СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ МНОГОКРАТНОГО РАДИОГРАФИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ
METHOD TO IDENTIFY MATERIALS BY RADIOGRAPHIC RE-IRRADIATION

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры или анализу объектов радиационными методами, а именно посредством многоэнергетической радиографии, и может быть использовано, например, для досмотра незаконно транспортируемых грузов или неразрушающего контроля материалов при определении их внутренней структуры и химического состава.
Проблема нахождения химического состава неоднородных тел радиационными методами является весьма актуальной. При этом радиографические методы определения химического состава вещества являются достаточно эффективным средством исследования объектов в тех случаях, когда, например, требуется выполнить неразрушающий контроль изделия или когда непосредственный доступ к телу или его отдельным частям оказывается затруднительным или нежелательным.
Известен рентгеновский способ для определения массовых долей веществ, входящих в состав исследуемого тела (US 2009/0208084 (А1), опубл. 20.08.2009). Способ включает облучение среды на двух энергетических уровнях, определение значения коэффициента поглощения для каждого пикселя исследуемого тела и определение массовых долей водящих в тело веществ. Недостатком этого способа является возможность его использования только для трехкомпонентных сред с заранее известным составом.
Известен рентгеновский способ проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения (патент РФ №2351921, опубл. 10.04.2009). Способ включает взаимодействие мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, измерение и регистрацию измеренных величин после взаимодействия мультиэнергетического излучения с проверяемым объектом, подстановку части измеренных значений в заранее определенную калибровочную функцию для получения информации, содержащей основное значение характеристики объекта, и более точное определение характеристики материала объекта путем применения набора функций, подходящих для энергетической полосы, соответствующей полученной информации. Недостатком предлагаемого способа является отсутствие четкого критерия, позволяющего сопоставить функциональные зависимости измеренных значений конкретному материалу.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ радиационного контроля жидких объектов (патент РФ №2372610, опубл. 10.08.2009). Способ осуществляют следующим образом. Получают исходную информацию об окружении жидкого объекта; просвечивают жидкий объект под различными углами; вычисляют коэффициент поглощения излучения жидкого объекта путем выполнения обратной операции над массивом данных просвечивания объекта под разными углами с учетом исходной информации об окружении жидкого объекта и его однородности; сравнивают коэффициент поглощения излучения с предварительно записанными данными для получения соответствующей информации по жидкому объекту, подлежащему проверке.
Основным недостатком способа-прототипа является его недостаточная надежность, обусловленная тем, что точная идентификация объекта по значению коэффициента поглощения, найденному этим способом, возможна не всегда. Это связано с тем, что радиационные характеристики среды, определенные различными методами компьютерной томографии, как правило, находятся со значительными погрешностями и возможна ситуация, когда одному выявленному значению коэффициента поглощения будет соответствовать несколько веществ.
Задачей заявляемого изобретения является повышение точности и надежности идентификации материалов, входящих в состав неоднородного тела.
Решение поставленной задачи обеспечивается способом многократного радиографического облучения. Радиографические методы достаточно эффективно позволяют определять радиационные характеристики среды, в том числе коэффициент ослабления излучения, по приближенным значениям которого могут быть идентифицированы вещества, входящие в состав исследуемого объекта.
Заявляемый способ включает в себя следующие этапы:
1
2
N
1. задают набор значений энергий E, E, …, E, на которых будет происходить радиографическое облучение среды;
2. формируют множество М веществ, среди которых будет проводиться поиск;
3. задают значение возможной относительной ошибки измерения и метода (δ);
1
2
q
jk
j
k
4. определяют внутреннюю структуру исследуемого объекта с помощью мультиэнергетического рентгеновского аппарата и компьютерной программы для выявления однородных включений G, G, …, G в исследуемом объекте и приближенных значений µ коэффициентов ослабления для каждого включения G при каждом значении энергии E, k=1, …, N;
jk
j
k
k
jk
5. формируют множества веществ S(δ) (для каждого однородного включения G, j=1, …, q, и для каждого уровня энергии E, k=1, …, N), коэффициенты ослабления которых на энергии E имеют относительные отклонения от значения µ, меньшие чем δ.
k
j
6. определяют пересечение этих множеств по всем энергиям E, k=1, …, N, для каждого включения G, j=1, …, q, с использованием компьютерной программы.
В случае если пересечение, соответствующее j-му включению, содержит только одно вещество, то задача идентификации вещества, заполняющего это включение, решена. В противном случае проводят просвечивания на дополнительных уровнях энергии и повторяют этапы 4-6. Такой подход к осуществлению заявляемого изобретения подтвержден компьютерными экспериментами и основан на методах математического моделирования.
