способ томографического контроля крупногабаритных грузов

Формула изобретения

Способ томографического контроля крупногабаритных грузов, заключающийся в просвечивании груза проникающим излучением по нескольким направлениям, проведении трансмиссионных измерений по этим направлениям, получении теневых проекций исследуемого объекта, реконструкции из теневых проекций флуктуаций плотности внутри исследуемого груза, отличающийся тем, что в качестве проникающего излучения используют природный поток космических мюонов, а квазипараллельные пучки космических мюонов под разными направлениями задают парами координаточувствительных детекторов, расположенных на входе и выходе излучения из объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике неразрушающего радиационного контроля и может быть использовано для идентификации объектов, находящихся в контейнерах, железнодорожных вагонах или иных крупных транспортных средствах по их геометрическим размерам и плотности.

Известно, что разработаны и широко применяются для самых разнообразных целей (от медицины до контроля содержимого багажа и крупногабаритных грузов) методы радиационной компьютерной томографии (КТ). Компьютерная томография представляет собой метод, с помощью которого каждый слой объекта может рассматриваться совершенно отдельно, то есть при полном отсутствии влияния соседних слоев. Трудность заключается в том, что при измерении некоторой физической характеристики в окрестности заданной внутренней области объекта излучение должно проходить через ряд окрестностей других точек. Эта трудность устраняется тем, что проводятся трансмиссионные измерения на множестве траекторий, проходящих через слои, представляющие интерес, а затем путем применения специальных математических методов, получают двумерное изображение интересующих слоев (Бейтс Р, Мак-Доннели М, Восстановление и реконструкция изображений. Перевод с английского, М. Мир, 1989).

Физическая сущность метода радиационной компьютерной томографии заключается в следующем. Пусть f(x) функция, характеризующая поглощение рентгеновских лучей веществом объекта, тогда относительное уменьшение интенсивности рентгеновского излучения на малом X в точке х составляет:

I/I=f(x)X (1)

Обозначим через I_o начальную интенсивность пучка в направлении L, а через I₁ его интенсивность после прохождения через тело. В силу формулы (I)



то есть в результате сканирования получаются линейные интегралы функции f по каждой из прямых L. По совокупности этих интегралов нужно восстановить f, причем процедура восстановления должна соответствовать схеме сканирования. Реконструкция пространственного коэффициента ослабления излучения материалом контролируемого объекта производится в результате вычислительной обработки данных теневых проекций, полученных при просвечивании объекта в различных направлениях. Томографическая картина получается за счет того, что флуктуации плотности внутри контролируемого объекта приводят к значительным пространственным различиям в коэффициентах ослабления.

Для целей КТ применяют три схемы сканирования (Наттерер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии. Перевод с английского, М. Мир, 1990, с. 8-10):

1) параллельная схема используется один источник излучения, с другой стороны объекта один детектор излучения, которые движутся параллельно друг другу и поворачиваются в процессе сканирования вокруг излучаемого объекта;

2) веерная схема источник излучения движется по дуге окружности вокруг объекта, испуская веер рентгеновских лучей, которые регистрируются цепочкой детекторов, веерная схема обеспечивает более высокую скорость сканирования, для получения трехмерной картины интересующего объекта применяют третью схему;

3) конусная схема источник излучения движется по окружности вокруг объекта, испуская конус рентгеновских лучей, которые регистрируются площадкой детекторов.

