Рентгенографическое устройство

 

Изобретение относится к области цифровой рентгеновской техники, предназначенной для неразрушающего контроля объектов, и может быть использовано для таможенного контроля грузов и багажа, досмотра багажа авиапассажиров, для инспекции авиационных и морских контейнеров, для контроля продуктов в трубопроводах и т.п. Технический результат изобретения - осуществить распознавание химического состава сложных объектов, состоящих из нескольких химических компонент, по лучу зондирования, что невозможно выполнить с помощью известных устройств. Сущность: рентгенографическое устройство использует импульсный веерообразный поток рентгеновского излучения для зондирования объектов и однорядную матрицу фотоприемников. Система возбуждения импульсного источника тока ускоренных электронов выполнена так, что на мишени формируется периодическая последовательность группы из двух или более импульсов тока электронов с изменяющейся от импульса к импульсу внутри группы энергией электронов. При этом система возбуждения формирует одновременно коды каждого из импульсов в группе и по специальному информационному каналу передает их в систему приема сигналов с выходов системы фотоприемников, а сама система приема сигналов снабжена дополнительными ячейками меток сигналов. При работе рентгенографического устройства система приема сигналов осуществляет оцифровку сигналов с выходов фотоприемников, дополняет цифровой код каждого сигнала текущим кодом импульса электронов и передает эти информационные сигналы в вычислительное устройство. В вычислительном устройстве формируется несколько теневых изображений объекта по числу импульсов в группе, соответствующих различающимся спектрам рентгеновского излучения. Совместная обработка этих теневых изображений позволяет осуществлять распознавание однокомпонентных по химическому составу объектов при двух импульсах в группе и многокомпонентных объектов при формировании группы из трех и более импульсов ускоренных электронов. 5 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области цифровой рентгеновской техники, используемой для контроля объектов.

Известны цифровые рентгенографические устройства для контроля объектов, формирующие их полутоновые изображения (Рентгенотехника. Справочник под общей редакцией В. В. Клюева, 1992 г., т.2.; В.В. Клюев, В.Г. Фирсов, В.Б. Челноков. Приборы и автоматизированные установки рентгеновского специального контроля. - Приборы и средства автоматизации, 1993 г., 6, стр.16-28). Устройства этого типа содержат инспекционную камеру и средства транспортировки объекта через инспекционную камеру; источник тока ускоренных электронов с мишенью и с системой возбуждения, генерирующей ускоряющие напряжения и управляющие сигналы, и формирующую коллимационную структуру, расположенные с одной стороны трассы перемещения объектов через инспекционную камеру и формирующие узкий веерообразный поток рентгеновского излучения, пересекающего упомянутую трассу; многоканальную систему фотоприемников, расположенную по другую сторону трассы в зоне действия веерообразного потока рентгеновского излучения; коллимационную структуру на входе фотоприемников для отсечки неиспользуемого рентгеновского излучения; систему приема сигналов с выходов фотоприемников, осуществляющую аналого-цифровое преобразование и передачу упомянутых сигналов в вычислительное устройство; вычислительное устройство со средствами хранения и отображения информации, осуществляющее нормировку сигналов, их обработку и отображение; систему управления и средства радиационной защиты.

Устройства рассматриваемого типа работают следующим образом. Объект с помощью средств транспортировки передвигается через инспекционную камеру. За некоторое время до появления объекта в зоне облучения включается источник тока ускоренных электронов с системой возбуждения. При попадании электронов на мишень возникает тормозное рентгеновское излучение, из которого формирующей коллимационной структурой вырезается узкий веерообразный поток. Далее поток излучения пересекает трассу перемещения объектов и попадает на входы системы фотоприемников, представляющей собой однорядную матрицу фотоприемников, располагаемых в плоскости веерообразного потока излучения. Фотоприемники работают в накопительном режиме. Поэтому сигналы на их выходах пропорциональны энергии излучения, попадающей на фотоприемник за время накопления. Таким образом, система фотоприемников регистрирует распределение интенсивности веерообразного потока излучения (при одинаковом для всех фотоприемников времени накопления). Сигналы с выходов фотоприемников поступает в систему приема сигналов, где осуществляется их оцифровка. Далее сигналы в виде цифровых кодов поступают в вычислительное устройство и запоминаются. При появлении объекта в зоне облучения с выходов системы фотоприемников регистрируются сигналы, пропорциональные интенсивности ослабленного объектом излучения, которые системой приема сигналов также преобразуются в цифровой код и затем передаются в вычислительное устройство, где осуществляется их нормировка по сигналам, полученным в отсутствие объекта. Шаг за шагом, по мере перемещения объекта через зону облучения, вычислительное устройство формирует и представляет на средствах отображения (одном или нескольких мониторах) теневое изображение объекта, позволяющее выявить его внутреннюю структуру. При необходимости, вычислительное устройство осуществляет стандартные операции над изображением: изменение масштаба, изменение контраста, подчеркивание контуров и т.п.

Благодаря тому, что фотоприемники работают в накопительном режиме, источник тока ускоренных электронов и его система возбуждения могут работать как в непрерывном, так и в импульсном (импульсно-периодическом) режимах. При работе в импульсном режиме предъявляются высокие требования к постоянству энергии электронов и импульсного тока электронов от импульса к импульсу. Работа системы возбуждения и работа системы приема сигналов должны быть синхронизированы, причем прием сигналов с выходов фотоприемников осуществляется в паузе между импульсами тока, длительность которых выбирается много меньше периода следования импульсов. При этом регистрируется интегральная интенсивность потока излучения за импульс.

