Исследование и разработка рентгеновского сканера для оперативного контроля и досмотра Федоровский, Евгений Владимирович Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников Федоровский, Евгений Владимирович. Исследование и разработка рентгеновского сканера для оперативного контроля и досмотра : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.10 / Федоровский Евгений Владимирович; [Место защиты: Науч.-исслед. ин-т интроскопии].- Москва, 2012.- 147 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/210 Содержание к диссертации Введение Глава 1 Анализ состояния и пути развития рентгеновского оборудования для досмотра и поиска 10 1.1 Анализ состояния рентгеновского оборудования для досмотра и поиска 10 1.2. Портативные рентгеновские комплексы для оперативного досмотра и поиска 13 1.3. Ручные изотопные сканеры для оперативного досмотра и поиска 16 1.4. Обоснование требований к рентгеновскому сканеру 17 Выводы 25 Глава 2. Модель сканера на рассеянном излучении 27 2.1. Моделируемая геометрия излучения сканера 27 2.2. Физические основы модели 30 2.3. Особенности программной реализации модели 35 2.4. Особенности моделирования детектирующей части сканера...47 Выводы 51 Главa 3. Исследование взаимодействия квантов с преградой и скрытым за ней объектом 52 3.1. Исследование взаимодействия с преградами большой толщины 52 3.2. Исследование взаимодействия с тонкими преградами 59 3.3. Исследование поля излучения, рассеянного объектом, расположенным за преградой 61 3.4. Поле излучения рассеянных объектом и вылетевших из преграды квантов 65 3.5. Моделирование сканера в движении - апертурные функции 71 3.6. Оценочный расчет реакции сканера 78 Выводы 83 Глава 4. Экспериментальные исследования по созданию рентгеновского сканера на основе малогабаритных аппаратов и методик их применения 84 4.1. Разработка рентгеновского аппарата 84 4.2. Разработка детектора рентгеновского сканера 103 4.3. Экспериментальные исследования по созданию ручного сканирующего устройства. Особенности конструкции 104 4.4. Исследования рентгеновского сканера на типовых объектах. Методики применения 112 4.5. Метрологическое обеспечение. Сертификационные испытания сканера «Ватсон» и рентгеновского аппарата «Модуль-50»...123 4.6. Результаты внедрения. Практическое развитие исследований 125 Выводы 133 Основные выводы и результаты работы 135 Литература 138 Введение к работе Актуальность работы Важнейшими составляющими деятельности, направленной на противодействие терроризму, является создание и широкомасштабное использование высокоэффективного антитеррористического оборудования. Затраты на закупку такого оборудования в экономически развитых странах растут ежегодно на десятки и сотни процентов. Это способствует постоянному совершенствованию оборудования в соответствии с развитием науки и техники, регулярному появлению новых технических средств. Приоритетом при решении поисковых, досмотровых и специальных задач следует считать оборудование, реализующее методы радиационной интроскопии, ввиду их информативности, возможности быстрого получения результата обследования с высокой достоверностью. Эти методы позволяют эффективно решать не только антитеррористические задачи, но и целый ряд других задач оперативного контроля и досмотра - противодействие незаконному распространению наркотических и психотропных веществ, защита информационных каналов, обеспечение безопасности объектов государственной охраны, предотвращение незаконного вывоза из страны предметов, представляющих историческую, культурную и художественную ценность. Объектами досмотра могут быть контейнеры, автотранспорт, грузы, сумки, сувениры, стены, перекрытия, оргтехника, а предметами поиска - оружие, взрывные устройства, взрывчатые и наркотические вещества, предметы контрабанды, устройства съема информации и т.д. Вместе с тем, несмотря на ряд фундаментальных работ в данной области оперативный досмотр при одностороннем доступе конструктивно сложных объектов до настоящего времени остается одной из острых проблем для силовых подразделений, противодействующих терроризму. В связи с этим, разработка портативного рентгеновского сканера для проведения оперативного досмотра и поиска, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное государственное значение. Государственная значимость решаемой проблемы подтверждена "Стратегией национальной безопасности Российской Федерации до 2010 года", утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 12 мая 2009 года № 527, Указом Президента Российской Федерации от 15 февраля 2006 года № 116 "О мерах противодействия терроризму", Федеральным законом "О борьбе с терроризмом" от 25 июля 1998года. Цель и задачи работы Целью диссертационной работы является создание рентгеновского сканера, предназначенного для антитеррористических подразделений правоохранительных органов, на основе развития метода регистрации обратно рассеянного излучения, разработки комплекса малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала. Достижение поставленной в диссертационной работе цели обеспечивается решением следующих задач: - проведение системного анализа состояния методов и средств, используемых для
оперативного контроля и досмотра авто(авиа)транспорта, грузов, сумок, сувениров,
капитальных строений, перекрытий и выявление приоритетных путей их развития,
определение тактико-технических требований к сканеру; - разработка математической модели взаимодействия рентгеновского излучения с преградами и предметами (вложениями), скрытыми за ними, проведение теоретических исследований взаимодействия излучения с объектами досмотра методом многократного моделирования; разработка алгоритма конструирования малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала и их создание, проведение экспериментальных исследований; создание рентгеновского сканера, проведение сертификации, освоение серийного выпуска, оснащение разработанной техникой антитеррористических подразделений правоохранительных органов. Методы исследований, достоверность результатов Теоретические исследования проводились с использованием методов математического анализа, математической статистики (Монте-Карло), теории вероятностей. Математическое моделирование реализовано в среде GUTDE пакета МатЛаб в векторной форме. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированных, метрологически поверенных средствах измерений с применением стандартных методик. Достоверность результатов работы подтверждается соответствием теоретических результатов экспериментальным данным, положительным опытом эксплуатации сканера и разработанных рентгеновских аппаратов в рентгенофлуоресцентных анализаторах и досмотровых комплексах. Научная новизна работы 1. Теоретически и экспериментально исследованы процессы взаимодействия рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 10 до 50 кэВ с различными объектами и последующей регистрацией обратно рассеянных квантов, учитывающие не только комптоновское рассеяние, но и характеристическое излучение. Определены границы применения метода. 2. Разработана двухуровневая математическая модель взаимодействия
рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ним скрытым объектом,
позволяющая на первом этапе исследовать процесс взаимодействия исходного излучения с
преградой и скрытом объектом, а на втором - процесс взаимодействия обратно рассеянных
квантов от скрытого объекта с преградой и последующей их регистрацией. 3. Впервые разработан алгоритм построения ручного рентгеновского сканера,
основанный на отстройке от квантов, рассеянных преградой. Теоретически установлена,
экспериментально подтверждена возможность создания сканера с максимальным
напряжением на рентгеновской трубке 50 кВ с широким динамическим диапазоном. Практическая полезность работы -
Разработанная модель взаимодействия рентгеновского излучения с энергией квантов 10-50 кэВ с различными объектами может быть использована при проектировании и разработке комплексов на основе регистрации обратно рассеянных квантов, а также при исследовании процессов взаимодействия и преобразования рентгеновского излучения с материалами различного состава и толщины. -
Разработан алгоритм конструирования рентгеновских аппаратов постоянного потенциала, включая высоковольтную часть, систему управления, преобразования напряжения. Разработаны новые конструкции малогабаритных рентгеновских аппаратов и сканера. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и разработке рентгеновских источников постоянного потенциала с напряжением до 100 кВ и анодным током до 2 мА. Реализация и внедрение результатов -
Обоснована конструкция, разработан ручной сканер «Ватсон», позволивший выявлять несплошность и неоднородность структуры за преградой из дерева толщиной -50 мм, алюминия - 12мм, стали - 1,5мм. Рентгеновский сканер «Ватсон» не имеет отечественных и зарубежных аналогов. -
