способ распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения

Формула изобретения

1. Способ распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения, основанный на облучении объекта тормозным излучением рентгеновского источника, регистрации падающего на объект и прошедшего через объект излучения многоканальной системой фотоприемников с формированием рядов сигналов, зависящих от энергетического спектра прошедшего через объект излучения, совместной цифровой обработке и сопоставлении измеренных сигналов с заранее вычисленными или измеренными значениями отличительных характеристик представляющих интерес химических компонент и представлении результатов на мониторе, отличающийся тем, что для каждого пространственного элемента объема объекта, состоящего из n химических компонент, измеряют спектральные интенсивности падающего на объект и прошедшего через объект излучения при n+1 значении энергии квантов из используемого спектра излучения, в качестве отличительных характеристик химических компонент используют их массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения при упомянутых n+1 значениях энергии квантов, которые должны быть вычислены или измерены заранее и помещены в банк данных, осуществляют последовательно выборки по n компонент из упомянутого банка данных и совместную обработку результатов измерений с использованием отличительных характеристик выбранных компонент до достижения удовлетворительного согласия между полученными из измерений показателями ослабления излучения и показателями ослабления, обусловленными данным предполагаемым химическим составом объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектральные интенсивности падающего на объект и прошедшего через объект излучения измеряют в таком числе точек по энергетической оси координат, которое достаточно для восстановления спектров, после чего из восстановленных спектров определяют спектральные интенсивности излучения при требуемых n+1 значениях энергии квантов.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что после распознавания химического состава объекта определяют относительное распределение найденных компонентов по объему объекта и относительное их содержание в объекте.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что объект представляют состоящим из какой-либо химической компоненты из банка данных и химически неопределенного остатка и определяют возможность содержания в объекте заданной или произвольно выбранной из банка данных химической компоненты из измерений спектральных интенсивностей падающего на объект и прошедшего через объект рентгеновского излучения при трех значениях энергии квантов из используемого спектра излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цифровой рентгеновской техники и может быть использовано для неразрушающего контроля объектов.

Известны способы рентгеновского химического анализа веществ, основанные на определении положения на энергетической шкале характеристических линий поглощения или испускания рентгеновских квантов химическими элементами и использующие спектральное разложение рентгеновского излучения с помощью дифракционных решеток (см. 1. Вольдсет Р. Прикладная спектроскопия рентгеновского излучения. М. Атомиздат, 1977 г.). Эти способы работоспособны при относительно небольших энергиях рентгеновских квантов, требуют специальной пробоподготовки малых навесок вещества и используются при лабораторном элементном анализе проб.

Известны устройства распознавания наркотиков, взрывчатых веществ и других вложений при неразрушающем контроле грузов и багажа (см. 2 Проспект на устройства Linescan фирмы EG & G Astrophysics. 3. Патент РФ N 2115914, кл. G 01 N 23/04; 9/24.). В этих устройствах объект, размещенный на транспортном конвейере, перемещают в камере через зону облучения узким веерным лучом, который создают с помощью точечного источника тормозного рентгеновского излучения со специальным коллиматором. Излучение источника в отсутствии объекта и прошедшее через объект излучение регистрируют системой фотоприемников, расположенных в ряд на противоположной от источника стороне за конвейером в зоне действия веерного луча. Перед системой фотоприемников устанавливают, как правило, дополнительный коллиматор для отсечки рассеянного объектом излучения и выделения первичного излучения источника, прошедшего через объект. При перемещении объекта конвейером и соответствующем считывании сигналов с системы фотоприемников последовательно контролируют все части объекта.

В устройствах Linescan, мода E, каждый фотоприемник состоит из двух фотодетекторов, выполненных на основе оптоэлектронных пар сцинтиллятор + фотодиод и размещенных друг за другом по лучу зондирования так, что первый фотодетектор является фильтром рентгеновского излучения по отношению ко второму и регистрирует преимущественно низкоэнергетическую часть спектра рентгеновского излучения, а второй фотодетектор, наоборот, регистрирует преимущественно высокоэнергетическую часть спектра излучения, прошедшего через первый фотодетектор.