Поставленная задача оптимальным образом решается выполнением вышеуказанных этапов следующим образом.
1
2
N
Задают набор значений энергий E, E, …, E, на которых будет происходить радиографическое облучение среды.
Формируют множество М веществ, среди которых будет проводиться поиск.
j
k
j
k
jk
Задают значение максимальной относительной ошибки δ определения коэффициента µ(E). То есть если  - истинные значения коэффициента ослабления во включении G для энергии E, a µ - значения с ошибками, найденные после всех необходимых измерений и расчетов, то их относительная разница  по модулю не превосходит δ.
jk
k
j
jk
Определяют внутреннюю структуру тела в некотором его сечении и приближенные значения µ коэффициентов ослабления излучения µ(E) для заданного набора значений энергий E, k=1, …, N, и для каждого включения G, j=1, …,q, путем просвечивания тела под различными углами на заданных энергиях с помощью мультиэнергетического рентгеновского аппарата и последующей обработки результатов просвечивания с помощью компьютерной программы, реализующей алгоритм обращения преобразования Радона [1, 2]. При возможности проводят калибровку полученных значений µ по известным значениям коэффициента ослабления внешнего материала. При этом, как правило, для каждого значения энергии находится несколько веществ, которые, вследствие имеющейся погрешности измерений и метода, могут соответствовать указанному приближенному значению коэффициента ослабления. В этом случае непосредственное сопоставление значений коэффициентов ослабления, определенных экспериментально, и теоретических, представленных в таблицах [3], не позволяет однозначно идентифицировать вещества, заполняющие исследуемую среду.
jk
jk
Строят множества S(δ) веществ из М, относительная разница которых с приближенным значением коэффициента ослабления µ не превосходит δ, с помощью компьютерной программы для каждого j-го включения и для каждой энергии.
jk
jk
Строят множества , являющиеся пересечениями множеств S(δ) по всем энергиям для каждого j-го включения, то есть  представляет собой множество всех веществ, одновременно принадлежащих всем S(δ). Задача определения химического состава тела G решена однозначно, если все множества  состоят из единственного вещества. В противном случае для однозначной идентификации анализируемого материала требуются его дополнительные просвечивания.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет путем многократного радиографического облучения провести идентификацию материалов, входящих в состав исследуемого объекта.
n
nk
k
nk
nk
Значение величины δ может быть определено путем предварительной калибровки рентгеновской установки на тестовых объектах. В случае когда целью исследования является проверка наличия либо отсутствия в исследуемом объекте веществ из некоторого заранее определенного подмножества M' (например, взрывоопасные, отравляющие вещества), возможно определение величины δ, гарантирующей идентификацию веществ из множества M'⊂M в случае их присутствия в исследуемом объекте. С этой целью из множества М берут поочередно все вещества из M', далее, для каждого вещества M из M' и некоторого положительного числа ε на основе таблиц [3] строят множества T(ε), состоящие из всех веществ, для которых относительная разница коэффициентов ослабления на энергиях E, k=1, …, N, не превосходит ε. Строят множество , являющееся пересечением множеств T(ε) по всем энергиям, то есть  состоит из веществ, которые входят в каждый набор T(ε). Значение ε подбирают таким образом, чтобы множество  содержало только одно вещество, то есть . Тогда для
n
множество  также содержит только одно вещество и  Использование значения δ, найденного по формуле (1), гарантирует идентификацию вещества M в случае его присутствия в исследуемом объекте. В случае если требуется идентифицировать вещества из некоторой группы M', то для каждого вещества группы находится свое δ и затем из них выбирается минимальное.
1
2
q
j
j
Если все множества  содержат единственное вещество, то задача выявления веществ, заполняющих включения G, G, …, G, решена однозначно. Если же какие-то множества  оказываются пустыми, это означает, что материалов из множества M' в соответствующих включениях не содержится. Такая ситуация может быть типичной в случае, когда цель рентгеновского просвечивания состоит, в первую очередь, не в том, чтобы определить, какое именно вещество находится в подобласти G, а в том, чтобы убедиться, что в G отсутствуют вещества из некоторого множества M'⊂M (включающее, например, конкретные отравляющие, взрывоопасные вещества).
j
Необходимо отметить, что при значениях δ, больших чем δ=ε/(ε+2), также возможна однозначная идентификация вещества. Однако в этом случае возможна ситуация, когда какие-то из множеств  содержат более одного вещества, и это означает, что для соответствующего включения G допускается несколько возможных вариантов его химического состава. В этом случае требуется расширить множество энергий, на которых происходит облучение среды (этап 1), и повторить процедуру идентификации.
