автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и внедрение мобильных рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики

На правах рукописи

УСАЧЕВ ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И АНТИТЕРРОРИСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2005

Работа выполнена в ФГНУ «НИИ ИИ», г. Томск, Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики, г. Москва.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Чахлов В.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Капранов Борис Иванович доктор технических наук, начальник сектора ФГУП ГНЦ «ВИАМ» Косарина Екатерина Ивановна

Ведущая организация - МНПО «Спектр», г. Москва

Защита состоится « 06 » декабря 2005г. в «15» часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.09 при Томском политехническом университете по адресу 634028, г. Томск, ул. Савиных, 7, НИИ Интроскопии при ТПУ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: 634050, г. Томск, ул. Белинского, 53

Автореферат разослан «02» ноября 2005 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 634028, г. Томск, ул. Савиных, 7.

Ученый секретарь диссертационного совета

Винокуров Б.Б.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие мировое сообщество столкнулось с небывалым ростом терроризма и наркоторговли. Участились случаи использования транспортных средств в качестве оружия, содержащего большие объемы взрывчатых веществ. Многократно возросла опасность крупных террористических актов, объектами которых могут быть предприятия топливно-энергетической и атомной отраслей промышленности, стратегически значимые транспортные магистрали и телекоммуникационные системы, государственные органы. Ведущее место среди широкой номенклатуры антитеррористических средств принадлежит поисковым устройствам, основанным на использовании методов радиационной интроскопии. Высокая информативность, обеспечиваемая радиационными методами, обусловлена возможностью визуализации внутренней структуры контролируемого объекта и идентификации террористических средств с определением их местоположения в объекте контроля. Рентгенотелевизионные средства широко используют для контроля багажа в аэропортах. Как следует из практики проведения оперативно-технических мероприятий по борьбе с терроризмом, одним из определяющих требований к досмотровым средствам является возможность осуществления контроля в полевых условиях (на улицах города, в помещениях зданий, на контрольно-пропускных пунктах и т.п.). В связи с чем, для ведущих научно-технических организаций стали актуальными задачи по созданию мобильной антитеррористической техники на принципах радиационных методов контроля, внедрение которой повысит техническую оснащенность правоохранительных органов, и как следствие - эффективность борьбы с терроризмом. Объект исследования - мобильные рентгенотелевизионные системы (МРТС) для контроля внутренней структуры материалов и изделий, а также для промышленной дефектоскопии. МРТС, применяемые для досмотра, имеют много общего с аналогичными установками для промышленной дефектоскопии.

Предмет исследований - установление закономерностей формирования информации в приемно-регистрирующем тракте: источник излучения контролируемый объект - преобразователь ионизирующего излучения - блок обработки и отображения визуальной информации, - применительно к условиям, характерным для выявления локальных неоднородностей в контролируемых объектах в нестационарных и полевых условиях.

Цель работы - разработка обоснованных научно-технических решений для создания и освоения промышленного производства мобильных рентгенотелевизионных систем (МРТС), оптимизированных по критерию минимизации энергопотребления и массо-габаритным параметрам и обеспечивающих повышенную достоверность контроля при использовании МРТС правоохранительными органами и промышленными предприятиями в нестационарных (полевых) условиях.

Основные задачи

1. Анализ последних достижений в области рентгенотелевизионных систем для дефектоскопии, антитеррористической и промышленной диагностики.

2. Разработка физико-математической модели мобильной рентгено-телевизионной системы контроля и на ее основе оптимизация параметров рентгеновского излучателя и приемно-регистриругощего тракта системы, с учетом особенностей объекта контроля.

3. Оценка основных информативных параметров (чувствительность, пространственное разрешение и контролируемая толщина) МРТС в зависимости от требований к эксплуатационным параметрам (производительность контроля, контролируемая толщина, энергопотребление, масса-габариты).

4. Разработка технических решений по созданию МРТС с улучшенными информативными и эксплуатационными параметрами.

5. Промышленное освоение производства и внедрения МРТС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получена совокупность математических соотношений, определяющих чувствительность мобильных рентгенотелевизионных систем для диагностики внутренней структуры объектов в рамках проблемы противодействия террористической деятельности и промышленной диагностики.

2. Разработан алгоритм автоматического выбора экспозиции, обеспечивающей максимальную чувствительность метода рентгенотелевизионного контроля путем предварительного анализа изображения, сформированного при малом времени экспозиции.

3. Разработан алгоритм коррекции оптических искажений при синтезе рентгенотелевизионных изображений, формируемых в многокамерных преобразователях ионизирующего излучения.

Практическая значимость.

1. На основе проведенных исследований сконструирована серия рентгенотелевизионных установок для решения задач антитеррористической диагностики с технико-экономическими показателями, превышающими аналоги, что подтверждено сертификационными испытаниями.

2. Разработанные МРТС могут быть использованы для промышленной дефектоскопии, что подтверждено актами внедрения.

Реализация результатов работы.

Под руководством и при непосредственном участии диссертанта создана производственно-технологическая база для изготовления МРТС с объемом выпуска до 150 комплектов в год. Всего к настоящему времени поставлено около 450 МРТС типа «Норка», в том числе 96 комплектов в страны ближнего и дальнего зарубежья. Серийное производство осуществляется по утвержденным нормативными органами техническим условиям и сертифицировано по ИСО 9001. Все выпускаемые МРТС имеют санитарно-эпидемиологическое заключение Минздрава РФ.

Методология работы построена на физических принципах генерации рентгеновского излучения, его взаимодействия с веществом контролируемого объекта и последующей регистрации. Обработка рентгеноскопической информации и оценка полученных результатов проведена с использованием математического аппарата статистического анализа информации и критериев оценки полученных результатов. Результаты численного моделирования процессов и их аппроксимация аналитическими зависимостями осуществлялись с погрешностью 3-5%.

Достоверность теоретических результатов находится в достаточной точности для использования их в практических разработках и подтверждено аппаратурной реализацией в установках, внедренных в системах антитеррористической диагностики.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях: 14-я, 15-я, 16-я и 17-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996г., 1999г., 2002г., Екатеринбург, 2005г.), 3-я Международная конференция «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 182 страниц машинописного текста, в том числе 81 рисунок, 21 таблица, 76 наименований использованных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика оценки потенциально достижимых параметров контроля рентгенотелевизионными системами;

- использование разработанного алгоритма позволяет сократить время диагностики объекта, снизить энергопотребление, уменьшить требования к квалификации персонала;

- использование микрофокусных рентгеновских аппаратов в МРТС повышает разрешающую способность и позволяет создавать экономичные установки с малыми размерами и массой.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные направления исследований, определена научная и практическая ценность результатов.

Были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработка и обоснование требований, предъявляемых к техническим параметрам мобильных радиоскопических систем на основе анализа круга решаемых задач.

2. Оптимизация параметров системы излучатель - объект контроля -конвертор излучения на основе разработки методики оценки предельно достижимых параметров рентгеноскопических систем.

3. Оптимизация параметров приемно-регистрирующего тракта на основе анализа расчетов световыхода конвертора, потерь и анализе шумов в приемно-регистрирующем тракте.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения мобильных радиоскопических систем контроля.

В первой главе проведен анализ состояния в области разработки мобильных рентгенотелевизионных систем для антитеррористической и промышленной диагностики. Рассмотрены принципы построения и оценки характеристик отдельных узлов современных рентгенотелевизионных систем, особенности их построения и применения для промышленной и антитеррористической диагностики, проанализированы методы цифровой обработки рентгенотелевизионных изображений.