Разработано и организовано серийное производство ручных рентгеновских сканеров для оперативного контроля, досмотра и поиска. К 2012 году выпущено и внедрено в подразделениях МО РФ, МВД РФ, ФСБ РФ, ФСО РФ, ФТС РФ, ФСИН РФ более 565 сканеров. Использование рентгеновского сканера Ватсон только на таможенных пунктах позволило сократить время досмотра автотранспорта в 10 раз. З. Разработана и серийно освоена линейка малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала с выходным напряжением от 15 до 100 кВ. Аппараты нашли широкое применение в рентгенофлуоресцентных анализаторах различного назначениях, рентгеновских досмотровых комплексах. Всего было выпущено более 1 335 аппаратов. Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты поиска и анализа путей повышения эффективности деятельности
антитеррористических подразделений правоохранительных структур, на основе развития
метода регистрации обратно рассеянного излучения и создания новых малогабаритных
рентгеновских аппаратов. -
Математическая модель взаимодействия рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ним скрытым объектом. Теоретические и экспериментальные исследования, позволившие установить: распределения числа квантов, рассеянных преградой и прошедших через нее, включая многократно рассеянные; распределения числа актов рассеяния в преграде; распределения углов, координат и энергий рассеянных объектом квантов; распределения числа актов взаимодействия квантов, рассеянных скрытым объектом и преградой, закономерности распределения углов, координат и энергий квантов рентгеновского излучения. -
Теоретические и экспериментальные исследования по определению переходных функций рентгеновского сканера при сканировании объекта контроля, позволившие создать и обосновать методики применения рентгеновского сканера при проведении оперативного досмотра и контроля. 4. Технические и технологические решения, примененные при создании нового
поколения рентгеновских аппаратов, рентгеновского сканера и их конструкции. Апробация 1. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 3-ей Международной конференции «ДИАГНОСТИКА ТРУДОПРОВОДОВ», 21-26 мая 2001 г., 6-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 15-17 мая 2007 г., 7-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 11-13 марта 2008 г., XIV Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», 3-7 октября 2011 г., 18і World Conference on Nondestructive Testing, 16-20 April 2012, Durban, South Africa. Личный вклад автора Теоретические и экспериментальные исследования процессов взаимодействия рентгеновского излучения с преградами и скрытыми за ними объектами методом многократного моделирования, разработка методики обнаружения скрытых объектов, разработка алгоритмов конструирования, оптимизации аппаратов постоянного потенциала и обоснование выбора их структурной схемы, проведение экспериментальных исследований технических и радиационных характеристик рентгеновского сканера. Автор принимал непосредственное участие в разработке, испытаниях и внедрении рентгеновского сканера и рентгеновских аппаратов постоянного потенциала. Публикации Всего по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, 6 из которых, в журналах, рекомендованных ВАК. Структура и объем диссертации Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования, решаемые задачи и основные положения, представляемые к защите. Сформулированы научная новизна и практическая ценность работы. Приведены сведения по апробации работы и публикации по теме диссертации. В первой главе приводится обзор антитеррористических комплексов, анализ условий их применения. Определяются пути развития рентгеновских средств на основе метода регистрации обратно рассеянных квантов. Обосновываются требования к разрабатываемому сканеру. Сегодня на рынке разработки и производства рентгеновского антитеррористического оборудования работают несколько сотен фирм, наиболее значительные успехи достигнуты в США, Германии, Франции, Великобритании. Мировыми лидерами здесь являются «Astrophysics Research Corp», «American Science & Engineering» (США), «Smith-Heimann» (Германия) и Schlumberger (Франция), «3DX-ray» (Великобритания). Для проведения досмотровых мероприятий, исходя из условий и целей, используются стационарные, мобильные и портативные комплексы. Значительным спросом пользуются портативные рентгеновские комплексы, позволяющие проводить досмотровые и поисковые мероприятия в нестационарных условиях, в труднодоступных местах. Для решения этих задач, как правило, используется метод регистрации трансмиссионного излучения. Наибольший интерес представляют портативные комплексы, выпускаемые компаниями - «Флэш электронике» (Россия), «Vidisco» (Израиль), «Scanna» (США). Для решения оперативных задач в условиях одностороннего доступа существуют ручные сканеры («Buster», «ДИП-А01М»), основанные на регистрации обратно рассеянного излучения. Однако им свойственны существенные недостатки: узкий динамический диапазон, применение изотопного источника, значительные затраты на организацию эксплуатации, хранения, утилизацию. На основании проведенного анализа задач оперативного досмотра и поиска определены технические требования, предъявляемые к портативному рентгеновскому сканеру для оперативного ручного контроля. В качестве источника излучения было предложено использовать рентгеновский аппарат с выходным напряжением 50 кВ, что, с одной стороны, позволяет минимизировать массу и габариты сканера, а с другой стороны -иметь максимальный радиационный контраст обратно рассеянного излучения различных комбинаций материалов, который, как правило, находится в диапазоне энергий 30-50 кэВ. Сформулированы основные задачи исследований по созданию сканера для досмотра багажа, оперативного контроля различных объектов на наличие взрывных устройств, наркотических и психотропных веществ, оружия и т.п. Показано, что для создания рентгеновских сканеров требуется: разработка принципиально новых малогабаритных и легких рентгеновских аппаратов с независимым электропитанием; построение специальной модели взаимодействия рентгеновского излучения с типовыми объектами досмотра и поиска. Решение этой актуальной задачи обусловило необходимость постановки работы по созданию портативного ручного сканера. Вторая глава посвящена теоретическому исследованию по созданию математической модели процесса многократного взаимодействия рентгеновского излучения с типовыми объектами различной геометрии с учетом конструктивных особенностей сканера, с последующей регистрацией обратно рассеянного излучения. Определяются физические и технические условия и ограничения построения модели. Приводится обоснование геометрии ввода исходного и регистрации обратно рассеянного излучения и общей конструкции сканера. В разделе «Цели математического моделирования рентгеновского сканера» формулируются основные цели, которые необходимо достичь при моделировании для последующей разработки сканера: определение схемы компоновки ручного сканера, исходя из возможности технической реализации, эргономики, условий проведения досмотра и поиска; выявление физических особенностей взаимодействия исходного рентгеновского излучения с преградами различного типа и объектами поиска с учетом их толщины, плотности и предполагаемого эффективного атомного номера; - получение характеристик сканера, не поддающихся экспериментальным
измерениям, к числу которых относятся: распределение числа квантов, рассеянных
преградой; учет числа актов рассеяния в преграде; распределение числа квантов,
прошедших через преграду, включая многократно рассеянные; распределения углов,
координат и энергий квантов, рассеянных объектом поиска; распределение числа актов
взаимодействия квантов в преграде, рассеянных объектом поиска в ее направлении. Для исследования процессов взаимодействия рентгеновского излучения с различными объектами с учетом многократного рассеяния предложено использовать широко распространенный для данных целей метод статистических испытаний - метод Монте-Карло. Сущность метода заключается в многократном моделировании истории взаимодействия кванта с веществом. В разделе «Моделируемая геометрия излучения сканера» производится оценка угла наклона между векторами излучений исходного и рассеянного, определяется геометрия ввода исходного излучения. Очевидно, что для работы с максимально допустимой толщиной преграды оба вектора должны быть расположены нормально к ее поверхности. Однако в силу конечных размеров рентгеновского аппарата и детектора такая схема физически нереализуема. Из требований по доступности к объекту, по габаритам и массе сканера можно определить, что минимально реализуемый угол между векторами может составлять 30-35 . С точки зрения получения максимального количества квантов, рассеянных объектом и прошедших сквозь преграду в направлении детектора, это должен быть вектор обратно рассеянного излучения, поскольку энергия рассеянных квантов ниже энергии исходных и массовый коэффициент поглощения выше. В диапазоне (10-50) кэВ при рассеянии кванты теряют незначительную энергию, однако с ее понижением массовый коэффициент поглощения существенно возрастает. Оптимально иметь длину траектории пробега рассеянных квантов в преграде меньше траектории пробега исходных (рис. 1). Исходное излучение
Обратно рассеянное излучение
Преграда
Объект поиска
