РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ГРУЗА И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
X-RAY PLANT FOR INSPECTING CARGO AND CORRESPONDING METHOD

Настоящее изобретение относится к рентгенографической установке для проверки груза, при этом во время проверки установка и груз находятся в движении относительно друг друга, при этом рентгенографическая установка содержит:
- источник излучения импульсов расходящегося рентгеновского излучения;
- коллиматор источника для ограничения падающего пучка рентгеновского излучения, предназначенного для просвечивания участка груза, при этом последовательные импульсы рентгеновского излучения просвечивают последовательные участки груза; и
- датчики приема рентгеновского излучения, расположенные в продолжение падающего пучка для приема рентгеновского излучения после его прохождения через груз и для генерирования необработанных сигналов изображения, предназначенных для преобразования в часть рентгеновского изображения, соответствующую указанному участку.
Для обнаружения присутствия подозрительных предметов, таких как предметы контрабанды, оружие или взрывные устройства, как известно, используют рентгенографические установки с целью получения изображения при просвечивании содержимого груза. Такие устройства находят свое применение, в частности, в аэропортах для контроля багажа пассажиров. Их применяют также в различных контрольных пунктах, в частности, на таможне для контроля багажа грузовых контейнеров или автоприцепов.
Как правило, эти рентгенографические установки выдают черно-белое или цветное изображение содержимого грузов. Распознавание предметов, содержащихся в грузе, производит оператор, который просматривает изображения, выдаваемые установкой. Понятно, что эффективное обнаружение требует надлежащего и качественного изображения.
В частности, в известных установках источник излучает импульсы рентгеновского излучения на частоте порядка 200 Гц для просвечивания последовательных участков груза. Излучение, просвечивающее груз, проходит через приемные датчики, находящиеся в продолжение падающего пучка. Эти датчики измеряют принятую дозу рентгеновского излучения. Как правило, просвечиваемые участки являются вертикальными, и сигналы, передаваемые приемными датчиками, преобразуются в пиксели для формирования столбца изображения, наблюдаемого оператором.
В источнике рентгеновское излучение образуется при направлении на металлическую мишень потока электронов, ускоряемых с заданной энергией, как правило, в несколько МэВ. Замедление электронов в мишени вызывает излучение рентгеновских фотонов, энергия которых находится в пределах от 0 до нескольких МэВ. Излучение происходит в основном по оси электронного пучка, а также во всех угловых направлениях вокруг этой оси.
Однако, учитывая некоторую нестабильность установок рентгенографии, просвечивание последовательных участков одного груза происходит неодинаково. С одной стороны, используемые источники рентгеновского излучения не являются стабильными во времени. Они подвержены изменению интенсивности пучка во время проверки. Существует также нестабильность от одного импульса к другому, что отрицательно влияет на интенсивность импульсов, а также на спектральные свойства падающего пучка. С другой стороны, установки могут быть подвержены проявлениям механической неустойчивости, влияющим на относительное положение датчиков и источника рентгеновского излучения.
Эти проявления нестабильности приводят к ухудшению получаемого рентгеновского изображения, например, к появлению вертикальных полос или к неравномерной интенсивности от одной строки к другой.
Для решения этой проблемы известные рентгенографические установки содержат контрольный блок, содержащий промежуточный датчик рентгеновского излучения, находящийся в падающем пучке между источником и просвечиваемым грузом. Этот датчик установлен на расстоянии от мишени и с точки зрения источника занимает минимально возможный телесный угол, чтобы минимизировать искажение падающего пучка. Он предназначен для регистрации принимаемой дозы рентгеновского излучения, причем в тот же момент, что и приемные датчики. За счет этого можно корректировать дозы, принимаемые приемными датчиками в зависимости от дозы, принимаемой датчиком контрольного блока.
Однако было установлено, что такой коррекции не всегда достаточно и что качество рентгеновских изображений не всегда обеспечивает адекватную проверку.
В частности, это относится к случаю, когда необходимо получить информацию о химической природе веществ, просвечиваемых рентгеновским излучением. Такую проверку можно реализовать, просвечивая последовательно каждый участок груза импульсами рентгеновского излучения, получаемых при приложении разных напряжений ускорения электронов, и сравнивая получаемые изображения с заранее определенными значениями. Однако на практике это может оказаться сложным и неточным, в частности, с учетом вышеупомянутых проявлений нестабильности.
Изобретение направлено на создание установки для рентгенографии груза с целью проверки, выдающей изображения улучшенного качества, позволяющие, в случае необходимости, получать данные о химической природе просвечиваемых материалов.
В связи с этим объектом изобретения является рентгенографическая установка вышеупомянутого типа, дополнительно содержащая контрольный блок, включающий в себя промежуточные датчики рентгеновского излучения, каждый из которых, по меньшей мере, частично находится в падающем пучке между источником и грузом, при этом промежуточные датчики облучаются, по меньшей мере, двумя разными угловыми секторами падающего пучка и выдают независимые контрольные сигналы, соответствующие каждому угловому сектору, с целью их использования при преобразовании необработанных сигналов изображения в часть рентгеновского изображения.
Под «разными» угловыми секторами падающего пучка следует понимать, что угловые направления, включенные в эти угловые сектора, облучающие промежуточные датчики контрольного блока, предпочтительно соответствуют разным углам, равным, по меньшей мере, 1º, предпочтительно, по меньшей мере, 5º и еще предпочтительнее - по меньшей мере, 20º в центральной плоскости.