Таким образом, заявляемый способ идентификации материалов путем многократного радиографического облучения имеет ряд преимуществ по сравнению с известными:
- способ позволяет идентифицировать вещества различного фазового состояния;
- способ позволяет идентифицировать материалы, входящие в состав неоднородного по химическому составу тела;
- способ позволяет идентифицировать материалы с высокой степенью надежности, независимо от возможных измерительных ошибок, возникающих при радиографическом исследовании тела;
- предлагаемый способ идентификации материалов может быть легко автоматизирован.
Возможность практического осуществления заявленного способа идентификации материалов показана конкретным примером.
ПРИМЕР
2
1
Берется запечатанный цилиндрический стеклянный сосуд (включение G), содержащий неизвестное вещество (включение G), в качестве которого взята соляная кислота. Требуется с помощью предложенного метода выяснить, не является ли его содержимое одной из следующих кислот: серной, соляной, азотной, фосфорной, синильной, уксусной, метановой, бензойной, карболовой или стеариновой. Для идентификации вещества на основе предлагаемого способа реализуют следующие этапы.
1. Выбирают следующий набор значений энергии, на которых будет проводиться просвечивание сосуда:
i
i
k
2. В качестве M берут множество из 436 веществ, содержащее все химические элементы от водорода до фермия (Z=100) включительно и вещества сложного химического состава, наименования которых приведены ниже. В частности, в M вошли вещества, представленные на информационном ресурсе [4]. Для всех веществ M из множества M вычисляют их коэффициенты ослабления µ(M, E) на наборе значений энергии (2). Вычисления проводят по схеме, изложенной в [3], с использованием формулы
i
i
xi1
xir
i1
ir
i
xi1
xir
i1
ir
i1
ir
где ρ - плотность вещества M, µ(E), …, µ(E) - коэффициенты ослабления химических элементов X, …, X, входящих в состав вещества M, ρ, …, ρ - плотности, w, …, w - массовые доли элементов X, …, X.
nk
3. Задают множество веществ M', подлежащих гарантированной идентификации. В него включают азотную, серную, соляную, фосфорную, синильную, уксусную, метановую, бензойную, карболовую и стеариновую кислоты. Для определения относительной ошибки δ для каждого вещества из множества M' и для каждой энергии из набора (2) строят таблицы всех веществ из M, значения коэффициента ослабления которых близки к значениям коэффициента ослабления для веществ множества M'. Подробные результаты построения множеств T(ε) для соляной кислоты (n=1) приведены в таблицах 1-6. Для каждого вещества из множества M' находят значения ε, при которых множество  будет содержать только одно вещество. Получают следующие предельные значения величины ε для веществ из множества M': для соляной кислоты ε≤0.15, для синильной кислоты ε≤0.13, для азотной, серной, фосфорной, уксусной, метановой, бензойной, карболовой и стеариновой кислот соответстствующие значения ε будут ограничены соответственно величинами 0.088; 0.0802; 0.089; 0.092; 0.0809; 0.099; 0.091; 0.094. Таким образом, минимальное значение ε, при котором гарантируется идентификация любой из этих кислот, составляет 0.0802. По формуле (1) находят соответствующее ему значение δ, равное 0.03855.
2
1k
1
1k
4. Просвечивают стеклянный сосуд на энергиях (2) с помощью рентгеновского аппарата РАП 150/300. Данные просвечивания обрабатывают с помощью компьютерной программы, реализующей алгоритм свертки и обратной проекции обращения преобразования Радона. В результате вычисляют приближенные значения коэффициентов ослабления для энергий (2). Для повышения точности проводят калибровку данных по известному материалу сосуда (стекло - материал G). В результате обработки данных на основе перечисленных выше математических методов получены следующие значения коэффициентов ослабления µ для вещества из включения G и их относительные отклонения δ от табличных значений для соляной кислоты на заданных энергиях:
µ<sub>11</sub>=2.910000E+00
δ<sub>11</sub>=-2.52022E-02
для E<sub>1</sub>=30 кэВ
µ<sub>12</sub>=1.269000E+00
δ<sub>12</sub>=3.43772E-02
для E<sub>2</sub>=40 кэВ
µ<sub>13</sub>=7.440000E-01
δ<sub>13</sub>=2.99786E-02
для E<sub>3</sub>=50 кэВ
µ<sub>14</sub>=5.290000E-01
δ<sub>14</sub>=-1.17920E-02
для E<sub>4</sub>=60 кэВ
µ<sub>15</sub>=3.150000E-01
δ<sub>15</sub>=2.94889E-02
для E<sub>5</sub>=80 кэВ
µ<sub>16</sub>=2.550000E-01
δ<sub>16</sub>=-2.52912E-02
для E<sub>6</sub>=100 кэВ
1k
lk
1k
lk
5. Для полученного в п.3 значения относительной ошибки δ=0.03855 и на основе приближенных значений µ из п.4 строят множества S(δ), состоящие из веществ, у которых относительное отклонение значения коэффициента ослабления от значений µ по модулю меньше величины δ. Полученные множества S(δ) представлены в таблицах 7-12.
lk
1
6. Берут пересечение всех множеств S(δ), в результате получают множество, состоящее из единственного вещества - соляной кислоты. Тем самым осуществлена идентификация вещества, находящегося во включении G.
