Федоровский Е.В., аспирант ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр» (ООО «Флэш электроникс»)
МОДЕЛЬ СКАНЕРА НА ОБРАТНОРАССЕЯННОМ РЕНТГЕНОВСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА МОНТЕ-КАРЛО
Статья посвящена развитию средств досмотра и поиска при проведении антитеррористических и оперативных мероприятий. Предложена модель взаимодействия рентгеновского излучения с объектом за преградой с учетом физических и геометрических ограничений. Результаты моделирования доказывают принципиальную возможность практической реализации сканера на основе метода регистрации обратнорассеянного рентгеновского излучения.
Ключевые слова: радиационная интроскопия, обеспечение безопасности, сканер, рассеивание фотонов.
MODEL OF THE BACK-SCATTERED X-RAYS SCANNER BASED ON THE MONTE-CARLO METHOD
The paper is devoted to the development of examination and search means used at the implementation of anti-terrorism and investigation and search operations. The model of X-rays interaction with the object behind a barrier with due regard for physical and geometrical limitations is proposed. Modeling results prove the principal possibility of practical implementation of a scanner on basis of the method of X-rays back-scattered registration.
Key words: radiation introscopy, safety measures, scanner, dispersion of photons.
Введение
При проведении поисковых, досмотровых и специальных мероприятий одним из распространенных - является метод радиационной интроскопии, ввиду информативности и высокой достоверности.
Существует целый класс задач для решения которых необходим ручной, малогабаритный рентгеновский сканер, обеспечивающий поиск различных объектов - оружие, наркотики, взрывчатые вещества, скрытых за тонкими преградами - обшивка автомобиля, резиновая покрышка колеса, сиденья, бамперы, перегородки транспорта ..., позволяющий работать в условиях одностороннего доступа к исследуемому объекту. Однако не существует какой-либо доступной модели, которая достоверно оценивает процесс взаимодействия рентгеновского излучения с объектом, находящимся за преградой с последующей регистрацией рассеянного излучения. Целью моделирования является оценка возможности выявления объектов различной плотности, скрытых за преградами из дерева, железа, алюминия, пластика, и т. д.
Моделируемая геометрия излучения сканера
В общем виде геометрия излучения сканера включает в себя вектора исходного и обратнорассеянного излучения.
Очевидно, что для достижения максимально допустимой толщины преграды и обеспечения возможности регистрации - оба вектора должны быть расположены нормально к поверхности преграды. Однако в силу конечных размеров рентгеновской трубки (источника первичного потока) и детектора, регистрирующего обратнорассеянное излучение такая схема физически нереализуема.
Требования по доступности к объекту, по габаритам и массе сканера - определяют минимально реализуемый угол между векторами, который может составлять порядка (30 ^ 35)0 .
В связи с этим, возникает вопрос, какой из данных векторов должен быть расположен нормально к поверхности преграды? На первый взгляд нормальным к поверхности преграды
должен быть вектор обратнорассеянного излучения. Это обусловлено тем, что энергия рассеянных фотонов ниже энергии исходных, а, следовательно, и массовый коэффициент поглощения в материале преграды выше. Оптимально, было бы уменьшить длину траектории пробега рассеянных фотонов в преграде и сделать ее меньше длины траектории исходных квантов. В диапазоне (20^40) кэВ при рассеянии фотоны теряют незначительную энергию.
Оценка показывает, что при нормальном векторе рассеянных фотонов общее число зарегистрированных квантов больше приблизительно на 20% по сравнению со схемой с нормальным к поверхности преграды вектором исходного излучения. Однако использование для сканирования схемы с нормально расположенном к преграде вектором исходного излучения позволяет оператору более точно геометрически интерпретировать положение скрытого объекта.
Таким образом, представляется целесообразным при моделировании приоритет отдать схеме с нормальным вводом к поверхности преграды первичного излучения.
Моделируемая схема сканера имеет вид, представленный на рис. 1.
Рис.1. Схема сканера
Источник первичного излучения (рентгеновский аппарат или изотопный источник) генерирует пучок рентгеновского излучения, геометрия которого определяется устройством коллимации источника с постоянным или переменным углом раскрытия, направленного через преграду на объект поиска. Часть исходного потока излучения проходит сквозь преграду без взаимодействия, часть многократно рассеивается в материале преграды. Объекта поиска достигает прошедшая компонента исходного потока и часть рассеянной в преграде компоненты, вектора которой направлены в его сторону. При взаимодействии с объектом образуется часть рассеянной в нем компоненты излучения, вектора которой направлены обратно - в сторону преграды и находящегося за ней детектора, состоящего из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и счетчика квантов. При прохождении через преграду рассеянная объектом поиска компонента излучения также испытывает потери, связанные с рассеянием в материале преграды. В результате на сцинтиллятор детектора попадает часть компоненты излучения, рассеянной объектом и прошедшей через преграду, а также часть первичного излучения источника, рассеянная материалом преграды, которые попадают в зону коллиматора детектора.
