Формирование изображений в цифровых рентгенографических системах на основе источников высокоэнергетичных фотонов

Актуальность работы. Современная экономика характеризуется возрастанием потока товаров между государствами, который усиливается особым географическим положением Российской Федерации. Важной задачей государственных органов является контроль за перемещением грузов. Особое внимание уделяется выявлению незадекларированных товаров и запрещенных к перемещению, без наличия особых разрешительных документов, через границу веществ — наркотиков, взрывчатых веществ, ядовитых веществ, радиоактивных веществ. Одно из важнейших мест среди технических средств досмотрового контроля занимают комплексы цифровой рентгенографии. Метод цифровой рентгенографии отличает высокая информативность, основанная на возможности визуализации структуры объекта контроля, выявления, идентификации веществ недопустимых локальных вложений и определения их геометрического положения. В комплексах цифровой рентгенографии крупногабаритных объектов в качестве источника фотонов используют линейные ускорители и бетатроны. Каждый из указанных типов источников высокоэнергетического рентгеновского излучения обладает своими недостатками и достоинствами. К достоинствам малогабаритных бетатронов относится небольшая масса, небольшие размеры и относительно небольшая стоимость производства. В связи с этим, малогабаритные бетатроны являются незаменимыми источниками излучения для применения их в мобильных и легко возводимых досмотровых комплексах. Научное обоснование, экспериментальные и опытно-конструкторские работы по созданию современных комплексов цифровой рентгенографии для применения в досмотровом контроле крупногабаритных грузов и транспортных средств является важнейшей задачей, что подтверждает актуальность темы диссертационных исследований.

Диссертационные исследования выполнены в рамках тематического плана научно — исследовательских работ НИИ интроскопии Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Предмет исследования — закономерности формирования цифровых теневых рентгеновских изображений крупногабаритных объектов контроля, характерных для досмотровых комплексов с применением малогабаритных бетатронов с максимальной энергией фотонного излучения от 2 до 9 МэВ.

Цель работы — теоретически обоснованное, экспериментальное подтверждение возможности создания и разработка рентгенографической системы для досмотрового контроля крупногабаритных грузов и транспортных средств с использованием малогабаритного бетатрона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

— исследовать пространственно-энергетические характеристики радиационного поля применимо к цифровым рентгенографическим системам с использованием импульсных источников высокоэнергетичных фотонов;

— определить параметры рентгенографической досмотровой системы (геометрическая схема контроля, параметры и конструкция щелевого коллиматора источника излучения, параметры детекторов ионизирующего излучения, производительность контроля);

— разработать установку для проведения экспериментальных исследований;

— экспериментально оценить достижимые параметры комплекса цифровой рентгенографии для досмотра крупногабаритных грузов и транспортных средств на основе малогабаритного бетатрона;

— создать опытный образец рентгенографической системы для досмотрового контроля транспортных средств.

Методы исследований основываются на физических принципах взаимодействия квантов высокоэнергетического рентгеновского излучения с веществом и их регистрации. Теоретические исследования дополнены экспериментальной проверкой полученных результатов, проводимой с использованием методов экспериментальной физики. Анализ результатов натурных и вычислительных экспериментов проводился с помощью численных методов и статистических методов обработки экспериментальных данных.

Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается измерением физических величин с погрешностью, не превосходящей 1%, и подтверждена технической реализацией в опытном образце досмотровой системы контроля транспортных средств. Полученные аналитические соотношения реализованы в численных алгоритмах и проверены для задач, известных в литературе. Научная новизна работы:

— получена совокупность математических соотношений, позволяющих оценить влияние размеров и материала радиометрических детекторов высокоэнергетического рентгеновского излучения на величину отношения сигнал-шум;

— получено выражение, связывающее значение энергетического коэффициента накопления высокоэнергетического рентгеновского излучения в зависимости от ширины раскрытия щелевого коллиматора;

— выполнена оценка производительности системы высокоэнергетической цифровой рентгенографии для досмотрового контроля крупногабаритных объектов и транспортных средств;

— разработаны алгоритмы выбора параметров неоднородных щелевых коллиматоров для источников высокоэнергетического рентгеновского излучения;

— экспериментально оценены возможности комплексов цифровой рентгенографии для досмотра крупногабаритных грузов и транспортных средств на основе малогабаритных бетатронов;

— создан опытный образец рентгенографической системы для досмотрового контроля транспортных средств.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в результате диссертационных исследований аналитические выражения и алгоритмы расчета научно обосновывают проектирование, рациональный выбор и эффективную оценку параметров систем высокоэнергетической цифровой рентгенографии на основе источников фотонного излучения с максимальной энергией до 10 МэВ для досмотрового контроля крупногабаритных грузов и транспортных средств.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы при разработке в НИИ интроскопии при Томском политехническом университете рентгенографической системы для досмотра транспортных средств и используются при чтении курса лекций для студентов электрофизического факультета Томского политехнического университета по дисциплине «Неразрушающие методы контроля». Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований на прототипе установки для цифрового рентгенографического контроля крупногабаритных объектов, использованы при разработке досмотрового комплекса, введенного в эксплуатацию в ВЧ 43 753, предназначенного для контроля транспортных средств.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических семинарах НИИ интроскопии при Томском политехническом университете, на 17 Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеринбург, 2005), на 54 научно-технической конференции Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (г. Москва, 2005), на 6-ой и 8-ой Международных конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2007, 2009).

