Досмотровая установка и способ распознавания вещественного состава досматриваемого объекта Российский патент 2023 года по МПК G01N23/203 

Заявленная группа изобретений относится к рентгеновским досмотровым системам, предназначенным для обнаружения предметов, скрытых за оптически непрозрачной преградой.

Среди рентгеновских досмотровых систем, имеются устройства, в которых излучатель рентгеновского излучения и детектирующая система расположены с одной стороны относительно инспектируемого объекта. В таких досмотровых системах, поверхность инспектируемого объекта сканируется узким пучком рентгеновского излучения, а интенсивность рассеянного (отраженного) объектом излучения регистрируется детектирующей системой синхронно с перемещением зондирующего пучка и используется для создания рентгенографического изображения. Устройства подобного типа конструктивно могут быть выполнены как в мобильном, так и в стационарном вариантах и носят общее название «backscatter» [1], [2].

Рентгенографическое изображение инспектируемого объекта в таких устройствах создается на основе измеренной интенсивности обратно рассеянного излучения. Контраст изображения определяется как вещественным составом объекта, так и конкретной геометрией каждой области этого объекта, например, протяженностью этой области вдоль направления зондирующего пучка. По этой причине, на основании измерений только лишь интенсивности, вещественный состав объекта не может быть идентифицирован однозначно.

Известно [3], [4], что информацию о вещественном составе каждой области инспектируемого объекта, помимо интенсивности, несет в себе и энергетический спектр рассеянного излучения.

Досмотровая установка, способная измерять не только интенсивность, но и спектр рассеянного излучения, дает, по сути, релевантную информацию для идентификации вещественного состава каждой области инспектируемого объекта.

Здесь и далее под термином «область инспектируемого объекта» понимается фрагмент объекта, освещаемый зондирующим пучком излучения в течение времени экспозиции одного элемента изображения (пикселя). Распознавание вещества объекта подразумевает идентификацию вещества в каждом пикселе.

Известны устройство и способ [3], основанные на анализе энергетического спектра обратно рассеянного излучения, для определения взаимного расположения материалов с высоким и низким атомным номером относительно зондирующего пучка. Устройство сканирует инспектируемый объект узким пучком рентгеновского излучения, а излучение, рассеянное этим объектом, регистрирует двумя датчиками, которые различаются чувствительностью к высокоэнергетической и низкоэнергетической частям спектра. Способ определения взаимного расположения материалов основан на том, что комбинация сигналов этих двух датчиков, позволяет грубо оценить энергетические характеристики рассеянного излучения и, как конечный результат, сформулировать вывод о взаимном расположении материалов с высоким и низким эффективным атомным номером вдоль одной линии зрения. Этот вывод основывается на том, что спектр обратно рассеянного излучения будет различаться в зависимости от того, находится ли предмет с низким атомным номером (low Z) за слоем вещества с большим атомным номером (high Z) или, наоборот - перед ним.

Эти известные устройство и способ мало информативны, поскольку не идентифицируют вещественный состав объекта, а позволяют судить лишь о взаимном расположении сильно различающихся по атомному номеру предметов. Оценка энергетических характеристик рассеянного излучения, основанная на сравнении лишь двух его частей - высокоэнергетической и низкоэнергетической, является слишком грубой и не позволяет идентифицировать вещественный состав. О недостаточной чувствительности известного способа к вариациям энергетического спектра, обусловленного вещественным составом объекта, свидетельствует и необходимость учета поглощения в воздухе, показанная в этом изобретении.

Известны устройство и способ [4], предназначенные, среди множества заявленных в нем функций, в том числе, для определения атомного номера вещества инспектируемого объекта, которые являются по техническому решению и принципу его действия наиболее близкими к заявленному изобретению и приняты в качестве прототипа.

Устройство представляет собой рентгеновский мобильный инспекционно-досмотровый комплекс, содержащий, как минимум, один датчик для определения расстояния от детекторов до поверхности объекта и множество неорганических сцинтилляционных детекторов, таких как NaI(Tl) или органических сцинтилляционных детекторов, таких как поливинилтолуол, где каждый детектор сочленен с одним или несколькими светочувствительными считывающими устройствами, такими как фотоэлектронный умножитель или фотодиод. В этом же устройстве, как вариант, предложено использовать множество детекторов на основе особо чистого германия HPGe или на основе широкозонных диэлектриков, таких как CdTe, CdZnTe, HgI и подобных им.

