Устройство для определения состава и структуры неоднородного объекта (варианты)

 

Изобретение относится к устройствам для рентгеновской типографии и может быть использовано для определения структуры сложного неоднородного объекта и идентификации веществ, его составляющих. Устройство содержит источник проникающего излучения, систему регистрации поглощенного в исследуемом объекте излучения и систему регистрации излучения, рассеянного объектом под малыми углами, а также устройство для перемещения объекта. Сначала в исследуемом объекте определяют распределение коэффициентов поглощения при просвечивании его рентгеновскими лучами под разными углами, а затем получают кривую малоуглового рассеяния излучения для каждого вещества, заполняющего отдельный элемент объекта. На основе двух распределений: коэффициентов поглощения и кривых малоуглового рассеяния по объему объекта строится трехмерное изображение внутренней структуры объекта с идентификацией составляющих его веществ. Устройство обеспечивает получение информации о распределении веществ по объему исследуемого объекта, являясь более дешевым в изготовлении и обладая большей светосилой. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройству для определения состава и структуры неоднородных объектов, непрозрачных для видимого света, с помощью прошедшего и рассеянного под малыми углами (МУР) излучения. К таким объектам относятся предметы, выполненные из металлов, керамики, стекла, пластиков, а также биологические объекты.

Известные устройства для получения изображения внутренней структуры объекта, как правило, основаны на принципе регистрации распределения интенсивности прошедшего через объект излучения (US, 4651002, G 01 T/161, 17.03.87; US, 4549307, G 03 B 41/16, 22.10.85). Различия в интенсивности в этом случае являются следствием неодинакового поглощении излучения различными частями объекта - это традиционная рентгенография поглощения. Для рентгенографии поглощения рассеянное излучение является паразитным явлением, создающим фон и ухудшающим контрастность изображения.

Для борьбы с рассеянным излучением было предложено регистрировать его отдельно, с помощью коллимационной решетки и фильтра, и вычитать интенсивность рассеянного излучения как фон из суммарного сигнала, полученного при просвечивании объекта (патент US, 4651002). Поскольку картина рассеяния в этом случае измеряется интегрально, авторы не заботятся о точной юстировке взаимного положения коллимационной решетки и решетки фильтра. В связи с этим фильтр выполнен как подвижный элемент, и рассеянное излучение регистрируется при больших углах.

В другом патенте (US, 4549307) предложено использовать заслонки, формирующие на изображении объекта участки, в которых регистрируется только фон, то есть только рассеянное излучение. Уровень фона по всему изображению определяется аппроксимацией и вычитается из суммарного сигнала поглощения для получения более контрастного изображения.

Как уже упоминалось, в основе описанных выше устройств заложен принцип получения изображения внутренней структуры объекта по распределению интенсивности прошедшего через объект излучения, зависящему от распределения поглощающих свойств объекта. Очевидно, если объект будет содержать вещества, малоразличающиеся по поглощающей способности, то на получаемом изображении участки объекта, содержащие такие вещества, практически не будут отличаться по интенсивности, то есть в результате не удастся получить изображение с требуемым контрастом. Для получения изображения структуры объекта в подобных случаях требуется другой подход, основанный на принципах, отличающихся от рентгенографии поглощения, то есть на другом типе взаимодействия проникающего излучения с веществом.

В патенте GB, 2299251, G 01 N 3/207, 1996 предложен способ идентификации кристаллических и поликристаллических веществ, основанный на регистрации Брэгговского отражения от кристаллической структуры объекта. Распределение энергетического спектра полихроматического излучения, отраженного под определенным углом от кристаллической структуры вещества, является характерным для этого вещества, и позволяет его идентифицировать при использовании имеющейся базы данных. Коллиматор предложенного устройства выполнен таким образом, что позволяет регистрировать энергетический спектр для каждой отдельной области объекта, через которую проходит излучение. Этот метод предложено использовать для обнаружения взрывчатых веществ при контроле багажа. Однако его применение ограничено детектированием объектов, имеющих кристаллическую и поликристаллическую структуру.

