Рентгенографічний спосіб розпізнавання матеріалів та пристрій для його здійснення

1. Рентгенографічний спосіб розпізнавання матеріалів, що включає їх просвічування рентгенівським випромінюванням та реєстрацію випромінювання, яке пройшло через об'єкт, в декількох різних спектральних областях з різною ефективною енергією багатоелементними приймачами випромінювання, який відрізняється тим, що використовують квазімонохроматичне рентгенівське випромінювання, а реєстрацію випромінювання, яке пройшло через контрольований об'єкт, здійснюють просторово рознесеними селективночутливими багатоелементними приймачами випромінювання, на кожний з яких направляють квазімонохроматичне рентгенівське випромінювання певної енергії, при цьому попередньо реєструють фонове значення сигналів під час відсутності об'єкта, що контролюється, для кожного з елементів зазначених приймачів при їх опроміненні рентгенівським випромінюванням певної енергії, а також реєструють значення сигналів, отриманих при просвічуванні серії тестових об'єктів, потім вико C2 2 UA 1 3 89318 4 Основним завданням митного інспекційного ської трубки на два окремих спектральних діапаогляду є надійне виявлення і розпізнавання в базони, кожний з різною ефективною енергією, здійгажі або вантажах захованих матеріалів і предмеснюють шляхом погодженої періодичної зміни натів, заборонених до перевезення повітряним або пруги на аноді рентгенівської трубки автомобільним транспортом (наркотичні, отруйні, випромінювача. вибухові й легкозаймисті речовини; матеріали, що Обчислюючи відношення логарифмів сигналів, діляться, заховані усередині радіоактивно непроотриманих кожним з детекторів одномірного матникних контейнерів; холодна та вогнепальна ричного приймача випромінювання для різних зброя, золото, контрабанда та ін.). Основним заенергій, фактично грубо визначають відношення вданням сучасної медичної радіографії та томомасових коефіцієнтів ослаблення для речовини графії є впевнене розпізнавання і розрізнення паконтрольованого об'єкта. Це відношення залежить талогій різних тканин і органів, що дозволяє діагвід ефективного атомного номера речовини. Поріностувати небезпечні хвороби, особливо на ранніх внюючи його з визначеним граничним рівнем, мостадіях їхнього розвитку (діагностика первинних жна одержати рішення про приналежність ідентипухлиноутворень на фоні здорової тканини, виявфікованої речовини до класу органічних (Z20) матеріалів. на ранніх стадіях судинного атеросклерозу, Недоліком даного способу є неможливість виконтроль зниженого вмісту кальцію при остеоявлення одних (тих, що підлягають виявленню) порозі та ін.). речовин із заданим значенням ефективного атомВідомий рентгенівський спосіб розпізнавання ного номера Zeff серед інших речовин того ж класу вмісту багажу [Бекешко Н.А., Ковальов А.В. Радіаз близькими значеннями Zeff. Наприклад, вибухова ційні системи контролю багажу. Закордонна елекречовина типу тротилу з Z=7.15 і звичайне мило з троніка, 1988, №6, с. 2.], який включає просвічуZ=6.25 даним способом не розрізняються. Крім вання багажу, що рухається на транспортній того, одержання рентгенівського випромінювання у стрічці, поперечним віяловим пучком рентгенівсьдвох різних спектральних діапазонах шляхом пекого випромінювання, реєстрацію приймачем виремикання анодних напруг на рентгенівській трубці промінювання, яке пройшло крізь контрольований та реєстрація випромінювань лише однією лінійоб'єкт, запам'ятовування зареєстрованих сигналів і кою детекторів вимагає високоточної синхронізації відтворення їх у вигляді телевізійного зображення джерела із системою детектування, що є технічно багажу та вкладень. складною та громіздкою, а також практично малоДаний спосіб дозволяє розпізнавати вкладенефективною процедурою, яка приводить до погірня в багажі по їх тіньовому рентгенівському зобрашення точності визначення Zeff. женню, тобто розрізняти контрольовані об'єкти Як показав наступний практичний досвід провідповідно радіографічної щільності їхніх зобравідних вітчизняних і закордонних виробників, жень. Однак тип речовини, з якого складаються більш перспективним є інший варіант, коли реєстзазначені вкладення, при цьому не визначається. рація рентгенівського випромінювання відбуваєтьТому цей спосіб не дозволяє виявити і відрізнити ся при фіксованій напрузі на трубці, але не однією, заборонені речовини, наприклад, наркотики або а парою лінійок детекторів, розділених металевим вибухівку від звичайних органічних речовин, таких фільтром, що відсікає один діапазон енергій від як чай, кава, цукор, напої і т.п. іншого. Кожна з лінійок детекторів щонайкраще Відомий радіографічний спосіб розпізнавання реєструє випромінювання в окремому спектральматеріалів усередині контрольованих об'єктів, зокному діапазоні. В цілому означена збірка з низько рема, виявлення включень із заданим хімічним енергетичних детекторів (НЕД) і високоенергетичскладом [а.