RU2171980C2 - Method for identifying chemical composition of objects by x-ray attenuation - Google Patents

Abstract

FIELD: sampled roentgen engineering; non-destructive inspection of objects. SUBSTANCE: method depends on X-raying of objects, recording of rays incident on and passed through the latter, comparison of distinguishing characteristics (mass coefficients of X-ray attenuation) obtained in measurements with those of known materials, and display of results on monitor. Spectral intensity of rays incident on and passed through object is proposed to be measured for each element of spatial resolution of n-component object volume with n + 1 sample energy value. Identification is made by sequential retrieval of n materials from data bank and processing of measurement results until desired conformity between measurement results and characteristics determined by data on expected composition of object is attained. Modified method for identifying probable content of arbitrary component in object on the background of residue of lightweight elements is proposed that involves measurement of spectral radiation intensity at three sample energy values. EFFECT: provision for identifying composition of multicomponent object by means of rays. 4 cl

Description

Изобретение относится к области цифровой рентгеновской техники и может быть использовано для неразрушающего контроля объектов. The invention relates to the field of digital x-ray technology and can be used for non-destructive testing of objects.

Известны способы рентгеновского химического анализа веществ, основанные на определении положения на энергетической шкале характеристических линий поглощения или испускания рентгеновских квантов химическими элементами и использующие спектральное разложение рентгеновского излучения с помощью дифракционных решеток (см. 1. Вольдсет Р. Прикладная спектроскопия рентгеновского излучения. М. Атомиздат, 1977 г.). Эти способы работоспособны при относительно небольших энергиях рентгеновских квантов, требуют специальной пробоподготовки малых навесок вещества и используются при лабораторном элементном анализе проб. Known methods of x-ray chemical analysis of substances based on determining the position on the energy scale of characteristic lines of absorption or emission of x-rays by chemical elements and using the spectral decomposition of x-rays using diffraction gratings (see 1. Woldset R. Applied X-ray spectroscopy. M. Atomizdat, 1977). These methods are efficient at relatively low energies of x-ray quanta, require special sample preparation of small samples of the substance, and are used in laboratory elemental analysis of samples.

Известны устройства распознавания наркотиков, взрывчатых веществ и других вложений при неразрушающем контроле грузов и багажа (см. 2 Проспект на устройства Linescan фирмы EG & G Astrophysics. 3. Патент РФ N 2115914, кл. G 01 N 23/04; 9/24.). В этих устройствах объект, размещенный на транспортном конвейере, перемещают в камере через зону облучения узким веерным лучом, который создают с помощью точечного источника тормозного рентгеновского излучения со специальным коллиматором. Излучение источника в отсутствии объекта и прошедшее через объект излучение регистрируют системой фотоприемников, расположенных в ряд на противоположной от источника стороне за конвейером в зоне действия веерного луча. Перед системой фотоприемников устанавливают, как правило, дополнительный коллиматор для отсечки рассеянного объектом излучения и выделения первичного излучения источника, прошедшего через объект. При перемещении объекта конвейером и соответствующем считывании сигналов с системы фотоприемников последовательно контролируют все части объекта. Known devices for recognizing drugs, explosives and other investments in non-destructive testing of goods and luggage (see 2 Prospectus for Linescan devices from EG & G Astrophysics. 3. RF patent N 2115914, CL G 01 N 23/04; 9/24. ) In these devices, an object placed on a transport conveyor is moved in the chamber through the irradiation zone by a narrow fan beam, which is created using a point source of inhibitory x-ray radiation with a special collimator. The radiation of the source in the absence of the object and the radiation transmitted through the object are recorded by a system of photodetectors located in a row on the opposite side from the source behind the conveyor in the area of the fan beam. As a rule, an additional collimator is installed in front of the photodetector system to cut off the radiation scattered by the object and to isolate the primary radiation of the source that has passed through the object. When moving an object with a conveyor and corresponding reading of signals from the photodetector system, all parts of the object are successively monitored.

В устройствах Linescan, мода E, каждый фотоприемник состоит из двух фотодетекторов, выполненных на основе оптоэлектронных пар сцинтиллятор + фотодиод и размещенных друг за другом по лучу зондирования так, что первый фотодетектор является фильтром рентгеновского излучения по отношению ко второму и регистрирует преимущественно низкоэнергетическую часть спектра рентгеновского излучения, а второй фотодетектор, наоборот, регистрирует преимущественно высокоэнергетическую часть спектра излучения, прошедшего через первый фотодетектор. In Linescan devices, mode E, each photodetector consists of two photodetectors made on the basis of scintillator + photodiode optoelectronic pairs and placed one after another along the probe beam so that the first photodetector is an X-ray filter with respect to the second and registers mainly the low-energy part of the X-ray spectrum radiation, and the second photodetector, on the contrary, registers mainly the high-energy part of the spectrum of radiation transmitted through the first photodetector.

В патенте РФ N 211 59 14 ряд фотодетекторов, состоящих из одиночных пар сцинтиллятор + фотодиод, снабжен пластинчатыми фильтрами, размещенными перед элементарными фотодетекторами через один детектор. При этом затененные пластинчатыми фильтрами фотодетекторы регистрируют преимущественно высокоэнергетическую часть излучения, а незатененные - весь спектр падающего на фотоприемники излучения. По сути, разностный сигнал двух соседних фотодетекторов и сигнал на выходе затененного детектора оказываются полностью подобными сигналам первого и второго детекторов в упомянутых устройствах Linescan, работающих в режиме моды E. In RF patent N 211 59 14, a series of photodetectors consisting of single scintillator + photodiode pairs is equipped with plate filters placed in front of elementary photodetectors through one detector. In this case, photodetectors shaded by plate filters register mainly the high-energy part of the radiation, and unshaded ones record the entire spectrum of radiation incident on photodetectors. In fact, the difference signal of two neighboring photodetectors and the signal at the output of the shaded detector turn out to be completely similar to the signals of the first and second detectors in the mentioned Linescan devices operating in mode E.

