ГАММА-ЛУЧЕВАЯ ТОМОГРАФИЧЕСКАЯ РАДИОГРАФИЯ Российский патент 2022 года по МПК G01N23/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу создания отображения внутренней структуры целевого объекта и, более конкретно, но не исключительно, к способу создания отображения внутренней структуры целевого объекта посредством гамма-лучевой томографической радиографии с несколькими источниками для обнаружения алмазов при добыче полезных ископаемых.

Уровень техники

Томографическая радиография относится к технике, используемой для вычисления внутренней структуры объекта с более высокой размерностью на основе информации из множества наборов данных более низкой размерности. Гамма-лучи в широком смысле относятся к фотонам с энергией, обычно превышающей 200 кэВ.

Задача изобретения

Соответственно, задачей изобретения является создание устройства для подготовки и применения фолиарного веерообразного выброса, которое, по меньшей мере, частично, устраняет некоторые проблемы предшествующего уровня техники.

Сущность изобретения

В соответствии с изобретением предлагается способ создания отображения внутренней структуры целевого объекта, содержащий этапы:

- ускорение ряда заряженных субатомных частиц;

- направление частиц к множеству источников излучения с одной стороны целевого объекта;

- испускание электромагнитного излучения от каждого конкретного источника излучения в течение дискретного периода времени, в результате чего в течение дискретного периода времени конкретный источник излучения ассоциирован с дискретным периодом;

- электромагнитное излучение генерируется путем преобразования частиц в электромагнитное излучение;

- детектирование на стороне, противоположной источникам излучения, проекции проникновения электромагнитного излучения от каждого источника излучения; и

- объединение проекций от каждого источника для создания отображения внутренней структуры целевого объекта.

Способ может включать в себя этап перемещения целевого объекта из первого положения во второе положение и повторение этапов излучения и детектирования способа для объединения проекций первого и второго положений для создания более точного отображения внутренней структуры объекта. Этот этап может быть повторен таким образом, что проекции от множества различных положений могут быть объединены, чтобы построить отображение внутренней структуры целевого объекта.

Этап перемещения объекта может быть достигнут путем перемещения целевого объекта на конвейерной ленте. Способ также может быть выполнен во время непрерывного перемещения целевого объекта в соответствии с его нормальным проходом, в результате чего его нормальное перемещение не прерывается. Такое перемещение целевого объекта само по себе не выполняется с целью улучшения томографии. Регистрация происходит таким образом, что это перемещение может быть полностью компенсировано. Это позволяет целевому объекту осуществлять его нормальное перемещение в рамках непрерывного процесса, в котором он участвует.

Внутренняя структура может отображаться в трехмерном пространстве в виде вокселей, включая информацию об ослаблении гамма-излучения, ассоциированную с вокселями. Представленная таким образом информация является количественной оценкой параметра или набора параметров, которые могут быть ослаблением гамма-излучения, могут быть связаны с ослаблением гамма-излучения или также могут быть сегментированы с точки зрения состава материала целевого объекта или любой другой количественной величины или параметра, которые могут быть выведены из набора зарегистрированных наблюдений.

Субатомные частицы могут быть электронами, при этом электроны могут ускоряться с помощью линейного ускорителя (linac) или любого другого ускорителя, способного ускорять электроны до энергии по меньшей мере 200 кэВ (гамма-лучи).

Ускоритель может выводить импульсы ускоренных частиц через равные промежутки времени, при этом импульсы могут быть сгруппированы в группы или пакеты с фиксированным количеством импульсов. Пакеты излучаются с регулярными интервалами, и разные пакеты могут направляться на разные источники излучения. Каждый дискретный период может быть ассоциирован с пакетом.

Энергия импульса может варьироваться в соответствии с профилем. Профиль может быть регулярным и постепенным пошаговым увеличением или уменьшением энергии импульса. Разница в энергии может быть выбрана таким образом, что выбранные энергии обеспечивают проекционные изображения, которые обеспечивают максимальный контраст между различными материальными компонентами целевого материала.

