта в ослабление мягкой части спектра для элементов с большими атомными номерами значителен, он является причиной появления неоднозначности в определении атомного номера Z. Например, отношение R примерно одинаково для углеродного и свинцового барьеров с массовой толщиной 9 г/см², и, следовательно, в этой ситуации невозможно отличить свинцовую пластину толщиной 8 мм (ρ=11.34 г/см³) от углеродной толщиной 53 мм (1.69 г/см³).

Для минимизации указанной неоднозначности распознавания на практике применяют предварительную фильтрацию спектра тормозного излучения с целью уменьшения вклада его мягкой части. Подходящим материалом для фильтра является свинец с высоким сечением фотопоглощения. Выбор приемлемой толщины фильтра требует поиска оптимума между уровнем неоднозначности определения Z для тонких барьеров и ухудшением отношения сигнал-шум из-за снижения дозы тормозного излучения.

Для количественной оценки дискриминационного эффекта для пары материалов с атомными номерами Z₁ и Z₂ в процентах полезно ввести следующую величину:

Расчеты и эксперименты показали, что дискриминационный эффект D для двух материалов с близкими атомными номерами весьма мал. Например, для углерода и железа с разницей атомных номеров ΔZ=20 он составляет примерно 4% для массовой толщины 40 г/см³, а для воды и этилена с ΔZ ~ 1,2 не превышает 0.4%. Дискриминационный эффект возрастает с увеличением массовой толщины, но относительное увеличение шумов, связанное со снижением принимаемого детекторами излучения, сводит этот эффект к нулю.

Малая величина дискриминационного эффекта в диапазоне энергий рентгеновского излучения 1-10 МэВ, используемого в досмотровых комплексах, существенно ограничивают эффективность и точность процедуры распознавания ВВ по радиоскопическим изображениям, полученным способом дуальной энергии.

Поэтому в ИДК, работающих с дуальной энергией, возможна только радиоскопическая классификация материалов по основным группам по Z. Причем для этого необходимо обеспечить аккуратное измерение прозрачностей Т с точностью не хуже 3-х значащих цифр. Кроме того, так как теория построена в приближении узкого пучка, требуется использование высококачественной системы коллимации веерного пучка для минимизации влияния рассеянного излучения на результат.

В случае же, когда барьер представляет собой комбинацию двух и более материалов, формирующих гетерогенную структуру, идентификация атомных номеров отдельных материалов в этой структуре на основе пары экспериментально измеренных радиоскопических прозрачностей становится невозможной. Возможным способом избавиться от эффекта перекрывания материалов является использование действительного трехмерного рентгеновского изображения, однако это практически не реализуемо при досмотре грузов на современном уровне развития технологии. Та же самая проблема существует и для других групп материалов, таких как наркотики и специальные оружейные стали.

Таким образом, известные методы дуальной энергии, позволяющие оценить эффективной атомный номер и массовую толщину объекта контроля, как однородного барьера, могут лишь помочь оператору ИДК в его анализе рентгеновского изображения для распознавания групп материалов. В настоящий момент не существует метода, позволяющего автоматически обнаруживать ВВ при двумерном рентгеновском сканировании груза.

Выбранный в качестве прототипа способ интроскопического сканирования [3] также позволяет классифицировать объекты контроля по группам материалов, но не обеспечивает возможности автоматического разделения перерывающихся на радиоскопическом изображении материалов.

Таким образом, имеется объективная потребность в совершенствовании и дальнейшем развитии метода распознавания материалов, в особенности ВВ, на основе модуляции энергии пучка ускорителя в ИДК.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения стало устранение недостатков предшествующего уровня техники, в частности, обеспечение возможности разделения и идентификации перекрывающихся на двумерном радиоскопическом изображении материалов, в частности, для целей эффективного обнаружения взрывчатых и наркотических веществ автоматизированным образом.