Для томографии крупногабаритных деталей и грузов в качестве источников излучения применяют ускорители электронов, как правило линейные ускорители (КлюевВ.В. Соснин Ф.Р. Гусев Е.А. и др. Неразрушающий контроль с источниками высоких энергий, М. Энергоатомиздат, 1989, с. 143-148), на энергию до 10-15 МэВ и один из описанных выше способов сканирования. Для ускорения процедуры сканирования фирма HEIMANN GmbH используют два линейных ускорителя электронов с конусными пучками, расположенными ортогонально друг к другу, две матрицы детекторов и систему протяжки груза (проспект фирмы HEIMANN GmbH). Такая томографическая установка позволяет контролировать содержимое вагона размером 2,5х2,5х12 м со скоростью 0,4 м/с, с пространственным разрешением порядка единиц мм, с проникающей способностью по стали 300 мм. Недостатком такой томографической установки является ее сложность, а также малая проникающая способность по стали. Действительно, если в вагоне содержится плотный груз (например слитки железа, свинца, меди и т.д.), а в середине спрятан контейнер с наркотиками, то наркотики обнаружить не удастся. Другой пример: в вагоне также содержится плотный груз, а в середине спрятан еще более плотный груз (например слитки золота, урана и т.д.). Чтобы просвечивать такой груз, необходимо увеличивать энергию ускоренных электронов до 20 30 МэВ и дозу облучения до значительных величин. Несмотря на эти недостатки, такими томографическими установками за рубежом оборудованы все крупные международные речные, морские, воздушные, железнодорожные порты.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем:

Как и в известном способе, контроль осуществляют просвечиванием объекта проникающим излучением в нескольких направлениях и регистрацией прошедшего излучения, однако, в отличие от известного способа, томографический контроль проводят с использованием природного потока космических мюонов. Для этого с помощью пар координатно-чувствительных детекторов, расположенных вокруг объекта, задают квазипараллельные пучки мюонов под разными направлениями, определяют координаты входа мюонов в объект, координаты выхода мюонов из объекта, и по ослаблению потоков космических мюонов под разными направлениями воспроизводят томографическую картину содержимого закрытого транспортного средства без относительного сканирования объекта и детектора.

Природное космическое излучение на уровне моря состоит в основном из мюонов, имеющих энергетический спектр от сотен МэВ до десятков ГэВ, со средней энергией с интегральной интенсивностью приблизительно 130 мюонов/с через горизонтальную площадку 1 м², с угловой зависимостью интенсивности cos²,, где угол между нормалью к горизонтальной площадке и направлением прихода мюонов с изотропией по углу v (Муpзин В.С. Введение в физику космических лучей, М. Атомиздат, 1979, с. 262-268). При прохождении через вещество поток космических мюонов ослабляется за счет ионизационных потерь энергии и это ослабление будет определяться количеством вещества и его флуктуациями плотности. Поскольку поток космических мюонов равномерно распределен по любой площади и присутствует под всеми углами, то отсутствует необходимость в сканировании объекта или детектора вокруг объекта. Так как поток космических мюонов небольшой, то для ускорения процедуры получения теневых проекций необходимо применять детекторы большой площади, размещенные определенным образом вокруг объекта.

Для подтверждения метода томографии с помощью космических мюонов использовалась установка, предназначенная для регистрации и восстановления параметров траектории частиц как космического происхождения, так и полученных на ускорителе. Регистрирующая часть установки состоит из двух разнесенных на 3 м плоскопараллельных поверхностей размером 3,2х2,8 м каждая. Каждая поверхность в свою очередь состоит из четырех координатно-чувствительных сцинтилляционных счетчиков (КСС) размером 1,6х1,4 м (фиг.1).

Прохождение частицы через любой из КСС влечет за собой появление в материале сцинтиллятора световой вспышки, амплитуда которой фиксируется четырьмя, расположенными в геометрических углах КСС, фотоэлектронными умножителями. Аппаратура установки считывает амплитуды сигналов четырех фотоэлектронных умножителей, обрабатывает, оцифровывает и передает в ЭВМ. ЭВМ позволяет по этим четырем амплитудам восстановить координаты пересечения траекторией частицы поверхности (х,у) с точностью 20 см. Две пары координат (x₁, y₁) и (x₂,y₂) для двух поверхностей, восстановленные во временном интервале, соответствующем времени пролета частицей от одной поверхности до другой, позволяют восстановить параметры траектории частицы. Быстродействие программно-аппаратного комплекса установки обеспечивало обработку параметров траектории всех частиц, которые пересекали обе поверхности в реальном масштабе времени, и составляло 40 траекторий/с.

