Рентгеновские методы
УДК 620.179.15
ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ВЕЩЕСТВ ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ДУАЛЬНЫХ ЭНЕРГИЙ
С.П. Осипов, А.К. Темник, С.В. Чахлов
Сформулирован критерий значимости влияния физического фактора на качество идентификации веществ объектов контроля высокоэнергетическим методом дуальных энергий. Даны рекомендации по его практическому применению. Для выпускаемого серийно малогабаритного бетатрона МИБ 4,5/7,5 проведена серия расчетов по оценке влияния различных физических факторов на качество идентификации. Рассмотрены следующие факторы: отклонения максимальных энергий высокоэнергетического рентгеновского излучения от номинальных значений; излучение, рассеянное в объекте контроля; излучение, рассеянное в конструкции досмотрового комплекса. Проведенные исследования доказывают необходимость учета рассмотренных факторов при проектировании досмотровых комплексов с возможностью идентификации веществ объектов контроля и их фрагментов высокоэнергетическим методом дуальных энергий.
Ключевые слова: высокоэнергетическое рентгеновское излучение, малогабаритный бетатрон, метод дуальных энергий, идентификация вещества, критерий идентификации, рассеянное излучение, фоновое излучение, критерий значимости фактора.
В настоящее время высокоэнергетическая реализация метода дуальных энергий достаточно широко применяется таможнями различных стран для обнаружения грузов, перемещение которых через границу запрещено или строго нормируется законодательствами выпускающей и (или) принимающей сторон [1—4]. В качестве источников высокоэнергетического рентгеновского излучения используют линейные ускорители электронов и бетатроны с максимальной энергией в энергетическом спектре излучения в диапазоне от 2 до 10 МэВ [1—4]. Решение задачи, указанной выше, связано с идентификацией вещества объекта контроля (ОК) или его фрагментов. Под идентификацией вещества понимается сопоставление вещества объекта контроля с одним из классов веществ с помощью некоторого критерия. Существуют причины, связанные с особенностями ослабления высокоэнергетического рентгеновского излучения веществом объекта контроля, которые определяют невысокую разрешающую способность идентификации веществ объектов контроля по эффективному атомному номеру на основе метода дуальных энергий [4]. В литературе не в полной мере исследовано влияние технических, физических факторов на качество идентификации веществ крупногабаритных объектов контроля и их фрагментов.
Качество идентификации веществ ОК или их фрагментов методом дуальных энергий зависит от величин смещений соответствующих идентификационных параметров, обусловленных влиянием физических и технических факторов на первичные радиографические изображения. Для оценки указанных смещений воспользуемся алгоритмом идентификации вещества ОК высокоэнергетическим методом дуальных энергий, подробно изложенным в [5]. Пусть ОК представляет собой совокупность Ь фрагментов, проекции которых на плоскость радиографического изображения не пересекаются. Для простоты анализа будем считать, что 1-й фрагмент представляет со-
Сергей Павлович Осипов, кандидат техн. наук, доцент кафедры СДМ (строительных и дорожных машин) Томского государственного архитектурно-строительного университета. Тел. (3822) 65-19-15. E-mail: osip1809@rambler.ru
Анатолий Константинович Темник, канд. техн. наук, заведующий сектором лаборатории № 40 Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета. Тел. (3822) 41-78-14. E-mail: temnik_ak@mail.ru
Сергей Владимирович Чахлов, канд. физико-математических наук, заведующий лабораторией № 40 Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета. Тел. (3822) 41-78-14. E-mail: serg1@mail.tomsknet.ru
бой плоскопараллельную пластину толщиной Н, плотность материала которой рр а эффективный атомный номер вещества 2.. В результате сканирования объекта контроля узкими пучками рентгеновского излучения с максимальными энергиями Е1 и Е2, Е1 < Е1 регистрируемого линейкой радиометрических детекторов, формируются два исходных цифровых теневых рентгеновских изображения Х(Е1) и Х(Е2), представляющих собой матрицы размерностью п*т, здесь п — количество детекторов в линейке. Элементы изображений Х(Е1) и Х(Е2) в точке с координатами (7,у), 7 = 1, п;у = 1, т находятся с помощью следующих формул:
Х^) = N (Е ) ] Е, (Е)/(Е, Е ) е)Я'(',у)в (И, Е) йЕ;
ХЦ(Е2) = N0 (Е2)(Е)/(Е, Е2 )е^ ^ ,уг(И, Е) йЕ, (1)
0
где ^(Е.) — число рентгеновских квантов с максимальной энергией Е. , падающих на у-й детектор при отсутствии объекта контроля; /Е, Е.) — энергетический спектр регистрируемого рентгеновского излучения с максимальной энергией Е ; ^г(Е) — линейный коэффициент ослабления фотонного излучения с энергией Е веществом 1-го фрагмента; Еп(Е) — среднее значение поглощенной энергии для кванта с энергией Е, зарегистрированного детектором; е(И, Е) — эффективность регистрации излучения с энергией Е для детектора толщиной И.
