RU2773120C2

RU2773120C2 - Gamma-beam tomographic radiography

Info

Publication number: RU2773120C2
Application number: RU2020115823A
Authority: RU
Inventors: Саймон Генри КОННЕЛЛ; Мартин Нкулулеко Хоган КУК
Original assignee: Юниверсити Оф Йоханнесбург
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2022-05-30

Abstract

FIELD: internal structure display.

SUBSTANCE: invention is intended to display the internal structure of the target object. The essence of the invention lies in the following steps: accelerating a number of subatomic charged particles in the form of pulses of subatomic charged particles at regular intervals in such a way that the pulses are grouped into groups with a fixed number of pulses in each group; directing the particles towards a plurality of radiation sources on one side of the target object such that each group is directed towards the radiation source; emitting electromagnetic radiation from each radiation source for a discrete period of time such that during said discrete period a particular radiation source and group are associated with that discrete period; wherein the electromagnetic radiation is generated by converting the particles into electromagnetic radiation; detecting on the side opposite to the radiation sources, the projection of the penetration of electromagnetic radiation from each radiation source; and combine projections from each source to create a mapping of the internal structure of the target object.

EFFECT: providing the possibility of a reliable and detailed display of the internal structure of the target object.

14 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к способу создания отображения внутренней структуры целевого объекта и, более конкретно, но не исключительно, к способу создания отображения внутренней структуры целевого объекта посредством гамма-лучевой томографической радиографии с несколькими источниками для обнаружения алмазов при добыче полезных ископаемых.The present invention relates to a method for generating a mapping of the internal structure of a target, and more particularly, but not exclusively, to a method for generating a mapping of the internal structure of a target by multi-source gamma ray tomographic radiography for detecting diamonds in mining.

Уровень техникиState of the art

Томографическая радиография относится к технике, используемой для вычисления внутренней структуры объекта с более высокой размерностью на основе информации из множества наборов данных более низкой размерности. Гамма-лучи в широком смысле относятся к фотонам с энергией, обычно превышающей 200 кэВ.Tomographic radiography refers to a technique used to calculate the internal structure of a higher dimensional object based on information from multiple lower dimensional datasets. Gamma rays broadly refer to photons with energies typically in excess of 200 keV.

Задача изобретенияThe task of the invention

Соответственно, задачей изобретения является создание устройства для подготовки и применения фолиарного веерообразного выброса, которое, по меньшей мере, частично, устраняет некоторые проблемы предшествующего уровня техники.Accordingly, it is an object of the invention to provide a device for the preparation and application of a foliar fan-shaped ejection, which, at least in part, eliminates some of the problems of the prior art.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

В соответствии с изобретением предлагается способ создания отображения внутренней структуры целевого объекта, содержащий этапы:In accordance with the invention, a method is provided for creating a mapping of the internal structure of a target object, comprising the steps:

- ускорение ряда заряженных субатомных частиц;- acceleration of a number of charged subatomic particles;

- направление частиц к множеству источников излучения с одной стороны целевого объекта;- direction of particles to a plurality of radiation sources from one side of the target object;

- испускание электромагнитного излучения от каждого конкретного источника излучения в течение дискретного периода времени, в результате чего в течение дискретного периода времени конкретный источник излучения ассоциирован с дискретным периодом;- the emission of electromagnetic radiation from each specific radiation source during a discrete period of time, resulting in a discrete period of time, a particular radiation source is associated with a discrete period;

- электромагнитное излучение генерируется путем преобразования частиц в электромагнитное излучение;- electromagnetic radiation is generated by converting particles into electromagnetic radiation;

- детектирование на стороне, противоположной источникам излучения, проекции проникновения электромагнитного излучения от каждого источника излучения; и- detection on the side opposite to the radiation sources, the projection of the penetration of electromagnetic radiation from each radiation source; and

- объединение проекций от каждого источника для создания отображения внутренней структуры целевого объекта.- combining projections from each source to create a mapping of the internal structure of the target object.

Способ может включать в себя этап перемещения целевого объекта из первого положения во второе положение и повторение этапов излучения и детектирования способа для объединения проекций первого и второго положений для создания более точного отображения внутренней структуры объекта. Этот этап может быть повторен таким образом, что проекции от множества различных положений могут быть объединены, чтобы построить отображение внутренней структуры целевого объекта.The method may include the step of moving the target object from the first position to the second position and repeating the emission and detection steps of the method to combine projections of the first and second positions to create a more accurate representation of the internal structure of the object. This step can be repeated such that projections from many different positions can be combined to build a mapping of the internal structure of the target object.

Этап перемещения объекта может быть достигнут путем перемещения целевого объекта на конвейерной ленте. Способ также может быть выполнен во время непрерывного перемещения целевого объекта в соответствии с его нормальным проходом, в результате чего его нормальное перемещение не прерывается. Такое перемещение целевого объекта само по себе не выполняется с целью улучшения томографии. Регистрация происходит таким образом, что это перемещение может быть полностью компенсировано. Это позволяет целевому объекту осуществлять его нормальное перемещение в рамках непрерывного процесса, в котором он участвует.The object moving step can be achieved by moving the target object on the conveyor belt. The method can also be performed during the continuous movement of the target object in accordance with its normal passage, as a result of which its normal movement is not interrupted. Such movement of the target is not in itself performed for the purpose of improving tomography. Registration takes place in such a way that this movement can be fully compensated. This allows the target object to carry out its normal movement within the continuous process in which it participates.