Сигналы с множества детекторов поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и, далее, на процессор для обработки полученного рентгенографического изображения с использованием определенного расстояния от поверхности объекта для получения атомного номера материала, содержащегося в объекте.

Принципиальным недостатком известного устройства является то, что время, необходимое для идентификации вещественного состава инспектируемого объекта будет, неприемлемо большим для получения от досмотровых установок ожидаемого результата.

Причина заключается в том, что сигналы с множества детекторов поступают на единственный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Такое техническое решение принципиально ограничивает быстродействие множества детекторов быстродействием лишь одного из них. Из перечисленных в устройстве детекторов, высоким быстродействием обладает только поливинилтолуол, однако энергетическое разрешение такого детектора исключительно низкое, что делает его непригодными для выполнения спектральных измерений. Спектрометрические свойства остальных типов детекторов, описанных в прототипе, достаточны для выполнения спектральных измерений, однако быстродействия любого из них недостаточно для применения в досмотровой установке.

Заявленный способ идентификации вещественного состава инспектируемого объекта состоит в том, что для измеренного совокупностью детекторов энергетического спектра вычисляются значения средней энергии и среднеквадратичное отклонение, которые сравниваются с заранее определенной шкалой, где, как изложено в прототипе, низкое значение результата соответствует материалу с низким Z, а высокое значение результата соответствует материалу с высоким Z. Недостатком известного способа является то, что энергетические характеристики спектра обратно рассеянного излучения для тяжелых элементов немонотонно зависят от их атомного номера из-за существенного вклада их характеристического излучения. По этой причине заявленное утверждение о том, что «низкое значение результата соответствует материалу с низким Z, а высокое значение результата соответствует материалу с высоким Z» в общем случае не соответствует действительности.

Детектирующая система известного устройства содержит множество неорганических сцинтилляционных детекторов, таких как NaI(Tl) или органических сцинтилляционных детекторов, таких как поливинилтолуол, где каждый детектор сочленен с одним или несколькими светочувствительными считывающими устройствами, такими как фотоэлектронный умножитель или фотодиод. Сигналы с множества детекторов поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и, далее, на процессор для обработки полученного рентгенографического изображения с использованием определенного расстояния от поверхности объекта для получения атомного номера материала, содержащегося в объекте. В прототипе, как вариант, предложено использовать множество детекторов на основе особо чистого германия HPGe или на основе широкозонных диэлектриков, таких как CdTe, CdZnTe, HgI и подобных им, а распознавание атомного номера материала предлагается выполнять для каждого пикселя изображения на основе вычисления средней величины и среднеквадратичного отклонения из измеренного энергетического спектра обратно рассеянного излучения, при этом результаты вычислений сравнивать с заранее определенной шкалой, где их низкое значение соответствует материалу с низким Z, а их высокое значение соответствует материалу с высоким Z.

Основные недостатки прототипа, не позволяющие идентифицировать с достаточно высокой точностью вещественный состав досматриваемых объектов, обусловлены тем, что:

1. Используемый в нем поливинилтолуол, как и любые другие органические сцинтилляционные материалы, обладает малым сечением фотоэффекта, поэтому имеет крайне низкое энергетическое разрешение и по этой причине принципиально не годится в качестве детектора сцинтилляционного спектрометра в энергетическом диапазоне (20-160) кэВ;

2. Упомянутые в патенте детекторы на базе широкозонных диэлектриков CdTe, CdZnTe, HgI и подобных им, известны десятки лет, но находят применение преимущественно в лабораторной практике. Причина в том, что параметры таких детекторов недостаточно стабильны, а площадь их чувствительной поверхности не превосходит 1 см². Эти ограничения связаны с причинами фундаментального характера и хорошо известны специалистам. Кроме того, для построения детектирующей системы с большой площадью чувствительной поверхности понадобились бы десятки тысяч таких детекторов.

3. Применяемый детектор на основе особо чистого германия HPGe работоспособен только при температуре жидкого азота. Максимальная площадь чувствительной поверхности таких детекторов, предназначенных для работы в энергетическом диапазоне ниже 200 кэВ, не превосходит 10 см² при эффективности регистрации ниже 10% и стоимости в десятки тысяч долларов США. Основное преимущество этого детектора перед детекторами других типов - очень высокое энергетическое разрешение, которое составляет доли процента. Использовать тысячи таких детекторов для спектрометрии сплошного рентгеновского спектра нецелесообразно.