Современные достижения в области ускорительной техники, основанной на клистронной технологии СВЧ-питания позволили реализовать сканирование объекта контроля несколькими энергиями с возможностью дискретного варьирования энергии при сохранении высоких характеристик стабильности пучка и, таким образом, ввести в рассмотрение дополнительные измерения. Более конкретно, в изобретении реализован способ мультиэнергетического сканирования объекта по меньшей мере четырьмя энергиями ускорителя. Реализация мультиэнергетической схемы сканирования позволяет устранить неопределенность однобарьерного приближения, оставаясь в рамках двумерного сканирования, и решить, таким образом, поставленную задачу разделения нескольких перекрывающихся материалов на радиоскопическом изображении с определением атомных номеров для каждого из материалов отдельности (т.е. идентификацией).

Более конкретно, задача изобретения решается посредством осуществления способа мультиэнергетического сканирования объекта в системе интроскопического сканирования, включающей в себя блок управления, линейный ускоритель электронов, блок детектирования и блок обработки. Указанный способ содержит этапы, на которых:

формируют, с помощью блока управления, и передают в линейный ускоритель электронов последовательность из четырех или более импульсов синхронизации с заданным малым межимпульсным интервалом t_shift;

в ответ на принятую последовательность импульсов синхронизации генерируют, с помощью линейного ускорителя электронов, в направлении объекта сканирования последовательность из четырех или более импульсов тормозного излучения с отличающимися уровнями энергии, каждый из которых синхронизован с соответствующим импульсом синхронизации;

принимают с помощью блока детектирования, содержащего сцинтилляционные кристаллы и фотодетекторы, последовательность импульсов тормозного излучения, прошедшего через объект сканирования, и преобразуют принятое тормозное излучение в электрические сигналы, причем время, за которое фотодетекторы осуществляют сбор фотонов, излученных сцинтилляционными кристаллами при поглощении одного импульса тормозного излучения, равно межимпульсному интервалу t_shift, и равно или превышает время высвечивания материала сцинтилляционных кристаллов; и

передают полученные блоком детектирования электрические сигналы в блок обработки, выполняющий их аналого-цифровое преобразование с выводом данных радиоскопического изображения, причем преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, выполняется по очереди, в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

Согласно варианту осуществления изобретения поочередное преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, выполняют в блоке обработки посредством подачи каждого из упомянутых электрических сигналов на соответствующий один из по меньшей мере четырех интеграторов, которые, в свою очередь, поочередно подключают к АЦП в течение временного интервала f_scan между последовательностями импульсов.

В другом варианте осуществление поочередное преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, выполняют в блоке обработки посредством подачи каждого из упомянутых электрических сигналов на интегратор и далее на соответствующий один из по меньшей мере четырех устройств выборки и хранения, которые, в свою очередь, поочередно подключают к АЦП в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

Также, согласно варианту осуществления изобретения, перед выведением данных радиоскопического изображения они подвергаются в блоке обработки процедуре сегментации так, что блок обработки выводит сегментированные данные радиоскопического изображения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, данные радиоскопического изображения, выведенные блоком обработки, содержат измеренные значения прозрачности материалов в объекте сканирования для всех импульсов тормозного излучения в принятой последовательности.

Далее, в этом варианте осуществления способ мультиэнергетического сканирования дополнительно содержит этапы, на которых:

передают сегментированные данные радиоскопического изображения, выведенные блоком обработки, в блок вычислений,

оценивают, с помощью блока вычислений, атомные номера и массовые толщины материалов в объекте сканирования на основании данных радиоскопического изображения и передают результаты оценки в блок отображения, и

визуализируют, с помощью блока отображения, радиоскопическое изображение с колоризацией сегментов изображения на основании полученных оценок атомных номеров и массовых толщин материалов в объекте сканирования,

причем радиоскопическое изображение содержит по меньшей мере один сегмент, на котором перекрываются два или более материалов.

Согласно развитию указанного варианта осуществления, оценку атомных номеров и массовых толщин материалов в объекте сканирования выполняют посредством минимизации Евклидовой меры между измеренными и предполагаемыми значениями прозрачностей материалов, зависящими от атомных номеров и массовых толщин материалов.

