CC BY
56ТЕХНОЛОГИИ и СРЕДСТВА ТАМОЖЕННОГО КОНТРОЛЯ
С. А. Огородников, С. В. Симочко, Ю. В. Малышенко
ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ: ПЕРВЫЙ РОССИЙСКИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ИНСПЕКЦИОННО-ДОСМОТРОВЫЙ КОМПЛЕКС
В статье рассматривается проект первого отечественного железнодорожного инспекци-онно-досмотрового комплекса СТ-2630Т, строительство которого предусмотрено в железнодорожном пункте пропуска Забайкальск. Обсуждаются основные методические, технологические и конструкторские решения, реализуемые в данном комплексе.
Ключевые слова: железнодорожный инспекционно-досмотровый комплекс; ускоритель электронов; система детектирования; сканирование; теневое изображение; радиационная безопасность.
Инспекционно-досмотровые комплексы (ИДК) сегодня являются наиболее эффективными и сложными техническими средствами таможенного контроля, используемыми таможенными службами многих стран мира. Их применение рекомендовано Всемирной таможенной организацией [1] и позволяет резко сократить время для досмотра в таможенных целях автомобилей, контейнеров, железнодорожных платформ и вагонов с грузами.
Подобные комплексы развернуты в ряде стран Европы, США и Юго-Восточной Азии. Основной мировой парк ИДК - комплексы для осмотра автотранспорта и контейнеров. Однако в последние годы ведется активная разработка ИДК специально для железнодорожного транспорта.
Мировыми лидерами по изготовлению железнодорожных ИДК являются компании Rapiscan systems (США, Англия) и Nuctech Co (Китай). ИДК - очень дорогостоящие изделия, к тому же их техническое обслуживание и ремонт весьма затратны, а производители не склонны передавать потребителям секреты производства компонент. Поэтому несколько лет назад в России было принято решение развивать собственное производство различных видов ИДК.
СТ-2630Т - первый полностью российский проект железнодорожного ИДК, разработанный по заказу Федерального государственного казенного учреждения «Дирекция по строительству и эксплуатации объектов Росграницы» [2]. Конструктивно, в части расположения технологического оборудования, СТ-2630Т близок к стационарным железнодорожным досмотровым системам RF9010 Nuctech, Rapiscan Eagle R60.
Применение СТ-2630Т на железнодорожных пунктах пропуска позволит существенно снизить трудоемкость и повысить качество таможенного контроля.
Сегодня при перевозке грузов железнодорожным транспортом практически можно осуществить только единичный, выборочный досмотр вагонов, цистерн, платформ и самих транспортных средств из-за трудоемкости и длительности монтажных и погрузочно-разгрузочных работ. Применение СТ-2630Т позволяет проводить 100% рентгеновский осмотр железнодорожных составов при движении со скоростью до 70 км/ч и выделять объекты для дальнейшего углубленного досмотра. Актуальность создания железнодорожных ИДК значительно возрастает в свете последних событий, связанных с террористическими угрозами и необходимостью усиления борьбы с контрабандой оружия, взрывчатых веществ, наркотиков.
СТ-2630Т по основным отличительным признакам, в части расположения источника ионизирующего излучения (ИИИ) и объекта сканирования, относится к стационарным инспекционно-досмотровым ускорительным комплексам первого типа (с неподвижным ИИИ и движущимся объектом контроля), содержащим ускорители электронов с энергией до 10 МэВ [3].
Общий вид площадки, на которой функционирует ИДК, и расположение его отдельных компонент показаны на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид ИДК СТ-2630Т
В силу того что в данном комплексе отсутствуют защитные ворота на въезде и выезде досмотрового сооружения (тоннеля), а также защитные перекрытия тоннеля сверху, рассеянное в воздухе излучение не ослабляется и засвечивает окружающее пространство. Поэтому сооружение огораживается сетчатым забором с целью создания зоны ограничения доступа размером 50 м в длину и 40 м в ширину.