4. Используемый принцип передачи сигналов с множества детекторов NaI(Tl) на один аналого-цифровой преобразователь (ADC), непригодно для спектрометров, работающих с суммарной скоростью счета выше 10⁶ имп/с. При высокой скорости счета отдельные сигналы будут «накладываться» друг на друга, что сделает невозможным определение амплитуды каждого сигнала и лишает смысла использования множества детекторов для спектрометрии рассеянного излучения.

5. Указанная возможность определения атомного номера вещества и точность его идентификации не раскрыта.

6. По мнению заявителя, не соответствует действительности и изложенное утверждение о соответствии низкого значения результата материалу с низким Z, а высокому значению результата - материалу с высоким Z, поскольку известно, что средняя энергия спектра обратно рассеянного излучения для тяжелых элементов немонотонно зависит от их атомного номера из-за существенного вклада их характеристического излучения.

Заявляемые устройство и способ распознавания вещественного состава основаны на фундаментальных знаниях о том, что энергетическая зависимость поглощения и рассеяния рентгеновского излучения уникальна для каждого вещества и проявляется как в интенсивности, так и в энергетическом спектре излучения, рассеянного досматриваемым объектом. Отличие досмотровой установки от уже известных, состоит в том, что ее детектирующая система совместно с технологией обработки сигналов этой системы, помимо построения рентгенографического изображения позволяет распознавать вещественный состав инспектируемого объекта.

Для решения большинства задач, возникающих в процессе досмотра, достаточно, чтобы граничная энергия зондирующего пучка рентгеновского излучения источника составляла бы (200 - 250) кэВ. В этом случае максимальная энергия квантов обратно рассеянного излучения не будет превосходить (150 - 160) кэВ. Кванты с энергией ниже (20-30) кэВ сильно поглощаются в воздухе и конструкционных материалах детектирующей системы и несут мало информации о досматриваемом объекте. Таким образом, детектирующая система досмотровой установки должна обеспечивать регистрацию обратно-рассеянного рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне (20-160) кэВ.

Информативность рентгенографического изображения растет с увеличением количества квантов рассеянного излучения, зарегистрированных детектирующей системой. Однако количество этих квантов, пропорциональное интенсивности зондирующего пучка рентгеновского излучения, ограничено максимально допустимой дозой облучения объекта. На практике это означает, что при характерном расстоянии между досмотровой установкой и объектом в (1-1,5) м и типовой скорости перемещения досмотровой установки относительно объекта (5-10) км/ч, максимальная плотность потока рассеянного излучения на поверхности детектирующей системы составит, ориентировочно, 10⁷ 1/м²с.

Основной поток обратно рассеянного излучения, вызванного зондирующим пучком и направленного в сторону излучателя и детектирующей системы, заключен в пределах телесного угла (1-1.5) стерадиан. Оптимальная площадь чувствительной поверхности детектирующей системы, обеспечивающая регистрацию излучения, рассеянного в этот телесный угол, может быть оценена в (1-2) м².

Для получения рентгенографического изображения наилучшего качества, детектирующая система, входящая в состав досмотровой установки, помимо достаточной площади, должна обеспечивать высокую эффективность регистрации квантов рентгеновского излучения диапазоне (20 - 160) кэВ.

Кроме того, для возможности распознавания вещественного состава объекта, такая система должна являться спектрометром энергии с энергетическим разрешением не хуже 20% по линии 122 кэВ радиоизотопного источника Co⁵⁷.

Заявленная группа изобретений (досмотровая установка и способ распознавания вещественного состава инспектируемого объекта) свободна от указанных недостатков.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в повышении информативности рентгенографического изображения и расширении его функциональных возможностей, позволяющих наряду с получением рентгенографического изображения инспектируемого объекта, идентифицировать и отображать его вещественный состав в виде конкретного изображения.