Ведущее место среди широкой номенклатуры приборов для технической и антитеррористической диагностики принадлежит наиболее информативным устройствам, основанным на методах радиационной интроскопии. Хорошая информативность методов интроскопии обусловлена высокой чувствительностью, удобной визуализацией внутренней структуры контролируемого объекта, возможностью компьютерной обработки полученных результатов с целью обнаружения локальных неоднородностей с последующим определением их размеров и местоположения. Особо ценные преимущества интроскопических приборов нашли применение при создании досмотровых систем, предназначенных для контроля ручной клади, портфелей, посылок и т.п.

Разработка поисковых устройств, реализующих метод радиационной интроскопии, сводится к созданию рентгенотелевизионных (флюороскопических) и сканирующих систем. В свою очередь рентгеноскопические системы подразделяются на мобильные и стационарные. В диссертационной работе рассматриваются мобильные рентгенотелевизионные системы, состоящие из сцинтилляционных преобразователей с последующей регистрацией светового потока светочувствительными детекторами типа ПЗС матриц (табл. 1.1).

На отечественном рынке антитеррористических средств в секторе мобильных рентгеноскопических систем отечественное оборудование преобладает над импортным. Такое состояние дел объясняется высокими тактико-техническими характеристиками отечественных систем и их относительно низкой стоимостью.

МРТС включают в свой состав моноблочный рентгеновский аппарат, рентгенотелевизионный преобразователь (состоящий из корпуса, входного конвертора, цифровой камеры со светосильным объективом), блок обработки и отображения.

Таблица 1.1

Характеристики радиоскопических систем _

Параметры "Шмель240" "Очертание-ТВ"

Напряжение зондирующего излучения, кВ 240 импульсное 70, 100, 150

Размер экрана-преобразователя (поле контроля), мм 120x160 240x360 320x425 200x240 300x400

Время формирования изображения, с от 5 до 35 5

Разрешающая способность, пар лин /мм <1,5 <1,5

Максимальная толщина просвечиваемой преграды по А1 эквиваленту, мм - 40

Предельная разрешающая способность (медная проволока), мкм 120... 160 80...100

Чувствительность контроля, % 4,5... 10 -

Питание, В 220/24 220/12

Рассмотрены вопросы взаимосвязи качества изображения и параметров системы. Качество изображения определяется эффективностью люминесцентных конверторов, дозовой чувствительностью, сбором светового потока на ПЗС матрицу, разрешающей способностью, динамическим диапазоном и дефектоскопической чувствительностью системы в целом.

Проведен анализ объектов контроля и материалов, из которых они состоят. Так для систем, предназначенных для антитеррористической диагностики, объекты контроля имеют эквивалентную толщину по стали не более 25 мм. Для контроля изделий с такой толщиной необходимо использовать источники излучения с энергией от 150 до 220 кВ. Для контроля объектов из бетона с толщинами до 300 мм необходимо использовать источники с энергией до 300 кВ. Системы для промышленной диагностики должны обеспечивать контроль изделий с эквивалентной толщиной из стали до 60, а в ряде случае до 80 мм.

Важнейшей характеристикой мобильной рентгеноскопической системы для промышленного контроля является дефектоскопическая чувствительность. Анализ технических характеристик отечественных и зарубежных рентгенотелевизионных систем показал, что их чувствительность находится в диапазоне от 2 до 5%, что примерно в 2 раза хуже чувствительности при рентгенографическом контроле.

Наряду с физическими методами повышения чувствительности дефектоскопического контроля, такими, как оптимизация энергии излучения, повышение характеристик его преобразователей, использование различных фильтров для устранения рассеянного излучения и т.д., перспективным представляется использование возможностей современных компьютерных технологий цифровой обработки изображений (ЦОИ).

Алгоритмы ЦОИ предназначены для обработки, анализа и отображения результатов контроля в форме, удобной для восприятия оператором. Алгоритмы обработки служат для повышения контраста рентгенотелевизионного изображения (преобразования в яркостном диапазоне - выравнивание гистограмм, пилообразное преобразование, псевдоокрашивание, яркостное окно, высокочастотная фильтрация.

В ряде случаев, когда заранее известен вид дефекта и его характеристики, применяются методы его обнаружения, основанные на использовании этой априорной информации. К числу таких методов относятся метод корреляционной обработки, а также методы, использующие специальные преобразования, например, преобразование Коха для поиска прямых линий. Эта группа методов позволяет получить изображение с повышенным отношением сигнал/шум для заданного типа дефектов и тем самым повышает вероятность их выявления, позволяя, кроме того, в ряде случаев автоматизировать поиск дефектов заданной конфигурации.

В случае контроля объектов с большой радиографической широтой зачастую возникают затруднения при их первоначальном представлении, поскольку необходимо наиболее эффективным образом использовать диапазон представления изображения в вычислительной системе. Один из возможных подходов состоит в синтезе изображения, полученного из нескольких, относящихся к различным диапазонам оптических плотностей.

Анализ материалов, приведенных в главе 1, позволил сформулировать конкретные требования и характеристик МРТС:

- просвечиваемая толщина для досмотровых установок - 50 мм, для дефектоскопических -80 мм;

- относительная чувствительность, соответственно, 3-5% и 1,5-2%;

- минимальное энергопотребление для досмотровых систем;

- масса систем, предназначенных для антитеррористической диагностики, вместе с упаковкой не должна превышать 25 кг.

Вторая глава посвящена разработке методики оценки потенциально достижимых параметров контроля рентгенотелевизиоиной системы. Для этого в данной работе была предпринята попытка «сквозного» расчета процессов генерации рентгеновского излучения, прохождения излучения сквозь объект контроля и его поглощения в материале сцинтилляционного детектора.

Одновременно, впервые был выполнен прямой расчет дисперсии поглощенной энергии в сцинтилляционном детекторе.

Единственным расчетным методом, который позволяет удовлетворительно провести «сквозной» расчет, является метод численного моделирования (метод Монте-Карло). В наших расчетах каждая монте-карловская история начиналась с попадания электрона, ускоренного соответствующим напряжением, на мишень, и далее с учетом вероятности элементарных актов взаимодействия частиц с веществом исследовались процессы генерации рентгеновского излучения и прохождения его через

заданный поглотитель и сцинтилляционный детектор. Конечным результатом истории является поглощенная энергия в сцинтилляторе.

Суммируя результаты большого количества историй, находили среднюю поглощенную энергию и ее дисперсию, которые затем нормировали на один электрон. Нормировка на один электрон удобна еще и тем, что она позволяет впоследствии перейти к таким макроскопическим характеристикам источника излучения, как ток и мощность рентгеновской трубки.

Нами были проведены расчеты за барьерами из стали и алюминия для следующих параметров:

- энергия падающих фотонов: 50, 75,100,150,200,300 кэВ;

- толщина стального поглотителя: 5,10,15,20,30,60 мм;

- толщина алюминиевого поглотителя 20, 50,80,100,150 мм.

Сложный статистический процесс генерации рентгеновских фотонов, прохождения их через объект контроля и поглощения в сцинтилляторе рассматривался как последовательность конечного числа элементарных взаимодействий. Каждая фотонная история начиналась с попадания ускоренного электрона на мишень и заканчивалась либо полным, либо частичным поглощением в сцинтилляционном экране. Из рассмотрения достаточно большого числа историй можно воссоздать с высокой степенью достоверности спектральный состав первичного излучения, а также излучения за барьером в интересующей нас точке. Суммируя результаты большого количества историй, можно найти конечный результат -поглощенную энергию и ее дисперсию. Полученные при этом спектральные характеристики первичного излучения и излучения за барьерами представляют большой интерес для анализа МРТС.

Фотонные истории, полученные в результате расчетов методом Монте-Карло по специальной программе ЕРНСА4*, могут быть использованы при любой геометрии. Нас интересует геометрия, представленная на рис. 2.1.