Основные параметры, характеризующие функциональные возможности ИДК:
- габаритные размеры объектов контроля (вагонов): 4,48 х 5,3 м (Ш х В);
- проникающая способность (по стали) при скорости движения состава до 70 км/ч - не менее 330 мм, при скорости движения до 35 км/ч - не менее 350 мм;
- обнаружение стальной проволоки без преграды диаметром не более 0,8 мм, за преградой из 100 мм стали - не более 2 мм, за преградой из 250 мм стали - не более 8 мм;
- контрастная чувствительность - не более 1,0%;
- получение, хранение, архивирование радиоскопических (рентгеновских) изображений грузовых вагонов высокого качества, их распечатка, запись на съемные носители, передача внешним потребителям;
- автоматическое считывание номеров вагонов и привязка оптического изображения вагона к его радиоскопическому изображению;
- распознавание групп материалов по атомному номеру с использованием метода дуальной энергии. Количество распознаваемых групп материалов - не менее 4, диапазон распознаваемых массовых толщин - 5 -г 120 г/см2;
- определение массы (выделяемых оператором участков) на радиоскопиче-ском изображении;
- отображение информации о железнодорожных вагонах, перевозимых товарах и товаросопроводительных документах, дате и времени сканирования, количестве сканирований, а также лице, проводившем контроль;
- время непрерывной работы - 24 часа в сутки / 365 дней в году.
Помещение, в котором размещается персонал ИДК, вынесено за пределы зоны
ограничения доступа (показано в верхней правой части рис. 1). В функции персонала входят управление работой систем ИДК, анализ получаемых изображений и обслуживание ИДК.
При поступлении сигнала о приближении железнодорожного состава оператор ИДК получает информацию о количестве, виде груза и характеристиках вагонов. Оператор приводит в рабочее состояние ИДК для проведения сканирования подвижного состава. Система управления исключает выделенные вагоны (не подлежащие сканированию), указанные в документации, с помощью алгоритма обработки сигналов, поступающих от индуктивных датчиков колесных пар системы автоматики. Эти датчики установлены на рельсы на въезде в досмотровый тоннель и на его выходе. Принцип действия датчика основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферромагнитного или аморфного материала определенных размеров, в данном случае это колесная пара вагона. При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется в зависимости от расстояния между датчиком и контролируемым предметом. В процессе движения состава осуществляется сканирование1 вагонов. Рабочее пространство сканирования огорожено бетонным забором со встроенными отсеками для источника излучения и системы детектирования. Сканируемый состав проходит между
1 Общее описание процессов сканирования можно найти в статье [4].
112 -
ВЕСТНИК российской ТАМОЖЕННОЙ АКАДЕМИИ • № 2 • 2016
источником излучения и системой детектирования. При этом в направлении объекта сканирования периодически с частотой 2 000 Гц генерируются импульсы рентгеновского излучения, а интенсивность прошедшего через объект излучения с этим же периодом фиксируется системой детектирования. По результатам работы последней формируется рентгеновское изображение каждого вагона. Системы генерации и детектирования включаются и выключаются автоматически. Сканирование сопровождается световым и звуковым сигналами, предупреждающими о работе источника излучения.
Локомотив должен находиться в голове состава, обслуживающий персонал должен покинуть сканируемый состав.
Одновременно с рентгеновскими изображениями получаются фотографические изображения каждого вагона в отдельности с качеством, позволяющим идентифицировать номера вагонов и контейнеров на открытых платформах. Полученные фотографии автоматически выводятся на монитор оператора с рентгеновским изображением вагона и сохраняются в базе данных повагонно вместе с товаросопроводительными документами на перевозимые товары. После прохождения вагонов через ИДК они находятся на железнодорожной станции, где ожидают решений операторов, анализирующих полученные при сканировании рентгеновские изображения вагонов. Там же производится при необходимости углубленный досмотр отдельных вагонов.
Основными функциональными компонентами ИДК являются:
- линейный ускоритель электронов с системой коллимации, обеспечивающий генерацию и формирование узкого веерного пучка тормозного фотонного излучения;
- система детектирования, обеспечивающая прием рентгеновского излучения, проходящего через сканируемые вагоны, и формирование радиоскопическо-го изображения вагонов;
- система обеспечения безопасности применения ИДК;
- система управления функционированием ИДК, обеспечивающая в том числе связь с подсистемами по интерфейсам сопряжения, связь с активными и пассивными элементами системы радиационной безопасности и системой оптического сканирования вагонов и распознавания номеров;
- компьютерная система со специализированными программными комплексами, поддерживающими все процессы - от ввода товаросопроводительной документации до анализа полученных рентгеновских изображений и мониторинга технического состояния элементов ИДК.