Указанный технический результат достигается тем, что в досмотровой установке, содержащей источник рентгеновского излучения с механической системой сканирования объекта узким пучком этого излучения, процессорное устройство, устройство отображения рентгенографического изображения и размещенную рядом с источником систему регистрации обратно рассеянного излучения состоящую из массива детекторов, в соответствии с заявленным изобретением, каждый из элементов массива детекторов выполнен как сцинтилляционный спектрометр энергии с энергетическим разрешением не хуже 20% по линии 122 кэВ радиоизотопного источника Co⁵⁷ при эффективности регистрации рентгеновского излучения не ниже 80% в энергетическом диапазоне 30-150 кэВ и содержит сцинтилляционный детектор NaI(Tl), фотоприемник, электронный тракт, амплитудный анализатор, преобразующий последовательность сцинтилляционных сигналов в последовательность цифровых кодов, и интерфейс, обеспечивающий передачу цифровых кодов от каждого из элементов массива в процессорное устройство синхронно с формированием пикселей рентгенографического изображения в процессе сканирования поверхности досматриваемого объекта зондирующим пучком рентгеновского излучения.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что система регистрации имеет площадь чувствительной поверхности, которая охватывает поток рентгеновского излучения, рассеянного объектом в направлении излучателя в пределах телесного угла не менее 1-1.5 стерадиан.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что каждый элемент массива спектрометров имеет такую площадь чувствительной поверхности, для которой поток квантов обратно рассеянного излучения в любом случае не превышает (2-4)⋅10⁵/с.

Вместе с тем, указанный технический результат достигается тем, что тем, что сцинтилляционный детектор NaI(Tl) каждого спектрометра регистрирующей системы, сочленен со своим фотоприемником через световод, который обеспечивает равномерный сбор света сцинтилляционной вспышки из любой точки детектора NaI(Tl).

Указанный технический результат достигается также заявленным способом распознавания вещественного состава инспектируемого объекта, заключающегося в измерении энергетических распределений обратно рассеянного излучения синхронно с формированием пикселов рентгенографического изображения и последующим сравнением результатов измерения для каждого пикселя изображения с каждым из имеющихся в процессорном устройстве эталонным результатом базы данных, в котором, в соответствии с заявленным изобретением, для каждого сравнения вычисляют критерий согласия Пирсона «хи-квадрат», по минимальной величине которого определяют принадлежность материала данного пикселя к той или иной группе веществ.

Для обеспечения принципиальной возможности идентификации вещественного состава досматриваемого объекта, в состав досмотровой установки должна входить детектирующая система с площадью чувствительной поверхности (1-2) м², обладающая высокой эффективностью регистрации рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне (20-160) кэВ и способная измерять энергетический спектр этого излучения при скорости счета не менее 10⁷ 1/с. Сочетание таких параметров детектирующей системы необходимо, в том числе, для обеспечения статистической значимости характеристик зарегистрированного обратно рассеянного излучения.

В указанном выше энергетическом диапазоне (20-160) кэВ, обеспечить близкую к 100% эффективность регистрации могут детекторы на основе неорганических сцинтилляционных материалов. По совокупности таких свойств как высокий атомный номер, быстродействие, высокая конверсионная эффективность, прозрачность к собственному излучению, стоимость, доступность образцов большой площади и др., оптимальным материалом для детектирующей системы является NaI(Tl). Этот материал широко используется для построения спектрометров рентгеновского излучения и хорошо известен специалистам. Для обеспечения эффективности регистрации близкой к 100% в энергетическом диапазоне ниже 150 кэВ, достаточно использовать кристалл NaI(Tl) с толщиной не менее 10 мм.

Поскольку максимальная плотность потока излучения на поверхности детектирующей системы может достигать 10⁷ 1/(м²⋅с), а предельная скорость счета спектрометра с детектором NaI(Tl) не превосходит (2-4)⋅10⁵ 1/с, детектирующая система досмотровой установки с площадью чувствительной поверхности 1 м² и более, способная с высокой эффективностью регистрации измерять спектральный состав рентгеновского излучения, должна представлять собой массив сцинтилляционных спектрометров на основе детекторов NaI(Tl). Количество элементов этого массива выбирается так, чтобы максимальный поток квантов регистрируемого излучения на чувствительной поверхности каждого элемента не превышал бы (2-4)⋅10⁵ 1/с. Данное условие ограничивает максимальную площадь чувствительной поверхности спектрометра величиной (300-400) см².

Детектирующая система заявленной установки представляет собой массив сцинтилляционных спектрометров на базе NaI(Tl), объединенных в единую систему (на примере массива из трех спектрометров по схеме, представленной на Фиг. 1.). Каждый из входящих в детектирующую систему спектрометров (1) соединен с интерфейсным устройством (2). Интерфейсное устройство (2), кроме того, соединено с датчиком (3) угла поворота механического устройства сканирования объекта пучком зондирующего рентгеновского излучения и процессорным устройством (4).

Устройство сцинтилляционного спектрометра (1), являющегося единичным элементом детектирующей системы схематически показано на Фиг.2.

