ДЕТЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ СБОРА ДАННЫХ СКАНИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ ИНТРОСКОПИИ
DETECTOR UNIT FOR COLLECTING SCANNING DATA IN INTROSCOPY SYSTEM

Изобретение относится к детекторному узлу для сбора данных сканирования в системе интроскопии, в частности к детекторному узлу системы интроскопии объектов таможенного контроля, предназначенной для досмотра транспортных средств, а также других объектов, с целью получения информации об их содержимом.
Уровень техники
Используемые для таможенного контроля системы интроскопии предназначены для получения информации о внутреннем устройстве и содержимом досматриваемого объекта с целью предотвращения несанкционированного провоза оружия, наркотических веществ и контрабанды.
Исходя из своего назначения, такие системы должны обеспечивать возможность визуализации содержимого досматриваемого объекта, распознавания находящихся внутри объекта различных устройств, предметов и веществ, распознавания изделий из различных материалов, а также выявления возможных тайников или сокрытых вложений.
Подобные системы используются на всех контрольно-пропускные пунктах пограничной и таможенной служб, как для контроля малогабаритных и средних объектов, например ручной клади и багажа пассажиров или содержимого почтовых отправлений, так и для интроскопии крупногабаритных объектов, таких как легковые и грузовые транспортные средства, контейнеры или железнодорожные вагоны.
Современные системы интроскопии, предназначенные для досмотра крупногабаритных объектов таможенного контроля, называются инспекционно-досмотровыми комплексами (ИДК) и позволяют быстро и эффективно осмотреть содержимое интересующего объекта, без вскрытия последнего.
В основе известных систем интроскопии, в частности комплексов ИДК, лежит принцип сканирования досматриваемого объекта с использованием ионизирующего излучения, в частности высокоэнергетического фотонного излучения (например, рентгеновского или гамма-излучения), создаваемого ускорителем электронов, или гамма-излучения радиоактивных изотопов. При прохождении через предметы и вещества, содержащиеся внутри досматриваемого объекта, ионизирующее излучение ослабляется и по изменению его интенсивности определяют характеристики просвечиваемых предметов, с последующим преобразованием данных сканирования в радиоскопическое изображение содержимого объекта. Подобные системы описаны, например, в документах RU 2430424, RU 2284511, RU 2305855.
Комплекс ИДК, работающий по вышеупомянутому принципу, обычно содержит источник ионизирующего излучения, детекторный узел, предназначенный для сбора данных сканирования, средство перемещения детекторного узла вдоль объекта сканирования (либо средство перемещения самого объекта сканирования относительно детекторного узла), систему обработки и визуализации данных, полученных в результате сканирования, а также систему управления всеми элементами комплекса ИДК и систему обеспечения радиационной безопасности. В качестве примера такой системы можно привести комплекс ИДК HCVG-6040 компании Смите Хайманн (Smiths Heimann), описанный в источнике информации, размещенном на сайте .
Детекторные узлы, используемые в вышеописанных комплексах ИДК, представляют собой вертикальные или Г-образные детекторные линейки, содержащие чувствительные элементы, воспринимающие дошедшие до них высокоэнергетические фотоны (гамма-кванты) излучения, после их прохождения через сканируемый объект.
Чувствительные элементы представляют собой сцинцилляционные кристаллы, соединенные с фотодиодами, которые, в свою очередь, связаны с аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП), преобразующими электрические сигналы фотодиодов в цифровые сигналы для их последующей передачи на удаленный компьютер, на котором происходит их окончательная обработка и визуализация.
Такой детекторный узел раскрыт, например, в статье "Принципы построения досмотровой рентгеновской техники", размещенной на сайте .
На пути прохождения излучения от точки генерации излучения до точки детектирования на детекторной линейке информативные гамма-кванты претерпевают различные процессы взаимодействия и ослабления, что приводит к искажению полезного сигнала об объекте сканирования. Так, в частности, имеют место геометрические искажения, обусловленные, в частности, вертикальной или Г-образной формой детекторной линейки и приводящие к ухудшению качества радиоскопического изображения объектов сканирования, которое проявляется в их искаженном отображении.
Кроме того, вертикальная или Г-образная форма линейки способствует появлению на изображении нежелательных артефактов.