Внутренняя структура может отображаться в трехмерном пространстве в виде вокселей, включая информацию об ослаблении гамма-излучения, ассоциированную с вокселями. Представленная таким образом информация является количественной оценкой параметра или набора параметров, которые могут быть ослаблением гамма-излучения, могут быть связаны с ослаблением гамма-излучения или также могут быть сегментированы с точки зрения состава материала целевого объекта или любой другой количественной величины или параметра, которые могут быть выведены из набора зарегистрированных наблюдений.The internal structure may be displayed in 3D as voxels, including gamma attenuation information associated with the voxels. The information presented in this way is a quantitative estimate of a parameter or set of parameters that may be gamma attenuation, may be related to gamma attenuation, or may also be segmented in terms of target material composition or any other quantity or parameter that may be derived from a set of recorded observations.

Субатомные частицы могут быть электронами, при этом электроны могут ускоряться с помощью линейного ускорителя (linac) или любого другого ускорителя, способного ускорять электроны до энергии по меньшей мере 200 кэВ (гамма-лучи).The subatomic particles may be electrons, and the electrons may be accelerated using a linear accelerator (linac) or any other accelerator capable of accelerating electrons to an energy of at least 200 keV (gamma rays).

Ускоритель может выводить импульсы ускоренных частиц через равные промежутки времени, при этом импульсы могут быть сгруппированы в группы или пакеты с фиксированным количеством импульсов. Пакеты излучаются с регулярными интервалами, и разные пакеты могут направляться на разные источники излучения. Каждый дискретный период может быть ассоциирован с пакетом.The accelerator can output pulses of accelerated particles at regular intervals, while the pulses can be grouped into groups or packets with a fixed number of pulses. Packets are emitted at regular intervals, and different packets can be directed to different sources of radiation. Each discrete period may be associated with a burst.

Энергия импульса может варьироваться в соответствии с профилем. Профиль может быть регулярным и постепенным пошаговым увеличением или уменьшением энергии импульса. Разница в энергии может быть выбрана таким образом, что выбранные энергии обеспечивают проекционные изображения, которые обеспечивают максимальный контраст между различными материальными компонентами целевого материала.The pulse energy can vary according to the profile. The profile can be a regular and gradual incremental increase or decrease in pulse energy. The energy difference can be chosen such that the selected energies provide projection images that provide maximum contrast between the various material components of the target material.

Источник излучения преобразует ускоренные частицы в фотоны. Фотоны могут быть гамма-лучами с энергией, превышающей 200 кэВ. Электроны могут быть преобразованы в гамма-лучи путем взаимодействия пучка электронов высокой энергии с веществом через тормозное излучение от соответствующего материала, такого как вольфрам. Излучение может быть вызвано когерентным тормозным излучением или обратным комптоновским рассеянием.The radiation source converts the accelerated particles into photons. Photons can be gamma rays with energies in excess of 200 keV. Electrons can be converted into gamma rays by the interaction of a high energy electron beam with matter via bremsstrahlung from a suitable material such as tungsten. The radiation can be caused by coherent bremsstrahlung or Compton backscattering.

Электроны и излучение веерообразно разветвляются, создавая конический пучок гамма-лучей, излучаемый каждым источником.The electrons and radiation fan out, creating a conical beam of gamma rays emitted by each source.

Электронные пучки могут быть разделены и направлены к источнику излучения с помощью элементов для фокусирования пучка, таких как кикер-магнит, септум-магнит, отклоняющие магниты и соответствующие фокусирующие магниты.The electron beams can be separated and directed towards the radiation source by means of beam focusing elements such as a kicker magnet, a septum magnet, deflection magnets and appropriate focusing magnets.

Целевым объектом может быть алмазосодержащий кимберлит на движущемся конвейере. Энергия может варьироваться для обеспечения максимальной дифференциации или контраста между кимберлитом и алмазом.The target may be a diamond bearing kimberlite on a moving conveyor. The energy can be varied to provide maximum differentiation or contrast between kimberlite and diamond.

Мишенью также могут быть контейнеры с грузами для импорта, которые должны быть проверены на наличие определенных материалов или артефактов.Import cargo containers may also be targeted, which must be checked for certain materials or artifacts.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Вариант осуществления изобретения описан ниже только в качестве примера и со ссылкой на чертежи, на которых:An embodiment of the invention is described below by way of example only and with reference to the drawings, in which:

Фиг. 1 показывает схематическое изображение системы томографической радиографии;Fig. 1 shows a schematic representation of a tomographic radiography system;

Фиг. 2 - схематическое представление выхода энергии ускорителя частиц;Fig. 2 is a schematic representation of the energy output of a particle accelerator;

Фиг. 3 - схематическое представление системы томографической радиографии с пятью источниками излучения и конвейерной лентой, проходящей под источниками; иFig. 3 is a schematic representation of a tomographic radiography system with five radiation sources and a conveyor belt passing under the sources; and

Фиг. 4 - схематическое изображение системы томографической радиографии с шестью источниками излучения и шестью детекторами, расположенными в виде шестиугольника.Fig. 4 is a schematic representation of a tomographic radiography system with six radiation sources and six detectors arranged in a hexagon.