Функциональные возможности и технические характеристики ИДК СТ-2630Т в значительной мере определяются системой генерации рентгеновского тормозного излучения. Ее основу составляет разработанный совместным предприятием «Скантроник Системс» и «Лабораторией электронных ускорителей - МГУ» МГУ им. М. В. Ломоносова при участии предприятий АО «Росэлектроника» высокочастотный линейный ускоритель электронов УЭЛР-6-1-Д-4-03.
Ускоритель УЭЛР-6-1-Д-4-03 представляет собой модернизированную версию источника тормозного излучения ИДК СТ-6035 для автомобильного пункта пропуска [4]. В нем используется многолучевой клистрон, что позволяет достичь уникально высоких частот повторения импульсов тормозного излучения, обеспечить быстрое переключение энергии импульса.
Система генерации состоит из:
- рентгеновского излучателя, включающего электронную пушку, ускоряющую структуру, клистрон, волновод с системой подачи элегаза, радиочастотную систему низкой мощности, вакуумную систему, мишень, локальную радиационную защиту, ионную камеру, элементы системы охлаждения, электронику управления (контроллеры и управляющий компьютер), интерфейсы связи с другими системами, герметичный кожух;
- модулятора, объединенного с излучателем в единый блок;
- системы охлаждения и пульта управления.
В принципе подобные узлы характерны для известных ИДК с линейными ускорителями в качестве источника рентгеновского излучения [3]. Главная особенность данной генерирующей структуры - использование специально разработанного клистрона в качестве источника СВЧ-питания ускоряющей системы с возможностью быстрого переключения на генерацию попеременно короткими импульсами излучения с разными энергиями: 3,5 МэВ и 6 МэВ.
Пучок электронов, создаваемый электронной пушкой, ускоряется в линейном ускорителе и модулируется высокочастотной электромагнитной волной частотой около 2 856 МГц (создается клистроном). Электроны разгоняются и тормозятся о мишень, в результате чего формируется тормозное рентгеновское излучение. Специальной системой коллимации на выходе ускорителя в направлении объекта просвечивания (сканирования) формируется рентгеновский луч веерообразной формы шириной 3 мм1.
Геометрия трассы пучка обеспечивает облучение всех детекторов линейки без их затенения другими объектами (рис. 2). Наклон оси излучателя 14о13', угол раскрытия пучка в нижнем направлении - 18,7°, в верхнем - + 33,50°.
Еще одна особенность ускорителя - возможность работы в трех режимах по энергии: низкая или высокая энергия с одинаковым временным интервалом между импульсами, поимпульсное переключение энергии - все четные импульсы имеют низкую энергию, все нечетные - высокую, временной интервал между импульсами разной энергии варьируемый.
Разработанный ускоритель создает импульс тока длиной 1 мкс, позволяет менять частоту переключений энергий в интервале 50 -г 2 000 Гц с регулируемым интервалом между импульсами низкой и высокой энергий 100 г 500 мкс.
Система детектирования излучения расположена по другую сторону рельсового пути (см. рис. 1). Чувствительные элементы (детекторы) в количестве 1 440 шт. расположены на стреле, частично наклоненной наверху в направлении плоскости веерного пучка излучения. Детекторы выполнены из кристаллов сцинтиллятора, оптически сопряженных с малошумящими РШ-фотодиодами, расположены на пластинах по восемь элементов и интегрированы с электронными платами. Свинцовый поглотитель пучка располагается за линейкой детекторов и обеспечивает дополнительное ослабление пучка прямого тормозного излучения.
Одно из существенных требований к ИДК - возможность различения материалов в просвечиваемом объекте. это нужно для того, чтобы более точно идентифицировать предметы на радиоскопических изображениях, выявлять предметы,
1 Описание формирования рентгеновского луча в ИДК с помощью линейных ускорителей можно найти в источнике [3].
114 -
ВЕСТНИК российской ТАМОЖЕННОЙ АКАДЕМИИ • № 2 • 2016
похожие по составу на взрывчатые вещества или наркотики либо изготовленные из высококачественной стали или тяжелых металлов, что может быть признаком холодного или огнестрельного оружия либо контейнеров для хранения радиоактивных и других опасных веществ.