ис. 2.1. Схема геометрии для расчета спектров прямого рентгеновского излучения. 1 - мишень, 2 - трансформаторное масло, 3 - стекло вакуумного баллона

* Программы предоставлены доц ТПУ В И Беспаловым

е

'ентгеновское излучение

Геометрия прохождения рентгеновского излучения через барьер изображена на рис. 2.2.

1 2

Для оценки достоверности расчетных спектральных распределений рентгеновского излучения была проведена серия тестовых расчетов, которые позволили сравнить полученные данные с экспериментальными и расчетными данными других авторов. Различия в полученных данных не превышают 10%. Статистическая погрешность расчетов методом Монте-Карло не превышает 5%.

В рассматриваемой программе используется модель группировки малых передач энергии, в которой неупругие столкновения электронов с малой передачей энергии и излучение низкоэнергетических фотонов учитываются в приближении непрерывного замедления, а столкновения с большой передачей энергии вторичным частицам моделируется непосредственно.

Многократное рассеяние электронов на отрезке S моделируется в соответствии с распределением Гаудсмита-Саувдерсона, которое табулируется для набора энергий электронов и набора отрезков.

Распределение для моделирования флуктуаций потерь энергий электронов на пути S, его продольных и поперечных смещений на этом пути получены и табулированы.

Для определения энергий вторичных электронов, образующихся в неупругих столкновениях, используется дифференциальное сечение Меллера. Тормозное излучение электронов разыгрывается в соответствии с формулами Бете-Гайглера, а угол вылета фотона определяется в соответствии с дифференциальным сечением Шиффа. В программе учитывается эффект аннигиляции электрона.

В результате расчетов получены значения поглощенной энергии (ДЕ) и ее дисперсии (DAE) в сцинтилляционном кристалле CsJ и спектры фотонов за барьерами из А1 и Fe различной толщины.

Оценка дисперсии проводилась по формуле:

/)(A£), = ^i(A£/)2-(llA£/)2 , (2.1)

-/V »-• Ni=\

где N -число разыгрываемых историй взаимодействия, г При расчете дисперсий по поглощенной энергии использовалось лишь

4 аналоговое моделирование. Все результаты нормированы на один электрон,

что позволяет легко перейти к току рентгеновской трубки.

Для общего анализа характеристик интроскопа в широком диапазоне толщины и напряжений рентгеновского аппарата использование данных в виде таблиц и графиков неудобно, тем более, что для определения сигнала от дефекта зависимость поглощенной энергии от толщины поглотителя необходимо дифференцировать. Поэтому автором была предпринята попытка получить аналитическое выражение для поглощенной энергии, возможно более простое и имеющее приемлемую погрешность в широком диапазоне толщины и энергий.

Аппроксимация поглощенной энергии проводилось аналитическим выражением

E„(t) = EoK(t), (2.2)

где Е„ - поглощенная энергия в преобразователе в зависимости от толщины поглотителя t , нормированная на один электрон на аноде рентгеновской трубки; Ео - поглощенная энергия при отсутствии поглотителя (t = 0).

После некоторых предварительных расчетов выбор был остановлен на

еа\*аг>

относительно простой функции аппроксимации вида: K(t) =-, (2.3)

1+a3t

Kit) - функция аппроксимации, которую можно рассматривать как кратность ослабления за слоем поглотителя; ах\а2\ аъ - коэффициенты аппроксимации. На первый взгляд функция аппроксимации Щ) определяется тремя коэффициентами а\\ a2\ аз, на самом деле значимыми являются только два: а2; аз. Коэффициенты а\\ а2; а3 ( табл. 2.1; 2.2) находили методом наименьших квадратов. Для быстрой сходимости выражение 2.3 предварительно логарифмировали, т.к. логарифмическая зависимость K{t) близка к линейной.

Таблица 2.1.

Вычисленные коэффициенты аппроксимации для стали.

г/*кв 50 75 100 150 200 300

ei 0,002 0,001 0,004 -0,002 -0,004 -0,031

(¡1, мм"1 -1,720 -0,636 -0,322 -0,158 -0,105 -0,075

вз, мм"1 9,271 2,253 1,658 0,868 0,625 0,349

Таблица 2.2. Вычисленные коэффициенты аппроксимации для алюминия.

1/ккВ 50 75 100 150 200 300

ei 0,003 0,008 0,014 0,012 0,012 0,037

02, ММ"' -0,095 -0,049 -0,042 -0,035 -0,032 -0,027

аз, мм"1 0,321 0,108 0,054 0,032 0,024 0,022

и

Имея нормированные аналитические выражения поглощенной энергии и численное значение ее дисперсии, можно получить выражение, связывающее между собой основные параметры рентгенотелевизионного интроскопа. При этом учитываются процессы генерации рентгеновского излучения на аноде трубки, прохождение излучения через контролируемый объект и поглощение энергии в сцинтилляционном экране. Можно считать, что процесс преобразования поглощенной энергии в световой сигнал не сопрвождается ухудшением отношения сигнал/шум, так как один рентгеновский квант рождает сотни и тысячи световых квантов. Поэтому полученные результаты можно рассматривать как предельно достижимые, когда собственный шум приемника света и последующих звеньев преобразования сигнала существенно меньше статистических флуктуаций поглощенной энергии. При выводе формулы были приняты следующие предпосылки и допущения:

поглощенная энергия равномерно распределена по экрану; - дисперсия поглощенной энергии в каждом элементе изображения статистически независима и одинакова; это позволяет найти дисперсию поглощенной энергии в элементе изображения по рассчитанной дисперсии всего экрана, используя положение, что дисперсия суммы независимых событий равна сумме их дисперсий;

критерием выявляемости является отношение сигнал/шум т^; известно, что, если шум распределен по нормальному закону, при ц=2 вероятность обнаружения дефекта составляет 0,66, а при т|=3 она увеличивается до 0,96;

дефект представляет собой куб с линейными размерами ?д = 8-/, где г - толщина объекта контроля; 5 - относительная чувствительность; дефект проектируется на экран без увеличения размеров;

сигналом считается изменение поглощенной энергии в элементе изображения площадью 5Д = /д2 = б2-/2 при изменении толщины поглотителя на ¿д = 5/;

количественно шум - среднеквадратическое отклонение поглощенной энергии в элементе изображения площадью 5Д-сЕ где Бе - дисперсия

поглощенной энергии в одном элементе.

При этих исходных предпосылках было получено выражение, связывающее основные параметры рентгеновского интроскопа

ят

1+аз'

е^Чаг-т^-) 1+аз*

(2.4)

Так как промежуточное преобразование не приводятся, дадим краткое описание величин, входящих в формулу:

• <7а - минимальный заряд в кулонах на аноде рентгеновской трубки для получения одного кадра изображения с заданной вероятностью обнаружения дефекта, имеющего относительную величину 5;

• 3,142,Ю"20 - численный коэффициент с размерностью Югмм2;

• De - нормированная дисперсия поглощенной энергии, полученная монте-карловским расчетом и зависящая от анодного напряжения и толщины, МэВ2;

• Ео - расчетное нормированное значение поглощенной в экране энергии при данном анодном напряжении и отсутствии поглотителя, МэВ;

• F-фокусное расстояние от мишени трубки до экрана, мм;

• 5 - относительная чувствительность;

• t- толщина поглотителя, мм;

• ai, 02, aj - коэффициенты аппроксимации, определяемые анодным напряжением.

Зная требуемый заряд, можно найги и другие, связанные с ним величины, которые определяют режим работы интроскопа:

Qa~Qл'^» ~ требуемая электрическая энергия на аноде трубки для получения одного кадра (2.5)

а а

т., = — или /. = — - соотношения (2.6), позволяющие при заданном /Л ТК

анодном токе /д найти время, требуемое для получения одного кадра Тк, и наоборот.

