Устройство для контроля состава объекта путем пропускания проникающего электромагнитного излучения

 

Использование: для идентификации материала в объекте по его атомному номеру. Сущность изобретения: устройство содержит ускоритель электронов, мишень-конвертор энергии электронов в электромагнитное излучение, узел для формирования пучка электромагнитного излучения заданного поперечного сечения (коллиматор пучка), два сцинтилляционных детектора электромагнитного излучения, расположенных за исследуемым объектом. Детекторы имеют разную толщину чувствительной области, а мишень-конвертор изолирована и соединена с измерителем заряда электронов, попавших на мишень. Сигнал с детекторов нормируется на сигнал с измерителя заряда электронов, попавших на мишень-конвертор. По соотношению сигналов с детекторов определяют атомный номер материала контролируемого объекта. 3 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля сложных объектов и может найти применение при контроле грузовых контейнеров, багажа, в системах промышленной рентгеноскопии, а также при контроле элементного состава минерального сырья, определения зольности угля и в других областях техники.

Известна рентгеновская сканирующая система (патент ЕПВ (ЕР) N 0247491, МКИ G 01 N 23/04, G 01 V 5/00 Mebl Ernst et al. X-ray scanning system 18.05.87, 02.12.87), которая содержит рентгеновский излучатель с диафрагмой для получения веерного рентгеновского пучка с одной стороны от транспортера для исследуемого груза и линейку отдельных детекторов на другой стороне от транспортера. Вокруг контролируемого объекта на расстоянии от линейки расположены детекторы рассеянного рентгеновского излучения, которые позволяют детектировать пластмассовые детали и пластиковые взрывчатые вещества.

Известно также устройство для формирования рентгеновских изображений, в частности материалов с малым атомным номером (патент ФРГ (DE) N OS 3719923 МКИ G 01 T 1/29 ter Meer, N et al Runtgenbilderzeuger insbesondere fur Materialien mit geringer Ordnungszahl, 15.06.87, 23.12.87), которое содержит источник проникающего излучения, узел формирования луча заданного поперечного сечения, выходящего из источника излучения, и периодического отклонения луча по линии в пространстве, механизм перемещения исследуемого объекта относительно источника в направлении, перпендикулярном к указанной линии в пространстве, набор детекторов излучения для формирования первого электросигнала, расположенных так, что он реагирует на излучение, прошедшее через объект без изменения направления, набор детекторов излучения, расположенных за объектом относительно источника и реагирующих на рассеянное объектом излучение для формирования второго электросигнала, набор детекторов излучения, расположенных ближе к источнику, чем объект, и реагирующих на рассеянное излучение для формирования третьего электросигнала, индикаторные блоки, которые реагируют на два из указанных электросигналов для раздельного, независимого и одновременного отображения этих сигналов.

Недостаток указанных устройств в том, что они не позволяют идентифицировать материалы в объекте по их атомным номерам во всем диапазоне атомных номеров.

Известен также аппарат для рентгенологического исследования (патент Франции (FR) N 2588180, МКИ A 61 B 6/02 Emile Gabbay, Andre Plessis et Jacques Trotel Apparreil d'examen radiologique, 18.08.85, 08.10.85.), который позволяет получать изображение объекта путем сканирования двумя веерообразными пучками с различными спектрами энергии, полученных от одного источника рентгеновских лучей. Устройство состоит из источника электронов, мишени-конвертора энергии ускоренных электронов, системы коллиматоров, формирующей два пучка, каждый из которых, проходя через слой поглотителя, различающийся толщиной и/или материалом для каждого пучка, приобретает отличный от другого пучка энергетический спектр. После прохождения через объект излучение регистрируется двумя детекторами с целью одновременного получения изображений объекта, содержащих различную информацию.

Данное устройство принимаем за прототип.

Недостаток прототипа в том, что данное устройство не позволяет выявлять различные материалы по их атомному номеру с чувствительностью, достаточной для их идентификации, т. е. не позволяет определять атомный номер материала объекта.

Цель изобретения повышение чувствительности определения состава материалов в объекте по их атомному номеру.

Поставленная цель достигается тем, что как и в прототипе устройство содержит ускоритель электронов, мишень-конвертор энергии электронов в электромагнитное излучение, коллиматор пучка, два детектора электромагнитного излучения. В отличие от прототипа используются сцинтилляционные детекторы двух типов: один с толщиной чувствительной области d₁, выбранной в диапазоне 2/M(E/2) ≥ d₁ ≥ 0,3/М(E/2), где М(E/2) массовый коэффициент ослабления электромагнитного излучения с энергией E/2 (здесь E энергия ускоренных электронов), в материале чувствительной области детектора. Второй детектор выполнен с толщиной чувствительной области d ≅ 0,1d₁, а мишень-конвертор изолирована от проводящих элементов установки и соединена с измерителем заряда электронов, попавших на мишень.