Для проведения экспериментов по идентификации объектов проводилось накопление массивов без объектов в рабочей зоне пространстве между поверхностями и с объектом в рабочей зоне. Накопление велось в различное время, достаточное для получения качественных результатов. Для нормировки данных параллельно с накоплением фиксировалось количество частиц, пересекающих два выбранных КСС, между которыми объекта не было. В качестве объекта использовался свинцовый блок размером 0,3х0,3х0,05 м, размещенный на полой подставке высотой 1,2 м.

По истечении достаточно продолжительного промежутка времени (более 500 с), содержимое массива приобретает характерный вид. Полученные без объекта (фиг. 2) и с объектом (фиг.3) массивы по всей форме мало отличаются друг от друга, поэтому для идентификации объекта проводилась обработка массивов по следующему алгоритму.

Из массива данных без объекта, вычитался массив данных с объектом, при этом оба массива данных приводились к одному времени накопления использованием пересчетного коэффициента, полученного из значений мониторных счетов без объекта и с объектом.

Результирующий массив проекций траекторий имел отчетливо выраженный эффект положительный пик в области, соответствующей траекториям частиц, пересекающим объект (фиг.4). Величина эффекта почти линейно растет с увеличением времени накопления (см. таблицу 1).

Накопление результирующего массива порциями по 100 с позволило обнаружить эффект на фоне флуктуаций, составляющих не более 10, приблизительно через 500 с. Дальнейшее накопление результирующего массива только точнее локализовало эффект, уточняя его местоположение.

При потоке частиц через поверхности, превышающем 40 траекторий/с, обнаружение эффекта, а следовательно и идентификация объекта может происходить быстрее во столько раз, во сколько раз будет выше интенсивность потока. Увеличения потока частиц можно добиться расположением поверхностей не вертикально, а горизонтально одна над другой, при этом объект должен помещаться между ними. Чем меньше будет расстояние между поверхностями, тем выше будет интенсивность потока. Расчеты показывают, что при имеющемся расстоянии между поверхностями, горизонтальное их расположение увеличит поток приблизительно до 1700 траекторий/с, то есть в 42 раза по сравнению с вертикальным. Соответственно приблизительно до 12 с уменьшится время, необходимое для проявления эффекта, а значит и идентификация объекта.

Имея высокую интенсивность потока космических частиц, можно проводить отбор траекторий по направлению, выделяя тем самым квазипараллельный поток частиц. При этом будет формироваться результирующий массив лучшего качества, его изображение будет напоминать рентгеновский фотоснимок, а значит улучшится качество идентификации объектов.

Улучшение точности восстановления координат пересечения траектории частицы поверхности КСС позволит пропорционально уменьшить дискрет ячеистой структуры массивов. Это приведет к тому, что повысится разрешение устройства идентификации объектов, что позволит улучшить качество идентификации и проводить идентификацию более мелких объектов.

На фиг.5 приведена схема расположения сцинтилляционных детекторов вокруг контролируемого груза, позволяющая получать теневые проекции для любого объекта, расположенного внутри закрытого транспортного средства. С этой целью КСС объединены в пары, которые задают квазипараллельные пучки космических мюонов по разным направлениям: Стрелками показано направление квазипараллельного пучка космических мюонов. Слабая интенсивность потока космических мюонов не позволяет получать пространственное разрешение лучше, чем единицы сантиметров, и это определяет область применимости предлагаемого способа: контроль средней плотности и томография ввозимого и вывозимого крупногабаритного груза для военных баз, закрытых заводов (особенно производящих ядерное топливо, оружейный плутоний, оружие и т.д.). Достоинством предлагаемого способа являются: а) отсутствие дорогостоящих ускорительных устройств, требующих для своей эксплуатации специально оборудованных помещений, отвечающих требованием НРБ и ОСП (Нормы радиационной безопасности НРБ-76. Основные санитарные правила ОСП-72/80, М. Энергоатомиздат, 1990) и специально обученного персонала; б) сцинтилляционный детектор несмотря на его большую площадь является достаточно функционально и аппаратно простым устройством и требует для своей работы только высокоразвитого программного обеспечения, обслуживать установку могут люди с современным инженерным образованием; в) стоимость такого типа томографической установки должна быть во много раз меньше, чем в классическом варианте с ускорителями.