Аналогично связаны между собой требуемая электрическая энергия QA и мощность анодной цепи трубки

О о

Г к Тк

С помощью полученных данных могут быть для каждого конкретного случая оценены предельно-достижимые параметры интроскопа, а также проведен анализ, позволяющий получить полезную информацию для оптимизации этих параметров.

Зависимость необходимой электрической энергии на аноде трубки для получения одного кадра изображения для всех анодных напряжений имеет типичный вид, представленный на рис. 2.3.

Для используемого в составе разработанного интроскопа микрофокусного аппарата РИ-150М (напряжение 150 кВ, средний ток 0,1 мА) при известной энергии на аноде трубки можно найти минимальное

время Тк, необходимое для получения одного кадра изображения (штриховая линия).

Характерно, что для каждой толщины имеется определенное анодное напряжение, при котором эта энергия линейна. Если это напряжение назвать оптимальным, то оно практически линейно зависит от толщины (рис. 2.4).

6А, Дж

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0.5

-с \ \ \ Сталь f/л" Чувсгвигелы Ношение сиг юкусяое pacci 150 кВ |ОСП>-1% нал/шум -3 ояние -1м

\ \ \ \ С \\ 11 \ \

\\ Qa Л ---

к. - - - - <

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

10

15

70

7.5

Рис. 2.3. Зависимость электроэнергии на аноде трубки от толщины при Ua= 150 кВ

и А, кВ

300

250

200

150

100

50

J / Ста Чувствитель Отношение си Фокусное pact ль иость- 1% гнал/шум -3 яояние- 1 и

/

мм

10 20 30 40

Рис. 2.4. Зависимость анодного напряжения от толщины

V Если для выбранной толщины взять оптимальное анодное напряжение и

для него определить энергию на аноде трубки для получения одного кадра изображения, то это будет минимально возможная энергия.

График этой зависимости для данных условий приведен на рис. 2.5. Качественно полученные результаты отражают общеизвестный для радиационной дефектоскопии факт, что в области малых толщин относительная чувствительность ухудшается.

Поскольку расчеты выполнены для идеального случая, когда шумы электронного тракта интроскопа отсутствуют, то за счет накопления может быть получена любая сколь угодно малая чувствительность. В нашем случае накопление выражается в резком увеличении заряда и энергии на аноде трубки. Как следует из выражения (2.9), чтобы улучшить чувствительность в два раза, необходимо заряд и энергию на аноде трубки увеличить в 16 раз.

0а, Дж 40

35

30

25

20

15

10

0

10 20 30 40

1 1 Сталь Чувствительность -1%

От ношение сигнал/шум - 3 жусное расстояние -1 м

Рис.2.5. Зависимость минимально возможной энергии на аноде трубки для получения одного кадра изображения от толщины стали.

Третья глава посвящена формированию информации в приемно-регистрирующем тракте рентгенотелевизионной системы. В частности, рассмотрены световые потери, возникающие в сцинтилляторе конвертора, в приемно-регистрирующем тракте рентгенотелевизионного преобразователя. Дана оценка шумов в приемно-регистрирующем тракте, а также разрешающей способности рентгенотелевизионного преобразователя. Приведены аналитический метод определения спектра сигнала и математические модели для обработки изображений.

Основными характеристиками сцинтилляторов являются: световой выход, спектральный состав оптического излучения и длительность сцинтилляций.

Конверсионная эффективность сцинтиллятора % определяется как отношение энергии световой вспышки п-ИV выходящей из кристалла, к величине энергии Е рентгеновского фотона, потерянной в сцинтилляторе.

у = (3.1)

Е

где п - среднее число фотонов, выходящих из сцинтиллятора; ш - средняя энергия фотонов.

Характерной особенностью является то, что сцинтиллятор испускает не моноэнергетические фотоны, а сплошной спектр, соответствующий данному сцинтиллятору.

Далее рассмотрены вопросы совпадения спектральной характеристики светочувствительного детектора со спектральной характеристикой сцинтиллятора, увеличения светового выхода неорганических сцинтилляторов, расчета коэффициента сцинтилляционной эффективности, радиационной стойкости сцинтилляторов.

Для создания оптимальной системы обработки радиоскопической информации, получаемой в результате передачи информации от сцинтилляционного детектора на ПЗС - матрицу, необходимо учесть потери световых квантов при прохождении через оптический тракт.

Освещенность ПЗС -матрицы определяется из выражения:

3.1

где т - коэффициент пропускания света системой, состоящей из зеркала и объектива; Ь - яркость свечения сцинтилляционного экрана; а - апертурный угол объектива в пространстве изображения.

При проекционном расстоянии р много больше диаметра выходной линзы Д что характерно для МРТС, тогда:

£>

Бша =--з 2

2 р' ^

Если учесть, что а=/(1-роб)> где f - фокусное расстояние объектива; -линейное увеличение объектива, то выражение для освещенности ПЗС-матрицы принимает вид:

Для оценки шумов преобразователя считали, что поток рентгеновских квантов является стационарным Гауссовским процессом с импульсной корреляцией. Для оценки разрешающей способности преобразователя г исходили из соотношения: г=1/Дх, где Ах - размер пикселя преобразователя. В предельном случае ги=\.5 (м - нерезкость изображения), следовательно, и=1,5Ах. Однако, достичь таких предельных размеров нерезкости, можно лишь при использовании цифровой обработки изображения. Дискретизированное изображение Л) создается совокупностью отсчетов, образующих матрицу (тип) элементов, где (ихот) размер рабочего поля ПЗС матрицы. В разработанных МРТС обычно используется ПЗС-матрица из 1300x1024 элемента. Для цифровой обработки использована дискретизация по уровню 2Л, где /? - разрядность используемого АЦП. МРТС использует 12-разрядные АЦП, что дает возможность дискрет из ировать сигнал с точностью до 0,025%, что вполне удовлетворяет необходимой точности сигнала от локальной неоднородности.

При построении результирующего алгоритма обработки визуальной информации были сделаны следующие допущения.

1. Уровень шумов в исходном изображении не содержит шумов, вносимых неоднородностью поверхности объекта контроля. Такая погрешность несущественна и обладает малым радиационным контрастом.

2. Эффект дискретизации и последующей интерполяции отсчетов исходного изображения не изменяют среднего значения и дисперсии шумовой составляющей. Ввиду этого фильтр с импульсной характеристикой Ч'Ос; у) не участвует в цепи обработки шумовой составляющей.

3. Потери информации за счет искажения исходного изображения поворотным зеркалом и оптической системой сжатия изображения отсутствуют.

Таким образом, в рамках принятых допущений нами получена математическая модель системы контроля, которая учитывает:

спектральный состав излучения рентгеновских аппаратов и его трансформация на всех этапах прохождения (мишень, поглотитель, сцинтиллятор);

эффект расходимости пучка излучения, генерируемого рентгеновским аппаратом;

процесс дискретизации исходного изображения на выходе ПЗС-матрицы;

цифровую и аналоговую фильтрации в зависимости от метода съема информации с ПЗС-матрицы;

3.3

возможность повышения информативности исходных данных за счет обработки их различными статистическими алгоритмами.

В четвертой главе представлены результаты разработки рентгеноскопических систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики.

При участии и непосредственном руководстве автора данной работы в течение последних пяти лет разрабатывалась серия мобильных и стационарных рентгенотелевизионных досмотровых систем «НОРКА», предназначенная для проведения в стационарных и полевых условиях рентгеновского контроля отдельных предметов багажа, почтовых отправлений и т.д. при наличии двухстороннего подхода к объекту контроля.