Рисунок 1. Геометрия излучения. Как видно из таблицы 1, при нормальном векторе рассеянных квантов общее число зарегистрированных детектором квантов больше, чем в схеме с нормальным к поверхности преграды вектором исходного излучения на 13,1 % (исходный объект алюминий - 5 мм). Таблица 1 Где //(^),//(^)- массовые коэффициенты поглощения при энергии исходных квантов (Ео) и рассеянных (Ei), 7VJ п I JVq N^ ~ж I Nq - доли зарегистрированных детектором квантов для нормального исходного вектора и нормального вектора рассеянных квантов , Nq - исходное количество квантов. Однако, использование для сканирования схемы с нормально расположенным по отношению к преграде вектором исходного излучения позволяет оператору более точно геометрически интерпретировать положение скрытого объекта. При этом потери в статистике могут быть скомпенсированы за счет увеличения потока исходного излучения, что в случае использования в качестве источника излучения рентгеновского генератора реализовать достаточно просто. Таким образом, представляется целесообразным при моделировании приоритет отдать схеме с нормальным вводом к поверхности преграды исходного (первичного) излучения. На рис. 2 представлена моделируемая схема сканера. Исходное рентгеновское излучение Рисунок 2. Моделируемая схема сканера, а - угол ввода излучения, Р - угол между осью источника излучения и осью детектора. В разделе «Физические основы модели рентгеновского сканера» приводятся основные физические положения, определяющие конструкцию разработанной модели. Основой модели является процедура, позволяющая получить элементарную траекторию кванта после і-го акта взаимодействия. Процедура позволяет получить для кванта с энергией Е;, координатами х;, у;, z; и угловых характеристик і-той траектории 9; и (pi новые координаты взаимодействия x;+i, y;+i, z;+i. В случае комптоновского рассеяния необходимо смоделировать новые угловые характеристики і+1-й траектории 9;+1 И ф;+і и рассчитать новую энергию кванта Е;+і. Новые координаты взаимодействия рассчитываются как: jcz+1 = хг: + / sin <9Л cos <Рі Уі+\ = Уі+l sin 0t sin t (1) zi+\ = zi+l cos 0t Где / - длина свободного пробега квантов в веществе, подчиняющаяся экспоненциальному закону распределения: где //(/?, Z9 Е^) - линейный коэффициент полного поглощения. Вероятность комптоновского рассеяния определяется отношением массовых коэффициентов комптоновского рассеяния к полному коэффициенту поглощения: PiCompton) = ^СІ^.Е^ Угол комптоновского рассеяния 9 является случайной величиной, распределение которой зависит только от энергии квантов и определяется уравнением Клейна-Нишины-Тамма: ^ = -(1 + cos со) 1 Н тг (1 - cos со)
(^y^a-cos2^)2
1 + . woc (1 + cos e>)(l + a(l - cos со)) где: со - угол рассеяния, nioc - энергия покоя электрона, г о - классический радиус электрона, r0 =e2/m0c2 =2,81794-10-13 см, ос = hv/m0c' Новая энергия кванта после рассеяния E;+i рассчитывается как:
(4)
i+\ \ + -^—(\-cosco) (5) 0,51 lv У Исходя из новой энергии кванта с учетом изменившегося массового коэффициента взаимодействия рассчитывается новая длина свободного пробега и процесс моделирования продолжается аналогично. В разделе «Особенности программной реализации модели рентгеновского сканера» представлена программная реализация основных компонентов модели. Модель реализована в среде GUIDE пакета МатЛаб в векторной форме. На рис. 3 представлен пример интерфейса разработанной модели. Интерфейс модели позволяет: выбирать спектр исходного излучения, характеристики преграды и расположенного за ним объекта (геометрические параметры, плотность и эффективный атомный номер), число моделируемых квантов; получать распределения координат выхода квантов (с двух сторон преграды), квантов, рассеянных объектом, распределения координат квантов, попавших в коллиматор детектора и в плоскость регистрации сцинтиллятора, энергетический спектр квантов, взаимодействующих с объектом; представлять промежуточные результаты моделирования (распределения углов рассеяния), координат взаимодействия квантов с преградой и объектом. Полученные результаты моделирования процесса взаимодействия квантов с преградой (распределение длин свободного пробега, частот фотопоглощения и рассеяния, углов комптоновского рассеяния, углов азимутального рассеяния, распределение энергий после взаимодействия) соответствуют теоретическим представлениям, что позволяет считать разработанную модель адекватной реальному процессу распространения и регистрации квантов сканером. Графики промежуточных характеристик траекторий взаимодействия квантов Смоделированный спектр исходного излучения Заданные спектры исходного излучения Координаты взаимодействия квантов в преграде Координаты предыдущего рассеяния в преграде Координаты ввода исходного излучения т—і Координаты квантов обратно рассеянных преградой Рисунок 3. Интерфейс модели. В разделе «Особенности моделирования детектирующей части сканера» показан алгоритм регистрации обратно рассеянных квантов от преграды и объекта с учетом конструктивных решений детектирующей части сканера. В процессе моделирования в части регистрации обратно рассеянных квантов детектором выявлены следующие закономерности: если вектор квантов, рассеянных от преграды направлен от источника, то вектор рассеянных от объекта квантов к источнику (рис.4); пересекающиеся вектора квантов, рассеянных от объекта в плоскости коллиматора смещены к источнику излучения, при попадании в плоскость регистрации детектора асимметричность сглаживается, в то время как вектор квантов, рассеянных преградой смещен и направлен на удаленный от источника излучения край детектора (рис.5). г і * ***^ * * V _ _*_ ^ _*_ * X sq Y sq 0.5 -0.5 -1.5
X с in, у сіп
a) 6) Рисунок 4. Распределение координат вылета квантов, рассеянных объектом, попавших в плоскость коллиматора - (а) и в плоскость регистрации детектора (в проекции на плоскость преграды) - (б). Рисунок 5. Распределение координат квантов, рассеянных от преграды, пересекших плоскость регистрации детектора (в проекции на плоскость преграды). Третья глава посвящена теоретическим исследованиям процессов взаимодействия рентгеновского излучения с различными объектами, теоретическим вычислениям переходных функций на основе разработанной модели. Для повышения эффективности проведения исследования процесс расчетов был разбит на две части: получение характеристик поля излучения над и за преградой. Данные характеристики позволят получить долю регистрируемого детектором излучения, рассеянного преградой, а также характеристики поля излучения объекта поиска; получение характеристик поля излучения над преградой, обусловленного рассеянным объектом излучением. Получение характеристик излучения, рассеянного объектом для различных преград позволяет решать задачу исследования сканера без исследования взаимодействия исходного излучения с преградой. Это существенно снижает время расчетов, а главное -сокращает на порядок число исследуемых историй взаимодействия квантов. В разделе «Исследование взаимодействия с преградами большой толщины» приведены результаты моделирования взаимодействия излучения с преградами толщиной более 50 см. Так при взаимодействии 1 000 000 квантов с преградой из дерева и алюминия и вводе излучения с углом раскрытия пучка 50 - назад возвращается 422 980 и 89 559 квантов соответственно, при этом доля рассеянных квантов вернувшихся назад после первого акта взаимодействия составляет 77% для дерева и 93% для алюминия. Учитывая статистический разброс и необходимость работать на минимально возможном уровне регистрации рассеянных квантов, показано что после осуществления шести актов взаимодействия в дереве и двух актов взаимодействия в алюминии количество квантов, рассеянных в последующих актах взаимодействия и зарегистрированных детектором, будет укладываться в статистический разброс. Иными словами, дальнейшее увеличение толщины преграды не позволит обнаруживать какой - либо объект за преградой. В разделе «Исследование взаимодействия с тонкими преградами» приведены исследования по оценке доли квантов, регистрируемых детектором по отношению к исходным квантам, показаны диаграммы статистики выхода обратно рассеянных квантов в зависимости от расстояния от оси ввода излучения для различных толщин и материалов преграды. SUM Я ЯкІО" K«t»vt SUM R photon <юл«л«ч1 Яол"сііЗ | D.on І і Рисунок 6. D = 1 CM Re.O/СтЗ | uu D. cm | ~ D = 4cm SUM R photon pottered
JLT1 R гЧиїїгі 9Cdt3«l
SUM К photon «глиегео
"0 J 4 І « Z [~П Ro.gfcmS fT» D, cm | o* С і J S E: 1'] 0 1 2 3 4 Z J 13 4t и^ігб Г"7: D err I ! / [-,5 Rn.g/cmi | 2.r D, cm ( 5 6) D = 0,5 см SUM R photon scattered
D = 1 см D = 2 см
SUM R phnlim ecattwed Ції |M Z \~x Ро.^сгпЗ [ t*> D,cm І «ї Z I » Ro.gfcm3 |~~7« D. cm в)
