Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ РАСПОЗНАВАНИЯ
МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ДУАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В
ДИАПАЗОНЕ 4-10 МЭВ 11
1.1 Генерация и поглощение гамма-квантов в веществе 11
Генерация гамма-квантов 11
Ослабление гамма-излучения в веществе 14
Сечение фотоэффекта 15
Сечение комптон-эффекта 16
Сечение рождения пар 17
і .2 Общая постановка задачи радиоскопической
ДИСКРИМИНАЦИИ 20
Прозрачность барьера 20
Система интегральных уравнений для гомогенного барьера 22
Случай гетерогенного барьера 25
1.3 ДИСКРИМИНАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ 27
Узкий пучок 27
Веерный пучок 30
Рассеянное излучение 31
Оценка эффекта методом Монте-Карло 32
1.4 Резюме 36
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ДУАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В ДИАПАЗОНЕ 4^10 МЭВ. 38
Экспериментальная установка 38
Ускоритель с дуальной энергией 41
Предварительная обработка дуальных изображений 42
Коррекция временных флуктуации и угловой анизотропии излучения 42
Коррекция нелинейности каналов детектирования 43
2.3.2. Оценка граничной энергии 46
2.4 Статистические характеристики дуальных изображений ...49
2.4.1. Источники шума 49
Шумы электроники 50
Фотонный шум 50
2.4.2. Экспериментальные измерения 51
2.5 Вероятность ошибки при дискриминации материалов 54
Случай двух групп материалов 54
Случай нескольких групп материалов 58
2.6 Резюме 64
ГЛАВА 3 СЕГМЕНТАЦИЯ ДУАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ 65
Введение 65
Известные алгоритмы кластеризации 67
Алгоритм К-средних (k-means) 68
Лидер-алгоритм (Leader algorithm) 70
3.3 Модифицированный лидер-алгоритм 71
Определение размера кластеров 71
Учет геометрической смежности кластеров 14
Алгоритм 75
Устранение избыточной сегментации 79
Маркировка сегментов 84
Визуализация результатов 87
Введение 87
IHS цветовое пространство 89
TZ-палитры 93
Синтез распределений Т и Z в одном изображении 100
3.7 Резюме Ю5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
ПРИЛОЖЕНИЕ А: БИЛАТЕРАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ 108
ПРИЛОЖЕНИЕ В: РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО
ФУНКЦИИ РАССЕЯНИЯ ТОЧКИ ПО
ЛИТЕРАТУРА 112
СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ 117
СПИСОК ТАБЛИЦ 121
Введение к работе
Угроза террористических актов, особенно после трагических событий осени 2001 года, явилась причиной резкого повышения интереса к проблеме обеспечения эффективного обнаружения оружия, взрывчатых веществ и другой контрабанды, скрытой в транспортируемых грузах. В настоящее время существует ряд методов выявления опасных грузов, например химический анализ паров, ядерно-физический элементный анализ и др. Однако наибольшее распространение получили радиационные методы инспекции, в частности метод дуальной энергии для распознавания материалов, который широко применяется в низкоэнергетических радиационных системах для таможенного контроля ручного багажа в аэропортах и контрольно-пропускных пунктах [1-8]. Его главное преимущество - возможность распознавать различные материалы по атомному номеру (Z), что достигается сравнением степени ослабления рентгеновского излучения разных энергий, зависящей от атомного номера материала. Материалы с высоким Z являются лучшими абсорбентами, чем с низким, поэтому легкие или «органические» вещества с малым Z, такие как водород, углерод, азот, кислород, могут быть отделены от других групп материалов, например «неорганических» с более высоким Z. Это повышает эффективность выявления взрывчатых веществ, большинство из которых имеет эффективный атомный номер, близкий к 7 (табл. і).
Табл. і Химические формулы и плотности наиболее распространенных взрывчатых веществ [9].
Вещество Химическая формула Плотность, г/см3 Z
Известные системы
В настоящее время существует два типа рентгеновских установок, использующих метод дуальной энергии для распознавания материалов по атомному номеру [10]. В системах первого типа модуляция энергии достигается посредством спектральной фильтрации рентгеновского излучения. Используемые фильтры вырезают низкоэнергетическую часть спектра излучения, что приводит к возрастанию средней энергии по спектру по сравнению с не фильтрованным пучком. Регистрация прошедшего излучения производится с помощью двух детекторных линеек, расположенных друг за другом с поглотителем между ними, что обеспечивает формирование двух изображений с различным спектральным составом. Недостаток таких систем заключается в слабой модуляции средней энергии спектра и, как следствие, системы характеризуются низким отношением сигнал-шум.
