Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса 15
1.1 Общая характеристика опасных веществ 15
1.2 Неядерно - физические методы обнаружения взрывчатых веществ 21
1.3 Ядерно-физические методы обнаружения взрывчатых веществ 23
1.4 Описание мобильной установки УВП-1103 30
1.5 Выводы к 1-ой главе 38
ГЛАВА 2 Математическое обоснование и алгоритмы калибровки блоков детектирования мобильной установки на меченых нейтронах 40
2.1 Описание математического аппарата и алгоритмов для определения положения пика полного поглощения гамма-кванта 43
2.2 Разработанная методика временной калибровки 48
2.3 Алгоритм энергетической калибровки 53
2.4 Выводы к 2-ой главе 61
ГЛАВА 3 Математическое обоснование и разработка алгоритма обнаружения взрывчатых веществ для мобильной установки на меченых нейтронах 62
3.1 Структура алгоритма обнаружения взрывчатых веществ в объеме 62
3.2 Алгоритм локализации и поиска подозрительного предмета в инспектируемой области на основе последовательного анализа 63
3.3 Выбор математического метода применительно к декомпозиции спектров --- 72
3.4 Алгоритм принятия решения о наличии ВВ 83
3.5 Выводы к 3-ой главе 95
Глава 4 Программно - алгоритмический комплекс и его испытания 96
4.1 Структура специализированного программно - алгоритмического комплекса Control-GTII для мобильной установки УВП-1103 97
4.2 Методика измерения базисных характеристических спектров 109
4.3 Экспериментальная проверка алгоритма обнаружения ВВ 113
4.4 Выводы к 4-ой главе 118
Заключение 119
Список литературы 120
- Ядерно-физические методы обнаружения взрывчатых веществ
- Разработанная методика временной калибровки
- Алгоритм локализации и поиска подозрительного предмета в инспектируемой области на основе последовательного анализа
- Методика измерения базисных характеристических спектров
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение безопасности в местах с большим сосредоточением людей является приоритетным направлением любого развитого государства. Зачастую в подобных местах обнаруживаются предметы или вещи, которые могут оказаться потенциально опасными. По этой причине очевидна необходимость оснащения специализированных служб новейшими методами и средствами обнаружения опасных веществ в условиях замаскированности и в отсутствие возможности транспортировки подозрительного предмета. В настоящее время особую опасность при больших скоплениях людей представляют взрывчатые вещества (ВВ).
На данный момент задача поиска ВВ существенно усложнилась, поскольку злоумышленники стали использовать безоболочные пластиковые ВВ. Стоит отметить, что ВВ зачастую помещают в специальную изоляционную оболочку. Такой подход не позволяет частицам ВВ попасть в пространство вне объема самого ВВ. По данной причине многие физические методы обнаружения ВВ принципиально не могут справиться с решением данной задачи так как основаны на анализе химического следа на поверхности объекта или в непосредственной близости от него. В качестве альтернативы разрабатываются установки на основе ядерно-физических методов, обладающие высокой проникающей способностью.
Особое внимание для успешной эксплуатации систем обнаружения ВВ приобретает требование к их автоматизированности и мобильности. Такое требование позволяет упростить обучение операторов навыкам настройки и подготовки комплекса к инспектированию.
Одним из перспективных ядерно-физических методов является нейтронно-радиационный анализ. Основное преимущество метода заключается в использовании нейтронов в качестве зондирующего излучения. Отличительная особенность этих частиц состоит в их высокой по сравнению с другими основными видами ионизирующих излучений проникающей способности. По этой причине в последнее время активно развиваются и совершенствуются методы, использующие для обнаружения ВВ поток нейтронов. И, в частности метод меченых нейтронов. Однако, практическое использование метода сдерживается отсутствием надежных программно-реализованных систем.
Таким образом, разработка алгоритмов и программного обеспечения для мобильной системы обнаружения ВВ на основе метода меченых нейтронов является актуальной задачей.
Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 -2020 годы» (соглашение с Минобрнаукой РФ 14.574.21.0002, идентификационный номер RFMEFI57414X0002) и проектной части госзадания Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности (проект №2.699.2014/K).
Степень проработанности темы исследования.
Вопрос обнаружения опасных веществ с помощью метода меченых нейтронов известен. Однако, до настоящего времени остаются до конца не исследованы методики, позволяющие использовать полную спектральную информацию для обнаружения ВВ. Отсутствуют процедуры динамического определения времени измерения и локализации ВВ в инспектируемом объеме.
Цель работы. Целью настоящей диссертации является разработка методов, алгоритмов и специализированного программного обеспечения для мобильной установки обнаружения взрывчатых веществ на меченых нейтронах. Система должна обеспечивать быстрое и надежное обнаружение опасного вещества при удовлетворительном количестве ложных тревог.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
теоретический анализ отличительных особенностей ВВ;
сопоставительный анализ различных методов декомпозиции спектров;
исследование влияния характеристик блоков детектирования на декомпозицию спектров;
разработка алгоритма временной и энергетической калибровки;
применение метода последовательного анализа для сокращения времени определения и локализации положения опасного вещества;
разработка специализированного программного обеспечения для автоматизированного обследования подозрительных объемов для мобильной установки УВП – 1103.
Методы исследования. При выполнении работы были использованы методы матричного исчисления, статистического анализа, математического моделирования.
Научная новизна диссертационной работы
-
Разработаны алгоритмы временной и энергетической калибровки измерительных блоков экспериментальной мобильной установки УВП-1103, учитывающие изменение параметров окружающей среды (температура, влажность).
-
Математически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность использования метода последовательного анализа спектров как метода сокращения времени инспектирования подозрительного объекта в установках контроля ВВ на меченых нейтронах.
-
Показана и подтверждена вычислением методической погрешности результатов возможность приложения к процедуре декомпозиции спектров метода Ричардсона-Люси, существенно сокращающего требуемый объем выборки.
-
Применительно к экспериментальной мобильной установке на меченых нейтронах предложена методика определения опасного вещества, обеспечивающая за короткое время инспектирования 95% –вероятность обнаружения ВВ.
5. Разработан специализированный программно-алгоритмический комплекс для экспериментальной мобильной установки УВП - 1103, обеспечивающий процесс локализации опасного вещества, его идентификацию и предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.
Теоретическая значимость работы
Использованные в диссертации подходы и методы (метод последовательного анализа спектров, процедура декомпозиции спектров по методу Ричардсона-Люси) развивают теоретические основы радиационного метода контроля опасных веществ и способствуют совершенствованию и повышению информационной надежности технических средств и систем указанного направления.
Практическая значимость работы
1. Применительно к мобильной установке УВП -1103 разработан
программно-алгоритмический комплекс для обнаружения ВВ при инспектировании
контролируемого объема.
-
Работоспособность предложенного программно реализованного комплекса в составе экспериментальной мобильной установки УВП-1103 подтверждена её испытаниями на предмет обнаружения ВВ в различных материалах.
-
Разработанные алгоритмы на основе метода последовательного анализа могут быть применены в различных системах обнаружения и контроля веществ, использующие нейтронно-радиационного анализ.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы предприятием «Научно-технический центр «РАТЭК» при разработке программного обеспечения для мобильной установки УВП-1103, предназначенной для обнаружения ВВ в инспектируемых предметах.
Личный вклад автора
-
Разработка алгоритмов для временной и энергетической калибровки измерительных блоков экспериментальной мобильной установки УВП-1103, учитывающие изменение параметров окружающей среды.
-
Разработка методики определения и локализации опасного вещества для установки на меченых нейтронах.
-
Разработка специализированного программно-алгоритмического комплекса обеспечивающего процесс локализации опасного вещества, его идентификацию и предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.
