Рентгеновский способ обнаружения вещества по значению его эффективного атомного номера

 

Использование: радиационная интроскопия, в частности, при проверке багажа, ручной клади и других объектов во время таможенного и специального досмотра. Сущность изобретения: способ позволяет обнаруживать вещества, запрещенные к перевозке воздушным транспортом и при пересечении границы (наркотические, отравляющие, взрывчатые и др.), на фоне разнообразных вложений внутри контролируемых объектов по значению атомного номера. Способ включает просвечивание контролируемого объекта рентгеновским излучением, регистрацию прошедшего через объект излучения в двух спектральных областях с различной эффективной энергией, выделение сигналов, пропорциональных интенсивности излучения, прошедшего через фоновое вещество и совокупность фонового и идентифицируемого веществ, затем выбор по значениям сигналов поглощения фоновым веществом градуировочной кривой, каждая точка которой соответствует значениям интенсивности сигнала большей эффективной энергии и интенсивности сигнала меньшей эффективной энергии излучения, прошедшего через совокупность калибровочного фонового вещества, эквивалентного по значениям сигналов фоновому веществу объекта и подлежащего обнаружению вещества различной толщины, затем сравнение значений сигналов градуировочной кривой со значениями выделенных зарегистрированных сигналов поглощения излучения совокупностью фонового и идентифицируемого вещества и при наличии в градуировочной кривой сигналов, значения которых равны значениям зарегистрированных сигналов, принятие решения о равенстве атомных номеров идентифицируемого и подлежащего обнаружению веществ. При этом градуировочные кривые определяют заранее при тех же параметрах излучения и приемка рентгеновской установки, что и при просвечивании контролируемого объекта. В предложенном способе учитывается спектральный состав излучения и наличие "фонового" вещества, благодаря чему устраняются недостатки известного способа обнаружения вещества по значению атомного номера. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к радиационной интроскопии и может быть использовано при проверке багажа, ручной клади и других объектов во время таможенного и специального досмотра.

Основной задачей досмотра является надежное распознавание и обнаружение в багаже материалов и предметов, запрещенных к перевозке воздушным транспортом и при пересечении границы (наркотические, отравляющие, взрывчатые и воспламеняющиеся вещества, холодное и огнестрельное оружие, контрабанда).

Для решения этой задача используется рентгеновский способ контроля, включающий просвечивание движущегося на транспортерной ленте багажа поперечным веерным пучком излучения, регистрацию прошедшего через объект излучения, запоминание зарегистрированных сигналов и воспроизведение их в виде рентгеновского телевизионного изображения багажа [1] Данный способ позволяет распознавать вложения в багаже по их теневому рентгеновскому изображению. Однако тип вещества, из которого состоят вложения, при этом не определяется. Поэтому этот способ не позволяет отличить искомые вещества, например наркотики, от обычных веществ (чай, кофе и т.д.).

Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения вещества внутри объектов, включающий просвечивание контролируемого объекта рентгеновским излучением, регистрацию прошедшего через объект излучения в двух спектральных областях с разной эффективной энергией и сравнение отношения логарифмов зарегистрированных сигналов разной эффективной энергии с пороговым значением для принятия решения о типе просвеченного вещества [2] В данном способе разделение исходного спектра излучения рентгеновской трубки на два спектра с различной эффективной энергией осуществляется путем изменения напряжения на аноде трубки.

Согласно описанию на изобретение ослабление интенсивности рентгеновского излучения определяется формулой: I = I_o·exp(-μ·ρ·x), (1) где I₀ интенсивность падающего на контролируемый объект излучения; I интенсивность прошедшего через объект излучения; μ коэффициент ослабления излучения веществом контролируемого объекта; r плотность вещества; x толщина вещества.

Коэффициент ослабления m зависящий от энергии излучения E и химического состава вещества, представлен в виде:
μ = τ+σ = K₁·Z^3,94·E^-3·A^-1+K₂·Z·A^-1, (2)
где
τ,σ коэффициенты ослабления излучения веществом объекта, обусловленные соответственно фотоэффектом и рассеянием;
K1, K2 константы;
Z атомный номер вещества;
A атомный вес вещества.

В зависимости от энергии излучения и химического состава вещества в процессе взаимодействия излучения с веществом может преобладать фотоэффект или рассеяние: при больших значениях Z и малых энергиях фотоэффект, при малых значениях Z рассеяние.