D = 0,1cm D = 0,2cm Рисунок 6 (продолжение). Распределения радиусов вылета обратно рассеянных квантов от толщины преграды (D): а) - из дерева, б) - алюминия, в) - железа. Как видно из рисунка 6, увеличение числа квантов, обратно рассеянных от преграды происходит как при увеличения толщины преграды, так и при уменьшении атомного номера материала преграды. Вместе с увеличением толщины преграды происходит и увеличение среднего радиуса вылета обратно рассеянных квантов. Раздел «Исследование поля излучения, рассеянного объектом, расположенным за преградой» посвящен исследованиям по определению радиуса вылета трансмиссионных и многократно рассеянных квантов из преграды в сторону объекта. Исследования показали, что ширина гистограмм радиуса вылета квантов, включая те, которые претерпели многоактное рассеяние, практически определяется коллиматором источника излучения и толщиной преграды и не зависит от ее материала. При этом доля многократно рассеянных квантов, прошедших преграду, возрастает по отношению к трансмиссионным квантам с увеличением толщины преграды и уменьшением плотности материала. Определено, что объект поиска следует рассматривать как протяженный источник рассеянного излучения с известными распределениями координат, энергий и углов. В разделе «Поле излучения рассеянных объектом и вылетевших из преграды квантов» приводятся исследования по выявлению радиуса вылета квантов, рассеянных от объекта поиска и прошедших преграду. Из-за низкой доли рассеянных объектом квантов, прошедших через преграду и зарегистрированных детектором, получение статистически устойчивых результатов регистрации проблематично. В этой связи, число квантов, рассеянных объектом и вошедших в преграду, определялось исходя из расчета доли однократно рассеянных квантов. Распределения координат, энергий и углов протяженного источника (объекта за преградой) определяются помимо распределения характеристик квантов, вошедших в объект, характеристиками самого объекта, его эффективным атомным номером, толщиной и плотностью. Доля квантов, рассеянных в объекте - ks определялась как
М <^Z ,Д)рД -^ А^с С^ ? -t^J
(6)
На рис. 7 представлены распределения координат вылета квантов из преграды в сторону детектора и распределение их радиуса для различных объектов. При D, cm І Г I и 1г.I m II,-
« И»тІ a) *.yl I. , ,.' mi I К ACtttil in № 6) Рисунок 7. Поля рассеяния и распределения радиуса вылета квантов из преграды, -і -і рассеянных объектом: а) - преграда: Z=13, р= 2,7 г/см , D=l см, объект: Z=6, р= 1 г/см ', -і -і D=l см; б) - преграда: Z=13, р= 2,7 г/см , D=l см, объект: Z=6, р= 1 г/см ', D=2 см. моделировании было принято, что число квантов, рассеянных объектом, постоянно и равно 10 тыс. Смещение максимума радиуса вылета квантов можно объяснить доминирующим направлением вектора рассеяния в сторону от центра ввода. В разделе «Моделирование сканера в движении. Переходные и апертурные функции» приводятся теоретические исследования реакции сканера на изменения структуры досматриваемого объекта, определяются переходные и апертурные функции. В силу низкой статистики рассеяния квантов тонким объектом, как экспериментально, так и на модели получить реакцию сканера на дельта-функцию весьма сложно. В этой связи апертурная функция рассчитывалась путем дифференцирования реакции сканера на ступенчатое возмущение. Сканер имеет 2 апертурные функции: при движении вперед и вбок. На рисунке 8. представлены примеры фрагментов интерфейса модели, на которых представлены распределения: вошедших в преграду квантов - (No); рассеянных объектом - (Nscat) и вошедших в преграду (левый рисунок); распределения квантов прошедших преграду и попавших в плоскость коллиматора детектора - (Nsq) (средний); квантов, попавших в сцинтиллятор - (Nsc) (правый). X - расстояние границы ступенчатого объекта от оси ввода исходного излучения.
м
а)
Nscat=878
Nsq= 22
Nd=5
U б) Nscat=45 737 Nsq= 284 Nd=97 Рисунок 8. Реакция сканера на ступенчатое возмущение при X: а) 1,5 см; б) 1,0 см; |
| I о; > . - ./»?'. '.'.' "'.' ' 1.-. | '.- *v " * |
Nsq=512
Nd=149
в)
Nscat=174 991
"
1 IS
j "1 J 4 (
0 I
t
Nd=237
Nsq= 840
r)
Nscat=499 654
-os і
д) Nscat=l 000 000
Nsq= 930
Nd=237
Рисунок 8 (продолжение). Реакция сканера на ступенчатое возмущение при X: в) 0,5 см; г) 0 см; д)- 2см.
Многократное моделирование позволило получить усредненные переходные и апертурные функции, представленные на рис. 9 при движении сканера вперед и вбок.
Переходам функция
Аііерї>рііьіеф\!ікціін
--Движение вперед "Движение вбок
--Двкжснис вперед -*- Движение вб
б)
Рисунок 9. Переходные - (а) и апертурные - (б) функции сканера.
В разделе «Оценочный расчет реакции сканера» приводятся теоретические исследования реакции сканера на объекты сложной трехкомпонентной структуры, с изменяемой геометрией и характеристиками материалов, реализованные на основе полученных апертурных функций.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям при создании рентгеновского сканера, рентгеновских аппаратов методик и областей их применения. Обоснованию и выбору метрологического обеспечения. Результатам внедрения.
В разделе «Разработка рентгеновского аппарата» приводится анализ существующей высоковольтной элементной базы, рассмотрены аспекты проектирования структурной схемы и составных частей (схема питания накала, преобразователь высокого напряжения, цепь обратной связи, система управления и т.д.) рентгеновского аппарата с выходным напряжением до 50 кВ, предназначенного для использования в составе сканера по критериям: надежность, эффективность, стабильность (выходное напряжение, анодный ток), минимизация массо - габаритных характеристик.
В результате исследований совместно с ЗАО «Светлана-Рентген» была доработана рентгеновская трубка 0,012БХ9 с целью повышения ресурса эксплуатации более чем в 10 раз, полностью удовлетворяющая требованиям применения в составе сканера за счет использования следующих технических решений и технологий: уменьшения провисания накальной спирали и одновременного снижения тока накала, нанесения слабопроводящего покрытия из окиси хрома на внутреннюю поверхность колбы, корректировки конструкции катодного узла, введения дополнительных операций входного и промежуточного контроля. Показано, что для обеспечения требуемой стабильности потока излучения рентгеновской трубки минимально возможный ток анода должен быть не менее 25 мкА. Согласно теоретическим исследованиям, проведенным в 3 главе, для работы в составе сканера требуется анодный ток в несколько сотен нА. Необходимое снижение квантового выхода излучения рентгеновского аппарата в дальнейшем, было обеспечено установкой фильтров из алюминия и меди, что в свою очередь позволило отфильтровать низкоэнергетическую составляющую исходного спектра излучения.
Требование стабильности положения фокусного пятна определило осевую цилиндрическую компоновку рентгеновского аппарата. Проведенные исследования по выбору элементной базы для высоковольтного преобразователя показали, что оптимальным вторичным напряжением мостового преобразователя является 5 кВ, а частота преобразования - 40 кГц. Этот режим обеспечивает минимальные тепловые потери, а
резонансный характер преобразования сужает спектр и уровень помех. КПД высоковольтного преобразователя при мощности в нагрузке до 15 Вт доходил до 86 %.
В качестве изоляционной среды в рентгеновском аппарате после экспериментальных исследований, проведенных на различных типах твердых и жидких диэлектриков, было выбрано масло типа ТКП, применяемое совместно с лавсано-бумажной изоляцией, что обеспечило режим продолжительной непрерывной работы аппарата, за счет снижения внутренних тепловых градиентов при сохранении изоляционных свойств в условиях повышенных температур.
В табл. 2 приведены технические характеристики разработанного аппарата «Модуль-50», а на рисунке 10 - его внешний вид. Следует отметить, что данный аппарат имеет низкие объемные - 0,6 дм и массовые - 1,2 кг характеристики.
Рисунок 10. Внешний вид рентгеновского аппарата «Модуль-50»
Таблица 2. Основные характеристики рентгеновского аппарата «Модуль-50»
Раздел «Разработка детектора рентгеновского сканера» посвящен экспериментальным исследованиям регистрирующей части сканера, поиску технических решений и конструкции. Разработан детектор, состоящий из сцинтиллятора типа CsI(Ti) с размерами чувствительной зоны 020x10 мм, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) R5611A-01 фирмы Hamamatsu (Япония), работающий в счетном режиме в диапазоне (10 + 9990) имп /сек. Детектор имеет две особенности: фильтр, исключающий регистрацию квантов с энергией выше 80 кэВ, что исключает регистрацию высокоэнергетических квантов космического и гамма-излучения; непрерывную стабилизацию параметров тракта счета квантов за счет цепи светодиодной стабилизации.
В разделе «Экспериментальные исследования по созданию ручного сканирующего устройства» приводятся результаты исследования по оптимизации технических и конструктивных параметров.
В рентгеновском сканере реализовано два режима регулировки интенсивности исходного излучения с одновременным изменением угла ввода излучения. Теоретические исследования (гл.З) показали, что преграды из материалов с атомным номером Z=26, Z=13 и Z=6 принципиально отличаются. С одной стороны, радиус вылета обратно рассеянных квантов на предельных толщинах преграды для дерева составляет более 10 см, у алюминия более 3 см, тогда как у стали не более 1 см при угле ввода исходного излучения 50. С другой стороны, доля рассеянных квантов от преграды из стали составляет не более 0,015, для алюминия - 0,16, дерева - 0,88, т.е. построение механической отстройки от обратно рассеянных квантов формируемых преградой из алюминия ближе к преграде из дерева, чем стали.