В работах (SU, 1402871, G 01 N 23/06, 1987; RU, 2012872, G 01 N 23/02, 1994) описаны устройства для визуализации внутренней структуры объекта, в которых используется эффект преломления рентгеновских лучей на границах областей объекта с различной электронной плотностью, что приводит к отклонению лучей на углы до трех секунд. В этих работах использовались монокристаллы для коллимации падающего на объект излучения и для фильтрации излучения, отклоненного в результате преломления.

Недостаток этого метода и устройств на его основе заключается в малой светосиле. Это обусловлено тем, что монокристалл отражает падающее на него излучение по закону Брэгга. Излучение каждой длины волны отражается под определенным углом в интервале расходимости, равном угловому интервалу отражения Брэгга, которое составляет порядка 10 угловых секунд. Это означает, что из всего излучения, производимого источником, для просвечивания объекта используется менее чем 10^-5 его энергии.

Отмеченные недостатки удается избежать при использовании устройства (WO 96/17240, G 01 N 23/04, 1996), в котором вместо монокристаллов используются апертурные решетки. Первая решетка, расположенная перед объектом, выполняет роль коллиматора, формирующего падающий на объект поток в виде узких малорасходящихся пучков. Вторая решетка расположена между объектом и детектором и играет роль фильтра рассеянного излучения. Для обеспечения требуемого разрешения при обнаружении неоднородностей в исследуемом объекте непрозрачные участки решетки коллиматора необходимо делать не более 0,05-0,1 мм шириной. Указанные решетки следует взаимно располагать так, чтобы поток проникающего излучения в отсутствии исследуемого объекта не попадал на детектор. Поскольку объект располагается неподвижно относительно устройства, то расположение и размеры просвечиваемых областей объекта будут определяться частотой расположения детектирующих лучей. Кроме того, размеры коллимационной решетки должны быть таковы, чтобы перекрывать весь объект целиком. Отмеченные выше особенности использования решеток увеличивают стоимость указанного устройства и усложняют его юстировку.

В патентах US, 4751772, G 01 N 23/201, 1988, US, 4754469, G 01 N 23/201, 1988, US, 4956856, G 01 N 23/201, 1990, US, 5008911, G 01 N 23/201, 1991, US, 5265144, G 01 N 23/201, 1993 описаны аппаратура и метод, основанные на регистрации спектра когерентного излучения, рассеянного в углы, лежащие в пределах от 1 до 12^o по отношению к направлению падающего пучка. Как указывается в этих работах, большая часть упруго рассеянного излучения сосредоточена в этих углах в случае, если энергия рентгеновского излучения не очень велика. В основе данных изобретений лежит несколько принципов, одним из которых является тот факт, что энергетические спектры упруго рассеянного излучения (в отличие от неупруго рассеянного - комптоновского излучения) и излучения первичного пучка идентичны. И кроме того, упруго рассеянное излучение имеет характерную угловую зависимость с ярко выраженным максимумом, находящимся в угловом интервале от 1 до 19 градусов, положение которого определяется как самим облучаемым веществом, так и энергией падающего излучения. Поскольку распределение интенсивности когерентно рассеянного излучения в малых углах зависит от молекулярной структуры вещества, то различные вещества, имеющие одинаковую поглощающую способность (которые не могут быть различимы при обычном просвечивании), могут быть отличимы друг от друга по характерному для каждого из веществ распределению интенсивности углового рассеяния когерентного излучения. В качестве примеров в данных патентах указана возможность определения взрывчатых веществ в багаже, а также распознавание биологических тканей.

В указанных патентах для облучения объекта предлагается использовать узкий коллимированный пучок монохроматического или полихроматического излучения. Измерение интенсивности когерентно рассеянного излучения проводят с помощью детектирующей системы с разрешением как по энергии, так и по координате (углу рассеяния). В патентах 4751722 и 4754469 предлагается использовать известные принципы компьютерной томографии для получения изображения объекта с помощью малоуглового рассеяния.