При инспекции объектов с небольшими и средними массогабаритными характеристиками (ручная кладь, чемоданы, авиационные контейнеры, легковые автомобили и т.п.) в качестве источника тока ускоренных электронов используются рентгеновские трубки, в которых ускорение электронов осуществляется в катод-анодном пространстве, причем анод служит мишенью. Одним из наиболее перспективных является источник тока ускоренных электронов на основе рентгеновской трубки с управляющим электродом, система возбуждения которого состоит из высоковольтного генератора постоянного напряжения, включенного в анод-катодную цепь трубки, и генератора управляющих импульсных сигналов, включенного в цепь управляющего электрода. Именно этот генератор и определяет импульсный режим работы источника. Требуемые значения энергии электронов в этом случае лежат в диапазоне 100-400 кэВ, а средний ток электронов - в диапазоне 1-3 мА.

При инспекции объектов с большими габаритами (морские контейнеры, контейнеровозы и т. п. ) используются в качестве источников тока ускоренных электронов линейные односекционные высокочастотные ускорители электронов на энергию в диапазоне 1-10 МэВ со средним током ~0,1-0,3 мА и специальные мишени. Такие ускорители содержат электронную пушку, одну секцию ускорения электронов и одноканалъную систему возбуждения.

При необходимости, в обоих случаях мишени принудительно охлаждаются. Возможно также применение вращающихся мишеней.

В качестве коллимационных структур обычно используются структуры на основе щелевых коллиматоров.

Для перемещения объектов используются конвейеры, движущиеся платформы и т.п.

В качестве вычислительных устройств используются как специализированные вычислительные средства, так и ЭВМ типа персональных компьютеров.

Рассмотренные устройства, работающие в импульсном режиме, далее рассматриваются как базовая модель.

Принципиальным недостатком рассматриваемых устройств является то, что в изображениях объектов, формируемых этими устройствами, неразделимо перемешана информация о химическом составе объектов и информация о массогабаритных характеристиках объектов, поскольку ослабление рентгеновского излучения объектом зависит как от массового набега по лучу зондирования, соответствующего отдельному фотоприемнику, так и от химического состава объекта на пути зондирующего луча.

Для различения объектов по их химическому составу разработаны на основе очерченных выше устройств устройства, в которых либо осуществляется расщепление спектра падающего на фотоприемники излучения, либо объект зондируется последовательно излучением от двух источников с разными электрическими потенциалами на рентгеновских трубках (Проспекты по устройству Linescan фирмы EG H G Acmpophysics; Патент РФ 2115914, класс 6 G 01 N 23/24 от 23.04.1997 г.; Патент WO 93/14419, PCT/GB 92/00885, класс G 01 V 5/00, G 01 N 23/24 от 22.07.1993 г.; Заявка на изобретение 44069588 ФРГ от 03.03.1994 г. - РЖ "Метрология и измерительная техника", отд. выпуск, ВИНИТИ, 1996 г., 12, реферат 12.132.589П).

В устройствах Linescan расщепление спектра излучения достигается тем, что однородная многоканальная система регистрации излучения выполнена так, что каждый канал регистрации состоит из двух расположенных один за другим фотодетекторов. В этом случае первый фотодетектор является рентгеновским фильтром по отношению ко второму. Первый фотодетектор воспринимает преимущественно низкоэнергетическую часть спектра излучения, ослабление которой объектом сильно зависит от химического состава объекта, а второй - высокоэнергетическую часть спектра, ослабление которой определяется, в основном, массовым набегом по лучу зондирования, воспринимаемому отдельным каналом регистрации. Совместная обработка сигналов с этих фотодетекторов и позволяет судить о химическом составе соответствующих пространственных элементов объекта.

Одним из недостатков устройств данного типа является некоторое снижение качества теневого изображения по сравнению с базовыми устройствами из-за увеличения шумов, вносимых системой регистрации, поскольку теневое изображение должно строиться по сумме сигналов от обоих фотодетекторов в каждом канале регистрации. Другим недостатком является то, что рассматриваемое техническое решение применимо только при энергиях квантов до ~ 200 кэВ и не работает при энергиях квантов диапазона 1-10 МэВ, то есть оно не может быть использовано при контроле объектов типа морских контейнеров.

В устройстве по патенту РФ 2115914 расщепление спектра достигается с помощью установки пластинчатых рентгеновских фильтров на входах фотодетекторов через один фотодетектор. При этом затененные фильтрами фотодетекторы регистрируют преимущественно высокоэнергетическую часть спектра излучения, а незатененные - весь спектр. Совместная обработка сигналов с затененных и незатененных детекторов, как и в предыдущем случае, позволяет различать объекты по их химическому составу.

Неустранимым недостатком принципиального характера последнего устройства является тот факт, что сравниваются сигналы от детекторов, соответствующих разным путям прохождения рентгеновских лучей через объект. Следствием этого является повышенная чувствительность устройства к неоднородностям объектов. Поэтому такие устройства применимы для различения только достаточно однородных объектов. Кроме того, как и в предыдущем случае, использованное техническое решение для расщепления спектра прошедшего излучения непригодно при больших энергиях квантов.

В устройстве по патенту WO 93/14419 реализован способ разделения спектров при энергиях квантов диапазона 1-10 МэВ путем использования весьма сложной оптической схемы и вторичных мишеней, что делает устройство чрезвычайно чувствительным к фону излучения. Кроме того, предложенный подход неработоспособен в области низких энергий.