Сцинтилляционный детектор (5) находится в оптическом контакте с фотоэлектронным умножителем (6). Выход фотоэлектронного умножителя подключен к входу электронного тракта (7), который предназначен для усиления по амплитуде импульсных сигналов с выхода фотоэлектронного умножителя. Выход электронного тракта подключен к входу амплитудного анализатора (8). Амплитудный анализатор предназначен для преобразования амплитуды каждого импульсного сигнала, в цифровой код, пропорциональный этой амплитуде. Остальные функциональные узлы типового сцинтилляционного спектрометра, такие как устройство управления, приемопередатчик линии связи, блоки питания и т.п., на Фиг. 2 явно не показаны, так как детальное описание их работы и конкретная реализация не существенны для заявляемого устройства.

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом.

Квант рентгеновского излучения, взаимодействуя с рабочим веществом детектора (5), создает в нем вспышку света, пропорциональную выделившейся в детекторе энергии. Фотоприемник (6) преобразует световую вспышку в электрический импульс. Длительность этого импульса определяется длительностью световой вспышки, а его амплитуда пропорциональна амплитуде вспышки. Электрический импульс усиливается электронным трактом (7) и поступает на вход амплитудного анализатора (8). Амплитудный анализатор преобразует амплитуду каждого импульсного сигнала, в цифровой код, пропорциональный амплитуде этого сигнала. Этот цифровой код транслируется на выход спектрометра (1).

Датчик (3) угла поворота устройства сканирования объекта пучком зондирующего рентгеновского излучения, вырабатывает логические электрические сигналы, которые определяются направлением пучка зондирующего рентгеновского излучения в каждый момент времени. Сигналы от датчика поворота через интерфейсное устройство (2) поступают на процессорное устройство (4). Процессорное устройство (4), получая эти сигналы, непрерывно формирует последовательные временные интервалы, соответствующие времени сканирования единичного элемента инспектируемого объекта - пикселя рентгенографического изображения. Каждый цифровой код с любого из спектрометров (1), независимо друг от друга, поступает через интерфейсное устройство (2) в процессорное устройство (4). Совокупность цифровых кодов, накопленных в процессорном устройстве (4) за время сканирования каждого пикселя рентгенографического изображения, представляет собой энергетический спектр, который используется для идентификации вещественного состава каждого единичного элемента инспектируемого объекта.

Максимальная скорость счета детектирующей системы, показанной на Фиг. 1, является суммой предельных скоростей счета входящих в эту систему спектрометров. При этом предельная скорость счета каждого из спектрометров (1) обусловлена быстродействием имеющегося в составе спектрометра амплитудного анализатора (8). В свою очередь, быстродействие амплитудного анализатора, независимо от его схемотехнической или программной реализации, принципиально ограничено длительностью сцинтилляционной вспышки в детекторе, что накладывает предел на максимальную скорость счета всего спектрометра. Для спектрометра с детектором NaI(Tl), независимо от площади чувствительной поверхности детектора, предельная скорость счета не превосходит (2-4)·10⁵ 1/с.

Кроме того, указанный результат достигается тем, что площадь чувствительной поверхности детектирующей системы досмотровой установки охватывает поток рентгеновского излучения, рассеянного объектом в направлении излучателя в пределах телесного угла не менее 1-1.5 стерадиан.

Помимо этого, заявленный технический результат достигается тем, что энергетическое разрешение каждого из сцинтилляционных спектрометров, образующих детектирующую систему не хуже 20% по линии 122 кэВ радиоизотопного источника Co⁵⁷ при эффективности регистрации рентгеновского излучения не ниже 80% в энергетическом диапазоне 30-150 кэВ.

Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что энергетическое разрешение и площадь чувствительной поверхности входящих в детектирующую систему спектрометров, оптимизированы. Наилучшее энергетическое разрешение в сцинтилляционных спектрометрах достигается, если площадь выходной поверхности сцинтиллятора не превосходит площади чувствительной поверхности фотоприемника. В этом случае, для кристаллов NaI(Tl), сочлененных с фотоэлектронным умножителем, типовая величина энергетического разрешения, измеренного по линии 122 кэВ, может достигать (8.5 - 9)%.