Рис. 2. Схема просвечивания объекта контроля
Применение режима поимпульсного переключения энергии в значительной мере обусловлено этим требованием. В сочетании с соответствующим прикладным программным обеспечением в ИДК реализован метод дуальной энергии [5-7] для распознавания материалов контролируемого объекта по эффективному атомному номеру (Дэф) с выделением материалов по группам с соответствующим окрашиванием на экране монитора. Цвета выбраны в соответствии с цветовой шкалой:
1) оранжевый цвет - органические вещества (1 < Дэф < 10);
2) зеленый цвет - неорганические вещества (10 < Дэф < 20);
3) синий цвет - металлы (20 < Дэф < 50);
4) лиловый цвет - тяжелые металлы (Дэф > 50).
Интерфейс визуализации обеспечивает передачу информации о толщине материала посредством изменения интенсивности цвета, т. е. предметы из одного и того же материала, но имеющие разную толщину, имеют одинаковый цвет при различной его интенсивности (яркости).
Физической основой метода дуальной энергии является зависимость отношения F(Z) массовых коэффициентов поглощения для низкой ц1 и высокой цн энергий излучения от атомного номера Д элементов периодической системы Д. И. Менделеева: F(Z) = /(Д) / цн(Д).
Используемая в ИДК методика распознавания материалов основана на определении радиоскопической прозрачности объекта (отношения интенсивности
излучения, регистрируемого детектором, при наличии и в отсутствие объекта). При этом определяется отношение логарифмов прозрачностей при высокой и низкой энергиях:
R (Е1, е2, г, г) = 1п т (Е1, г, г) / 1п т (е2, г, г),
где Т (Е1, г, г) и Т (Е2, г, г) - радиоскопическая прозрачность при облучении объекта с массовой толщиной г из материала с атомным номером 2 пучком тормозного излучения с граничными энергиями Е1 и Е2 соответственно.
это отношение усредненных по спектру эффективных коэффициентов ослабления при высокой Е1 и низкой е2 энергиях. При использовании предварительного фильтра, ослабляющего низкоэнергетическую часть тормозного спектра, величина R для определенного значения оптической толщины однозначно связана с атомным номером. Поэтому она является базовым критерием для определения атомного номера материала в точке просвечивания.
По значениям R можно различать элементный состав просвечиваемого объекта.
Однако использование метода в энергетическом диапазоне 1 г 10 МэВ затруднено в силу ограничений, связанных с физикой взаимодействия гамма-квантов с веществом. Доминирующим типом взаимодействия гамма-квантов с веществом в этом диапазоне вместо фотоэффекта становится комптоновский эффект с его слабой зависимостью от атомного номера, что обусловливает незначительную вариацию поглощения тормозного излучения для разных материалов, в основном связанную с проявлением эффекта рождения электрон-позитронных пар как третьего типа взаимодействия. этот слабый эффект ранее считался недостаточным для распознавания в практических целях.
К тому же, когда объект представляет собой комбинацию двух и более материалов, формируя гетерогенную структуру, идентификация атомных номеров компонентов на основе пары радиоскопических прозрачностей невозможна. С другой стороны, с точки зрения поглощения гамма-излучения гетерогенный объект эквивалентен гомогенному с суммарной массовой толщиной и средневзвешенным массовым коэффициентом поглощения, что позволяет оценить эффективный атомный номер материала.
чтобы обойти вышеуказанные физические проблемы, в разработанном ИДК не ставится задача указывать точный атомный вес материала, а производится разделение материалов на четыре группы по значениям эффективных атомных номеров. По значениям R можно получить достаточно четкую различимость этих групп.
В ИДК одна линейка детекторов, поэтому при поимпульсном режиме генерации желательно, чтобы пары импульсов во времени следовали как можно ближе друг к другу и были как можно короче. чем больше это время, тем большую ошибку следует ожидать при измерениях прошедшего через объект излучения и вычислениях радиоскопической прозрачности из-за пространственного перемещения объекта контроля в процессе сканирования. Кроме того, для преобразования аналогового сигнала с детектора в цифровой код требуется некоторое время. С целью уменьшения ошибок система генерации ИДК формирует импульсы излучения длиной всего 1 мкс, а измерительная система имеет два интегратора: один для измерения от импульса высокой энергии, а второй - от импульса низкой энергии.