Подробное описание чертежейDetailed description of the drawings

Со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые признаки обозначены одинаковыми цифровыми позициями, система томографической радиографии в общем обозначена позицией 1.With reference to the drawings, in which the same features are indicated by the same numerals, the tomographic radiography system is generally indicated by the numeral 1.

Система 1 выполнена с возможностью реализации способа создания отображения внутренней структуры целевого объекта 2 согласно изобретению. Способ включает в себя этап ускорения определённого количества субатомных заряженных частиц. Субатомные частицы могут быть электронами, при этом электроны могут ускоряться с помощью линейного ускорителя (линака - linac) 3.The system 1 is configured to implement a method for creating a mapping of the internal structure of the target object 2 according to the invention. The method includes the step of accelerating a certain number of subatomic charged particles. Subatomic particles can be electrons, while electrons can be accelerated using a linear accelerator (linac) 3.

Электроны 4 или электронные пучки, как описано ниже, направляются к множеству источников 5 излучения с одной стороны целевого объекта 2. Это достигается с помощью элементов фокусировки пучка. Это могут быть отклоняющие магниты (импульсные магниты, кикеры), в которых отклоняемый пучок собирается с помощью септум-магнитов, если необходимо, и далее направляется отклоняющими магнитами. Другие элементы системы фокусировки пучка для фокусировки или расфокусировки используются по мере необходимости. Отклоняющие магниты 9, показанные на фиг. 1 в виде трех кластеров (9а, 9b и 9с) магнитов, очень точно управляются по времени. Магниты используются для разветвления электронов 4, как в случае кластера 9b, или для направления электронов 4 в определенном направлении, как в случае кластеров 9a и 9c.Electrons 4 or electron beams, as described below, are directed to a plurality of radiation sources 5 from one side of the target object 2. This is achieved using beam focusing elements. These can be deflecting magnets (pulse magnets, kickers), in which the deflected beam is collected with the help of septum magnets, if necessary, and then guided by deflecting magnets. Other elements of the beam focusing system for focusing or defocusing are used as needed. The deflection magnets 9 shown in FIG. 1 in the form of three clusters (9a, 9b and 9c) of magnets are very precisely controlled in time. The magnets are used to branch the electrons 4, as in the case of cluster 9b, or to guide the electrons 4 in a certain direction, as in the case of clusters 9a and 9c.

Электроны 4 выбрасываются из ускорителя 3 в виде импульсов 7 ускоренных электронов 4 через равные промежутки времени, при этом импульсы могут быть сгруппированы в группы или пакеты 8 с фиксированным числом импульсов. На фиг. 2 график A показывает выход ускорителя 3 с течением времени. Продолжительность времени, в течение которого ускоритель активен, на один импульс 7, может составлять всего 1 наносекунду. Пакеты 8 выпускаются с регулярными интервалами, и разные пакеты могут направляться на разные источники излучения 5. Таким образом, каждый отдельный период или пакет 8 может быть связан с конкретным источником. Например, пакет 8a может быть направлен на источник 5a излучения, а пакет 8b может быть направлен на источник 5b излучения. Пакет, следующий за 8b, может быть направлен к источнику 5c излучения, а последующий пакет может снова быть направлен на 5a. Этот процесс продолжается, так что при надлежащей записи временной синхронизации и направлении каждого пакета 8 возможно различать разные источники 5 излучения на основе информации о синхронизации.Electrons 4 are ejected from the accelerator 3 in the form of pulses 7 of accelerated electrons 4 at regular intervals, while the pulses can be grouped into groups or packages 8 with a fixed number of pulses. In FIG. 2 graph A shows the output of accelerator 3 over time. The length of time during which the accelerator is active, per pulse 7, can be as little as 1 nanosecond. Bursts 8 are issued at regular intervals and different bursts can be directed to different radiation sources 5. Thus, each individual period or burst 8 can be associated with a particular source. For example, packet 8a may be directed to radiation source 5a, and packet 8b may be directed to radiation source 5b. The packet following 8b may be directed towards the radiation source 5c, and the subsequent packet may again be directed to 5a. This process continues so that by properly recording the time synchronization and forwarding each packet 8 it is possible to distinguish between different radiation sources 5 based on the synchronization information.