Максимальная площадь чувствительной поверхности промышленно выпускаемых фотоприемников (фотоэлектронных умножителей) не превосходит 200 см², что существенно меньше, чем максимально допустимая площадь чувствительной поверхности единичного элемента детектирующей системы (300-400) см². Непосредственное сочленение (Фиг. 3a) сцинтилляционного детектора (5) с площадью, существенно большей, чем площадь чувствительной поверхности фотоэлектронного умножителя (6), приводит к значительной неравномерности величины сцинтилляционного сигнала по поверхности спектрометра и, как следствие, к недопустимой деградации энергетического разрешения. Уменьшение чувствительной поверхности сцинтилляционного кристалла до размера чувствительной поверхности фотоприемника, привело бы к увеличению общего количества спектрометров в детектирующей системе и, соответственно, к существенному увеличению стоимости этой системы.

Количество спектрометров детектирующей системы можно оптимизировать, если сочленить сцинтилляционный детектор (5) большой площади с фотоприемником (6) через световод (9) (Фиг. 3б). Несмотря на то, что использование световода сопровождается уменьшением амплитуды сцинтилляционного сигнала, световод обеспечивает лучшую равномерность величины сцинтилляционного сигнала по всей площади детектора и уменьшает деградацию энергетического разрешения, обусловленную применением детектора большой площади.

Площадь входной поверхности световода не должна быть меньше площади выходной поверхности сцинтиллятора, а площадь выходной поверхности световода не должна превосходить площадь чувствительной поверхности фотоприемника.

Кривая (10) на Фиг. 4 иллюстрирует неравномерность, возникающую при сочленении детектора NaI(Tl) диаметром 200 мм с фотоприемником диаметром 160 мм.

Кривая (11) на Фиг. 4, иллюстрирует улучшение равномерности вследствие использования световода.

Рациональным выбором соотношения площадей детектора и фотоприемника, а также размеров световода, можно уменьшить количество спектрометров в детектирующей системе до приемлемого количества в (20-30) штук, сохранив при этом энергетическое разрешение на допустимом уровне - не хуже 20% по линии 122 кэВ.

Технический результат, достигаемый в заявленном устройстве, достигается также и способом распознавания вещественного состава инспектируемого объекта.

Энергетические распределения, накопленные в процессорном устройстве (4), представленном на Фиг. 1, для каждого пикселя рентгенографического изображения объекта, несут информацию о вещественном составе пикселя, но статистическая значимость этих распределений недостаточна для определения вещества с точностью до атомного номера.

Низкая статистическая значимость результатов измерений не позволяет различать материалы с близкими атомными номерами, но оставляет возможность различать группы веществ, такие как органические вещества, неорганические вещества, тяжелые металлы.

Для каждой из таких групп веществ, выполняются калибровочные измерения с известными материалами. Усредненные результаты калибровочных измерений сводятся в библиотеку эталонов, хранятся в процессорном устройстве досмотровой установки и используются для оценки результатов измерений.

Идентификация вещественного состава по каждому пикселю рентгенографического изображения объекта осуществляется непараметрическим методом статистической проверки гипотез, состоящим в сравнении результата измерения с каждым из библиотечных эталонов и вычислении критерия согласия Пирсона «хи-квадрат» для каждого эталона. Основываясь на численном значении критерия согласия, при заданном уровне значимости делается заключение о вероятности принадлежности материала данного пикселя к той или иной группе материалов.

Цифровой код идентифицированной группы материалов присваивается пикселю, наряду с цифровым кодом, пропорциональным интенсивности зарегистрированного излучения. При визуализации рентгенографического изображения объекта, яркость пикселя будет пропорциональна интенсивности излучения, а его цвет будет определяться цифровым кодом идентифицированной группы материалов.

Экспериментальная проверка заявленного способа идентификации вещественного состава инспектируемого объекта была выполнена на опытном образце заявленной досмотровой установки с детектирующей системой из 24 спектрометров общей площадью 0.7 м². Напряжение питания рентгеновской трубки в процессе всех измерений составляло 225 кВ.

Для создания библиотеки эталонов, были выполнены измерения с тестовыми образцами, изготовленными из полистирола, алюминиевого сплава, стали, вольфрама и свинца. Тестовые образцы размещались на расстоянии 1.5 м от досмотровой установки и перемещались относительно установки с различной скоростью в диапазоне (1.5 - 3) м/с. Эталонные энергетические распределения, измеренные для каждого материала и усредненные по 10⁶ пикселей, представлены на Фиг. 5. На этом рисунке кривая (12) соответствует тестовому образцу из полистирола, кривая (13) соответствует тестовому образцу из алюминиевого сплава, кривая (14) соответствует тестовому образцу из стали, кривая (15) соответствует тестовому образцу из вольфрама, а кривая (16) тестовому образцу из свинца.