В обоих вариантах устройств таким образом формируют два ряда сигналов, зависящих от спектра, прошедшего через объект первичного излучения, и два ряда сигналов с тех же фотодетекторов в отсутствии объекта, используемых для нормировки. Полученные ряды сигналов оцифровывают и направляют в вычислительное устройство, где осуществляют их совместную обработку, в процессе которой сопоставляют измеренные величины рядов сигналов с отличительными (классифицирующими) характеристиками веществ, которые должны быть заранее измерены или вычислены. Как правило, для рапознавания используют отношение значений нормированных сигналов, соответствующих двум разделенным спектрам, или отношение логарифмов этих величин для каждого пространственного элемента разрешения объема объекта. Результаты анализа представляют на экране монитора в виде псевдоцветного изображения объекта, окрашенного в соответствии с найденным химическим составом его частей. In both versions of the devices, two rows of signals are thus formed, depending on the spectrum that has passed through the primary radiation object, and two rows of signals from the same photodetectors in the absence of the object used for normalization. The resulting series of signals are digitized and sent to a computing device, where they are jointly processed, during which the measured values of the series of signals are compared with the distinctive (classifying) characteristics of substances that must be measured or calculated in advance. As a rule, the ratio of the values of normalized signals corresponding to two separated spectra, or the ratio of the logarithms of these quantities for each spatial element of the resolution of the volume of the object is used for recognition. The results of the analysis are presented on the monitor screen in the form of a pseudo-color image of an object painted in accordance with the found chemical composition of its parts.

Таким образом, в обоих вариантах устройств реализован один и тот же способ распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения, основанный на их облучении тормозным излучением рентгеновского источника; регистрации падающего на объект и прошедшего через него первичного излучения многоканальной системой фотоприемников с формированием рядов сигналов, зависящих от энергетического спектра, прошедшего через объект излучения, путем разделения спектра прошедшего первичного излучения; совместной цифровой обработке сигналов и сопоставлении их с заранее измеренными или вычисленными отличительными характеристиками представляющих интерес химических компонент (соединений или элементов) с учетом реализованного в устройстве разделения спектра прошедшего излучения и формировании на мониторе полутонового псевдоцветного изображения объекта с окраской в соответствии с найденным химическим составом его частей. Thus, in both versions of the devices, the same method is implemented for recognizing the chemical composition of objects by attenuating x-ray radiation based on their irradiation with bremsstrahlung of an x-ray source; registration of the incident radiation incident on the object and transmitted through it by a multi-channel photodetector system with the formation of a series of signals depending on the energy spectrum transmitted through the radiation object by dividing the spectrum of the transmitted primary radiation; joint digital processing of signals and comparing them with pre-measured or calculated distinctive characteristics of chemical components (compounds or elements) of interest, taking into account the transmitted radiation implemented in the device for spectrum separation and the formation of a halftone pseudocolor image of the object with coloring in accordance with the found chemical composition of its parts .

Важно отметить, что процедура распознавания осуществляется независимо для каждого элемента объекта, соответствующего элементу пространственного разрешения системы регистрации. It is important to note that the recognition procedure is carried out independently for each element of the object corresponding to the spatial resolution element of the registration system.

Изложенный способ распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения рассматривается нами как ближайший прототип заявляемого изобретения. Основным недостатком этого способа является то, что он применим для распознавания химического состава объектов или их частей, состоящих только из одной химической компоненты по лучу зондирования. В случае сложных объектов, состоящих из нескольких химических компонент по лучу зондирования, таким способом в лучшем случае можно осуществить только грубую классификацию объектов или их частей по типу: металл - неметалл, легкие - средние - тяжелые элементы и т. п., как это изложено в проспекте на устройства Linescan. The described method for recognizing the chemical composition of objects by attenuating x-ray radiation by them is considered by us as the closest prototype of the claimed invention. The main disadvantage of this method is that it is applicable for recognizing the chemical composition of objects or their parts, consisting of only one chemical component by sounding beam. In the case of complex objects consisting of several chemical components according to the sounding beam, in this way at best it is possible to carry out only a rough classification of objects or their parts according to the type: metal - non-metal, light - medium - heavy elements, etc., as described in the prospectus for Linescan devices.

Целью предлагаемого изобретения является решение задачи распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения, включая ситуации, когда объект или его часть содержат несколько химических компонент по лучу зондирования. The aim of the invention is to solve the problem of recognizing the chemical composition of objects by attenuating x-ray radiation, including situations when an object or part of it contains several chemical components by sounding beam.