Например, при E1=50 кэВ и E2=100 кэВ коэффициент ослабления для железа (Z= 26) равен соответственно 1,93 см²г^-1, а воды (Z=7,8)-0,22 cм²г^-1 и 0,17 см²г^-1. В первом случае ослабление изменилось почти в 5 раз, а во втором случае несущественно.

Вычисляя отношение логарифмов сигналов детектора (1) для разных энергий, получим отношение коэффициентов ослабления, которое будет близко к единице в случае вещества с Z<11 или существенно отличаться от единицы при Z>11 и при этом не зависеть от толщины и плотности вещества.

Сравнивая отношение логарифмов с определенным пороговым уровнем, можно получить решение о классе вещества: органическое (Z<11) или неорганическое (Z>11).

Недостатком данного способа является невозможность обнаружения конкретных веществ по значению атомного номера Z среди множества других веществ того же класса с близкими значениями Z. Например, взрывчатое вещество типа тротила с Z=7,15 и обычное мыло с Z=6,25 данным способом не различаются.

Причиной этого является недостаточное разрешение способа при определении атомного номера вещества, обусловленное моноэнергетическим представлением процесса ослабления излучения в веществе по формуле (1).

Реально с учетом спектрального состава излучения рентгеновской трубки величина сигнала детектора пропорциональна количеству энергии, поглощенной детектором за время накопления сигнала:

где
E_o максимальная энергия рентгеновских квантов;
S(E) спектральная плотность излучения рентгеновской трубки;
μ_d(E) коэффициент ослабления излучения веществом детектора;
ρ_d плотность детектора;
x_d толщина детектора;
K константа, учитывающая телесный угол облучения детектора и время накопления сигнала.

Отношение логарифмов сигнала, определяемых выражением (3) при разных значениях E_o, не равно отношению соответствующих коэффициентов поглощения излучения в веществе. Поэтому известный способ обнаружения позволяет только приближенно определить Z и соответственно класс вещества.

Кроме того, данный способ не позволяет обнаруживать вещества по значению Z при просвечивании комбинации веществ с различными значениями Z, что характерно для сложных объектов типа багажа. Например, при просвечивании фонового вещества (стенки чемодана, одежда, книги и т.п.) идентифицируемого вещества, расположенными друг за другом вдоль траектории рентгеновского луча.

Цель изобретения заключается в устранении данных недостатков.

Указанная цель рентгеновском способе обнаружения вещества по значению эффективного атомного номера, включающем просвечивание контролируемого объекта рентгеновским излучением и регистрацию прошедшего через объект излучения в спектральных областях с различной эффективной энергией, достигается тем, что среди зарегистрированных выделяют сигналы, соответствующие излучению, прошедшему через фоновое вещество и совокупность фонового и идентифицируемого веществ, по значениям сигналов поглощения излучения в двух спектральных областях фоновым веществом выбирают градуировочную кривую, каждая точка которой соответствует значениям интенсивности сигнала более эффективной энергии и интенсивности сигнала меньшей эффективной энергии излучения, прошедшего через совокупность калибровочного фонового вещества, эквивалентного по значениям сигналов фоновому веществу объекта и подлежащего обнаружению вещества различной толщины, затем сравнивают значения сигналов градуировочной кривой со значениями выделенных зарегистрированных сигналов поглощения излучения совокупностью фонового и идентифицируемого веществ и при наличии в градуировочной кривой сигналов, значения которых равны значениям зарегистрированных сигналов, принимают решение о равенстве атомных номеров идентифицируемого и подлежащего обнаружению веществ.

При этом градуировочные кривые определяют заранее при тех же параметрах излучателя и приемника рентгеновской установки, что и при просвечивании контролируемого объекта.

Разделение исходного спектра излучения рентгеновской трубки на два спектра с разной эффективной энергией возможно различными способами, например, путем изменения напряжения на аноде рентгеновской трубки, путем регистрации излучения, прошедшего через объект, двумя детекторами, расположенными друг за другом вдоль рентгеновского луча и разделенными фильтром, или путем регистрации излучения одним детектором с поочередной фильтрацией излучения.

Сигналы поглощения излучения фоновым и совокупностью фонового и идентифицируемого веществ можно выделить из зарегистрированных сигналов различными техническими приемами, например по рентгеновскому изображению объекта.