с. СРСР №1583806, G01N23/04], що них детекторів (ВЕД) має характерну «сендвіч» складається з просвічування об'єкта рентгенівськонструкцію [Harrison R.M. Digital radiography - a ким випромінюванням, реєстрації випромінювання, reviev of detector design. Nucl. Instr. and Meth., яке пройшло через нього, у двох різних спектраль1991, Vol. A 310, p. 24-34]. них діапазонах з різною ефективною енергією одВідомий такий пристрій для розпізнавання маним і тим самим приймачем випромінювання та теріалу [пат. США №6445765, G01N23/083, порівняння відношення логарифмів зареєстроваА61В6/00], що містить джерело рентгенівського них сигналів (з різною ефективною енергією) із випромінювання і приймач випромінювання, викозаздалегідь прийнятим граничним значенням для наний на базі двох (НЕД і ВЕД) лінійок детекторів. наступного ухвалення рішення про тип ідентифікоУ якості сцинтилятору в НЕД використаний матеваної речовини, наприклад, про приналежність ріал, у якому, принаймні, один елемент має атомматеріалу об'єкта до органіки або неорганіки. ний номер між 30 і 40, конкретно, кристал Пристрій для реалізації даного способу місZnSe(Te), а для ВЕД використана кераміка, матетить: випромінювач рентгенівського випромінюріал якої містить, принаймні, один елемент із вання, блок сканування контрольованого об'єкта, атомним номером більше 60, конкретно кераміка одномірний матричний приймач випромінювання типу Gd2O2S, легована Се, Pr або Тb. Товщина (лінійка детекторів), мультиплексор, аналогоНЕД становить від 0.2 до 1.0мм, товщина ВЕД - від цифровий перетворювач з нормалізатором на ви1 до 2мм. При цьому НЕД завжди розташований ході, блоки відеопам'яті, керування, оперативної стосовно джерела рентгенівського випромінюванпам'яті й буферній пам'яті, компаратор, логарифня перед ВЕД і розділений з ним металевим фільматор, відеоконтрольний блок і блок колірного тром. кодування. У цьому способі розподіл вихідного Використання кристала ZnSe(Te) у якості дебезперервного спектра випромінювання рентгенівтектуючого елемента НЕД, а також взаємне роз 5 89318 6 ташування НЕД і ВЕД, розділених фільтром, були ваних об'єктів), за значенням ефективного атомновідомі раніше [а.с. СРСР №1639272, G01T1/202; го номера одного з них. Під фоновою мається на пат. України №44547, G01T1/202]. Але завдяки увазі будь-яка речовина (комбінація речовин), на наявності пари лінійок спеціальних детекторів, які фоні якої розташована ідентифікована речовина. певним чином роздільно реєструють низькоенерЗа твердженням авторів цей метод дозволяє вигетичну та високоенергетичну частини спектра являти заборонені речовини (наркотики, вибухівка випромінювання, була підвищена точність визнаі т.п.) на фоні різноманітних матеріалів усередині чення ефективного атомного номеру. Пристрої контрольованих об'єктів. такого типу набули практичного застосування. ОдПристрій для його реалізації містить: рентгенак, у них все ще не досягається досить висока нівський випромінювач; пристрій переміщення коточність розпізнавання матеріалів. Так, точність у нтрольованого об'єкта; приймач рентгенівського визначенні ефективного атомного номера в кравипромінювання, виконаний із двох лінійок детекщих аналогах таких пристроїв (виробники торів, відповідно, для низьких і високих енергій, Rapiscan, Smiths Heimann, НПО Комунар та ін.) не розділених металевим фільтром; оперативний перевершує 60-70%. Цього може бути досить для запам'ятовувальний пристрій; аналого-цифровий розрізнення органіки від неорганіки та розпізнаперетворювач; відеоконтрольний пристрій, а також вання, наприклад, холодної або вогнепальної регістри, генератор адресу, постійний запам'ятозброї усередині багажу й т.п. Але цього недостатвувальний пристрій, схему порівняння, формувач ньо для впевненої ідентифікації вибухівки на фоні сигналу маркера, кнопки керування та пристрій органіки, де необхідна більш суттєва точність біля сигналізації. 90-95%. Недоліком даного способу, як і всіх попередВідомий також рентгенівський спосіб розпізнаніх, є неможливість досить точно розрізняти підлявання матеріалу за значенням його ефективного гаючі виявленню речовини, які незначно відрізняатомного номера [пат. РФ №2095795, G01N23/04], ються по своєму ефективному атомному номері та що включає просвічування контрольованого об'єкщільності, тому що запропоновані при цьому грата рентгенівським випромінюванням і реєстрацію дуіровочні криві практично збігаються. випромінювання, яке пройшло через об'єкт, в спеЗагальним недоліком відомих рішень, що виктральних областях з різною ефективною енергією користовують «сендвіч» конструкцію НЕД і ВЕД, є двома приймачами випромінювання, які розташонеоднозначність виявлення вибухівки або нарковують послідовно один за одним з проміжним фітиків на тлі будь-яких інших органічних матеріалів. льтром. В цьому способі серед зареєстрованих Причина цього - широкий розмитий спектр рентгевиділяють сигнали, що відповідають випромінюнівських випромінювачів, внаслідок чого НЕД частванню, яке пройшло тільки через фонову речовину ково реєструє високоенергетичну частину спектра, в контрольованому об'єкті та через сукупність заа ВЕД - низькоенергетичну. Іншим недоліком є значеної фонової та ідентифікованої речовин у відносна інерційність найбільш придатних для зацьому ж об'єкті. Відповідно до значень сигналів стосування у НЕД кристалів ZnSe(Te). При низьпоглинання випромінювання у двох спектральних кому рівні післясвітіння їхній час висвітлення переобластях тільки однією фоновою речовиною (тобвищує 100мкс. Це накладає обмеження на повне то, для тих областей в об'єкті, де відсутня ідентичисло каналів (до 800 елементів у прийомній сисфікована речовина) вибирають градуiровочну критемі) і, відповідно, на мінімальні розміри графічнову, кожна крапка якої потім відповідає значенням