Заявленная цель достигается тем, что в способе, основанном на облучении объекта тормозным излучением рентгеновского источника, регистрации падающего на объект и прошедшего через объект излучения с помощью многоканальной системы фотоприемников с формированием рядов сигналов, зависящих от энергетического спектра прошедшего через объект излучения, совместной цифровой обработке сигналов и сопоставлении их с заранее измеренными или вычисленными значениями отличительных характеристик представляющих интерес химических компонент и представлении информации на мониторе, для каждого элемента объема объекта, состоящего из n химических компонент, измеряют спектральную интенсивность падающего на объект и прошедшего через объект первичного излучения при (n+1) значениях энергии квантов из спектра используемого излучения, а в качестве отличительных признаков химических компонент используют значения их массовых коэффициентов ослабления рентгеновского излучения при упомянутых значениях энергии квантов. Эти коэффициенты должны быть вычислены или измерены заранее для всех представляющих интерес химических компонент и заложены в сформированный таким образом банк данных. Для распознавания химического состава рассматриваемого элемента объема объекта осуществляют случайные выборки по n компонент из банка данных и совместную обработку результатов измерений с использованием характеристик упомянутых компонент до достижения удовлетворительного согласия в пределах ошибок измерений между полученными из измерений показателями ослабления излучения и показателями ослабления, обусловленными данным предлагаемым химическим составом объекта для выбранных энергий квантов. The stated goal is achieved by the fact that in a method based on irradiating an object with a bremsstrahlung of an x-ray source, registering the radiation incident on the object and passing through the object using a multi-channel photodetector system with the formation of a series of signals depending on the energy spectrum of the radiation transmitted through the object, joint digital signal processing and comparing them with pre-measured or calculated values of the distinctive characteristics of the chemical components of interest and putting information on the monitor, for each element of the object’s volume, consisting of n chemical components, measure the spectral intensity of the primary radiation incident on the object and transmitted through the object at (n + 1) values of the quantum energy from the spectrum of the radiation used, and as distinctive features of the chemical components using the values of their mass attenuation coefficients of the x-ray radiation at the mentioned values of the energy of quanta. These coefficients must be calculated or measured in advance for all chemical components of interest and stored in the data bank thus formed. To recognize the chemical composition of the considered element of the volume of the object, random sampling of n components from the data bank and joint processing of the measurement results using the characteristics of the mentioned components are achieved until satisfactory agreement is achieved within the measurement errors between the radiation attenuation parameters obtained from the measurements and the attenuation indicators due to this proposed chemical the composition of the object for the selected quantum energies.

По завершении процедуры распознавания определяют относительное количественное содержание каждой из компонент в объекте. Upon completion of the recognition procedure, the relative quantitative content of each of the components in the object is determined.

При изложенном выше способе распознавания выбор значений спектральных интенсивностей на энергетической шкале спектра излучения жестко привязан к настройке измерительного оборудования, что не всегда оптимально для конкретной задачи распознавания. Более универсальным является подход, когда спектральные интенсивности излучения измеряют в таком числе точек на энергетической шкале, которое достаточно для восстановления по стандартным процедурам с допустимой погрешностью самих спектров падающего на объект и прошедшего через объект излучения. В этом случае требуемые значения спектральных интенсивностей могут быть найдены из восстановленных спектров и при значениях энергий квантов, более подходящих для решения конкретной задачи распознавания. With the above recognition method, the choice of spectral intensities on the energy scale of the radiation spectrum is rigidly tied to the setup of the measuring equipment, which is not always optimal for a specific recognition task. A more universal approach is when the spectral intensities of radiation are measured at such a number of points on the energy scale that is sufficient for reconstruction using standard procedures with an allowable error of the spectra themselves incident on the object and transmitted through the object. In this case, the required values of the spectral intensities can be found from the reconstructed spectra even at quantum energies that are more suitable for solving a specific recognition problem.

Если не ставится задача определения количественных характеристик содержания химических компонент в объекте, то в качестве отличительных характеристик химических компонент могут быть использованы отношения их массовых коэффициентов ослабления при n значениях энергии квантов к значениям этих коэффициентов при (n+1)-ом значении энергии квантов. If the task is not to determine the quantitative characteristics of the content of chemical components in an object, then as the distinguishing characteristics of chemical components, the ratios of their mass attenuation coefficients at n values of the quantum energy to the values of these coefficients at the (n + 1) th value of the quantum energy can be used.

Поскольку отношения массовых коэффициентов при разных энергиях квантов для одной и той же химической компоненты могут быть найдены по значениям ее эффективного атомного номера, являющегося медленной функцией энергии зондирующих квантов, то вместо упомянутых отношений в качестве классифицирующих характеристик компонент могут быть использованы значения этого специальным образом определенного эффективного номера при выбранных энергиях квантов. Since the ratios of the mass coefficients at different quantum energies for the same chemical component can be found from the values of its effective atomic number, which is a slow function of the energy of the probing quanta, instead of the mentioned relations, the values of this specially determined effective numbers at selected quantum energies.

Эффективный атомный номер может быть определен для любого набора химических элементов, не обязательно соответствующего определенному химическому веществу. Если объект может быть представлен состоящим из какой-либо химической компоненты, содержащейся в упомянутом выше банке данных, и неопределенного остатка, а значения энергий, при которых определяются необходимые для распознавания спектральные интенсивности излучения, выбраны так, что изменением эффективного атомного номера остатка в пределах используемого спектра можно пренебречь, то оказывается, что это позволяет определить возможность содержания в объекте любой химической компоненты из банка данных и ослабление излучения, обусловленное более легким остатком, из измерений спектральных интенсивностей падающего на объект и прошедшего через объект излучения при трех энергиях квантов из спектра используемого излучения. An effective atomic number can be determined for any set of chemical elements that do not necessarily correspond to a specific chemical substance. If an object can be represented as consisting of any chemical component contained in the above database and an indefinite remainder, and the energies at which the spectral radiation intensities necessary for recognition are determined are chosen so that by changing the effective atomic number of the remainder within the limits used spectrum can be neglected, it turns out that this allows us to determine the possibility of containing any chemical component in the object from the data bank and attenuation of radiation, which is a lighter residue from measurements of the spectral intensities of the radiation incident on the object and transmitted through the object at three quantum energies from the spectrum of the radiation used.

Переход к измерениям спектральных интенсивностей излучений, использование в качестве отличительных признаков химических компонент физически значимых их характеристик и предложенная процедура отбора гипотез о химическом составе элементов объема объекта позволяют строго решить задачу распознавания химического состава многокомпонентного объекта. Все выделенные признаки являются существенными для решения поставленной задачи. При этом под отдельной химической компонентой подразумевается, либо химическое соединение, либо отдельный химический элемент, либо смесь из химических соединений и/или элементов с заданными концентрациями ингредиентов, отличительные характеристики которой могут быть вычислены из банка данных. The transition to measurements of the spectral intensities of radiation, the use of physically significant characteristics as the distinguishing features of the chemical components and the proposed procedure for selecting hypotheses about the chemical composition of the object’s volume elements make it possible to strictly solve the problem of recognizing the chemical composition of a multi-component object. All selected features are essential for solving the task. Moreover, a separate chemical component is understood to mean either a chemical compound, or a separate chemical element, or a mixture of chemical compounds and / or elements with predetermined concentrations of ingredients, the distinctive characteristics of which can be calculated from a data bank.