Угол ввода пучка исходного излучения для материалов с эффективным Z<17 (резина, пластик, дерево, алюминий) определен в 30 на основе оценки средней глубины залегания 3-15 см объекта поиска типа наркотического порошка размером 1 см за типовыми преградами и предельной скоростью сканирования - 10 см/с. Соответственно расстояние от края ввода излучения в преграду до края коллиматора детектора составило 22 мм. Угол ввода исходного излучения для материалов с эффективным Z >22 составил 50, в этом режиме применяется только один фильтр. При угле раскрытия в 30 применяется дополнительный фильтр с целью ограничения квантового выхода исходного излучения аппарата «Модуль-50» при досмотре и контроле материалов с высокой рассевающей способностью. Настройка верхнего предела чувствительности сканера осуществлялась при угле ввода в 30 на тест объекте - жидкости в 10 л пластиковой канистре, за счет подбора толщины дополнительного фильтра таким образом, чтобы в статическом режиме показания детектора соответствовали показаниям в пределах 950 -
999. Применение двух режимов регулировки интенсивности исходного излучения значительно расширило эксплуатационные характеристики сканера, а именно: повысило чувствительность при досмотре объектов, содержащих преграду из материалов с Z >22, например, сталь, так как количество исходных квантов, падающих на объект досмотра, отличается в двух режимах более чем в 80 раз. На рисунке 11 приведен внешний вид сканера и его практическое применение. Следует отметить, что разработанный малогабаритный ручной сканер «Ватсон» не имеет аналогов в России, и за рубежом. Зарубежные приборы используют в качестве источников излучения гамма-изотопы.
Рисунок 11. Внешний вид рентгеновского сканера.
В разделе «Исследования рентгеновского сканера на типовых объектах. Методики применения» приводятся экспериментальные результаты по определению переходной функции, исследуется чувствительность метода регистрации обратно рассеянных квантов применительно к сканеру «Ватсон» на типовых объектах, выявляются предельные толщины преград, за которыми данный метод становится неэффективным. Представлены методики применения.
Экспериментально полученная переходная функция с высокой достоверностью совпадает с переходной функцией, теоретически рассчитанной на основе предложенной модели (гл.2).
Выявлены предельные толщины преград, за которыми метод регистрации обратно рассеянного излучения эффективен в рамках выполненной работы:
1. Для обнаружения вложения объемом 1 см , массой 0,5-2 гр предельная толщина
преграды составляет: из стали - 1,0 мм, дерева - 40 мм, алюминия - 10 мм, резины - 20 мм;
2. Для обнаружения вложения объемом 1 л, массой 0,5-2 кг предельная толщина
преграды составляет: из стали - 1,5 мм, дерева - 50 мм, алюминия - 12 мм, резины - 30 мм.
Количественная и качественная оценка квантов, регистрируемых детектирующим устройством сканера «Ватсон» на различных объектах досмотра показала качественное совпадение результатов в сравнении с рассчитанным значениями на основе разработанной модели и 20-60 % количественное совпадение. При этом разброс в значениях экспериментальных и теоретических исследований увеличивался при уменьшении толщины преграды.
В разделе «Метрологическое обеспечение. Сертификационные испытания сканера «Ватсон» и рентгеновского аппарата «Модуль-50» приводятся методики и результаты испытаний, проведенных в системе сертификации ГОСТ Р, на соответствие техники, разработанной в рамках данной работы, санитарным (радиационная безопасность, электро-магнитная совместимость) правилам и нормативам.
В разделе «Результаты внедрения. Практическое развитие исследований» приводятся данные по объему серийного производства, областям применения разработанных в рамках данной работы ручного рентгеновского сканера скрытых полостей «Ватсон», рентгеновских аппаратов постоянного потенциала «Модуль - 50» и аппаратов серии «ХС».
Сканер «Ватсон» широко используется для поиска оружия, наркотических и психотропных веществ, контрабандных вложений в транспортных средствах, поиска устройств съема информации в стенах помещений и мебели.
Технология одностороннего доступа к контролируемому объекту обеспечивает существенное уменьшение (в десятки раз) временных затрат, и в ряде случаев является безальтернативной. На рисунке 12 представлен типичный пример применения сканера в условиях таможенного пропускного пункта, в таблице 3 приведен объем поставок сканера «Ватсон» в различные министерства и ведомства России за период с 2002 г. по май 2012 г.
а) б)
Рисунок 12. Работа со сканером в условиях таможенного пропускного пункта - (а); обнаруженный тайник с наркотическим веществом в запасном колесе автофургона - (б).
Таблица 3. Объем поставок ручного рентгеновского сканера «Ватсон»
Опыт и знания, приобретенные в процессе разработки рентгеновского аппарата «Модуль-50» для работы в составе ручного сканирующего устройства, а также завершение работ по совершенствованию существующих типов рентгеновских трубок и разработке новых, выполненных совместно со специалистами ОАО «Светлана-Рентген», инициировали процесс разработки серии рентгеновских аппаратов постоянного потенциала, предлагаемых для различных применений.
Серия разработанных аппаратов «ХС» состоит из четырех моделей. Основные технические параметры приведены в таблице 4. Внешний вид аппаратов серии «ХС» представлен на рисунке 13.
Таблица 4. Основные параметры рентгеновских аппаратов серии «ХС»
без защиты от неиспользуемого излучения
а) рентгеновский аппарат «XC-15» б) рентгеновский аппарат «ХС-70»
в) рентгеновский аппарат «ХС-100» г) рентгеновский аппарат «ХС-100А»
Рисунок 13. Рентгеновские аппараты серии «ХС»
Разработанная серия рентгеновских аппаратов постоянного потенциала «ХС» и «Модуль-50» нашла применение при создании приборов рентгенофлуоресцентного анализа, толщиномеров покрытий, для научных исследований, оборудования сортировки и обогащения руд, экологического мониторинга, в составе приборов досмотра и поиска, неразрушающего контроля.
Рентгеновский аппарат «Модуль-50» применяется в составе пяти моделей рентгенофлуоресцентных анализаторов (РФА): «Призма»; «Призма - М»; «Эко - Приз»; «АДК Призма»; «Призма - М (Au)» , выпускаемых ЗАО «ЮжполиметаллХолдинг».
В составе рентгенофлуоресцентных приборов, выпускаемых ОАО «НИИ технической физики и автоматизации» (НИИТФА) для формирования первичного потока излучения используются рентгеновские аппараты «ХС-15», «ХС-50», «ХС-70» и «Модуль-50». Выпускается четыре модели приборов «РЛП - 3», «РЛП - 3 - 01», «РЛП - 3 - 02» и «РЛП-3 -03».
000 «Радос» (г.Красноярск) производит оборудование рентгенорадиометрической сепарации руд и сырья. Выпускается семь моделей сепараторов серии СРФ и установка для крупнопорционной сортировки в условиях поточного бесконтактного анализа сырья на транспортном носителе - РКС-А(К). В состав рентгенорадиометрического блока указанных выше установок входят рентгеновские аппараты «Модуль-50».
На базе аппаратов «ХС-100А», «Модуль-50» в 000 «Флэш электронике» созданы комплексы «Колибри-50ЦФ» и «Игла-100», «Рубеж-ПЧ», «Феникс», применяемые для контроля производственных процессов, решения специальных и досмотровых задач. На рис. 14 представлен портативный комплекс «Колибри-50ЦФ» и результаты контроля.
а) б)
Рисунок 14. Портативный комплекс «Колибри - 50ЦФ» - (а), негативное рентгеновское изображение старинной иконы, полученное на комплексе - (б).
Дальнейшее развитие в области разработки ручных рентгеновских сканирующих устройств связано с повышением энергии первичного пучка до уровня ~ 70 кэВ, что позволит увеличить значение предельной толщины преграды контролируемого объекта, в частности, обеспечит возможность обследования силовых конструкций автотранспорта и элементов морских контейнеров. В настоящий момент завершаются заводские испытания сканера «Ватсон-70». Появление новых компонентов и результаты в области проектирования рентгеновских генераторов, полученные в последнее время, позволяют надеяться на дальнейшее снижение веса, габаритов, эргономики прибора с одновременным улучшением метрологических и потребительских характеристик.
За время выполнения работы было выпущено более 1350 рентгеновских комплексов (приборов) различного применения на основе рентгеновских аппаратов «Модуль-50» и аппаратов серии «ХС».