Достоверность результатов
Достоверность полученных в диссертационной работе научных положений и
выводов подтверждается корректностью примененного математического аппарата и
использованных методов исследования, практической реализацией результатов,
математической строгостью преобразований при получении доказательств,
утверждений и выводе аналитических зависимостей, а также тестированием
алгоритмов при испытаниях мобильной установки УВП-1103.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Алгоритм обнаружения и локализации подозрительного объекта в инспектируемом объеме для обнаружения ВВ на меченых нейтронах, использующий метод последовательного анализа спектров.
-
Алгоритмы временной и энергетической калибровки измерительных блоков экспериментальной мобильной установки УВП-1103, учитывающие изменение параметров окружающей среды (температура, влажность).
-
Программно-алгоритмический комплекс экспериментальной мобильной установки на меченых нейтронах для обнаружения опасных веществ, предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.
-
Методика определения опасного вещества для экспериментальной мобильной установки на меченых нейтронах
Апробация работы
Результаты диссертации апробированы на различных конференциях:
научной конференции, посвященной 185-й годовщине образования Санкт-петербургского государственного технологического института (технического университета) СПб.: СПбГТИ(ТУ) 27 ноября 2013 года
V научно-технической конференции молодых ученых Санкт-Петербург 2014 Неделя науки СПб.: СПбГТИ(ТУ) 31 марта – 1 апреля 2014 г.
научной конференции, посвященная 186-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) СПб.: СПбГТИ(ТУ) 2-3 декабря 2014 года
V научно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых, приуроченной к 80-летию проф. кафедры органической химии СПбГТИ (ТУ) Б.И. Ионина и открытию НИЛ “Каталитические технологии“ СПб.: СПбГТИ(ТУ) 5 марта 2015 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ. Из них 2 статьи в журналах,
рекомендованных ВАК РФ; 2 свидетельства о государственной регистрации программ
на ЭВМ № 2014660656, №2015610549. Подана заявка на полезную модель и
изобретение.
Соответствие диссертации научной специальности
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы
контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», а именно: пункту 2 –
«Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств,
приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом
особенностей объектов контроля»; пункту 6 – «Разработка алгоритмического и
программно-технического обеспечения процессов обработки информативных
сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля,
автоматизация приборов контроля»; пункту 7 – «Методы повышения
информационной и метрологической надежности приборов и средств контроля в процессе эксплуатации, диагностика приборов контроля»
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 119 страницах, состоит из четырех глав и 4
приложений, содержит 51 рисунок, 6 таблиц, список литературы насчитывает 97 наименований.
Ядерно-физические методы обнаружения взрывчатых веществ
Методы обнаружения ВВ на основе анализа паров частиц. Характерным свойством ВВ является их способность к испарению, что позволяет обнаруживать их по наличию определенных паров в воздухе. Однако, в реальной ситуации давление насыщенного пара может быть значительно ниже приведенных в таблице 1.1 значений по ряду причин. Оно может быть разным у различных смесей веществ. Даже если они содержат одинаковое количество ВВ. Необходимо отметить, что в таблице 1.1 указаны величины для равновесного состояния, которое не всегда встречается на практике. Более того, часть ВВ маскируют с помощью плотной и герметичной упаковки. По этой причине могут возникать пропуски в обнаружениях ВВ.
Для обнаружения взрывчатых веществ по анализу паров частиц в основном используют специально натренированных собак. К сожалению, животные, иногда теряют бдительность и могут пропустить опасный объект с бомбой. Кроме того, существуют определенные трудности, связанные с необходимостью содержания в людных местах постоянного штата специально обученных кинологов. Поэтому кинологические бригады не могут считаться достаточно надежным и простым способом обеспечения безопасности.
Альтернативный метод анализа паров частиц – устройства химического анализа. В качестве примеров можно указать на классическую хроматографию и спектрометрию ионной подвижности (Ion Mobility Spectrometry (IMS)) [8 – 18]. Данные методы включают несколько стадий инспекции. Условно их можно разделить на три: отбор пробы, её перенос к месту проведения исследования и непосредственно сам анализ. Устройство для переноса пробы обычно представляет собой некоторое подобие насоса, который всасывает помимо паров ВВ, частицы окружающей среды. Далее воздух с элементами пробы прогоняется через специальный съемный фильтр, задерживающий в себе ВВ. Затем фильтр анализируется на предмет наличия ВВ. Очевидно, что реализация данного подхода почти неприменима к дистанционной инспекции в силу специфики метода анализа, как контактного.