Толщину детекторов с учетом зависимости эффективности регистрации только от эффективного коэффициента ослабления излучения М удобно измерять в единицах длины свободного пробега фотонов средней энергии в сцинтилляторе, которая принята равной 0,5 граничной энергии E (d=1/M(E/2)) (Егер Р. Дозиметрия и защита от излучений. М. Госатомиздат, 1961, с.118). При измерении толщины детекторов в длинах свободного пробега можно с учетом энергии источника излучения и материала сцинтиллятора найти требуемые размеры детектора.

Выбор толщины чувствительной области первого детектора проведен исходя из условия, чтобы этот детектор регистрировал интенсивность всего спектра нерассеянного электромагнитного излучения, прошедшего через объект. При выполнении данного условия эффективность регистрации энергии излучения первым детектором будет в пределах примерно от 28 до 86% Использование детектора с толщиной d₁ менее 0,3/M(E/2) приведет как к уменьшению регистрируемого сигнала и, следовательно, к ухудшению чувствительности, так и к потере вклада от высокоэнергетической части спектра. С другой стороны, использование детектора с d₁, большей 2/M(E/2), нецелесообразно из-за очень слабого роста эффективности регистрации в зависимости от толщины.

Выбор толщины чувствительной области второго детектора произведен исходя из условия, чтобы этот детектор регистрировал энергию мягкой части спектра нерассеянного электромагнитного излучения, прошедшего через объект. При выполнении условия d₂/0,1d₁ сигнал с детектора формируется преимущественно под воздействием мягкой части спектра нерассеянного электромагнитного излучения. В свою очередь мягкая часть спектра нерассеянного излучения зависит от атомного номера и толщины материала объекта. Неизвестная толщина объекта может быть измерена по степени ослабления сигнала детектора, измеряющего полную энергию нерассеянного излучения. Для ее определения достаточно измерить заряд ускоренных электронов, сбрасываемых на мишень-конвертор и сигнал с первого детектора.

Таким образом, для каждого значения отношения сигнала первого детектора к заряду электронов, сброшенных на мишень, однозначно связанному с толщиной объекта, сигнал со второго детектора зависит только от атомного номера мишени и, следовательно, данное устройство позволяет определить атомный номер материала объекта.

Ниже приведен пример устройства, в котором реализован указанный общий подход.

Принципиальная схема устройства изображена на фиг.1. Ускоренный электронный пучок 2, полученный в ускорителе электронов 1, падает на мишень-конвертор 3, в которой происходит преобразование кинетической энергии электронов в электромагнитное излучение 4. Электромагнитное излучение, сформированное с помощью коллиматора 5 в пучок требуемого сечения, проходит через объект 6 и регистрируется детекторами 7 и 8. Детекторы состоят из сцинтилляторов 7а и 8а и фотоприемников 7б и 8б. Толщина сцинтиллятора первого детектора 7а равна или больше чем 0,3/M(E/2), но меньше 2/M(E/2), где M(E/2) - массовый коэффициент ослабления электромагнитного излучения в материале сцинтиллятора детектора, а массовая толщина сцинтиллятора второго детектора 8а равна или менее одной десятой толщины сцинтиллятора первого детектора. Детекторы для защиты от рассеянного электромагнитного излучения помещены в защитный экран 9. Мишень-конвертор 3 соединена с устройством для измерения заряда электронов, попавших на мишень 10, которое связано с устройством обработки сигналов 11. Детекторы 7 и 8 также связаны с устройством 11.

Работу устройства рассмотрим на конкретном примере его реализации. В качестве ускорителя электронов 1 используется микротрон с током в импульсе 30 мА, длительностью импульса 0,5 мкс, частотой следования импульсов до 10 Гц и энергией электронов E 5,61 МэВ. Пучок электронов 2 попадает на вольфрамовую мишень-конвертор 3 толщиной 0,4 мм и генерирует пучок тормозного излучения 4. Конвертор 3 изолирован и соединен с измерителем заряда 10. Сигнал с измерителя заряда 10 подается на устройство обработки 11, в состав которого входят три аналого-цифровых преобразователя (АЦП), выполненных в стандарте КАМАК, крейт КАМАК, контроллер крейта и ЭВМ типа IBM PC AT/386. Мишень-конвертор 3 связана с входом одного АЦП, а два детектора 7 и 8 с входами других. Свинцовый коллиматор 5 вырезает из пучка тормозного излучения 4 веерообразный пучок, в котором размещается образец 6, имитирующий исследуемый объект. Образцы из полиметилметакрилата, алюминия, железа, меди, кадмия и свинца имели форму пластин толщиной от 5 до 100 г/см² и располагались перпендикулярно пучку излучения 4 на расстоянии 1 м от конвертора 3. За образцом 6 по ходу пучка на расстоянии 3,4 м от конвертора находились два детектора 7 и 8 на основе сцинтилляторов 7а, 8а и фотодиодов 7б, 8б.