Системы второго типа используют два разных рабочих напряжения рентгеновской трубки. В этом случае глубина модуляции энергии может быть сделана сколь угодно большой. В серийно выпускаемых установках напряжение трубки для номинального уровня составляет около 150 кэВ, а для дуального -75 кэВ. Обычно в таких системах используются два пространственно разнесенных пучка и, соответственно, для регистрации излучения используются две детекторные линейки [11.12]. Совмещение обоих получаемых изображений, а также их компьютерная обработка проходят в режиме реального времени. Результирующее изображение выводится на экран дисплея рабочего места инспектора в специальной цветовой палитре, в которой различным материалам приписывается свой цветовой оттенок.
Обычно в установках обоих типов используется рентгеновское излучение с граничной энергией спектра до 200 кэВ. Это обусловлено тем, что в данном энергетическом диапазоне существует сильная зависимость полного коэффициента ослабления гамма-квантов от атомного номера вещества в силу преобладания фотоэлектрического поглощения над остальными типами взаимодействия. Однако проникающая способность низкоэнергетического
рентгеновского излучения ограничена несколькими сантиметрами в стальном эквиваленте, что исключает возможность его применения для инспекции крупногабаритных контейнеров и транспортных средств. Теневые радиоскопические изображения высокого качества таких объектов достижимы лишь при использовании высокоэнергетического тормозного излучения с граничной энергией до 10 МэВ, генерируемого электронными ускорителями 1131.
Метод дуальной энергии также может быть использован для распознавания материалов в высокоэнергетическом диапазоне 4*10 МэВ, однако информация о практически реализованных установках подобного типа в настоящее время отсутствует.
Использование метода в данном энергетическом диапазоне затруднено в силу ограничений, связанных с физикой взаимодействия гамма квантов с веществом. Доминирующим типом взаимодействия гамма квантов с веществом в этом диапазоне вместо фотоэффекта (#т~2?) становится комптоновский эффект с его слабой зависимостью от атомного номера (jtc~Z/A, где А ~ атомный вес), что обуславливает незначительную вариацию поглощения тормозного излучения для разных материалов, в основном связанную с проявлением эффекта рождения электрон-позитронных пар как третьего типа взаимодействия {]лк~2?/А -Z). Этот слабый эффект ранее считался недостаточным для распознавания в практических целях [14J. По-видимому, поэтому мировой рынок высокоэнергетических таможенных систем представлен установками с одной энергией.
Для преодоления вышеупомянутых физических трудностей и достижения желаемого распознавания в высокоэнергетическом диапазоне, недавно было запатентовано несколько идей.
В первой из них [15. 16] предлагается производить декомпозицию прошедшего через объект спектра тормозного излучения на компоненты, ответственные за рождение пар и комптоновский эффект, баланс которых определяет Z-
принадлежность материала. Декомпозиция спектральных компонент достигается благодаря анизотропии комптоновского рассеяния и изотропии распространения аннигиляционных гамма-квантов при взаимодействии тормозного излучения со специальной детекторной мишенью, изготовленной из материала с высоким атомным номером. Такая схема детектирования по оценкам авторов существенно улучшает распознавание материалов, однако нам представляется, что чувствительность метода в этом случае понизится из-за уменьшения регистрируемой амплитуды сигнала и повышенного взаимовлияния соседних детекторов.
Второй тип системы использует принцип предварительной фильтрации спектра тормозного излучения [17]. Во время сканирования получают два теневых изображения, соответствующих двум разным спектрам излучения: первое получено с фильтром и без фильтра. Атомный номер материала определяется по таблицы соответствия, которая создается на основе калибровочной процедуры. В двух различных вариантах реализации метода либо электронный пучок отклоняется на две разные мишени, либо два префильтра тормозного излучения попеременно механически вводятся в тракт пучка между импульсами ускорителя. К недостаткам предложенного метода можно отнести низкую чувствительность вследствие слабой степени ужесточения спектра посредством фильтрации любым из известных материалов.