В контексте данного способа распознавания не имеет значения, выполнена ли система фотоприемников в виде одного ряда или в виде двумерной матрицы либо применен только один фотоприемник, поскольку процедуру распознавания осуществляют для каждого пространственного элемента объема объекта, ограниченного размерами зондирующего луча, принимаемого рассматриваемым фотоприемником. Однако необходимо, чтобы химический состав объекта в пределах любого поперечного сечения этого элемента объема можно было считать однородным. Важно обеспечить также отсечку рассеянного объектом излучения на входе системы фотоприемников. In the context of this recognition method, it does not matter whether the photodetector system is made in the form of a single row or in the form of a two-dimensional matrix, or only one photodetector is used, since the recognition procedure is carried out for each spatial element of the object’s volume, limited by the dimensions of the probe beam received by the photodetector under consideration. However, it is necessary that the chemical composition of the object within any cross-section of this volume element can be considered uniform. It is also important to ensure that the radiation scattered by the object is cut off at the input of the photodetector system.

Сущность заявленного изобретения состоит в следующем. При облучении объекта или его части рентгеновским излучением спектральная интенсивность I_j прошедшего излучения при энергии квантов E_j из спектра излучения равна
I_j(E_j)=I_o(E_j)exp[- α (E_j), (1)
где I_o(E_j) - спектральная интенсивность падающего на объект излучения;
α (E_j) - показатель ослабления излучения объектом при энергии квантов E_j.The essence of the claimed invention is as follows. When an object or part of it is irradiated with X-ray radiation, the spectral intensity I _{j of} transmitted radiation at a quantum energy E _j from the radiation spectrum is
I _j (E _j ) = I _o (E _j ) exp [- α (E _j ), (1)
where I _o (E _j ) is the spectral intensity of the radiation incident on the object;
α (E _j ) - an indicator of attenuation of radiation by an object at a quantum energy E _j .

Осуществим нормировку измеряемой спектральной интенсивности прошедшего излучения по спектральной интенсивности падающего на объект излучения и введем сокращение
β_j= -ln[I_j(E_j)/I_o(E_j)]. (2)
Комбинируя выражения (1) и (2), получим
β_j= α(E_j). (3)
Видно, что показатель ослабления прошедшего через объект излучения при энергии квантов E_j определяется из измерений спектральных интенсивностей прошедшего через объект и падающего на объект излучений при той же энергии квантов. Но показатель ослабления излучения α (E_j) равен (см. 3. И.К. Кикоин, ред. Таблицы физических величин, стр. 809. М., Атомиздат, 1976 г.)

где n - число химических компонент в элементе объема объекта, соответствующем рассматриваемому фотоприемнику, или, что равнозначно, число химических компонент в элементе объема объекта по лучу зондирования, попадающему в приемную апертуру рассматриваемого фотоприемника;
α_k(E_j) - частный показатель ослабления излучения, обусловленный присутствием на пути зондирующего луча к-й химической компоненты;
m_к - массовый набег по лучу зондирования для к-й химической компоненты;
μ_k(E_j) - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения при энергии квантов E_j для к-й химической компоненты.Let us normalize the measured spectral intensity of the transmitted radiation according to the spectral intensity of the radiation incident on the object and introduce the reduction
β _j = -ln [I _j (E _j ) / I _o (E _j )]. (2)
Combining expressions (1) and (2), we obtain
β _j = α (E _j ). (3)
It can be seen that the attenuation coefficient of the radiation transmitted through the object at the quantum energy E _j is determined from measurements of the spectral intensities of the radiation transmitted through the object and incident on the object at the same quantum energy. But the radiation attenuation coefficient α (E _j ) is equal to (see 3. I.K. Kikoin, red. Tables of physical quantities, p. 809. M., Atomizdat, 1976)

where n is the number of chemical components in the volume element of the object corresponding to the photodetector under consideration, or, equivalently, the number of chemical components in the volume element of the object according to the sounding beam falling into the receiving aperture of the photodetector under consideration;
α _k (E _j ) is a particular indicator of radiation attenuation due to the presence of the k-th chemical component in the path of the probe beam;
m _to - mass raid on the probe beam for the k-th chemical component;
μ _k (E _j ) is the mass attenuation coefficient of x-rays at a quantum energy E _j for the k-th chemical component.

Анализируя подобным образом все спектральные каналы рассматриваемого фотоприемника и учитывая (4), получим систему линейных уравнений для определения массовых набегов для всех химических компонент рассматриваемого элемента объема объекта, поскольку массовые коэффициенты μ_k считаются известными из упомянутого выше банка данных:

Но система уравнений (5) может иметь решения для большого числа выборок по n компонент из банка данных. Необходимо только, чтобы определитель (детерминант) системы уравнений (5) отличался от нуля:

Это условие выполняется автоматически, если значения упомянутых выше энергий квантов выбраны так, чтобы для всех химических компонент измеримый вклад в величину их массовых коэффициентов ослабления излучения вносили оба основных процесса ослабления рентгеновского излучения в веществе: рассеяние и фотоэффект. При выполнении условия (6) решения уравнений (5) суть следующие:

где D_к - определитель, который получается из определителя D путем замены его к-го столбца на столбец, составленный из величин (β₁,β₂...β_n)

Процедура распознавания заключается в том, что из всех решений выбирают такие, чтобы
m_к≥0 (8)
α_k≥0 (8a)
Отобранные на этом этапе решения подставляют в (4) при (n+))-м значении энергии квантов:

При правильно найденном химическом составе элемента объема объекта и отсутствии ошибок измерений соотношение (9) превращается в тождество, что и решает вопрос о химическом составе рассматриваемого элемента объекта. Однако из-за ошибок измерений ситуация требует дальнейшего анализа.By analyzing in a similar manner all the spectral channels of the photodetector under consideration and taking into account (4), we obtain a system of linear equations for determining the mass raids for all chemical components of the object volume element under consideration, since the mass coefficients μ _k are considered to be known from the above-mentioned data bank:

But the system of equations (5) can have solutions for a large number of samples of n components from the data bank. It is only necessary that the determinant (determinant) of the system of equations (5) be different from zero:

This condition is satisfied automatically if the values of the quantum energies mentioned above are chosen so that for all chemical components a measurable contribution to the magnitude of their mass attenuation coefficients is made by both the main processes of attenuation of X-ray radiation in matter: scattering and photoelectric effect. When condition (6) is satisfied, the solutions of equations (5) are as follows:

where D _к is the determinant that is obtained from the determinant D by replacing its k-th column with a column composed of (β ₁ , β ₂ ... β _n )

The recognition procedure consists in choosing from such solutions that
m _to ≥0 (8)
α _k ≥0 (8a)
The solutions selected at this stage are substituted into (4) at (n +)) - m value of the quantum energy:

If the chemical composition of the volume element of the object is correctly found and there are no measurement errors, relation (9) turns into an identity, which solves the chemical composition of the object element under consideration. However, due to measurement errors, the situation requires further analysis.

Перепишем соотношение (9) в виде

Видно, что левая часть (9) есть линейная функция переменных (β₁,β₂,...β_n,β_n+1). Введем n+1 - мерную систему координат, осями которой являются переменные β₁,β₂,β₃,...β_n,β_n+1. B этой системе координат соотношение (10) задает n-медную поверхность, проходящую через начало координат, углы наклона которой к соответствующим осям определяются значениями коэффициентов μ_k(E_j). Каждому набору химических компонент соответствует своя поверхность. В идеальном случае при отсутствии ошибок измерений и при правильном определении химического состава элемента объекта эта поверхность содержит точку M(β₁,β₂,...β_n,β_n+1). В действительности, из-за ошибок измерений или при неправильном определении химического состава точка M(β₁,β₂,...β_n+1) будет лежать вне поверхности (10). Но кратчайшее расстояние от этой точки до поверхности пропорционально

Значение ε при переборе всех возможных комбинаций химических компонент из банка данных в процессе распознавания есть мера близости рассматриваемой комбинации к истинному химическому составу рассматриваемого элемента объекта. Правильно найденный этот состав соответствует минимально возможному значению ε, определяемому ошибками измерений. При конкретном применении предлагаемого способа распознавания значение величины ε выбирают исходя из анализа ошибок измерений и требуемой надежности распознавания.We rewrite relation (9) in the form

It is seen that the left-hand side of (9) is a linear function of variables (β ₁ , β ₂ , ... β _n , β _{n + 1} ). We introduce an n + 1 - dimensional coordinate system whose axes are the variables β ₁ , β ₂ , β ₃ , ... β _n , β _{n + 1} . In this coordinate system, relation (10) defines an n-copper surface passing through the origin, the angles of inclination of which to the corresponding axes are determined by the values of the coefficients μ _k (E _j ). Each set of chemical components has its own surface. In the ideal case, in the absence of measurement errors and with the correct determination of the chemical composition of an object element, this surface contains a point M (β ₁ , β ₂ , ... β _n , β _{n + 1} ). In fact, due to measurement errors or incorrect determination of the chemical composition, the point M (β ₁ , β ₂ , ... β _{n + 1} ) will lie outside the surface (10). But the shortest distance from this point to the surface is proportional

The value of ε when enumerating all possible combinations of chemical components from the data bank during the recognition process is a measure of the proximity of the combination in question to the true chemical composition of the element in question. Correctly found this composition corresponds to the minimum possible value of ε, determined by measurement errors. In a specific application of the proposed recognition method, the value of ε is selected based on the analysis of measurement errors and the required recognition reliability.

После того как с помощью изложенной процедуры найдены химический состав и значения массовых набегов для всех компонент и для всех элементов объема объекта, определяют относительное распределение к-й компоненты по объему

и относительное содержание к-й компоненты в объекте

где N - число пространственных элементов разрешения при анализе объекта.After using the above procedure, the chemical composition and values of the mass raids for all components and for all elements of the volume of the object are found, determine the relative distribution of the k-th component by volume

and relative content of the k-th component in the object

where N is the number of spatial resolution elements in the analysis of the object.

Анализ выражений (4)-(11) показывает, что величины α_k(E_j) и правило отбора гипотез о химическом составе объекта могут быть выражены через отношения массовых коэффициентов ослабления излучения химическими компонентами при энергиях квантов E₁, E₂, E₃, ...,E_n к их массовым коэффициентам при значении энергии E_n+1:

Но эти отношения могут быть представлены в виде (см.4. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. Москва, ИЛИ, 1956 г. 5. Гусев Н. Г., Климатов В. А. , Макович В. И. , Суворов А. И. Физические основы защиты от излучений. Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.):

в ( γ ) - некоторая универсальная быстро спадающая функция энергии квантов:

Z_эфф (E) - эффективный атомный номер химической компоненты, или обобщенная характеристика рассматриваемой химической компоненты, являющаяся медленной возрастающей функцией энергии квантов:

g(z)=1+0,01481l_n ²Z-0,000788l_n ³Z, (19)
I=0,5•Z²E_o/137², (20)
γ = E/E_o, (21)
E_o - энергия покоя электрона,
N_i - число химических элементов сорта i, входящих в химическую компоненту,
Z_i - атомные номера элементов сорта i.An analysis of expressions (4) - (11) shows that the quantities α _k (E _j ) and the rule for selecting hypotheses about the chemical composition of an object can be expressed in terms of the ratios of the mass coefficients of radiation attenuation by chemical components at quantum energies E ₁ , E ₂ , E ₃ , ..., E _n to their mass coefficients at an energy value of E _{n + 1} :