Согласно частным вариантам выполнения, рентгенографическая установка может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:
- поскольку падающий пучок имеет данную угловую ширину в центральной плоскости, контрольный блок содержит множество промежуточных датчиков, занимающих в центральной плоскости угловую ширину, соответствующую, по меньшей мере, 50% указанной данной угловой ширины, предпочтительно, по меньшей мере, 90%;
- промежуточные датчики расположены по существу в линию, предпочтительно через равномерные промежутки в направлении R центральной плоскости;
- рентгенографическая установка содержит устройство управления и обработки сигналов, выполненное с возможностью формирования каждой части рентгеновского изображения посредством коррекции каждого необработанного сигнала изображения, принимаемого в данном угловом секторе, на основании контрольного сигнала, полученного для этого данного углового сектора на основании контрольных сигналов, генерируемых промежуточными датчиками для этого же импульса рентгеновского излучения;
- промежуточные датчики имеют форму стержней;
- все промежуточные датчики имеют одинаковый полезный объем детектирования;
- каждый приемный датчик выполнен с возможностью приема индивидуального углового сектора падающего пучка после последовательного прохождения падающего пучка через контрольный блок, затем через промежуточное пространство, возможно занимаемое исследуемым грузом;
- падающий пучок коллимируют таким образом, чтобы приемные датчики занимали всю ширину падающего пучка перпендикулярно к центральной плоскости падающего пучка.
Объектом изобретения является также способ рентгенографической проверки груза, при этом способ включает в себя следующие этапы:
a) при помощи источника излучают импульс расходящегося рентгеновского излучения, при этом груз и источник движутся относительно друг друга;
b) из импульса рентгеновского излучения формируют падающий пучок рентгеновского излучения при помощи коллиматора и просвечивают участок груза, расположенный в центральной плоскости; и
c) принимают рентгеновское излучение после его прохождения через груз в приемные датчики, находящиеся сзади груза в продолжение падающего пучка, и генерируют необработанные сигналы изображения, соответствующие дозам рентгеновского излучения, принятым приемными датчиками;
при этом этапы а) и b) повторяют для последовательных участков груза, чтобы получить рентгеновское изображение груза;
при этом способ дополнительно содержит этап d), на котором измеряют дозы рентгеновского излучения, принятые, по меньшей мере, двумя промежуточными датчиками контрольного блока, расположенными в падающем пучке таким образом, чтобы их облучали, по меньшей мере, два разных угловых сектора падающего пучка, ограниченного на этапе b), генерируют независимые контрольные сигналы, соответствующие дозам, измеренным промежуточными датчиками в каждом угловом секторе, и корректируют необработанные сигналы изображения, полученные на этапе с), при помощи контрольных сигналов.
Согласно частным вариантам выполнения, рентгенографический способ может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:
- на этапе d), поскольку падающий пучок, ограниченный на этапе b), имеет данную угловую ширину в центральной плоскости, измеряют дозы рентгеновского излучения, принятые множеством промежуточных датчиков контрольного блока, расположенных в падающем пучке таким образом, чтобы занимать угловую ширину, соответствующую, по меньшей мере, 50% данной угловой ширины, предпочтительно, по меньшей мере, 90%;
- на этапе d) корректируют каждый необработанный сигнал изображения, генерированный на этапе с) при помощи приемного датчика в данном угловом секторе пучка, посредством вычисления с использованием контрольного сигнала, полученного для этого данного углового сектора на основании контрольных сигналов, генерированных промежуточными датчиками;
- на этапе d) повторно дискретизируют контрольные сигналы, созданные промежуточными датчиками, для получения контрольных сигналов с угловым согласованием с необработанными сигналами изображения;
- на этапе d) производят оценку внутренней энергии падающего пучка на основании контрольных сигналов и корректируют необработанные сигналы изображения, полученные на этапе с), посредством вычисления с использованием указанной внутренней энергии;
- оценка внутренней энергии включает в себя следующие фазы:
- устанавливают измеренное угловое распределение полученных контрольных сигналов для данного импульса рентгеновского излучения на основании измеренных контрольных сигналов;
- сравнивают измеренное угловое распределение с заранее определенными угловыми распределениями, соответствующими разным значениям внутренней энергии; и
- измеренное угловое распределение связывают с заранее определенным угловым распределением и к данному импульсу рентгеновского излучения относят внутреннюю энергию заранее определенного углового распределения;
- на этапе d) дополнительно определяют внутреннюю энергию коэффициента усиления контрольного блока и учитывают указанную внутреннюю энергию коэффициента усиления контрольного блока во время указанной коррекции необработанных сигналов изображения, полученных на этапе с);
- на этапе а) излучают первый импульс рентгеновского излучения с первой заданной внутренней энергией и после этого излучают второй импульс рентгеновского излучения со второй заданной внутренней энергией, отличной от первой заданной внутренней энергии, при этом способ включает в себя следующие этапы:
- определяют внутреннюю энергию, соответствующую каждому импульсу рентгеновского излучения;
- корректируют необработанные сигналы изображения, соответствующие каждому импульсу рентгеновского излучения, при помощи внутренней энергии, определенной соответственно для каждого импульса рентгеновского излучения; и
- восстанавливают единое изображение по каждому пикселю на основании скорректированных сигналов указанного пикселя и таблицы конверсии, зависящей от значений внутренней энергии первого и второго импульсов рентгеновского излучения, генерировавших необработанные сигналы изображения указанного пикселя.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - рентгенографическая установка в соответствии с изобретением, вид сбоку и в разрезе;
фиг. 2 - вид сверху источника рентгеновского излучения и контрольного блока рентгенографической установки, показанной на фиг. 1;
фиг. 3 - вид сбоку контрольного блока, показанного на фиг. 2;
фиг. 4 - график, показывающий, - для трех импульсов рентгеновского излучения с разными значениями внутренней энергии, - моделирование доз, принимаемых промежуточными датчиками контрольного блока установки, показанной на фиг. 1, в зависимости от угла, соответствующего этим датчикам;
фиг. 5 - график, показывающий моделирование доз, принимаемых приемными датчиками, в зависимости от угла, соответствующего этим датчикам;
фиг. 6 - график, показывающие отношения, полученные при делении доз, принимаемых приемными датчиками, на дозы, принимаемые промежуточными датчиками, при этом принимаемые дозы являются стандартными;
фиг. 7 - вариант устройства, показанного на фиг. 2.