В этом примере три источника (5a, 5b и 5c) излучения расположены линейно, при этом центральный источник 5b направлен в центр детектора 6, а боковые источники 5a и 5c направлены под углом к центру детектора 6. Детектор 6 для целей этого примера является прямоугольным и может детектировать электромагнитное излучение в двух измерениях. Каждый источник 5 испускает электромагнитное излучение в дискретный период, так что в течение этого дискретного периода конкретный источник излучения ассоциируется с этим дискретным периодом. Электромагнитное излучение генерируется путем преобразования электронов 4 в гамма-лучи. Это может быть достигнуто путем направления электронного пучка, падающего на вольфрамовую тормозную мишень 10, для создания гамма-лучей. Электромагнитное излучение генерируется при взаимодействии высокоэнергетического пучка с веществом или светом. Электроны 4 и, следовательно, результирующий пучок 11 гамма-лучей разветвляются, создавая расширяющийся пучок примерно конической формы. Электронный пучок сканирует по разветвленной области и, соответственно, проходит через материал тормозного излучения (вольфрам). Получающиеся в результате этого фотоны по существу коллинеарны первичному электронному пучку, но есть некоторое дополнительное расхождение, вызванное тормозным излучением. Пучок 11 направлен на целевой объект 2 и детектор 6, и он чередуется между различными источниками (5a, 5b и 5c) излучения.In this example, the three sources (5a, 5b and 5c) of radiation are arranged in a linear fashion, with the central source 5b directed towards the center of the detector 6 and the side sources 5a and 5c directed at an angle to the center of the detector 6. The detector 6 for the purposes of this example is rectangular and can detect electromagnetic radiation in two dimensions. Each source 5 emits electromagnetic radiation in a discrete period, so that during this discrete period, a particular radiation source is associated with this discrete period. Electromagnetic radiation is generated by converting 4 electrons into gamma rays. This can be achieved by directing the electron beam incident on the tungsten bremsstrahlung target 10 to generate gamma rays. Electromagnetic radiation is generated when a high-energy beam interacts with matter or light. The electrons 4 and hence the resulting gamma beam 11 branch out to form an expanding beam of approximately conical shape. The electron beam scans over the branched region and accordingly passes through the bremsstrahlung material (tungsten). The resulting photons are essentially collinear with the primary electron beam, but there is some additional divergence caused by bremsstrahlung. The beam 11 is directed towards the target 2 and the detector 6 and alternates between different radiation sources (5a, 5b and 5c).

Детектор 6 способен регистрировать энергию, время и положение для каждого воздействующего на него фотона с высокой эффективностью и с возможностью регистрировать множество импульсов облучении, причем таким способом, что имеется небольшая временная задержка и обеспечивается возможность в высокой степени параллельной обработки оптической, электронной и цифровой информации, возникающей в разных пространственных точках. Это может быть выполнено при очень высоких скоростях сбора данных. Детектор 6 адаптирован к энергии, которая должна быть обнаружена, и может содержать непрерывный или дискретный сегментированный сцинтилляционный материал, где сцинтилляционный свет преобразуется в электронный импульс для последующей обработки. Также возможно прямое преобразование энергии гамма-лучей в электрический сигнал.The detector 6 is capable of recording the energy, time and position for each photon that hits it with high efficiency and with the ability to register a plurality of irradiation pulses, and in such a way that there is a small time delay and it is possible to process optical, electronic and digital information to a high degree in parallel, occurring at different spatial points. This can be done at very high acquisition rates. The detector 6 is adapted to the energy to be detected and may comprise continuous or discontinuous segmented scintillation material where the scintillation light is converted into an electronic pulse for further processing. It is also possible to directly convert the energy of gamma rays into an electrical signal.

Способ включает этап детектирования, на стороне, противоположной источникам 5 излучения, проекции 12 относительной вероятности проникновения (вероятности пропускания) электромагнитного излучения от каждого источника 5 излучения. В этом примере проекция 12а соответствует источнику излучения 5a, проекция 12b - источнику 5b и проекция 12c - источнику 5c. Проекция 12 в качестве примера в данном документе представляет собой пространственную поперечную проекцию излучения 11 и имеет вид двухмерной карты с указанным проникновением, на которой результирующее проникновение обозначено цветом. Более светлый цвет (белый или серый) будет соответствовать низкому ослаблению гамма-излучения, а более темный цвет (темно-серый или черный) будет соответствовать более высокому ослаблению гамма-излучения. Вероятность пропускания может быть также показана в зависимости от энергии фотонов, так что имеются отдельные проекции для пропускания в бинах энергии фотонов.The method includes the step of detecting, on the side opposite the radiation sources 5, projections 12 of the relative penetration probability (transmission probability) of electromagnetic radiation from each radiation source 5 . In this example, projection 12a corresponds to source 5a, projection 12b to source 5b, and projection 12c to source 5c. The exemplary projection 12 herein is a three-dimensional transverse projection of the radiation 11 and has the form of a two-dimensional map with the specified penetration, on which the resulting penetration is indicated by color. A lighter color (white or gray) will correspond to low gamma attenuation, and a darker color (dark gray or black) will correspond to higher gamma attenuation. Transmission probability can also be shown as a function of photon energy, so there are separate projections for transmission in bins of photon energy.

