CC BY
91
-►
Приборы и техника физического эксперимента
УДК 539.1.06
Д. О. Спирин, Я.А. Бердников, Ю.Н. Гавриш ПРИНЦИПЫ ИНТРОСКОПИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ГРУЗОВ
Широкая сеть развитых международных транспортных магистралей, значительное число пограничных пунктов пропуска (в том числе оборудованных по упрощенной схеме), наличие которых обусловлено темпами развития внешнеэкономической деятельности, требует усиления контроля над перемещаемыми товарами и транспортными средствами через государственную границу на предмет сокрытия контрабанды, оружия, взрывчатых веществ, наркотиков.
Среди всех видов контроля наибольшую трудность представляет проверка содержимого крупногабаритных грузов (морских и железнодорожных контейнеров) и транспортных средств, включая их конструктивные узлы. Это связано с необходимостью выполнения комплекса трудоемких и длительных погрузочно-разгрузочных работ и практически позволяет осуществить только единичный, выборочный досмотр таких объектов. Очевидно, что только внедрение автоматизированных досмотровых радиометрических комплексов (ДРК) позволит успешно решить данную проблему.
На федеральном государственном унитарном предприятии (ФГУП) «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуы им. Д.В. Ефремова» совместно с СПбГПУ и в кооперации с рядом российских научных центров (Московский институт радиоэлектроники, радиотехники и автоматики; Томский государственный политехнический университет) был разработан и изготовлен досмотровый радиометрический комплекс, который позволяет с высокой достоверностью проводить досмотр как перевозимых грузов, так и используемых для этих целей транспортных средств.
В основу комплекса положена идея интроско-пического контроля крупногабаритных изделий
с использованием в качестве источника тормозного излучения ускорителя электронов с энергией до 9 МэВ [1]. С учетом возможностей получения интенсивных потоков гамма-излучения с высокой стабильностью, кроме получения обычного теневого изображения контролируемого объекта, реализована методика распознавания групп элементов с близким атомным номером методом дуальной энергии. Данная опция позволяет выделять подозрительные области для нелегального провоза взрывчатых и наркотических веществ, имеющих, как правило,низкий атомный номер, а также наличие радиоактивных веществ и в первую очередь делящихся, которые имеют большой атомный номер. Определение делящихся веществ возможно даже при использовании необходимой при перевозке данных веществ биологической защиты.
Использование линейного ускорителя, который обладает высокой мощностью тормозного излучения, позволяет применение систем детектирования с малыми размерами детекторов, что обеспечивает высокое пространственное разрешение при досмотре инспектируемых грузов.
Значительное увеличение эффективности контроля достигается переходом к трехмерному изображению объектов, в частности посредством стереовидения. Подобные системы предполагают расщепление потока фотонов с высокой энергией на два расходящихся пучка в пределах диаграммы направленности, две системы коллимации и две детекторные линейки для сбора данных. Далее информация с детекторных линеек для двух ракурсов программным путем сортируется и нормализуется для получения стандартной стереопары, последующая обработка которой позволяет вывести ее на специализированный экран для наблюдения.
Стереовидение содержимого контейнера позволяет получить не только объемное изображение объектов контроля, но и определить численно расстояние до них, а, следовательно, их расположение в контейнере.
Все технологическое оборудование комплекса (ускорители и системы детектирования) располагается в радиационно-защищенном помещении на подвижном портале (рис. 1), который равномерно перемещается со скоростью 0,4 м/с вдоль инспектируемого объекта.
Въезд и выезд досматриваемого объекта в это помещение осуществляется через откатные ворота, вход обслуживающего персонала - по специальному лабиринту, снабженному радиаци-онно-защищенными дверями. Обслуживающий персонал комплекса располагается в специальном помещении модульного типа, оснащенного всеми необходимыми инженерными коммуникациями для нормальной жизнедеятельности.
В табл. 1 приведены основные параметры комплекса для контроля крупногабаритных транспортных средств и грузов на наличие запрещенных к перевозке веществ и предметов.