Источник излучения преобразует ускоренные частицы в фотоны. Фотоны могут быть гамма-лучами с энергией, превышающей 200 кэВ. Электроны могут быть преобразованы в гамма-лучи путем взаимодействия пучка электронов высокой энергии с веществом через тормозное излучение от соответствующего материала, такого как вольфрам. Излучение может быть вызвано когерентным тормозным излучением или обратным комптоновским рассеянием.

Электроны и излучение веерообразно разветвляются, создавая конический пучок гамма-лучей, излучаемый каждым источником.

Электронные пучки могут быть разделены и направлены к источнику излучения с помощью элементов для фокусирования пучка, таких как кикер-магнит, септум-магнит, отклоняющие магниты и соответствующие фокусирующие магниты.

Целевым объектом может быть алмазосодержащий кимберлит на движущемся конвейере. Энергия может варьироваться для обеспечения максимальной дифференциации или контраста между кимберлитом и алмазом.

Мишенью также могут быть контейнеры с грузами для импорта, которые должны быть проверены на наличие определенных материалов или артефактов.

Краткое описание чертежей

Вариант осуществления изобретения описан ниже только в качестве примера и со ссылкой на чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает схематическое изображение системы томографической радиографии;

Фиг. 2 - схематическое представление выхода энергии ускорителя частиц;

Фиг. 3 - схематическое представление системы томографической радиографии с пятью источниками излучения и конвейерной лентой, проходящей под источниками; и

Фиг. 4 - схематическое изображение системы томографической радиографии с шестью источниками излучения и шестью детекторами, расположенными в виде шестиугольника.

Подробное описание чертежей

Со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые признаки обозначены одинаковыми цифровыми позициями, система томографической радиографии в общем обозначена позицией 1.

Система 1 выполнена с возможностью реализации способа создания отображения внутренней структуры целевого объекта 2 согласно изобретению. Способ включает в себя этап ускорения определённого количества субатомных заряженных частиц. Субатомные частицы могут быть электронами, при этом электроны могут ускоряться с помощью линейного ускорителя (линака - linac) 3.

Электроны 4 или электронные пучки, как описано ниже, направляются к множеству источников 5 излучения с одной стороны целевого объекта 2. Это достигается с помощью элементов фокусировки пучка. Это могут быть отклоняющие магниты (импульсные магниты, кикеры), в которых отклоняемый пучок собирается с помощью септум-магнитов, если необходимо, и далее направляется отклоняющими магнитами. Другие элементы системы фокусировки пучка для фокусировки или расфокусировки используются по мере необходимости. Отклоняющие магниты 9, показанные на фиг. 1 в виде трех кластеров (9а, 9b и 9с) магнитов, очень точно управляются по времени. Магниты используются для разветвления электронов 4, как в случае кластера 9b, или для направления электронов 4 в определенном направлении, как в случае кластеров 9a и 9c.

Электроны 4 выбрасываются из ускорителя 3 в виде импульсов 7 ускоренных электронов 4 через равные промежутки времени, при этом импульсы могут быть сгруппированы в группы или пакеты 8 с фиксированным числом импульсов. На фиг. 2 график A показывает выход ускорителя 3 с течением времени. Продолжительность времени, в течение которого ускоритель активен, на один импульс 7, может составлять всего 1 наносекунду. Пакеты 8 выпускаются с регулярными интервалами, и разные пакеты могут направляться на разные источники излучения 5. Таким образом, каждый отдельный период или пакет 8 может быть связан с конкретным источником. Например, пакет 8a может быть направлен на источник 5a излучения, а пакет 8b может быть направлен на источник 5b излучения. Пакет, следующий за 8b, может быть направлен к источнику 5c излучения, а последующий пакет может снова быть направлен на 5a. Этот процесс продолжается, так что при надлежащей записи временной синхронизации и направлении каждого пакета 8 возможно различать разные источники 5 излучения на основе информации о синхронизации.