1. На основе анализа антитеррористического оборудования, используемого в
развитых странах мира и России, показано, что эффективным, а зачастую и единственным
решением задач оперативного контроля и досмотра при одностороннем доступе к объекту
досмотра в труднодоступных местах является использование портативного рентгеновского
сканера, основанного на регистрации обратно рассеянного излучения.
2. Теоретически исследованы и экспериментально подтверждены границы
применения метода регистрации обратно рассеянных квантов в диапазоне энергий от 10 до
50 кэВ с различными объектами. Показано, что на низких энергиях при расчете рассеянных
квантов следует учитывать не только комптоновское рассеяние, но и характеристическое
излучение.
3. Разработана двухуровневая математическая модель взаимодействия
рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ним скрытым объектом,
позволяющая на первом этапе исследовать процесс взаимодействия исходного излучения с
преградой и скрытом объектом, а на втором - процесс взаимодействия квантов, обратно
рассеянных от скрытого объекта с преградой, с последующей их регистрацией. Получены
зависимости: радиуса вылета обратно рассеянных квантов их энергий, вектора
распространения квантов рассеянных, как в преграде, так и в скрытом объекте для
объектов различного сочетания эффективных атомных номеров.
4. На основе теоретических исследований, разработанной математической модели
взаимодействия рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ним скрытым
объектом, впервые предложен алгоритм построения ручного рентгеновского сканера,
основанный на отстройке от регистрации квантов, рассеянных преградой. Теоретически
установлена, экспериментально подтверждена возможность создания сканера с
максимальным напряжением на рентгеновской трубке до 50 кВ с широким динамическим
диапазоном.
5. Результаты проведенных экспериментальных исследований рентгеновского
сканера подтвердили соответствие теоретических положений результатам
экспериментальных исследований, правильность принятой математической модели и
принятых предпосылок, в том числе соответствие вида и характеристик переходных
функций рентгеновского сканера. Выявлены предельные толщины преград, за которыми
метод регистрации обратно рассеянного излучения эффективен:
для обнаружения вложения объемом 1 см , массой 0,5-2 гр предельная толщина преграды составляет: из стали -1,0 мм, дерева - 40 мм, алюминия - 10 мм, резины - 20 мм при скорости сканирования 1 см/с;
для обнаружения вложения объемом 1 л, массой 0,5-2,0 кг предельная толщина преграды составляет: из стали -1,5 мм, дерева -50 мм, алюминия - 12 мм, резины - 30 мм при скорости сканирования 10 см/с.
6. Разработан, выдержал полномасштабные испытания и запущен в серийное
производство ручной рентгеновский сканер «Ватсон», обеспечивающий возможность
поиска оружия, наркотических веществ, контрабандных вложений в транспортных
средствах, устройствах съема информации с высокой скоростью досмотра, в том числе в
труднодоступных местах. Рентгеновский сканер обеспечивает полную радиационную
безопасность персонала и окружающих лиц и не имеет аналогов. К настоящему времени в
структурные подразделения МВД РФ,; ФТС РФ, ФСБ РФ, ФСО РФ поставлено и находится
в эксплуатации 565 рентгеновских сканеров «Ватсон».
7. Внедрение рентгеновского сканера «Ватсон» на таможенных пунктах, пунктах
пропуска через государственную границу и транспортных узлах позволило увеличить в 3-4
раза пропускную способность, в том числе в условиях необорудованных пунктов, путем
сокращения времени досмотра автотранспорта и багажа до 10 раз, повысить эффективность
обнаружения наркотических и взрывчатых веществ.
8. Прошла испытания и сертифицирована серия малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала, позволившая создать новое поколение рентгеновских средств контроля для решения актуальных задач поиска и досмотра. Организовано серийное производство малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала (аппарат «Модуль-50» и аппараты серии «ХС» - «ХС-50», «ХС-15», «ХС-70», «ХС-100»), нашедшие применение в различных комплексах (приборах) - более 1350 изделий:
- ренгенофлуоресцентные анализаторы для обеспечения количественного анализа материалов и веществ, в том числе - сплавов драгоценных металлов при обращении, производстве и контроле драгоценных металлов, в соответствии требованиями Российской Государственной Пробирной Палаты;
радиометрические системы сепарации руд и техногенного сырья на месте добычи, позволяющие исключить дорогостоящую транспортировку пустой породы к предприятиям переработки;
тощиномеры покрытий, научно-исследовательские системы;
досмотровые портативные и стационарные комплексы.
Основные положения диссертации опубликованы в работах
В рецензируемых журналах из списка ВАК
-
Е.О. Блохин, Е.В. Федоровский «Особенности построения преобразователей напряжения для мобильной рентгеновской техники» Журнал «Медицинская техника», № 5 (269), 2011 г.,39-42 стр.
-
Федоровский Е.В. «Малогабаритные рентгеновские аппараты постоянного потенциала для рентгенофлуоресцентного анализа» Журнал «Справочник. Инженерный журнал» №2 (179), 2012 г., стр., 30-34.
-
Е.В. Федоровский «Модель сканера на обратнорассеянном рентгеновском излучении на основе метода Монте-Карло». Журнал «Естественные и технические науки» №2, 2012 г., стр. 290-301.
4. А.А. Буклей, И.А. Паршин, Е.В. Федоровский, В.И. Кирин «Использование
рентгеновских комплексов на основе регистрации трансмиссионного излучения для
выявления средств, реализующих технические каналы утечки информации». Журнал
«Вопросы защиты информации» № 3(98), 2012 г., стр. 17-21.
5. М А.А. Буклей, И.А. Паршин, Е.В. Федоровский, В.И. Кирин «Использование
рентгеновских комплексов на основе регистрации обратнорассеянного излучения для
противодействия терроризму». Журнал «Вопросы защиты информации» № 4(99), 2012 г.,
(в печати)
6. Артемьев Б.В.,Буклей А.А., Блохин Е.О., Паршин И.А., Федоровский Е.В., Шурушкин
А.В. «Рентгеновские комплексы на основе регистрации трансмиссионного и обратно
рассеянного излучений». Журнал «Контроль. Диагностика» №12, 2012 г., стр. 4-7.
В трудах Международных и Всероссийских конференций,
зачитываемых ВАК при защите диссертаций
(Постановление Правительства РФ №475 от 20 июня 2011 г., п. 10)
7. П.В. Лебедев, Е.В. Федоровский (ООО «Флэш электронике») «Рентгеновский генератор
для определения элементного состава вещества рентгенофлуоресцентным методом».
Тезисы докладов 3-ей Международной конференции «ДИАГНОСТИКА ТРУДОПРО-
ВОДОВ», 21-26 мая 2001 г., Москва, 428 стр., 144 стр.
8. Федоровский Е.В. (ООО «Флэш электронике») «Серия малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала». Тезисы докладов 6-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 15-17 мая 2007 г., Москва, Машиностроение - 1, 2007 г., 224 стр., 211 стр.
9. Лебедев П.В., Федоровский Е.В. (ООО «Флэш электронике») «Особенности
проектирования рентгеновских генераторов, применяемых в радиометрическом
оборудовании при сортировке руд и техногенного сырья». Тезисы докладов 7-й
Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в
промышленности», 11-13 марта 2008 г., Москва, Машиностроение, 2008 г., 208 стр., 128
стр.
10. Федоровский Е.В. «Приборы оперативного контроля и досмотра на основе
рентгеновских аппаратов постоянного потенциала». Сборник научных трудов по
материалам XIV Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и
прикладные проблемы приборостроения и информатики», Москва, МГУПИ, 2011 г., 274
стр., 227-233 стр.
11. Alexander A. Bukley, Е.О. Blokhin, Пуа A. Parshin, E.V. Fedorovsky. "New X-ray
complexes based on transmission and back scattered radiation". 18l World Conference on
Nondestructive Testing, 16-20 April 2012, Durban, South Africa, www/ndt.net
В других изданиях
12. Е.В. Громов, И.С. Косырев, Е.В. Федоровский «Микропроцессорная система управления высоковольтным импульсным генератором». Сборник научных трудов МИФИ под редакцией Б.Ю. Богдановича, В.П. Козлова «Линейные ускорители заряженных частиц для радиационных исследований», Москва, Энергоатомиздат 1991 г., 124 стр., 100-106 стр.