При идентификации вещества было взято множество из 436 веществ, содержащее все химические элементы от водорода до фермия (Z=100) включительно и вещества сложного химического состава, приведенные в следующем списке:
1,3-бутадиен (дивинил), 1,4-бутандикарбоновая кислота, В-100 пластик, VX (Ви-Икс), Адамсит (DM), Азотная кислота, Азурит, Алании, Алмаз, Альбит, Альмандин, Анатаз, Андалузит, Андрадит, Анортит, Антимонид иридия, Антрацен, Апатит, Апофиллит, Арагонит, Арсенид галлия, Арсенид иридия, Арсенид кобальта, Ацетон, Бензойная кислота, Бензол, Бенитоит, Берилл (изумруд, аквамарин), Бериллонит, Бетон борный, Бетон обыкновенный, Бикарбид тория, Бирюза, Борид бария, Борид вольфрама, Борид молибдена, Борид тантала, Борид титана, Борид тория, Борид церия, Бразилианит, Бромеллит, Бромид калия, Бромид олова, Бромид олова (IV), Бромид таллия (I), Бромид титана (IV), Брукит, Вардит, Варисцит, Виллемит, Вода, Гамбергит, Гексадекановая кислота, Гексоген, Гематит, Гемиморфит, Германид магния, Гидрокарбонат натрия, Гидрооксид кальция, Гипс, Глазная линза, Графит, Гроссуляр, Д-2,3-диоксибутановая кислота, Данбурит, Датолит, Диопсид, Диоптаз, Дифосген, Жадеит, Жировая ткань, Зарин, Зоман, Ильменит (титанистый железняк), Иприт, Йодид бериллия, Йодид олова (II), Йодид олова (IV), Йодид ртути, Йодид таллия (I), Йодид титана (IV), Йодистый церий, Йодид калия, Кальцит, Карбамид (мочевина), Карбид вольфрама, Карбид вольфрама (II), Карбид вольфрама (IV), Карбид гафния, Карбид кремния, Карбид молибдена, Карбид ниобия, Карбид тантала, Карбид титана, Карбид тория, Карбид хрома, Карбид церия, Карбид циркония, Карбонат кальция, Карбонат натрия, Касситерит, Кварц, Кианит, Кокаин, Корнерупин, Корунд, Костная ткань, Кровь в целом, Лазулит, Люизит (L), Малахит, Манганат (VII) калия, Метанал (формальдегид), Метановая кислота, Метанол (метиловый спирт), Микроклин, Моносульфид кремния, Муллит, Мыло (хозяйственное), Мягкая ткань, Нафталин, Ниобат лития, Нитрат калия (калийная селитра), Нитрат натрия, Нитрат серебра (Ляпис), Нитрид алюминия, Нитрид бериллия, Нитрид ванадия, Нитрид вольфрама, Нитрид галлия, Нитрид гафния, Нитрид индия, Нитрид кальция, Нитрид кремния, Нитрид лития, Нитрид молибдена, Нитрид ниобия, Нитрид плутония, Нитрид тантала, Нитрид титана, Нитрид тория, Нитрид урана, Нитрид хрома, Нитрид церия, Нитрид циркония, Нозеан, Оксид азота (V), Оксид алюминия, Оксид алюминия-кремния, Оксид бериллия, Оксид бора, Оксид ванадия (II), Оксид ванадия (III), Оксид ванадия (IV), Оксид ванадия (V), Оксид вольфрама (VI), Оксид гафния, Оксид диспрозия, Оксид иттербия, Оксид кадмия, Оксид кальция, Оксид лантана-алюминия, Оксид лития-алюминия, Оксид лития-галлия, Оксид магния, Оксид неодима-галлия, Оксид олова (IV), Оксид таллия (I), Оксид таллия (III), Оксид титана (II), Оксид титана (III), Оксид титана (III, IV), Оксид тория, Оксид цинка, Оксид циркония, Оксид эрбия, Октадекановая кислота, Оливин (фаялит), Оливин (форстерит), Ортоклаз, Ортоплюмбат свинца (II), Периклаз, Пикрат аммония, Пикриновая кислота (2,4,6-Тринитрофенол), Пирит, Пироп, Пластик Мулар, Пластик С-552, Плюмбид магния, Полихлорвинил, Поллуцит, Пренит, Псевдофит, Родицит, Родонит, Родохрозит, Рутил, Сапфир, Сахароза, Селенид