В этом примере три источника (5a, 5b и 5c) излучения расположены линейно, при этом центральный источник 5b направлен в центр детектора 6, а боковые источники 5a и 5c направлены под углом к центру детектора 6. Детектор 6 для целей этого примера является прямоугольным и может детектировать электромагнитное излучение в двух измерениях. Каждый источник 5 испускает электромагнитное излучение в дискретный период, так что в течение этого дискретного периода конкретный источник излучения ассоциируется с этим дискретным периодом. Электромагнитное излучение генерируется путем преобразования электронов 4 в гамма-лучи. Это может быть достигнуто путем направления электронного пучка, падающего на вольфрамовую тормозную мишень 10, для создания гамма-лучей. Электромагнитное излучение генерируется при взаимодействии высокоэнергетического пучка с веществом или светом. Электроны 4 и, следовательно, результирующий пучок 11 гамма-лучей разветвляются, создавая расширяющийся пучок примерно конической формы. Электронный пучок сканирует по разветвленной области и, соответственно, проходит через материал тормозного излучения (вольфрам). Получающиеся в результате этого фотоны по существу коллинеарны первичному электронному пучку, но есть некоторое дополнительное расхождение, вызванное тормозным излучением. Пучок 11 направлен на целевой объект 2 и детектор 6, и он чередуется между различными источниками (5a, 5b и 5c) излучения.

Детектор 6 способен регистрировать энергию, время и положение для каждого воздействующего на него фотона с высокой эффективностью и с возможностью регистрировать множество импульсов облучении, причем таким способом, что имеется небольшая временная задержка и обеспечивается возможность в высокой степени параллельной обработки оптической, электронной и цифровой информации, возникающей в разных пространственных точках. Это может быть выполнено при очень высоких скоростях сбора данных. Детектор 6 адаптирован к энергии, которая должна быть обнаружена, и может содержать непрерывный или дискретный сегментированный сцинтилляционный материал, где сцинтилляционный свет преобразуется в электронный импульс для последующей обработки. Также возможно прямое преобразование энергии гамма-лучей в электрический сигнал.

Способ включает этап детектирования, на стороне, противоположной источникам 5 излучения, проекции 12 относительной вероятности проникновения (вероятности пропускания) электромагнитного излучения от каждого источника 5 излучения. В этом примере проекция 12а соответствует источнику излучения 5a, проекция 12b - источнику 5b и проекция 12c - источнику 5c. Проекция 12 в качестве примера в данном документе представляет собой пространственную поперечную проекцию излучения 11 и имеет вид двухмерной карты с указанным проникновением, на которой результирующее проникновение обозначено цветом. Более светлый цвет (белый или серый) будет соответствовать низкому ослаблению гамма-излучения, а более темный цвет (темно-серый или черный) будет соответствовать более высокому ослаблению гамма-излучения. Вероятность пропускания может быть также показана в зависимости от энергии фотонов, так что имеются отдельные проекции для пропускания в бинах энергии фотонов.

Заключительный этап способа включает в себя объединение проекций 12 от каждого источника 5 для создания отображения внутренней структуры целевого объекта 2. Как видно из фиг. 1, проекции 12 (или тени) имеют разные картины, представляющие проникновение гамма-лучей, излучаемых из разных источников. В примере, где целевой объект представляет собой сплошную сферу для целей иллюстрации, внешние проекции (12a и 12c) будут иметь по существу вытянутые эллиптические формы, а центральная проекция приблизительно круглую форму. Каждая из проекций (12a, 12b и 12c) будет иметь карту проникновения, которая показывает самое сильное ослабление гамма-излучения (темнее) в центре проекции, и которая также показывает постепенное уменьшение ослабления (светлее) к периметру проекции 12 и резкое падение до очень слабого ослабления (очень светлое или белое) за пределами периметра.

В качестве варианта осуществления изобретения, описанного выше (не показано), в котором использование отклоняющих магнитов сведено к минимуму (по бюджетным или другим причинам), требуется, чтобы источники излучения были ближе к разветвителю 9b отклоняющих магнитов. Это устраняет необходимость в изгибающихся магнитных кластерах 9а и 9с. В этом варианте три детектора 6 расположены таким образом, чтобы соответствовать направлению источников излучения, и различные углы целевого объекта 2 записываются при перемещении объекта между первым, вторым и третьим источниками излучения 5 и соответствующими детекторами 6. При известном перемещении целевого объекта результирующая разница во времени между съемкой проекций 12 между каждым источником излучения и детектором может быть рассчитана и использована для объединения проекций.