Чувствительные элементы детекторного узла, как правило, объединены в детекторные модули, подключенные к многоканальным платам АЦП. Для оптимизации усилительных трактов отдельных каналов детектирования, минимизации шумов электроники и наводок от внешних источников требуется прямое (то есть, без использования промежуточных шлейфов) соединение детекторных модулей с многоканальными модулями АЦП. В то же время для достижения эффективной регистрации излучения, расходящегося веерным пучком из точки генерации источника излучения, необходимо, чтобы чувствительные элементы были расположены строго вдоль исходящих лучей. При этом оптимальным было бы расположение чувствительных элементов вдоль окружности с центром в точке генерации источника излучения. В случае применения вертикальной или Г-образной детекторной линейки ориентация чувствительных элементов таким образом, чтобы они располагались вдоль падающих лучей, неизбежно приводит к появлению разрывов в местах сочленения соседних узлов, состоящих из соединенных напрямую детекторных модулей и плат АЦП. В случае некачественной юстировки или ее нарушения, например, при вибрациях, возникающих при перемещении детекторного узла комплекса ИДК, наличие таких разрывов может приводить к перекрытию крайних чувствительных элементов соседних узлов плат или разрыву между этими крайними чувствительными элементами. В результате на сканированном изображении появляются горизонтальные полосы (артефакты) с шагом, равным количеству каналов детектирования на платах АЦП.
Известно также выполнение детекторной линейки дугообразной формы. Так, в документе US 2013230104 раскрыт детекторный узел для сбора данных сканирования в системе интроскопии, содержащей источник ионизирующего излучения, имеющий корпус детекторного узла, в котором размещены детекторные модули, содержащие чувствительные элементы, выполненные с возможностью приема ионизирующего излучения и его преобразования в электрический сигнал, при этом корпус детекторного узла выполнен в форме дуги окружности с центром в точке генерации излучения источника ионизирующего излучения, причем чувствительные элементы расположены на одинаковом расстоянии от точки генерации излучения источника ионизирующего излучения и ориентированы перпендикулярно лучам, исходящим из источника ионизирующего излучения. Указанное устройство выбрано заявителем в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения.
Указанная форма детекторной линейки позволяет избежать геометрических искажений, обусловленных вертикальной или Г-образной формой известных детекторных узлов.
Однако при установке и фиксации дугообразной детекторной линейки в ИДК возможны некоторые деформации корпуса детекторной линейки и, соответственно, вариации внешнего радиуса дуги в силу напряжений, возникающих внутри несущих элементов.
Таким образом, при использовании дугообразных линеек в ИДК возникает проблема точного позиционирования чувствительных элементов по дуге окружности с обеспечением их безразрывного соединения по всей дуге.
В техническом решении, являющемся ближайшим аналогом предложенного изобретения, описан способ оптимальной ориентации чувствительных элементов относительно источника излучения. Однако такая ориентация обеспечена в указанном решении сложным и дорогостоящим способом с применением дистанционно управляемых линейных приводов. Кроме того, указанное техническое решение не позволяет решить проблему точного позиционирования чувствительных элементов по дуге детекторной линейки с обеспечением их безразрывного соединения по всей дуге независимо от корпусных деформаций.
Таким образом, существует потребность в техническом решении, позволяющем повысить качество радиоскопического изображения за счет устранения геометрических искажений и артефактов, имеющих место на таком изображении при обработке данных сканирования с помощью известных детекторных узлов, а также обеспечить точное позиционирование чувствительных элементов относительно падающих лучей простым способом, не требующим применения дорогостоящего оборудования.
Раскрытие изобретения
Исходя из вышеизложенного, задачей изобретения является создание детекторного узла, позволяющего повысить качество радиоскопического изображения объектов сканирования в системе интроскопии за счет устранения геометрических искажений изображения и отсутствия на изображении артефактов, а также обеспечить оптимальную ориентацию чувствительных элементов относительно падающих лучей простым способом, не требующим применения дорогостоящего оборудования.
Указанная задача решена посредством создания детекторного узла для сбора данных сканирования в системе интроскопии, содержащей источник ионизирующего излучения, имеющего корпус детекторного узла, в котором размещены чувствительные элементы, выполненные с возможностью приема ионизирующего излучения и его преобразования в электрический сигнал, связанные с платами аналогово-цифровых преобразователей; причем корпус выполнен в форме дуги окружности с центром в точке генерации излучения источника ионизирующего излучения, а чувствительные элементы расположены на одинаковом расстоянии от точки генерации излучения источника ионизирующего излучения и ориентированы перпендикулярно лучам, исходящим из источника ионизирующего излучения.
