RO132326A2 - Procedeu şi dispozitiv pentru determinarea compoziţiei elementale a obiectelor investigate prin radiografiere digitală cu raze x - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi la un dispozitiv pentru determinarea elementelor din compoziţia unui obiect investigat prin radiografiere digitală cu raze X. Procedeul conform invenţiei constă în analiza dependenţei atenuării razelor X ce străbat un obiect investigat, de energia radiaţiei incidente, ştiind că modul în care atenuarea depinde de energie este diferit de la o substanţă la alta şi, astfel, analiza acestei informaţii poate fi utilizată la identificarea compoziţiei chimice a materialelor. Dispozitivul conform invenţiei cuprinde o sursă (5) de raze X şi un lanţ (2) de detectori (1) spectroscopici, ansamblul sursă-detectori putând fi rotit sub unghiuri diferite, în procesul de scanare a unui obiect (3) de investigat.

Description

Descrierea tehnica a invenției

Invenția se refera la o metoda pentru determinarea compoziției chimice elementale a unui material necunoscut prin masurarea coeficienților de atenuare a razelor X la diferite energii. Invenția prezintă si modelul pentru un dispozitiv de scanare a bagajelor de mana care sa determine conținutul acestora prin metoda descrisa.

Scanarea bagajelor in vederea detectării automate a substanțelor periculoase si explosive a devenit in ultima perioada o misiune importanta in contextul creșterii amenințărilor teroriste si al fluxului de pasageri in transportul aerian. In prezent sunt folosite pentru scanarea bagajelor si detecția obiectelor/substantelor periculoase dispozitive bazate pe principii diferite, precum: analiza chimica a urmelor de substanțe volatile, tehnici imagistice prin radiografie sau tomografie prin transmisie cu raze X, gama sau fascicule de neutroni, difracție raze X, etc.

Metoda prezentata se bazeaza pe analiza dependentei de energia radiației incidente a atenuării razelor X ce strabat obiectul investigat. Modul în care atenuarea depinde de energie este diferit de la o substanța la alta, iar analiza acestei informații poate fi utilizata la identificarea compoziției chimice a meterialelor.

Metoda are următoarele avantaje:

Determinarea in mod direct a elementelor chimice prezente în materialului investigat cu ponderea masica corespunzătoare;

Determinarea densității materialului studiat;

Capacitatea de a analiza substanțe noi, fara a necesita informații prealabile despre aceste substanțe;

Rata redusa de alarme false in cazul detectării substanțelor periculoase.

Principiile metodei

In fig.l este reprezentat un ansamblu sursa-obiect-detector:

1. Sursa de raze X;

2. Fascicul incident de raze X;

3. Obiectul investigat care atenueaza radiația incidența si pentru care se dorește determinarea compoziției elementale și a densității;

4. Fascicul emergent;

5. Detector spectroscopie care masoara intensitatea radiației;

a 2016 00465

29/06/2016

Pentru un fascicul de raze X la o energie data, absorbția este descrisa de legea lui Beer:

(1)

Unde s-au folosit următoarele notatii:

l₀ - intensitatea fascicolului incident la o energie data / - intensitatea fascicolului emergent, după atenuarea selectiva prin obiectul investigat x- grosimea materialului din care este făcut obiectul investigat μ - coeficientul de atenuare linear al materialului din care este făcut obiectul investigat

După cum se știe, coeficientul de atenuare linear depinde de energie si de materialul străbătut de razele X.

Coeficientul de atenuare masic se definește ca fiind raportul dintre coeficentul de atenuare liniar si densitatea p a substanței p_maSic — “

Pentru o substanța compusa, la o energie data, coeficentul de atenuare masic al acesteia este media ponderata a coeficienților de atenuare masici ai atomilor constituent!, cu ponderile C_element egale cu procentul masic al fiecărui element chimic din materialul scanat:

(2)

(3)

Putem generaliza ecuațiile (2) și (3) considerând ca sumarea se face peste toate elementele chimice cunoscute, cu ponderea masica nula pentru elementelor care nu fac parte din componenta materialului: C_£· = 0 dacă elementul i nu apare în componenta materialului.

Lista elementelor care pot alcatui materialul scanat poate fi diminuata, excluzând gazele nobile, elementele chimice rare și alte elemente care sunt puțin probabil sa apara în compoziția materialelor scanate. în continure ne vom referi doar la elementele chimice a căror probabilitatea de a fi detectate în materialul scanat este acceptabila.

Prin masurarea intensității radiației incidente si a celei emergente la o energie data se poate determina din ecuația (1) produsul dintre coeficientul de atenuare și grosimea materialului.

a 2016 00465

29/06/2016

Ζη[^] = -μχ (4) înmulțind ecuațiile (2) și (3) cu densitatea substanței si grosimea materialului, și folosind notatia XPsubstantaCelement ⁼⁼ ^element obținem.