В варианте осуществления изобретении, в котором радиоскопическое изображение содержит по меньшей мере один сегмент, на котором перекрываются два материала, оценку атомных номеров Z₁, Z₂ и массовых толщин t₁, t₂ упомянутых двух материалов, на каждом из таких сегментов изображения могут выполнять посредством поиска минимума функции двух переменных, по массовым толщинам t₁ и t₂, перебирая предварительно заданные возможные значения атомных номеров Z₁ и Z₂.

При этом, согласно развитию этого варианта осуществления, оценку атомных номеров и массовых толщин материалов в объекте сканирования и визуализацию радиоскопического изображения выполняют, по существу, в режиме реального времени.

В еще одном варианте осуществления способ, согласно изобретению, дополнительно содержит этапы, на которых:

по существу, одновременно с последовательностью импульсов синхронизаци, формируют, с помощью блока управления, и передают в линейный ускоритель электронов последовательность из четырех или более управляющих сигналов, задающих отличающиеся уровни энергии для импульсов тормозного излучения, причем каждый из упомянутых управляющих сигналов опережает соответствующий ему импульс синхронизации на фиксированное время опережения t_lead,

и при этом генерацию каждого из импульсов тормозного излучения выполняют линейным ускорителем электронов на уровнях энергии, заданных упомянутыми управляющими сигналами.

При этом в различных вариантах осуществления изобретения уровни энергии импульсов в последовательности импульсов тормозного излучения изменяют при их генерации от первого к последнему импульсу в возрастающем, убывающем или произвольном порядке.

Максимальную энергию импульса в последовательности импульсов тормозного излучения можно выбирать на основании требований радиационной защиты в системе интроскопического сканирования, а остальные энергии импульсов - путем поиска оптимального дискриминационного эффекта для двух характерных материалов органической и неорганической групп материалов и различных массовых толщин с учетом отношения сигнал-шум данной системы интроскопического сканирования. При этом двумя характерными материалами органической и неорганической групп материалов могут быть, например, графит и сталь.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано более подробно на примере наиболее предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

на фиг. 1 показано отношение логарифмированных прозрачностей барьеров с различными массовыми толщинами для тормозного излучения с граничными энергиями 6 МэВ и 3.5 МэВ как функция атомного номера Z, нормированное на величину для водорода; и

на фиг. 2 показана концептуальная схема сканирования груза в однобарьерном и двухбарьерном приближениях в системе интроскопического сканирования;

на фиг. 3 показана временная диаграмма работы и схема синхронизации ускорителя в режиме мультиэнергетического сканирования с четырьмя дискретными энергиями согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;

на фиг. 4 показана временная диаграмма работы и схема синхронизации ускорителя в режиме мультиэнергетического сканирования с N энергиями согласно варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

В методе дуальной энергии рассматривалась система из двух интегральных уравнений для измеренных величин прозрачностей T_ехp1 и Т_еxp2 барьера при двух энергиях излучения с двумя неизвестными величинами: атомным номером Z материала барьера и его массовой толщиной t в направлении распространения пучка. Таким образом, в математическом смысле этот метод представляет собой трансформацию двумерного множества экспериментально измеренных величин (Т_ехр1, T_еxр2) во множество физических параметров (Z, t) и наоборот. А так как метод построен в рамках однобарьерного приближения, такая процедура идентификации материала может быть выполнена только для однородного барьера из определенного материала.

Как уже обсуждалось, в реальной ситуации барьер может состоять из комбинации двух и более материалов, образуя гетерогенную структуру, например, как показано на Фиг. 2. Очевидно, что число искомых физических параметров в таком случае возрастет пропорционально числу перекрывающихся барьеров.