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах:

1. Касьянов В. А., Касьянов С. В., Осипов С. П. Оптимизация геометрической схемы радиометрического контроля крупногабаритных объектов. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2005. — № 11 — с. 62 — 63.

2. Сидуленко O.A., Касьянов В. А., Касьянов С. В., Осипов С. П. Методика оценки производительности досмотрового комплекса для контроля крупногабаритных объектов. // Контроль. Диагностика. — 2005. — № 12 — С. 34, 39.

3. Сидуленко О. А., Касьянов В. А., Касьянов С. В., Осипов С. П. Оценка эффективности щелевой коллимации высокоэнергетического источника излучения при радиометрическом контроле крупногабаритных объектов. // Дефектоскопия. — 2006. — № 2 — С. 40 — 45.

4. Касьянов В. А., Касьянов С. В., Осипов С. П. Особенности регистрации высокоэнергетического тормозного излучения в досмотровом контроле. // Датчики и Системы. — 2005. — № 12- С. 10 — 13.

5. Недавний О. И., Осипов С. П., Касьянов С. ВЭффекты маскировки и демаскировки локальных включений в досмотровом контроле. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2007. — № 9 — с. 50 — 53.

6. Сидуленко О. А., Касьянов В. А., Касьянов С. В., Осипов С. П. Исследование возможности применения малогабаритных бетатронов для идентификации веществ объектов контроля методом дуальных энергий// Контроль. Диагностика. — 2008. — № 8.

7. Сидуленко O.A., Касьянов В. А., Осипов С. П., Касьянов C.B. Щелевые и пинхольные коллиматоры в цифровой рентгенографии// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2007. — № 3. — с.62 — 64.

8. Сидуленко O.A., Касьянов В. А., Осипов С. П., Касьянов C.B. Выбор параметров щелевых коллиматоров для формирования узких пучков высокоэнергетического рентгеновского излучения // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2009. — № 8.

9. Касьянов C.B. Применение бетатронов в радиографических досмотровых системах //Известия Томского политехнического университета. — 2008 — Т. 312, — № 2 (Приложение). — с. 134−138.

Ю.Чахлов C.B., Касьянов В. А., Касьянов C.B., Чумаков Д. М., Андрияанов М. В., Усачев Е. Ю., Лебедев М. Б. Макет установки для рентгеновского контроля крупногабаритных объектов //Труды 54 научно-технической конференции МИРЭА (Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) — Москва, 16−25 мая 2005 г.

Москва: МИРЭА, 2005. — с. 46 Н. Лебедев М. Б., Усачев Е. Ю., Чумаков Д. М., Касьянов В. А., Касьянов C.B., Сидуленко O.A., Штейн М. М., Чахлов C.B. Установка для рентгеновского контроля крупногабаритных объектов (грузовых и легковых автомобилей, контейнеров для морских и авиаперевозок) //Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности: Материалы 6-ой Международной конференции — Москва, 15−17 мая 2007. — М.: Машиностроение, 2007. -с. 69−71.

12.Сидуленко O.A., Касьянов В. А., Касьянов C.B., Осипов С. П. Выбор и оценка параметров систем досмотрового контроля крупногабаритных объектов //Неразрушающий контроль и диагностика. Материалы XVII Российской научно-технической конференции — г. Екатеринбург, 2005 г. — г. Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, ISBN 5−7691−1648-Х, 2005. — с. 219.

13.Касьянов В. А., Касьянов C.B., Токач Е. Ф., Чахлов B.JI., Чахлов C.B., Штейн М. М., Усачев Е. Ю., Лебедев М. Б., Чумаков Д. М. Применение бетатронов в комплексах радиометрического контроля крупногабаритных объектов. //Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности: Сборник материалов 8-ой международной конференции — Москва, CK «Олимпийский». — 18−20 марта 2009. — Москва: Издательский дом. — 2009. — с. 60−64 (68 478 039).

14.I.I. Nadreev, S.V. Kasyanov, S.A. Ryabcov, O.P. Tolbanov, A.V. Tyazhev. The detection block for systems of nondestroying testing based on the GaAs detectors //Proceeding of IEEE International Siberian conference on control and communications «SIBCON 2005». 21−22 October, Tomsk, Russia. Статьи 1−9 опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК Российской Федерации.

Личный вклад автора в решение поставленных задач состоит: — в теоретическом обосновании и разработке структурных схем цифровой рентгенографии для досмотрового контроля крупногабаритных грузов и транспортных средств;

— в разработке плана экспериментальных работ, проведении экспериментальных исследований, обработке результатов экспериментальных исследований;

— в разработке алгоритмов выбора параметров досмотровых комплексов;

— в определении перспективных направлений дальнейшего развития диссертационных исследований.