В заявке на изобретение 44069588 ФРГ предлагается использование фактически двух устройств, установленных по пути перемещения объекта, что приводит к удвоению оборудования.

Принципиальным общим недостатком всех трех рассмотренных типов устройств является то, что эти устройства позволяют идентифицировать только однокомпонентные по лучу зондирования объекты. В случае, если на пути зондирующих лучей химический состав объекта изменяется (например, наркотики упакованы в металлический ящик), эти устройства позволяют получать только некоторую усредненную информацию о химическом составе таких объектов, что недостаточно для решения инспекционных задач.

Целью предлагаемого изобретения является повышение функциональных возможностей рентгенографических устройств на основе базовой модели, использующих импульсный режим работы, без ухудшения качества теневого изображения. При этом сама базовая модель, работающая в импульсном режиме, рассматривается как ближайший прототип. Эта цель достигается путем реализации нового направления развития базовой модели. Именно, в устройствах, содержащих инспекционную камеру; средства транспортировки объектов через инспекционную камеру; источник тока ускоренных электронов с мишенью и системой возбуждения и формирующую коллимационную структуру, создающих узкий веерообразный импульсный поток рентгеновского излучения; отсекающую коллимационную структуру; систему фотоприемников; систему приема сигналов; вычислительное устройство со средствами хранения и отображения информации; систему управления и средства радиационной защиты, систему возбуждения источника предлагается выполнить так, чтобы обеспечить генерирование периодической последовательности группы из двух или более двух импульсов тока электронов с различающейся от импульса к импульсу внутри группы энергией ускоренных электронов. Одновременно система возбуждения должна осуществлять и выработку кодов импульсов, идентифицирующих импульсы внутри группы. Этим достигается формирование периодической последовательности группы импульсов потока рентгеновского излучения с различающимися от импульса к импульсу спектрами излучения. Далее предлагается систему возбуждения связать дополнительно через информационный канал с системой приема сигналов, а саму систему приема сигналов дополнить ячейками меток, что должно обеспечить идентификацию сигналов с выходов фотоприемников по их соответствию импульсам тока электронов с определенной энергией, или, иначе, по их принадлежности к определенным спектрам рентгеновского излучения. При этом в памяти вычислительного устройства будет сформировано несколько теневых изображений объекта по числу импульсов ускоренных электронов в упомянутой группе импульсов, соответствующих различающимся спектрам рентгеновского излучения. Совместная обработка этих теневых изображений объекта и позволяет осуществить различение объектов по их химическому составу. При этом для распознавания однокомпонентных по лучу зондирования объектов необходимо сформировать группу из двух импульсов тока ускоренных электронов с различающейся энергией электронов, для распознавания химического состава двухкомпонентных по лучу зондирования объектов - группу из трех импульсов тока ускоренных электронов с различающейся энергией, трехкомпонентных - группу из четырех импульсов и т.д. Это подтверждает существенность изложенных выше отличительных признаков.

Для обеспечения приемлемой надежности распознавания необходимая глубина регулирования энергии электронов от импульса к импульсу должна быть в пределах 3-4 раз для высоких энергий электронов и 1,5-2 раза для небольших энергий электронов.

Предложенный путь одинаково пригоден как при использовании в качестве источника ускоренного пучка электронов рентгеновских трубок, так и при использовании в этих целях ускорителей электронов.

На высоких энергиях, при использовании в рентгенографическом устройстве в качестве источника тока ускоренных электронов линейного односекционного ускорителя, обеспечение требуемой глубины регулировки энергии электронов сопряжено с большими трудностями, обусловленными техническими характеристиками оборудования. Для решения этой задачи предлагается создавать линейный ускоритель из двух или более двух ускоряющих секций, а систему возбуждения выполнить многоканальной с независимой регулировкой амплитуды ускоряющего напряжения в каждом канале и обеспечивающей поочередно, от импульса к импульсу, работу либо всех ускоряющих секций одновременно, либо в разном составе. Максимальная энергия электронов достигается при работе всех ускоряющих секций, а минимальная - при работе одной ускоряющей секции. При этом ускоряющее напряжение на каждой из секций также может, при необходимости, управляться, что должно обеспечиваться системой возбуждения ускорителя.

При низких энергиях электронов в рентгенографическом устройстве, содержащем в качестве источника тока ускоренных электронов рентгеновскую трубку с управляющим электродом, система возбуждения которой состоит из высоковольтного генератора постоянного напряжения, включенного в цепь анод - катод, и генератора управляющих импульсов, включенного в цепь управляющего электрода трубки, требуемое регулирование энергии электронов невозможно. В этом случае для решения задачи предлагается включить в систему возбуждения дополнительно блок модулятора, подсоединенного в цепь анод - катод и осуществляющего синусоидальную модуляцию напряжения на трубке, а генератор управляющих импульсов предлагается выполнить так, чтобы обеспечить формирование периодической последовательности группы из двух или более двух импульсов, жестко привязанных к фазе модулирующего напряжения, а также обеспечить формирование этим генератором кодовых сигналов, идентифицирующих управляющие импульсы в упомянутой группе импульсов. Возможная глубина регулирования энергии электронов в этом случае определяется амплитудой модулирующего напряжения.