Таблица 1
Основные параметры досмотрового радиометрического комплекса
Параметр Значение
Максимальная инспектируемая толщина объекта в эквиваленте по стали, мм 320
Пространственное (усредненное) разрешение, мм При этом обеспечивается обнаружение следующих стальных проволочек диаметром, мм: без преграды за преградой из стали толщиной 100 мм 250 мм 3 1 2 8
Пространственное разрешение для контрастных объектов, мм 1
Разрешение по плотности (контрастная чувствительность), % 1
Восстановление координат и габаритных размеров объектов в досматриваемом грузе (не хуже), мм 40-100
Производительность комплекса для контейнеров (2,5 х 2,5 х 12 м), контейнеры/час 25
Рис. 1. Расположение основного технологического оборудования досмотрового радиометрического комплекса (ДРК): 1 - бетатрон, 2 - детекторные линейки, 3 - линейный ускоритель, 4 - система перемещения
Состав технологического оборудования комплекса можно разделить на две группы:
основное, обеспечивающее получение и обработку теневых изображений контролируемого объекта;
вспомогательное, обеспечивающее нормальное функционирование основного оборудования и предоставляющее дополнительную информацию об условиях эксплуатации.
Состав основного технологического оборудования:
линейный ускоритель электронов с энергией 6 МэВ в локальной биологической защите;
бетатрон с энергиями 4,5 и 9 МэВ в локальной биологической защите;
модульные детекторные линейки высокого разрешения (два комплекта) и высокой чувствительности (один комплект) для регистрации и первичной обработки тормозного излучения, прошедшего исследуемый объект;
система формирования веерного тормозного излучения для облучения исследуемого объекта;
система перемещения ускорителя с системами формирования веерного тормозного излучения и детектирования вдоль исследуемого объекта;
автоматизированная система управления комплексом с функциями обработки теневых рентгеновских изображений и архивирования.
Вспомогательное технологическое оборудование содержит следующие системы: энергообеспечения; радиационной безопасности; видеонаблюдения; селекторной связи; пожаротушения;
откатных въездных и выездных дверей; отопления и вентиляции.
Линейный ускоритель электронов
В данной установке применена ускоряющая структура на стоячей волне, представляющая собой последовательность ускоряющих резонаторов и резонаторов связи, причем последние расположены на оси структуры. Ускоряющая структура обеспечивает высокий темп ускорения, что позволяет сократить как ее длину, так и длину излучателя в целом.
Высокочастотная фокусировка позволяет получить достаточно узкие электронные пучки диаметром не более 1,8 мм без использования дополнительных корректирующих и фокусирующих катушек.
В качестве источника мощности СВЧ используется магнетрон десятисантиметрового диапазона на импульсную мощность 1,8 МВт с механической перестройкой частоты, который работает в диапазоне 2995-3002 МГц. Точная настройка магнетрона на частоту ускоряющей структуры осуществляется с помощью плунжера, вводимого в резонатор магнетрона и управляемого механическим устройством подстройки частоты с электродвигателем.
В качестве источника электронов используется трехэлектродная электронно-оптическая система с косвенным подогревом катода.
Импульсное катодное напряжение подводится к источнику электронов от высоковольтного импульсного трансформатора.
Для стабилизации энергии и мощности дозы тормозного излучения, в наибольшей степени зависящей от согласования частоты высокочастотных колебаний, генерируемых магнетроном, с резонансной частотой ускоряющей структуры, используется быстродействующая система автомагической подстройки частоты.
Основные технические характеристики ускорителя:
энергия ускоренных электронов - 6 МэВ;
мощность дозы тормозного излучения на расстоянии 1 м от тормозной мишени на оси пучка - 5 Гр;
диаметр электронного пучка на тормозной мишени - не более 1,8 мм;
частота следования импульсов излучения -50-250 Гц;
длительность импульса излучения - до 4 мкс.