В патенте РФ N 211 59 14 ряд фотодетекторов, состоящих из одиночных пар сцинтиллятор + фотодиод, снабжен пластинчатыми фильтрами, размещенными перед элементарными фотодетекторами через один детектор. При этом затененные пластинчатыми фильтрами фотодетекторы регистрируют преимущественно высокоэнергетическую часть излучения, а незатененные - весь спектр падающего на фотоприемники излучения. По сути, разностный сигнал двух соседних фотодетекторов и сигнал на выходе затененного детектора оказываются полностью подобными сигналам первого и второго детекторов в упомянутых устройствах Linescan, работающих в режиме моды E.

В обоих вариантах устройств таким образом формируют два ряда сигналов, зависящих от спектра, прошедшего через объект первичного излучения, и два ряда сигналов с тех же фотодетекторов в отсутствии объекта, используемых для нормировки. Полученные ряды сигналов оцифровывают и направляют в вычислительное устройство, где осуществляют их совместную обработку, в процессе которой сопоставляют измеренные величины рядов сигналов с отличительными (классифицирующими) характеристиками веществ, которые должны быть заранее измерены или вычислены. Как правило, для рапознавания используют отношение значений нормированных сигналов, соответствующих двум разделенным спектрам, или отношение логарифмов этих величин для каждого пространственного элемента разрешения объема объекта. Результаты анализа представляют на экране монитора в виде псевдоцветного изображения объекта, окрашенного в соответствии с найденным химическим составом его частей.

Таким образом, в обоих вариантах устройств реализован один и тот же способ распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения, основанный на их облучении тормозным излучением рентгеновского источника; регистрации падающего на объект и прошедшего через него первичного излучения многоканальной системой фотоприемников с формированием рядов сигналов, зависящих от энергетического спектра, прошедшего через объект излучения, путем разделения спектра прошедшего первичного излучения; совместной цифровой обработке сигналов и сопоставлении их с заранее измеренными или вычисленными отличительными характеристиками представляющих интерес химических компонент (соединений или элементов) с учетом реализованного в устройстве разделения спектра прошедшего излучения и формировании на мониторе полутонового псевдоцветного изображения объекта с окраской в соответствии с найденным химическим составом его частей.

Важно отметить, что процедура распознавания осуществляется независимо для каждого элемента объекта, соответствующего элементу пространственного разрешения системы регистрации.

Изложенный способ распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения рассматривается нами как ближайший прототип заявляемого изобретения. Основным недостатком этого способа является то, что он применим для распознавания химического состава объектов или их частей, состоящих только из одной химической компоненты по лучу зондирования. В случае сложных объектов, состоящих из нескольких химических компонент по лучу зондирования, таким способом в лучшем случае можно осуществить только грубую классификацию объектов или их частей по типу: металл - неметалл, легкие - средние - тяжелые элементы и т. п., как это изложено в проспекте на устройства Linescan.

Целью предлагаемого изобретения является решение задачи распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения, включая ситуации, когда объект или его часть содержат несколько химических компонент по лучу зондирования.

Заявленная цель достигается тем, что в способе, основанном на облучении объекта тормозным излучением рентгеновского источника, регистрации падающего на объект и прошедшего через объект излучения с помощью многоканальной системы фотоприемников с формированием рядов сигналов, зависящих от энергетического спектра прошедшего через объект излучения, совместной цифровой обработке сигналов и сопоставлении их с заранее измеренными или вычисленными значениями отличительных характеристик представляющих интерес химических компонент и представлении информации на мониторе, для каждого элемента объема объекта, состоящего из n химических компонент, измеряют спектральную интенсивность падающего на объект и прошедшего через объект первичного излучения при (n+1) значениях энергии квантов из спектра используемого излучения, а в качестве отличительных признаков химических компонент используют значения их массовых коэффициентов ослабления рентгеновского излучения при упомянутых значениях энергии квантов. Эти коэффициенты должны быть вычислены или измерены заранее для всех представляющих интерес химических компонент и заложены в сформированный таким образом банк данных. Для распознавания химического состава рассматриваемого элемента объема объекта осуществляют случайные выборки по n компонент из банка данных и совместную обработку результатов измерений с использованием характеристик упомянутых компонент до достижения удовлетворительного согласия в пределах ошибок измерений между полученными из измерений показателями ослабления излучения и показателями ослабления, обусловленными данным предлагаемым химическим составом объекта для выбранных энергий квантов.