But these relations can be represented in the form (see 4. Geithler V. Quantum Theory of Radiation. Moscow, OR, 1956 5. Gusev N. G., Klimatov V. A., Makovich V. I., Suvorov A. I. Physical principles of radiation protection, Moscow, Energoatomizdat, 1989):

in (γ) is some universal rapidly decreasing function of the energy of quanta:

Z _eff (E) is the effective atomic number of the chemical component, or a generalized characteristic of the chemical component in question, which is a slow increasing function of the quantum energy:

g (z) = 1 + 0.01481l _n ² Z-0.000788l _n ³ Z, (19)
I = 0.5 • Z ² E _o / 137 ² , (20)
γ = E / E _o , (21)
E _o - rest energy of an electron,
N _i - the number of chemical elements of grade i included in the chemical component,
Z _i - atomic numbers of elements of grade i.

Произведение b(E_jZ_эфф ⁴(E_j) является отношением сечения фотоэффекта к сечению комптоновского рассеяния для рассматриваемого вещества при энергии квантов E_j.The product b (E _j Z _eff ⁴ (E _j ) is the ratio of the photoelectric effect cross section to the Compton scattering cross section for the substance in question at the quantum energy E _j .

Величина Z_эфф(E_j) может быть использована в качестве характеристики химической компоненты вместо отношений массовых коэффициентов ослабления излучения. Значения последних, необходимые для проведения процедуры распознавания, могут быть вычислены из выражения (13).The value of Z _eff (E _j ) can be used as a characteristic of the chemical component instead of the ratios of the mass attenuation coefficients of radiation. The values of the latter necessary for the recognition procedure can be calculated from expression (13).

Как показывает анализ, изменение величины Z_эфф при изменении энергии квантов мало для веществ, для которых выполняется условие
E>>I (22)
Так, для веществ, состоящих из химических элементов с атомными номерами Z ≲ 30, изменение Z_эфф не превышает 10% при изменении энергии квантов в пределах от 40 кэВ до 160 кэВ и во многих практически интересных случаях этим изменением можно пренебречь, то есть можно считать величину Z_эфф для данного вещества постоянной. Такая ситуация, например, возникает при обнаружении наркотиков или взрывчатых веществ в багаже авиапассажиров. В этом случае применим несколько другой подход. Именно, пусть объект состоит из какой-либо компоненты, характеристики которой содержатся в банке данных, и остатка, состоящего из химических элементов, для которых выполняется условие (22). Сама эта компонента может содержать произвольные химические элементы. Применим к такому объекту изложенную выше процедуру распознавания, полагая n=2, то есть считая его двухкомпонентным. Из выражений (7) (9) и (12) получим
α₁(E₁) = α₁(E₃)•μ₁(E₁)/μ₁(E₃), (23)
α₁(E₂) = α₁(E₃)•μ₁(E₂)/μ₁(E₃), (24)

β₃= α₁(E₃)+α₂(E₃), (27)
где

По условиям задачи

где Z_эфф - эффективный атомный номер остатка.As analysis shows, a change in Z _eff with a change in the quantum energy is small for substances for which the condition
E >> I (22)
So, for substances consisting of chemical elements with atomic numbers Z ≲ 30, the change in Z _eff does not exceed 10% when the quantum energy varies from 40 keV to 160 keV, and in many practically interesting cases this change can be neglected, i.e. the value of Z _eff for a given substance is constant. Such a situation, for example, occurs when drugs or explosives are found in the baggage of air passengers. In this case, a slightly different approach is applicable. Namely, let the object consist of some component, the characteristics of which are contained in the data bank, and the remainder, consisting of chemical elements for which condition (22) is fulfilled. This component itself may contain arbitrary chemical elements. We apply the recognition procedure described above to such an object by setting n = 2, i.e., considering it to be two-component. From expressions (7) (9) and (12) we obtain
α ₁ (E ₁ ) = α ₁ (E ₃ ) • μ ₁ (E ₁ ) / μ ₁ (E ₃ ), (23)
α ₁ (E ₂ ) = α ₁ (E ₃ ) • μ ₁ (E ₂ ) / μ ₁ (E ₃ ), (24)

β ₃ = α ₁ (E ₃ ) + α ₂ (E ₃ ), (27)
Where

According to the conditions of the problem

where Z _eff is the effective atomic number of the residue.

В штатной ситуации распознавания двухкомпонентных объектов, когда классифицирующие характеристики обеих компонент известны, величины α₁(E₃) и α₂(E₃) полностью определяются найденными из измерений значениями β₁ и β₂ и характеристиками компонент из банка данных, а уравнение (27) используется для отбора гипотез о составе объекта. В рассматриваемом же случае α₁(E₃) и α₂(E₃) оказываются зависящими от эффективного атомного номера остатка, который также неизвестен. Поэтому уравнение (17) нужно использовать для вычисления этого Z_эфф. Решая это уравнение, получим

S₁(1;3) = μ₁(E₁)/μ₁(E₃);
S₁(2;3) = μ₁(E₂)/μ₁(E₃).
Каждой компоненте, занесенной в банк данных, соответствуют свои значения отношений S₁ (1; 3) и S₁ (2; 3). Поэтому, предполагая случайную выборку компонент из банка данных при осуществлении процедуры распознавания, естественно потребовать, чтобы характеристики выбранной компоненты удовлетворяли условию
Z_эфф ⁴≥0 (32)
Далее, выбрав из банка данных компоненту, характеристики которой удовлетворяют условию (22), можно определить ожидаемые значения
α₂(E₁),α₂(E₂),α₂(E₃).
Из физических соображений необходимо потребовать при этом, чтобы
α₂(E₁)≥0;α₂(E₂)≥0;α₂(E₃)≥0. (33)
Эта же процедура затем может быть применена к остатку, поскольку вычислены показатели ослабления излучения, обусловленные остатком.In the standard situation of recognition of two-component objects, when the classification characteristics of both components are known, the values of α ₁ (E ₃ ) and α ₂ (E ₃ ) are completely determined by the values β ₁ and β ₂ and the characteristics of the components from the data bank found from the measurements, and equation (27 ) is used to select hypotheses about the composition of an object. In the case under consideration, α ₁ (E ₃ ) and α ₂ (E ₃ ) turn out to depend on the effective atomic number of the residue, which is also unknown. Therefore, equation (17) must be used to calculate this Z _eff . Solving this equation, we obtain