го пікселя, тобто на просторовий розподіл систеінтенсивностей сигналів для більшої та меншої ми. У результаті кристал з великим часом енергії випромінювання, яке пройшло через сукупвисвітлення малопридатний для застосувань, наність каліброваної фонової речовини (еквівалентприклад, у медичній томографії. ної за значеннями сигналів фоновій речовині контУ наведених аналогах розпізнавання речовини рольованого об'єкта) та підлягаючої виявленню за його атомним номером використовується відоречовини різної товщини. Потім порівнюють знама залежність коефіцієнта поглинання рентгенівчення сигналів градуіровочної кривої зі значенняського випромінювання від Zeff, що є різною в різми виділених та зареєстрованих сигналів поглиних діапазонах енергетичного спектра. У робочому нання випромінювання сукупністю фонової та діапазоні для інспекційних сканерів і медичних ідентифікованої речовини контрольованого об'єктомографів (звична напруга на трубці до 160кВ, та. При наявності в градуіровочній кривій сигналів, тобто енергія випромінювання до 100-110кеВ) дозначення яких дорівнюють значенням зареєстромінують механізми поглинання по фотоефекту та ваних сигналів, ухвалюють рішення щодо рівності комптонівського розсіювання, причому для фотоатомних номерів ідентифікованої та підлягаючої ефекта залежність від Zeff є у 3-5-му ступеню. При виявленню речовини об'єкта. Градуіровочні криві цьому матеріал сцинтилятору також поглинає вивизначають заздалегідь при тих же параметрах промінювання за вказаними законами. Це привовипромінювача та приймача рентгенівської устадить до того, що низькоенергетичні детектори неновки, що й при просвічуванні контрольованого минуче частково чутливі до високих енергій, а об'єкта. високоенергетичні детектори, навпаки, до низьких. У даному способі певним чином враховують При розміщенні обох детекторів один за одним (у спектральний склад випромінювання і наявність однин ряд) при одному і тому ж самому широкому типової «фонової» речовини, завдяки чому усуваспектрі випромінювача цей вплив дуже істотний, ються деякі недоліки інших способів виявлення що неминуче погіршує точність вимірювань. Як матеріалів, розташованих на фоні один одного результат, імовірність виявлення матеріалу, у то(так званий «багатошаровий формат» контрольо 7 89318 8 му числі, наприклад, вибухівки на фоні безпечної серії тестових об'єктів; крім того виконують нормуорганіки, не перевищує 60-70%. вання всіх отриманих сигналів від тестових і контДля найбільш ефективного розпізнавання марольованих об'єктів стосовно указаних фонових теріалів з близьким характером поглинання висигналів, а також визначають калібровочні констапромінювання, тобто із близькими значеннями нти; після чого із зареєстрованих сигналів та ефективного атомного номера і щільності, потріботриманих з них радіографічних рефлексів по спено якомога більш висока точність та можливість ціальним алгоритмам та з урахуванням калібровоодночасного кількісного відновлення декількох чних констант розпізнають матеріал. контрольованих параметрів. Контрольовані параРішення поставленої задачі забезпечується метри визначають фізико-хімічний склад дослітим, що в пристрої для рентгенографічного розпіджуваного матеріалу. До них відносяться ефектизнавання матеріалів, який містить рентгенівський вний атомний номер, щільність і парціальна випромінювач, пристрій переміщення об'єкта, складова (концентрація) простих елементів (наприймач рентгенівського випромінювання, що виприклад, вуглецю, азоту й кисню в задачі виявленконаний із селективно-чутливих лінійок детекторів, ня вибухівки) або простих компонентів для матеріоперативний запам'ятовувальний пристрій, аналоалу, що представляє собою складну хімічну го-цифрові перетворювачі, відеоконтрольний присполуку або суміш (сплав, суспензію) речовин. стрій, відповідно до винаходу, рентгенівський виДля повного відновлення цих параметрів потпромінювач, забезпечений не менш чим двома рібні кількісні методи, які не спираються на досить регульованими монохроматичними фільтрами, розповсюджений принцип порівняння зареєстроприймач випромінювання містить не менш двох ваних сигналів з базами даних, отриманих попепросторово рознесених селективно-чутливих лініредньо при просвічуванні заданого й досить широйок детекторів, виходи яких підключені до загалького спектру матеріалів. Крім того, ці прямі методи ного аналого-цифрового перетворювача, який місрентгенівського контролю повинні істотно спиратитить логарифматор, вихід якого підключений до ся на вимогу близького до ідеального розподілу та комп'ютерного інтерфейсу з спеціальним програмрозрізнення двох або більше зареєстрованих ененим забезпеченням. ргій випромінювання, досягти чого в межах звичної Детектори селективно-чутливих лінійок для ді«сендвіч» конструкції лінійок детекторів досить апазону енергій близько 20кеВ виконані з сцинтискладно. ляторів, які мають ефективний атомний номер Як прототип по способу та пристрою нами обнижче 25 і щільність менш 2,5г/см3, для діапазону раний останній з наведених аналогів. енергій 20-4 кеВ - з атомним номером 25-45 і 3 В основу запропонованого винаходу поставщільністю 3-6г/див , а для діапазону енергій 45лена задача розробки більш ефективного рентге200кеВ - з атомним номером 45-80 та щільністю нографічного способу розпізнавання матеріалів 6г/см3 і більше. При цьому товщини