НОРКА может быть использована для:

- проверки почты, ручной клади, багажа и отдельных предметов с целью выявления взрывных устройств и их составных частей;

- выявления скрытно установленных устройств съема информации в элементах мебели, строительных конструкциях, оборудовании офисов и т.п.;

- промышленного неразрушающего контроля.

Установка НОРКА проста в использовании, быстро разворачивается и безопасна при условии соблюдения мер предосторожности. На рис. 4.1 представлена фотография комплекта рентгенотелевизионной системы НОРКА, включающего рентгеновские аппараты серии РИ на сто и сто пятьдесят киловольт с возможностью дистанционной регулировки высокого напряжения, преобразователи различных форматов и блоки обработки и визуализации типа БУ-2 и БУ-4 с цветным монитором. Основные технические характеристики комплекса приведены в табл. 4.1.

Рис. 4.1. Фотография рентгенотелевизионной системы НОРКА.

Установка рентгенотелевизионная портативная НОРКА построена по модульному принципу рис. 4.2. Конфигурация системы может быть подобрана согласно требованиям заказчика.

Рентгеновский аппарат Сменный i 1№ГОр

h 1

^ 1 I Н hi

ц 1 -/^Камерный Я«« блок

Блок управления

1 ........... • 1

| ___ШШУ 1

Рис. 4.2 Комплект НОРКА на базе промышленного компьютера.

В рамках программы разработки мобильной поисковой рентгенотелевизионной системы НОРКА была разработана стационарная рентгеновская установка «Калан-2М» предназначена для рентгеновского обследования внутреннего содержимого предметов (упаковок, портфелей, почтовых корреспонденции и т.п.) с целью обнаружения в них элементов взрывных устройств, скрытно установленных

Таблица 4.1.

Основные технические характеристики системы НОРКА

Максимальная плотность контролируемых предметов эквивалентна стальной/ алюминиевой преграде толщиной, мм При использовании излучателя РИ-100МН; При использовании излучателя РИ-150МН. 16/50 28/80

Сменные преобразователи Размер рабочего поля, мм 114 х 152 (дополнительно) 190 х 250 (дополнительно) 300 х 400 (стандартный комплект) 410 х 550 (дополнительно)

Размер экрана блока управления БУ-2М, БУ-4 БУ-5 6,4" TFT LCD 12" TFT LCD 15" TFT LCD

Количество сохраняемых изображений: При использовании блока управления БУ-2М БУ-4 БУ-5 200 (расширяется до 1024) 30000 (не менее) 30000 (не менее)

Методы представления изображений в позитивном, негативном, псевдоцветном и дополнительно в проконтрастированном виде и т.п.

Разрешающая способность (диаметр выявляемой медной проволочки), мм 0.08 (без преграды)

Производительность контроля при использовании блока управления БУ-2М БУ-4 и БУ-5 не менее 120 изображений в час не менее 60 изображений в час

Режим работы рентгеновского аппарата Непрерывный с длительностью экспозиций от 8 до 25с.

Время задержки включения рентгеновского излучения, с. 5

Длина соединительных кабелей Блок управления - излучатель, м. Излучатель - блок телекамеры, м. 15 5

Диапазон рабочих температур Допустимая влажность Минус 20 - плюс 50°С 90% при 35°С

Сетевое питание 100 и- 260 VAC 50±l/60±lHz

Аккумуляторное питание, В 24

Срок службы, год 10

Общая масса установки, кг 25 (не более)

Масса установки в транспортных сумках при минимальной комплектации с излучателем РИ100-МН, кг 17,5

Масса установки в транспортных сумках при минимальной комплектации с излучателем РИ150-МН, кг 21,1

средств съема информации и опасных вложений в условиях производственных помещений. В отличие от мобильной системы стационарная имеет местную защиту от рентгеновского излучения и может использовать в любых производственных, общественных и жилых помещениях.

Также приводятся результаты разработки интроскопа для промышленной интроскопии ИР-200.

Основные результаты работы.

1 Проведен анализ существующих рентгенотелевизионных систем и сформулированы требования к мобильным рентгенотелевизионным установкам, используемым для целей антитеррористической и промышленной диагностики.

2. Проведено численное моделирование основных этапов получения рентгеновского изображения, включающих генерацию рентгеновского излучения в материале мишени под действием ускоренных электронов, прохождение излучения через объект контроля и его поглощение в материале сиинтилляционного экрана.

В результате расчетов получены спектры первичного рентгеновского излучения, а также спектры за поглотителем из стали и алюминия различной толщины.

Впервые прямым аналоговым моделированием получены не только средние значения энергии, но и ее дисперсии.

3. Проведенные теоретические исследования позволили получить аналитическое выражение, связывающее параметры проектируемых интроскопов, которое дает возможность по заданным значениям относительной чувствительности и вероятности обнаружения дефекта определить энергопотребление рентгеновского излучателя и оптимальное по энергопотреблению значение анодного напряжения.

4. Исследованы процессы формирования информации в регистрирующем тракте M РТУ и проведена оценка возникающих в нем шумов.

Теоретически обоснованы и определены пределы разрешающей способности получаемого изображения. По результатам теоретических исследований разработана математическая модель системы контроля.

5. Разработана M РТУ "Норка" для антитеррористической и промышленной диагностики. Технические и эксплуатационные характеристики полностью соответствуют сформулированным требованиям. Организовано промышленное производство различных модификаций M РТУ "Норка", отличающихся составом, адаптированным к конкретным объектам контроля. К настоящему времени выпущено более 450 комплектов «Норка», из них более 90 комплектов поставлено за рубеж.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Moskalev Y.A, Chakhlov V.L., TemnikA.K., Usachev E.Y., Lebedev M.B. "System of digital radiography for NT in the radiacoin energy 1-20 meV" -Roma,15-t World conference on NDT, 2000 у

2. Фирстов В.Г., Дягилев A.B., Усачев Е.Ю., Чахлов C.B., Бронников А.Г., Шуринов В.А. Исследование возможностей автоматизации анализа результатов технологического контроля изделий микроэлектроники. Контроль. Диагностика № 11 2001г. - с. 32 - 36

3. Дефектоскопический комплекс для контроля качества сварных швов трубопроводов, обсадных, бурильных, насосных-компрессорных труб и подъемно-транспорных механизмов. Москалев Ю.В., Григорьев C.B., Рогов А.Б., Лебедев М.Б., Усачев Е.Ю. тез. доклада, 8-я Региональная научно-техническая конференция « Неразрушающий контроль и техническая диагностика оборудования в процессе эксплуатации », 2001, Иркутск, с. 27-30.

4. Фирстов В.Г., Усачев Е.Ю., Бронников А.Г., Шуринов В.А. Исследование возможности использования CCD-камер в РЭОПах рентгенотелевизионных систем для контроля промышленных трубопроводов. - 3-я Международная конференция «Диагностика трубопроводов», Тез. докл. М.: 2001 г. - с. 119

5. Система цифровой радиографии для контроля качества промышленных изделий излучением в диапазоне энергий от 100 кэв до 10 мэв. Москалев Ю.А., Усачев Е.Ю., Рогов А.Б., тез.доклада в сборнике трудов 7-ой Российской научно-технической конференции « Неразрушающий контроль и диагностика », 2002, С-Петербург, с. 73Темник А.К., Москвитин Е.В., Усачев Е.Ю. «Цифровое восстановление теневого изображения» - Томск, Известия ТПУ, вып. 5, 2002 г.

6. Разработка промышленного цифрового интроскопа, предназначенного для контроля в цеховых и полевых условиях сварных соединений изделий из алюминия и стали. Лебедев М.Б., Лохин В.М., Маскалев Ю.А., Серегин В.Н., Усачев Е.Ю. 51-я научно-техническая конференция МИРЭА, стендовый доклад, 13-20 мая 2002 г.