Заключительный этап способа включает в себя объединение проекций 12 от каждого источника 5 для создания отображения внутренней структуры целевого объекта 2. Как видно из фиг. 1, проекции 12 (или тени) имеют разные картины, представляющие проникновение гамма-лучей, излучаемых из разных источников. В примере, где целевой объект представляет собой сплошную сферу для целей иллюстрации, внешние проекции (12a и 12c) будут иметь по существу вытянутые эллиптические формы, а центральная проекция приблизительно круглую форму. Каждая из проекций (12a, 12b и 12c) будет иметь карту проникновения, которая показывает самое сильное ослабление гамма-излучения (темнее) в центре проекции, и которая также показывает постепенное уменьшение ослабления (светлее) к периметру проекции 12 и резкое падение до очень слабого ослабления (очень светлое или белое) за пределами периметра.The final step of the method includes combining the projections 12 from each source 5 to create a mapping of the internal structure of the target object 2. As can be seen from FIG. 1, projections 12 (or shadows) have different patterns representing the penetration of gamma rays emitted from different sources. In the example where the target is a solid sphere for purposes of illustration, the outer projections (12a and 12c) will have substantially elongated elliptical shapes and the central projection approximately circular. Each of the projections (12a, 12b and 12c) will have a penetration map that shows the strongest attenuation of gamma rays (darker) at the center of the projection, and which also shows a gradual decrease in attenuation (lighter) towards the perimeter of projection 12 and a sharp drop to very weak fading (very light or white) outside the perimeter.

В качестве варианта осуществления изобретения, описанного выше (не показано), в котором использование отклоняющих магнитов сведено к минимуму (по бюджетным или другим причинам), требуется, чтобы источники излучения были ближе к разветвителю 9b отклоняющих магнитов. Это устраняет необходимость в изгибающихся магнитных кластерах 9а и 9с. В этом варианте три детектора 6 расположены таким образом, чтобы соответствовать направлению источников излучения, и различные углы целевого объекта 2 записываются при перемещении объекта между первым, вторым и третьим источниками излучения 5 и соответствующими детекторами 6. При известном перемещении целевого объекта результирующая разница во времени между съемкой проекций 12 между каждым источником излучения и детектором может быть рассчитана и использована для объединения проекций.As an embodiment of the invention described above (not shown), in which the use of deflection magnets is minimized (for budgetary or other reasons), radiation sources are required to be closer to the deflection magnet splitter 9b. This eliminates the need for bending magnetic clusters 9a and 9c. In this embodiment, the three detectors 6 are positioned to match the direction of the emitters, and various angles of the target 2 are recorded as the object moves between the first, second, and third emitters 5 and the respective detectors 6. Given the target's movement, the resulting time difference between projections 12 between each emitter and detector can be calculated and used to combine the projections.

Объединение поперечных рентгенографических проекций в одно трехмерное отображение представляет собой томографический процесс. Изобретение использует множество источников 5 и множество детекторов 6, к данным от которых обращается высокоскоростное мультиплексирование, так что скорость сбора данных значительно повышается, обеспечивая непрерывную, а не пакетную обработку. Также рассматривается дисперсия энергии одиночных фотонов. Поскольку энергия пропускаемого пучка может изменяться, в виде распределения, из-за изменения энергии ускоренного электронного пучка, при сборе набора дифференциальных энергетических поперечных радиографических проекций (проекций с энергетическими метками) также может использоваться переменная энергетическая емкость источника гамма-излучения.Combining transverse radiographic projections into a single 3D display is a tomographic process. The invention uses a plurality of sources 5 and a plurality of detectors 6, data from which is accessed by high-speed multiplexing, so that the data collection rate is greatly increased, enabling continuous rather than batch processing. The energy dispersion of single photons is also considered. Since the energy of the transmitted beam can change, in the form of a distribution, due to changes in the energy of the accelerated electron beam, the collection of a set of differential energy transverse radiographic projections (projections with energy labels) can also use the variable energy capacitance of the gamma radiation source.