На защиту выносятся:

— обоснование эффективности использования малогабаритных бетатронов для целей цифровой рентгенографии крупногабаритных объектов в реальном масштабе времени;

— алгоритмы формирования и обработки радиометрических информативных сигналов применительно к рентгенографическому контролю крупногабаритных объектов;

— алгоритмы выбора параметров систем цифровой рентгенографии на основе высокоэнергетических источников рентгеновского излучения для досмотрового контроля крупногабаритных объектов;

— результаты экспериментальных исследований по оценке возможностей рентгенографических систем на основе малогабаритных бетатронов применительно к досмотровому контролю крупногабаритных объектов и транспортных средств.

— структурная схема и технические характеристики опытного образца рентгенографической системы для досмотрового контроля транспортных средств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, приложения' и содержит 128 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 16 таблиц, 93 наименования библиографии.

ВЫВОДЫ.

1. Разработан алгоритм оптимизации параметров рентгенографических досмотровых систем.

2. Определены технические требования к отдельным компонентам досмотровой системы — к источнику излучения, системе коллимации пучка, детекторному модулю.

3. Получены закономерности, позволяющие оценить предельное значение производительности досмотрового контроля крупногабаритных объектов на основе источников высокоэнергетического тормозного излучения.

4. Получена закономерность, связывающая величину энергетического коэффициента накопления с раскрытием щели щелевого коллиматора высокоэнергетического тормозного излучения.

5. Предложен алгоритм, позволяющий выбрать параметры геометрической схемы рентгенографического контроля крупногабаритных объектов.

6. Собран макет рентгенографической системы контроля крупногабаритных объектов, проведены эксперименты по определению достижимых дефектоскопических характеристик и возможностей разрабатываемой системы досмотра.

7. Собран действующий образец рентгенографического досмотровой системе с бетатроном на энергию 5 МэВ в качестве источника излучения, получены изображения крупногабаритных объектов, при этом достигнуты предполагаемые дефектоскопические характеристики.

8. Теоретически и практически доказана возможность применения бетатрона в качестве источника ионизирующего излучения в рентгенографической системе контроля крупногабаритных объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО — ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ И ДАЛЬНЕЙШЕЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.

После анализа полученных экспериментальных данных были определены достижимые параметры рентгенографической системы контроля транспортных средств и соответствующие требования к источнику и измерительным каналам детекторного модуля.

На заключительном этапе работ была создана система контроля крупногабаритных объектов с источником на энергию 5 МэВ, позволившим получить проникновение по стали до 250 мм и детекторами с кристаллом Csl размером 6x6x25 мм, применением которых определяется пространственное разрешение 4 мм и чувствительность 3%. Повышение частоты следования импульсов излучения до 400 Гц привело к увеличению. интенсивности источника до 5 Р/мин, что позволило получить максимальную скорость сканирования 0.3м/с.

Также есть возможность спроектировать перемещаемую рентгенографическую систему контроля, с бетатроном на энергию ускоренных электронов до 10 МэВ в качестве источника излучения. Невысокая интенсивность позволит избежать сложных конструкций при проектировании радиационной защиты. В свою очередь, небольшое энергопотребление позволит использовать автономный источник энергоснабжения.

По мнению большинства разработчиков основным недостатком бетатрона при использовании его в рентгенографических системах контроля является невысокая интенсивность излучения, что влечет за собой необходимость применять детекторы со сцинтилляторами большего объема и делать усреднение сигнала по большему количеству импульсов, что сказывается на потоковой производительности досмотрового комплекса. Однако, современные математические методы обработки изображений позволяют улучшить пространственное разрешение для досматриваемых объектов до приемлемых значений. В то же время потоковая производительность комплекса имеет относительно малый вклад в общую производительность комплекса, поскольку фактически полное время досмотра грузового автомобиля 5 — 10 минут, включая заезд — выезд в зону контроля, оформление документов, непосредственно сканирование, анализ изображения оператором комплекса, возможно и повторное сканирование подозрительных областей объекта. Для получения качественного теневого изображения объекта длиной порядка 20 м время сканирования варьируется в пределах 1—2 минуты для линейного ускорителя и 2 — 3 минуты для бетатрона.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что бетатрон является одним из наиболее предпочтительных источников излучения для применения в мобильных и передвижных досмотровых системах.

Результаты данных диссертационных исследований применены при разработке досмотровой системы с использованием бетатрона на энергию 9 МэВ, построенного в В/Ч 43 753. В настоящее идет совместная с белорусской компанией АДАНИ разработка мобильного рентгенографического досмотрового комплекса с использованием в качестве источника бетатрона на энергию 5 МэВ.

Дальнейшие исследования будут направлены на усовершенствование методов регистрации фотонного излучения высоких энергий, повышение эффективности детекторов и расширение динамического диапазона приемно — усилительного тракта, внедрение новых методов обрабоки получаемых изображений. Планируется развить теоретическую и экспериментальную базу для разработки радиометрических и рентгенографических систем контроля, использующих метод дуальных энергий. Все эти меры позволят совершенствовать методы радиационного контроля крупногабаритных объектов при применении их в рентгенографическом контроле транспортных средств.