7. Применение метода цифрового томосинтеза для промышленного контроля изделий электроники. A.B. Дягилев к.т.н., В.М. Попов, А.Г. Бронников, Е.Ю. Усачев, М.Б. Лебедев, C.B. Чахлов к.т.н., В.А. Шуринов к.т.н., A.C. Богданов. Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности. Доклад. 3-я Международная выставка и конференция. 17-18 марта 2004г.

8. К вопросу об аналитической зависимости при выборе оптимальных параметров в радиационной дефектоскопии. Усачев Е.Ю., Темник А.К., Штейн М.М. Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности. Стендовый доклад. 3-я Международная выставка и конференция. 17-18 марта 2004г.

»210 5 0

РНБ Русский фонд

2006-4 19711

Введение.

Глава 1 Анализ последних достижений в области разработки рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики

1.1 Принципы построения современных рентгенотелеви-зионных систем.

1.2 Особенности построения и применения рентгеноте-левизионных систем для антитеррористической диагностики.

1.3 Особенности построения и применения мобильных рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии.

1.4 Применение методов цифровой обработки изображений в радиационной дефектоскопии.

1.5 Выводы.

Глава 2 Разработка физико-математической модели мобильной рентгенотелевизионной системы

2.1 Расчет энергетического спектра за поглотителем.

2.2 Прохождение ионизирующего излучения через сцин-тилляционные преобразователи.

2.3 Расчет прохождения рентгеновского излучения через сцинтиллятор.

2.4 Расчет световых потерь.

2.5 Анализ результатов расчета.

2.6 Выводы.

Глава 3 ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ПРИЕМНО-РЕГИСТРИРУЮЩЕМ тракте рентгенотелевизионной системы

3.1 Расчет световыхода в сцинтилляторе.

3.2 Расчет световых потерь в приемно-регистрирующего тракта.

3.3 Характеристики шумов регистрирующей аппаратуры.

3.4 Оценка разрешающей способности рентгенотелевизи-онного преобразователя.

3.5 Метод аналитического определения спектра сигнала.

3.6 Математические модели для обработки изображений

3.7 Выводы.

Глава 4 Мобильная рентгенотелевизионная система для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики

4.1 Разработка поисковой мобильной рентгенотелевизи-онной системы для контроля ручной клади и забытых предметов.

4.1.1 Микрофокусный рентгеновский аппарат с малым нер-гопотреблением.

4.1.2 Цифровая видеокамера на основе ПЗС-матрицы с высоким разрешением и большим динамическим диапазоном.

4.1.3 Специальное программное обеспечение для обрабогкии анализа рентгеновских изображений.

4.1.3.1 Алгоритм автоматической адаптации цифровой видеокамеры, в составе рентгенотелевизионной системы.

4.1.3.2 Описание алгоритма сшивки изображений.

4.2 Измерение основных характеристик рентгентелеви-зионных систем.

4.2.1 МРТС с преобразователем на основе поликристаллического экрана.

4.2.2. МРТС для промышленной дефектоскопии.

4.3 Выводы.

Одним из основных методов контроля качества в промышленности является радиография материалов и изделий. Радиографическому неразрушающему контроля посвящено большое количество монографий, справочников, статей, докладов на научно-технических конференциях [1-16].Общеизвестные достоинства данного метода - высокая чувствительность и разрешающая способность могут быть использованы в полной мере лишь в стационарных условиях контроля. Но такие ограничения, как необходимость специального помещения и оборудования для обработки рентгеновской пленки, не слишком высокая производительность и субъективность при оценке полученных результатов сужают круг задач, где была бы возможность реализовать вышеуказанные преимущества метода пленочной радиографии.

Наиболее эффективно устраняют указанные недостатки радиографии радиоскопические системы, основанные на преобразовании ионизирующего излучения в видимое изображение в реальном масштабе времени. Эти системы реализованы как на преобразователях типа РЭОП, так и на основе систем, состоящих из сцинтилляционных преобразователей с последующей регистрацией светового потока светочувствительными детекторами типа ПЗС матриц, либо твердотельные многоэлементные матрицы [17,18,19] дефектоскопическая чувствительность ряда стационарных радиоскопических систем [20- 23] приближается к чувствительности рентгеновской пленки, что позволяет применять эти системы для контроля отдельных узлов и агрегатов авиационной и космической техники, где требуется проведение контроля с высокой чувствительностью.

Для промышленной дефектоскопии в полевых условиях созданы мобильные радиоскопические системы [22,19,24,25], позволяющие проводить контроль в нестационарных условиях (на трассах трубопроводов, строительных площадках, аэродромах и т.п.). Как следует из анализа их основных технических параметров диапазон контролируемых толщин для систем данного типа составляет для изделий из стали от 2 до 50 мм, а из алюминия до 150 мм, при этом дефектоскопическая чувствительность соответствует третьему, а в ряде случаев второму классу чувствительности по ГОСТу 7512-82. С расширением магистралей трубопроводов и развитием топливно-энергетического комплекса, повышением требованием к авиационной безопасности существует тенденция к совершенствованию мобильных радиационных средств промышленного контроля в части их требований по назначению, а также эксплуатационных характеристик (энергопотребление, масса-габаритные параметры, климатика и т.п.).

В последнее десятилетие мировое сообщество столкнулось с небывалым ростом терроризма и наркоторговли. Участились случаи использования транспортных средств в качестве оружия, содержащего большие объемы взрывчатых веществ. Многократно возросла опасность крупных террористических актов, объектами которых могут быть предприятия топливно-энергетической и атомной отраслей промышленности, стратегически значимые транспортные магистрали и телекоммуникационные системы, государственные органы. Ведущее место среди широкой номенклатуры антитеррористических средств принадлежит поисковым устройствам, основанным на использовании методов радиационной интроскопии. Высокая информативность, обеспечиваемая радиационными методами, обусловлена возможностью визуализации внутренней структуры контролируемого объекта и идентификации террористических средств с определением их местоположения в объекте контроля. Как следует из практики проведения оперативно-технических мероприятий по борьбе с терроризмом одним из определяющих требований к досмотровым средствам является возможность осуществления контроля в полевых условиях (на улицах города, в помещениях зданий, на контрольно-пропускных пунктах и т.п.). В связи с чем, для ведущих научно-технических организаций стали актуальными задачи по созданию мобильной антитеррористической техники на принципах радиационных методов контроля, внедрение которой повысит техническую оснащенность правоохранительных органов, и как следствие эффективность борьбы с терроризмом.

Объект исследования - рентгенотелевизионные системы для контроля внутренней структуры материалов и изделий.

Предмет исследований - установление закономерностей формирования информации в приемно-регистрирующем тракте: источник излучения -контролируемый объект - преобразователь ионизирующего излучения - блок обработки и отображения визуальной информации; применительно к условиям, характерным для выявления локальных неоднородностей в контролируемых объектах в нестационарных и полевых условиях.

С учетом изложенного в настоящей диссертационной работе была поставлена следующая цель — разработка обоснованных научно-технических решений для создания и освоения промышленного производства мобильных рентгенотелевизионных систем (МРТС), оптимизированных по критерию минимизации энергопотребления и масса-габаритным параметрам и обеспечивающих повышенную достоверность контроля при использовании МРТС правоохранительными органами и промышленными предприятиями в нестационарных (полевых) условиях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ последних достижений в области разработки рентгеноскопических систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики.

2. Разработка физико-математической модели мобильной рентгено-телевизионной системы контроля и на ее основе оптимизация параметров рентгеновского излучателя и приемно-регистрирующего тракта системы, с учетом особенностей объекта контроля.