Для формирования веерных пучков тормозного излучения в сторону линеек приемных детек-
торов используется первичный щелевой коллиматор, угол раствора которого составляет 6 град. Далее расположен вторичный коллиматор, формирующий два расходящихся под соответствующим углом веерных пучка (рис. 2).
При штатной работе комплекса управление работой ускорителя осуществляется по командам с центрального компьютера комплекса, связь с которым осуществляется через блок системы управления.
Бетатрон МИБ-6/9
Бетатрон МИБ-6/9 является источником тормозного излучения, способным работать в режиме дуальной энергии, и оптимизирован для использования в системах досмотра крупногабаритных объектов. Внешний вид бетатрона с элементами локальной защиты и системы формирования веерного выходного пучка представлен на рис. 3. Основные технические параметры бетатрона: максимальная энергия ускоренных электронов - 9,0 МэВ;
мощность дозы тормозного излучения на расстоянии 1 м от мишени на оси пучка - не менее 0,3 Гр/мин;
геометрические размеры фокусного пятна -0,2 х 2,5 мм;
частота следования импульсов излучения -400 Гц;
длительность импульса излучения - 2-5 мкс.
Рис. 2. Общий вид ускорителя, установленный на портале ДРК:
1 - линейный ускоритель, 2 - выходной коллиматор
Модульные детекторные линейки
Система приемных детекторов предназначена для измерения распределения остаточной интенсивности веерного пучка тормозного излучения, прошедшего в результате сканирования контролируемый объект, а также последующего преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и передачи полученных данных в компьютер. Система приемных детекторов делится на два типа: высокого разрешения и высокой чувствительности (рис. 4). Принцип их построения идентичен, а отличие заключается в размере приемных детекторов и используемых фотодиодов.
Основные компоненты системы приемных детекторов:
детекторная линейка, выполняющая функции измерения интенсивности гамма-излучения и преобразования полученных данных в цифровую форму;
блок управления, обеспечивающий связь системы с компьютером и управление параметрами ее работы.
Детекторная линейка состоит из однотипных модулей по 8 детекторных каналов в каждом и размещена в кожухе, защищающем ее от влияния рассеянных квантов гамма-излучения и других дестабилизирующих факторов, таких как перепады температур, давления, электромагнитных помех. Измерительные элементы системы устанавливаются по линии веерного пучка.
Первичным измерительным элементом системы приемных детекторов является сцинтилля-тор, который в паре с фотодиодом осуществляет преобразование интенсивности гамма-излучения в измеряемый аналоговый электрический сигнал.
Аналоговые сигналы с фотодиодов интегрируются и усиливаются предварительными усилителями. В аналого-цифровом преобразователе происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму.
Преобразованные в цифровую форму сигналы поступают на сигнальный процессор, который обеспечивает объединение и буферизацию цифровых данных, а также передачу по протоколу ЯБ422 полученных данных в блок управления.
С помощью блока управления осуществляется синхронизация работы системы приемных детекторов с источником излучения (линейным ускорителем и бетатроном). Для этого на вход блока управления подается внешний синхроимпульс, опережающий импульс ускорителя на несколько микросекунд.
Система перемещения
Система представляет собой стальную конструкцию, на которой располагается все основное технологическое оборудование комплекса.
Рис. 3. Общий вид бетатрона МИБ-6/9:
1 - бетатрон, 2 - система формирования веерного выходного пучка
Рис. 4. Общий вид детекторных линеек (находятся внутри стальных корпусов): системы детекторов высокого разрешения (а) и высокой чувствительности (б)
Движение осуществляется по рельсовым направляющим с помощью двух синхронно работающих электродвигателей. Система слежения за движением обеспечивает равномерность и перпендикулярность перемещения портала относительно исследуемого объекта. Управление перемещением портала осуществляется с центрального пульта главного оператора комплекса.