Методы обнаружения ВВ на основе анализа их следов. ВВ, как правило, являются вязкими липкими веществами. Поэтому они остаются на поверхности рук человека, прикасавшегося к взрывчатке. Как следствие этого, остаточные следы ВВ могут попадать на поверхность подозрительного объекта. На первый взгляд сведение загрязнений материалов поверхности инспектируемого объема к нулю – простая задача, но на практике это почти невыполнимая задача. Например масса, ВВ, которое остается вместе с отпечатком пальца на поверхности предмета, составляет 10мкг. Возьмем для сравнения RDX, у которого размер одного зерна составляет примерно 5 пикаграммов, а масса 90пг [19]. Это примерно столько же, сколько молекул содержится при нормальных условиях в воздухе объемом 1 литр [20]. По этой причине возможность обнаружения следовых количеств ВВ является вполне реальной задачей в случаях непосредственного контакта с объектом. Для анализа в основном используют приборы лазерной спектроскопии [21,22]. Необходимо отметить очевидный недостаток метода - его реализуемость только при контакте со следами ВВ.
Методы обнаружения ВВ на основе зондирующего рентгеновского излучения. Основным свойством, ответственным за обнаружение ВВ в установках с зондом в качестве рентгеновского излучения, является высокая электронная плотность ВВ.
Необходимо отметить, что мобильные рентгеновские системы, которые инспектируют подозрительный объект без контакта с ним, получают изображение электронных плотностей в виде срезов. Другими словами, двумерная проекция трехмерного распределения плотности будет воздействовать на вероятность обнаружения ВВ в случаях, когда происходит их экранировка более плотными материалами. В последнее время ведется разработка мобильных устройств с двойным рентгеновским зондом. Данная технология берет свое начало от стационарных досмотровых комплексов [23-26]. Подавляющее большинство нестационарных систем на основе трансмиссионной рентгенографии используется для досмотров контейнеров и транспортных средств. 1.3 Ядерно-физические методы обнаружения взрывчатых веществ Идея методов ядерной физики в задачах обнаружения взрывчатых веществ впервые была выдвинута в начале шестидесятых годов прошлого столетия. Она базируется на том, что ядерное излучение может использоваться как эффективный зонд для дистанционного анализа элементного состава исследуемых объектов. Данный подход основан на том, что ВВ в инспектируемом объеме обладает рядом отличительных свойств. Одно из основных заключается в сочетании высоких концентраций атомов кислорода и азота, что проиллюстрировано рисунком 1.2. Ни один другой органический материал не может быть воспринят как ВВ, если с достаточно высокой точностью оценены концентрации атомов азота и кислорода. Необходимо отметить, что оценка только азотной составляющей может привести к ситуациям, когда за ВВ будет принято безопасное вещество. По этой причине высокое содержание азотной составляющей в инспектируемом объеме может служить только сигналом о вероятном присутствии ВВ, а высокая концентрация атомов кислорода вместе с азотом будет однозначно свидетельствовать о наличие ВВ в объеме. Важно подчеркнуть, что в случае замаскированного ВВ ядерно-физические методы также позволяют выявить его присутствие. На сегодняшний день предложено около десятка методов и подходов к обнаружению ВВ на основе метода ядерных излучений. Нейтронно-радиационный анализ с помощью тепловых нейтронов (Thermal Neutron Analysis - TNA). В рамках данного подхода анализ строится на регистрации мгновенного гамма-излучения после того как подозрительный объем облучен нейтронами. Для каждого нуклида гамма - спектр уникален, что позволяет его идентифицировать. Основной ядерной реакцией для обнаружения ВВ методом TNA является радиационный захват теплового нейтрона ядром азота-14 с испусканием гамма - кванта с энергией 10.8 МэВ:
Разработанная методика временной калибровки
Различные параметры блоков детектирования мобильной установки, в частности измерительные платы, зависят от температуры и влажности среды. Поэтому перед каждым измерением и в процессе инспектирования необходимо калибровать энергетическую шкалу. Калибровка измерительных блоков гамма-излучения заключается в изменении коэффициента усиления после получения сигнала от ФЭУ (КУ) и добавлении к импульсу постоянной составляющей напряжения (смещение).