По завершении процедуры распознавания определяют относительное количественное содержание каждой из компонент в объекте.

При изложенном выше способе распознавания выбор значений спектральных интенсивностей на энергетической шкале спектра излучения жестко привязан к настройке измерительного оборудования, что не всегда оптимально для конкретной задачи распознавания. Более универсальным является подход, когда спектральные интенсивности излучения измеряют в таком числе точек на энергетической шкале, которое достаточно для восстановления по стандартным процедурам с допустимой погрешностью самих спектров падающего на объект и прошедшего через объект излучения. В этом случае требуемые значения спектральных интенсивностей могут быть найдены из восстановленных спектров и при значениях энергий квантов, более подходящих для решения конкретной задачи распознавания.

Если не ставится задача определения количественных характеристик содержания химических компонент в объекте, то в качестве отличительных характеристик химических компонент могут быть использованы отношения их массовых коэффициентов ослабления при n значениях энергии квантов к значениям этих коэффициентов при (n+1)-ом значении энергии квантов.

Поскольку отношения массовых коэффициентов при разных энергиях квантов для одной и той же химической компоненты могут быть найдены по значениям ее эффективного атомного номера, являющегося медленной функцией энергии зондирующих квантов, то вместо упомянутых отношений в качестве классифицирующих характеристик компонент могут быть использованы значения этого специальным образом определенного эффективного номера при выбранных энергиях квантов.

Эффективный атомный номер может быть определен для любого набора химических элементов, не обязательно соответствующего определенному химическому веществу. Если объект может быть представлен состоящим из какой-либо химической компоненты, содержащейся в упомянутом выше банке данных, и неопределенного остатка, а значения энергий, при которых определяются необходимые для распознавания спектральные интенсивности излучения, выбраны так, что изменением эффективного атомного номера остатка в пределах используемого спектра можно пренебречь, то оказывается, что это позволяет определить возможность содержания в объекте любой химической компоненты из банка данных и ослабление излучения, обусловленное более легким остатком, из измерений спектральных интенсивностей падающего на объект и прошедшего через объект излучения при трех энергиях квантов из спектра используемого излучения.

Переход к измерениям спектральных интенсивностей излучений, использование в качестве отличительных признаков химических компонент физически значимых их характеристик и предложенная процедура отбора гипотез о химическом составе элементов объема объекта позволяют строго решить задачу распознавания химического состава многокомпонентного объекта. Все выделенные признаки являются существенными для решения поставленной задачи. При этом под отдельной химической компонентой подразумевается, либо химическое соединение, либо отдельный химический элемент, либо смесь из химических соединений и/или элементов с заданными концентрациями ингредиентов, отличительные характеристики которой могут быть вычислены из банка данных.

В контексте данного способа распознавания не имеет значения, выполнена ли система фотоприемников в виде одного ряда или в виде двумерной матрицы либо применен только один фотоприемник, поскольку процедуру распознавания осуществляют для каждого пространственного элемента объема объекта, ограниченного размерами зондирующего луча, принимаемого рассматриваемым фотоприемником. Однако необходимо, чтобы химический состав объекта в пределах любого поперечного сечения этого элемента объема можно было считать однородным. Важно обеспечить также отсечку рассеянного объектом излучения на входе системы фотоприемников.

Сущность заявленного изобретения состоит в следующем. При облучении объекта или его части рентгеновским излучением спектральная интенсивность I_j прошедшего излучения при энергии квантов E_j из спектра излучения равна

I_j(E_j)=I_o(E_j)exp[- (E_j), (1)

где I_o(E_j) - спектральная интенсивность падающего на объект излучения;

(E_j) - показатель ослабления излучения объектом при энергии квантов E_j.