Многие алгоритмы могут быть использованы для создания отображения внутренней структуры. Поскольку проекции 12 являются двухмерными, результирующая внутренняя структура может быть представлена в трехмерном пространстве в виде вокселей с информацией об ослаблении гамма-излучения, ассоциированной с вокселями. Пример такого алгоритма называется итеративным алгоритмом максимального правдоподобия. Алгоритм исходит из оценочного распределения ослабления гамма-излучения, создаваемого внутренней структурой целевого объекта 2. Оценочное распределение является предполагаемым и ему не требуется быть точным. Вычисление выполняется для определения картины проекции на детекторе 6, которая создавалась бы для каждого из используемых источников 5 при указанном оценочном распределении для объекта. Это называется прямым прогнозированием. Различия между оценочной картиной и измеренными значениями затем используются для обновления этого оценочного распределения. Это называется обратным прогнозированием. Обновленное оценочное распределение затем используется в качестве предположения для следующей итерации, и так далее. Поскольку процесс повторяется, это оценочное распределение сходится к фактическому распределению объекта, вплоть до предела доступной информации (разрешение, доступные углы и т. д.). Систематические эффекты ослабления и рассеяния фотонов, эффекты системы, связанные с детектором 6 или пучком 11, такие как неравномерное распределение фотонов и неоднородная эффективность детектирования, могут быть компенсированы или частично устранены как однозначным, так и стохастическим способами.Many algorithms can be used to create a mapping of the internal structure. Because the projections 12 are 2D, the resulting internal structure can be represented in 3D as voxels with gamma attenuation information associated with the voxels. An example of such an algorithm is called an iterative maximum likelihood algorithm. The algorithm is based on an estimated distribution of gamma attenuation produced by the internal structure of target 2. The estimated distribution is an estimate and does not need to be exact. The calculation is performed to determine the projection pattern on the detector 6 that would be created for each of the used sources 5 with the specified estimated distribution for the object. This is called forward forecasting. The differences between the estimated pattern and the measured values are then used to update this estimated distribution. This is called reverse forecasting. The updated estimated distribution is then used as a guess for the next iteration, and so on. As the process is repeated, this estimated distribution converges to the actual distribution of the object, up to the limit of available information (resolution, available angles, etc.). Systematic photon attenuation and scattering effects, system effects associated with detector 6 or beam 11, such as non-uniform distribution of photons and non-uniform detection efficiency, can be compensated or partially eliminated both unambiguously and stochastically.

Способ может включать в себя этап перемещения целевого объекта 2 из первого положения 2а во второе положение 2b и повторения этапов излучения и детектирования для объединения проекций первого и второго положений для создания более точного отображения внутренней структуры объекта 2. Этот этап может повторяться таким образом, чтобы проекции из множества различных положений можно было объединить, чтобы построить отображение внутренней структуры целевого объекта без ухудшения, вызванного перемещением. Этап перемещения объекта может быть достигнут путем перемещения целевого объекта на конвейерной ленте, или это может быть поезд, перевозящий контейнер по рельсам, или любая другая подобная система. Обычно это нормальное перемещение объекта, которое учитывается в процессе, таким образом можно адаптироваться к непрерывным процессам. Дополнительные зафиксированные проекции и связанные с ними положения могут использоваться в сочетании с алгоритмом, описанным выше, для построения трехмерного распределения внутренней структуры по ослаблению гамма-излучения.The method may include the step of moving the target object 2 from the first position 2a to the second position 2b and repeating the emission and detection steps to combine the projections of the first and second positions to create a more accurate representation of the internal structure of the object 2. This step may be repeated so that the projections from many different positions could be combined to build a mapping of the internal structure of the target without the degradation caused by movement. The object moving step can be achieved by moving the target object on a conveyor belt, or it can be a train carrying a container on rails, or any other similar system. Usually this is the normal movement of the object, which is taken into account in the process, so you can adapt to continuous processes. Additional fixed projections and their associated positions can be used in conjunction with the algorithm described above to construct a three-dimensional distribution of the internal structure from gamma attenuation.

Энергия импульсов может варьироваться в соответствии с некоторым профилем. Извлечение дополнительного измерения энергетической информации для детектированных прошедших фотонов использует способность детекторов 6 к дисперсионному детектированию энергии отдельного фотона. Профиль может быть регулярным и включать постепенное пошаговое увеличение или уменьшение энергии импульса. Профиль может варьироваться в соответствии с математической функцией, или различие в энергии может быть выбрано таким образом, чтобы выбранные энергии обеспечивали максимальный контраст между имеющимся составом целевого объекта. Процесс можно выполнить более точно, используя несколько энергий фотонов. Различение энергии может быть обеспечено либо способом, который может сортировать энергию фотона на основе его формирования, либо способом, который фильтрует фотоны, либо способом, основанным на его детектировании. Например, используя линейный ускоритель (или любой другой ускоряющий источник), способный увеличивать его энергию в течение короткого промежутка времени, можно получить многократную энергетическую информацию об образце с использованием гамма-лучей. Это делается для того, чтобы пометить величину энергии фотона в дополнение к набору поперечных радиографических проекций. Это позволяет получить некоторую степень различения для атомных номеров в сканируемом объекте.The energy of the pulses may vary according to some profile. Extracting an additional dimension of energy information for the detected transmitted photons utilizes the ability of the detectors 6 to dispersively detect the energy of a single photon. The profile may be regular and include a gradual incremental increase or decrease in pulse energy. The profile may vary according to a mathematical function, or the difference in energy may be chosen such that the selected energies provide the maximum contrast between the available composition of the target. The process can be performed more accurately using multiple photon energies. Energy discrimination can be provided either by a method that can sort the energy of a photon based on its formation, or by a method that filters photons, or by a method based on its detection. For example, using a linear accelerator (or any other accelerating source) capable of increasing its energy over a short period of time, it is possible to obtain multiple energy information about a sample using gamma rays. This is done in order to mark the amount of photon energy in addition to the set of transverse radiographic projections. This allows some degree of discrimination to be obtained for the atomic numbers in the scanned object.