Описанные устройства имеют сравнительно низкую чувствительность, поскольку сечение когерентного рассеяния в этом угловом диапазоне невелико, а следовательно, требуются достаточно высокие дозы при облучении объекта.

В одном из патентов (US, 5265144) для повышения чувствительности предлагается использовать при регистрации излучения, рассеянного в каждом определенном угле, множество установленных по кольцу детектирующих элементов. Однако поскольку объект при этом облучают узким пучком с малой расходимостью (это является необходимым условием для успешной регистрации малоуглового рассеяния), то проблема, связанная с малой светосилой, а следовательно, с низкой чувствительностью для установки такого рода, остается.

Пучок излучения в описываемых устройствах при прохождении через объект рассеивается на разных материалах, встреченных на его пути, и полученные кривые рассеяния представляют собой суперпозицию нескольких кривых от разных материалов, входящих в объект, что затрудняет идентификацию веществ по кривым рассеяния. Эта задача может быть решена за счет использования компьютерной малоугловой томографии (как предложено в патенте 4751722). Однако использование томографического изображения требует получения большого количества съемок объекта под разными углами (от 0 до 360^o), что дорого, а, кроме того, не во всех случаях осуществимо.

Задачей данного изобретения является получение информации о распределении веществ по объему исследуемого объекта, а также создание устройства, более дешевого в изготовлении и обладающего большей светосилой.

Сущность изобретения состоит в том, что сначала в исследуемом объекте определяют распределение коэффициентов поглощения при просвечивании его рентгеновскими лучами под разными углами, а затем получают кривую малоуглового рассеяния излучения для каждого элемента объекта.

Для определения коэффициентов поглощения объект (это может быть, например, багаж, в котором определяют наличие взрывчатых веществ) сканируют несколькими плоскими веерными пучками проникающего излучения от одного источника, направленными под разными максимально отличающимися друг от друга углами. Сканирование объекта может быть осуществлено либо путем перемещения оптических элементов устройства (коллиматора, пространственного фильтра, детектора) относительно объекта либо путем перемещения самого объекта. В устройстве контроля багажа целесообразно перемещать сам объект. Толщина каждого пучка выбирается из условия необходимого разрешения установки, т.е. из задания размера области, предполагаемо занимаемой идентифицируемым веществом в объекте. Протяженность каждого плоского пучка в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, должна быть такой, чтобы пучок перекрывал весь исследуемый объект.

Интенсивность прошедшего через объект излучения для каждого пучка регистрируют с помощью координатно-чувствительного детектора. Это может быть, например, система детектирующих элементов, расположенных параллельно плоскости падающего пучка. В этом направлении размеры обнаруживаемых неоднородностей в объекте определяются пространственным разрешением координатно-чувствительного детектора.

При перемещении объекта каждый пучок последовательно сканирует весь объект. Интенсивность излучения, прошедшего через исследуемую область объекта под определенным углом, будет зависеть от коэффициентов поглощения веществ, пересекаемых при этом пучком. По величине ослабления излучения пучков, пересекающих под разными углами одну и ту же ячейку объекта, можно определять средний коэффициент поглощения веществ, заполняющих эту ячейку. Значения измеренных интенсивностей прошедшего через объект излучения поступают в систему обработки информации, где рассчитывается распределение коэффициентов поглощения по всему объему объекта. При этом объект представляется в виде трехмерной матрицы, состоящей из элементарных ячеек, в пределах каждой из которых коэффициенты поглощения остаются постоянными, т.е. каждая ячейка считается заполненной одним веществом. Из полученного распределения коэффициентов поглощения по ячейкам объекта можно определить средний атомный номер вещества, заполняющего каждую ячейку. Поскольку разные вещества могут иметь близкие коэффициенты поглощения, то на полученном при таком просвечивании изображении объекта вещества, имеющие близкие значения коэффициентов поглощения, не могут быть различимы.