Различные исследователи используют декомпозицию спектров как один из этапов алгоритма принятия решения о наличии опасного вещества. Однако, недостаточно точная калибровка энергетической шкалы приводит к непредсказуемым результатам в оценке коэффициентов интенсивностей после разложения измеренного спектра на базисные и тем самым увеличивает вероятность неверно принятых решений в задачах обнаружения опасных веществ [46,47]. На рисунке 2.8 представлен пример оценки модулей относительных отклонений коэффициентов разложения спектра от идеальных при различных значениях коэффициента усиления (в десятипроцентном интервале). Декомпозиция спектров выполнена методом наименьших квадратов для комбинации характеристического гамма-излучения от углерода, кислорода и азота при облучении объекта быстрыми нейтронами. Зависимость коэффициентов разложения имеет нелинейный и уникальный для каждого элемента характер, что не позволяет использовать даже отношения коэффициентов разложения для дальнейшей обработки результатов. Более того, специфичность спектра азота показывает, что относительное изменение КУ всего на 1 процент приводит к ошибке порядка 5 процентов.
С учетом сказанного нами предложен двухступенчатый способ калибровки, сущность которого заключается в первоначальной грубой калибровке и последующей более точной калибровке.
Зависимость относительных значений модулей отклонений коэффициентов интенсивностей после декомпозиции спектров от истинных при различных значениях коэффициента усиления Необходимость грубой калибровки возникает в случае продолжительного простоя установки. Действительно со временем параметры измерительных блоков могут сильно измениться по сравнению с последними использовавшимися. Как следствие этого – необходим алгоритм, который позволит получать стартовые приближенные значения параметров БД для второго этапа калибровки исходя из произвольного исходного состояния системы.
Особое внимание уделено второй части алгоритма, так как точный метод настройки энергетической шкалы должен использоваться не только при первоначальном запуске оборудования, но и в режиме инспектирования подозрительного объема, в течение которого параметры БД изменяются относительно медленно.
В настоящее время во многих устройствах, работающих с амплитудными спектрами, применяется алгоритм калибровки, основанный на поиске спектральных пиков с априори известными характерными энергиями. В частности, в системах, использующих быстрые нейтроны в качестве зондирующего излучения с последующей обработкой спектров гамма излучения, реализация калибровки основана на оценке положения пика полного поглощения гамма-квантов от элементов кремния и кислорода (1.779 и 6.13 МэВ соответственно). Для более стабильной работы установки УВП-1103 в случае значительного изменения параметров блоков БД, например, при больших перепадах температуры, необходимо применять алгоритм, основанный на анализе формы всего спектра. Такой подход позволяет осуществлять настройку энергетической шкалы даже при условии больших изменений коэффициентов усиления (КУ) или смещения (Смещ). Как показала практика, такие случаи часто встречаются в процессе длительной эксплуатации устройства. Использование классического алгоритма поиска пика в заданной области в подобных случаях недопустимо, поскольку в окне каналов поиска может находиться другой пик. Примеры искаженных спектров, нормированных на суммарную счетность при различных значениях КУ и смещения, представлены на рисунке 2.9. Анализ формы спектра по формуле 2.21 Hkj = Y, hi L 77 (2.24) M(SpCl-Eikjy где Spci – измеренный спектр несовпадений, Eikj – смоделированный спектр, k – индекс КУ, j – индекс Смещ, i – номер энергетического канала, M – последний энергетический канал (1024). Фоновый спектр (снятый по умолчанию с корректной энергетической калибровкой, выставленной вручную) масштабируется (эквивалентно изменению коэффициента усиления БД), и сдвигается в заданных предел ах (изменение смещения).