В текущем примере фиксируется информация, относящаяся к информации об энергии пучка 11 для конкретного временного интервала 8 и спектроскопическая информация от детектора 6. Способ с изменяемой энергией может быть объединен с томографическими данными для получения дополнительной информации о целевом объекте 2. Вместо того чтобы выполнять томографию по общему числу детектированных событий на конкретном элементе детектора, мы будем включать дополнительный признак в данные на каждом минимальном элементе отображения детектора, который является комбинацией принятых сигналов, подходящих для извлечения различных энергий. Наборы поперечных радиографических проекций будут в бинах энергии фотонов. Сегментация трехмерного количественного отображения (для затухания фотонов) может быть дополнена дополнительным параметром информации, который является энергетической зависимостью затухания. Это обеспечивает дополнительную способность для идентификации материала на основе энергетической зависимости коэффициента ослабления гамма-излучения для каждого материала и повышает чувствительность к составу материала, обеспечивая более детальную сегментацию.In the current example, information related to beam energy information 11 for a specific time interval 8 and spectroscopic information from detector 6 are captured. the total number of detected events on a particular detector element, we will include an additional feature in the data at each minimum detector display element, which is a combination of received signals suitable for extracting different energies. The sets of transverse radiographic projections will be in bins of photon energy. The 3D quantitative mapping segmentation (for photon attenuation) can be supplemented with an additional information parameter, which is the energy dependence of the attenuation. This provides additional capability for material identification based on the energy dependence of the gamma attenuation factor for each material, and increases sensitivity to material composition, providing more detailed segmentation.

В примере используемого способа система 1 для выполнения способа может быть сконфигурирована, как показано на фиг. 3. Система, показанная на фиг. 3, специально адаптирована для использования в алмазной шахте, где целевые объекты 2 представляют собой раздробленную породу, полученную из горной выработки. Система 1 имеет пять источников (от 5d до 5h) излучения, расположенных таким образом, что центральный источник 5e окружен четырьмя источниками излучения (5d, 5f, 5g и 5h), расположенными на равных расстояниях и с равными углами вокруг центрального источника 5e. Каждый источник излучения испускает пучок гамма излучения (11d-11h) в направлении целевых объектов 2, которые перемещаются на конвейерной ленте 13 функционально ниже источников излучения. Детектор 6 расположен ниже конвейерной ленты 13. Таким образом, томографическая реконструкция может выполняться на проекциях, полученных под пятью углами от пяти источников излучения, и при непрерывном перемещении конвейерной ленты 13.In an example of the method used, the system 1 for carrying out the method may be configured as shown in FIG. 3. The system shown in FIG. 3 is specially adapted for use in a diamond mine where the targets 2 are crushed rock obtained from a mine working. System 1 has five sources (from 5d to 5h) of radiation arranged in such a way that the central source 5e is surrounded by four sources of radiation (5d, 5f, 5g and 5h) located at equal distances and at equal angles around the central source 5e. Each radiation source emits a beam of gamma radiation (11d-11h) in the direction of the target objects 2, which move on the conveyor belt 13 functionally below the radiation sources. The detector 6 is located below the conveyor belt 13. Thus, the tomographic reconstruction can be performed on projections obtained at five angles from five radiation sources, and with the conveyor belt 13 continuously moving.

Энергии в иллюстративной системе варьируются, чтобы обеспечивать максимальный контраст между кимберлитом и углеродом. Это обеспечивает максимальную разницу между углеродом с атомным номером Z = 6 и кимберлитом, который состоит из элементов с более высокими значениями Z. Значения могут быть объединены томографически для создания трехмерной карты для распознавания углерода, позволяющей обнаруживать алмаз в кимберлите. На основании этой информации целевые объекты, которые с большей вероятностью имеют включенные алмазы, могут быть отфильтрованы или направлены на отдельный конвейер.The energies in the exemplary system are varied to provide maximum contrast between kimberlite and carbon. This provides the maximum difference between carbon with atomic number Z = 6 and kimberlite, which is made up of elements with higher Z values. The values can be combined tomographically to create a 3D carbon recognition map that detects diamond in kimberlite. Based on this information, targets that are more likely to have included diamonds can be filtered out or routed to a separate conveyor.

В еще одном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, система 1 для осуществления способа включает в себя линейный ускоритель 3, шесть магнитных узлов 9 расщепления и отклонения пучков, расположенных гексагонально, с шестью источниками излучения 5, соответствующими узлам 9. Шесть детекторов 6 расположены противоположно источникам излучения относительно целевого объекта, расположенного между источником и детекторами 6. Система может включать в себя большее или меньшее количество источников излучения, расположенных геометрически в соответствии с количеством выбранных источников излучения и детекторов, например, может иметь пять источников 5 и детекторов 6, расположенных в форме пятиугольника.In yet another embodiment of the invention shown in FIG. 4, the system 1 for implementing the method includes a linear accelerator 3, six magnetic nodes 9 for splitting and deflecting beams arranged hexagonally, with six radiation sources 5 corresponding to nodes 9. Six detectors 6 are located opposite to the radiation sources with respect to the target object located between the source and detectors 6. The system may include more or fewer radiation sources arranged geometrically in accordance with the number of selected radiation sources and detectors, for example, it may have five sources 5 and detectors 6 arranged in a pentagon shape.