В этом варианте оператор по характерным признакам (форма и плотность идентифицируемого предмета или вещества) выделяет с помощью маркера необходимые участки рентгеновского изображения и соответствующие им сигналы.

Выделение сигналов возможно также без участия оператора автоматически путем последовательного, построчного сравнения уровней зарегистрированных сигналов и выделения среди них тех, которые удовлетворяют определенным условиям отбора. Условия отбора определяются исходя из конкретных задач обнаружения. Например, уровень фонового сигнала должен быть выше, чем уровень сигнала поглощения излучения фоновым и идентифицируемым веществом, причем фоновый сигнал в пределах нескольких точек (пикселей) изображения не должен меняться (при этом можно считать, что сигнал с меньшим уровнем соответствует сигналу поглощения излучения тем же фоновым и дополнительно идентифицируемым веществом).

Градуировочные кривые определяются заранее до контроля объектов экспериментально или рассчитываются по формулам, учитывающим спектральный состав излучения.

Экспериментальное определение градуировочных кривых осуществляется следующим образом: первая кривая определяется путем измерения значений сигналов, пропорциональных интенсивности излучения с разной эффективной энергией, прошедшего через первое фоновое вещество и через вещество, подлежащее обнаружению, при изменении его толщины от нуля до значения, соответствующего практически полному поглощению излучения в обоих веществах; вторая кривая определяется аналогично, но уже для второго фонового вещества и т.д.

Общее количество определяемых градуировочных кривых равно количеству возможных фоновых веществ различной толщины и с различными значениями Z при условии, что значения каждой ближайшей пары измеренных сигналов отличаются на один шаг квантования сигнала в цифровой форме.

Практически диапазон возможных значений Z фоновых веществ при досмотре багажа составляет от 5,7 (полиэтилен) до 29 (медь), а их толщина от нуля до толщины 10-кратного ослабления излучения. При оцифровывании сигналов 8-разрядным кодом в этом случае необходимо будет измерить около 10000 градуировочных кривых, что, хотя и трудоемко, но осуществимо.

При определении градуировочных кривых расчетным путем на ЭВМ трудоемкость незначительна. При этом требуется экспериментальное подтверждение полученных результатов для избежания возможных ошибок при расчетах.

Градуировочные кривые могут храниться в цифровой форме в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Если градуировочная кривая определяется расчетным путем сразу же после измерения значений сигналов поглощения излучения проверяемым фоновым веществом, то ее цифровые значения могут временно храниться в оперативном запоминающем устройстве или в регистрах.

Сущность изобретения заключается в том, что зависимости сигналов большей энергии излучения от сигналов меньшей энергии излучения, прошедших через фоновое вещество фиксированной толщины и идентифиицируемое вещество переменной толщины, имеют вид кривых, форма которых для данного фонового вещества при прочих равных условиях зависит только от значений Z идентифицируемых веществ. Поэтому, если при сравнении измеренных значений сигналов при просвечивании совокупности фонового и идентифицируемого веществ со всеми значениями сигналов градировочной кривой для того же фонового вещества будет зафиксировано их совпадение, то принимается решение о равенстве атомных номеров идентифицируемого и подлежащего обнаружению веществ.

Каждому веществу соответствует определенное значение Z (см.таблицу). Поэтому, определив Z, можно определить конкретный вид вещества, причем на фоне других веществ. Таким образом, устраняются недостатки известного способа.

Градуировочные кривые должны определяться при тех же параметрах излучателя и приемника рентгеновской установки, что и при просвечивании контролируемого объекта. При этом обеспечивается одинаковые условия измерения сигналов в разных диапазонах энергии излучения, что необходимо для достижения достоверности результатов сравнения сигналов.

На фиг. 1 приведены зависимости сигнала большей эффективной энергии излучения A_б от сигнала меньшей эффективной энергии излучения A_м для нескольких веществ с различным атомным номером Z (для веществ со сложным химическим составом под Z подразумевается эффективный атомный номер).

Сигналы нормированы на максимальные значения, равные единице. Точки на кривых зависимостей соответствуют различным коэффициентам поглощения излучения в веществе при изменении его толщины от нуля (A_б=A_м=1) до толщины полного поглощения излучения (A_б=A_м=0).