Для отличия веществ, составляющих объект, по их молекулярной структуре используют когерентное малоугловое рассеяние (МУР). Однако получаемые на детекторе при просвечивании сложного объекта кривые малоуглового рассеяния представляют собой суперпозицию кривых рассеяния излучения каждым из веществ, которые пучок пересекает на своем пути при прохождении через объект. Для того, чтобы выделить из суперпозиции кривую малоуглового рассеяния, относящуюся к одному веществу в объекте, необходимо получить распределение интенсивностей малоуглового рассеяния для нескольких, максимально различающихся углов падения проникающего излучения на объект. Для получения распределения интенсивности малоуглового рассеяния для каждого угла падения используют систему МУР, состоящую из коллиматора, пространственного фильтра и координатно-чувствительного детектора. Каждый коллиматор формирует набор узких, малорасходящихся пучков от одного источника. При перемещении объект проходит последовательно через системы МУР, и в каждой из них формируется изображение объекта в малоугловом контрасте при определенном угле падения первичного пучка на объект. В результате обработки кривых малоуглового рассеяния, измеренных для разных углов сканирования, получают распределение рассеивающих свойств, характеризующих структуру входящих в объект веществ, по всему объему.

Поскольку каждое вещество имеет свою уникальную кривую рассеяния, то, измерив интенсивность малоуглового рассеяния для каждой ячейки при нескольких различных углах относительно первичного пучка и построив аппроксимированную кривую рассеяния, можно определить вещество в ячейке. Точность аппроксимации кривой будет тем выше, чем для большего числа углов измерены значения интенсивностей когерентного рассеяния. Диапазон измеряемого малоуглового рассеяния ограничен областью углов, в которой сосредоточена основная часть когерентно рассеянного излучения, а именно областью так называемого центрального пика дифракции. Эта область в зависимости от длины волны используемого излучения и структурных свойств материала может находиться в пределах от 5 угловых секунд до 1 градуса. Регистрация малоуглового рассеяния в области центрального пика позволяет повысить интенсивность регистрируемого излучения.

При расчете кривых рассеяния излучения для каждой ячейки должны быть учтены неидентичные условия их получения из-за различного поглощения первичного пучка до попадания его на соответствующую ячейку и ослабления рассеянного излучения на пути от ячейки к детектору. Этот учет осуществляют, используя значения определенных ранее коэффициентов поглощения. После этого кривые рассеяния, полученные для каждой ячейки, усредняют. Идентификацию веществ в каждой ячейке объекта осуществляют сначала по коэффициентам поглощения, а затем молекулярную структуру веществ уточняют по приведенным кривым малоуглового рассеяния.

Общее число различных систем МУР, используемых в устройстве, определяется сложностью исследуемого объекта. Например, при контроле багажа общее число веществ, имеющихся в одном исследуемом объекте, не превышает 30 наименований. Тогда достаточно использовать для определения коэффициентов поглощения веществ в объекте 4 просвечивающих пучка, разнесенных друг от друга на угол 40^o. Системы МУР будут при этом располагаться в промежутках между отдельными пучками. Общий раствор системы составит в этом случае 120^o.

К тому же при обработке массива данных, полученных при измерении МУР, можно исключить из рассмотрения ячейки, которые на основании данных, полученных при расчете коэффициентов поглощения, не могут быть заняты искомым веществом. Например, при поиске взрывчатых веществ в багаже это будут области, занимаемые металлами, керамикой и т.п. Это позволит значительно упростить и ускорить процедуру получения нормированных кривых МУР для каждой ячейки из интересующих областей объекта, определенных по коэффициентам поглощения, и идентифицировать вещества ячейки.

В результате в системе обработки и хранения информации имеется изображение объекта в виде двух распределений: коэффициентов поглощения и кривых малоуглового рассеяния по объему объекта. Из сопоставления этих двух изображений система обработки информации выдает на экран видеомонитора трехмерное изображение внутренней структуры объекта с идентификацией составляющих его веществ.

Изобретение может быть реализовано с помощью различных вариантов устройств.

Один из вариантов устройства содержит источник проникающего излучения, систему регистрации поглощенного в исследуемом объекте излучения и систему регистрации излучения, рассеянного объектом под малыми углами, а также устройство для перемещения объекта.