Для ослабления требований к стабильности параметров импульсов электронов предлагается установить в промежутке между объектом и мишенью дополнительные фотоприемники, регистрирующие неиспользуемое боковое рентгеновское излучение мишени. Сигналы с этих дополнительных фотоприемников, пропорциональные текущей интенсивности рентгеновского излучения, через дополнительные каналы регистрации системы приема сигналов должны поступать в вычислительное устройство и использоваться для перенормировки основных сигналов. Это приведет к исключению влияния нестабильности тока электронов в импульсе на теневые изображения объекта.

При непрерывном движении объекта через зону облучения сигналы с выходов фотоприемников, инициированные соседними импульсами тока электронов, будут, вообще говоря, принадлежать к разным пространственным элементам объекта, что требует однородности объекта на длине, определяемой скоростью перемещения и длительностью группы импульсов. Для ослабления требований к однородности объекта предлагается систему транспортировки объектов через инспекционную камеру выполнить так, чтобы обеспечить пошаговое перемещение объекта через зону облучения, при этом само перемещение совершается в паузах между появлением соседних групп импульсов, а при действии группы импульсов объект неподвижен. При этом система управления рентгенографическим устройством должна быть выполнена так, чтобы обеспечить пакетно-импульсный режим работы оборудования устройства, при котором интервалы времени между импульсами тока электронов внутри упомянутой группы импульсов много меньше интервалов времени между соседними группами импульсов.

Важной областью применения предлагаемого устройства может быть контроль химического состава продуктов, транспортируемых по трубопроводам. Мешающим фактором является толщина труб, выполняемых, как правило, из стали. Предлагается для этого случая средства перемещения объекта выполнить в виде двух секций трубопровода, соединенных фланцами через прокладку из материала с малыми значениями эффективного атомного номера, например из алюминия. При этом зондирующее рентгеновское излучение должно пересекать трубу в сечении, в котором расположена прокладка, что существенно снизит ослабление используемого рентгеновского излучения и искажение его спектра.

Изложенные дополнительные признаки содержат частные технические решения, подтверждающие реализуемость устройства, расширяют область возможного применения и/или улучшают качество изображений и уменьшают ошибки в выявлении химического состава объектов, что подтверждает существенность этих дополнительных признаков.

На фиг. 1 представлена схематическая структура рентгенографического устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма тока (а) и энергии электронов (б); на фиг.3 показана схематично структура источника тока на основе двухсекционного линейного ускорителя электронов; на фиг.4 - временная диаграмма амплитуды ускоряющих напряжений на секциях двухсекционного ускорителя (а, б) и выходной энергии ускоренных электронов (в); на фиг.5 приведена структура импульсного источника тока ускоренных электронов на основе рентгеновской трубки с управляющим электродом; на фиг.6 - временная зависимость напряжения на рентгеновской трубке (а) и энергии и относительного положения импульсов тока трубки (б); на фиг.7 приведена временная диаграмма тока пучка при работе устройства в пакетно-импульсном режиме; на фиг.8 показано взаимное положение веерообразного потока рентгеновского излучения, двухсекционной трубы и системы фотоприемников, вид сверху.

Устройство содержит импульсный источник тока ускоренных электронов 1 с мишенью и с системой возбуждения 2, формирующую коллимационную структуру 3, средства транспортировки объектов 4 с объектом 5, инспекционную камеру 6, отсекающую коллимационную структуру 7, систему фотоприемников 8, систему приема сигналов 9, вычислительное устройство 10 со средствами отображения информации 11, систему управления 12 с пультом управления 13, средства радиационной защиты 14.

Устройство может содержать также дополнительные фотоприемники 15.

Источник тока на основе линейного ускорителя по фиг.3 содержит электронную пушку 16, секции ускорения 17 и 18.

Источник тока на основе рентгеновской трубки по фиг.5 содержит рентгеновскую трубку 19 с управляющим электродом, высоковольтный генератор постоянного напряжения 20, генератор управляющих импульсов 21 и блок модулятора 22.

Средства транспортировки по фиг.7 состоят из двухсекционной трубы 23 с прокладкой 24.

Устройство функционирует следующим образом.

Объект 5 устанавливается на средствах транспортировки 4 и по команде с пульта управления 13 начинает перемещаться внутри инспекционной камеры 6.

При подходе объекта к зоне облучения система управления 12 инициирует работу импульсного источника тока ускоренных электронов 1 с системой возбуждения 2, что приводит к появлению на мишени периодической последовательности группы импульсов тока ускоренных электронов с различающейся от импульса к импульсу внутри группы энергией, как показано на фиг.2. Одновременно система возбуждения 2 вырабатывает синхросигналы, поступающие в систему приема 9, и коды, идентифицирующие импульсы в группе. Коды по дополнительному информационному каналу также поступают в систему приема сигналов 9 на дополнительные ячейки меток. Возникающий на мишени импульсный поток рентгеновского излучения в виде повторяющейся группы импульсов излучения с различающимися от импульса к импульсу спектрами проходит через формирующую коллимационную структуру 3, приобретая веерообразную форму в плоскости, примерно перпендикулярной трассе перемещения объекта 5 внутри инспекционной камеры 6, пронизывает инспекционную камеру 6 и через отсекающую коллимационную структуру 7 попадает на входы системы фотоприемников 8. Фотоприемники системы фотоприемников 8 работают в накопительном режиме с временем накопления сигнала, много большим длительности импульса тока излучения, что обусловлено инерционностью механизмов преобразования энергии рентгеновского излучения в электрический сигнал.