На фиг. 1 показана рентгенографическая установка 1 в соответствии с изобретением. Установка 1 будет описана относительно ортонормированной системы координат OXYZ, где ось OY является восходящей вертикалью, плоскость XOY является вертикальной, и плоскость XOZ является горизонтальной.
Установка содержит источник 2 рентгеновского излучения, коллиматор 4, контрольный блок 6, приемные датчики 8 и устройство 10 управления и обработки сигналов. Она предназначена для рентгенографии груза 11.
Источник 2 рентгеновского излучения содержит устройство 12 производства и ускорения электронного пучка. Кроме того, он содержит мишень 14 для электронного пучка, содержащую металл, такой как вольфрам и медь, для генерирования импульсов 16 рентгеновского излучения, расходящихся от фокальной точки F.
Генерирование фотонов импульса 16 рентгеновского излучения происходит, например, за счет так называемого эффекта тормозного излучения или Bremsstrahlung. Энергия фотонов находится в пределах от 0 до максимального значения Е, которое будет в дальнейшем обозначаться выражением «внутренняя энергия» или «параметр внутренней энергии». Эта внутренняя энергия E соответствует полному превращению кинетической энергии ускоряемых электронов в энергию излучения. Как правило, электроны ускоряются под действием напряжения в пределах от 1 MB до 10 MB, поэтому внутренняя энергия пучка находится в пределах от 1 МэВ до 10 МэВ.
В первом варианте источник 2 рентгеновского излучения излучает последовательные импульсы рентгеновского излучения, имеющие по существу одинаковую внутреннюю энергию Е, как правило, составляющую от 1 МэВ до 10 МэВ, например, около 4 МэВ. Импульсы 16 излучаются на данной частоте, составляющей от 50 Гц до 1000 Гц, например, около 200 Гц.
Во втором варианте источник 2 рентгеновского излучения излучает поочередно импульсы 16 рентгеновского излучения с высокой внутренней энергией Е, например, превышающей или равной примерно 6 МэВ, затем с низкой внутренней энергией, например, меньшей или равной примерно 4 МэВ. Этот режим называют «перемежающимся». Импульсы излучаются на заданной частоте, например, около 400 Гц.
Интенсивность импульсов 16 рентгеновского излучения является максимальной в направлении OX′, называемом «главным направлением», принадлежащим к плоскости XOY в продолжение пучка ускоренных электронов. В примере, представленном на фиг. 1, направление OX′ образует положительный угол а, находящийся в пределах от 10º до 20º, например, приблизительно равный 13º. Кроме того, определяют направление OY′, перпендикулярное к направлению OX′, поскольку система координат OX′Y′Z является ортонормированной.
Коллиматор 4 расположен на выходе источника 2 рентгеновского излучения по существу в направлении OY′. Он содержит стенку 18, по существу непрозрачную для рентгеновского излучения, ограничивающую щель 20, ориентированную в плоскости XOY в направлении OY′. Таким образом, коллиматор 4 может формировать падающий пучок 22 рентгеновского излучения, в основном заключенный в плоскости XOY, которая является центральной плоскостью для падающего пучка.
Предпочтительно щель 20 имеет длину 11 в направлении OY′, составляющую от 20 см до 100 см, и ее ширина составляет от 0,5 мм до 10 мм.
Толщина е падающего пучка, сформированного на выходе коллиматора 4 по оси OZ, по существу равна ширине 12 щели.
В центральной плоскости XOY падающий пучок 22 имеет угловую ширину ω в пределах от нижнего направления 24, образующего угол β с главной осью OX′, до верхнего направления 26, образующего угол γ с осью OX′. Угловая ширина ω, измеренная от фокальной точки F в плоскости XOY, находится, например, в пределах от 30º до 70º и, в частности, равна примерно 50º.
Источник 2 рентгеновского излучения и коллиматор 4 расположены на расстоянии нескольких метров от груза 11 таким образом, чтобы падающий пучок 22 позволял просвечивать весь груз 11 в центральной плоскости XOY.
Контрольный блок 6 предназначен для установки между коллиматором 4 и грузом 11 таким образом, чтобы через него могла проходить, по меньшей мере, часть падающего пучка 22.