Система регистрации поглощенного в исследуемом объекте излучения состоит из щелевого коллиматора, формирующего веерные пучки, падающие на исследуемый объект под различными углами, набора щелей, расположенных за объектом, отсекающих фоновое излучение, в результате чего улучшается контрастность изображения, и набора координатно-чувствительных детекторов, каждый из которых регистрирует интенсивность прошедшего излучения отдельного пучка и имеет пространственное разрешение вдоль направления, параллельного плоскости падающего пучка. Размеры каждой щели коллиматора, определяющие ширину и угловую расходимость пучка, должны быть таковы, чтобы размер падающего пучка на объекте в направлении сканирования был меньше минимального размера неоднородности, занимаемой в объекте исследуемым веществом. В противном случае это вещество не может быть выделено на фоне окружающей его среды. Размер проекции пучка в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, должен быть не меньше размеров самого объекта.

Прошедшее через объект излучение для каждого пучка регистрируется с помощью координатно-чувствительного детектора в течение всего времени сканирования объекта. Измеренные значения интенсивностей прошедшего излучения для разных углов падения пучков на объект поступают в систему обработки информации, где по значениям интенсивностей прошедшего излучения строится изображение объекта в виде распределения коэффициентов поглощения излучения по элементарным ячейкам трехмерной матрицы, на которую разбивается изображение объекта.

Система для измерения малоуглового рассеяния от объекта использует проникающее излучения от того же источника. Она состоит из идентичных блоков, расположенных под различными углами к направлению движения объекта при сканировании. Каждый такой блок включает в себя коллиматор, пространственный фильтр и двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор. Расположенный между источником и объектом коллиматор формирует падающий на объект поток излучения в виде одного или нескольких узких малорасходящихся пучков. Многощелевой коллиматор выполнен в виде регулярной периодической структуры, представляющей собой прозрачные для излучения участки и чередующиеся с ними непрозрачные участки. Линии поверхностей, образующих прозрачные каналы, должны сходиться для каждого коллиматора на фокусном пятне источника для увеличения энергоотдачи установки. При этом в различные щели коллиматора может попадать излучение из разных областей фокусного пятна источника.

Для выделения излучения, рассеянного исследуемым объектом под малыми углами, используется пространственный фильтр, установленный перед координатно-чувствительным детектором. Пространственный фильтр представляет собой подобную коллиматору структуру, в которой участки, соответствующие прозрачным участкам коллиматора, выполнены из непрозрачного для проникающего излучения материала так, что непрозрачные участки фильтра перекрывают прозрачные участки коллиматора. При этом размеры каналов (или щелей) и период структуры коллиматора, а также размеры прозрачных участков пространственного фильтра должны обеспечить регистрацию на позиционно-чувствительном детекторе только малоуглового рассеянного излучения. Т.е. пространственный фильтр устроен таким образом, что экранирует прямые лучи, сформированные коллиматором, и пропускает излучение, рассеянное в объекте под малыми углами. Конструктивное выполнение пространственного фильтра должно соответствовать используемому коллиматору: для щелевого коллиматора пространственный фильтр должен быть выполнен в виде линейного растра.

Коллиматор формирует пучки, высвечивающие отдельные области исследуемого объекта, поэтому для получения целостного изображения внутренней структуры объекта в лучах, рассеянных под малыми углами, необходимо обеспечить его перемещение поперек детектирующих пучков. Например, это может быть транспортер, перемещающий объект через систему регистрации поглощенного излучения и систему регистрации излучения, рассеянного под малыми углами, со скоростью, достаточной для получения необходимой экспозиции на детектирующем устройстве в том и другом случае.

Детектирующее устройство для регистрации малоуглового рассеяния представляет собой двухкоординатный, позиционно-чуствительный датчик рентгеновского излучения. Это может быть ПЗС-устройство, фотодиодная матрица, люминесцентный экран, рентгеновская фотопленка и т.д. Чувствительность детектора определяет требуемую мощность источника излучения и скорость сканирования объекта.