S ₁ (1; 3) = μ ₁ (E ₁ ) / μ ₁ (E ₃ );
S ₁ (2; 3) = μ ₁ (E ₂ ) / μ ₁ (E ₃ ).
Each component entered in the data bank has its own relations S ₁ (1; 3) and S ₁ (2; 3). Therefore, assuming a random selection of components from the data bank during the recognition procedure, it is natural to require that the characteristics of the selected component satisfy the condition
Z _eff ⁴ ≥0 (32)
Further, choosing a component from the data bank whose characteristics satisfy condition (22), we can determine the expected values
α ₂ (E ₁ ), α ₂ (E ₂ ), α ₂ (E ₃ ).
For physical reasons, it is necessary to require that
α ₂ (E ₁ ) ≥0; α ₂ (E ₂ ) ≥0; α ₂ (E ₃ ) ≥0. (33)
The same procedure can then be applied to the remainder, since the attenuation of radiation due to the remainder is calculated.

Нет никакой уверенности, что только одна компонента из банка данных удовлетворяет условиям (32) и (33). Однозначный ответ может быть получен только в рамках общего подхода для распознавания многокомпонентных объектов. В рассматриваемом же случае следует говорить лишь о возможности содержания в объекте компоненты, характеристики которой удовлетворяют условиям (32) и (33). Однако в практике часто возникает вопрос, содержит ли данный объект вполне определенную химическую компоненту. Например, содержит ли данный багаж наркотики или взрывчатое вещество. Тестируя объект рассматриваемым способом и используя классифицирующие характеристики наркотиков, взрывчатых веществ и т. п. , можно установить, выполняются ли при этом условия (32) и (33). Если эти условия не выполняются, объект не содержит искомых вложений. Если же они выполняются, то объект может содержать недозволенные вложения и необходим ручной досмотр, причем оператору может быть представлено ожидаемое распределение этих вложений по объему объекта. Отметим, что рассматриваемая процедура допускает, что недозволенные вложения могут быть упакованы в контейнеры, вещество которых входит в состав остатка. There is no certainty that only one component from the data bank satisfies conditions (32) and (33). An unambiguous answer can be obtained only within the framework of a general approach for the recognition of multicomponent objects. In the case under consideration, we should only talk about the possibility of containing a component in the object whose characteristics satisfy conditions (32) and (33). However, in practice the question often arises whether a given object contains a well-defined chemical component. For example, does the baggage contain drugs or explosives? By testing the object in the considered way and using the classifying characteristics of drugs, explosives, etc., it can be established whether conditions (32) and (33) are fulfilled. If these conditions are not met, the object does not contain the desired attachments. If they are performed, then the object may contain unauthorized investments and manual inspection is required, and the expected distribution of these investments by the volume of the object may be presented to the operator. Note that the procedure under consideration assumes that unauthorized investments can be packed in containers whose substance is part of the remainder.

При анализе реализуемости предлагаемого способа распознавания химического состава объектов основной вопрос связан с возможностью построения рентгеновских спектрометров, которые позволили бы осуществлять измерения спектральных интенсивностей излучения в непрерывном спектре тормозного излучения. Принципиальными являются требования к спектральной избирательности каналов спектрометров. Эти требования оказываются зависимыми от величины ослабления излучения объектом. Однако даже при ослаблении интенсивности излучения в сто раз допустимая ширина спектрального канала составляет ~10% от значения энергии, на которую настроен канал. Известна реализация спектрометров с такой избирательностью, например, на основе оптоэлектронных пар сцинтиллятор + фотодиод и многоканальных амплитудных анализаторов (см. 6. Вяземский В. О., Ломоносов И. М. и др. Сцинтилляционный метод в радиометрии. Москва, Атомиздат, 1961 г.). При этом оптоэлектронная пара должна работать в режиме счета отдельных фотонов. Применение таких режимов регистрации излучения для целей контроля известно из работы Крюгера (см. 7. Kruger R. P. IEEE Trans. Uncle. SCI, 1981, NS-28, N 2, p. 1721-1725). В этой работе был использован радиоактивный источник, имеющий узкую линию излучения, а для регистрации - счетчик квантов на основе оптоэлектронной пары сцинтиллятор + фотодиод. When analyzing the feasibility of the proposed method for recognizing the chemical composition of objects, the main question is related to the possibility of constructing X-ray spectrometers that would allow measurements of the spectral intensities of radiation in a continuous spectrum of bremsstrahlung. Fundamental are the requirements for spectral selectivity of the channels of spectrometers. These requirements turn out to be dependent on the amount of attenuation of radiation by the object. However, even when the radiation intensity decreases by a factor of one hundred, the permissible width of the spectral channel is ~ 10% of the energy value to which the channel is tuned. The implementation of spectrometers with such selectivity is known, for example, on the basis of scintillator + photodiode optoelectronic pairs and multichannel amplitude analyzers (see 6. Vyazemsky V.O., Lomonosov I.M. et al. Scintillation method in radiometry. Moscow, Atomizdat, 1961 .). In this case, the optoelectronic pair should operate in the counting mode of individual photons. The use of such radiation registration modes for control purposes is known from the work of Kruger (see 7. Kruger R. P. IEEE Trans. Uncle. SCI, 1981, NS-28, N 2, p. 1721-1725). In this work, a radioactive source with a narrow emission line was used, and for registration, a quantum counter based on an optoelectronic pair of scintillator + photodiode.

