Тема: РАСПОЗНАВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ДУАЛЬНЫХ ЭНЕРГИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СЭНДВИЧ- ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия стала актуальной задача развития и совершенствования условий обеспечения транспортной безопасности в сфере воздушного и железнодорожного транспорта, а также защиты граждан в местах скопления большого количества людей, таких как правительственные здания, суды, пенитенциарные заведения, стадионы и места проведения крупных мероприятий.
Сканирующие системы цифровой рентгенографии (ССЦР) широко распространены и применяются для контроля материалов и изделий, выявления дефектов и технической диагностики. Принцип действия ССЦР состоит в том, что объект контроля (ОК) в процессе своего перемещения через сканирующую установку, просвечивается веерным пучком рентгеновского излучения, а система детекторов регистрирует прошедшее через ОК излучение.
Метод дуальных энергий (МДЭ) используется для распознавания материалов в ССЦР при проведении инспекционного контроля, направленного на обеспечение безопасности перевозок и пресечение попыток контрабанды нелегальных товаров. С помощью МДЭ можно выполнить оценку одновременно двух параметров ОК: 1) эффективного атомного номера (ЭАН) материала ОК; 2) массовой толщины ОК. Такая оценка выполняется путем решения системы из двух уравнений относительно этих параметров. Система уравнений представляет собой равенства теоретических и экспериментальных радиационных прозрачностей ОК для двух различных максимальных или эффективных энергий рентгеновского излучения.
Принимая во внимание многофункциональность использования ССЦР с сэндвич-детекторами излучения, закономерно возникает задача оценки потенциальной точности МДЭ, используемого в ССЦР для определения материалов досматриваемых объектов на основании их эффективного атомного номера. Это требует проведения исследований, направленных на оптимальный выбор значений основных параметров сэндвич-детекторов рентгеновского излучения по критерию минимума погрешности оценки эффективного атомного номера, соответствующего распознаваемому материалу.
Степень разработанности темы. Основам метода дуальных энергий с регистрацией рентгеновского излучения сэндвич-детекторами посвятили свои работы Alvarez R.E., Seibert J.A., Rebuffel V., Dinten J.M. Kim H.K., Youn H., Kam S. B и другие.
Исследованию высокоэнергетических реализаций МДЭ, основанных на декомпозиции массового (либо линейного) коэффициента ослабления излучения на составляющие, соответствующие эффекту Комптона и эффекту рождения пар, посвящены работы Осипова С. П., Чахлова С.В., Штейна А.М., Ван Я., Чинь В.Б. и др.
Различные аспекты математического и имитационного моделирования систем радиографии с сэндвич-детекторами рассматривали Fredenberg E., Kim D.W., Kim H.K., Youn H., Shaw C. C., Gur D. B и другие.
Вопросам оценки эффективного атомного номера методом дуальных энергий с регистрацией рентгеновского излучения сэндвич-детекторами посвятили статьи Рыжиков В.Д., Найдёнов С.В., Ополонин А.Д., Neagu M., Mateiasi G., Li L., Zhang S., Russo P. Martz H.E. и другие.
Методологические, метрологические и алгоритмические подходы, связанные с проектированием и применением радиографических багажных систем с сэндвич-детекторами с функцией распознавания материалов методом дуальных энергий, представили в своих работах Галкин С., Duliu O., Knoll G.F., Macdonald R.D.R., Cho G., Slavashevich I., Pozdnyakov D., Kasiuk D., Linev V., Wells K., Bradley D.A., Speller R. и другие.
Использованию рентгеновских томографов с сэндвич-детекторами с функцией распознавания материалов методом дуальных энергией уделили внимание Iovea M., Duliu O.G., Faby S., Sawall S., Shaqdan K.W., Abujudeh H.H., Park C.M. и другие.
Сканирующая цифровая рентгенография с функцией распознавания материалов методом дуальных энергий является действенным методом обнаружения потенциально опасных фрагментов в багаже и ручной клади, так как позволяет оценить эффективный атомный номер материалов исследуемых объектов и их структурных фрагментов, что существенно повышает уровень транспортной безопасности. Одновременная же оценка массы объектов исследования и их фрагментов дополняют возможности анализируемых систем. Дальнейшие перспективы развития багажных систем сканирующей цифровой радиографии с функцией распознавания материалов методом дуальных энергий с регистрацией рентгеновского излучения сэндвич-детекторами заключаются в совершенствовании подходов к проектированию аппаратуры нового поколения на основе оптимального (рационального) выбора значений основных параметров сэндвич-детекторов и максимальных энергий рентгеновского излучения. Реализация отмеченных перспектив невозможна без разработки математических и имитационных моделей анализируемых систем, а также соответствующих алгоритмов.
Объект исследования: сканирующие системы цифровой рентгенографии для досмотрового контроля объектов с функцией распознавания материалов и регистрацией рентгеновского излучения сэндвич-детекторами.