Сигнал с позиционно-чувствительного детектора поступает в систему обработки информации, которая формирует изображение объекта, полученное при малоугловом рассеянии, затем происходит его сравнение с изображением, полученным при поглощении. Для отдельных элементов объекта получают кривую малоуглового рассеяния и идентифицируют ее с имеющимся атласом кривых малоуглового рассеяния различных веществ с целью обнаружения заданного в программе вещества.

Другой вариант выполнения устройства отличается тем, что для каждого веерного пучка, направленного под определенным углом на объект, одновременно регистрируют и прошедшее без рассеяния излучение, и распределение интенсивности малоуглового рассеяния. Так же, как и в предыдущем варианте устройства, набор узких малорасходящихся веерных пучков формируют с помощью коллиматора от одного источника проникающего излучения. Регистрация излучения осуществляется с помощью детектирующих элементов (это может быть ПЗС-линейка или фотодиоды рентгеновского диапазона), размещенных в глубине щелевого растра, выполненного из непрозрачных для излучения пластин. Толщина пластин выбирается такой, чтобы исключить влияние излучения, рассеянного в регистрирующем элементе детектора, на соседние. Глубина и ширина зазоров между пластинами устанавливаются из условия регистрации отдельным детектором излучения, попадающего на него под определенным углом. Размеры каждого регистрирующего элемента должны быть по крайней мере в два раза меньше проекции отдельного луча на плоскость регистрации. Каждый из детекторов соединен с системой обработки информации, позволяющей разделить рассеянное объектом излучение и излучение прямого пучка. Тогда на экране монитора возникают два изображения: одно изображение, соответствующее поглощению излучения объектом, другое - малоугловому рассеянию.

Преимущества последнего варианта устройства заключаются в том, что коэффициенты поглощения и кривая малоуглового рассеяния для каждого пучка измеряются для одного и того же угла падения излучения на объект, т.е. лучи, прошедшие через объект без рассеяния и рассеянные на малые углы (до 1 градуса), проходят в объекте практически один и тот же путь, в связи с чем нет необходимости специальным образом учитывать это при обработке результатов измерений.

Коллиматор, формирующий поток излучения на объект, может быть выполнен также и с круглыми отверстиями. В таком случае детектирующие элементы могут быть установлены в капиллярных трубках или в глубине пересекающихся пластин, выполненных из непрозрачного для проникающего излучения материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства, в которой системы регистрации прошедшего без рассеяния излучения и излучения, рассеянного под малыми углами, разделены; на фиг. 2 показана общая схема обработки и вывода информации на экран монитора; на фиг. 3 - другой вариант устройства с совмещенными системами регистрации; на фиг. 4 изображен пространственный фильтр, выполненный в виде щелевого растра, в щелях которого размещены регистрирующие элементы.

Как показано на фиг. 1, устройство содержит источник 1 проникающего излучения, например рентгеновскую трубку. Излучение рентгеновской трубки направляют на исследуемый объект 2, перемещаемый с помощью транспортера 3. Между исследуемым объектом 2 и источником 1 излучения установлены коллиматоры 4, 5, формирующие падающий на объект поток излучения. Коллиматор 4 системы регистрации прошедшего излучения выполнен в виде отдельных блоков из непрозрачного для проникающего излучения материала с прозрачными участками в виде щелей 6. Оси щелей ориентированы по линиям, сходящимся в точке, совпадающей с фокусом источника проникающего излучения (фокусом рентгеновской трубки), и расположены под максимально различающимися углами к плоскости транспортера. Ширину щелей выбирают такой, чтобы размер пучка в этом направлении был меньше размера области, которую может занимать идентифицируемое вещество в объекте. В направлении, перпендикулярном указанному, коллиматор должен обеспечить формирование пучков, перекрывающих весь объект. Прошедшее через объект излучение регистрируют с помощью координатно-чувствительных детекторов 7, расположенных параллельно щелям 6 коллиматора. Перед каждым детектором 7 расположен набор щелей 8, улучшающих соотношение сигнал/шум для регистрируемой интенсивности прошедшего излучения. Разрешение детектора 7 по координате определяет пространственное разрешение в направлении, перпендикулярном направлению перемещения объекта.

