Распознавание материалов при радиационном таможенном контроле на базе линейного ускорителя электронов

• Автор: Огородников, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 121 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ РАСПОЗНАВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ДУАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В ДИАПАЗОНЕ 4-10 МЭВ
1.1 Генерация и поглощение гамма-квантов в веществе
1.1.1 Генерация гамма-квантов
1.1.2 Ослабление гамма-излучения в веществе
1.1.2.1. Сечение фотоэффекта
1.1.2.2. Сечение комптон-эффекта
1.1.2.3. Сечение рождения пар
1.2 Общая постановка задачи радиоскопической дискриминации
1.2.1. Прозрачность барьера
1.2.2. Система интегральных уравнений для гомогенного барьера.
1.2.3. Случай гетерогенного барьера
1.3 Дискриминационный эффект
1.3.1. Узкий пучок
1.3.2. Веерный пучок
1.3.2.1. Рассеянное излучение
1.3.2.2. Оценка эффекта методом Монте-Карло
1.4 Резюме
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ДУАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В ДИАПАЗОНЕ 4^10 МЭВ.
2.1 Экспериментальная установка
2.2 Ускоритель с дуальной энергией
2.3 Предварительная обработка дуальных изображений
2.3.1. Коррекция временных флуктуаций и угловой анизотропии излучения
2.3.2. Коррекция нелинейности каналов детектирования
2.3.2. Оценка граничной энергии
2.4 Статистические характеристики дуальных изображений
2.4.1. Источники шума
2.4.1.1 Шумы электроники
2.4.1.2 Фотонный шум
2.4.2. Экспериментальные измерения
2.5 Вероятность ошибки при дискриминации материалов
2.5.1. Случай двух групп материалов
2.5.2. Случай нескольких групп материалов
2.6 Резюме
ГЛАВА 3 СЕГМЕНТАЦИЯ ДУАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
3.1 Введение
3.2 Известные алгоритмы кластеризации
3.2.1. Алгоритм К-средних (k-means)
3.2.2. Лидер-алгоритм (Leader algorithm)
3.3 Модифицированный лидер-алгоритм
3.3.1. Определение размера кластеров
3.3.2. Учет геометрической смежности кластеров
3.3.3. Алгоритм
3.4 Устранение избыточной сегментации
3.5 Маркировка сегментов
3.6 Визуализация результатов
3.6.1. Введен ие
3.6.2. IHS цветовое пространство
3.6.3. TZ-палитры
3.6.4. Синтез распределений Т и Z в одном изображении.
3.7 Резюме
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ А: БИЛАТЕРАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ В: РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО ФУНКЦИИ РАССЕЯНИЯ ТОЧКИ
ЛИТЕРАТУРА
СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ
СПИСОК ТАБЛИЦ

Введение
Угроза террористических актов, особенно после трагических событий осени 2001 года, явилась причиной резкого повышения интереса к проблеме обеспечения эффективного обнаружения оружия, взрывчатых веществ и другой контрабанды, скрытой в транспортируемых грузах. В настоящее время существует ряд методов выявления опасных грузов, например химический анализ паров, ядерно-физический элементный анализ и др. Однако наибольшее распространение получили радиационные методы инспекции, в частности метод дуальной энергии для распознавания материалов, который широко применяется в низкоэнергетических радиационных системах для таможенного контроля ручного багажа в аэропортах и контрольно-пропускных пунктах [1-8], Его главное преимущество - возможность распознавать различные материалы по атомному номеру (2), что достигается сравнением степени ослабления рентгеновского излучения разных энергий, зависящей от атомного номера материала. Материалы с высоким 2 являются лучшими абсорбентами, чем с низким, поэтому легкие или «органические» вещества с малым 2, такие как водород, углерод, азот, кислород, могут быть отделены от других групп материалов, например «неорганических» с более высоким 2. Это повышает эффективность выявления взрывчатых веществ, большинство из которых имеет эффективный атомный номер, близкий к 7 (табл. г).
Табл. г Химические формулы и плотности наиболее распространенных взрывчатых веществ [9].
Вещество Химическая формула Плотность, г/см3
Тротил с7н5ы3о6 1.
Гексоген СзНйЫ606 1.
Октоген сдла 1.906 ~
Нитроглицерин С3Н5Ы309 1.
Нитродигликоль с4н^2о7 1.
Нитрогликоль с2н4н2о6 1.

1, §т/ст-‘
Рис. 1.10 Результаты вычисления дискриминационного эффекта методом Монте-Карло для веерного пучка (точки) и аналитического расчета для узкого пучка (кривые) с дуальными энергиями 8 и 4 МэВ для полиэтилена, воды, алюминия, железа и свинца.
Из табл. 1.1 и рис. 1.10 видно, что эффект достаточно мал для материалов с близкими атомными номерами. Так, например, для воды и полиэтилена с разницей атомных номеров А2=2 эффект составляет приблизительно 1%, а для полиэтилена и железа А2=20 он уже около 10%. Дискриминация слабо улучшается с ростом массовой толщины в силу того, что спектр прошедшего тормозного излучения претерпевает ужесточение и приближается к монохромному. Однако, как мы убедимся далее, данный феномен сводится на нет ростом шумов связанным с быстрым падением интенсивности принимаемого детекторами излучения.
Необходимо заметить, что для количественной оценки дискриминационного эффекта были выбраны граничные энергии тормозного излучения равными 8 МэВ и 4 МэВ, что обусловлено следующими соображениями. Вообще говоря, верхняя граница энергетического диапазона ограничена 10 МэВ. Это связано с