Через промежуток времени, примерно равный установленному времени накопления сигнала фотоприемниками, после окончания каждого импульса излучения система приема сигналов 9, инициированная синхроимпульсами, поступающими из системы возбуждения 2, поочередно подключается к выходам системы фотоприемников 8. Одновременно на дополнительных ячейках меток системы приема сигналов 9 появляются коды импульсов. Сигналы с выходов фотоприемников преобразуются системой приема сигналов в цифровой код, который дополняется кодом импульса, и передаются в вычислительное устройство.

При пересечении объектом зоны облучения процесс регистрации сигналов продолжается, пока объект не пройдет полностью через зону облучения. При этом регистрируются сигналы с выходов фотоприемников от рентгеновского излучения, ослабленного объектом.

Вычислительное устройство осуществляет нормировку измененных объектом сигналов по сигналам с одних и тех же фотоприемников, полученных в отсутствие объекта и обладающих одинаковым кодом-меткой.

После прохождения объекта через зону облучения в памяти вычислительного устройства формируются несколько двумерных матриц цифровых данных по числу импульсов тока электронов в повторяющейся группе импульсов, представляющих собой теневые изображения объекта. Эти теневые изображения соответствуют разным спектрам зондирующего рентгеновского излучения. Совместная обработка полученных изображений и позволяет определить химический состав объекта.

Однако при непрерывном перемещении объекта через зону облучения сформированные цифровые матрицы, относящиеся к разным спектрам рентгеновского излучения, соответствуют разным пространственным элементам объекта, как и при работе устройств по патенту РФ 2115914. Поэтому на первом этапе совместной обработки изображений необходимо провести процедуру сглаживания теневых изображений путем формирования виртуальной апертуры фотоприемников, одной и той же для всех теневых изображений, но перекрывающей несколько элементов разрешения. В итоге сглаживания получаются новые цифровые матрицы изображений, соответствующие одним и тем же пространственным элементам объекта, то есть элементам объекта, соответствующим виртуальной апертуре фотоприемников. Такая процедура сглаживания поэтому приводит к увеличению пространственного элемента разрешения, которое, однако, в рассматриваемом случае может регулироваться либо путем изменения скорости перемещения объекта, либо путем изменения общей длительности группы импульсов, в отличие от устройств по патенту РФ 2115914, где такая возможность отсутствует.

Кроме названных процедур вычислительное устройство осуществляет вывод любого из теневых изображений на средства отображения, формирование и вывод на средства отображения псевдоцветных изображений и цифро-буквенной информации, отражающих найденный химический состав объекта, а также осуществляет, при необходимости, стандартные операции над изображением.

Изложенная последовательность операций осуществляется как при работе устройств на основе ускорителей электронов (энергии электронов 1-10 МэВ), так и при работе устройств на основе рентгеновских трубок (энергии электронов до ~200 кэВ и, возможно, до ~400 кэВ).

Если источник тока электронов выполнен на основе многосекционного линейного ускорителя электронов, как показано на фиг.3 на примере ускорителя, содержащего электронную пушку 16 и две секции ускорения 17 и 18, то система возбуждения выполняется многоканальной с независимым управлением ускоряющим напряжением в каждом канале.

Функционирует источник следующим образом. По команде, поступающей из системы управления 12, система возбуждения 2 формирует периодическую последовательность управляющих импульсов, запускающих электронную пушку 16. Одновременно на ускоряющей секции 17, например, при первом импульсе тока с пушки система возбуждения формирует ускоряющее напряжение U1, а секция 18 остается незадействованной. Тогда энергия электронов в первом импульсе будет определяться только напряжением U1. Пусть к приходу второго импульса тока система возбуждения на первой секции формирует напряжение U1, а на второй - U2. Тогда выходная энергия электронов будет определяться суммой напряжений U1+U2. При повторении процесса энергия ускоренных электронов будет изменяться от импульса к импульсу с глубиной модуляции, равной (U1+U2)/U1= 1+U2/U1, где U1- амплитуда ускоряющего напряжения на ускоряющей секции 17; U2 - амплитуда ускоряющего напряжения на ускоряющей секции 18.

Временная диаграмма формирования энергии электронов для двухсекционного ускорителя показана на фиг.4 при условии, что напряжения U1 и U2 постоянны. Видно, что период следования импульсов ускоряющего напряжения, поступающих на секцию 18, должен быть в два раза больше периода поступления импульсов на первую секцию. Легко показать, что при увеличении числа секций период следования ускоряющих импульсов на третью секцию должен быть в три раза больше, а на четвертую - в четыре раза больше периода поступления импульсов на первую секцию и т.д. Следовательно, система возбуждения многосекционного ускорителя должна формировать кратные последовательности импульсов ускоряющего напряжения, поступающего на ускоряющие секции. При этом ускоряющие секции будут работать в стандартном для таких устройств режиме. Выбором амплитуд напряжений на отдельных секциях и, при необходимости, их дополнительной регулировкой от импульса к импульсу можно достичь глубокой регулировки энергии ускоренных электронов от импульса к импульсу.

Одновременно с формированием ускоряющих напряжений система возбуждения 2 формирует синхросигналы и кодовые сигналы, идентифицирующие энергию электронов.

Если источник ускоренных электронов создан на основе рентгеновской трубки с управляющим электродом, как показано на фиг.5, то энергия электронов определяется положением импульса тока в трубке относительно фазы модулирующего напряжения, как видно из временной диаграммы на фиг.6. При этом импульсы тока должны повторяться через одно и то же число периодов модулирующего напряжения.