Автоматизированная система управления комплекса
Система предназначена для реализации оперативного контроля, обеспечения радиационной безопасности, анализа и управления технологическим процессом досмотра большегрузного транспорта и контейнеров.
Она выполняет следующие основные функции: автоматизированное управление технологическим оборудованием досмотрового контроля по заданному алгоритму при 24-часовой длительности работы с поддержанием установленных параметров автоматического режима;
отображение на экране оператора системной информации о ходе досмотрового контроля и состоянии оборудования;
предоставление по каждому сегменту управляющего контура полной информации, включающей значения параметров, управляющих воздействий, шкал приборов, аварийные и предаварийные границы;
вывод информации об исполнении команд оператора, а также регистрация и оповещение об отклонениях параметров за предаварийные и аварийные границы;
обеспечение безопасной работы персонала и фиксация действий оператора при работе с системой;
ведение архивов параметров и событий. В архиве событий сохраняются все команды, поданные оператором с терминала, информация о срабатывании защиты и о предупреждениях;
поддержание протокола обмена информацией с сетями верхнего уровня.
Программный комплекс для восстановления интроскопических изображений
Сотрудниками кафедры экспериментальной ядерной физики СПбГПУ разработано программное обеспечение ДРК для восстановления интроскопических изображений с функцией рас-
познавания групп элементов с близким атомным номером на основе метода дуальной энергии. Программное обеспечение состоит из программы цифровой обработки изображений, позволяющей выводить на экран изображения объекта, полученного при сканировании, и проводить детальный анализ содержимого просвеченных объектов с помощью различных функций фильтрации, коррекции и улучшения интроскопических изображений и базы данных для архивирования результатов сканирования.
Интроскопические исследования основаны на определении радиоскопической прозрачности объекта (отношение интенсивностей излучения, регистрируемых детектором при наличии и в отсутствие объекта). При облучении гомогенного объекта оптической толщиной t из материала с атомным номером 2 пучком тормозного излучения с граничной энергией Е0 выражение для ра-диоскопической прозрачности имеет вид:
Ео
|5'(г;0,г;)ехр(-
-ъ-, (1)
о
где ц(Е, 2) - массовый коэффициент ослабления излучения с энергией квантов Е; 8(Е0 - произведение спектральной плотности интенсивности излучения и функции отклика детектора.
Спектральную плотность интенсивности излучения представляем в виде произведения спектральной плотности интенсивности тормозного излучения (формула Шиффа [2]) и коэффициента, учитывающего ослабление низкоэнергетической части спектра предварительным фильтром.
Используя выражение (1), можно составить для различных значений 2 таблицы соответствия прозрачности оптической толщине при обоих значениях граничных энергий тормозного спектра (Е01 = 9 МэВ и Е02 = 4,5 МэВ). Для определения атомного номера материала по измеренным значениям прозрачности при граничных энергиях и Е02 определяем по таблицам соответствия значения оптической толщины Ц (¿) и для каждого из рассматриваемых значений 2. Учитывая, что оптическая толщина не зависит от граничной энергии спектра, идентификацию атомный номер определяем из условия минимума функционала
F(Z) =
Ч{2)
(2)
Если объект имеет гетерогенную структуру, то можно оценить только эффективное значение атомного номера составляющих его материалов, соответствующее среднему массовому коэффициенту ослабления
1 1=1
(3)
где Zг• и - атомный номер и массовая толщина каждого гомогенного участка объекта, N - количество таких участков, t - полная оптическая толщина объекта.