Третий патент [18. 19] предлагает несколько идей по применению гамма и нейтронной радиоскопии для распознавания материалов. При сканировании объекта применяются источники высокоэнергетических квантов тормозного излучения и нейтронов. Используются две разные детекторные линейки: одна для регистрации тормозного излучения в спектрометрическом режиме и другая для нейтронов, прошедших через объект. Эффективный атомный номер материала определяется из соотношения ослабления гамма и нейтронного излучения, либо из отношения ослабления для разных частей энергетического спектра тормозного излучения. К недостаткам предложенной системы следует отнести усложнение системы детектирования вследствие использования спектрометрического режима. Кроме того, применение нейтронного излучения противоречит требованиям радиационной безопасности [20].
Четвертый тип системы [21,22] использует идею оценки эффективного атомного номера с помощью пучка тормозного излучения с дуальной энергией и одновременным измерением плотности груза посредством сканирования груза в двух направлениях. Знание эффективного атомного номера и плотности содержимого контейнера позволяет осуществить эффективную идентификацшо наркотических, взрывчатых и других известных контрабандных веществ. Однако в случае гетерогенной среды, плотность вещества не может быть однозначно определена только по двум проекциям. Для однозначной оценки плотности, как известно, необходим набор проекций, что превращает задачу радиоскопической инспекции в томографическую.
Подводя итог вышесказанному, заключаем, что:
в настоящее время не существует промышленно выпускаемых систем с дуальной энергией для радиоскопической инспекции транспортных средств и крупногабаритных контейнеров;
несмотря на большое количество идей по распознаванию материалов в диапазоне 4-й 0 МэВ, появившихся в недавнее время, их практическая реализация до сих пор не была продемонстрирована на реальных радиоскопических изображениях.
Таким образом, состояние дел с задачей распознавания материалов в практически важном энергетическом диапазоне 4-НО МэВ укрепило нас в мысли провести интенсивные исследования в данной области и поставить серию экспериментов на полномасштабном прототипе таможенной системы, функционирующей в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, с целью практической реализации метода дуальной энергии как опции к существующему прототипу. Основные результаты трехлетних исследований [23-29] были апробированы на российских и международных конференциях, опубликованы в ряде журналов и изложены в представленной работе.
9 Цель работы
Цель исследований, результаты которых представлении в диссертации, состояла в разработке и экспериментальной реализации метода распознавания групп материалов в контейнере по атомному номеру в диапазоне 4-^10 МэВ.
Основные направления исследований
Изучение возможности распознавания материалов по эффективному атомному номеру в диапазоне энергий 4* 10 МэВ.
Экспериментальное доказательство возможности определения атомного номера материалов в контейнере посредством анализа дуальных изображений, сканированных пучком тормозного излучения двух энергий.
Оценка степени влияния шумов дуальных изображений на качество распознавания материалов в контейнере и определение практически достижимого числа дискриминируемых групп материалов.
Разработка программного обеспечения для математической обработки дуальных радиоскопических изображений и визуализации результатов распознавания.
Научная новизна
1. Проведено теоретическое обоснование возможности радиоскопического распознавания групп материалов по атомному номеру в диапазоне 4-5-10 МэВ методом дуальной энергии. Показано, что эффективный атомный номер барьера может быть определен по экспериментально измеренным радиоскопическим прозрачностям при высокой и низкой энергии излучения, однако для достоверного определения требуется
аккуратное измерение интегрального поглощения с точностью, по крайней мере, до трех значащих цифр.
На полномасштабном экспериментальном стенде таможенной системы предложена и реализована оригинальная схема попеременного сканирования объекта тормозным излучением с двумя энергиями, генерируемым одним ускорителем. Это позволило получить дуальные изображения стандартного транспортного контейнера.
Для подавления шумов дуальных изображений предложен модифицированный метод сегментации, основанный на однопроходном лидер-алгоритме кластеризации данных. Метод позволяет снизить дисперсию экспериментальных данных, сохранив верной третью значащую цифру в измерениях интегрального поглощения, провести распознавание и визуализировать в цвете, по крайней мере, четыре группы материалов по атомному номеру в диапазоне массовой толщины 1(Ы20г/см2.
Практическая значимость
Совокупность результатов выполненных исследований является научно обоснованным техническим решением - «Метод распознавания групп материалов по атомному номеру в системе таможенной инспекции с энергией в диапазоне 4+10 МэВ», внедрение которого обеспечивает высокую эффективность выявления контрабанды в контейнерах.
Разработанный метод включен как опция в систему таможенного контроля транспортных средств и крупногабаритных контейнеров, разработанную НИИЭФА им. Д.В. Ефремова.