Объединение поперечных рентгенографических проекций в одно трехмерное отображение представляет собой томографический процесс. Изобретение использует множество источников 5 и множество детекторов 6, к данным от которых обращается высокоскоростное мультиплексирование, так что скорость сбора данных значительно повышается, обеспечивая непрерывную, а не пакетную обработку. Также рассматривается дисперсия энергии одиночных фотонов. Поскольку энергия пропускаемого пучка может изменяться, в виде распределения, из-за изменения энергии ускоренного электронного пучка, при сборе набора дифференциальных энергетических поперечных радиографических проекций (проекций с энергетическими метками) также может использоваться переменная энергетическая емкость источника гамма-излучения.

Многие алгоритмы могут быть использованы для создания отображения внутренней структуры. Поскольку проекции 12 являются двухмерными, результирующая внутренняя структура может быть представлена в трехмерном пространстве в виде вокселей с информацией об ослаблении гамма-излучения, ассоциированной с вокселями. Пример такого алгоритма называется итеративным алгоритмом максимального правдоподобия. Алгоритм исходит из оценочного распределения ослабления гамма-излучения, создаваемого внутренней структурой целевого объекта 2. Оценочное распределение является предполагаемым и ему не требуется быть точным. Вычисление выполняется для определения картины проекции на детекторе 6, которая создавалась бы для каждого из используемых источников 5 при указанном оценочном распределении для объекта. Это называется прямым прогнозированием. Различия между оценочной картиной и измеренными значениями затем используются для обновления этого оценочного распределения. Это называется обратным прогнозированием. Обновленное оценочное распределение затем используется в качестве предположения для следующей итерации, и так далее. Поскольку процесс повторяется, это оценочное распределение сходится к фактическому распределению объекта, вплоть до предела доступной информации (разрешение, доступные углы и т. д.). Систематические эффекты ослабления и рассеяния фотонов, эффекты системы, связанные с детектором 6 или пучком 11, такие как неравномерное распределение фотонов и неоднородная эффективность детектирования, могут быть компенсированы или частично устранены как однозначным, так и стохастическим способами.

Способ может включать в себя этап перемещения целевого объекта 2 из первого положения 2а во второе положение 2b и повторения этапов излучения и детектирования для объединения проекций первого и второго положений для создания более точного отображения внутренней структуры объекта 2. Этот этап может повторяться таким образом, чтобы проекции из множества различных положений можно было объединить, чтобы построить отображение внутренней структуры целевого объекта без ухудшения, вызванного перемещением. Этап перемещения объекта может быть достигнут путем перемещения целевого объекта на конвейерной ленте, или это может быть поезд, перевозящий контейнер по рельсам, или любая другая подобная система. Обычно это нормальное перемещение объекта, которое учитывается в процессе, таким образом можно адаптироваться к непрерывным процессам. Дополнительные зафиксированные проекции и связанные с ними положения могут использоваться в сочетании с алгоритмом, описанным выше, для построения трехмерного распределения внутренней структуры по ослаблению гамма-излучения.

Энергия импульсов может варьироваться в соответствии с некоторым профилем. Извлечение дополнительного измерения энергетической информации для детектированных прошедших фотонов использует способность детекторов 6 к дисперсионному детектированию энергии отдельного фотона. Профиль может быть регулярным и включать постепенное пошаговое увеличение или уменьшение энергии импульса. Профиль может варьироваться в соответствии с математической функцией, или различие в энергии может быть выбрано таким образом, чтобы выбранные энергии обеспечивали максимальный контраст между имеющимся составом целевого объекта. Процесс можно выполнить более точно, используя несколько энергий фотонов. Различение энергии может быть обеспечено либо способом, который может сортировать энергию фотона на основе его формирования, либо способом, который фильтрует фотоны, либо способом, основанным на его детектировании. Например, используя линейный ускоритель (или любой другой ускоряющий источник), способный увеличивать его энергию в течение короткого промежутка времени, можно получить многократную энергетическую информацию об образце с использованием гамма-лучей. Это делается для того, чтобы пометить величину энергии фотона в дополнение к набору поперечных радиографических проекций. Это позволяет получить некоторую степень различения для атомных номеров в сканируемом объекте.