Контрольный блок 6 расположен по существу в направлении OY′, то есть по существу перпендикулярно к главному направлению OX′ падающего пучка 22. В частности, в этом примере контрольный блок 6 установлен напротив щели 20 коллиматора 4 таким образом, чтобы падающий пучок 22 облучал его по всей своей угловой ширине ω.
Контрольный блок 6 содержит множество промежуточных датчиков 28 рентгеновского излучения.
Промежуточные датчики 28 контрольного блока и приемные датчики 8 пронумерованы и индивидуально электрически соединены с устройством 10 управления и обработки сигналов.
Каждый промежуточный датчик 28 содержит сцинтиллятор 30, установленный на печатной схеме 32.
Печатная схема 32 каждого промежуточного датчика 28 содержит фотодиод и электрический конденсатор (не показаны).
Согласно частному варианту выполнения, показанному на фиг. 2, контрольный блок 6 выполнен таким образом, чтобы сцинтилляторы 30 находились по существу в падающем пучке 22 и чтобы фотодиоды находились по существу снаружи падающего пучка. Это позволяет увеличить срок службы фотодиодов. В частности, сцинтилляторы 30 расположены напротив щели 20 коллиматора 6 в плоскости XOY, и печатные схемы 32 расположены с боковым смещением в направлении OZ относительно щели 20.
Каждая печатная схема 32 связана с устройством 10 управления и обработки сигналов.
Промежуточные датчики 28 являются смежными относительно друг друга по линии датчиков, проходящей напротив щели 20 коллиматора 6. Таким образом, смежные промежуточные датчики 28 расположены в угловом направлении на величину угла А, соответствующей более 50%, в частности, более 90% угловой ширины ω пучка 22, формируемого коллиматором 6.
Угол А определяют между источником и двумя датчиками 28, находящимися на концах линии датчиков 28 на контрольном блоке 6.
В примере, представленном на фиг. 2, промежуточные датчики 28 расположены линейно по оси, параллельной к направлению OY′, то есть перпендикулярной к щели 20. Таким образом, они образуют планку датчиков высотой h в направлении OY′.
Согласно частному варианту выполнения, контрольный блок 6 содержит число N1 промежуточных датчиков 28, составляющее от 100 до 150, в частности, равное 160.
Расстояние по оси OX′, отделяющее щель 20 от контрольного блока 6, предпочтительно составляет от 1 до 2 см.
Согласно частному варианту выполнения, показанному на фиг. 3, каждая печатная схема 32 находится на вертикальной пластине 34. Предпочтительно пластина имеет ширину около 7 мм в направлении OX′ и длину около 1 метра в направлении OY′.
В частности, сцинтилляторы 30 равномерно распределены в направлении OY′. Например, они имеют сечение 4 мм на 4 мм в плоскости XOZ.
4
2
2
Предпочтительно сцинтилляторы 30 выполнены на основе йодистого цезия (CsI), вольфрамата кадмия (CdWO) или оксисульфида гадолиния (GOS: GdOS).
Каждый фотодиод выполнен с возможностью приема фотонов, излучаемых одним из сцинтилляторов 30, и с возможностью излучения тока. Кроме того, фотодиод электрически соединен с конденсатором, который, в свою очередь, соединен с устройством 10 управления и обработки сигналов.
br
Таким образом, каждый промежуточный датчик 28 может облучаться индивидуальным угловым сектором падающего пучка 22 и генерировать контрольный сигнал I, характеризующий интенсивность падающего пучка 22 в данном индивидуальном угловом секторе.
Угловой размер каждого углового сектора падающего пучка, принимаемого промежуточным датчиком 28, имеет величину, например, меньшую 5º и, в частности, составляющую от 0,2º до 0,4º. Это индивидуальный угловой размер может меняться вдоль планки промежуточных датчиков 28, в частности, когда промежуточные датчики расположены по прямой линии.
br
Печатная схема 32 каждого промежуточного датчика 28 индивидуально связана с устройством 10 управления и обработки сигналов и позволяет этому устройству принимать контрольный сигнал I от каждого промежуточного датчика 28, чтобы корректировать изображение, что будет описано ниже.
Приемные датчики 8 расположены в продолжение падающего пучка 22. Они ограничивают вместе с контрольным блоком 6 промежуточное пространство 36 для прохождения исследуемого груза 11.
Согласно частному варианту выполнения, число N2 приемных датчиков 8 больше числа N1 промежуточных датчиков 28. Например, число N2 превышает 1000, в частности, равно 1200.
Предпочтительно каждый промежуточный датчик 28 находится на прямой, соединяющий приемный датчик 8 с фокальной точкой F источника 2 рентгеновского излучения.
Приемные датчики 8 являются смежными относительно друг друга. Они расположены вдоль ломаной линии, по существу находящейся в центральной плоскости XOY.
Согласно варианту выполнения, приемные датчики 8 установлены на портале 38. Портал 38 имеет, например, форму перевернутой буквы "L", расположенной в центральной плоскости XOY. Груз 11, например, перемещаемый транспортным средством 40, предназначен для прохождения в промежуточном пространстве 36 под этим порталом 38.
Приемные датчики 8 первого набора 42 расположены в направлении OX и образуют основание перевернутой буквы "L". Приемные датчики 8 первого набора 42 расположены над промежуточным пространством 36.
Приемные датчики 8 второго набора 40 расположены в вертикальном направлении OY и образуют вертикальную часть перевернутой буквы "L".