Согласно предложенному алгоритму энергетическая калибровка производится по спектру несовпадений. На каждом шаге такой операции измеренный спектр сравнивается со смоделированным эталонным спектром по формуле (2.24). Далее из всех полученных значений Щ выбирается наименьшее с его характерными значениями КУ и Смещ.
Пусть наименьшее значение Щ будет при индексах Аг и/. Следовательно, известно КУ Кк и смещение Sf. Ввиду своей специфики, алгоритм не позволяет определять КУ и смещения с необходимой точностью. Поэтому в окончательном виде энергетическая калибровка должна осуществляться путем использования данного алгоритма в комбинации с методом поиска пика. Тогда первым шагом энергетической калибровки будет вышеописанный алгоритм подбора параметров. Если в результате его работы окажется, что величины Kk и Sj лежат в допустимых пределах для всех БД (пределы определяются эмпирически), то осуществляется переход к алгоритму поиска пиков кремния и кислорода, по которым выставляются значения параметров на измерительных платах. Если же Kk и Sj выходят за рамки допустимых пределов, то производится повторное измерение и повторяется подбор параметров по формуле (2.24). Во избежание бесконечного цикла в алгоритме предусмотрено конечное число подобных итераций. После того как приблизительные стартовые значения коэффициента усиления и смещения будут выставлены производится более точная калибровка шкалы путем применения процедуры поиска определенных пиков.
Для выбора наиболее подходящего метода поиска центра пика при точной калибровке применен вычислительный (компьютерный) эксперимент. Идея эксперимента заключалась в симуляции изменения КУ и соответствующем ему изменению формы спектра. Для удобства вычислений принято, что измеренный спектр имеет условное относительное значение КУ равное 1. Далее путем линейной интерполяции были получены различные спектры, каждому из которых соответствует определенное значение КУ из интервала значений от 0.9 до 1.080 и описанными выше методами оценивались положения пика. В качестве условия для выбора метода точной энергетической калибровки системы был выбран средний модуль относительного отклонения найденных положений пиков от их идеальных значений. Полученные на основе вычислительного эксперимента результаты представлены в таблице 2.1. Наилучший результат показал метод Блока. Подробная блок – схема алгоритма калибровки представлена на рисунке 2.10.
Алгоритм локализации и поиска подозрительного предмета в инспектируемой области на основе последовательного анализа
Как уже отмечалось, одна из основных задач, возникающих при обнаружении ВВ с помощью анализа спектров характеристического излучения – локализация подозрительных областей во всем объеме инспектирования. Подозрительная область “не обязана”, в конечном счёте, оказаться ВВ. Используя подход выбора вокселей с излучением, схожим с ВВ, мы уменьшаем число анализируемых спектров. Это приводит к сокращению времени расчета и анализа спектров в случаях ресурсозатратных вычислительных операций на ЭВМ. В аналогичных установках обнаружения ВВ данная подзадача отсутствует [44 - 54]: авторы анализируют весь объем инспекции сразу. В случае распространенного расположения генератора и сцинтилляционных блоков по одну сторону от инспектируемого объема и с учетом того, что проба полностью попадает в воксель для одного пикселя, мы имеем уменьшение количества событий регистраций гамма-квантов от расстояния [60]: 1 (3.1) I r2 где I – количество зарегистрированных гамма-квантов от пробы нормированных на один нейтрон, r – условное расстояние от точки центра пробы до точки центра детектора гамма-излучения. Очевидно, что в случае расположения ВВ в ближних областях, принятие решения об его обнаружении должно происходить раньше, чем на дальних.
Цель операции локализации подозрительных областей заключается в разделении всего инспектируемого объема на подозрительные области, с большей вероятностью похожие на ВВ. По этой причине операция локализации подозрительных областей уменьшает число ложных тревог и время инспектирования, так как отбрасываются области, резко отличающиеся по своим спектральным данным от ВВ.