Двухбарьерное приближение

Чтобы обеспечить дискриминацию двух перекрывающихся на радиоскопическом изображении материалов с атомными номерами Z₁, Z₂ и толщинами U, t₂ авторами изобретения было предложено ввести четыре энергии ускорителя (E_e1, Е_е2, Е_е3, Е_е4) и построить, таким образом, систему из четырех уравнений прозрачностей для преобразования в четырехмерном пространстве (Т_вхр1, Т_ехр2, Т_ехр3, Т_еxр4)↔(Z₁, t₁, Z₂, t₂):

Суммарная массовая толщина в этом случае определяется как

а полный коэффициент ослабления равен взвешенной сумме коэффициентов ослабления составляющих компонентов (материалов):

Главная трудность состоит в нахождении способа решения приведенной системы четырех уравнений. Две из переменных в приведенных уравнениях - массовые толщины U, t₂ - являются непрерывными переменными, а другие - атомные номера Z₁, Z₂ двух материалов - дискретными.

Общий метод решения таких систем состоит в минимизации некоторого функционала, который, например, может быть записан как Евклидова мера между измеренными и ожидаемыми значениями прозрачностей:

Однако такой способ решения приводит к оперированию данными в четырехмерном пространстве и требует специального математического аппарата и больших вычислительных затрат, что весьма затруднительно даже при современном уровне развития вычислительной техники. Учитывая объем данных, подлежащий одновременной обработке в досмотровой системе, поиск решения таким способом в режиме реального времени может быть нереализуем.

Поэтому в предпочтительном варианте осуществления авторами было предложено следующее. Поскольку дискретные энергии пучка E_e1, Е_е2, Е_е3, Е_е4 известны (определяются с использованием системы калибровки данных сканирования), то рассматриваемая задача может быть преобразована в задачу поиска минимума функции двух переменных t₁ и t₂, и Z₁ и Z₂. Принимая во внимание, что переменные Z₁ и Z₂ дискретны и число материалов может быть ограничено, поиск минимума можно вести только по массовым толщинам t₁ и t₂, перебирая предварительно заданные возможные значения Z₁ и Z₂. Такой поиск минимума функции двух переменных сравнительно прост и может быть выполнен одним из известных математических методов.

Вычислительные мощности современных компьютеров позволяют оперативно проводить расчет для большого количества данных, а учитывая тот факт, что расчет будет вестись для уже структурированных данных сканирования (после процедуры сегментации) расчет и визуализация результатов будет проходить практически в режиме реального времени.

Графически минимизация функционала F может быть представлена как поиск минимального расстояния между точкой с координатами - экспериментально измеренными значениями прозрачностей (T_exp1, Т_ехр2, Т_ехр3, Т_ехр4) и выбранной кривой поглощения двух материалов из предопределенного множества. Если минимальная величина функционала найдена с заданной точностью, то материалы барьеров и их массовые толщины считаются идентифицированными, что может быть представлено соответствующей колоризацией данного сегмента на изображении и визуализацией численного решения.

Следует отметить, что необходим также оптимальный выбор граничных энергий тормозного излучения в генерируемой системой интроскопического сканирования последовательности импульсов. Максимальная энергия выбирается из соображений и требований оптимизации радиационной защиты полномасштабной инспекционной установки, а остальные дискретные энергии импульсов в последовательности определяются исходя из решения задачи поиска оптимума эффекта дискриминации для характерных материалов органической и неорганической групп материалов для различных массовых толщин, принимая во внимание реальное отношение сигнал - шум, которое обеспечивает предлагаемая к рассмотрению досмотровая система.

В одном из вариантов осуществления изобретения, в качестве характерных материалов органической и неорганической групп материалов были выбраны графит и сталь соответственно.

Система интроскопического мультиэнергетического сканирования

В качестве примера системы для реализации способа мультиэнергетического сканирования согласно настоящему изобретению остановимся на системе интроскопического сканирования с четырьмя энергиями. Основными элементами данной система являются блок управления, линейный ускоритель электронов, блок детектирования и блок обработки. Предпочтительно система также содержит блок вычислений для пост-обработки данных радиоскопического изображения и блок отображения для его отображения оператору ИДК.