При этом согласно изобретению чувствительные элементы связаны с аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП) так, что детекторные модули чувствительных элементов и платы АЦП образуют единые узлы, размещенные на кронштейнах, выполненных с возможностью регулировки по трем степеням свободы, при этом ориентация чувствительных элементов относительно падающих лучей обеспечена путем последовательного размещения в корпусе указанных узлов (7) так, что между указанными узлами отсутствуют разрывы.
Как уже было упомянуто выше, при размещении чувствительных элементов вдоль дуги окружности с центром в точке генерации излучения источника излучения, удается избежать геометрических искажений, обусловленных вертикальной или Г-образной формой известных детекторных узлов.
Оптимальную ориентацию чувствительных элементов относительно падающих лучей обеспечивают путем последовательного размещения в корпусе плат АЦП с подключенными к ним детекторными модулями чувствительных элементов. При этом, благодаря тому что узлы, состоящие из детекторных модулей чувствительных элементов и плат АЦП, расположены на кронштейнах, имеющих три степени свободы регулировки, обеспечивается точное позиционирование указанных узлов по дуге детекторной линейки, независимо от корпусных деформаций.
Таким образом, независимо от деформаций корпуса детекторной линейки, обеспечивается неразрывное соединение между соседними платами АЦП, что позволяет избежать относительного смещения чувствительных элементов в ходе рабочего цикла системы интроскопии, добиться равномерной геометрической дискретизации радиоскопического изображения и, как следствие, исключить наличие на полученном изображении артефактов.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить качество радиоскопического изображения за счет устранения геометрических искажений и артефактов, имеющих место на таком изображении при обработке данных сканирования с помощью известных детекторных узлов, а также обеспечить оптимальную ориентацию чувствительных элементов относительно падающих лучей независимо от корпусных деформаций простым способом, не требующим применения дорогостоящего оборудования.
Кроме того, размещение чувствительных элементов системы детектирования вдоль окружности с центром в точке генерации излучения позволяет эффективно производить калибровку рабочих каналов детекторного узла за счет отсутствия погрешности, обусловленной геометрическими искажениями.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, чувствительные элементы содержат сцинцилляторные кристаллы и связанные с ними фотодиоды.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, источник ионизирующего излучения представляет собой источник тормозного излучения на основе ускорителя электронов.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, ускоритель электронов является линейным ускорителем электронов.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, ускоритель является циклическим ускорителем электронов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, источник тормозного излучения представляет собой рентгеновскую трубку
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, источник тормозного излучения представляет собой источник радиоизотопного излучения.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, в корпусе детекторного узла имеются средства доступа к чувствительным элементам.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, корпус детекторного узла связан с системой климат-контроля с замкнутой системой циркуляции воздуха.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение описано более подробно со ссылками на чертежи, на которых:
на фиг. 1 показана оптическая схема комплекса ИДК для досмотра транспортных средств, содержащего детекторный узел, выполненный в соответствии с предложенным изобретением;
на фиг. 2 в аксонометрии показан фрагмент предложенного детекторного узла;
на фиг. 3 в увеличенном масштабе показан участок I с фиг. 2, более подробно иллюстрирующий элементы предложенного детекторного узла.
Осуществление изобретения
Вариант осуществления изобретения описан на примере детекторного узла комплекса ИДК для досмотра транспортных средств.
На фиг. 1 показана оптическая схема комплекса ИДК для досмотра транспортных средств, содержащего источник 1 ионизирующего излучения и детекторный узел 2.
Источник 1 ионизирующего излучения и детекторный узел 2 установлены на передвижной раме (не показана), представляющей собой портал с двумя расположенными друг напротив друга опорными базами, на одной из которых размещен источник 1 излучения, а на другой - детекторный узел 2.