Портативные рентгеновские комплексы для оперативного досмотра и поиска
Остановимся более подробно на оборудовании для работы в нестационарных условиях. Для такого оборудования существует довольно широкий круг задач: - проведение оперативных мероприятий; - досмотр салонов авиа, железнодорожного, автотранспорта; - идентификация содержимого забытых вещей; - поиск скрытых объектов (вложений) в элементах мебели, зданий, оргтехники; - мероприятия по обезвреживанию взрывных устройств; - выявление несанкционированно внедренных средств съема информации. Оборудование данного класса, как правило, реализует трансмиссионный метод регистрации прошедшего через объект контроля излучения (переносные рентгенотелевизионные или цифровые комплексы). К особенностям можно отнести: автономность работы; широкий диапазон климатических условий эксплуатации; малые габариты и масса; возможность получения результатов контроля на безопасном (25-100) м удалении от объекта; быстрое развертывание. Однако применение для досмотра и контроля исключительно рентгенотелевизионных или цифровых систем зачастую не позволяет обеспечить необходимую производительность, так как зона контроля переносных комплексов ограничена размером преобразователя (как правило -не более 30см х 40см) /32/. А также, несмотря на небольшое время получения изображения (порядка нескольких секунд) для обследования многих объектов транспорта, помещений и т. д., требуются многократные перестановки оборудования. Например, только процедура досмотра содержимого одного колеса транспортного средства потребует получения 3-х - 4-х проекций съемки, его перемещения и займет около 3-х минут. Кроме того, рентгенотелевизионные комплексы работают на принципе регистрации трансмиссионного излучения, требуют установки аппарата и преобразователя по разные стороны от объекта и не позволяют производить обследование объектов, к которым возможен лишь односторонний доступ.
Применение ручных сканирующих систем, использующих принцип регистрации обратно рассеянного излучения, позволяет избежать перечисленных недостатков. Устройство (рис. 1.1) состоит из источника излучения, пучок которого направлен в сторону полости досматриваемого объекта, и детектора, регистрирующего обратно рассеянную компоненту излучения. Одностороннее расположение детектора и источника излучения позволяет скомпоновать прибор в единую конструкцию. При сканировании (перемещении вдоль объекта) - детектор регистрирует часть обратно рассеянного излучения от преграды (например, обшивки автомобиля), направленную в сторону детектора. При появлении в зоне пучка излучения какого либо предмета поиска (вложения), к компоненте обратно рассеянного излучения от преграды добавится компонента обратно рассеянного излучения от вложения, то есть уровень сигнала (число обратно рассеянных квантов), регистрируемого детектором будет меняться в зависимости от размера, глубины залегания вложения, зоны облучения первичным пучком, его рассеивающей способности и плотности.
Такой прибор не позволяет получать изображения предмета поиска, поскольку не предусматривает формирования узкого пучка, его развертки, построения изображения, так как система развертки, формирования пучка и система детектирования имели бы неприемлемые для ручного прибора габариты и массу. Сканирование осуществляется пучком шириной от (5- 8) мм до нескольких сантиметров, что обеспечивает высокую производительность досмотра, однако разрешающая способность при этом составляет величину порядка ширины пучка источника излучения.
Скорость сканирования определяется интервалом подсчета числа квантов обратно рассеянного излучения, которая в свою очередь зависит от чувствительности и динамического диапазона детектора, энергии, интенсивности и геометрии пучка первичного излучения. При этом, поскольку речь идет о ручном приборе, исходя из требований безопасности и ограничений по допустимой лучевой нагрузке на оператора - выбор параметров исходного пучка лимитирован, а дополнительные экраны и системы защиты ограничены по массе и габаритам. На практике скорость сканирования может достигать десятков сантиметров в секунду, что по сравнению с использованием трансмиссионного метода позволяет повысить производительность контроля более чем на порядок. Например, время проверки автомобильного колеса, при соответствующем навыке работы с прибором, может составить (10 - 20) секунд.
Существует весьма значительная группа задач оперативного досмотра и поиска, решение которых основано на применении сканеров на изотопных источниках, позволяющих обнаруживать за оптически непрозрачными преградами скрытые объекты.
В настоящий момент на рынке широко представлены сканеры, использующие источник гамма излучения на основе изотопа Ва /33/. Основное достоинство таких сканеров - малые габариты и масса источника, порядка нескольких десятков грамм, отсутствие энергопотребления для процесса генерации излучения, и как следствие - легкий и малогабаритный ручной прибор. Так, детектор контрабанды «Buster» - модель К910В (рис. 1. 2) компании Campbell Security Equipment Company, стоящий на вооружении таможенной службы и береговой охраны США, применяемый для поиска наркотиков, взрывчатых веществ, оружия и тайников, имеет габариты 140x64x64 мм и массу 1,1 кг.
Физические основы модели
Важнейшими составляющими деятельности, направленной на противодействие терроризму, является создание и широкомасштабное использование высокоэффективного антитеррористического оборудования. Затраты на закупку такого оборудования в экономически развитых странах растут ежегодно на десятки и сотни процентов. Это способствует постоянному совершенствованию оборудования в соответствии с развитием науки и техники, регулярному появлению новых технических средств.
В порядке приоритета при решении поисковых, досмотровых и специальных задач на первое место следует поставить оборудование, реализующее методы радиационной интроскопии ввиду их информативности, возможности быстрого получения результата обследования с высокой достоверностью. Эти методы позволяют эффективно решать не только антитеррористические задачи, но и целый ряд других задач оперативного контроля и досмотра: противодействие незаконному распространению наркотических и психотропных веществ, защита информационных каналов, обеспечение безопасности объектов государственной охраны, предотвращение незаконного вывоза из страны предметов, представляющих историческую, культурную и художественную ценность. Объектами досмотра могут быть контейнеры, автотранспорт, грузы, сумки, сувениры, стены, перекрытия, оргтехника, а предметами поиска - оружие, взрывные устройства, взрывчатые и наркотические вещества, предметы контрабанды, устройства съема информации и т.д.
Вместе с тем, несмотря на ряд фундаментальных работ в данной области, оперативный досмотр при одностороннем доступе конструктивно сложных объектов до настоящего времени остается одной из острых проблем для силовых подразделений, противодействующих терроризму. В связи с этим, разработка портативного рентгеновского сканера для проведения оперативного досмотра и поиска является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное государственное значение. Государственная значимость решаемой проблемы подтверждена "Стратегией национальной безопасности Российской Федерации до 2010 года", утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 12 мая 2009 года № 527, Указом Президента Российской Федерации от 15 февраля 2006 года № 116 "О мерах противодействия терроризму", Федеральным законом "О борьбе с терроризмом" от 25 июля 1998года. Целью диссертационной работы является создание рентгеновского сканера, предназначенного для антитеррористических подразделений правоохранительных органов, на основе развития метода регистрации обратно рассеянного излучения, разработки комплекса малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала. Достижение поставленной в диссертационной работе цели обеспечивается решением следующих задач: - проведение системного анализа состояния методов и средств, используемых для оперативного контроля и досмотра авто(авиа)транспорта, грузов, сумок, сувениров, капитальных строений и перекрытий и выявление приоритетных путей их развития, определение тактико-технических требований к сканеру; - разработка математической модели взаимодействия рентгеновского излучения с преградами и предметами (вложениями), скрытыми за ними, проведение теоретических исследований взаимодействия излучения с объектами досмотра методом многократного моделирования; - разработка алгоритма конструирования малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала и их создание, проведение экспериментальных исследований; - создание рентгеновского сканера, проведение сертификации, освоение серийного выпуска, оснащение разработанной техникой антитеррористических подразделений правоохранительных органов. Методы исследований, достоверность результатов Теоретические исследования проводились с использованием методов математического анализа, математической статистики (Монте-Карло), теории вероятностей. Математическое моделирование реализовано в среде GUIDE пакета МатЛаб в векторной форме. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированных, метрологически поверенных средствах измерений, с применением стандартных методик.
Исследование взаимодействия с тонкими преградами
Для решения поисковых, досмотровых и специальных задач одним из основных является метод радиационной интроскопии, ввиду его информативности и возможности быстрого получения результата обследования с высокой достоверностью. Спрос на данный тип оборудования, использующего методы радиационной интроскопии растет постоянно, а затраты на его разработку и закупку в экономически развитых странах ежегодно увеличиваются. Это способствует непрерывному совершенствованию уже существующего оборудования и регулярному появлению новых технических средств. Использование средств и систем на основе метода радиационной интроскопии позволяет решать задачи оперативного досмотра и поиска при проведении антитеррористических мероприятий, противодействия незаконному распространению наркотических и психотропных веществ, защиты информационных каналов, обеспечения безопасности объектов государственной охраны и предотвращения незаконного вывоза из страны предметов, представляющих историческую, культурную и художественную ценность /1 - 6/.
Объектами досмотра могут быть: контейнеры, автотранспорт, грузы, сумки, сувениры, стены, строительные перекрытия, оргтехника; то есть довольно широкий диапазон по габаритам, массе и условиям проведения досмотра. Объектами (предметами) поиска - оружие, взрывчатые и наркотические вещества, взрывные устройства, предметы контрабанды, устройства несанкционированного съема информации.