Важной проблемой при реализации предлагаемого способа распознавания является отделение прошедшего объект первичного излучения источника от рассеянного объектом излучения, особенно при использовании двумерной матрицы спектрометров для регистрации излучения. Кардинальные способы решения этой проблемы предложены в Заявке РФ N 99110841/09(011562) от 25 мая 1999 г. An important problem in the implementation of the proposed recognition method is the separation of the source transmitted by the primary radiation source from the radiation scattered by the object, especially when using a two-dimensional array of spectrometers for detecting radiation. Fundamental methods for solving this problem are proposed in RF Application N 99110841/09 (011562) of May 25, 1999.

Вычислительные процедуры, заложенные в предлагаемом способе, могут быть реализованы как на специализированных вычислительных устройствах, так и на персональных ЭВМ типа IBM PC AT. The computational procedures laid down in the proposed method can be implemented both on specialized computing devices and on personal computers such as IBM PC AT.

Исходя из изложенного, считаем, что реализуемость предлагаемого способа распознавания в целом доказана. Based on the foregoing, we believe that the feasibility of the proposed recognition method as a whole is proved.

Предлагаемые способы распознавания химического состава объектов могут быть использованы в таможенной службе для контроля грузов и багажа на предмет наличия контрабанды, в службе авиаперевозок для выявления взрывчатых веществ в багаже пассажиров, в нефтегазовой промышленности для контроля состава продуктов в нефте- и газопроводах и для контроля качества выходных продуктов на нефтеперерабатывающих предприятиях, в медицинской технике при создании рентгеновских аппаратов и томографов нового поколения. The proposed methods for recognizing the chemical composition of objects can be used in the customs service to control cargo and baggage for smuggling, in the air transportation service to detect explosives in the baggage of passengers, in the oil and gas industry to control the composition of products in oil and gas pipelines and to control the quality of weekends products at oil refineries, in medical equipment when creating new generation X-ray machines and tomographs.

Claims (4)

1. Способ распознавания химического состава объектов по ослаблению ими рентгеновского излучения, основанный на облучении объекта тормозным излучением рентгеновского источника, регистрации падающего на объект и прошедшего через объект излучения многоканальной системой фотоприемников с формированием рядов сигналов, зависящих от энергетического спектра прошедшего через объект излучения, совместной цифровой обработке и сопоставлении измеренных сигналов с заранее вычисленными или измеренными значениями отличительных характеристик представляющих интерес химических компонент и представлении результатов на мониторе, отличающийся тем, что для каждого пространственного элемента объема объекта, состоящего из n химических компонент, измеряют спектральные интенсивности падающего на объект и прошедшего через объект излучения при n+1 значении энергии квантов из используемого спектра излучения, в качестве отличительных характеристик химических компонент используют их массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения при упомянутых n+1 значениях энергии квантов, которые должны быть вычислены или измерены заранее и помещены в банк данных, осуществляют последовательно выборки по n компонент из упомянутого банка данных и совместную обработку результатов измерений с использованием отличительных характеристик выбранных компонент до достижения удовлетворительного согласия между полученными из измерений показателями ослабления излучения и показателями ослабления, обусловленными данным предполагаемым химическим составом объекта. 1. A method for recognizing the chemical composition of objects by attenuating x-ray radiation based on irradiating an object with bremsstrahlung of an x-ray source, detecting incident radiation on an object and transmitted through the object by a multi-channel photodetector system with the formation of a series of signals depending on the energy spectrum of the radiation transmitted through the object, joint digital processing and comparing the measured signals with pre-calculated or measured values of the distinctive characteristics n The chemical components of interest and the presentation of the results on a monitor, characterized in that for each spatial element of the object’s volume consisting of n chemical components, the spectral intensities of the radiation incident on the object and transmitted through the object at n + 1 quantum energy from the radiation spectrum used are measured, as the distinctive characteristics of the chemical components using their mass attenuation coefficients of x-rays at the above n + 1 values of the energy of quanta, which should be calculated or measured in advance and placed in the data bank, sequentially selects n components from the said data bank and jointly processes the measurement results using the distinctive characteristics of the selected components until a satisfactory agreement is reached between the radiation attenuation parameters obtained from the measurements and the attenuation indicators due to given estimated chemical composition of the object. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектральные интенсивности падающего на объект и прошедшего через объект излучения измеряют в таком числе точек по энергетической оси координат, которое достаточно для восстановления спектров, после чего из восстановленных спектров определяют спектральные интенсивности излучения при требуемых n+1 значениях энергии квантов. 2. The method according to claim 1, characterized in that the spectral intensities of the radiation incident on the object and transmitted through the object are measured at such a number of points along the energy axis of coordinates that is sufficient to restore the spectra, after which the spectral intensities of the radiation are determined from the reconstructed spectra for the required n +1 values of the energy of quanta. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что после распознавания химического состава объекта определяют относительное распределение найденных компонентов по объему объекта и относительное их содержание в объекте. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that after recognition of the chemical composition of the object, the relative distribution of the found components by the volume of the object and their relative content in the object is determined. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что объект представляют состоящим из какой-либо химической компоненты из банка данных и химически неопределенного остатка и определяют возможность содержания в объекте заданной или произвольно выбранной из банка данных химической компоненты из измерений спектральных интенсивностей падающего на объект и прошедшего через объект рентгеновского излучения при трех значениях энергии квантов из используемого спектра излучения. 4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the object is represented as consisting of any chemical component from a data bank and a chemically indefinite residue, and the possibility of containing a given or randomly selected chemical component from the measurements of the incident spectral intensities in the object from the data bank is determined on the object and the x-ray radiation transmitted through the object at three values of the quantum energy from the used radiation spectrum.