В таблице 1 сведены средние значения, вычисленные из приведенных на Фиг. 5 энергетических распределений. Из таблицы видно, что средняя энергия по спектру изменяется немонотонно в зависимости от атомного номера вещества.

Таблица 1
Средние энергии спектров обратного рассеяния в зависимости от материала тестового образца Материал тестового образца Эффективный
атомный номер
Z Средняя энергия по спектру,
кэВ 1 полистирол (C₈H₈)n 5.7 59.6 2 алюминий (Al) 13 63.4 3 сталь (Fe) 26 70.1 4 вольфрам (W) 74 56.9 5 свинец (Pb) 82 65.6

Идентификация вещественного состава с использованием заявленного устройства и заявленного способа экспериментально проверялась в нескольких сериях измерений. В каждой из этих серий, имитатор инспектируемого объекта находился на расстоянии (1-2) м от досмотровой установки и перемещался относительно нее со скоростью в диапазоне (1.5-3) м/с.

Пример №1

Практическая реализация заявленного способа идентификации вещественного состава досматриваемого объекта состоит в том, что на поверхности этого объекта размещались пластины различной толщины из одного материала - полистирола или алюминия или стали или свинца. Обработка результатов измерения происходила автоматически в соответствии с заявленным способом. На рентгенографическом изображении, независимо от толщины пластин, каждый материал отображался своим цветом, соответствующим каждой из 3-х идентифицированных групп - органические вещества, неорганические вещества, тяжелые металлы.

Пример №2

Демонстрирует реализацию заявленного способа идентификации вещественного состава инспектируемого объекта, которая выражается в том, что на поверхности инспектируемого объекта одновременно размещались образцы, изготовленные из различных материалов: полистирола, алюминия, стали, вольфрама, свинца. На рентгенографическом изображении, как результат работы заявленного способа, каждый материал отображался своим цветом.

Пример №3

Иллюстрация реализации заявленного способа идентификации вещественного состава инспектируемого объекта представлена на таблице 2, где сведены типовые численные результаты критерия согласия «хи-квадрат», усредненные для каждого материала по 9 пикселям рентгенографического изображения. Эти значения были получены автоматически в соответствии с заявленным способом. В качестве эталонных распределений использовались энергетические спектры, представленные на Фиг. 5, а результаты измерений взяты из примера №2.

Таблица 2
Значения критерия «хи-квадрат» Эталоны полистирол алюминий сталь вольфрам свинец тестовые образцы полистирол 2,02 2,28 4,66 3,24 4,74 алюминий 4,08 3,23 3,62 6,13 4,02 сталь 13,12 10,19 7,06 17,56 10,96 вольфрам 6,13 4,38 3,79 3,62 8,87 свинец 3,83 4,70 8,72 7,53 3,52

Из таблицы 2 видно, что для каждого материала наименьшие значения критерия согласия отвечают случаям, когда эталонные измерения сравниваются с тестовым образцом из того же самого материала. Это означает, что тестовый материал и материал эталона совпадают, что подтверждает указанный технический результат о возможности заявленным изобретением идентифицировать досматриваемый вещественный состав.

Пример №4

Демонстрирует практическую реализацию заявленного способа идентификации вещественного состава инспектируемого объекта, которая состоит в серии измерений с образцами из полистирола, древесины, алюминия, стали, вольфрама и свинца, и которые закрывались от зондирующего рентгеновского пучка листом из пластика толщиной 2мм. На рентгенографическом изображении, каждый материал отображался цветом, соответствующим его принадлежности к каждой из 3-х выбранных групп - органические вещества, неорганические вещества, тяжелые металлы.

Список использованных источников информации

1. Daniel J. Strom, W.Wade Sapp, Josepf Callerame Physics, Health Physics, and Applications of Backscatter X-ray Imaging Technology. PNNL-SA-36973.

2. Swift R. D. Mobile X-ray backscatter imaging system for inspection of vehicles //Physics-Based Technologies for the Detection of Contraband. - SPIE, 1997. - Т. 2936. - С. 124-132.

3. US8442186, B2

4. WO2012109273A3 (прототип для устройства и способа)

Примечание:

В отечественной и зарубежной научно-технической литературе к настоящему времени сложился список специфических терминов, относящихся к процессам измерения параметров полей ионизирующего излучения.