Концептуальная схема сканирования груза в однобарьерном и двухбарьерном приближениях в описываемой системе интроскопического сканирования показана на Фиг. 2, где модуль 1 представляет собой линейный ускоритель электронов, а модуль 2 - блок детектирования системы. Остальные блоки описываемой системы на Фиг. 2 не показаны.

Важным технологическим прорывом для реализации описываемой системы для осуществления предложенного способа мультиэнергетического сканирования стало создание линейного ускорителя электронов с четырьмя дискретными энергиями, что было достигнуто благодаря использованию многолучевого клистрона в качестве источника СВЧ-питания ускоряющей структуры.

В частности, в реализованном варианте осуществления ускоритель с дискретными энергиями был создан с использованием многолучевого клистрона с реверсной фокусировкой лучей с помощью магнитной системы на основе редкоземельных постоянных магнитов. Необходимо отметить, что возможности реализации системы интроскопического сканирования для осуществления способа согласно изобретению не ограничиваются применением какого-либо конкретного источника СВЧ-питания, клистрона, магнетрона и т.д. Специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть реализованы различные виды систем интроскопического сканирования, с использованием различных компонентов или технологий, в том числе появившихся после подачи настоящей заявки на патент, позволяющие осуществить способ мультиэнергетического сканирования без отхода от сущности, и не выходя за пределы объема настоящего изобретения.

Примерная временная диаграмма синхронизации и работы ускорителя с четырьмя дискретными энергиями в реализованной системе интроскопического сканирования для осуществления способа согласно варианту осуществления изобретения приведена на Фиг. 3. Кривая «Запуск» на фиг. 3 иллюстрирует последовательность из четырех импульсов синхронизации, сформированную блоком управления системы. Сигналы «Энергия 1» - «Энергия 4» представляют собой последовательность из четырех управляющих сигналов, формируемых блоком управления, по существу, одновременно с последовательностью импульсов синхронизации, для задания параметров генерации тормозного излучения в линейном ускорителе электронов, в частности, для задания уровня энергии каждого из импульсов тормозного излучения. Управляющие сигналы «Энергия 1» - «Энергия 4», как показано на Фиг. 3, опережают соответствующие моменты начала генерации ускорителя, которые задаются импульсами синхронизации «Запуск», на фиксированное время опережения t_lеаd, необходимое для выхода ускорителя в заданный данным управляющим сигналом режим работы. Кривые «Энергия пучка», «Ток пучка» и «Мощность дозы» на Фиг. 3 показывают примерные характеристики импульсов тормозного излучения, генерируемых линейным ускорителем электронов в ответ на принятый набор из управляющих сигналов и импульсов синхронизации.

Необходимо понимать, что изобретение не ограничено в отношении схемы синхронизации и работы линейного ускорителя электронов описанным конкретным вариантом реализации. В частности, импульсы синхронизации сами могут задавать энергию для подлежащих генерации импульсов тормозного излучения или же набор дискретных уровней энергии может быть задан заранее, а чередование уровней может осуществлять ускоритель после приема импульсов синхронизации. В этом варианте осуществления, генерация импульсов тормозного излучения может быть синхронизирована с импульсами синхронизации с фиксированным временем запаздывания, например, равным t_lead, для обеспечения выхода усилителя на необходимый режим генерации. Специалистам будет понятно, что могут быть предложены и реализованы и другие варианты осуществления синхронизации и работы ускорителя, без отхода от сущности и выхода из объема заявленного изобретения.

Реализация описываемой системы интроскопического сканирования с представленной на Фиг. 3 схемой работы обеспечила возможность получения практически мгновенный срез объекта сканирования четырьмя разными энергиями, что позволило существенно уменьшить ошибку из-за пространственного смещения слоев с разными энергиями. Данная ошибка наблюдается в системах предшествующего уровня техники из-за высокой скорости перемещения объекта сканирования в инспекционно-досмотровых системах, которая достигает 60 см/с.