Калибровка "черного" и калибровка "белого" первичных радиографических изображений Х(Е1) и Х(Е2) позволяют трансформировать их в изображения У(Е1) и ¥(Е2), которые характеризуют ослабление рентгеновского излучения. Выражения для оценки элементов изображений У(Е1) и ¥(Е2) имеют вид:
] Е, (Е) / (Е, Е1) (И, Е) йЕ
да = -1*-—е-;
| Е, (Е) / (Е, Е1 )г(И,Е)йЕ
0
] Е, (Е) / (Е, Е2) е,у)(ЕН,уг (И, Е) йЕ
да = -1М-е-. (2)
| Е, (Е) / (Е, Е2) г (И,Е)йЕ
Дальнейшая совместная обработка полученных нормированных изображений некоторым специализированным алгоритмом позволяет оценить распределение эффективного атомного номера вещества ОК или другого параметра идентификации, то есть построить конечное цифровое изображение для идентификации вещества объекта по эффективному атомному номеру или другому параметру как по всему объекту, так и его части. Существует несколько подходов для оценки параметров идентификации. Остановимся на алгоритме, который является наиболее простым и не использует в явном виде дополнительную информацию об энергетическом спектре источника высокоэнергетического излучения, энергетических зависимостях эффектив-ностей регистрации радиометрических детекторов и т. д. В указанном ал-
горитме [3], [5] из изображений ¥(£1) и ¥(Е2) формируется изображение Р. элементы которого вычисляются по формуле
Р = . (3)
у Г, (Е1) ()
В [6] используется обратное к (3) отношение.
На следующем этапе значение Р Г(УГ(Е1)) сравнивается с некоторыми функциями Рк(У,(Е1)), к = 0, к0 (уровневые функции [5]), которые определяются в результате обработки к0 пар калибровочных радиографических изображений, полученных для к0 веществ.
Вещество фрагмента ОК будет отнесено к к-му классу, если выполняется следующее неравенство:
^да» ^ р< т, (£1)). (4)
Замечание 1. В досмотровом контроле крупногабаритных объектов все вещества делятся, как правило, на четыре крупных класса: первый — это вещества со сверхмалым значением эффективного атомного номера (наиболее характерный представитель — полиэтилен); второй — вещества с малым значением эффективного атомного номера (алюминий); третий — вещества со средним значением эффективного атомного номера (железо); четвертый — вещества с высоким значением эффективного атомного номера (свинец).
Из анализа выражений (1)—(4) можно сделать предположение о наличии наиболее значимых физических и технических факторов, которые могут привести к искажению первичных радиографических изображений и, следовательно, к смещению параметров идентификации:
1. Отклонение значений максимальных энергий рентгеновского излучения Е1 и Е2 от номинальных значений.
2. Интервал дискретизации преобразователей аналоговых сигналов в цифровые.
3. Нелинейность преобразования энергии рентгеновского излучения, поглощенной в чувствительном объеме радиометрического детектора, в цифровой сигнал.
4. Наличие в интегральном потоке регистрируемого рентгеновского излучения фотонов, рассеянных от элементов конструкции досмотрового комплекса.
5. Наличие в интегральном потоке регистрируемого рентгеновского излучения фотонов, рассеянных в объекте досмотрового контроля.
6. Взаимное радиационное влияние соседних радиометрических детекторов.
Замечание 2. Современные преобразователи аналоговых сигналов в цифровые имеют большую разрядность, поэтому позволяют с высокой точностью осуществить оцифровку исходных сигналов во всем интервале их изменения. В связи с этим исключим фактор дискретизации из дальнейшего рассмотрения. Аналогичное замечание можно сделать и к линейности систем преобразования энергии рентгеновского излучения, поглощенного в чувствительном объеме радиометрического детектора, в цифровой сигнал. Фактор нелинейности также можно исключить из дальнейшего рассмотрения. Взаимное радиационное влияние детекторов в линейке приводит к незначительному уменьшению геометрического разрешения, но так как идентификация вещества объекта контроля или его фрагмента проводится по большой группе точек, то этот фактор также можно не учитывать.
Логично предложить следующий критерий значимости влияния фактора на качество идентификации вещества объекта контроля (фрагмента) вы-
сокоэнергетическим методом дуальных энергий: несоблюдение неравенства (4) для большей части изображения объекта контроля (фрагмента), вещество которого известно, является свидетельством о значимом влиянии анализируемого фактора на качество идентификации.
Замечание 3. Параметр идентификации (3) рассматривается как функция от лучевой толщины для рентгеновского излучения с меньшей энергией.
Замечание 4. Сложность задач, решаемых с помощью досмотровых комплексов, связана с пространственной и структурной неопределенностью соответствующих объектов контроля, поэтому устранение влияния негативных физических и технических факторов с помощью калибровочных измерений, традиционно успешно используемое во многих задачах неразрушаю-щего контроля, не в полной мере устраивает потребителя.
Учет замечания 4 приводит к необходимости исследования трансформации искажен
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.