Каждый приемный датчик 8 имеет конструкцию, аналогичную конструкции промежуточного датчика 28. Он содержит сцинтиллятор и печатную схему, включающую в себя фотодиод и конденсатор. В варианте можно осуществлять прямое детектирование при помощи приемного датчика 8 в виде толстого полупроводника типа CdTe.
Каждый приемный датчик 8 может принимать индивидуальный угловой сектор пучка 22 после его последовательного прохождения через контрольный блок 6, затем через промежуточное пространство 36, возможно, занятое предназначенным для исследования грузом 11.
brut,L
Каждый приемный датчик 8 выполнен с возможностью генерирования необработанного сигнала I изображения, характеризующего интенсивность пучка 22 в рассматриваемом индивидуальном угловом секторе, возможно, после прохождения через исследуемый груз 11.
brut,L
Печатная схема каждого приемного датчика 8 индивидуально соединена с устройством 10 управления и обработки сигналов и позволяет последнему принимать необработанный сигнал I изображения, поступающий от каждого приемного датчика 8.
brut,L
br
Устройство 10 управления и обработки сигналов соединено с источником 2 рентгеновского излучения таким образом, чтобы иметь возможность им управлять, с каждым приемным датчиком 8 и с каждым промежуточным датчиком 28 для приема сигналов I и I, соответствующих дозам рентгеновского излучения, принятым датчиками 8, 28.
brut,L
br
Устройство 10 управления и обработки сигналов выполнено с возможностью сбора и обработки принимаемых сигналов I и I. Согласно изобретению, устройство 10 управления и обработки сигналов содержит средства коррекции каждого необработанного сигнала изображения, генерируемого приемным датчиком 8 при помощи контрольного сигнала, полученного в этом же угловом секторе от промежуточного датчика 28 для этого же импульса. Например, этот контрольный сигнал генерируют при помощи промежуточного датчика 28, находящегося в этом же угловом секторе, или вычисляют на основании сигнала, генерируемого, по меньшей мере, одним датчиком 28, посредством экстраполяции сигнала, генерированного датчиком 28, в угловом секторе приемного датчика 8.
Устройство 10 управления и обработки сигналов дополнительно содержит средства формирования изображения на основании каждого скорректированного сигнала изображения, полученного при помощи средств угловой коррекции.
Груз 11 перемещают относительно установки 1 таким образом, чтобы просвечивать последовательные участки груза 11.
В первом варианте груз 11 находится на транспортном средстве 40, которое может перемещаться с заданной скоростью относительно источника 2 рентгеновского излучения и датчиком 8, 28 таким образом, чтобы пересекать плоскость XOY.
Согласно частному варианту, транспортное средство 40 пересекает плоскости XOY по существу перпендикулярно.
В варианте установка 1 содержит устройство (не показано) перемещения груза, выполненное с возможностью перемещения на заданной скорости.
Так, заданная скорость перемещения находится в пределах от 0 м/с до 15 м/с. Ее можно увеличить, если увеличивают частоту импульсов 16 рентгеновского излучения.
При каждом импульсе 16 рентгеновского излучения происходит просвечивание конкретного участка груза 11.
Далее следует описание способа рентгенографии груза 11 при помощи заявленной установки 1 для частного примера, в котором груз 11 перемещают на транспортном средстве 40.
Транспортное средство 40 с грузом 11, на котором будет проводиться проверка, проходит под порталом 38, содержащим приемные датчики 8. Обычно прохождение длится от 10 секунд до 60 секунд в зависимости от длины груза 11 и от скорости транспортного средства 40. Источник 2 рентгеновского излучения активируют, как только кабина транспортного средства 40 проходит через центральную плоскости XOY, чтобы не облучать водителя транспортного средства 40, если он находится в кабине. В варианте источник 2 рентгеновского излучения можно активировать до прохождения кабины транспортного средства 40 через центральную плоскость XOY.
Согласно первому варианту осуществления рентгенографии, источник 2 рентгеновского излучения излучает импульсы рентгеновского излучения на данной частоте, например, 200 Гц.
В этом первом варианте выполнения, все импульсы 16 рентгеновского излучения имеют по существу одинаковую внутреннюю энергию Е, например, около 6 МэВ. Работа источника 2 рентгеновского излучения сама по себе известна, и ее описание опускается.
Коллиматор 4 формирует падающий пучок 22, который просвечивает последовательные участки груза 11, перемещаемого транспортным средством 40. В дальнейшем последовательные участки будут пронумерованы при помощи индекса к.
При каждом импульсе 16 рентгеновского излучения на выходе коллиматора 4 на уровне щели 20 формируется падающий пучок 22 с угловым размером ω. Этот пучок имеет внутреннюю энергию Е, по существу равную заданной энергии, например, 6 МэВ.
При каждом импульсе 16 рентгеновского излучения каждый приемный датчик 8 и каждый промежуточный датчик 28 измеряют принимаемую дозу рентгеновского излучения в пространстве, занимаемом их соответствующими сцинтилляторами 30. Иначе говоря, каждый приемный датчик 8 и каждый промежуточный датчик 28 измеряют интенсивность в угловом секторе пучка 22, занимаемом их соответствующими сцинтилляторами 30.
brut,BR
В частности, пучок 22 проходит через контрольный блок 6. Каждый промежуточный датчик 28 облучается угловым сектором падающего пучка 22 и генерирует при этом необработанный контрольный сигнал I(i,k), где i является номером, присвоенным промежуточному датчику 28 и составляющему от 1 до N1, и к является номером импульса, соответствующим участку груза 11 при его присутствии в промежуточном пространстве 36.