Рама установлена на двух рельсах, один из которых соединен с базой, на которой установлен источник 1 ионизирующего излучения, а другой - с базой, на которой размещен детекторный узел 2, предназначенный для сбора и обработки данных сканирования. Рельсы служат для перемещения рамы относительно сканируемого объекта 3 (в данном примере представляющего собой грузовое транспортное средство), в ходе которого происходит перемещение веерного пучка, исходящего из источника 1 ионизирующего излучения.
Конструкция рамы предусматривает возможность сканирования объекта 3 при перемещении рамы в обоих направлениях.
Изобретение предусматривает также возможность использования стационарной рамы. В этом случае перемещение сканирующего пучка будет происходить за счет перемещения самого досматриваемого объекта относительно рамы.
В данном примере источник 1 ионизирующего излучения представляет собой источник тормозного излучения, выполненный на основе ускорителя электронов.
Такой источник может быть выполнен на основе линейного ускорителя электронов или циклического ускорителя электронов (например, бетатрона или микротрона).
Ионизирующее излучение, исходящее из источника может представлять собой, например, рентгеновское или гамма-излучение. Возможно также использование источника радиоизотопного излучения.
Источник 1 ионизирующего излучения установлен напротив детекторного узла 2, так что при перемещении досматриваемого объекта вдоль рамы излучение, проходящее через указанный объект, попадает на чувствительные элементы детекторного узла.
Помимо вышеупомянутых устройств, в состав комплекса ИДК может также входить система коллимации, система визуализации данных сканирования, система электропитания, система управления, система радиационной безопасности и другие системы, необходимые для функционирования комплекса ИДК в соответствии с его назначением. Указанные системы на фиг. 1 не показаны.
На фиг. 2 показан детекторный узел 2, выполненный в соответствии с изобретением, а на фиг. 3 подробно показаны отдельные элементы данного детекторного узла 2.
Детекторный узел 2 содержит корпус 4, экранированный от электромагнитного излучения и выполненный в форме дуги окружности с центром в точке генерации излучения (то есть в случае источника тормозного излучения - в фокусном пятне источника излучения).
В корпусе 4 имеется окно (не показано) для ввода излучения, закрытое тонким непрозрачным материалом, не вызывающим ослабления проходящего сквозь него излучения, например поливинилхлоридом.
Корпус 4 соединен с жесткой опорной конструкцией, посредством которой он крепится к раме комплекса ИДК.
Корпус 4 детекторного узла выполнен достаточно жестким для того, чтобы обеспечивалась стабильность взаимного расположения источника 1 излучения и указанного дугообразного корпуса 4 во всех рабочих режимах движения рамы комплекса ИДК, а также минимальные деформации корпуса при разгоне и торможении рамы. Под стабильностью в данном случае понимается как стабильность по относительному сдвигу рамы и корпуса 4 по направлению движения вдоль сканируемого объекта, так и по относительному вертикальному отклонению наклона плоскости трассы пучка.
Внутри корпуса 4 расположены чувствительные элементы, представляющие собой сцинцилляторные кристаллы, связанные с малошумящими фотодиодами (например, p-i-n фотодиодами). Указанные чувствительные элементы расположены на опорных пластинах, при этом на одной опорной пластине могут располагаться один, два, четыре или восемь чувствительных элементов, составляя, таким образом, детекторные модули.
Детекторные модули связаны с электронными платами, содержащими многоканальные аналого-цифровые преобразователи, которые могут принимать сигналы от нескольких детекторных модулей. Размещение узлов 7, содержащих платы аналогово-цифровых преобразователей, соединенных с детекторными модулями, в дугообразном корпусе 4 показано на фиг. 3.
Сцинцилляторные кристаллы под действием дошедшего до них ионизирующего излучения испускают микрочастицы видимого света, который затем в фотодиодах преобразуется в электрический сигнал. При этом величина электрического сигнала пропорциональна количеству попавших в чувствительный элемент фотонов (то есть интенсивности дошедшего до чувствительного элемента излучения). Аналогово-цифровые преобразователи осуществляют преобразование полученных от фотодиодов сигналов, их буферизацию и передачу в блок управления.
В качестве сцинциллятора могут использовать, например, вольфрамат кадмия (CdWO4 или CWO) или цезий йод (Csl).
В корпусе детекторного узла имеются средства 6 доступа к чувствительным элементами и электронным платам в виде боковых люков 6, выполненных по всей длине детекторного узла, благодаря чему обеспечена возможность доступа к элементам детекторного узла с целью их диагностики и замены.