С точки зрения поглощения излучения гетерогенный объект можно рассматривать как гомогенный с суммарной массовой толщиной и усредненным коэффициентом поглощения. По измеренным в эксперименте прозрачностям можно оценить эффективное значение атомного номера, используя таблицы соответствия и минимизируя функционал (2). Таким образом, для объекта с гетерогенной структурой метод дуальной энергии позволяет определить только некоторое эффективное значение атомного номера. Поэтому рассматривается задача распознавания только определенных групп элементов: легкие материалы = 5); материалы со средним атомным номером
(^ = I3);
«неорганические» материалы = 26); тяжелые элементы = 82). Распознавание групп материалов по величине 2 производится по измеренным значениям прозрач-ностей для обоих значений граничных энергий. Используются два критерия. По таблицам соответствия для измеренных прозрачностей и каждого рассматриваемого значения 2 определяются оптические толщины, а затем путем минимизации функционала (2) определяется 2. Второй критерий основан на определении отношения логарифмов прозрачностей при высокой и низкой энергиях:
(4)
данное выражение есть также отношение усредненных по спектру эффективных коэффициентов ослабления при высокой и низкой энергиях. При использовании предварительного фильтра, ослабляющего
низкоэнергетическую часть тормозного спектра, величина Я для определенного значения оптической толщины однозначно связана с атомным номером. Таким образом, совместное использование обоих критериев позволяет однозначно определить соответствие материала одной из групп элементов.
Испытания ДРК
В ходе комплексных испытаний была проверена совместимость работы оборудования и получены основные радиометрические параметры, такие как разрешающая способность, а также определены максимальные толщины, которые можно контролировать с помощью данного оборудования [3].
Проверка разрешающей способности комплекса проводилась на тестовых объектах, расположенных на расстоянии 2 м (приблизительно центр исследуемого грузового автотранспортного средства) от чувствительной области модульной детекторной линейки. Тестовый объект представлял собой набор стальных пластин толщиной 10 и 6 мм, длиной и шириной 400 мм, за которыми размещался набор из 14 стальных проволочек диаметрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18 и 20 мм. Измерения проводились как на линейках высокого разрешения, так и высокой чувствительности.
Последовательность измерений была следующей: составлялись стальные пластины определенной толщины, за которыми размещался полный набор стальных проволочек. Затем портал с радиометрической аппаратурой, установленной на штатных местах, проезжал вдоль данного тестового объекта с номинальной скоростью. На полученных теневых изображениях после программной обработки определялась проволочка с минимальным диаметром (рис. 5). Толщина слоя стальных пластин варьировалась от 60 до 260 мм.
Рис. 5. Интроскопическое изображение полного набора тестовых проволочек (14, две из них диаметром 1-2 мм - не различимы) различного диаметра за железным барьером толщиной 140 мм. Минимальный диаметр видимой проволочки равен 3 мм
На основе результатов измерений, представленных в табл. 2, можно сделать вывод, что чувствительность досмотрового радиометрического комплекса не уступает зарубежным аналогам [4].
Таблица 2 Результаты тестовых испытаний
Толщина слоя из стальных пластин, мм Минимальный диаметр видимой проволочки, мм
Детекторная линейка высокого разрешения Детекторная линейка высокой чувствительности
60 1 3
100 2 3
140 3 5
200 6 8
240 - 10
250 8 -
260 - 14
Основные преимущества ДРК (реализованы впервые на аналогичных установках):
- исключены мертвые зоны при досмотре исследуемого объекта за счет получения теневых изображений с трех различных ракурсов;
- позволяет проводить анализ подозрительных областей для нелегального провоза грузов с применением методики распознавания групп элементов с близким атомным номером в режиме реального времени;
- повышена эффективность контроля исследуемых объектов за счет использования трехмерного изображения посредством стереовидения.
Проверялась также эффективность математических алгоритмов обработки теневого изображения с помощью разработанного программного обеспечения. Для этого было получено теневое изображение грузового автомобиля. Результаты этих измерений представлены на рис. 6.
Основные преимущества ДРК
Досмотровый радиометрический комплекс предназначен для контроля крупногабаритных автотранспортных средств и грузов на наличие запрещенных к перевозке веществ и предметов и обеспечивает высокий уровень выявляемости недекларированных товаров, прежде всего оружия, взрывчатых и делящихся веществ, взрывных устройств и т. п. ДРК успешно прошел государственные испытания и в настоящее время находится в эксплуатации.