Способ измерения при помощи датчиков 8, 28 сам по себе известен. Рентгеновское излучение пучка 22 оставляет определенную дозу в сцинтилляторах 30, развозбуждение которых приводит к испусканию видимых фотонов. Каждый фотодиод преобразует в ток энергию фотонов, испускаемых каждым сцинтиллятором 30. Предпочтительно, после этого ток поступает в конденсатор, который выдает на своих клеммах напряжение, характеризующее принятую дозу. Напряжение конденсатора представляет собой полезный сигнал, передаваемый в устройство 10 управления и обработки сигналов.
Затем, после прохождения через контрольный блок 6 пучок 22 проходит через промежуточное пространство 36 и через участок груза 11, если он присутствует.
Пучок 22 взаимодействует с веществом, присутствующим в промежуточном пространстве 36, в частности, за счет поглощения рентгеновского излучения. После прохождения через промежуточное пространство 36 пучок 22 имеет более или менее ослабленную энергию.
brut,L
После этого более или менее ослабленный пучок 22 поступает в приемные датчики 8. Каждый приемный датчик 8 облучается угловым сектором пучка 22 и генерирует необработанный сигнал I(j,k) изображения, где j является номером приемного датчика 8, составляющим от 1 до N2, и k является номером импульса, соответствующим участку, если присутствует груз 11.
Согласно варианту выполнения, производят M импульсов рентгеновского излучения, при этом M является достаточно большим числом, чтобы обработать груз 11 и чтобы получить N так называемых импульсов «открытого огня», то есть направляемых в промежуточное пространство в отсутствие груза 11, например, после того как груз 11 прошел через центральную плоскость XOY. Так называемые импульсы «открытого огня» служат базой отсчета для определения коэффициента усиления, что будет описано ниже.
brut,BR
brut,L
Таким образом, для каждого импульса к рентгеновского излучения устройство 10 управления и обработки сигналов принимает необработанные контрольные сигналы I(i,k) изображения от промежуточных датчиков 28 контрольного блока и необработанные сигналы I(j,k) от приемных датчиков 8, где:
i: индекс промежуточного датчика, составляющий от 1 до N1,
j: индекс приемного датчика, составляющий от 1 до N2,
k: индекс импульса, составляющий от 1 до М, при детектировании продолжительностью, обычно составляющей от 10 с до 60 с.
Например, M превышает 1000, в частности, превышает 2000 и, например, равно 3000.
Например, N составляет от 100 до 300, например, равно приблизительно 200.
brut,L
brut,BR
и
После обычных тестов на достоверность сигналов I(j,k)  I(i,k) необработанные сигналы корректируют посредством смещений при помощи известного метода.
Затем вычисляют индивидуальный коэффициент усиления для каждого промежуточного датчика 28, используя импульсы «открытого огня»:
где i = от 1 до N1,
и для каждого приемного датчика 8:
где j = от 1 до N2.
Затем осуществляют коррекцию каждого необработанного сигнала, полученного каждым датчиком 8, 28 для каждого импульса, при помощи соответствующих коэффициентов усиления:
где i = от 1 до N1, j = от 1 до N2, k = от 1 до M.
Если N1 отличается от N2, осуществляют повторную дискретизацию контрольных сигналов в угловом направлении для получения числа контрольных значений, равного числу приемных датчиков 8, с согласованием по углу:
BR,2
BR
BR,1
L
I(j,k)=interp(θ(i), I(i,k), θ(j)),
br
l
при этом θ и θ являются углами, под которыми просматриваются промежуточный датчик 28 с индексом i и приемный датчик 8 с индексом j, при этом функция interp(x,y,xi) осуществляют интерполяцию функции y(х) на yi(x). Эта интерполяция может быть, например, линейной.
br,2
Для каждого индекса i, соответствующего приемному датчику 8, I(j,k) является контрольным сигналом, полученным в том же угловом секторе, что и угловой сектор приемного датчика 8. Этот контрольный сигнал соответствует дозе, принятой воображаемым промежуточным датчиком, через который проходит тот же угловой сектор пучка рентгеновского излучения, что и через приемный датчик 8 с индексом j.
Затем сигналы изображения, уже скорректированные при помощи смещений и коэффициентов усиления, делят на контрольные значения:
при этом соблюдается согласование по угловому сектору.
Таким образом, изображение корректируют от угловой несогласованности для одного импульса к и от несогласованности между импульсами.
BR
Согласно второму варианту выполнения, определяют внутреннюю энергию Е(к) каждого импульса 16 рентгеновского излучения на основании контрольных сигналов I(i,k), генерированных различными промежуточными датчиками 28 для рассматриваемого импульса.
BR
BR
В частности, угловое распределение значений интенсивности I(θ,k) пучка 22 определяют при помощи индивидуальных значений контрольных сигналов I(i,k), связывая каждое из них с данным углом θ, соответствующим среднему углу промежуточного датчика 28 с индексом i относительно главного направления OX′.
br
Угловое распределение, измеряемое для каждого импульса k, нормализуют по его максимальному значению после возможной фильтрации, если шум является достаточно большим, чтобы искажать значения. Таким образом получают нормализованное угловое распределение I(θ,k)*.