Геометрия сканера должна обеспечивать минимум регистрации сцинтиллятором излучения рассеянного от преграды и максимум, рассеянного скрытым объектом. С увеличением телесного угла ввода исходного излучения происходит увеличение числа зарегистрирован-
ных фотонов, рассеянных скрытым объектом. Но вместе с этим происходит и увеличение числа фотонов, рассеянных преградой. В этой связи встает задача определения значения рационального телесного угла ввода исходного излучения. Для увеличения статистики счета фотонов рассеянных объектом необходимо обеспечить минимум расстояния от коллиматора детектора до области ввода исходного излучения. Однако, конечные размеры рентгеновской трубки и сцинтиллятора на позволяют приблизить коллиматор детектора к оси ввода рентгеновского излучения ближе чем на 20-30 мм, что является ограничением при выборе рационального телесного угла исходного излучения. При этом конструктивные особенности обуславливают другое ограничение - по максимальному телесному углу исходного излучения, составляющему величину порядка 500градусов.
Структура модели
В основе модели лежит последовательное описание процесса взаимодействия фотонов с веществом на основе распределения энергий по заданному энергетическому спектру рентгеновской трубки с учетом фильтрации первичного пучка, угловых характеристик траектории и координаты ввода исходного фотона, длины свободного пробега, типа взаимодействия, комптоновского и азимутального углов рассеяния, расчет координаты взаимодействия, энергии фотона после взаимодействия, новых угловых характеристик взаимодействия. Расчет траектории для каждого фотона продолжается до его выхода из объекта или фотопоглощения.
Модель реализована в среде GUIDE пакета МатЛаб в векторной форме. На рис.2 представлен пример интерфейса разработанной модели, который включает в себя: исходный спектр рентгеновского излучения, спектр смоделированного излучения, координаты ввода, распределение угла комптоновского рассеяния, распределения координат обратнорассеян-ных от преграды фотонов, фотонов, прошедших сквозь преграду и распределения других параметров, характеризующих процесс взаимодействия фотона с преградой и объектом.
Рис.2. Интерфейс модели.
Для повышения эффективности проведения исследования процесс моделирования был разбит на две части:
- Получение характеристик поля излучения над и за преградой. Данные характеристики позволят получить долю излучения, регистрируемого детектором и рассеянного преградой, а также характеристики поля обратнорассеянного излучения от взаимодействия с объектом поиска.
- Получение характеристик поля излучения над экраном, обусловленного обратнорассе-янным излучением от объекта поиска.
Получение характеристики поля излучения, рассеянного объектом поиска для различных преград позволяет решать задачу исследования сканера без моделирования взаимодействия исходного излучения с преградой. Это существенно снижает время моделирования, а главное - позволяет сократить на несколько порядков число взаимодействий фотонов и проводить их моделирование в векторной форме.
Исследования взаимодействия фотонов с преградой
При взаимодействии рентгеновского излучения с преградой относительно большой толщины (50 см) и относительно малым атомным номером ее материала 2= 6 и плотностью р =0,8 г/см3 (дерево) в ней должно иметь место большее число актов взаимодействия, из которых доминирующим будет комптоновское рассеяние.
Моделирование процесса взаимодействия фотонов проводилось без ограничения энергии «снизу», т.е. до момента, когда ее размерность становилась равной нулю - фотопоглощения или выхода фотонов из преграды. Угол ввода исходного излучения составлял 500 ., при этом диаметр пятна, проецируемого на внешнюю поверхность преграды составлял - 17,6 мм.
Рис.3 представляет фрагмент интерфейса модели взаимодействия фотонов с преградой.
в) г)
Рис.3. Фрагмент интерфейса модели. Распределение координат: (а) - ввод 1 млн. исходных фотонов во внешнюю поверхность преграды, (б) - 1153 фотона вышли из преграды без взаимодействия, (в) -998847 фотонов претерпели акты взаимодействия, из которых 936849рассеялись - (г).
Для преграды из дерева оказалось, что число актов взаимодействия исходного фотона с преградой достигало 25-ти. Такое большое число взаимодействий объясняется, помимо относительно большой толщины преграды, низким эффективным атомным номером и низкой потерей энергии при рассеянии (рис.4).
Средняя эергия фотонов после взаимодействия, кэВ 10
0 I I I I I ------------------------
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 2223 24
Номер взаимодействия
Рис.4
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.