Используемые в заявленном изобретении термины:

Детектор (ионизирующего излучения) - чувствительный элемент средства измерений, предназначенный для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии, пригодный для регистрации или дальнейшего преобразования и (или) измерения одной или нескольких величин, характеризующих воздействующее на детектор излучение.

Сцинтилляционный детектор (ионизирующего излучения) - радиолюминесцентный детектор, в котором используется вещество, испускающее кванты света под действием ионизирующего излучения.

Спектрометр (энергии) ионизирующего излучения - устройство, предназначенное для измерения энергетических распределений полей ионизирующего излучения.

Сцинтилляционный спектрометр (энергии) - спектрометр, чувствительным элементом которого является сцинтилляционный детектор.

Использование: для обнаружения предметов, скрытых за оптически непрозрачной преградой. Сущность изобретения заключается в том, что досмотровая установка содержит источник рентгеновского излучения с механическим устройством сканирования объекта узким пучком этого излучения, процессорное устройство, устройство отображения рентгенографического изображения и размещенную рядом с источником систему регистрации обратнорассеянного излучения, состоящую из массива детекторов, при этом каждый из элементов массива детекторов выполнен как сцинтилляционный спектрометр энергии с энергетическим разрешением не хуже 20% по линии 122 кэВ радиоизотопного источника Co⁵⁷ при эффективности регистрации рентгеновского излучения не ниже 80% в энергетическом диапазоне 30-150 кэВ и содержит сцинтилляционный детектор NaI(Tl), фотоприёмник, электронный тракт, амплитудный анализатор, преобразующий последовательность сцинтилляционных сигналов в последовательность цифровых кодов, и интерфейс, обеспечивающий передачу цифровых кодов от каждого из элементов массива в процессорное устройство синхронно с формированием пикселей рентгенографического изображения в процессе сканирования поверхности досматриваемого объекта зондирующим пучком рентгеновского излучения. Технический результат: повышение информативности рентгенографического изображения, а также существенное расширение функциональных возможностей, позволяющих наряду с получением рентгенографического изображения инспектируемого объекта идентифицировать и отображать его вещественный состав в виде конкретного изображения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Досмотровая установка, содержащая источник рентгеновского излучения с механическим устройством сканирования объекта узким пучком этого излучения, процессорное устройство, устройство отображения рентгенографического изображения и размещенную рядом с источником систему регистрации обратнорассеянного излучения, состоящую из массива детекторов, отличающаяся тем, что каждый из элементов массива детекторов выполнен как сцинтилляционный спектрометр энергии с энергетическим разрешением не хуже 20% по линии 122 кэВ радиоизотопного источника Co⁵⁷ при эффективности регистрации рентгеновского излучения не ниже 80% в энергетическом диапазоне 30-150 кэВ и содержит сцинтилляционный детектор NaI(Tl), фотоприёмник, электронный тракт, амплитудный анализатор, преобразующий последовательность сцинтилляционных сигналов в последовательность цифровых кодов, и интерфейс, обеспечивающий передачу цифровых кодов от каждого из элементов массива в процессорное устройство синхронно с формированием пикселей рентгенографического изображения в процессе сканирования поверхности досматриваемого объекта зондирующим пучком рентгеновского излучения.

2. Досмотровая установка по п.1, отличающаяся тем, что система регистрации имеет площадь чувствительной поверхности, которая охватывает поток рентгеновского излучения, рассеянного объектом в направлении излучателя в пределах телесного угла не менее 1-1,5 стерадиан.

3. Досмотровая установка по п.2, отличающаяся тем, что каждый элемент массива спектрометров имеет такую площадь чувствительной поверхности, для которой поток квантов обратнорассеянного излучения в любом случае не превышает (2-4)⋅10⁵/с.

4. Досмотровая установка по п.1, отличающаяся тем, что сцинтилляционный детектор NaI(Tl) каждого спектрометра регистрирующей системы сочленен со своим фотоприёмником через световод, который обеспечивает равномерный сбор света сцинтилляционной вспышки из любой точки детектора NaI(Tl).

5. Способ распознавания вещественного состава инспектируемого объекта, заключающийся в измерении энергетических распределений обратнорассеянного излучения синхронно с формированием пикселов рентгенографического изображения и последующим сравнением результатов измерения для каждого пикселя изображения с каждым из имеющихся в процессорном устройстве эталонным результатом базы данных, отличающийся тем, что для каждого сравнения вычисляют критерий согласия Пирсона «хи-квадрат», по минимальной величине которого определяют принадлежность материала данного пикселя к той или иной группе материалов.