УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ И НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Полезная модель относится к области обнаружения взрывчатых и наркотических веществ и может использоваться в системах безопасности для обнаружения и идентификация взрывчатых и наркотических веществ в ручной клади пассажиров.
Известен способ обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, заключающийся в том, что контролируемый объект просвечивают рентгеновским излучением в спектральных областях с различной эффективной энергией, среди зарегистрированных выделяют сигналы, соответствующие излучению, прошедшему через фоновое и совокупность фонового и идентифицируемого вещества, по значениям сигналов поглощения излучения в двух спектральных областях. Сравнивают значения сигналов градуировочной кривой со значениями выделенных зарегистрированных сигналов поглощения излучения совокупностью фонового и идентифицируемого веществ, и при наличии в градуировочной кривой сигналов, значения которых равны значениям зарегистрированных сигналов, принимают решения о равенстве атомных номеров идентифицированного и подлежащего обнаружению веществ (патент RU 2095795, 1997)
Недостатком данного способа является низкая точность из-за того, что имеется возможность определения только одного параметра - эффективного атомного номера вещества, невозможность обнаружить и идентифицировать вещества, находящиеся за защитой из тяжелых
материалов, например, сталью, а также то, что данный способ может использоваться только для просвечивания однородных объектов.
Известен способ обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в объеме, например, в багаже, (патент RU 2161820, 2001), заключающийся в том, что объем сканируется излучением для определения плотности каждого из множества элементов, составляющих объем, и идентификацию объема как подозрительного на наличие взрывчатого или наркотического вещества.
Устройство для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в объеме, например, в багаже (патент RU 2161820, 2001), содержит сканирующее устройство для определения плотности каждого из множества элементов, составляющих объем, и процессор, содержащий модуль идентификации непрерывности, связывающий и помечающий объемные элементы изображения со сходными плотностями из множества объемных элементов изображения, и модуль идентификации объекта, выполненный с возможностью определять объем указанной непрерывной области и сравнивать его с первой пороговой величиной и в случае превышения первой пороговой величины идентифицировать эту область как подозрительную.
Недостатком данного способа и устройства является низкая точность из-за того, что имеется возможность определения только одного параметра - плотности, невозможность обнаружить и идентифицировать вещества, находящиеся за защитой из тяжелых материалов, например, сталью.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения заключается в том, что имеется возможность обнаруживать и идентифицировать взрывчатые и наркотические вещества, находящиеся за
защитой из тяжелых материалов, например сталью. Для данного прибора стальной и даже тонкий свинцовый экран не являются препятствием. Кроме того, регистрация рассеянного гамма излучения позволяет располагать детектор не только сзади, но и в любой точке по отношению к исследуемому объекту. Повышается также вероятности обнаружения взрывчатых и наркотических веществ.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ содержит жестко закрепленные в корпусе с радиационной защитой источник Гамма-3, излучения и детекторы однократно-рассеянного гамма-излучения, устройство для закрепления исследуемого объекта и определения его геометрических размеров и массы, вокруг которого равномерно расположены детекторы гамма-излучения и источник гамма-квантов, причем источник и детекторы закреплены так, что оси коллиматоров источника гамма-излучения и детекторов гамма-излучения фокусируются в различных точках прибора в области расположения исследуемого объекта, а устройство для закрепления исследуемого объекта выполнено с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, блок управления, включающий модуль обработки информации, реализующий функцию определения соответственно эффективного атомного номера и плотности исследуемого объекта по количеству зарегистрированных квантов однократно-рассеянного излучения с энергией в двух заданных энергетических интервалах и по градуировочной характеристике, модуль определения начальных параметров, реализующий функцию вычисления эффективного атомного номера и плотности исследуемого объекта по измеренным геометрическим размерам и массе исследуемого объекта, и модуль идентификации элементарных ячеек, содержащих взрывчатые и наркотические вещества, реализующий функцию определения
эффективного атомного номера и плотности каждой элементарной ячейки из системы уравнений, составленных для каждого луча вида
k
i,j,m
eff,k
k
eff.i.j.m
k
i,j,m,k
где ρ - интегральная плотность объекта по k-му лучу, ρ - плотность ячейки (i,j,m), Z - интегральный эффективный атомный номер объекта, измеренный по k-му лучу, l - длина k-ого луча, Z - эффективный атомный номер ячейки (i,j,m), l - длина k-ого луча, l - длина отрезка k-ого луча, проходящего через ячейку (i,j,m), методом итеративного алгоритма с исходными параметрами, вычисленными по геометрическим размерам и массе исследуемого объекта, сравнения вычисленных эффективного атомного номера и плотности каждой элементарной ячейки с известными для взрывчатых и наркотических веществ и при их совпадении идентификацию такой элементарной ячейки как содержащей взрывчатые и/или наркотические вещества.