3. Разработка методики оценки основных дефектоскопических параметров (чувствительность, пространственное разрешение и контролируемая толщина) МРТС в зависимости от задаваемых требований к эксплуатационным параметрам МРТС (производительность контроля, контролируемая толщина, энергопотребление, масса-габариты) .

4. Разработка технических решений по созданию МРТС и его алгоритмического и программного обеспечения.

5. Испытание МРТС для решения задач радиационного контроля в авиационной технике и проведении антитеррористических мероприятий в полевых условиях. Промышленное освоение производства МРТС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получена совокупность математических соотношений, определяющих функцию чувствительности рентгенотелевизионных систем применительно к нестационарным и полевым условиям диагностики внутренней структуры объектов в рамках проблемы противодействия террористической деятельности и промышленной диагностики.

2. Разработан алгоритм автоматического выбора экспозиции, обеспечивающей максимум чувствительности метода рентгенотелевизионного контроля путем предварительного анализа изображения, сформированного при малом времени экспозиции.

3. Разработан алгоритм коррекции оптических искажений при синтезе рентгенотелевизионных изображений, формируемых в многокамерных преобразователях ионизирующего излучения.

Практическая значимость.

1. На основе проведенных исследований разработана серия рентгенотелевизионных установок для решения задач антитеррористической диагностики с технико-экономическими показателями, превышающими аналоги, что подтверждено сертификационными испытаниями.

2. Разработанные МРТС могут быть использованы для промышленной дефектоскопии, что подтверждено актами внедрения.

Реализация результатов работы.

Под руководством и при непосредственном участии диссертанта создана производственно-технологическая база для изготовления МРТС с объемом выпуска до 150 комплектов в год. Всего к настоящему времени поставлено около 450 МРТС типа «Норка», в том числе 96 комплектов в страны ближнего и дальнего зарубежья. Серийное производство осуществляется по утвержденным нормативными органами техническим условиям и сертифицировано по ИСО 9001. Все выпускаемые МРТС имеют санитарно-эпидемиологический паспорт Минздрава РФ. ----Методология работы основана на использовании положений формирования пучка рентгеновского излучения, его взаимодействия с контролируемым объектом и последующей регистрации. Алгоритмы обработки рентгеноскопической информации основаны на использовании математического аппарата статистического анализа информации и критериев оценки полученных результатов. Измерения основных физических величин и аппроксимация полученных результатов аналитическими зависимостями осуществлялась с погрешностью 3-5%.

Достоверность теоретических результатов находится в достаточной точности для использования их в практических разработках и подтверждено аппаратурной реализацией в установках, внедренных в системах антитеррористической диагностики.

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях: 14-я, 15-я, 16-я и 17-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушакмций контроль и диагностика» (Москва, 1996г., 1999г., 2002г., Екатеринбург, 2005г.), 3-я Международная конференция «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

4.3 Выводы

1. Разработана поисковая мобильная рентгенотелевизионная система для контроля ручной клади и забытых предметов, содержащая микрофокусный рентгеновский аппарат с малым энергопотреблением, цифровую видеокамеру на основе ПЗС-матрицы с высоким разрешением и большим динамическим диапазоном.

2. Разработано специальное программное обеспечение для обработки анализа рентгеновских изображений и алгоритм автоматической адаптации цифровой видеокамеры, в составе рентгенотелевизионной системы, разработана методика измерения характеристик МРТС.

3 Разработана МРТС для промышленной дефектоскопии, обеспечивающая чувствительность контроля 1,5-2,5 % при контроле объектов, эквивалентных стальному поглотителю толщиной 15-60 мм.

Заключение

В результате теоретических и экспериментальных исследований и научно-практических разработок были получены следующие результаты:

1.Проведен детальный анализ устройств, предназначенных для обнаружения оружия и взрывных устройств при контроле подозрительных предметов, ручной клади и багажа. Данный анализ показал, что наиболее подходящим является радиоскопический контроль с последующей компьютерной обработкой полученных результатов.

2. По оригинальной методике с учетом всех стадий преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал, проведен расчет энергетического спектра за поглотителем из стали в диапазоне 2—50 мм, алюминия 2 - 150 мм. Разработана физико-математическая модель мобильной рентгенотелевизионной системы контроля и на ее основе методика оптимизации параметров рентгеновского излучателя и приемно-регистрирующего тракта системы, с учетом особенностей объекта контроля.

3. Разработаны и изготовлены несколько модификаций радиационных интроскопов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль подозрительных предметов, ручной клади и багажа. К наиболее успешным разработкам можно отнести установки типа «Норка», «Калан». Эти установки нашли широкое применение, что подтверждается актами внедрения, прилагаемые к данной диссертационной работе.

4. Разработаны оригинальные алгоритмы и программы обработки результатов радиоскопического контроля с целью повышения информативности и достоверности полученных результатов

5. Разработана методика оценки технических параметров различных радиационных интроскопов.

6. Разработана МРТУ "Норка" для антитеррористической и промышленной диагностики. Технические и эксплуатационные характеристики полностью соответствуют сформулированным требованиям.

Организовано промышленное производство различных модификаций МРТУ "Норка", отличающихся составом, адаптированным к конкретным объектам контроля. К настоящему времени выпущено более 450 комплектов «Норка», из них более 90 комплектов поставлено за рубеж.

1. Румянцев C.B., Штань A.C., Гольцев В.А.Справочник по радиационным методам неразрушающего контроля / Под ред. C.B. Румянцева. — М.: Энергоиздат, 1982. 240 с.

2. Румянцев C.B. Радиационная дефектоскопия. Изд 2-е , М., Атомиздат, 1974., 512 с.

3. Рентгенотехника, справочник под ред. Клюева В.В., М.: Машиностороение, В 2-х кн. Кн.1 480 е., ил., кн.2 368 е., ил. 2-е изд. изд. перераб и доп. -М.: Машиностроение, 1992.

4. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Теория и практика радиационного контроля: Учеб. пособие для студентов вузов. -М.: Машиностроение, 1998. —170 е.: ил.

5. Добромыслов В.А. Радиционные методы неразрушающего контроля. — М.: Машиностроение, 1999. 104 с

6. Адаменко A.A. Современные метода радиационной дефектоскопии, Киев, Наукова думка, 1984, 214 с.

7. Бунж З.А., Вейц Б.Н., Ддченко JI.H. Радиоизотопные рентгенофлюоресцентные толщиномеры покрытий. М.: Атомиздат, 1979.-84 с.

8. Горбунов В.И., Покровский A.B. Радиометрические системы радиационного контроля. -М.: Атомиздат, 1979. -221 с.

9. Быстров Ю.А., Иванов С.А. Ускорители и рентгеновские приборы. М.: Высшая школа, 1976. 206 с.

10. Ю.Горбунов Е.И., Епифанцев В.Н. Автоматические устройства в радиационной дефектоскопии. М.: Атомиздат, 1979. 120 с.

11. П.Иванов В.И., Машкович В.П., Центер Э.М. Международная система единиц (СИ) в атомной науке и технике

12. Промышленная радиография. Перев. С англ. Под ред А.С.Штаня и В.И. Синицина М., Атомиздат, 1960.

13. Владимиров Л.В., Козлов A.A. Индикатор дозы и мощности дозы для контроля промышленных рентгеновских аппаратов. 15 Российская научн.-технич. конф. «Неразрушающий контроль и диагностика» М.: 1999. Тезисы доклада, с. 176.