Формирование падающего на объект потока в системе регистрации МУР осуществляют с помощью коллиматоров 5 в виде множества узких малорасходящихся пучков. Каждый из указанных коллиматоров 5 имеет чередующиеся прозрачные 9 и непрозрачные 10 для проникающего излучения участки, образующие каналы. Оси каналов ориентированы по направлениям 11, сходящимся в точке, совпадающей с фокусом источника излучения. Оси каждого из коллиматоров 5 также сходятся в фокусе источника и разнесены на разные, максимально отличающиеся углы относительно плоскости транспортера. На пути прошедшего через объект излучения установлены пространственные фильтры 12, выполненные с прозрачными 13 и непрозрачными 14 участками. Задачей пространственного фильтра 12 является выделение рассеянного на малые углы когерентного излучения и поглощение прямого излучения и излучения, рассеянного на большие углы. Коллиматор 5 и пространственный фильтр 12 расположены так, что непрозрачные участки 14 фильтра перекрывают прозрачные для излучения участки 9 коллиматора и пропускают через прозрачные участки 13 только излучение, рассеянное объектом под малыми углами.

Размеры прозрачных участков, в данном случае ширина и глубина щелей, период структуры коллиматора (расстояние между щелями коллиматора), а также размеры прозрачных участков пространственного фильтра должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить регистрацию на позиционно-чувствительном детекторе 15 излучения, рассеянного под малыми углами исследуемым объектом в определенном угловом диапазоне. Каждый детектор 15 представляет собой двухкоординатный позиционно-чувствительный датчик, обеспечивающий разрешение, достаточное для построения кривой малоуглового рассеяния от каждой ячейки объекта.

Устройство работает следующим образом. Предварительно, до пересечения объектом 2 системы регистрации поглощенного излучения, детекторы 7 измеряют интенсивности излучения первичных пучков, формируемых коллиматорами 4, в отсутствии объекта 2, значения которых поступают в систему 16 обработки результатов измерения (фиг.2). При перемещении с помощью транспортера 3 исследуемый объект 2 попадает сначала в систему регистрации поглощенного излучения, состоящую из источника 1, коллиматоров 4, щелей 8 и детекторов 7. В течение всего времени прохождения объектом 2 системы регистрации поглощенного излучения детекторы 7 регистрируют прошедшее излучение, пересекающее объект 2 под разными углами. Измеренные значения интенсивностей прошедшего излучения также поступают в систему 16 обработки результатов измерений. Система 16 рассчитывает соотношение измеренных значений интенсивностей прошедшего излучения при наличии и отсутствии объекта и строит матрицу распределения коэффициентов поглощения излучения по объему объекта.

При последующем перемещении объект 2 проходит через систему измерения малоуглового рассеяния, состоящую из того же источника излучения 1, коллиматоров 5, двухкоординатных детекторов 15 и расположенных перед каждым из детекторов пространственных фильтров 12, выделяющих только излучение, рассеянное объектом на малые углы (до нескольких градусов). При отсутствии объекта на детекторы 15 излучение не попадает, детекторы регистрируют только интенсивность фона. Зарегистрированные при прохождении объекта 2 детекторами 15 значения интенсивности малоуглового рассеяния поступают в систему 17 обработки информации МУР, в которую из системы 16 также поступают данные о распределении коэффициентов поглощения по объему объекта 2.

Значение распределения коэффициентов поглощения по объему объекта учитывается при расчете в системе 17 приведенных кривых малоуглового рассеяния. Система 17 обработки информации по данным, полученным для разных систем малоуглового рассеяния, отличающихся по углу сканирования объекта пучками проникающего излучения, строит изображение объекта в рассеянном излучении в виде матрицы распределения кривых малоуглового рассеяния по объему.