детекторів контрольованих об'єктів і відповідного пристрою з кожної лінійки оптимізовані для поглинання не розширеними функціональними можливостями, а менш 70-90% енергії падаючого випромінювання. саме, такого, що забезпечує пряме визначення Під тестовими об'єктами в даному контексті ефективного атомного номера Zeff, щільності й розуміються декілька спеціально обраних та виготовщини, а також хімічного складу матеріалу. У товлених об'єктів, які складаються з простих або свою чергу, в митному контролі це повинне забезбагатокомпонентних речовин із заздалегідь відопечити практично однозначну ідентифікацію вибумими атомними номерами, щільністю, товщиною, хівки й наркотиків, а в медичній томографії забезхімічним складом. печити ранню діагностику ракових пухлин, Калібровані константи - це певний набір чисостеопорозу, судинного атеросклерозу та інших лових параметрів, які обчислюються на основі небезпечних і масових захворювань. даних, отриманих при просвічуванні тестових об'єВирішення поставленої задачі забезпечується ктів. Ці дані потім використовуються в спеціальних тим, що в запропонованому способі розпізнавання алгоритмах, запропонованих у даному винаході, матеріалів, який включає їх просвічування рентгедля відновлення фізико-хімічного складу матеріанівським випромінюванням та його реєстрацію в лу контрольованих об'єктів. декількох різних спектральних областях з різною Радіографічний рефлекс - це спеціально обчиефективною енергією багатоелементними прийслювана величина Ri=-In[I(Ei)/I0(Ei)], яка виражамачами випромінювання, відповідно до винаходу, ється через нормований на фонове значення I0(Ei) використовують квазімонохроматичне рентгенівсь(сигнал під час відсутності об'єкта) і прологарифке випромінювання; реєстрацію випромінювання, мований вихідний сигнал I(Ei), що отриманий яке пройшло через контрольований об'єкт, здійсокремими детекторами селективно-чутливими для нюють просторово рознесеними лінійками з селекроздільної реєстрації різних енергій. Набори велитивно-чутливих багатоелементних приймачів вичин Zj та = l (добуток звичайної щільності на промінювання, на кожний з яких направляють товщину l), а також хімічний склад (масовий або квазімонохроматичне рентгенівське випромінюмольний вміст виділених простих хімічних елеменвання визначеної енергії, при цьому попередньо тів або простих речовин) загалом виступають виреєструють фонове значення сигналів під час відзначальними параметрами для матеріалу контросутності контрольованого об'єкта для кожного з льованого об'єкта. елементів зазначених приймачів при їхньому Сутність запропонованого способу і пристрою, опроміненні указаним рентгенівським випромінющо його реалізує, для визначення ефективного ванням конкретної енергії, а також реєструють атомного номера, щільності, хімічного складу об'єзначення сигналів, отриманих при просвічуванні ктів пов'язана з використанням саме мульти 9 89318 10 монохроматичного випромінювання з боку рентгесовий коефіцієнт m = / поглинання випромінюнівського випромінювача разом із його відповідною вання залежить від енергії випромінювання і від селективною мульти-енергетичною реєстрацією з атомного (хімічного) складу просвічуваного матебоку приемно-детектуючої системи та у наступноріалу, зокрема від Zeff. Величиною = l на відміну му застосуванні спеціальних алгоритмів для одновід звичайної об'ємної щільності позначена позначного відновлення декількох контрольованих верхнева щільність матеріалу, яка визначає серепараметрів матеріалу об'єкта з їхньою подальшою дню щільність об'єкта на одиницю його поверхні в графічною візуалізацією у режимі реального часу напрямку просвічування та залежить не тільки від за допомогою комп'ютерної обробки масивів рекоречовини, але також і від локальної товщини l нструйованих даних. Як показують попередні ексоб'єкта. перименти, число відновлюваних параметрів відУ скороченому записі інтегральне рівняння (1) повідає порядку мульти-енергетичності. На відміну можна розглянути як операторне рівняння Af=g, де від інших різновидів цифрової радіографії в даноА - оператор вимірювання або реєстрації сигналу, му способі ці параметри підлягають кількісному щодо невідомої функції f при заданій функції g, яка визначенню, а не напівкількісній оцінці (наприклад, відповідає результатам виконаних вимірювань. у межах відомого методу базисних матеріалів чи Невідома f пов'язана з параметрами субстанціойого модифікацій) або порівняльному аналізу. нальної структури матеріалу, які саме підлягають Спосіб, що заявляється, суттєво відрізняється від відновленню. Розв'язання рівнянь такого типу, як інших тим, що в ньому фактично використовуютьправило, призводить до так званих некоректних ся декілька (від двох до чотирьох) підібраних квазадач (у математичному сенсі). Це проявляється у зімонохроматичних діапазонів енергій випромінютому, що малі зміни відомої функції g можуть привання при реєстрації за допомогою просторово водити до великих змін функції f. Фізично це відпорознесених і селективно-чутливих приймачів, які відає появі значних помилок і суттєвому погіршензагалом працюють у звичайному токовому режимі. ню точності детектування матеріалів за допомогою З означеною вище фізичною особливістю поМЕР. Малі відхилення зареєстрованих детекторав'язана заміна складного аналітичного методу інми сигналів, наприклад, у результаті повсякчас