14. Tofaute Н. Arch. f.d. Eisenhuttenwessen, 7,8 / 1958, s. 303 -310.

15. Wallman G. Arch. f.d. Eisenhuttenwessen, 8 / 1958, s. 243-251.

16. Ковалев A.B. «Антитеррористическая и криминалистическая диагностика» ж. «Контроль. Диагностика», № 2, 2004 г., с. 23-30

17. Рентгеновские диагностические аппараты в 2-ух томах.-Под ред. H.H. Блинова, Б.Н. Леонова, М., ВНИИМТ, НПО «Экран», 2001 г., с. 32-87; с. 54-73.

18. Неразрушающий контроль: Справочник, том.8, книга 2 A.B. , под общей ред. В.В. Клюева, М., Машиностроение, 2005 г. с. 6-147

19. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. М.: Мир. 1977. 216 с.

20. Блинов H.H., Жуков Е.М., Козловский Э.Б., Мазуров А.Е. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма изображений. М.: Энергоиздат, 1982, 200 с.

21. Неразрушающий контроль: Справочник, том.1, книга 2 Ф.Р. Соснин, под общей ред. В.В. Клюева, М., Машиностроение, 2003 г. с.203- 246

22. Клюев В.В. и др. 16-я Международная конференция по неразрушающему контролю, ж. «Контроль. Диагностика», № 1, 2005 г с. 3-23.

23. Проспект ИР200, ООО «Диагностика М»

24. Проспект фирмы THALES, 2001-2004г.

25. Клюев В.В. «Глобализация технической диагностики и неразрушающего контроля» ж. «Контроль. Диагностика», № 8, 2004 г., стр. 3-6

26. Спецификация на оборудование фирмы PCO GMbH 1999-2003 г.

27. Соснин Ф.Р. «3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» ж. «Контроль. Диагностика», № 7, 2004 г., с. 3-18

28. Темник А.К., Москвитин Е.В., Усачев Е.Ю. «Цифровое восстановление теневого изображения» Томск, Известия ТПУ, вып. 5, 2002 г.

29. Moskalev Y.A, Chakhlov V.L., TemnikA.K., Usachev E.Y., Lebedev M.B. "System of digital radiography for NT in the radiacoin energy 1-20 meV" -Roma,15-t World conference onNDT, 2000 y.

30. Соснин Ф.Р. «3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» ж. «Контроль. Диагностика», № 7, 2004 г., с. 3-18

31. А. А. Майоров «Компьютерная радиография с использованием. флуоресцентных запоминающих пластин — что это такое?», ж. «В мире неразрушающего контроля», № 2, 2004 г.с. 8-11

32. Прэтт У.К. Цифровая обработка изображений М., Мир, 1982 г., с. 12-18

33. Каппелини В., Константиниус А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение-М., Энергоатомиздат, 1953 г., с. 22-38

34. Павлидис П. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений — М., Радио и связь, 1986 г., с. 10-41

35. Р. Блейхут Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов М., Мир, 1989 г.,

36. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач -М., Наука, 1996 г., с. 36-51

37. Бейтс Р., Мак-Доннеля Н., Мак-Доннеля Восстановление и реконструкция изображений М., Мир, 1989 г., с. 5-838.0чин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений JL, Энергоатомиз, 1989 г., с. 10-18

38. Лейпунский О.И., Новожилов Б.В., Сахаров В.Н. Распространение гамма-квантов в веществе, М. Физматгиз, 1960 г. с. 17-48

39. У. Фоно, JI. Спенсер, М. Бергер Перенос гамма излучения, - М. Госатомиздат, 1969 г.с. 16-21

40. Бусленко Н. М. и др. Метод статистических испытаний М., Мир, 1971 г. 54 с.

41. С.Н. Ермаков Метод Монте Карло и смежные вопросы- М., Наука, 1976 г. с.5-19

42. A.M. Кольчужкин, В.В. Угайкин Введение в теорию прохождения частиц через вещество- М., Атомиздат, 1978 г. 6-44

43. В.Н. Беспалов Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц. Томск, Известия ВУЗов, Физика № 4, 2000 г.

44. Ланник Ю.В. Статистические задачи с мешающими параметрами.- М., Наука, 1966 г., с. 12-17

45. Кантор Б.М. Методы и средства малодозной цифровой флюорографии» -Медицинская техника, № 5, 1999 г. 23-27

46. С.В. Стародубцев, A.M. Романов Взаимодействие гамма излучения с веществом, Ташкент.: Наука, 1964 г., с.5-27, 33-37

47. Триска Т.И., Шевкис З.Л. Изготовление сцинтилляционных детекторов рентгеновского излучения на основе монокристалла. Монокристаллы, сцинтилляторы и органические люминофоры., Вып. 6, ч. 2, 1972, с. 44

48. М.Н. Медведев Сцинтилляционные детекторы, -М., Атомиздат, 1977 г., с. 23-36

49. Brinckman P. "CsJ9Na) Scintillation on Cristals." "Phys. Letters", № 4, 1965 г., p.305

50. M.H. Аненко, A.C. Дубовик, Прикладная оптика, М., Наука, 1982 г., с.7-32

51. Р. Шарп Методы неразрушающих испытаний М., Мир 1972 г., 490 с.53.3аказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика, М., Машиностроение,1984 г.

52. М.М. Русипов Техническая оптика, М., Машиностроение, 1979 г., c.l 1— 46

53. Beteman J.E. Some Recent Results with a Photodiode

54. Левин Б.Р. Теоретические основы статической радиотехники, кн. 1,2.;-М., «Советское радио», 1968 г., с. 356; с. 288

55. Шестов Н.С. «Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех; -М., «Советское радио», 1967 г.

56. Харкевич A.A. Борьба с помехами -М., издательство «Наука», 1965 г. с. 26-151

57. Филипов М.В., Фурсов A.C. Алгоритмы цифрового восстановления изображений в оптической микроскопии для повышения точности измерений. Контроль. Диагностика. № 1, 2004 г., с. 44-49

58. Филипов М.В., Фурсов A.C. Алгоритмы цифрового восстановления изображений в оптической микроскопии для повышения точности измерений. Контроль. Диагностика, № 7, 2004 г., с. 22-28

59. Блинов H.H., Варшавский Ю.В., Зеликман М.Н. Цифровые преобразователи изображения для медицинской радиологии.: — М., Компьютерные технологии в медицине, № 3, 1997 г., с. 21-27

60. Деч A.B. Требование к программным комплексам улучшения и архивирования рентгеновских изображений.: ж-л «В мире Н.К» , № 3, 2003 г., с. 66-69

61. Иванов В.А., Марусина М.Я., Сизиков B.C. Обработка измерительной информации в условиях неопределенностей ж-л «Контроль. Диагностика», № 4, 2001 г. 38-42

62. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Интегральные уравнения: методы, алгоритмы, программы -Киев, Наукова думка, 1986 г.

63. Артемьев Б.В., Маслов А.Н., Запскалов В.Г., Егоров Н.В., Ролик В.А. Теоретические исследования с поглотителем сложной геометрической формы в динамике -Контроль. Диагностика, № 3, 2003 г., с. 17-20

64. Вайнштейн JT.A., Зубаков В.Д. «Выделение сигналов на фоне случайных помех» М., изд. «Советское радио», 1960 г.

65. Горбунов В.Н., Удод B.JI. и др. Выбор параметров радиометрических систем с дискретным сканированием радиационного поля — ж-л Автометрия, 1987 г., № 4, с. 25-27

66. Фирстов В.Г., Дягилев A.B., Усачев Е.Ю., Чахлов C.B., Бронников А.Г., Шуринов В.А. Исследование возможностей автоматизации анализа результатов технологического контроля изделий микроэлектроники; — ж-л «Контроль. Диагностика» № 11 2001 г., с. 32 -36

67. ГОСТ 20426 Контроль неразрушающий. Методы дефектоскопии радиационные. Область применения.