После того как инспектируемый объем разделен на подозрительные области, необходимо определить некоторые числовые характеристики характеристического измеренного спектра и достоверность их оценки. На основе этих данных следует принять решение о наличии ВВ или его отсутствии. В противном случае надлежит измерение продолжить.
Алгоритм локализации и поиска подозрительного предмета в инспектируемой области на основе последовательного анализа Измеренный спектр носит статистический характер. Поэтому возникает задача разработки критерия выбора подозрительной области. Эта задача может быть решена с помощью статистической модели. Как уже отмечалось, ВВ обладает рядом отличительных особенностей по сравнению с большинством безопасных веществ. Одно из них – повышенное содержание кислорода и азота. Учитывая сказанное, нами проанализированы характеристические спектры гамма излучения для кислорода, азота и углерода. По результатам анализа выдвинута гипотеза о необходимости выбора таких областей энергий для каждого временного интервала, чтобы соотношение сигнал-шум было максимальным для дальнейшего использования.
Будем считать, что события в каждом канале энергетического спектра подчиняются распределению Пуассона: i – номер энергетического канала спектра, adpti – среднее значение измеренной величины, xdpyi –величина измеренная во время инспектирования. Будем также считать, что базисные спектры характеристического излучения для элементов кислорода, азота, кислорода, а также фона случайных совпадений известны. Под фоном случайных совпадений будем понимать измеренный спектр для каждого детектора и пикселя при измерениях на открытом воздухе в отсутствие пробы. Области энергетических спектров с наибольшим соотношением сигнал-шум для каждого из элементов также считаются известными. Обозначим: Sdpyck – как индекс начального энергетического канала, Edpyck – как индекс конечного энергетического канала.
В качестве метода маркировки подозрительной области предлагается использовать математический метод проверки статистических гипотез на основе отношения правдоподобия [72,73] в рамках которого последовательно используются гипотезы: H1 –в данном вокселе находится подозрительный объект, H0 – в данном вокселе находится безопасный объект. Считаем, что интегральная интенсивность в одном канале может быть представлена в виде линейной комбинации характеристических гамма спектров от каждого из интересующих элементов и фона случайных совпадений: здесь Kdpyic – интенсивность гамма-событий нормированная на один нейтрон и условную плотность химического элемента, см3/г нейтрон-1 c – условный номер химического элемента, d – номер детектора, p – номер альфа-пикселя, y – номер временного интервала, i – номер энергетического канала спектра, Fdpyi – фон случайных совпадений, нейтрон-1 qdpyc – коэффициент вклада от базисного спектра, г/см3 Np – количество нейтронов за время измерения, нейтрон
Методика измерения базисных характеристических спектров
Неуспешное выполнение K-ой команды приводит к переходу в предыдущее логическое состояние для определенного модуля. Примером K-ой команды может служить запрос установленных параметров КУ и Смещ для измерительной платы, в посылке которого получены значения, не соответствующие сохраненным в памяти программы. Это приведет к тому, что измеряемые спектры не будут соответствовать ожидаемым. Тогда необходимо заново производить калибровку, которая находится в другом условном состоянии.
При таком построении логики работы программы достигается автономность управляющего модуля или, другими словами, управление и обработка данных для одного устройства становятся независимыми от других.
Как видно из рисунка 4.6, визуальная интерфейсная часть программного продукта вынесена в отдельный модуль. Создан дублирующий визуальный интерфейс с клиентской частью, который осуществляет общение с рабочей программой через протокол TCP/IP. В свою очередь, в рабочей программе реализован сервер. Основная задача дублирующего интерфейса - оповещать оператора о состоянии установки. Визуальный интерфейс программы представлен на рисунке 4.8.