Для обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ весь объем исследуемого вещества разбивается на множество
элементарных ячеек. В пределах каждой ячейки плотность и эффективный атомный номер считаются постоянными и рассчитываются на основе экспериментальных данных о плотности и эффективном атомном номере всего объема вещества, полученных разными детекторами (т.е. вдоль разных лучей - траекторий гамма-квантов) с помощью алгоритмов компьютерной томографии. Принципиально возможно применять алгоритмы реконструктивной томографии в случае, если исследуемые параметры (плотность и эффективный атомный номер) являются интегралами затухания (т.е. непрерывными, гладкими убывающими функциями, в зависимости от длины луча - линии аппроксимирующей ход лучей от источника до данного детектора), а также если поток фотонов, регистрируемых детектором, можно представить в виде лучей. Оба эти условия выполняются при регистрации однократно-рассеянного гамма-излучения. Непрерывное убывание плотности потока рассеянного излучения, в зависимости от расстояния, следует из решения интегро-дифференциального уравнения переноса, только для однократно-рассеянного излучения траектории можно описать ломаными линиями.
На фиг.1 (а, б) приведена схема устройства для обнаружения взрывчатых веществ.
Прибор содержит источник гамма-излучения 1. Источник окружен свинцовой шарообразной защитой с коллимационным окном 2 в форме цилиндрического отверстия. В горизонтальной плоскости, в которой находится коллиматор источника, располагаются 12 сцинтилляционных детекторов гамма-излучения 3. Колиматоры детекторов повернуты по отношению к коллиматору источника с шагом 30°. Сцинтилляционные детекторы заключены в свинцовые цилиндрические коллиматоры.
Детекторы вместе с коллиматором выполнены таким образом, чтобы в спектре регистрируемого ими излучения преобладала однократно-рассеянная составляющая. Этого достигается тем, что элементы системы расположены таким образом, чтобы длина свободного пробега первичного и рассеянного гамма-квантов, не превышала реальных расстояний, которые квант проходит в веществе. Для этого расстояние от точек фокусировки до границы объекта не должно превышать 70 сантиметров.
Источник и детекторы жестко закреплены между собой, таким образом, что оси коллиматоров источника и детектора фокусируются в различных точках внутри прибора, а исследуемый объект 4 располагается таким образом, чтобы эти точки фокусировки находились внутри него (см. фиг.1б).
Прибор содержит также устройство фиксации и определения геометрических размеров и массы исследуемого объекта. Это устройство может быть выполнено в виде системы упоров, вокруг которой равномерно расположены детекторы и источник гамма-излучения. Система упоров в выдвинутом состоянии образует грани прямоугольного параллелепипеда, соответствующего размерам исследуемого объекта. Система упоров используется для фиксации исследуемого объекта и определения его реальных геометрических размеров. Упоры выполнены из материала прозрачного для гамма-лучей. Нижний упор соединен с весами, что позволяет определить массу объекта. Система источник - детекторы неподвижна относительно корпуса прибора, а система упоров приводится во вращение в горизонтальной плоскости шаговым двигателем, команды на который подаются с блока управления.
Каждый детектор соединен с двумя счетчиками. Первый счетчик регистрирует все кванты попавшие в детектор, энергия которых лежит в
i
0
0
137
интервалах от 40 до 120 кэВ. Второй счетчик срабатывает при попадании в детектор квантов с энергией: Е±40 кэВ, где  - энергия кванта, претерпевшего комптоновское рассеяние под углом θ, а E - энергия первичного кванта, для Cs E=662 кэВ.
Таким образом, энергия квантов, которые регистрирует второй счетчик для каждого из детекторов различна (из-за разницы в углах рассеяния). Все счетчики соединены с блоком управления, выполненном на базе ПЭВМ.
Блок управления содержит модуль обработки информации, модуль определения начальных параметров, и модуль идентификации элементарных ячеек, содержащих взрывчатые и наркотические вещества.
Устройство работает следующим образом.
Первоначально исследуемый объект устанавливается в систему упоров, которая располагается, таким образом, что коллиматор источника оказывается направлен по нормали к одной из граней параллелепипеда. Производится сжатие упоров, их окончательное положение записывается в блок управления (модуль определения начальных параметров), одновременно производится взвешивание объекта, эта информация также фиксируется в модуле определения начальных параметров блока управления. По этим данным определяется начальные параметры объекта: плотность и эффективный атомный номер. По команде с блока управления закрывается крышка прибора, из коллимационного окна источника вынимается заглушка и запускается счетчик времени экспозиции. Одновременно с ним запускаются все счетчики детекторов. Время экспозиции в одном фиксированном положении составляет 15 с. Каждый
счетчик регистрирует количество квантов, попавших в соответствующий ему детектор в заданном энергетическом интервале. Энергетическая дискриминация осуществляется по амплитуде импульса, поступившего с детектора в результате регистрации кванта. По окончании времени экспозиции накопление информации счетчиками прекращается, данные с них поступают в модуль обработки информации блока управления и сохраняются там вместе с информацией о взаимном расположении системы источник - детекторы и системы упоров. Далее, все счетчики обнуляются, система упоров, вместе с исследуемым объектом, поворачивается на угол 10° и описанный выше алгоритм повторяется. Работа прибора продолжается до тех пор, пока система упоров не совершит полный оборот, полное время сканирования при этом составляет 8 минут и 45 секунд.