Предмет исследования: алгоритмическое обеспечение процесса
оценивания погрешностей при распознавании материалов контролируемых объектов методом дуальных энергий в досмотровых системах сканирующей цифровой радиографии, содержащих сэндвич-детекторы излучения.
Цель работы: повышение точности распознавания материалов
контролируемых объектов оптимальным выбором значений основных параметров сэндвич-детекторов излучения, используемых в досмотровых системах сканирующей цифровой радиографии.
Основные задачи исследования:
- разработать математическую модель радиационных прозрачностей объекта контроля при использовании сэндвич-детекторов для регистрации рентгеновского излучения;
- исследовать зависимость между выходными сигналами сэндвич-детектора рентгеновского излучения;
- разработать алгоритм оценки погрешностей при распознавании материалов в системе рентгеновского контроля, содержащей сэндвич-детекторы излучения;
- разработать алгоритм оптимизации параметров сэндвич-детекторов рентгеновского излучения;
- осуществить оптимальный выбор значений основных параметров сэндвич- детекторов рентгеновского излучения, используемых в досмотровых ССЦР.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель радиационных прозрачностей объекта контроля при использовании сэндвич-детекторов для регистрации рентгеновского излучения;
- разработан алгоритм оценки погрешностей при распознавании материалов в системе рентгеновского контроля, содержащей сэндвич-детекторы излучения;
- разработан алгоритм оптимизации параметров сэндвич-детекторов рентгеновского излучения;
- получены значения основных параметров сэндвич-детекторов излучения (ЭАН и толщина первого детектора, толщина промежуточного фильтра из меди), которые являются оптимальными при распознавании материалов с ЭАН равным 7 для максимальной энергии в спектре рентгеновского излучения, равной 160 кэВ, что является ее типичным значением для рентгеновских систем досмотрового контроля багажа и ручной клади.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы при проектировании досмотровых ССЦР с функцией распознавания материалов методом дуальных энергий и регистрацией рентгеновского излучения сэндвич-детекторами.
Методология и методы исследования. При проведении исследований были использованы методы решения систем интегрально-параметрических уравнений; методы теории вероятностей и математической статистики; методы математического моделирования с применением системы MathCad.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель радиационных прозрачностей объекта контроля, сформированных в сканирующей системе цифровой радиографии, содержащей сэндвич-детекторы излучения, которая учитывает немоноэнергетичность рентгеновского излучения и шумы, обусловленные его квантовой природой.
2. Оценка коэффициента корреляции выходных сигналов сэндвич-детектора рентгеновского излучения для различных тестовых объектов, используемых при досмотровом контроле.
3. Алгоритм оценки погрешностей при распознавании материалов методом дуальных энергий в системе рентгеновского контроля, содержащей сэндвич- детекторы излучения.
4. Алгоритм оптимизации параметров сэндвич-детекторов рентгеновского излучения по критерию минимума погрешности оценки эффективного атомного номера материала объекта контроля методом дуальных энергий.
5. Решение задач выбора значений параметров сэндвич-детекторов
излучения, используемых в сканирующих системах цифровой радиографии, предназначенных для досмотрового контроля багажа и ручной клади, которые являются оптимальными по критерию минимума максимальной относительной погрешности оценки эффективного атомного номера вещества c Z = 7,
обусловленной квантовой природой рентгеновского излучения.
Личный вклад автора заключается в проведении сравнительного анализа систем досмотрового контроля с сэндвич-детекторами рентгеновского излучения; в разработке математических моделей радиационных прозрачностей ОК для сэндвич-детектора рентгеновского излучения; в получении статистических оценок коэффициента корреляции между выходными сигналами сэндвич- детектора рентгеновского излучения для различных тестовых объекта контроля; в разработке алгоритма оценки погрешностей измерения эффективного атомного номера материала объекта контроля в системах рентгеновского контроля, содержащих сэндвич-детекторы излучения; в решении задач оптимального выбора значений параметров сэндвич-детекторов излучения на основе вычислительных экспериментов.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечена корректным использованием математического аппарата, основных закономерностей взаимодействия рентгеновского излучения с веществом и открытых баз данных по ослаблению гамма-излучения с веществом. Для реализации алгоритмов моделирования в программные коды использовалось лицензионное программное обеспечение (система математических вычислений MathCad). Результаты вычислительных экспериментов с сэндвич-детекторами излучения разных видов хорошо согласуются с результатами других авторов, представленными в научно-технической литературе.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы: при чтении курса лекций и проведении практических занятий для студентов по дисциплинам «Радиационные методы контроля», «Радиационный контроль и диагностика» отделения контроля и диагностики Томского политехнического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на V Международном молодежный форуме «Инженерия для освоения космоса» (Томск, 2017), Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2017 - 2022), IX Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении» (Юрга, 2018), Международной научной конференции «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» (Томск, 2018), Всероссийской научно - практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения» (Юрга, 2018), V международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest (Екатеринбург, 2019), XII Международная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2023).
Публикации. По тематике диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 публикации в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложения. Работа содержит 156 страниц, 92 таблицы и 41 рисунок.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность тематики исследования,
сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы, дана общая характеристика выполненной работы.