Осуществим нормировку измеряемой спектральной интенсивности прошедшего излучения по спектральной интенсивности падающего на объект излучения и введем сокращение

_j= -ln[I_j(E_j)/I_o(E_j)]. (2)

Комбинируя выражения (1) и (2), получим

_j= (E_j). (3)

Видно, что показатель ослабления прошедшего через объект излучения при энергии квантов E_j определяется из измерений спектральных интенсивностей прошедшего через объект и падающего на объект излучений при той же энергии квантов. Но показатель ослабления излучения (E_j) равен (см. 3. И.К. Кикоин, ред. Таблицы физических величин, стр. 809. М., Атомиздат, 1976 г.)



где n - число химических компонент в элементе объема объекта, соответствующем рассматриваемому фотоприемнику, или, что равнозначно, число химических компонент в элементе объема объекта по лучу зондирования, попадающему в приемную апертуру рассматриваемого фотоприемника;

_k(E_j) - частный показатель ослабления излучения, обусловленный присутствием на пути зондирующего луча к-й химической компоненты;

m_к - массовый набег по лучу зондирования для к-й химической компоненты;

_k(E_j) - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения при энергии квантов E_j для к-й химической компоненты.

Анализируя подобным образом все спектральные каналы рассматриваемого фотоприемника и учитывая (4), получим систему линейных уравнений для определения массовых набегов для всех химических компонент рассматриваемого элемента объема объекта, поскольку массовые коэффициенты _k считаются известными из упомянутого выше банка данных:



Но система уравнений (5) может иметь решения для большого числа выборок по n компонент из банка данных. Необходимо только, чтобы определитель (детерминант) системы уравнений (5) отличался от нуля:



Это условие выполняется автоматически, если значения упомянутых выше энергий квантов выбраны так, чтобы для всех химических компонент измеримый вклад в величину их массовых коэффициентов ослабления излучения вносили оба основных процесса ослабления рентгеновского излучения в веществе: рассеяние и фотоэффект. При выполнении условия (6) решения уравнений (5) суть следующие:



где D_к - определитель, который получается из определителя D путем замены его к-го столбца на столбец, составленный из величин ₁,₂..._n)



Процедура распознавания заключается в том, что из всех решений выбирают такие, чтобы

m_к0 (8)

_k0 (8a)

Отобранные на этом этапе решения подставляют в (4) при (n+))-м значении энергии квантов:



При правильно найденном химическом составе элемента объема объекта и отсутствии ошибок измерений соотношение (9) превращается в тождество, что и решает вопрос о химическом составе рассматриваемого элемента объекта. Однако из-за ошибок измерений ситуация требует дальнейшего анализа.

Перепишем соотношение (9) в виде



Видно, что левая часть (9) есть линейная функция переменных (₁,₂,..._n,_n+1). Введем n+1 - мерную систему координат, осями которой являются переменные ₁,₂,₃,..._n,_n+1. B этой системе координат соотношение (10) задает n-медную поверхность, проходящую через начало координат, углы наклона которой к соответствующим осям определяются значениями коэффициентов _k(E_j). Каждому набору химических компонент соответствует своя поверхность. В идеальном случае при отсутствии ошибок измерений и при правильном определении химического состава элемента объекта эта поверхность содержит точку M(₁,₂,..._n,_n+1). В действительности, из-за ошибок измерений или при неправильном определении химического состава точка M(₁,₂,..._n+1) будет лежать вне поверхности (10). Но кратчайшее расстояние от этой точки до поверхности пропорционально



Значение при переборе всех возможных комбинаций химических компонент из банка данных в процессе распознавания есть мера близости рассматриваемой комбинации к истинному химическому составу рассматриваемого элемента объекта. Правильно найденный этот состав соответствует минимально возможному значению , определяемому ошибками измерений. При конкретном применении предлагаемого способа распознавания значение величины выбирают исходя из анализа ошибок измерений и требуемой надежности распознавания.