Работает источник следующим образом. По команде с системы управления 12 предварительно включается высоковольтный генератор постоянного напряжения 20. Инициирующие импульсы системы управления 12 запускают блок модулятора 22 и генератор управляющих импульсов 21. Синусоидальный сигнал с блока модулятора 22, синфазный с модулирующим напряжением, поступает на вход генератора управляющих импульсов 21 и используется для формирования группы управляющих импульсов, жестко привязанных к фазе модулирующего напряжения. Расстояние между импульсами в группе задается аппаратно в генераторе. Управляющие импульсы с выхода генератора 21 поступают на управляющий электрод рентгеновской трубки 19 и на аноде рентгеновской трубки появляются импульсы тока электронов, энергия которых определяется действующим в данный момент напряжением на трубке. Одновременно генератор управляющих импульсов формирует кодовые сигналы, идентифицирующие управляющие импульсы по энергии электронов, и синхросигналы, поступающие в систему приема сигналов 9.

Если установлены дополнительные фотоприемники 15, сигналы с их выходов также поступают в систему приема сигналов 9 на дополнительные каналы регистрации, преобразуются в цифровой код, дополняются кодом импульса и передаются в вычислительное устройство. Вычислительное устройство осуществляет перенормировку сигналов, несущих информацию об объекте, по этим дополнительным сигналам, имеющим одинаковый код-метку. Тем самым существенно ослабляется влияние нестабильности импульсного тока электронов на информационные сигналы.

Если транспортные средства выполнены так, что осуществляется пошаговое перемещение объектов, то система управления устройством должна отслеживать начало и конец действия периодически повторяющейся группы импульсов электронов и вырабатывать команды на перемещение объекта только после завершения цикла прохождения всей группы импульсов, а также вырабатывать команды на остановку объекта перед появлением очередной группы импульсов. Устройство работает в пакетно-импульсном режиме, когда интервалы времени между импульсами тока электронов внутри группы импульсов существенно меньше интервалов времени между группами импульсов, как показано на фиг.7. При пошаговом перемещении объекта сформированные в памяти вычислительного устройства первичные теневые изображения, принадлежащие разным спектрам зондирующего рентгеновского излучения, относятся к одним и тем же пространственным элементам объекта. Поэтому необходимость в процедуре сглаживания исчезает, а пространственное разрешение соответствует реальным апертурам фотоприемников. Однако и в этом случае процедура сглаживания может осуществляться для повышения отношения сигнал/шум, влияющего на надежность распознавания химического состава объекта.

Другим важным инструментом повышения отношения сигнал/шум и увеличения тем самым надежности распознавания является независимая установка/регулировка тока в группах импульсов, призванная компенсировать различия в интегральном ослаблении объектом рентгеновских излучений разных спектров. Такая регулировка достигается, например, распределением импульсов, инициирующих первичный источник электронов (электронную пушку в ускорителях, катодно-сеточный узел в рентгеновских трубках), по отдельным каналам для каждого из импульсов в группе импульсов, регулировкой усиления каждого из импульсов независимо и последующим объединением импульсов в оконечном каскаде усиления, работающем на управляющий электрод первичного источника электронов.

Дополнительное увеличение отношения сигнал/шум можно получить, улучшив контраст рентгеновского изображения на входах системы фотоприемников при выполнении, например, отсекающей коллимационной структуры на основе растровых рентгеновских фильтров или на основе многоканальных пластин. Однако такой метод трудно исполним при работе с рентгеновскими квантами больших энергий.

При использовании средств транспортировки в виде двухсекционных труб 23, разделенных прокладкой 24, из-за особенностей контролируемых объектов реализовать регистрацию сигналов в отсутствие объекта невозможно. В этом случае нормировка сигналов может осуществляться по данным, полученным при пуско-наладочных работах или расчетным путем, а перенормировка по данным, полученным от дополнительных фотоприемников, осуществляется по изложенной выше процедуре. Роль этих дополнительных фотоприемников в этом случае возрастает, так как одновременно устраняется влияние эффекта долговременной нестабильности тока пучка электронов на теневые изображения и на надежность контроля химического состава прокачиваемого продукта. При этом сигналы фотоприемников, затененных крепежными болтами, могут использоваться для определения распределения средней плотности продукта по сечению трубы. Взаимное положение плоскости веерного пучка излучения, сочленения труб и системы фотоприемников показано на фиг.8.

Рассмотрим процесс совместной обработки теневых изображений и распознавания химического состава объектов более подробно.

Величина нормированных сигналов U_i на выходе фотоприемников, соответствующих одному и тому же i-му импульсу тока электронов в повторяющейся группе импульсов, для одного и того же элемента объема объекта может быть представлена в виде i=1, 2, 3...k, где Е_i - энергия электронов в импульсе тока пучка с номером i; I_i(Е) - спектральная интенсивность рентгеновского излучения, инициированного на мишени импульсом тока электронов с номером i; S_i(Е) - спектральная чувствительность фотоприемника; m_j - массовый набег для j-й химической компоненты объекта на пути зондирующего луча, воспринимаемого рассматриваемым фотоприемником; μ_j(E) - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения j-й компонентой при энергии квантов Е; n - число химических компонент в объекте по лучу зондирования; k - число импульсов электронов в группе.