В реализованной системе максимальное смещение будет для первой и четвертой энергии и составит:

450 мкс · 60 см/с ·10^-6 = 0.027 см = 270 мкм.

Указанное смещение, с учетом поперечного размера детектора в 12 мм, является достаточно малым, порядка 2%, и не влияет на результат расчетов.

В системе с четырьмя дискретными энергиями необходимо измерять четыре импульса источника излучения идущих друг за другом с достаточно малым интервалом времени. С одной стороны межимпульсный интервал времени должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить сбор фотонов со сцинтиллятора в блоке детектора. В то же время, как было отмечено, выбранный интервал между импульсами не должен приводить к заметным искажениям в обработанном радиоскопическом изображении.

Для того чтобы успешно реализовать измерение таких последовательностей из четырех импульсов канал детектирования в системе интроскопического сканирования был реализован таким образом, чтобы сбор фотонов сцинтиллятора, вызванных импульсами излучения, происходил в течение четырех промежутков времени, один за другим. Промежуток времени, в течение которого происходит сбор фотонов от одного импульса излучения, был выбран равным интервалу между импульсами излучения интервалу, а последующее преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, было реализовано по поочередной схеме, в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов. Для этого был использован канал детектирования с четырьмя интеграторами, по одному для каждого импульса тормозного излучения в последовательности.

Более конкретно, в реализованной системе интроскопического сканирования блок детектирования содержит сцинтилляционные кристаллы, принимающие последовательность импульсов тормозного излучения, прошедшего через объект сканирования, и фотодетекторы, преобразующие принятое тормозное излучение в электрические сигналы. При этом система конфигурирована так, что время, за которое фотодетекторы осуществляют сбор фотонов, излученных сцинтилляционными кристаллами при поглощении одного импульса тормозного излучения, равно межимпульсному интервалу t_shift и времени высвечивания материала сцинтилляционных кристаллов. В альтернативном варианте, время сбора фотонов от одного импульса может превышать, но не быть меньшим, чем время высвечивания материала сцинтилляционных кристаллов.

Далее, блок обработки в реализованной системе интроскопического сканирования содержит устройства выборки и хранения, которые, предпочтительно, представляют собой интеграторы, АЦП и вычислительные средства, конфигурированные для соответствующей обработки и вывода данных радиоскопического изображения. Соответственно, полученные блоком детектирования электрические сигналы передают в блок обработки, выполняющий их аналого-цифровое преобразование с выводом данных радиоскопического изображения. При этом система конфигурирована так, что преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, выполняется по очереди, в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

В одном варианте осуществления поочередное преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, выполняют в блоке обработки посредством подачи каждого из упомянутых электрических сигналов на соответствующий один из по меньшей мере четырех интеграторов, которые, в свою очередь, поочередно подключают к АЦП в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

В другом возможном варианте, поочередное преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности выполняют в блоке обработки посредством подачи каждого из упомянутых электрических сигналов на интегратор и далее на соответствующий один из по меньшей мере четырех устройств выборки и хранения, которые, в свою очередь, поочередно подключают к АЦП в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

Общий случай с N перекрывающимися барьерами

Для дискриминации материалов на радиоскопическом изображении в случае с N перекрывающимися барьерами необходимо построить как минимум 2N уравнений. Практически это означает непрерывную вариацию энергии ускорителя и считывание огромного числа данных.

В этом случае, прозрачность барьера составленного перекрытием N числа материалов с различными атомными номерами и массовыми толщинами записывается в виде:

Под знак интеграла в приведенном выражении входит произведение всех экспоненциальных факторов ослабления для N барьеров.