На практике, для проведения досмотровых мероприятий, исходя из возможностей, условий и цели используют стационарные, мобильные системы и портативные комплексы 111. Стационарными системами оснащаются досмотровые зоны аэропортов, железнодорожных вокзалов, таможенные пропускные пункты и терминалы, лаборатории спецподразделений, специальные зоны при входе на предприятия с целью досмотра личных вещей персонала и посетителей предприятия, почты и т.п. Условия применения предполагают доставку объекта в зону досмотра. Качество получаемых изображений, производительность досмотра, широкие возможности по обработке - неоспоримые достоинства оборудования данного класса. К недостаткам следует отнести необходимость соответствия габаритов обследуемого объекта размерам зоны досмотра (для конкретного типа оборудования). Выпускаются, как правило, узкоспециализированные типы для досмотра почтовых отправлений (корреспонденция, посылки, бандероли), багажа, крупногабаритных грузов, автомобилей и контейнеров /8/. На рынке оборудование данного типа представлено продукцией таких известных фирм, как Smith Heimann, Astrophysics, Rapiscan, Медрентгентех и многих других /9 -11,78/.
Наряду со стационарными, выпускаются и мобильные системы, обладающие характеристиками, схожими со стационарными системами, построенные на базе транспортных средств с соответствующим оснащением, имеющие время развертывания в рабочее состояние от нескольких минут до нескольких часов. Такие системы разработаны специально для контроля грузов и транспортных средств (например HVC CAB 2000М, Smiths Heimann ) или для решения задач в условиях временных контрольно-пропускных пунктов (MSC20, Smiths Heimann). Аналогичные передвижные системы в широкой номенклатуре представлены продукцией фирмы Rapiscan.
Для работы в полевых условиях используют портативные досмотровые комплексы. Они, как правило, состоят из малогабаритного и автономного рентгеновского излучателя, преобразователя, содержащего рентгенолюминес-центный экран с ПЗС камерой, либо полупроводниковый детектор, работающие в режиме накопления, и блок вывода - обработки изображения. Типичными представителями оборудования данного класса являются системы "FoXraylle", "FlashX" фирмы Vidisco (Израиль) и "X-SPECTOR" фирмы ІСМ (Бельгия). Отечественные комплексы «Шмель - 240ТВ», «Игла - 150», выпускаемые компанией «Флэш электронике» и «Норка», производства ООО «Диагностика-М», по основным массогабаритным и эксплуатационным параметрам во многом превосходят зарубежные аналоги /12 - 14/.
Необходимо отметить, что все перечисленное выше оборудование, как правило, построено на методе регистрации трансмиссионного излучения (прошедшего через исследуемый объект) различного типа преобразователями (сцинциляционная линейка, цифровая матрица, рентгенофлуоресцентный экран), в редких случаях - на методе регистрации обратно рассеянных квантов от досматриваемого объекта.
При досмотре в полях трансмиссионного излучения оператор получает теневое изображение высокого разрешения, позволяющее идентифицировать в объектах контроля неоднородности с линейными размерами в десятые доли миллиметра. Для идентификации отдельных групп веществ, в частности взрывчатых веществ, может применяться двухэнергитичное облучение объекта контроля или строиться его послойное и объемное изображение на основе принципов компьютерной вычислительной томографии. Для повышения информативности активно используются различные методы обработки изображений, в частности - нелинейная фильтрация /15/.
Разработка детектора рентгеновского сканера
В настоящее время, с появлением новой элементной базы, широкой номенклатуры пассивных и активных малогабаритных высоковольтных компонентов, стало возможным создание аппаратов нового класса, построенных на принципах высокочастотного преобразования, обладающих стабильными и регулируемыми параметрами излучения, выполненных на базе технологии монтажа на поверхность с применением многослойных печатных плат, с большим набором сервисных функций, управляемых микроконтроллером. Все это приводит к резкому сокращению габаритов, массы и параметров энергопотребления. Таким образом, решение задачи по созданию ручного сканера на базе источника рентгеновского излучения стало технически реализуемым.
Анализ состояния рынка рентгеновских аппаратов показал, что ни одно из предлагаемых серийных изделий не отвечает критериям, предъявляемым к рентгеновскому аппарату в составе ручного сканирующего устройства. В связи с этим требуется выполнить разработку аппарата. Основные требования к рентгеновскому аппарату можно сформулировать следующим образом: - диапазон энергий ... (4(К70) кВ; - мощность, рассеиваемая на аноде рентгеновской трубки ... (1- 10) Вт; - нестабильность по току и напряжению трубки ... не более 1%; - питание от аккумуляторной батареи, напряжением 12 В; - наличие встроенной защиты от неиспользуемого излучения; - масса ... (не более) 1,5 кг; - управление, тестирование ... интерфейс RS232.
Для применений в составе ручного сканера, исходя из потенциальной компоновочной схемы и обеспечения требуемых характеристик, важно иметь возможность размещения области ввода первичного пучка излучения в непосредственной близости от области детектирования. Это требование определяет выбор исполнения рентгеновской трубки - прострельного типа и схемы ее питания - с заземленным анодом. Поскольку детектирующая часть и рентгеновский излучатель объединяются в единую конструкцию, важно обеспечить совместимость по уровню электромагнитных и акустических помех, возникающих при работе высоковольтных и других схем преобразователей аппарата. Особое внимание при проектировании должно быть уделено оптимизации элементов и выбору компонентов с целью получения высокого значения КПД преобразователей, что в значительной степени влияет на массу батареи электропитания, входящей в комплект сканера, определяет временной и тепловой рабочий цикл. Для обеспечения надежной и безотказной работы следует провести анализ по рабочим режимам и ресурсу отдельных элементов рентгеновского аппарата, предпринять меры с целью получения для него значения среднего времени наработки на отказ - не менее 5000 часов.
Из существующих на рынке детекторов указанным условиям, в наибольшей степени удовлетворяют приборы, построенные на методе сцинтилляционной регистрации. После анализа и сравнения характеристик детекторов данного типа выяснилось, что ни один из доступных и существующих на рынке приборов не отвечает изложенным требованиям. В связи с этим было разработано техническое задание на создание детектора для работы в составе ручного сканера: - чувствительность в диапазоне (3(К70) кэВ... не хуже 10 импс" /мкРч; - динамический диапазон не менее 1000; - время измерения не более 0,5с; - площадь активной области кристалла сцинтиллятора не менее Зсм ; - интерфейс связи RS232; - диапазон рабочих температур от -20 С до 50С; - масса не более 0,5 кг; - питание от аккумуляторной батареи; - мощность, потребляемая от источника питания .... не более 2ВА; - габариты и компоновка определяются по результатам конструктивной проработки сканера по согласованию с остальными составными частями. Поскольку динамический диапазон довольно широкий, целесообразно информацию о результатах измерений выводить в цифровом виде. Учитывая, что работать предполагается в малодозовом режиме, начиная с уровня фона важно принять меры к исключению помех, связанных с регистрацией высокоэнергетического космического и гамма излучения, шумовых импульсов фотоэлектронного умножителя. А для сохранения калибровки следует предусмотреть наличие системы стабилизации. Для дополнительного расширения динамического диапазона и повышения чувствительности полезно иметь функцию вычета из показаний детектора фонового сигнала, формируемого материалом преграды.
Для оценки характеристик сканера и оптимизации геометрии системы коллимации потребуется математическая модель, корректно описывающая процессы взаимодействия первичного пучка рентгеновского излучения с материалами преграды и объекта поиска, позволяющая вычислять уровень рассеянного излучения в направлении системы детектирования.
Наиболее известным средством моделирования процессов взаимодействия излучения с веществом является программная библиотека GEANT4. Используя набор средств программирования для описания спектра исходного излучения, распределения углов и координат ввода в объект, химического состава и произвольной геометрии объекта, геометрии детектирующей части, можно получить распределения характеристик выходного (в том числе и в области детектирующей части) излучения /81/. Однако, моделируемый объект в GEANT4 статичен, т.е. положение источника и детектора относительно объекта постоянны, тогда как характер работы сканера динамичен, т.е. оценивается динамика изменения сигнала в процессе перемещения сканера относительно объекта для получения апертурных функций. Конечно, можно многократно изменять в GEANT4 положения источника и детектора относительно объекта. Но это приводит к значительным трудозатратам при моделировании.
Похожие диссертации на Исследование и разработка рентгеновского сканера для оперативного контроля и досмотра