тегрального рішення супутніх зворотних задач для присутніх у системі різних флуктуацій і шумів, істоцифрової радіографії на більш придатне лінійне тно спотворюють результати розпізнавання матерішення, яке при певному виборі приймачів виріалів і часто призводять до спостерігаємих помипромінювання, є однозначним і тому мінімізує різні лок на радіографічних зображеннях. Крім того, помилки та гарантує більш точне відновлення павирішення зворотної задачі в загальному випадку раметрів об'єкта. не зобов'язано бути єдиним. В результаті різко При цьому практично важливо, щоб кожний зростає ймовірність помилки роздільного виявленквазімонохроматичний пучок потрапляв тільки на ня матеріалів, які близькі за своїм характером погсвою лінійку детекторів, що забезпечується узголинання, наприклад, при пошуку вибухівки на фоні дженням взаємного просторового розташування органіки, при детектуванні м'яких кров'яних бляшок джерел і приймачів випромінювання. Таким чином, на фоні кровоточу у кровоносних судинах і т.п. з самого початку майже виключений вплив випроАле рішення зворотної задачі істотно спрощумінювань сусідніх енергій на зареєстровані сигнається при спеціальному виборі ядра Κ(Ε,Ε') у вили, які отримані для відповідних лінійок детекторів. гляді лінійної комбінації дельта-функцій Амплітудне ослаблення рентгенівського випромінювання в товщі об'єкта відбувається за ексM M понентним законом. Це дозволяє записати загальK(E, E' ) gi (E' E i ) (E E' ); gi 1 , (2) не рівняння, яке описує мульти-енергетичну i 1 i 1 радіографію (МЕР) I(E) I0 K(E, E' ) exp m (E' ) dE ' , (1) де І(Е) - це інтенсивність, виражена в будьяких умовних та зручних енергетичних одиницях, для зареєстрованого детекторами сигналу при певних значеннях енергії Ε випромінювання, яке вже пройшло крізь об'єкт; Е' - це енергія випромінювання, яке падає на об'єкт від джерела; I 0 - це повна (інтегрована по спектру енергій) інтенсивність випромінювача; Κ(Ε,Ε') - ядро інтегрального оператора, явний вид якого залежить від сукупності всіх факторів для поставленої зворотної задачі, включаючи такі фактори, як загальна геометрія системи, спектр рентгенівського випромінювача, особливості взаємодії випромінювання з матеріалом об'єкта (у тому числі, фактор розсіяного випромінювання), вид апаратної функції (відгук детектора на поодинокий сигнал), енергетичні характеристики сцинтиляторів та ін. Уведений ма де натуральне Μ=1,2,... - це порядок мультиенергетичності. Фізично таке наближення відповідає застосуванню саме мульти-монохроматичної фільтрації випромінювання від джерела та нехтуванню ефектами енергетичного розсіювання. Якщо при цьому додатково забезпечити високочутливу селективну реєстрацію випромінювання при рознесених енергіях Ε=Εi, то задача зводиться до лінійної системи N i 1 (Ei )Zp 1 j (Ei )Z j j Ri; i 1 M, j 1,...N, (3) ,... де була використана спеціальна модель для опису локального коефіцієнта ослаблення випромінювання. При цьому заздалегідь передбачається, що поглинання випромінювання при виділених енергіях у різних енергетичних діапазонах повинне відбуватися за двома різними фізичними механіз 11 89318 12 мами з різною функціональною залежністю поглизувати його значення за допомогою статистичних нання від Zeff. Наприклад, в області до кількох сометодів. Величини j=aj jlj, де ai - відносний вміст jтень кеВ - це фотоефект і комптонівське розсіюої парціальної компоненти jа]=1 (при описі багавання, а в області МеВ - це комптон-ефект і ефект тошарового формату маємо лише aj=1), визначаутворення електрон-позитронних пар. Очевидно, ють поверхневу щільність окремих компонентів що ця умова накладає певні обмеження на оптискладового або складного об'єкта в напрямку його мальний вибір енергій. Величини (Е) та (Ε) випросвічування. значають енергетичну залежність домінуючих меВ алгоритмах розпізнавання принципову роль ханізмів поглинання, причому β завжди відповідає грає не звичайний зареєстрований сигнал, а отрикомптон-ефекту. їхній явний вид далі не істотний, мана з нього величина - радіографічний рефлекс. тому що ці константи i= (Еi) та βi=β(Ei) виражаЯк відзначено, ця величина Ri=-In[I(Ei)/I0(Ei)] вираються через інші калібровочні константи, які у жається через нормований на фонове значення свою чергу пов'язані з даними вимірів для тестоІ0(Еi) (сигнал під час відсутності об'єкта) і прологавих об'єктів відомого складу і геометрії, тобто порифмований вихідний сигнал I(Ei), який отриманий в'язані із калібруванням детектуючої системи. детекторами, селективно настроєними для ефекУ якості Zj вибирається або ефективний атомтивної роздільної реєстрації різних енергій. Набоний номер матеріалу Zeff (в цьому випадку N=1, а ри величин Zj і j та аj виступають контролюючими індекс j приймає тільки одне значення j=1, що відпараметрами матеріалу контрольованого об'єкта. повідає найбільш простій моделі однорідного одЩоб зворотня задача було цілком визначеною, ношарового та однокомпонентного матеріалу), або необхідно щоб виконувалось M>N. У випадку одатомний номер парціальних складових об'єкта в ношарового або однорідного об'єкта рішення буде напрямку просвічування. Урахування парціальних однозначним за умови Μ=2Ν, тобто число зареєскомпонентів може відповідати як випадку просвітрованих енергій дорівнює подвоєному числу прочування багатошарового об'єкту, так і однорідного стих