Последняя особенность позволяет формировать второй импульс и делать новое измерение почти сразу после завершения свечения сцинтиллятора детектора.
Для обеспечения высокой точности измерений и компенсации переходных эффектов в ИДК реализованы и другие схемные, программные и технологические решения, том числе позволяющие непрерывно калибровать процесс измерений на высоких скоростях движения вагонов. Управление всеми процессами, формирование и обработку получаемых изображений осуществляет мощная компьютерная система. Она включает в том числе как минимум три компьютера (три станции) для анализа изображений. С помощью программного обеспечения можно проводить увеличение и анализ отдельных участков изображений (менять контрастность, яркость, цветовую палитру), оценивать массу в выделенном фрагменте, отмечать подозрительные места и др. (рис. 3).
Рис. 3. Радиоскопическое изображение вагона
В рассматриваемой разработке использованы все способы обеспечения радиационной безопасности, хорошо зарекомендовавшие себя в мировой практике.
Это не только ограждение систем генерации и детектирования защитным бе-
1
тонным периметром и отведением зоны ограниченного доступа , но и различные устройства блокировки, кнопки аварийного останова, светофоры, звуковые сирены, дозиметр с сигнализацией при превышении радиационного порога, система видеонаблюдения, программно-аппаратная система мониторинга радиационной безопасности с автоматическим выключением системы генерации, импульсный режим генерации, свинцовая защита и др.
Важной компонентой безопасной работы является система технологического телевизионного видеонаблюдения из 12 телекамер цветного изображения. Четыре смонтированы внутри досмотрового тоннеля, шесть - вне досмотрового тоннеля (для наблюдения за въездом/выездом и для наблюдения за зоной безопасности), два - внутри отсека ускорителя. Для просмотра изображений имеются два монитора, на один выводится изображение со всех видеокамер, на другой - полноформатное изображение с одной из камер. Переключение изображения камер для отображения на втором мониторе осуществляется автоматически по сигналу обнаружителя движения либо в ручном режиме по выбору оператора. Предусматривается возможность хранения записанной видеоинформации в архиве регистратора не менее 600 ч.
1 За пределами зоны доступа выполняются требования СанПиН 2.6.1.2369-08 (1,0 мкЗв/ч).
вестник российской таможенной академии • № 2 • 2016
Концепция комплекса СТ-2630Т предусматривает возможность его удаленного размещения и работу в автоматическом режиме с интеграцией в IT-инфра-структуру заказчика. Это позволяет устанавливать технологическое оборудование на железнодорожном перегоне, а контроль полученной информации осуществлять на железнодорожной станции или в офисах эксплуатирующей организации.
Использованные источники
1. Рамочные стандарты безопасности и обеспечения мировой торговли / Всемирная таможенная организация, 2005.
2. Инспекционно-досмотровый комплекс для железнодорожных составов [Электронный ресурс]. URL: www.scantronicsystems.com/production/idk-2630t/.
3. Малышенко Ю. В., Ярошенко С. С., Симочко С. В. Начальная подготовка персонала инспек-ционно-досмотровых комплексов: учебник / под ред. Ю. В. Малышенко. Владивосток: РИО Владивостокского филиала Российской таможенной академии, 2010. 460 с.
4. Огородников С. А., Симочко С. В., Малышенко Ю. В. Инспекционно-досмотровый комплекс СТ-6035 // Таможенная политика России на Дальнем Востоке. 2014. № 1. С. 70-82.
5. Система интроскопического сканирования инспекционно-досмотрового комплекса и способ, осуществляемый в такой системе / И. В. Шевелев и др. Патент № 2566468.
6. Ogorodnikov S. A., Petrunin V. I. Physical Review Special Topics. Processing of interlaced images in 4-10 MeV dual energy customs system for material recognition // Accelerators and Beams. 2002. № 5 (104701) [Электронный ресурс]. URL: http://prst-ab.aps.org/abstract/PRSTAB/ v5/i10/ e104701.
7. Ogorodnikov S, Arlychev M, Shevelev I., Apevalov R, Rodionov A., Polevchenko I. Material discrimination technology for cargo inspection with pulse-to-pulse linear electron accelerator // Proceedings of IPAC2013. Shanghai, 2013. P. 3699 [Электронный ресурс]. URL: http:// accelconf.web.cern.ch/accelconf/IPAC2013/papers/thpwa033.pdf.