Xpsubstanta Eelemente l^element (I L V element!

Helemente A element ^— XPsubstanta (5) (6)

Sursa de raze X emite fotoni cu energii cuprinse în intervalul E_minim și E_maximum (un spectrul energetic tipic este reprezentat în figura 2).

Detectorii spectroscopiei au capabilitatea de a raporta intensitatea radiațiilor pentru intervale predefinite de energie, divizând intervalul [E_minim , E_maximum] în intervale egale (canale) de lărgime ΔΕ denumite și binuri:

Bi-[E_min, E_min+AE ]

B2⁼[Emin'*'ĂE, E_min+2AE ]

B3—[E_min+2AE, E_min+3AE ]

Bn=[Emin+(2n-l)âE, E_max]

Intensitatea radiației incidente detectata in canalul B„ va fi notata lo(B_n) sau l_On iar intensitatea radiației emergente detectata in canalul B„ va fi notata l(B„) sau /„.

Coeficienții lineari de atenuare depind de energie deci vor avea valori diferite pentru fiecare canal, și vom nota cu μ„ coeficentii corescunzatori canalul energetic B„

a 2016 00465

29/06/2016

Ecuația (5) poate fi scrisa individual pentru fiecare canal enegetic:

^xHsubstanta,l ^—

Σ elemente ^element ^xPsubstanta,2 ~

Σ elemente ^element

H ' P J element(-)

P element^xk-substanta,3 ~ Xelemente ^element ( „)

L ^v ' elementi (7) ^xPsubstanta,n

Σ elemente element

element

Pentru elemente densitățile și coeficienții de atenuare la energii diferite sunt mărimi cunoscute iar produsele (xpsubstanta) sunt derivate din intensitățile măsurate conform ecuației (4) pentru fiecare canal energetic.

Considerând necunosute cantitatile A_e/ement. , ecuațiile (7) alcătuiesc un sitem de ecuații linear numărul ecuațiilor din sistem (numărul canalelor energetice) este în general mai mare decât numărul necunoscutelor A_ei_ement (numărul de elemente posibile), sistemul astfel creat find supradeterminat.

Pentru gasirea soluțiilor se aplica prin metoda celor mai mici patrate pentru valori pozitive (de exemplu metoda „Non Negative Least Squares).

Rezolvarea sistemului de ecuații conduce la o soluție de forma (A_h A₂, A₃,A^As,.. ./în care valorile

Ă_e/ementnenule corespund elementele chimice detectate în compoziția materialului testat, iar Arapoartele C_t = =-7- reprezintă procentul masic al acestor elemente, unde indicii / și j corespund valorilor nenule ale coeficienților Ă_e,_ement, deci sunt indicii corespunzători elementelor chimice detectate în materialul investigat.

înlocuind soluțiile sistemului (7) în ecuația (6) se determina produsul p-x. După determinarea grosimii obiectului¹* se determina densitatea materialului.

* In cazuldispozitivului cu determinaredirecta a transmisiei (varianta 1), pentrumasurareagrosimii, se utilizeazadoualanturi de detectoridispusi in plane perpendiculare (fig. 3). Dimensiunileobiectului se determina in mod direct din celedouaproiectiiortogonale generate de detectori. In varianta 2 (tomografie) grosimeaesteegala cu dimensiuneapixelului volumetric.

a 2016 00465

29/06/2016

Descrierea dispozitivului

In figurile fig.3 si fig.4 sunt reprezentate doua arhitecturi propuse pentru dispozitivul de determinare a compoziției chimice.

In varianta descrisa in fig.3, obiectul scanat (3) se deplasează rectiliniu, cu ajutorul benzii transportoare (4); radiația emergenta este înregistrata de detectorii spectroscopiei (1) care raporteza fluxul la diverse energii. Acest dispozitiv permite scanarea unor obiecte omogene cu o geometrie simpla.

In varianta descrisa in fig.4 ansamblul sursa(5)-detectori(l) se rotește sub unghiuri diferite in vederea realizării tomografiei. Acest dispozitiv permite investigarea unor obiecte mai complexe, avand in componenta materiale diferite.