Предполагается, что изобретение предоставит способ восстановления внутренней структуры неизвестных объектов, в частности включенных алмазов, который обеспечивает трехмерную информацию и способен обеспечивать высокие энергии и проникновение.The invention is expected to provide a method for reconstructing the internal structure of unknown objects, in particular included diamonds, which provides three-dimensional information and is capable of providing high energies and penetration.

К недостаткам, которые устранены с помощью изобретения, относится возможность создавать отображения в непрерывном, а не пакетном процессе. Использование более проникающего излучения (гамма-лучей) позволяет обрабатывать более крупные целевые объекты. Параллельное использование нескольких детекторов и источников (которые устраняют неоднозначность в процессе формирования отображения с использованием информации о временной синхронизации) позволяет получать данные с очень высокой скоростью. Изобретение использует однофотонное детектирование излучения, а не процесс насыщения или процесс, недисперсионный по энергии, позволяющий использовать дополнительный компонент энергии передаваемого фотона. Изобретение позволяет комбинировать все эти аспекты одновременно. Гамма-лучи генерируются с помощью способов, которые способны достигать более высоких энергий, чем рентгеновские лучи, и в них обычно используются источники на основе ускорителей. Это изобретение рассматривает несколько типов таких источников, где энергия ускоренного пучка также может варьироваться как часть стратегии быстрого создания количественного трехмерного отображения.The disadvantages that are eliminated by the invention include the ability to create displays in a continuous, rather than a batch process. The use of more penetrating radiation (gamma rays) allows processing larger targets. The parallel use of multiple detectors and sources (which disambiguate the mapping process using timing information) allows very high data rates to be acquired. The invention uses single-photon detection of radiation rather than a saturation process or an energy non-dispersive process that allows the use of an additional energy component of the transmitted photon. The invention makes it possible to combine all these aspects at the same time. Gamma rays are generated by methods that are capable of reaching higher energies than x-rays and typically use accelerator-based sources. This invention considers several types of such sources, where the energy of the accelerated beam can also be varied as part of a strategy to quickly create a quantitative three-dimensional display.

Изобретение не ограничено точными деталями, которые описаны в данном документе. Например, вместо использования способа обнаружения алмазов, система может быть выполнена с возможностью обнаружения внутренней структуры транспортных контейнеров или транспортных средств на пограничных переходах. Кроме того, не нужно выбирать энергии для максимального контраста между алмазом и кимберлитом и эти энергии могут быть нацелены на несколько групп атомных номеров и типов материалов.The invention is not limited to the exact details that are described in this document. For example, instead of using a diamond detection method, the system may be configured to detect the internal structure of shipping containers or vehicles at border crossings. In addition, energies need not be chosen to maximize the contrast between diamond and kimberlite, and these energies can be targeted to multiple groups of atomic numbers and material types.

Claims

1. A method for creating a mapping of the internal structure of the target object, comprising steps in which

- accelerating a number of subatomic charged particles in the form of pulses of subatomic charged particles at regular intervals in such a way that the pulses are grouped into groups with a fixed number of pulses in each group;

- direct the particles to several radiation sources on one side of the target object in such a way that each group is directed to the radiation source;

- emit electromagnetic radiation from each radiation source for a discrete period of time, so that during the specified discrete period, a particular radiation source and group associated with this discrete period;

- in this case, electromagnetic radiation is generated by converting particles into electromagnetic radiation;

- detect on the side opposite to the radiation sources, the projection of the penetration of electromagnetic radiation from each radiation source; and

- combine projections from each source to create a mapping of the internal structure of the target object.

2. The method of claim. 1, in which the subatomic particles are electrons, while the electrons are accelerated to an energy of at least 200 keV (gamma rays).

3. The method according to claim 1, in which the energy of each pulse is variable.

4. The method of claim. 3, in which the energy of the pulses is changed in accordance with the profile.

5. The method of claim 4, wherein the profile is a regular and incremental increase in pulse energy.

6. The method of claim 4, wherein the profile is a regular and incremental decrease in pulse energy.

7. The method of claim 3, wherein the change in energy is chosen such that the changed energies provide projection images with greater contrast between different components of the target object material.

8. The method of claim 2, wherein the electrons are converted to gamma rays by inverse Compton scattering.

9. The method according to p. 2, in which electrons are converted into gamma rays through the interaction of electrons with the substance of the object, through bremsstrahlung.

10. The method of claim 9, wherein the bremsstrahlung is coherent bremsstrahlung.

11. The method of claim 9 wherein the object is made of tungsten.

12. The method of claim 2, wherein the gamma rays are fan-shaped to create a conical beam of gamma rays emitted from each source.

13. The method of claim 1 wherein the target is a diamond bearing kimberlite on a moving conveyor.

14. The method of claim. 3, in which the energy is changed to provide maximum differentiation between kimberlite and diamond.