Использовались следующие пары сцинтилляторов: А) цезий йод CsI(Tl) толщиной 20 мм в первом детекторе и цезий йод толщиной 2 мм во втором; Б) ортогерманат висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) толщиной 45 мм (35,1 г/см²) в первом детекторе и цезий йод толщиной 2 мм во втором. Отметим, что массовый коэффициент ослабления фотонов с энергией E/2=2,8 МэВ равен для CsI(Tl) M(2,8 МэВ)= 0,0359 см²/г и для BGO M(2,8 МэВ)=0,0408 см²/г. Толщина первого детектора составляла 0,32/М(2,8 МэВ) для случая А) и 1,43/М(2,8 МэВ) для случая Б), а толщина второго детектора 0,032/М(2,8 МэВ).

Измерение сигналов с детекторов и конвертора производилось с помощью трех АЦП в момент поступления на управляющие входы АЦП синхроимпульса с ускорителя во время сброса электронов на мишень- конвертор. Величины сигналов с детекторов I_1i, I_2i и ток пучка I_0i, измеренные после каждого i-ого импульса, заносились в память компьютера. По истечении N-импульсов излучения вычисляются величины Суммирование сигналов от последовательности импульсов излучения позволяет уменьшить разброс величин L₁, L₂. Например, относительная точность измерения L₁, L₂ при N=1 равна 10-15% при N=100 равна 1,0-1,5% а при N=400 равна 0,5-0,7% Такое поведение свидетельствует об отсутствии аппаратурного дрейфа параметров тракта и статистической природе разброса, что в принципе позволяет увеличить точность измерений до величин, ограниченных стабильностью тракта, которая составляла около 0,1% за 8 ч работы.

На фиг. 2 приведены зависимости L₂ от L₁ для образцов из полиметилметакрилата, свинца (верхняя кривая) для пары детекторов: BGO толщиной 45 мм и CsI толщиной 2 мм. Из фиг. 2 видно, что при равной величине L₁, которая показывает степень ослабления интенсивности всего спектра излучения в материале, величина L₂, которая показывает ослабление мягкой части спектра, для свинца превышает аналогичную величину для ПММА. Наибольшее отличие, равное 30% наблюдается при L₁=0,3-0,4, что соответствует толщине исследуемого образца около 5 г/см². С ростом толщины образца различие в L₂ уменьшается и при L₁= 1,3 (20 г/см²) составляет около 7% Таким образом, при точности измерений L₁ и L₂, равной 0,5% в области толщин образцов до 20 г/см², указанное устройство позволяет разделить материалы по атомному номеру Z по крайней мере на 14 групп.

На фиг.3 приведено изменение величины для образцов из ПММА и свинца в зависимости от соотношения толщин детекторов в единицах длин свободного пробега гамма-излучения. Кривая 1 соответствует d₂=0,032 (экспериментальные данные). Кривая 2 соответствует d₂= 0,159 (расчетные данные). Кривая 3 соответствует d₂=0,318 (расчетные данные). Толщина d₁ на кривых 1-3 изменяется от d₂ до 1,5-2,0.

Из фиг.3 видно, что с ростом d₁ и уменьшением d₂ величина F возрастает, достигая насыщения при d₁ ≥ 2.

Отметим, что в данной установке достижима и более высокая точность измерения 2. Например, при точности измерения L₁ и L₂, равной 0,1% погрешность определения атомного номера в диапазоне от 3 до 92 для объектов толщиной до 20 г/см² не будет превосходить 1,2.

Формула изобретения

Устройство для контроля состава объекта путем пропускания проникающего электромагнитного излучения, содержащее ускоритель электронов, мишень-конвертор кинетической энергии ускоренных электронов в электромагнитное излучение, коллиматор и детекторы электромагнитного излучения, отличающееся тем, что мишень-конвертор изолирована от проводящих элементов установки и соединена с измерителем электрического заряда, а детекторы сцинтилляционного типа выполнены с различной толщиной чувствительной области d, удовлетворяющей соотношению 2/М (Е/2) ≥ d₁ ≥ 0,3/М (Е/2) у одного, где М (Е/2) массовый коэффициент ослабления электромагнитного излучения в материале чувствительной области, и d₂≅0,1d₁ у другого.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3