компонентів (або шарів) об'єкта. Для ідентиоб'єкту, зробленого з матеріалу з багатокомпоненфікації багатошарового формату порядок мультитним або складним хімічним складом. Показник p енергетичності повинен бути ще вище. Наприклад, зазвичай приймається рівним p=3 у випадку викодетектування двошарового об'єкта, що містить ристання енергій в області домінуючої дії фотоетільки пару простих матеріалів, потребує 4фекта та р=1 - для енергій ефекту народження енергетичної МЕР. пар. Останнє відповідає теоретичній моделі розсіУ випадку розглянутої двох-енергетичної раювання випромінювання на подібних до водню діографії отримаємо атомах. У більш загальному випадку показних p варто вважати допоміжним параметром і оптимі( 1Zp 1 eff ( 2Zp 1 eff 1Zeff ) R1 2Zeff ) R1 з рішенням, яке визначається певними функціями та , що залежать від зареєстрованих рефлексів {R1,R2} та від відомих окремо даних R(1) , R(2) калібровочних вимірів для двох тесто12 12 , , вих об'єктів відомого складу та геометрії. З попередньої системи (4) випливає формула для визначення ефективного атомного номера Zeff Zeff (R ) aR cR b d 1/ p ;R R1 , R2 (5) так що в запропонованому методі розпізнавання матеріалів він залежить не окремо від кожного з радіографічних рефлексів, отриманих при різних енергіях, а тільки від їх відношення. Калібровочні параметри {a,b,c,d} обчислюються з співвідношень типу a a( R1, R2 , R3 ; Z1, Z 2 , Z 3 ), які теж можна отримати з наведеної системи (4) та у які входять відомі калібровочні дані ( j) ( j) R j R / R , у=1,2,3 і задані параметри Ζj для 1 2 трьох тестових матеріалів. Zeff l (R1, R2; R(1) , R(2) ) 12 12 , , , (4) (1) , R(2) ) (R1, R2; R 12 12 , , На відміну від загального випадку калібрування тут товщина і форма тестових об'єктів може бути довільною. У випадку застосування рентгенівських пристроїв для інспекційної або медичної техніки в області енергій не вище декількох сотень кеВ варто взяти параметр p=3. Для пристроїв, що використовують МеВ енергії р=1. Прямий розрахунок показує, що для визначення Zeff потрібне виконання природної умови Ζ1 Ζ2; Ζ2 Ζ3; Ζ1 Ζ3 (6) Визначати калібровочні константи треба таким чином, щоб параметри матеріалів для тестових об'єктів відрізнялися друг від друга не гірше того, наскільки потрібно розрізняти параметри досліджуваних об'єктів. Практично у якості тестових об'єктів доцільно вибирати об'єкти, для яких значення Zeff лежать на краях і в середині спектра очікуваних значень Zeff для ідентифікованих речовин. Наприклад, при розрізненні неорганіки від органіки за допомогою МЕР, для тестових об'єктів можна вибрати дерево Ζ1=6 (низькі Zeff), алюміній Z1=13 (середні Zeff) і залізо Z1=26 (більші Zeff). При виявленні органіки в цій якості варто взяти матеріали з більш близькими значеннями Zj в діапазоні 13 89318 14 від 4 до 8. При необхідності на комп'ютері в режимі лінійок детекторів 5-7. Виходи детекторів підклюреального часу можна провести не одну, а кілька чені на вхід аналого-цифрового перетворювача 8, подібних процедур, що уточнюють значення Zeff вихід логарифматора 9 якого підключений на вхід шляхом послідовного звуження діапазону заздалекомп'ютерного обчислювального інтерфейсу 10, гідь заданих значень Zj тестових об'єктів з наступвихід якого з'єднаний з відеоконтрольним пристроною оптимізацією вибору відповідних функціонаєм 11, а також по зворотному зв'язку із джерелом льних залежностей ефективного атомного номера випромінювання 1 і пристроєм переміщення 3. від радіографічного рефлексу. Детектори селективно-чутливих лінійок для діУ рамках наведеного МЕР-алгоритму також апазону енергій до 20кеВ виконані зі сцинтилятоотримується точне вираження для поверхневої рів з ефективним атомним номером нижче 25 і щільністю менше 2,5г/см3, для діапазону енергій щільності = (R1,R2; A,B,C,D), що виражається 20-45кеВ - з атомним номером 25-45 і щільністю 3вже через обидва радіографічних рефлекси R1 і 3 6г/см , а для діапазону енергій 45-200кеВ детектоR2, а також інший набір калібровочних параметрів ри виконані зі сцинтиляторів з атомним номером {A,B,C,D}, призначених саме для визначення 3 45-80 і щільністю 6г/см і більше. щільності. Ця величина виступає додатковим конЗокрема, детектори селективно-чутливих лінітролюючим параметром матеріалу. За допомогою йок для нижнього діапазону енергій можуть бути сучасного обчислювального пристрою величини виконані зі стильбену, паратерфиніла, кремнію, Zeff та можна відновлювати одночасно, одержугерманія, селеніду цинку ZnSe, ZnSe(Al,O); для ючи по кожній парі вихідних значень {R1,R2) для середнього діапазону енергій - з сцинтиляторів контрольованого об'єкта відповідну пару (Zeff, ) 2 6 А В легованих сполук типу Cd(Te), ZnSe(Te,O), для матеріалу цього об'єкта. Отриману пару параабо з кераміки типу оксисульфиду гадолінію, або метрів (Zeff, ) зручно використовувати для точної ZnS; a детектори високоенергетичного діапазону ідентифікації матеріалів із близьким характером з кристалів типу Cs(Tl), CWO, BGO, LSO, LPS. При поглинання. цьому товщини детекторів кожної лінійки оптимізоБільш того, відповідні розрахунки показують, вані для поглинання 70-90% енергії падаючого що при виконанні умови мульти-монохроматичного випромінювання. розділення та реєстрації енергій, із систем рівУ конкретному прикладі виконання детектори нянь, аналогічних наведеним вище, отримуються