ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕНТГЕНОВСКОЙ ИНТРОСКОПИИ И

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕНТГЕНОВСКОЙ ИНТРОСКОПИИ И РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

Свойства рентгеновских лучей Рентгеновские лучи (рентгеновское излучение) были открыты 8 ноября 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном (27. 03. 1845 -10. 02. 1923) при изучении электрических процессов в сильно разряженных газах. Им было установлено, что при электрическом разряде в трубке с разряженным воздухом порождаются невидимые глазом лучи, получившие название «рентгеновские лучи» . Выделяют четыре основных вида ионизирующих излучений: - излучение, фотонное излучение, нейтронное излучение. В фотонном излучении выделяют рентгеновское и гамма- излучение (X- и - излучение). Рентгеновское излучение – это квантовое электромагнитное излучение, занимающее область в пределах длин волн примерно от 10 -2 до 102 ангстрем (1 А = 10 -10 м). По длине волны оно занимает диапазон между ультрафиолетовыми (УФ) и гамма- лучами. Рентгеновское излучение может рассматриваться как поток квантов и как электромагнитные волны, распространяющихся со скоростью света. На рис. 1. видно, что частоты рентгеновского излучения не пересекаются с частотами видимого человеком света, т. е. человек не может видеть это излучение. В рентгеновской технике, используемой для досмотра багажа, обычно используется излучение с длиной волны 0, 06 – 20 А.

Рис. 1. Частотное распределение волн

Рентгеновские лучи: - невидимы человеческим глазом; - способны проникать сквозь непрозрачные вещества; - поглощаются в веществе, причем степень поглощения зависит от атомного номера вещества (чем больше атомный номер в периодической системе Менделеева, тем сильнее поглощение); - распространяются прямолинейно; - вызывают свечение (флюоресценцию) некоторых веществ (сернистый цинк, сернистый кадмий и др. ); - ионизируют газы; - вызывают вторичное характеристическое излучение облучаемых объектов.

С оперативно-технической точки зрения досмотровая рентгеновская техника должна: обнаруживать скрытые и запрещенные для свободного перемещения вложения в контролируемых объектах, даже при небольших размерах; не оказывать вредного воздействия на продукты питания, лекарственные препараты, фоточувствительные и иные материалы, находящиеся в объектах контроля; быть безопасной для обслуживающего персонала и окружения; иметь высокую производительность контроля; быть удобной в эксплуатации. Выполнение первых требований в значительной мере зависит от частоты генерируемых рентгеновских лучей и энергии их квантов. Уменьшение длины волн излучения и повышение энергии квантов повышает проникающую способность лучей (т. е. повышается способность проникать через более «толстые» и плотные материалы» ). Однако при этом повышается опасность вредного воздействия на товары и человека.

Физические основы рентгеновского излучения Источники рентгеновских лучей бывают естественными и искусственными. Естественным не надо источника питания. Они постоянно, без всякого «принуждения» , излучают рентгеновские лучи, их невозможно «выключить» . Они хороши для использования в переносных приборах. В связи с тем, что естественные источники постоянно излучают, существенно усложняются вопросы защиты человека от вредного воздействия лучей. Поэтому они всегда помещаются в специальные защитные контейнеры. Существуют приборы с источниками естественного излучения, которые применяются для досмотра багажа, определения полостей в металлических и иных конструкциях, определения химического состава вещества и др. В некоторых инспекционно- досмотровых комплексах, используемые за рубежом, применяется естественные источники излучения (Co 60, Ci 100).

Однако более безопасным считается применение искусственных источников рентгеновского излучения. Поэтому во вновь разрабатываемых приборах стараются использовать искусственные источники. В таможенном деле используются, в основном, два типа источников для искусственного создания рентгеновского излучения: ускорители электронов и рентгеновские трубки. Первые применяются в тех случаях, когда надо просвечивать толстые и плотные объекты. Именно они находят применение в инспекционно - досмотровых комплексах. Генераторы на основе рентгеновской трубки формируют менее мощное излучение и широко применяются в аппаратах для досмотра багажа и ручной клади пассажиров.