Elementele dispozitivului:

Varianta 1 - metoda determinării directe prin transmisie - fig.3

1. Detectori spectroscopiei - capabili sa inregisteze fluxul de fotoni si enegia pentru canale energetice diferite.

2. Lanț de detecție - sunt prezente doua lanțuri de detecție lineare dispuse in unghi de 90 grade;

3. Obiectul scanat;

4. Banda transportoare cere va asigura deplasarea obiectului scanat cu viteza constanta in zona activa de detecție;

5. Sursa de raze X care emite un fascicul in conic, multienergetic. Spectrul energetic prezentat in fig· 2;

6. Modul pentru controlul mecanic al deplasării obiectului;

7. Unitate de calcul;

Varianta 2 - metoda tomografica - fig.4

1. Detectori spectroscopiei - capabili sa inregisteze fluxul de fotoni si enegia pentru canale energetice diferite;

2. Lanț de detecție sub forma de arc de cerc;

3. Obiectul scanat;

4. Suportul fix pe care este așezat obiectul;

5. Sursa de raze X care emite un fascicul in conic, multienergetic. Spectrul energetic prezentat in fig.2;

6. Modul pentru controlul mecanic al rotației ansamblului sursa-detectori;

7. Unitate de calcul;

a 2016 00465

29/06/2016

Descrierea metodei

Se determina coeficienții de atenuare la energii diferite.

Se rezolva sistemul de ecuații (7) in care necunoscutele sunt termenii Aei_ement. Se determina procentul masic al elementelor constituente C_ei_ement Cu ajutorul ecuației (6) se calculează densitatea substanței.

Fazele procedeului sunt următoarele:

Faza 1-determinarea fluxului incident

Este necesara masurarea fluxului incident al sursei de radiație X. In acest scop se efectuează măsurători ale radiației care cade pe detectorii (1) fara obiect interpus pentru un interval de timp egal cu intervalul in care obiectul trece prin dreptul sursei. Detectorii (1) vor înregistra fluxul de fotoni care sosec pentru fiecare canal energetic distinct. Intensitățile determinate vor fi înregistrate si notate in continuare lo(E)·

Faza 2 - determinarea coeficienților de atenuare pentru un obiect compus dintr-o substanța necunoscuta

Obiectul este plasat intre sursa(5) si lanțul de detectie(2) iar sistemul înregistrează fluxul fotonilor care traversează obiectul și cad pe fiecare detector in fiecare canal energetic l(E).

In varianta 2 (fig.4) ansamblul sursa-detectori este rotit in diverse unghiuri inregistrandu-se fluxul si energia radiației emergente in fiecare unghi scanat

In varianta 1 (fig.3) se determina fluxul și energia radiației emergente și din analiza geometrica a datelor se calculează dimensiunile obiectului. Apoi se calculează coeficienții de atenuare din formula (2).

In varianta (2) se realizează reconstrucția tomografica, obtinandu-se coeficienții de atenuare la energii diferite pentru fiecare unitate de volum (voxel) din obiect.

Faza 3-determinarea compoziției chimice si a densitatatii

Se rezolva sistemul de ecuații (7) prin metoda celor mai mici patrate pentru siteme lineare cu soluții pozitive (Non Negative Least Squares).

In sistemul de ecuații necunoscutele sunt valorile A_ei_ementiar pentru coeficentii (Hi/p)_eiementse folosesc datele cunoscute disponibile in cataloagele de date publicate la National Institute of Technology (NIST).

Λ ·

Se determina ponderea masica C,· = a elementelor constituente in materialul investigat (/ și j ^J λί Ai corespund valorilor nenule ale coeficienților A_etement), iar apoi, din ecuația (6) se calculează densitatea substanței testate.

Claims (4)

1. Revendicări

   1. Procedeu de detectare a compoziției elementale unui obiect penetrat cu un fascicul multienergetic de raze X prin masurarea atenuării fascicolului de radiații prin obiect la diferite energii, caracterizat prin aceea ca identificarea elementelor constituente se realizează prin analiza dependentei de energie a coeficientului de atenuare a razelor X, care diferă de la un element chimic la altul.
2. 2. Procedeul conform revendicării 1 este caracterizat prin aceea ca exploatează dependenta linera a coeficientului masic de atenuare al unei substanțe compuse de coeficienții masici de atenuare ai elementelor constituente. Metoda permite atat aflarea procentului masic al elementelor constituente cat si densitatea substanței testate.
3. 3. Dispozitiv pentru detecția a compoziției chimice a obiectelor utilizând procedeul descris in revendicarea 1, caracterizat prin aceea ca obiectul este scanat cu un fascicul de raze X conic multienergetic, radiația emergenta fiind măsurată cu ajutorul a doua lanțuri de detectori spectroscopiei dispuse perpendicular.
4. 4. Dispozitiv tomografie pentru detecția a compoziției chimice bazat pe tomografie, utilizând procedeul descris in revendicarea 1, caracterizat prin aceea ca ansamblul sursa-detectori se rotește sub unghiuri diferite. Cu ajutorul unui lanț de detectori spectroscopiei se determina coeficienții de atenuare a razelor X la energii diferite în fiecare pixel volumetric, permițând detectarea compoziției elementale pentru fiecare unitate de volum