В первой главе представлены результаты аналитического обзора современного состояния систем контроля, используемых для досмотра багажа и ручной клади пассажиров, грузовых контейнеров для обеспечения безопасности перевозок и пресечения попыток нелегального провоза запрещенных предметов, и рассмотрены перспективы их развития.
Во второй главе разработана математическая модель радиационных прозрачностей объекта контроля для сэндвич-детектора рентгеновского излучения. Выполнена аналитическая оценка коэффициента корреляции выходных сигналов сэндвич-детектора. Приведены результаты расчета значений коэффициента корреляции для типичных тестовых материалов, используемых при рентгеновском досмотре багажа и ручной клади.
В третье главе разработан алгоритм оценки погрешностей измерения эффективного атомного номера материала объекта контроля методом дуальных энергий при регистрации рентгеновского излучения сэндвич-детекторами. Полученные на его основе результаты показали, что погрешность оценки атомного номера для разных материалов имеет сильную зависимость от шумов, обусловленных квантовой природой рентгеновского излучения.
В четвертой главе разработан алгоритм оптимального выбора значений параметров сэндвич-детекторов по критерию минимума погрешности оценки эффективного атомного номера веществ методом дуальных энергий. Приведены примеры его использования для сэндвич-детектора, у которого материалом радиационно-чувствительного элемента (сцинтиллятора) для первого (переднего) детектора является йодид цезия либо оксисульфид гадолиния, либо селенид цинка. При этом максимальная энергия в спектре рентгеновского излучения была принята равной 160 кэВ, что является ее типичным значением для рентгеновских систем досмотрового контроля багажа и ручной клади.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. Удоду Виктору Анатольевичу, профессору, кафедры информационных технологий и бизнес-аналитики Института экономики и менеджмента НИ ТГУ. А также выражает благодарность за помощь в подготовке диссертационной работы ведущему научному сотруднику, к.т.н. Осипову Сергею Павловичу, заведующему лабораторией Российско-китайской научной лаборатории радиационного контроля и досмотра к.ф.-м.н. Чахлову Сергею Владимировичу.
Купить

Анализ диссертационных исследований позволил выделить ряд результатов и сформулировать наиболее значимые выводы.
1. Проведён обзор научной литературы, посвященный анализу современного состояния и перспективам совершенствования систем сканирующей радиографии с функцией распознавания материалов методом дуальных энергий, в результате которого было, в частности, установлено, что при досмотровом контроле багажа и ручной клади пассажиров чаще всего применяются сканирующие системы цифровой рентгенографии, содержащие сэндвич-детекторы рентгеновского излучения.
2. Для повышения эффективности досмотрового контроля необходимо совершенствование рентгеновских досмотровых систем, в частности, за счет оптимизации их параметров и создания более высокоточных алгоритмов обработки и анализа измерительной информации.
3. Разработана математическая модель радиационных прозрачностей ОК при использовании сэндвич-детекторов для регистрации излучения, которая учитывает немоноэнергетичность рентгеновского излучения и шумы, обусловленные его квантовой природой.
4. Получена аналитическая оценка коэффициента корреляции выходных сигналов сэндвич-детектора рентгеновского излучения. Результаты вычислительных экспериментов, полученные на ее основе для типичных тестовых материалов, используемых при рентгеновском досмотре багажа и ручной клади (углерод, алюминий и железо), показали, что для широкого диапазона тестовых ОК коэффициент корреляции данных сигналов имеет достаточно низкое значение. Это позволило при статистическом моделировании радиационных прозрачностей ОК исходить из предположения, что указанные сигналы являются независимыми случайными величинами.
5. Разработан алгоритм оценки погрешностей, обусловленных квантовой природой рентгеновского излучения, при распознавании материалов методом дуальных энергий в системе рентгеновского контроля, содержащей сэндвич- детекторы излучения.
6. Разработан алгоритм оптимизации параметров сэндвич-детекторов рентгеновского излучения по критерию минимума максимальной относительной погрешности оценки эффективного атомного номера материала объекта контроля методом дуальных энергий, порождаемой квантовой природой излучения.
7. Решена задача оптимального выбора значений толщины радиационночувствительного элемента (сцинтиллятора) первого детектора и толщины промежуточного фильтра из меди для сэндвич-детектора рентгеновского излучения, используемого при распознавании материалов с эффективным атомным номером равным 7, для максимальной энергии в спектре рентгеновского излучения, равной 160 кэВ, что является ее типичным значением для рентгеновских систем досмотрового контроля багажа и ручной клади. Данная задача решена для каждого из трех сцинтилляторов: иодид цезия, оксисульфид гадолиния и селенид цинка.
8. Для распознавания материалов по эффективному атомному номеру предпочтение следует отдать сэндвич-детекторам рентгеновского излучения, у которых радиационно-чувствительные элементы (сцинтилляторы) для первых детекторов изготовлены из селенида цинка.
Купить