лінійок для нижнього діапазону енергій виконані із вираження для відновлення парціального складу кристалічного ZnSe(Al,O) товщиною до 0.5мм, для простих хімічних компонентів матеріалу з складсереднього діапазону - з ZnSe(Te) товщиною до ним хімічним складом. Наприклад, при розпізна1.2мм, а для високоенергетичного детектора - з ванні вибухівки, можна одержати вираження для Cs(Tl) товщиною до 2мм. відносного вмісту в контрольованому об'єкті азоту і Комп'ютерний інтерфейс 10 містить у собі конкисню або більшого числа простих елементів (хімітролери та певну шину обміну даних (USB, LAN, чних компонентів). Кількість контрольованих комFire Wire або Wireless, одну або декілька різних) понентів відповідає порядку мультиміж обчислювальним пристроєм (промисловий енергетичності. У випадку двох-енергетичної ракомп'ютер, робоча або графічна станція, персонадіографії відносні концентрації льний або мобільний комп'ютер або їхній кластер) сX,Y=сX,Y(R1,R2;с1,с2,с3,с4) (де виконується умова і іншими апаратними компонентами пристрою (винормування сX+сY=1) для двох ідентифікованих промінювач, приймач, пристрій переміщення, моелементів Χ,Υ виражаються через відповідні фуннітори і т.п.); засіб візуалізації, засіб ручного або кціональні залежності з серією {с1,с2,с3,с4} каліброавтоматичного управління й/або оповіщення, а вочних параметрів, призначених для алгоритму також різні периферійні пристрої (монітори, сітьова відновлення хімічного складу. Тестові об'єкти мокарта або модем для виходу в локальну мережу та жуть залишатися тими самими, але калібровочні Інтернет, принтер, сховища цифрових даних і т.п.). параметри для кожного алгоритму розпізнавання При цьому до складу обчислювального пристрою матеріалу обчислюються по-різному. обов'язково входять оперативний і постійний заВ остаточному підсумку за умови мультипам'ятовувальні пристрої, у яких обробляються і монохроматичності за допомогою описаних алгозапам'ятовуються всі цифрові дані, центральний і ритмів можна визначати всю сукупність контрографічний процесор, за допомогою яких виконульованих параметрів матеріалу. Одержання та ються обчислення, реконструюються та візуалізувідновлення цієї фізичної інформації та її візуаліються отримані цифрові дані. Робота окремих зація в зручній формі здійснюється відповідним апаратних компонентів і пристрою в цілому контпристроєм. ролюється зазначеним комп'ютерним інтерфейсом На Фiг. наведена схема пристрою, що заявляза допомогою спеціального програмного забезпеється. чення, встановленого під управлінням операційної Пристрій містить стабільне рентгенівське джесистемою сімейства Windows. рело випромінювання 1, обладнане не менше, чим Відеоконтрольний пристрій 11 може містити в двома мульти-монохроматичними фільтрами 2, собі інші периферійні пристрої, у тому числі систенаприклад, фільтрами типу MXF [пат. США му зберігання даних разом з підключенням до гло№6445765, G01T23/083], які виділяють два або бальної й локальної мережі, а також систему авбільше віялових плоских пучків випромінювання, з томатичного прийняття рішень і мінімальним розкидом енергій, близьким до квазіоповіщення/тривоги. монохроматичного. Пристрій 3 виконує переміВисокостабільне джерело рентгенівського вищення контрольованого об'єкта 4, за яким розтапромінювання 1 розміщають у горизонтальній або шовані не менше двох селективно-чутливих 15 89318 16 вертикальній площині та створюють розбіжний мульти-енергетичних сигналів контролюючих папучок рентгенівського випромінювання. Монохрораметрів для досліджуваних матеріалів, а не поріматичні фільтри 2 виділяють із неперервного спеквняльний аналіз цих сигналів з масивами даних, тра рентгенівського випромінювання декілька (не що імітують наявність у досліджуваному об'єкті менш двох) плоских віялових пучків із квазімохротого або іншого матеріалу різної товщини на фоні матичним спектральним складом. При цьому фіякихось заданих матеріалів різної товщини. Однольтри та просторово рознесені приймачі випромізначність відновлення ефективного атомного нонювання розташовані у такій спосіб, щоб на кожну мера та інших параметрів контролю гарантується з лінійок детекторів потрапляв віяловий пучок одяк належним вибором спеціально оброблених сигнієї конкретної енергії. Кожний з енергетичних діаналів (перехід від звичайних сигналів до рефлекпазонів означених пучків характеризується фіксосів), так і відповідним вибором алгоритмів розпіваною енергією й малим контрольованим знавання конкретних параметрів матеріалів, які розкидом навколо її. Пристрій 3 забезпечує просвраховують кількість і вибір значень характерних торове переміщення об'єкта 4 для його сканування енергій і фізичних механізмів поглинання. в рамках геометрії різного типу (сканування на На завершальній стадії шляхом комп'ютерної транспортері в одній або декількох площинах при обробки отриманих даних з урахуванням калібройого горизонтальному переміщенні, спіральне скаваних параметрів відновлюють фізико-хімічні панування з одночасним обертанням і переміщенням раметри матеріалу контрольованого об'єкта. У об'єкта у вертикальному напрямку та ін.). Рентгевідповідністю із заздалегідь підібраною кольоронівський випромінювач 1 і пристрій переміщення 3 вою палітрою, яка імітує наявність матеріалу з управляються через комп'ютерний інтерфейс 10. певними параметрами усередині контрольованого