Приведенное выражение может быть переписано для эквивалентного по поглощению гомогенного барьера в виде:

соответственно, с массовой толщиной:

и полным коэффициентом ослабления, равным взвешенной сумме коэффициентов ослабления составляющих компонентов:

Примерная реализация схемы работы и синхронизации ускорителя для системы мультиэнергетического сканирования в данном случае представлена на Фиг. 4. Как можно видеть, схема работы и синхронизации ускорителя в этом случае, по существу, аналогична случаю с четырьмя энергиями, изображенному на Фиг. 3 и подробно описанному выше, поэтому данный вариант реализации системы для осуществления заявленного способа не поясняется здесь более подробно.

Таким образом, способ мультиэнергетического сканирования по настоящему изобретению обеспечивает возможность разделения перекрывающихся на двумерном радиоскопическом изображении материалов и определения атомного номера для каждого из них в отдельности. Осуществление предложенного способа в системах интроскопического сканирования ИДК позволяет существенно повысить эффективность обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в объектах контроля, сохраняя при этом существенную скорость сканирования (движения объектов контроля) и позволяя автоматизировать процесс обнаружения. В частности, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, решена задача разделения и идентификации двух перекрывающихся на радиоскопическом изображении материалов.

Описанные выше варианты осуществления предложенного способа мультиэнергетического сканирования согласно изобретению и варианты реализации системы интроскопического сканирования для осуществления способа мультиэнергетического сканирования являются лишь примерными и не ограничивают объем патентной защиты настоящего изобретения, задаваемый только прилагаемой формулой изобретения. После ознакомления с настоящим описанием прилагаемыми чертежами и формулой изобретения специалист в данной области техники может предложить различные изменения, дополнения или улучшения описанных здесь вариантов осуществления изобретения или их элементов, не отходящих от идеи и сущности изобретения и, соответственно, попадающих в объем правовой охраны изобретения.

Использование: для обеспечения возможности разделения и идентификации перекрывающихся на двумерном радиоскопическом изображении материалов. Сущность изобретения заключается в том, что способ мультиэнергетического сканирования объекта в системе интроскопического сканирования содержит этапы, на которых: формируют последовательность из четырех или более импульсов синхронизации с малым межимпульсным интервалом; генерируют последовательность из четырех или более импульсов тормозного излучения с разными энергиями, синхронизованных с импульсами синхронизации; принимают последовательность импульсов тормозного излучения с помощью сцинтилляционных кристаллов и преобразуют в электрические сигналы, сбор фотонов от одного импульса осуществляют за время, равное межимпульсному интервалу и времени высвечивания сцинтилляционных кристаллов; и выполняют аналого-цифровое преобразование полученных электрических сигналов с выводом данных радиоскопического изображения, причем преобразование для разных импульсов в принятой последовательности, выполняется по очереди, в течение временного интервала между последовательностями импульсов. Технический результат: разделение и идентификация перекрывающихся на радиоскопическом изображении материалов. 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ мультиэнергетического сканирования объекта в системе интроскопического сканирования, включающей в себя блок управления, линейный ускоритель электронов, блок детектирования и блок обработки, содержащий этапы, на которых:
формируют, с помощью блока управления, и передают в линейный ускоритель электронов последовательность из четырех или более импульсов синхронизации с заданным малым межимпульсным интервалом t_shift;
в ответ на принятую последовательность импульсов синхронизации генерируют, с помощью линейного ускорителя электронов, в направлении объекта сканирования последовательность из четырех или более импульсов тормозного излучения с отличающимися уровнями энергии, каждый из которых синхронизован с соответствующим импульсом синхронизации;
принимают с помощью блока детектирования, содержащего сцинтилляционные кристаллы и фотодетекторы, последовательность импульсов тормозного излучения, прошедшего через объект сканирования, и преобразуют принятое тормозное излучение в электрические сигналы, причем время, за которое фотодетекторы осуществляют сбор фотонов, излученных сцинтилляционными кристаллами при поглощении одного импульса тормозного излучения, равно межимпульсному интервалу t_shift, и равно или превышает время высвечивания материала сцинтилляционных кристаллов; и
передают полученные блоком детектирования электрические сигналы в блок обработки, выполняющий их аналого-цифровое преобразование с выводом данных радиоскопического изображения, причем преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, выполняется по очереди, в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