В левом верхнем углу отображается текущее реальное время измерения. В левом квадрате отображается состояние измерения и в случае обнаружения выводится тип ВВ. Положение в пространстве визуально представляется уровнем по высоте (красно-черный столбец справа) и схематичным отображением областей облучения нейтронами. Зеленым цветом отображается безопасный объем, красным - ВВ. Желтый цвет указывает расстояние, на котором находится калибровочная пластина (в временных каналах). С помощью ползунка устанавливается максимальная глубина области инспектирования. На рисунке 4.9 представлен вид интерфейса в режиме подготовки системы к работе. Матрица откликов (базисных спектров) — это структурированный набор чистых спектров элементов, встречающихся в составе анализируемого вещества, измеренных во всех возможных вокселях для данной геометрии расположения НГ и гамма - детекторов. Другими словами, матрица откликов — это пятимерный массив значений Kdpyic, где c — номер элемента, p — номер альфа - детектора (пиксель), d — номер гамма - детектора, y — номер расстояния (временного интервала) от мишени НГ до пробы, i — энергетический канал спектра гамма-излучения.
Необходимость измерения матрицы откликов именно в таком виде диктуется спецификой задачи анализа элементного состава вещества применительно к обнаружению ВВ. Как указывалось в п. 1.4,. спектр характеристического гамма-излучения при неупругом рассеянии нейтрона имеет анизотропный вид.
Для установления элементного состава вещества по смешанному спектру необходимо иметь заранее отснятые чистые спектры для всех возможных элементов, входящих в состав объекта (например, для веществ органического происхождения такими элементами будут водород, углерод, азот и кислород). Необходимость измерения матрицы отдельно для каждого из вокселей является следствием сильной анизотропии выхода гамма-квантов характеристического излучения неупругого рассеяния нейтронов.
Как следует из постановки задачи получения базисных спектров, прямое измерение матрицы предполагает большое количество независимых измерений с последовательным размещением проб всех необходимых элементов в каждом из пространственных вокселей. Например, при использовании 4 пространственных интервалов (расстояние от пробы до мишени генератора) и 6 элементов (углерод, азот, кислород, железо, алюминий и кремний) и учитывая, что для обоих гамма -детекторов измерение производится одновременно, потребуется располагать пробы этих элементов в каждом из альфа - пикселей и пространственных интервалов. Общее число измерений (без учета измерений фона) в данном случае составит 946=216.
В условиях ограниченного ресурса работы НГ, а также, зачастую, и ограниченного лабораторного времени, проведение такого большого числа измерений, каждое из которых занимает не менее 10 минут, экономически невыгодно. Поэтому для ускорения процесса предложена методика измерения матрицы одновременно для всех альфа-детекторов с последующей линейной интерполяцией энергетических спектров на все пространство предполагаемой инспекции.
Для проведения таких измерений пробы измеряемых элементов помещались в тару размерами 50х50х5 см. Размеры тары определяются текущей задачей и в данном случае выбраны из необходимости заполнить всю область видимости альфа-детекторов на расстоянии не более 100 см от мишени НГ (угол раствора всех альфа-пикселей составляет 28о). Толщина тары равна 5 см, подобрана эмпирически как наиболее соответствующая поставленной задаче с учетом временного разрешения системы. Принципиальная схема измерений представлена на рисунке 4.10.
Возможность проведения измерений одновременно для всех альфа -детекторов основана на их взаимной независимости, т. е. наличие или отсутствие пробы в одном пикселе никак не влияет на результат измерения в соседнем (в пределах допустимой точности измерения). Единственным существенным недостатком такого подхода является необходимость измерять уровень фона отдельно на каждом из расстояний, поскольку пробы размещаются в алюминиевой таре, которая существенно искажает измеряемый спектр.
Важной особенностью измерения матрицы является практическая невозможность напрямую измерить спектры некоторых элементов (в частности — азота и кремния, а также, например, натрия). В этих случаях необходимо измерять спектры смешанных веществ. В их составе присутствуют данные элементы, из которых затем следует вычитать составляющие, связанные с примесями. Таким путем спектр азота измерялся в составе меламина (C3H6N6). Для измерения спектра углерода использовался графитовый порошок, кислорода — вода (водород не дает вклада в спектр неупругого рассеяния быстрых нейтронов).