В текущем примере фиксируется информация, относящаяся к информации об энергии пучка 11 для конкретного временного интервала 8 и спектроскопическая информация от детектора 6. Способ с изменяемой энергией может быть объединен с томографическими данными для получения дополнительной информации о целевом объекте 2. Вместо того чтобы выполнять томографию по общему числу детектированных событий на конкретном элементе детектора, мы будем включать дополнительный признак в данные на каждом минимальном элементе отображения детектора, который является комбинацией принятых сигналов, подходящих для извлечения различных энергий. Наборы поперечных радиографических проекций будут в бинах энергии фотонов. Сегментация трехмерного количественного отображения (для затухания фотонов) может быть дополнена дополнительным параметром информации, который является энергетической зависимостью затухания. Это обеспечивает дополнительную способность для идентификации материала на основе энергетической зависимости коэффициента ослабления гамма-излучения для каждого материала и повышает чувствительность к составу материала, обеспечивая более детальную сегментацию.

В примере используемого способа система 1 для выполнения способа может быть сконфигурирована, как показано на фиг. 3. Система, показанная на фиг. 3, специально адаптирована для использования в алмазной шахте, где целевые объекты 2 представляют собой раздробленную породу, полученную из горной выработки. Система 1 имеет пять источников (от 5d до 5h) излучения, расположенных таким образом, что центральный источник 5e окружен четырьмя источниками излучения (5d, 5f, 5g и 5h), расположенными на равных расстояниях и с равными углами вокруг центрального источника 5e. Каждый источник излучения испускает пучок гамма излучения (11d-11h) в направлении целевых объектов 2, которые перемещаются на конвейерной ленте 13 функционально ниже источников излучения. Детектор 6 расположен ниже конвейерной ленты 13. Таким образом, томографическая реконструкция может выполняться на проекциях, полученных под пятью углами от пяти источников излучения, и при непрерывном перемещении конвейерной ленты 13.

Энергии в иллюстративной системе варьируются, чтобы обеспечивать максимальный контраст между кимберлитом и углеродом. Это обеспечивает максимальную разницу между углеродом с атомным номером Z = 6 и кимберлитом, который состоит из элементов с более высокими значениями Z. Значения могут быть объединены томографически для создания трехмерной карты для распознавания углерода, позволяющей обнаруживать алмаз в кимберлите. На основании этой информации целевые объекты, которые с большей вероятностью имеют включенные алмазы, могут быть отфильтрованы или направлены на отдельный конвейер.

В еще одном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, система 1 для осуществления способа включает в себя линейный ускоритель 3, шесть магнитных узлов 9 расщепления и отклонения пучков, расположенных гексагонально, с шестью источниками излучения 5, соответствующими узлам 9. Шесть детекторов 6 расположены противоположно источникам излучения относительно целевого объекта, расположенного между источником и детекторами 6. Система может включать в себя большее или меньшее количество источников излучения, расположенных геометрически в соответствии с количеством выбранных источников излучения и детекторов, например, может иметь пять источников 5 и детекторов 6, расположенных в форме пятиугольника.

Предполагается, что изобретение предоставит способ восстановления внутренней структуры неизвестных объектов, в частности включенных алмазов, который обеспечивает трехмерную информацию и способен обеспечивать высокие энергии и проникновение.

К недостаткам, которые устранены с помощью изобретения, относится возможность создавать отображения в непрерывном, а не пакетном процессе. Использование более проникающего излучения (гамма-лучей) позволяет обрабатывать более крупные целевые объекты. Параллельное использование нескольких детекторов и источников (которые устраняют неоднозначность в процессе формирования отображения с использованием информации о временной синхронизации) позволяет получать данные с очень высокой скоростью. Изобретение использует однофотонное детектирование излучения, а не процесс насыщения или процесс, недисперсионный по энергии, позволяющий использовать дополнительный компонент энергии передаваемого фотона. Изобретение позволяет комбинировать все эти аспекты одновременно. Гамма-лучи генерируются с помощью способов, которые способны достигать более высоких энергий, чем рентгеновские лучи, и в них обычно используются источники на основе ускорителей. Это изобретение рассматривает несколько типов таких источников, где энергия ускоренного пучка также может варьироваться как часть стратегии быстрого создания количественного трехмерного отображения.