2. Способ по п. 1, в котором упомянутое поочередное преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности выполняют в блоке обработки посредством подачи каждого из упомянутых электрических сигналов на соответствующий один из по меньшей мере четырех интеграторов, которые, в свою очередь, поочередно подключают к АЦП в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

3. Способ по п. 1, в котором упомянутое поочередное преобразование электрических сигналов, соответствующих разным импульсам тормозного излучения в принятой последовательности, выполняют в блоке обработки посредством подачи каждого из упомянутых электрических сигналов на интегратор и далее на соответствующее одно из по меньшей мере четырех устройств выборки и хранения, которые, в свою очередь, поочередно подключают к АЦП в течение временного интервала t_scan между последовательностями импульсов.

4. Способ по п. 1, в котором перед выведением данных радиоскопического изображения они подвергаются в блоке обработки процедуре сегментации так, что блок обработки выводит сегментированные данные радиоскопического изображения.

5. Способ по п. 4, в котором данные радиоскопического изображения, выведенные блоком обработки, содержат измеренные значения прозрачности материалов в объекте сканирования для всех импульсов тормозного излучения в принятой последовательности.

6. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этапы, на которых:
передают сегментированные данные радиоскопического изображения, выведенные блоком обработки, в блок вычислений,
оценивают, с помощью блока вычислений, атомные номера и массовые толщины материалов в объекте сканирования на основании данных радиоскопического изображения и передают результаты оценки в блок отображения, и
визуализируют, с помощью блока отображения, радиоскопическое изображение с колоризацией сегментов изображения на основании полученных оценок атомных номеров и массовых толщин материалов в объекте сканирования,
причем радиоскопическое изображение содержит по меньшей мере один сегмент, на котором перекрываются два или более материалов.

7. Способ по п. 6, в котором оценку атомных номеров и массовых толщин материалов в объекте сканирования выполняют посредством минимизации Евклидовой меры между измеренными и предполагаемыми значениями прозрачностей материалов, зависящими от атомных номеров и массовых толщин материалов.

8. Способ по п. 6, в котором радиоскопическое изображение содержит по меньшей мере один сегмент, на котором перекрываются два материала, при этом оценку атомных номеров Z₁, Z₂ и массовых толщин t₁, t₂ упомянутых двух материалов на каждом из таких сегментов изображения выполняют посредством поиска минимума функции двух переменных, по массовым толщинам t₁ и t₂, перебирая предварительно заданные возможные значения атомных номеров Z₁ и Z₂.

9. Способ по п. 8, в котором оценку атомных номеров и массовых толщин материалов в объекте сканирования и визуализацию радиоскопического изображения выполняют, по существу, в режиме реального времени.

10. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
по существу, одновременно с последовательностью импульсов синхронизации формируют, с помощью блока управления, и передают в линейный ускоритель электронов последовательность из четырех или более управляющих сигналов, задающих отличающиеся уровни энергии для импульсов тормозного излучения, причем каждый из упомянутых управляющих сигналов опережает соответствующий ему импульс синхронизации на фиксированное время опережения t_lead,
и при этом генерацию импульсов тормозного излучения выполняют линейным ускорителем электронов на уровнях энергии, заданных упомянутыми управляющими сигналами.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором уровни энергии импульсов в последовательности импульсов тормозного излучения изменяют при их генерации от первого к последнему импульсу в возрастающем, убывающем или произвольном порядке.

12. Способ по п. 11, в котором максимальную энергию импульса в последовательности импульсов тормозного излучения выбирают на основании требований радиационной защиты в системе интроскопического сканирования, а остальные энергии импульсов определяют путем поиска оптимального дискриминационного эффекта для двух характерных материалов органической и неорганической групп материалов и различных массовых толщин с учетом отношения сигнал-шум данной системы интроскопического сканирования.

13. Способ по п. 12, в котором двумя характерными материалами органической и неорганической групп материалов являются соответственно графит и сталь.