После того как с помощью изложенной процедуры найдены химический состав и значения массовых набегов для всех компонент и для всех элементов объема объекта, определяют относительное распределение к-й компоненты по объему



и относительное содержание к-й компоненты в объекте



где N - число пространственных элементов разрешения при анализе объекта.

Анализ выражений (4)-(11) показывает, что величины _k(E_j) и правило отбора гипотез о химическом составе объекта могут быть выражены через отношения массовых коэффициентов ослабления излучения химическими компонентами при энергиях квантов E₁, E₂, E₃, ...,E_n к их массовым коэффициентам при значении энергии E_n+1:



Но эти отношения могут быть представлены в виде (см.4. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. Москва, ИЛИ, 1956 г. 5. Гусев Н. Г., Климатов В. А. , Макович В. И. , Суворов А. И. Физические основы защиты от излучений. Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.):



в ( ) - некоторая универсальная быстро спадающая функция энергии квантов:



Z_эфф (E) - эффективный атомный номер химической компоненты, или обобщенная характеристика рассматриваемой химической компоненты, являющаяся медленной возрастающей функцией энергии квантов:









g(z)=1+0,01481l_n²Z-0,000788l_n³Z, (19)

I=0,5Z²E_o/137², (20)

= E/E_o, (21)

E_o - энергия покоя электрона,

N_i - число химических элементов сорта i, входящих в химическую компоненту,

Z_i - атомные номера элементов сорта i.

Произведение b(E_jZ_эфф⁴(E_j) является отношением сечения фотоэффекта к сечению комптоновского рассеяния для рассматриваемого вещества при энергии квантов E_j.

Величина Z_эфф(E_j) может быть использована в качестве характеристики химической компоненты вместо отношений массовых коэффициентов ослабления излучения. Значения последних, необходимые для проведения процедуры распознавания, могут быть вычислены из выражения (13).

Как показывает анализ, изменение величины Z_эфф при изменении энергии квантов мало для веществ, для которых выполняется условие

E>>I (22)

Так, для веществ, состоящих из химических элементов с атомными номерами Z 30, изменение Z_эфф не превышает 10% при изменении энергии квантов в пределах от 40 кэВ до 160 кэВ и во многих практически интересных случаях этим изменением можно пренебречь, то есть можно считать величину Z_эфф для данного вещества постоянной. Такая ситуация, например, возникает при обнаружении наркотиков или взрывчатых веществ в багаже авиапассажиров. В этом случае применим несколько другой подход. Именно, пусть объект состоит из какой-либо компоненты, характеристики которой содержатся в банке данных, и остатка, состоящего из химических элементов, для которых выполняется условие (22). Сама эта компонента может содержать произвольные химические элементы. Применим к такому объекту изложенную выше процедуру распознавания, полагая n=2, то есть считая его двухкомпонентным. Из выражений (7) (9) и (12) получим

₁(E₁) = ₁(E₃)₁(E₁)/₁(E₃), (23)

₁(E₂) = ₁(E₃)₁(E₂)/₁(E₃), (24)





₃= ₁(E₃)+₂(E₃), (27)

где



По условиям задачи





где Z_эфф - эффективный атомный номер остатка.

В штатной ситуации распознавания двухкомпонентных объектов, когда классифицирующие характеристики обеих компонент известны, величины ₁(E₃) и ₂(E₃) полностью определяются найденными из измерений значениями ₁ и ₂ и характеристиками компонент из банка данных, а уравнение (27) используется для отбора гипотез о составе объекта. В рассматриваемом же случае ₁(E₃) и ₂(E₃) оказываются зависящими от эффективного атомного номера остатка, который также неизвестен. Поэтому уравнение (17) нужно использовать для вычисления этого Z_эфф. Решая это уравнение, получим



S₁(1;3) = ₁(E₁)/₁(E₃);

S₁(2;3) = ₁(E₂)/₁(E₃).