Под химической компонентой при этом следует понимать либо химический элемент, либо химическое соединение, либо смесь химических элементов и/или соединений, для которых могут быть измерены или вычислены массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения как функции энергии квантов.

Физическим основанием процедуры распознавания химического состава объектов является то, что массовые коэффициенты ослабления μ можно представить как сумму из двух частей: μ = μ₁+μ₂. (2) В области энергий квантов до ~200 кэВ μ₁ представляет собой часть массового коэффициента ослабления, обусловленную фотоэлектрическим поглощением рентгеновского излучения, а μ₂ - часть, обусловленную комптоновским рассеянием. При этом μ₁~Z⁵ (3) и быстро спадает с ростом энергии квантов, μ₂~Z и является медленной функцией энергии квантов.

В области энергий Е>1 МэВ μ₁ можно отождествить с частью коэффициента массового ослабления, обусловленной эффектом рождения пар, а μ₂ - по-прежнему с комптоновским рассеянием. При этом
μ₁~Z², (4)
и части μ₁ и μ₂ имеют разные зависимости от энергии квантов.

В промежуточной области квантов 200 кэВ<Е<1 МэВ распознавание возможно только для компонент с большими Z. Здесь Z - некоторый атомный номер элемента, близкий к максимальному Z среди элементов, входящих в химическую компоненту.

Оказывается, что для идентификации однокомпонентных объектов достаточно число импульсов k=2. При этом каждая компонента может характеризоваться набором значений сигналов U₁ и U₂, и могут использоваться процедуры идентификации, аналогичные используемым в известных устройствах.

Физическим основанием распознавания химического состава объекта, состоящего из двух и более компонент, являются различия в зависимостях от энергии квантов части коэффициента массового ослабления излучения μ₁(Е) для разных химических компонент. При этом возможна следующая процедура распознавания.

Будем предполагать, что для всех химических компонент, которые могут содержаться в инспектируемых объектах, измерены или вычислены μ(Е) в пределах используемого спектра излучения и заложены в банк данных измерительного устройства. Будем рассматривать соотношение (1) как систему уравнений относительно массовых набегов m_j. Осуществим перебор всех возможных комбинаций компонент из банка, вычисляя из интегральных уравнений возможные массовые набеги для этих компонент, исходя из очевидного условия
m_j≤0. (5)
На первом шаге проверяется гипотеза об однокомпонентном составе рассматриваемого пространственного элемента объекта. Для этого выбирается из банка данных какая-либо одна компонента и соответствующая ей функция μ(Е) подставляется в систему уравнений (1). Далее, из первого, например, уравнения определяется значение массового набега m. Подставляя найденные значения m и функцию μ(Е) в другие уравнения системы, проверяют их выполнение. Если, в пределах ошибок измерений и вычислений, эти уравнения выполняются, процедура распознавания завершается, в противном случае переходят к следующей компоненте из банка данных.

Минимально необходимое число уравнений для однокомпонентного объекта при изложенной процедуре равно двум. Это означает, что для идентификации (распознавания) однокомпонентных объектов необходимо использовать два импульса излучения с различающимися спектрами, то есть два импульса тока электронов с различающимися энергиями.

На практике обычно ставится вопрос, содержит ли объект какие-либо из небольшого списка компоненты (взрывчатка, наркотики и т.п.). В этом случае проверяется только этот небольшой список компонент.

При отрицательном ответе по всему списку компонент необходимо перейти к аналогичной процедуре в предположении, что объект (элемент объекта) является двухкомпонентным, например содержит взрывчатку в упаковке. Как и ранее, из банка данных (или из небольшого списка возможных комбинаций) выбираются две компоненты. Подставляя известные для них значения μ₁(Е) и μ₂(Е) в первые два уравнения, например, системы (1), определяют величины m₁ и m₂. Найденные значения m₁ и m₂ и известные функции μ₁(E) и μ₂(Е) подставляют в остальные уравнения. Если последние, в пределах ошибок измерений и вычислений, выполняются, процедура завершается. В противном случае необходимо перейти к новой паре компонент.

Минимально необходимое число уравнений для распознавания двухкомпонентных объектов равно трем, причем два из них используются для определения массовых набегов, а третье - для подтверждения гипотезы о составе объекта. Это означает, что для распознавания двухкомпонентных объектов необходимо использовать три импульса ускоренных электронов с различающимися спектрами.

Аналогично, для распознавания трехкомпонентных объектов необходимо использовать четыре импульса ускоренных электронов и т.д.

Следует, однако, отметить, что при переходе к распознаванию объектов из трех и более компонент сильно возрастают требования к точности измерений.

При выборе основных параметров предлагаемых устройств можно руководствоваться следующими соображениями.

Выбор верхних значений энергии ускоренных электронов и тока в импульсе может быть осуществлен по методикам, используемым при создании известных устройств (прототипа).

При выборе низших значений энергии ускоренных электронов можно руководствоваться следующим:
- для диапазона энергий 1-10 МэВ низшая энергия ускоренных электронов должна быть в 3-4 раза меньше верхнего значения энергии электронов; другие значения энергии могут выбираться равномерно из интервала значений между наименьшим и наибольшим значениями энергии;
- для диапазона энергий квантов < 200 кэВ нижнее значение энергии электронов должно быть в 1,5-2 раза меньше верхнего значения; остальные значения равномерно распределяются по интервалу между нижним и верхним значениями энергий.