Его сравнивают с базой данных нормализованных угловых распределений, полученных путем моделирования для диапазона значений внутренней энергии Е. Это моделирование осуществляют на основе известной геометрии установки 1 посредством использования, например, программы GEANT.
BR
При этом внутреннюю энергию Е(k) каждого импульса к определяют как внутреннюю энергию Е, связанную с нормализованных угловым распределением из базы данных, наиболее близким к нормализованному угловому распределению I(θ,k)*.
Чем больше угловое перекрытие пучка 22 контрольным блоком 6, тем лучше определяют внутреннюю энергию Ε импульсов 16 рентгеновского излучения.
l
BR
L
BR
Определяют также внутреннюю энергию E коэффициента усиления на основании импульса «открытого огня», например, на основании вектора коэффициента усиления контрольного блока 6, VGain(i), где i = от 1 до N1. Это происходит, как было описано выше для определения внутренней энергии Е(k) каждого импульса k. При этом получают внутреннюю энергию E коэффициента усиления, характеризующую угловое распределение профиля VGain(i).
corr,L,2
corr,L
L
L
При этом осуществляют точную коррекцию I(j,k)=I(j,k)∙f(E(k),E), где функция f является функцией внутренней энергии Е(k) импульса 16 рентгеновского излучения и внутренней энергии E коэффициента усиления.
corr,L,2
I(j,k) дает значения пикселей скорректированного рентгеновского изображения.
L
Функцию f(E(k),E) точной коррекции определяют заранее либо экспериментальным путем, либо посредством вычислений моделирования, с учетом геометрии рентгенографической установки, спектра импульсов 16 рентгеновского излучения и спектральной чувствительности промежуточных датчиков 28 и датчиков 8 изображения.
Далее со ссылками на фиг. 4-6 следует описание примера метода определения функции f точной коррекции.
br
Моделируют контрольные сигналы I, генерируемые промежуточными датчиками 28, в зависимости от угла θ, под которым они просматриваются, для множества импульсов 16 рентгеновского излучения с разными значениями внутренней энергии E1, Е2, Е3.
Примеры моделированных контрольных сигналов показаны на фиг. 4:
- для кривой С1 с внутренней энергией Е1, например, 5,5 МэВ.
- для кривой С2 с внутренней энергией Е2, например, 6,0 МэВ.
- для кривой С3 с внутренней энергией ЕЗ, например, 6,5 МэВ.
L
Затем моделируют необработанные сигналы I изображения, генерируемые приемными датчиками 8, в зависимости от угла θ, под которым они просматриваются, для множества импульсов 16 рентгеновского излучения со значениями внутренней энергии E1, Е2, Е3, при этом в промежуточном пространстве нет никакого груза 11. На фиг. 5 показаны полученные результаты:
- для кривой С4 с внутренней энергией Е1,
- для кривой С5 с внутренней энергией Е2,
- для кривой С6 с внутренней энергией Е3.
Нормализуют сигналы при помощи сигналов, полученных с внутренней энергией Е2, которые рассматривают как характеризующие вектор коэффициента усиления:
corr,L
brut,L,1
br,2
Затем вычисляют частное I(θ)=I(θ)/I(θ). На фиг. 2 показаны полученные результаты:
- для кривой С10 с внутренней энергией Е1,
- для кривой C11 с внутренней энергией Е2,
- для кривой С12 с внутренней энергией Е3.
Эти кривые практически не имеют зависимости по θ.
corr,L
Функцию f получают на основании сигналов I(θ).
corr,L
Предпочтительно ее получают как обратную величину среднего значения сигналов I(θ):
corr,L
brut,BR
brut,L,1
brut,BR
brut,L,1
является средним значением по θ значений Ι(θ), полученным для импульса рентгеновского излучения с внутренней энергией Е1, при этом сигналы I(θ) и I(θ) нормализуют соответственно по сигналам I(θ) и I(θ), полученным для импульса рентгеновского излучения с внутренней энергией Е2, выполняющего роль вектора коэффициента усиления.
Например, на фиг. 6 среднее значение кривой С12(θ) составляет примерно 1,025; среднее значение кривой С11(θ) составляет примерно 1; среднее значение кривой С 10(θ) составляет примерно 0,975. Это позволяет определить, что:
- f(E1,E2)=1/0,095
- f(E1,E2)=1
- f(E1,E2)=1/1,025.
Понятно, что таким образом можно определить функцию f точной коррекции для любой пары значений внутренней энергии.
brut,L,1
corr,L,2
Поправки, последовательно применяемые к необработанным сигналам I(j,k), дают скорректированное изображение I(j,k), которое не отдает приоритета никакому угловому направлению θ и никакому участку к груза 11.
Согласно третьему варианту осуществления рентгенографии, называемому «перемежающимся» режимом, источник 2 излучает, например, импульсы 16 рентгеновского излучения с внутренней энергией 6,0 МэВ с частотой 200 Гц и чередующиеся с ними импульсы 16 рентгеновского излучения с внутренней энергией 4,0 МэВ с частотой 200 Гц. При этом получают два рентгеновских изображения, соответствующие двум разным значениям Е1 и Е2 внутренней энергии.
corr,L,2
corr,L,2
Затем каждое изображение корректируют, как было описано выше для второго варианта выполнения. Для первого скорректированного изображения значение пикселя с координатами (j,k) получают через S1(j,k)=I(i,k). Для второго скорректированного изображения значение пикселя с координатами (j,k) получают через S2(j,k)=I(j,k).