Каждой компоненте, занесенной в банк данных, соответствуют свои значения отношений S₁ (1; 3) и S₁ (2; 3). Поэтому, предполагая случайную выборку компонент из банка данных при осуществлении процедуры распознавания, естественно потребовать, чтобы характеристики выбранной компоненты удовлетворяли условию

Z_эфф⁴0 (32)

Далее, выбрав из банка данных компоненту, характеристики которой удовлетворяют условию (22), можно определить ожидаемые значения

₂(E₁),₂(E₂),₂(E₃).

Из физических соображений необходимо потребовать при этом, чтобы

₂(E₁)0;₂(E₂)0;₂(E₃)0. (33)

Эта же процедура затем может быть применена к остатку, поскольку вычислены показатели ослабления излучения, обусловленные остатком.

Нет никакой уверенности, что только одна компонента из банка данных удовлетворяет условиям (32) и (33). Однозначный ответ может быть получен только в рамках общего подхода для распознавания многокомпонентных объектов. В рассматриваемом же случае следует говорить лишь о возможности содержания в объекте компоненты, характеристики которой удовлетворяют условиям (32) и (33). Однако в практике часто возникает вопрос, содержит ли данный объект вполне определенную химическую компоненту. Например, содержит ли данный багаж наркотики или взрывчатое вещество. Тестируя объект рассматриваемым способом и используя классифицирующие характеристики наркотиков, взрывчатых веществ и т. п. , можно установить, выполняются ли при этом условия (32) и (33). Если эти условия не выполняются, объект не содержит искомых вложений. Если же они выполняются, то объект может содержать недозволенные вложения и необходим ручной досмотр, причем оператору может быть представлено ожидаемое распределение этих вложений по объему объекта. Отметим, что рассматриваемая процедура допускает, что недозволенные вложения могут быть упакованы в контейнеры, вещество которых входит в состав остатка.

При анализе реализуемости предлагаемого способа распознавания химического состава объектов основной вопрос связан с возможностью построения рентгеновских спектрометров, которые позволили бы осуществлять измерения спектральных интенсивностей излучения в непрерывном спектре тормозного излучения. Принципиальными являются требования к спектральной избирательности каналов спектрометров. Эти требования оказываются зависимыми от величины ослабления излучения объектом. Однако даже при ослаблении интенсивности излучения в сто раз допустимая ширина спектрального канала составляет ~10% от значения энергии, на которую настроен канал. Известна реализация спектрометров с такой избирательностью, например, на основе оптоэлектронных пар сцинтиллятор + фотодиод и многоканальных амплитудных анализаторов (см. 6. Вяземский В. О., Ломоносов И. М. и др. Сцинтилляционный метод в радиометрии. Москва, Атомиздат, 1961 г.). При этом оптоэлектронная пара должна работать в режиме счета отдельных фотонов. Применение таких режимов регистрации излучения для целей контроля известно из работы Крюгера (см. 7. Kruger R. P. IEEE Trans. Uncle. SCI, 1981, NS-28, N 2, p. 1721-1725). В этой работе был использован радиоактивный источник, имеющий узкую линию излучения, а для регистрации - счетчик квантов на основе оптоэлектронной пары сцинтиллятор + фотодиод.

Важной проблемой при реализации предлагаемого способа распознавания является отделение прошедшего объект первичного излучения источника от рассеянного объектом излучения, особенно при использовании двумерной матрицы спектрометров для регистрации излучения. Кардинальные способы решения этой проблемы предложены в Заявке РФ N 99110841/09(011562) от 25 мая 1999 г.

Вычислительные процедуры, заложенные в предлагаемом способе, могут быть реализованы как на специализированных вычислительных устройствах, так и на персональных ЭВМ типа IBM PC AT.

Исходя из изложенного, считаем, что реализуемость предлагаемого способа распознавания в целом доказана.

Предлагаемые способы распознавания химического состава объектов могут быть использованы в таможенной службе для контроля грузов и багажа на предмет наличия контрабанды, в службе авиаперевозок для выявления взрывчатых веществ в багаже пассажиров, в нефтегазовой промышленности для контроля состава продуктов в нефте- и газопроводах и для контроля качества выходных продуктов на нефтеперерабатывающих предприятиях, в медицинской технике при создании рентгеновских аппаратов и томографов нового поколения.