Изобретение не ограничено точными деталями, которые описаны в данном документе. Например, вместо использования способа обнаружения алмазов, система может быть выполнена с возможностью обнаружения внутренней структуры транспортных контейнеров или транспортных средств на пограничных переходах. Кроме того, не нужно выбирать энергии для максимального контраста между алмазом и кимберлитом и эти энергии могут быть нацелены на несколько групп атомных номеров и типов материалов.

Использование: для отображения внутренней структуры целевого объекта. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют этапы, на которых: ускоряют ряд субатомных заряженных частиц в виде импульсов субатомных заряженных частиц через равные промежутки времени таким образом, что импульсы группируются в группы с фиксированным количеством импульсов в каждой группе; направляют частицы к нескольким источникам излучения с одной стороны целевого объекта таким образом, что каждую группу направляют к источнику излучения; испускают электромагнитное излучение из каждого источника излучения в течение дискретного периода времени, так что в течение указанного дискретного периода конкретные источник излучения и группа ассоциированы с этим дискретным периодом; при этом электромагнитное излучение генерируется путем преобразования частиц в электромагнитное излучение; детектируют на стороне, противоположной источникам излучения, проекцию проникновения электромагнитного излучения от каждого источника излучения; и объединяют проекции от каждого источника для создания отображения внутренней структуры целевого объекта. Технический результат: обеспечение возможности достоверного и детального отображения внутренней структуры целевого объекта. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания отображения внутренней структуры целевого объекта, содержащий этапы, на которых

- ускоряют ряд субатомных заряженных частиц в виде импульсов субатомных заряженных частиц через равные промежутки времени таким образом, что импульсы группируются в группы с фиксированным количеством импульсов в каждой группе;

- направляют частицы к нескольким источникам излучения с одной стороны целевого объекта таким образом, что каждую группу направляют к источнику излучения;

- испускают электромагнитное излучение из каждого источника излучения в течение дискретного периода времени, так что в течение указанного дискретного периода конкретные источник излучения и группа ассоциированы с этим дискретным периодом;

- при этом электромагнитное излучение генерируется путем преобразования частиц в электромагнитное излучение;

- детектируют на стороне, противоположной источникам излучения, проекцию проникновения электромагнитного излучения от каждого источника излучения; и

- объединяют проекции от каждого источника для создания отображения внутренней структуры целевого объекта.

2. Способ по п. 1, в котором субатомные частицы являются электронами, при этом электроны ускоряют до энергии по меньшей мере 200 кэВ (гамма-лучи).

3. Способ по п. 1, в котором энергия каждого импульса изменяемая.

4. Способ по п. 3, в котором энергия импульсов изменяется в соответствии с профилем.

5. Способ по п. 4, в котором профиль представляет собой регулярное и пошаговое увеличение энергии импульса.

6. Способ по п. 4, в котором профиль представляет собой регулярное и пошаговое уменьшение энергии импульса.

7. Способ по п. 3, в котором изменение энергии выбирают таким образом, чтобы измененные энергии обеспечивали проекционные изображения с большим контрастом между различными компонентами материала целевого объекта.

8. Способ по п. 2, в котором электроны преобразуются в гамма-лучи путем обратного комптоновского рассеяния.

9. Способ по п. 2, в котором электроны преобразуются в гамма-лучи посредством взаимодействия электронов с веществом объекта, через тормозное излучение.

10. Способ по п. 9, в котором тормозное излучение является когерентным тормозным излучением.

11. Способ по п. 9, в котором объект изготовлен из вольфрама.

12. Способ по п. 2, в котором гамма-лучи являются веерообразными для создания конического пучка гамма-излучения, испускаемого каждым источником.

13. Способ по п. 1, в котором целевой объект представляет собой алмазосодержащий кимберлит на движущемся конвейере.

14. Способ по п. 3, в котором энергию изменяют для обеспечения максимальной дифференциации между кимберлитом и алмазом.