алюминия, Селенид меди-алюминия, Селенид меди-таллия, Селенид олова (II), Селенид олова (IV), Селенид свинца, Селенид серебра-алюминия, Селенид серебра-сурьмы, Серная кислота, Сернокислый гадолиний, Серпентин, Силицид ванадия, Силицид вольфрама, Силицид магния, Силицид молибдена, Силицид ниобия, Сингалит, Синильная кислота, Смитсонит, Содалит, Соляная кислота, Спессартин, Спирт этиловый, Сподумен, Станнид магния, Стекло, Стекло свинцовое, Стихтит, Сульфат железа, Сульфат кальция, Сульфат натрия-вода, Сульфид алюминия, Сульфид бора, Сульфид кальция, Сульфид кальция-гадолиния, Сульфид кальция-лантана, Сульфид кальция-неодима, Сульфид кальция-празеодима, Сульфид кальция-самария, Сульфид лития, Сульфид меди-кадмия-олова, Сульфид натрия, Сульфид свинца, Сульфид стронция-гадолиния, Сульфид стронция-гольмия, Сульфид стронция-лантана, Сульфид стронция-неодима, Сульфид стронция-празеодима, Сульфид стронция-самария, Сульфид стронция-эрбия, Сульфид таллия (I), Сульфид титана (II), Сульфид цинка-галлия, Сульфид циркония, Сухой воздух, Сфен, Тальк, Таффеит, Теллурид вольфрама (IV), Теллурид кадмия, Теллурид олова (II), Теллурид свинца, Теллурид серебра-алюминия, Тетраборат лития, Тетраборат магния, Тетраборат натрия-вода (Бура), Тефлон, Титанат стронция, Тк.-эквив. газ, Ткань гонад, Ткань легких, Ткань мозга, Ткань мускульная, Ткань яичника, Тол, Тротил (литой), Трийодметан (йодоформ), Трихлорметан (хлороформ), Уваровит, Уксусная кислота, Ф/эмульсия Кодак, Ф/эмульсия стандартн., Фенакит, Фенилметанал (бензальдегид), Фенол, Фибролит, Флюорит, Фосген, Фосфид алюминия, Фосфид иридия, Фосфид кальция, Фосфорная кислота, Фруктоза (фруктовый сахар), Фторид бериллия, Фторид ванадия (III), Фторид калия, Фторид магния, Фторид меди, Фторид олова (II), Фторид таллия (I), Фторид титана (III), Фторид титана (IV), Фтористый кальций, Фтористый литий, Халцедон, Халькозин (медный блеск), Халькопирит (медный колчедан), Хлорбензол, Хлорид бериллия, Хлорид вольфрама (VI), Хлорид калия, Хлорид натрия (поваренная соль), Хлорид олова (II), Хлорид таллия (I), Хлорид таллия (III), Хлорид титана (II), Хлорид тория, Хлористый аммоний (нашатырь), Хлорциан (циклотриметилентриноитроамин), Хризоберилл, Цв. пл. радиохромовая, Целлюлоза, Цианид калия, Цинкит, Цинковая обманка, Циркон (метамиктный), Циркон (нормальный), Цоизит (тулит), Шеллак, Шпинель, Эпидот, Этиламин (аминоэтан), Этилбензол, Этилхлорид (хлорэтан), Этоксиэтан (диэтиловый эфир).
ЛИТЕРАТУРА
1. Аниконов Д.С., Ковтанюк А.Е., Прохоров И.В. Использование уравнения переноса в томографии. М.: Логос, 2000, 224 с.
2. Натеррер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии. М.: Мир, 1990, 288 с.
3. Hubbell J.H., Seltzer S.M. Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients 1 Kev to 20 Mev for elements Z = 1 to 92 and 48 addslional substances of dosimetric interest. NISTIR 5632, 1995.
4. Аниконов Д.С., Ковтанюк A.E., Назаров В.Г., Прохоров И.В., Суровенко Н.С., Яровенко И.П. База данных радиационных характеристик веществ, представляющих интерес в рентгенодиагностике. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2009620348, 19.06.2009. Интернет-ресурс: http://imcs.dvgu.ru/struc/kmf/dbase.