Количество чувствительных элементов и электронных плат зависит от конкретной оптической схемы комплекса ИДК. При этом максимальное число каналов в системе ограничено количеством модулей аналогово-цифровых преобразователей.
Корпус детекторного узла может быть связан с системой климат-контроля с замкнутой циркуляцией воздуха, обеспечивающей внутри корпуса параметры температуры и влажности, необходимые для надлежащего функционирования чувствительных элементов и электронных плат аналогово-цифровых преобразователей.
Длину детекторного узла 2 выбирают таким образом, чтобы обеспечить возможность полного сканирования досматриваемого объекта заданных габаритов в вертикальной развертке, а также наличие достаточного количества референс-каналов 8 вверху детекторной линейки. Такие референс-каналы 8 представляют собой каналы, незатеняемые объектом сканирования на протяжении всего цикла сканирования и необходимы для получения статистической оценки интенсивности излучения для компенсации нестабильности мощности дозы тормозного излучения от импульса к импульсу.
Сканирование подлежащего досмотру объекта 3 осуществляют путем перемещения рамы, на одной стороне которой расположен источник ионизирующего излучения, а на другой - предложенный детекторный узел 2, вдоль объекта. Прошедшее через сканируемый объект 3 излучение попадает на сцинцилляторные кристаллы чувствительных элементов детекторного узла 2 и посредством фотодиодов преобразуется в электрический сигнал, который затем оцифровывается путем обработки в аналогово-цифровых преобразователях. Полученные цифровые данные передают на удаленный компьютер, на котором происходит их окончательная обработка и визуализация на мониторе компьютера.
Благодаря тому что корпус 4 выполнен в виде дуги окружности с центром в точке генерации источника ионизирующего излучения, находящиеся в корпусе 4 чувствительные элементы расположены на одинаковом расстоянии от источника 1 излучения.
Кроме того, дугообразная форма корпуса 4 детекторного узла 2 позволяет разместить узлы 7, состоящие из плат аналогово-цифровых преобразователей и детекторных модулей чувствительных элементов, таким образом, чтобы между указанными узлами 7 не было разрывов.
Для обеспечения точного позиционирования чувствительных элементов вдоль дуги окружности и их безразрывного соединения необходимо предусмотреть внутри конструкции достаточное количество степеней свободы и юстировок плат с чувствительными элементами, чтобы выставить их по дуге окружности внутри корпуса независимо от корпусных деформаций.
Для обеспечения прецизионного расположения узлов 7 по дуге окружности предусмотрено три степени свободы регулировок кронштейнов для крепления чувствительных элементов. Детекторная линейка состоит из набора секторов, на которых расположены шесть кронштейнов с узлами 7, содержащими платы АЦП и чувствительные элементы. В случае ИДК для досмотра автотранспортных средств количество секторов составляет 11 штук.
Каждый сектор, состоящий из шести кронштейнов, индивидуально регулируется по двум степеням свободы, а каждый отдельный кронштейн с узлом 7 имеет радиальную регулировку.
Общее основание корпуса детекторной дуги, на котором крепятся сектора, также имеет три степени свободы, для совмещения фокуса детекторной линейки с фокусом ускорителя.
Совокупность регулировок как отдельных элементов, так и всей дуги по нескольким степеням свободы позволяет обеспечить качественную коллимацию веерного пучка ИДК с дугообразной детекторной линейкой, расположить чувствительные элементы в точности по дуге окружности с центром в фокусном пятне ускорителя и обеспечить безразрывное позиционирование чувствительных элементов с шагом до 0,5 мм, в том числе в местах сочленений секторов по всей длине дуги.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет получить высококачественное радиоскопическое изображение без геометрических искажений и артефактов, имеющих место на изображениях, полученных в системах интроскопии, использующих вертикальные или Г-образные детекторные узлы.
Очевидно, что изобретение не ограничено вышеописанным примером его осуществления и может быть также использовано для осуществления досмотра не только транспортных средств, но и других крупногабаритных объектов, например контейнеров, а также малогабаритных объектов, например багажа или ручной клади пассажиров.
Кроме того, принципы, лежащие в основе изобретения, могут быть использованы также для интроскопии любых других объектов, в частности, в целях медицинской диагностики.