Форма кривых при неизменных параметрах рентгеновского излучателя и приемника зависит только от значений Z вещества.

Измеряя значения сигналов разной эффективной энергии излучения при просвечивании какого-либо вещества и сравнивая их с сигналами кривых фиг.1, можно найти кривую, на которой имеется точка со значениями сигналов A_б и A_м, равными измеренным значениям сигналов, и, следовательно, определить Z вещества.

Однако данный способ обнаружения вещества может быть использован только при просвечивании однородных объектов.

В сложных объектах типа багажа просвечиваются несколько веществ разного типа, например стенки чемодана и несколько предметов, расположенных вдоль рентгеновского луча.

На фиг. 2 приведена зависимость сигнала большей эффективной энергии от сигнала меньшей эффективной энергии при просвечивании совокупности двух веществ: фонового определенной толщины с Z=Z_ф (точка Ф) и идентифицируемого с Z= Z_и при изменении его толщины от нуля (точка Ф) до толщины полного поглощения излучения (точка О). Под фоновым веществом подразумевается любое вещество (комбинация веществ), на фоне которого расположено идентифицируемое вещество. В простейшем случае фоновым веществом является воздух, которому соответствует точка Ф со значениями сигналов A_б=A_м=1.

Линией 1, проходящей через точку Ф, обозначена зависимость для фонового вещества при отсутствии идентифицируемого вещества. Линией 2 обозначена зависимость для идентифицируемого вещества при отсутствии фонового вещества.

Рассматриваемая на фиг.2 зависимость для совокупности двух веществ имеет форму кривой приближения от точки Ф к кривой зависимости 2.

Для идентифицируемых веществ с разными значениями Z_и при одинаковом фоновом веществе эти зависимости будут иметь вид расходящихся из точки Ф непересекающихся кривых (фиг.3), форма которых определяется значениями Z_и.

Пусть кривая 1 является градуировочной, определенной при просвечивании калибровочного фонового вещества (точка Ф) и подлежащего обнаружению вещества с Z=Z_о при изменении его толщины от нуля до толщины полного поглощения излучения.

Согласно изобретению значения зарегистрированных сигналов поглощения излучения совокупностью фонового и идентифицируемого веществ, например, A_би и A_ми на кривой 2, сравнивают со значениями сигналов градуировочной кривой, например, A_бг и A_мг. При отсутствии совпадения сигналов принимается решение: Z_и не равно Z_о. При совпадении сигналов принимается решение о равенстве атомных номеров идентифицируемого и подлежащего обнаружению веществ.

Таким образом, учитывая спектральный состав рентгеновского излучения и наличие фонового вещества, устраняются недостатки известного способа обнаружения веществ по значению атомного номера. Вероятность обнаружения веществ зависит от величины квантовых флуктуаций регистрируемого излучения, точности измерения сигналов и теоретически может приближаться к единице.

Заявляемый способ не имеет аналогов в радиационной интроскопии, и, следовательно, удовлетворяет требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 4 изображена блок-схема макета рентгеновской установки для реализации заявляемого способа.

Макет включает рентгеновский излучатель 1, транспортер 2 для перемещения через зону излучения объекта контроля 3, многоэлементный приемник рентгеновского излучения малой эффективной энергии 4, фильтр 5, многоэлементный приемник рентгеновского излучения большой эффективной энергии 6, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 7 и 8, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 9, видеоконтрольное устройство (ВКУ) 10, регистры 11 и 12, генератор адресов 13, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 14, схему сравнения 15, формирователь сигнала маркера 18, кнопки управления 17-20 и устройство сигнализации 21.

Излучатель 1 создает веерообразный пучок рентгеновского излучения. Объект контроля 3 перемещается транспортером 2 через зону излучения. Многоэлементные приемники рентгеновского излучения 4 и 6 расположенные друг за другом и разделенные фильтром 5, регистрируют прошедшее через объект рентгеновское излучение в двух диапазонах энергии.

Нормированные цифровые коды сигналов каждого элемента (детектора) приемников записываются в ОЗУ 7 для хранения сигналов большей энергии и в ОЗУ 8 для хранения сигналов меньшей энергии излучения. Запись информации производится во время обратного хода телевизионной развертки ВКУ 10.