Затем на основании двух скорректированных изображений воссоздают единое изображение, называемое «химической дискриминацией», которое связывает с каждым пикселем с координатами (j,k) значение X(j,k), характеризующее атомный номер материалов груза 11, просвечиваемого импульсом 16 рентгеновского излучения порядка k.
X(j,k) получают при помощи функции g или «таблицы конверсии», которая зависит от значений внутренней энергии импульсов рентгеновского излучения, которые генерировали сигналы для рассматриваемого пикселя:
X(j,k)=g(S1(j,k), S2(j,k), E1(k), E2(k)j)
Для определения функции g применяют следующий метод. Моделируют два импульса рентгеновского излучения со значениями Е1 и Е2 внутренней энергии. После просвечивания тестового груза, состоящего из материала MX с атомным номером X и толщиной е, вычисляют сигналы S1 и S2. Меняя X и е, строят кривые S2=fX(j, E1, Е2, S1), где функция fX зависит только от просвечиваемого материала MX. Зная S1, S2 и j, можно выйти на X и, следовательно, определить g (S1, S2, E1, Е2, j).
Зная два значения внутренней энергии Е1(k) и Е2(k) для каждого пикселя, можно выбрать таблицу конверсии, соответствующую двум реальным значениям внутренней энергии импульсов рентгеновского излучения, генерировавших сигналы, а не заданным значениям (в данном примере 4,0 и 6,0 МэВ).
Предпочтительно можно определять таблицы g для совокупности дискретных значений Е1 и Е2, охватывая диапазоны значений энергии, в которых находятся Е1(k) и Е2(k).
Это было бы невозможным без контрольного блока 6, и в этом случае пришлось бы использовать фиксированную таблицу конверсии, заранее определенную только по заданным значениям внутренней энергии, а не по реальным значениям внутренней энергии импульсов 16 рентгеновского излучения.
L
corr,L
corr,L,2
Во всех вариантах выполнения изобретения можно осуществлять более эффективную коррекцию рентгеновского изображения I(j,k), что позволяет получить изображение более высокого качества I,(j,k) или I(j,k). Это стало возможным, благодаря наличию «расширенного» контрольного блока 6, то есть содержащего промежуточные датчики 28, просматриваемые под разными углами в центральной плоскости XOY.
Знание значений внутренней энергии позволяет не только улучшить коррекцию изображений, но также использовать соответствующую таблицу конверсии, значительно более соответствующую потребности. Таким образом, можно преодолеть то обстоятельство, что внутренняя энергия импульсов 16 рентгеновского излучения является нестабильной.
В варианте, если контрольный блок 6 не перекрывает всю угловую ширину ω падающего пучка 22, можно производить интерполяцию и/или экстраполяцию для коррекции сигналов изображения, поступающих от приемных датчиков 8, соответствующих угловым направлениям, не перекрываемым контрольным блоков 6.
Поэтому для ограничения интерполяции и/или экстраполяции предпочтительно иметь контрольный блок 6, занимающий, по меньшей мере, 50%, предпочтительно, по меньшей мере, 90% и, если возможно, 100% угловой ширины ω падающего пучка.
Промежуточные датчики 28, расположенные в линию и по возможности через равномерные промежутки в направлении центральной плоскости XOY, облегчают операции коррекции.
Когда это направление расположения в линию промежуточных датчиков 28 является перпендикулярным к главному направлению OX′ пучка 22, вычисления облегчаются, так как обычно они являются симметричными для угла θ.
Сцинтилляторы 30 на основе йодида цезия, вольфрамата кадмия или оксисульфида гадолиния дают хорошие результаты одновременно для приемных датчиков 8 и для промежуточных датчиков 28.
Тот факт, что промежуточные датчики 28 имеют сцинтилляторы 30 в виде стержней, разделенных на физические пиксели, позволяет полностью охватывать сплошной угловой сектор и упростить вычисления коррекции.
В варианте промежуточные датчики 28 контрольного блока 6 распределены по кривой линии (не показана), например, вдоль дуги окружности, например, с центром на фокальной точке F источника 2 рентгеновского излучения.
В другом варианте контрольный блок 6 содержит, по меньшей мере, две смежные линии контрольных промежуточных датчиков, выполненных с возможностью измерения частей толщины е падающего пучка 22 в направлении OZ.
На фиг. 7 представлен вариант устройства, показанного на фиг. 2. Устройство, показанное на фиг. 8, конструктивно похоже на устройство, показанное на фиг. 2. Оно отличается ориентацией контрольного блока 106, полученной на основании ориентации контрольного блока 6, показанного на фиг. 2, путем поворота на 90º по часовой стрелке вокруг оси OY′. В конфигурации, показанной на фиг. 8, пучок 22 проходит через печатную схему 32, прежде чем пройти через сцинтилляторы 30.
В другом варианте груз 11 можно просвечивать под другими углами, отличными от угла, показанного главным направлением OX′ на фиг. 1, где представлен вид сбоку рентгенографической установки. Например, установка 1 может быть расположена таким образом, чтобы просвечивать груз 11 сверху или снизу или под любым другим углом падения. Для этого меняют относительное положение установки 1 по отношению к грузу 11, при этом работа установки остается без изменений.