3
В целом время сканирования, количество детекторов и угол поворота системы упоров, определяются размерами томографической ячейки и могут быть изменены. В случае рассмотренном выше, размер томографической ячейки равен 1.25×1.25×1.25 см.
k
1.k
2.k
1.k
2.k
По окончании процесса сканирования запускается процесс обработки, который можно разделить на два этапа: первый - это определение интегральных величин, т.е. параметров объекта в целом, который осуществляется модулем обработки информации и второй - расчет дифференциальных характеристик - плотности и эффективного атомного номера каждой томографической ячейки, осуществляемый модулем идентификации элементарных ячеек. Для каждого взаимного расположения систем упоров и источник - детекторы для каждого детектора рассчитывается реальное расстояние, которое квант проходит в веществе объекта, и запоминается в БУ длина k-ого луча l=l`+l`, где l` - расстояние которое проходит первичный квант от границы объекта со стороны источника до точки фокусировки, l` - расстояние которое
8
проходит рассеянный квант от точки фокусировки до границы объекта со стороны детектора, соответствующего k-му лучу. Далее производится расчет интегральных значений плотности и эффективного атомного номера всего объекта, измеренных вдоль каждого луча, т.е. каждым детектором во всех положениях, для этого количество импульсов счетчиков в данном положении детектора сравниваются с соответствующими базами данных, которые хранятся в блоке управления. База данных, с которой сравниваются показания второго счетчика получена по экспериментальным результатам на этапе калибровки прибора по следующей методике: задается фиксированное положение системы источник-детектор-объект (объект представляет из себя однородное по плотности и эффективному атомному номеру вещество), соответствующее заданному лучу и запоминается количество импульсов, регистрируемых вторым счетчиком данного детектора при изменении плотности и геометрических размеров исследуемого объекта, эти данные и составляют основу Базы данных. Перед началом расчета интегрального значения плотности исследуемого объекта путем аппроксимации данных из базы данных по размеру объекта, строится градуировочная характеристика системы источник - детектор вдоль каждого k-го луча для геометрических размеров исследуемого объекта, по оси абсцисс откладывается плотность вещества, а по оси ординат -количество импульсов. Данный график запоминается в блке управления в виде таблицы, в которой имеется 2 значений плотности. Показания счетчика прибора k-ого луча сравниваются с этой таблицей и по результатам этого сравнения этому лучу приписывается соответствующее значение плотности, которое запоминается блоке управления. Определение эффективного атомного номера вещества по k-му лучу производится аналогично, с той лишь разницей, что в соответствующей Базе данных хранятся количество импульсов, зарегистрированных первым счетчиком, при облучении веществ с различными значениями эффективного атомного
номера. После того как для каждого луча определены интегральные плотность и эффективный атомный номер, программа блока управления переходит к дифференциальному блоку расчетов, который реализуется модулем идентификации элементарных ячеек, содержащих взрывчатые и наркотические вещества.
3
i,j,m,k
i,j,m,k
Дифференциальный блок включает в себя следующие действия: весь объем исследуемого вещества программно разбивается на одинаковые ячейки (i,j,m), в виде прямоугольных параллелепипедов размерами по умолчанию 1.25×1.25×1.25 см. Производится расчет отрезков каждого луча, проходящего через все ячейки l где (i,j,m) - номер ячейки, a k - номер луча, в случае, если луч не проходит через ячейку, то l=0. По окончании этих действий запускается программа томографического восстановления, которая с помощью итеративных алгоритмов решает две системы уравнений:
k
i,j,m
eff,k
k
eff.i.j.m
k
i.j.m.k
здесь ρ - интегральная плотность объекта по k-му лучу, ρ - плотность ячейки (i,j,m), Z - интегральный эффективный атомный номер объекта, измеренный по k-му лучу, l - длина k-ого луча, Z - эффективный атомный номер ячейки (i,j,m), l - длина k-ого луча, l - длина отрезка k-ого луча, проходящего через ячейку (i,j,m). При этом за исходные параметры приняты эффективный атомный номер и плотность, вычисленные по измеренным геометрическим размерам и массе исследуемого объекта.
В результате работы программы томографического восстановления мы получаем значения плотности и эффективного атомного номера для каждой из ячеек с погрешностью не превышающей 1%. Далее производится оценка данных параметров каждой ячейки (i,j,m) и они сравниваются с плотностью и эффективным атомным номером взрывчатых, наркотических и др. веществ, в случае совпадения обоих параметров на экран БУ выводится соответствующий сигнал, по команде оператора на экран также выводится изображение всего объекта разбитого на томографические ячейки, где подозрительные ячейки подсвечиваются, также имеется возможность, путем наведения курсора на интересующую ячейку наблюдать ее параметры, т.е. ее плотность и эффективный атомный номер.
eff
Алгоритмы реконструктивной томографии позволяют определить параметры вещества (ρ и Z) в любой точке внутри исследуемого объема, вне зависимости от расположенных рядом с ней объектов. Использование источника гамма-излучения дает возможность исследовать объекты за защитой из тяжелых материалов, где рентгеновские способы неприменимы.