Для формирования телевизионного рентгеновского изображения объекта записанная информация считывается из ОЗУ 8 во время прямого хода телевизионной строчной развертки в формате телевизионного растра, преобразуется в ЦАП 9 в видеосигнал и подается на вход ВКУ 10.

В ПЗУ 14 записываются заранее коды градуировочных кривых, определенные при просвечивании совокупностей обнаруживаемого и различных фоновых веществ. Адреса A1 и A2 задают начальные точки кривых, т.е. значения сигналов, определенных при просвечивании фоновых веществ при отсутствии обнаруживаемого вещества. Адрес A3 задает коды, определенные при просвечивании заданного адресами A1 и A2 фонового вещества и обнаруживаемого вещества различной толщины (от нуля до толщины полного поглощения).

Установка и изменение адресов ПЗУ осуществляется следующим образом. Формирователь маркера 16 вырабатывает импульс подсвета, который подается на ВКУ 10 для отображения маркера на телевизионном экране. После остановки ленты транспортера и изображения объекта на ВКУ оператор при помощи кнопок 17 (сдвиг по вертикали) и 18 (сдвиг по горизонтали) формирователя 16 наводит маркер на участок рентгеновского изображения фонового вещества объекта и нажимает кнопку 19.

Импульс подсвета подается на вход разрешения записи кодов ОЗУ в регистр 11. Записанные коды подаются из регистра 11 на адресные входы A1 и A2 ПЗУ 14. Эти коды равны кодам сигналов, соответствующим ослаблению излучения фоновым веществом, помеченным оператором на ВКУ.

Генератор адресов 13 перебирает все возможные комбинации кода A3 и на выходе ПЗУ будет формироваться циклическая последовательность кодов всех точек выбранной градуировочной кривой.

Эти коды сигналов большой и малой эффективной энергии излучения подаются на входы 3 и 4 схемы сравнения 15.

Оператор смещает маркер на участок изображения совокупности фонового и идентифицируемого веществ и нажимает кнопку 20. Импульс подсвета подается на вход разрешения записи кодов ОЗУ в регистр 12. Записанные коды поступают с выхода регистра 12 на входы 1 и 2 схемы сравнения 15. В результате по входам 1 и 2 схемы сравнения будут зафиксированы коды сигналов, соответствующие поглощению излучения совокупностью фонового и идентифицируемого веществ.

При совпадении изменяемых кодов на входах 3 и 4 и фиксированных кодов на входах 1 и 2 схема сравнения выдаст сигнал запуска устройства сигнализации обнаружения вещества 21.

В ПЗУ могут быть записаны коды градуировочных кривых нескольких веществ, что расширяет список обнаруживаемых веществ.

Использование предлагаемого способа позволит обнаруживать запрещенные и опасные вещества в багаже и упаковках при их рентгеновском просвечивании во время таможенного или специального досмотра, что повышает безопасность авиационного транспорта и ограничивает провоз запрещенных веществ. Способ может быть использован также в других отраслях промышленности, например для контроля химического состава веществ.

Формула изобретения

1. Рентгеновский способ обнаружения вещества по значению его эффективного атомного номера, включающий просвечивание контролируемого объекта рентгеновским излучением и регистрацию прошедшего через объект излучения в спектральных областях с различной эффективной энергией, отличающийся тем, что среди зарегистрированных выделяют сигналы, соответствующие излучению, прошедшему через фоновое вещество и совокупность фонового и идентифицируемого веществ, по значениям сигналов поглощения излучения в двух спектральных областях фоновым веществом выбирают градуировочную кривую, каждая точка которой соответствует значениям интенсивности сигнала большей эффективной энергии и интенсивности сигнала меньшей эффективности энергии излучения, прошедшего через совокупность калибровочного фонового вещества, эквивалентного по значениям сигналов фоновому веществу объекта, и подлежащего обнаружению вещества различной толщины, затем сравнивают значения сигналов градуировочной кривой со значениями выделенных зарегистрированных сигналов поглощения излучения совокупностью фонового и идентифицируемого веществ, и при наличии в градуировочной кривой сигналов, значения которых равны значениям зарегистрированных сигналов, принимают решение о равенстве атомных номеров идентифицируемого и подлежащего обнаружению веществ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что градуировочные кривые определяют заранее при тех же параметрах излучателя и приемника рентгеновской установки, что и при просвечивании контролируемого объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5