В блоке 18 производится сравнение изображений объекта 2, полученных при поглощении и малоугловом рассеянии излучения, и сопоставление полученных данных с имеющимся атласом кривых малоуглового рассеяния. По результатам сопоставления на экране видеомонитора 19 формируется трехмерное изображение объекта с идентификацией составляющих его веществ.

Другой возможный вариант устройства, представленный на фиг. 3, содержит источник 1 проникающего излучения. Коллиматоры 20 формируют направленные на исследуемый объект 2, перемещаемый с помощью транспортера 3, узкие малорасходящиеся веерные пучки. Коллиматоры 20 сориентированы относительно исследуемого объекта 2 так, что их оси наклонены к направлению перемещения объекта под разными максимально отличающимися углами. Рассеянное 21 и прошедшее 22 без рассеяния излучение регистрируется с помощью линейных координатно-чувствительных детекторов 23, расположенных в щелях растров 24. Растр 24 (фиг. 4) выполнен из набора пластин 25, непрозрачных для проникающего излучения, в зазорах между которыми располагаются линейки регистрирующих излучение детекторов 23. Толщина пластин 25 выбирается таким образом, чтобы исключить влияние излучения, рассеянного в материале детектора 23, на соседние регистрирующие элементы. Глубина и ширина зазоров между пластинами выбираются из условия регистрации отдельным детектором излучения, попадающего на него под определенным углом. Поступление сигналов в систему обработки информации будет происходить по двум независимым каналам, один из которых связан с детекторами, регистрирующими распределение интенсивностей излучения, обусловленное различием коэффициентов поглощения материалов, составляющих объект, а второй - с детекторами, регистрирующими излучение, рассеянное под малыми углами. Поступающая информация обрабатывается вычислительным устройством, и полученное изображение объекта передается на экран видеомонитора.

Формула изобретения

1. Устройство для определения состава и структуры неоднородного объекта, содержащее источник проникающего излучения, систему перемещения объекта относительно источника излучения, блок формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта, систему получения изображения объекта по поглощенному излучению, включающую координатно-чувствительный детектор, и систему получения изображения объекта по малоугловому рассеянию, содержащую координатно-чувствительные детекторы, отличающееся тем, что блок формирования потока излучения в направлении объекта выполнен в виде двух отдельных систем коллиматоров, одна из которых, входящая в систему получения изображения по поглощенному излучению, предназначена для формирования направленных под разными углами плоских веерных пучков от одного источника излучения, и вторая, входящая в систему получения изображения по малоугловому рассеянию, выполнена в виде набора многощелевых коллиматоров, каждый из которых позволяет формировать набор узких, малорасходящихся веерных пучков от того же источника излучения, причем оси коллиматоров составляют разные углы с направлением перемещения объекта, в системе получения изображения по малоугловому рассеянию используют двухкоординатные детекторы, перед каждым из которых установлен пространственный фильтр, предназначенный для отделения малоуглового рассеянного объектом излучения от излучения, прошедшего через объект без рассеяния и излучения некогерентного рассеяния.

2. Устройство для определения состава и структуры неоднородного объекта, содержащее источник проникающего излучения, систему перемещения объекта относительно источника излучения, блок формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта, систему получения изображения объекта по поглощенному излучению и малоугловому рассеянию, отличающееся тем, что блок формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта выполнен в виде многощелевых коллиматоров, предназначенных для формирования множества узких, малорасходящихся пучков от одного источника излучения, причем коллиматоры ориентированы так, что их оси расположены под разными, максимально различающимися углами относительно направления перемещения объекта, система получения изображения объекта по поглощенному излучению и малоугловому рассеянию выполнена в виде щелевого растра, в щелях которого расположены линейные координатно-чувствительные детекторы в виде набора регистрирующих элементов, каждый из которых соединен с системой обработки, позволяющей разделять рассеянное на малые углы излучение и излучение, прошедшее через объект без рассеяния, причем размеры каждого регистрирующего элемента по крайней мере в два раза меньше проекции отдельного пучка на плоскость регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 09.04.2003

Извещение опубликовано: 27.10.2004        БИ: 30/2004

---