Чем больше разница между соседними значениями энергий ускоренных электронов, тем меньшие требования предъявляются к точности измерений и тем больше надежность распознавания.

Границы регулировки тока определяются технологическими и экологическими ограничениями (допустимая доза облучения объекта, допустимая импульсная мощность и т.п.).

Частота анодной модуляции в предложенном рентгенографическом устройстве на основе рентгеновской трубки с управляющим электродом может быть выбрана из широкого диапазона допустимых ее значений. Нижняя граница диапазона равна половине требуемой частоты следования импульсов тока ускоренных электронов, а верхняя определяется из условия, чтобы период модуляции был много больше длительности этих импульсов. В частности, частота модуляции может быть равна частоте вторичного источника тока, используемого в высоковольтном генераторе постоянного напряжения.

Предлагаемое устройство может найти применение в таможенной службе для контроля грузов и багажа на предмет выявления недозволенных вложений; в службе авиаперевозок для выявления взрывчатых веществ в багаже авиапассажиров; в службах безопасности для выявления оружия и взрывчатых веществ в посылках, кейсах, чемоданах; на трубопроводном транспорте для контроля состава продуктов, например примесей тяжелых металлов и т.п.

Формула изобретения

1. Рентгенографическое устройство, содержащее инспекционную камеру и средства транспортировки объектов через инспекционную камеру, импульсный источник тока ускоренных электронов с мишенью и системой возбуждения и формирующую коллимационную структуру, расположенные с одной стороны трассы перемещения объектов через инспекционную камеру и формирующие периодическую последовательность импульсов веерообразного потока рентгеновского излучения, пересекающего упомянутую трассу, многоканальную систему фотоприемников, расположенную по другую сторону упомянутой трассы в зоне действия веерообразного потока рентгеновского излучения, коллимационную структуру на входе фотоприемников для отсечки неиспользуемого рентгеновского излучения, систему приема сигналов с выходов фотоприемников, осуществляющую аналого-цифровое преобразование и передачу упомянутых сигналов в вычислительное устройство, вычислительное устройство со средствами хранения и отображения информации, осуществляющее нормировку сигналов, формирование полутоновых теневых изображений, их обработку и отображение, систему управления, средства радиационной защиты, отличающееся тем, что система возбуждения источника тока ускоренных электронов выполнена так, чтобы обеспечить генерирование периодической последовательности группы из двух или более двух импульсов тока с изменяющейся от импульса к импульсу внутри упомянутой группы энергией электронов и выработку кодов импульсов, идентифицирующих импульсы внутри группы, упомянутая система возбуждения дополнительно связана информационным каналом с системой приема сигналов с выходов фотоприемников, система приема сигналов дополнительно снабжена ячейками меток сигналов, обеспечивающими идентификацию сигналов с фотоприемников по их соответствию импульсам тока электронов с одной и той же энергией электронов, а вычислительное устройство осуществляет формирование нескольких полутоновых изображений объекта по числу импульсов в упомянутой группе импульсов, соответствующих различающимся спектрам рентгеновского излучения, создаваемого на мишени импульсами тока с различающейся энергией электронов, проводит совместную обработку упомянутых изображений и оценку химического состава объекта, формирует псевдоцветные изображения объекта и/или цифробуквенную информацию, отражающие химический состав объекта.

2. Рентгенографическое устройство по п.1, отличающееся тем, что источник тока ускоренных электронов, выполненный на основе линейного ускорителя электронов, содержит две или более ускоряющие секции, а система возбуждения ускорителя выполнена многоканальной и обеспечивает поочередно от импульса к импульсу работу одной, двух и т.д. ускоряющих секций.

3. Рентгенографическое устройство по п.1, отличающееся тем, что в источнике тока ускоренных электронов на основе рентгеновской трубки с управляющим электродом, система возбуждения которой состоит из высоковольтного генератора постоянного напряжения, включенного в цепь анод - катод, и генератора управляющих импульсов, включенного в цепь управляющего электрода трубки, упомянутая система возбуждения дополнена блоком модулятора, включенного в цепь анод - катод и осуществляющего синусоидальную модуляцию напряжения на трубке, а генератор управляющих импульсов выполнен так, чтобы обеспечить формирование периодической последовательности группы из двух или более импульсов, жестко привязанных к фазе модулирующего напряжения, и формирование кодовых сигналов, идентифицирующих импульсы в упомянутой группе.

4. Рентгенографическое устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что оно содержит дополнительные фотоприемники, расположенные между объектом и мишенью в зоне действия неиспользуемого бокового рентгеновского излучения мишени, система приема сигналов дополнена каналами по числу дополнительных фотоприемников, а вычислительное устройство осуществляет перенормировку сигналов с выходов системы фотоприемников по сигналам дополнительных фотоприемников.

5. Рентгенографическое устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что средства транспортировки объектов и система управления выполнены так, что они обеспечивают пошаговое перемещение объектов через зону облучения в паузах между появлениями соседних групп импульсов тока ускоренных электронов, причем длина шага согласована с линейными размерами апертуры фотоприемников, а система управления обеспечивает пакетно-импульсный режим работы устройства.

6. Рентгенографическое устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что средства перемещения объектов выполнены в виде двух секций трубопровода, снабженных фланцами и соединенных друг с другом через прокладку между фланцами, изготовленную из материала с небольшим эффективным атомным номером, например из алюминия, и установленных так, что узкий веерообразный поток рентгеновского излучения пересекает трубопровод через прокладку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8