Рис. 6. Интроскопическое изображение кабины грузовика после программной обработки (внутри находился манекен)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ворогушин, М.Ф. Новое поколение линейных ускорителей электронов для радиографии, интроскопии и томографии [Текст] / М.Ф. Ворогушин, Ю.Н. Гавриш, В.П. Багриевич [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Сер.
«Электрофизическая аппаратура». - 2002. - Т. 27. -№ 1. - С. 24.
2. Shiff, L.I. Energy-angle distribution of thin target bremsstrahlung [Text] / L.I. Shiff // Phys. Rev. -1951. - Vol. 83. - № 2. - P. 252-253.
3. ASTM E747 - 2004. Standard practice for design, manufacture and material grouping classification of wire image quality indicators (IQI) used for radiology [Text] // Book of Standards. - ASTM Int., 2004. - 1440 p.
4. Heimann CargoVision. X-ray inspection systems [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http//www.heimanncargovision.com.
УДК 535.41, 535.39.01
Г.А. Кафидова, Д. В. Мокрова
ВОЗМОЖНОСТИ НЕКОНТАКТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СПЕКЛ-ДАТЧИКОМ
Важнейшей системой, обеспечивающей жизнедеятельность организма, является сердечнососудистая система (ССС). Ее болезни широко распространены, но в силу огромной компенсаторной способности сердца далеко не все проявляются выраженными симптомами и поэтому не диагностируются традиционными методами. В связи с этим актуально создание приборов и систем оперативного контроля состояния ССС человека и животных. При этом следует отдавать предпочтение приборам, основанным на неинвазивных и бесконтактных методах измерения.
Оценить деятельность ССС можно путем регистрации механических, акустических и биоэлектрических проявлений сердечной деятельности. Среди инструментальных методов, позволяющих это осуществить, широко применяются электрокардиография (ЭКГ) и методы, основанные на регистрации пульсовой волны.
Одним из многообещающих методов регистрации пульсовой волны признается метод неконтактной когерентно-оптической регистрации, основанный на принципах оптики спеклов. Перспективность внедрения аппаратуры на его основе в практическую медицину объясняется его неинвазивностью, то есть он позволяет определять диагностические показатели без нарушения целостности кожных покровов и слизистых оболочек организма, что, в частности, снижает требования к стерильности окружающей среды (неприспособленные помещения и полевые условия для человека, фермы, пастбища для животных).
Получение информационных сигналов неконтактным методом основано на следующих явлениях. Рассеяние когерентного излучения на шеро-
ховатых поверхностях, в том числе на биотканях, приводит к формированию в отраженном световом потоке спекл-поля [1]. Спеклы - это световые пятна, хаотически расположенные в плоскости наблюдения. Если рассеивающий объект находится в движении, то спекл-структура также меняется во времени и пространстве. Взаимосвязь динамики объекта, рассеивающего лазерное излучение, и статистических свойств формирующегося при этом спекл-поля позволяет детектировать необходимый сигнал.
Цель данного исследования - разработка лабораторной модели неконтактного дифференциального лазерного оптоэлектронного спекл-дат-чика формы пульсовой волны, а также пульсовых последовательностей.
Возможной практической реализацией преобразователя пульсовых волн неконтактного типа в сигнал является датчик, регистрировующий изменения интенсивности спекл-поля, которое формируется за счет оптического рассеяния лазерного излучения кожей человека в области источника пульса. Вариант построения такого датчика был рассмотрен в статье [2]. Работоспособность предложенной модели была подтверждена измерениями артериальных пульсовых волн у волонтеров.
Как показали проведенные измерения, в области малых значений амплитуд вибраций регистрация пульсовой волны таким датчиком оказалась затруднительной, кроме того, схема проявила высокую чувствительность к внешним вибрациям и засветкам. Преодолеть эти недостатки можно путем использования оптической дифференциальной методики регистрации пульсовой волны. Датчики, работа которых основана на такой методике,