Попередньо, використовуючи наборі спеціальоб'єкта, на відеоконтрольному пристрої 11 визуано підібраних тестових об'єктів, виготовлених з лізуються роздільні зображення об'єкта з виділенвідомих матеріалів різного хімічного складу і товням у його структурі фізичних компонентів (матещини (наприклад, дерево, пластмаса, алюміній, ріалів) з різним ефективним атомним номером, залізо, свинець, ін.) та призначених для попередщільністю, хімічним складом, тощо, по описаним нього просвічування і налагодження роботи сисраніше алгоритмам. Процедуру «роздягання» матеми детектування та всієї системи в цілому, фортеріалу здійснюють або дискретно (грубе детектумують бази даних і визначають калібровочні вання матеріалів для декількох зображень об'єкта параметри, які надалі використовують при комп'юз фіксованими значеннями контролюючих параметерній обробці зареєстрованих сигналів за допотрів), або у безперервний спосіб (точне детектумогою спеціальних алгоритмів, призначених для вання із плавно регульованим переходом від одвідновлення фізико-хімічних параметрів досліджуного ідентифікованого матеріалу до іншого). ваних об'єктів. Зокрема, у випадку двох-енергетичні радіографії Мульти-монохроматичне іонізуюче випромінюна моніторі(ах) пристрою 11 реконструюється зовання, яке пройшло через контрольований об'єкт браження об'єкта з локальним просторовим роз4, роздільно реєструють системою детектування, поділом його компоненти з низьким ефективним що складається з декількох (не менш двох) просатомним номером (наприклад, детектування виторово рознесених лінійок детекторів 5-7 типу значеної органіки для митного сканера або біолосцинтилятор-фотодіод. Просторове рознесення гічної м'якої тканини для медичного сканера) і лінійок детекторів може бути забезпечено, наприкомпоненти з більшим атомним номером (детектуклад, розміщенням однієї лінійки зверху над іншою вання неорганічної складу або твердої кісткової (горизонтальний напрямок просвічування) або тканини, відповідно). При цьому ефективному розташуванням однієї збоку іншої (вертикальний атомному номеру природно зіставити певний колір напрямок просвічування) та їх юстируванням щодо (палітра від червоного до фіолетового відповідає віялових планарних пучків квазімонохроматичного збільшенню атомного номера при переході від випромінювання від джерела. Кожна з лінійок місорганіки до неорганіки), а обчисленої одночасно з тить набір спеціальних однотипних одноканальних ним поверхневої щільності матеріалу об'єкта зісдетекторів (усього від 128 до 1024 детекторів у тавити інтенсивність зазначеного кольору. Тоді на кожній лінійці) з мінімальним розкидом робочих моніторі відеоконтрольного пристрою буде демонпараметрів. Детектори призначені для найбільш струватися наочне зображення внутрішнього вмісефективної реєстрації, відповідно, низько- 5, серету контрольованого об'єкта із прямим розпізнавандньо- 6 і/або високоенергетичної 7 компонент виням його матеріалу. промінювання, відфільтрованих фільтром 2. ЕлекУ запропонованому способі замість звичайнотричні сигнали, які отримані з фотодіодів го сигналу детекторів використовується важливий детекторів 5-7 проходять через аналого-цифровий параметр - радіографічний рефлекс. Зв'язок цього перетворювач 8, де відбувається їхнє посилення, параметра з Zeff, розрахунок відповідних калібрологарифмування в логарифматорі 9 та оцифрувочних констант і введення всіх аналітичних даних вання. Сигнали від всіх детекторів і для всіх лініу спеціальне програмне забезпечення з обробкою йок обробляються одночасно. Після обробки сисмульти-енергетичних сигналів і роздільною візуатемою 8 оцифровані мульти-монохроматичні лізацією областей з різним хімічним складом (у сигнали надходять у режимі реального часу на відповідністю із відновленими контрольованими комп'ютерний інтерфейс 10 з спеціальним програпараметрами матеріалу об'єкту) при урахуванні мним забезпеченням, де вони обробляються за мульти-монохроматічності рентгенографічної сисвизначеними алгоритмами. Відмінною рисою алтеми, дозволяє в остаточному підсумку значно горитмів є пряме визначення з набору отриманих поліпшити точність контролю. Зокрема, проведе 17 89318 18 ний аналіз показує, що точність відновлення Zeff шумами електроніки, нестабільністю джерела виспособом, що заявляється, можна приблизно оціпромінювання та деяких інших факторів, які не нити як пов'язані з системною помилкою самого методу. На відміну від цього, за нашими оцінками, точність визначення Zeff для наведених раніше аналогів Z l N , (7) ніколи не перевищує 60-70%. Z l Необхідно відзначити, що запропоноване технічне рішення може забезпечити розробку нового де Ζ задає характерну невизначеність при віпокоління мульти-енергетичних рентгенівських дновленні Zeff, N - це порядок мультисканерів для митних цілей або для промисловості енергетичності, а l/l - просторова роздільна здатта комп'ютерного мульти-енергетичного томограність детектуючої системи. У принципі можна вифа з можливістю виявлення патологій з точністю, значити Zeff з точністю до 95-97%, якщо просторояка не поступається точності сучасної позитроннова роздільна здатність системи при 2-енергетичної емісійної томографії. радіографії становить біля 2-5 пар ліній/мм. Практично ця точність обмежена тільки внутрішніми Комп’ютерна верстка О. Гапоненко Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601