Искусственные источники генерируют излучение только тогда, когда на них подано высокое электрическое напряжение (обычно десятки или сотни киловольт). В них энергия движущихся заряженных частиц электронов или протонов преобразуется в рентгеновские лучи при их торможении на мишени (аноде). При выключенном питании такие генераторы совершенно безопасны для обслуживающего персонала. Это является одной из причин их широкого применения в досмотровой технике. В таможенных органах идет планомерная модификация или замена приборов с естественными источниками на приборы с искусственными излучателями. Рассмотрим основные физические принципы формирования рентгеновских лучей первоначально на примере рентгеновской трубки. Заметим, что в комплексах HCV используется специфическая и довольно сложная система генерации, но базовые физические принципы создания потока рентгеновских лучей в ней такие же, как и в рентгеновской трубке. Катод Стеклянная Анод колба -UВ UН +UВ Рентгеновские Поток электронов лучи Основные элементы рентгеновской трубки

Тормозное рентгеновское излучение образуется как было показано выше в процессе торможения электронов о материал мишени анода. В ходе торможения кинетическая энергия электронов частично преобразуется в кванты рентгеновского излучения. Один электрон может последовательно создать несколько квантов с разной частотой излучения. Чем выше атомный номер материала мишени, тем быстрее тормозятся электроны. Чем больше отданная через квант энергия, тем короче длина волны излучения. Причиной наличия в тормозном излучении волн разной длины является то, что разные электроны передают разную часть своей энергии движения в кванты рентгеновского излучения. Поэтому тормозное излучение характеризуется непрерывным спектром в достаточно большом диапазоне частот. Проникающая способность рентгеновских лучей тем больше, чем меньше длина волны и больше интенсивность излучения. Уменьшить длину волны можно, увеличив напряжение на аноде. Тогда электроны сильнее разгоняются и, следовательно, имеют большую энергию при торможении.

Характеристическое рентгеновское излучение, вызывается изменением энергетического состояния атомов материала мишени при его бомбардировке электронами и возникает следующим образом. Падающие на мишень электроны передают часть своей энергии электронам атомов ее вещества. Электроны вращаются вокруг ядра атома по орбитам (оболочкам), которые располагаются на вполне определенных расстояниях от ядра. Если электрон внутренней оболочки атома получает дополнительную энергию, то атом возбуждается, а электрон переходит на другую орбиту (оболочку). Возбужденное состояние является кратковременным, поэтому освободившееся место в оболочке сразу заполняется электронами внешних слоев с меньшей энергией связи. При этом атом переходит в нормальное состояние и испускает квант (фотон) характеристического излучения с энергией равной разности энергий на соответствующих оболочках. Частота характеристического рентгеновского излучения связана с атомным номером (Z) вещества анода. В отличие от непрерывного спектра тормозного рентгеновского излучения длины волн характеристического рентгеновского излучения имеют значения, вполне определенные для данного материала мишени. Интенсивность характеристического излучения зависит от напряжения на аноде. Однако при напряжениях, используемых в рентгеновской досмотровой технике, его вклад в создаваемое трубкой излучение незначителен

Процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществами. Рентгеновское излучение при прохождении через исследуемое вещество (объект контроля) пучок ослабляется вследствие его взаимодействия с электронами, атомами и ядрами вещества, из которого состоит объект контроля. Основными процессами взаимодействия рентгеновского излучения с веществом, при энергии квантов электромагнитного поля не менее 106 э. В являются: – это фотоэлектрическое поглощение и рассеяние. Фотоэлектрическое поглощение происходит при взаимодействии рентгеновского излучения с атомами облучаемого вещества. Кванты излучения (их еще называют фотонами), попадая на атомы, выбивают электроны с внутренних оболочек атома. При этом первичный фотон расходует свою энергию на преодоление энергии связи электрона в атоме и сообщает электрону кинетическую энергию. В результате энергетической перестройки атома образуется характеристическое рентгеновское излучение, которое при взаимодействии с другими атомами может вызывать вторичный фотоэффект (т. е. вызвать появление новых фотонов). Этот процесс будет происходить до тех пор, пока энергия фотонов не станет меньше энергии связи электронов в атоме. Очень важно отметить, что процесс ослабления излучения при прохождении через вещество зависит не только от энергии фотонов и длины волны излучения, но и от атомного номера вещества, в котором происходит фотоэлектрическое поглощение.

Получившееся излучение относится к характеристическому. Или к флуоресцентному подчеркивая таким образом, то, что оно получено, а в результате воздействия объекта контроля, на квантами (фотонами) вторичного рентгеновского излучения. При прохождении через объект контроля возможно упругое или неупругое рассеивание рентгеновских лучей. В несколько упрощенной форме эффект рассеивания можно пояснить следующим образом. Попадая внутрь вещества и взаимодействуя с его электронами и ядрами атомов, фотоны изменяют направление движения. При неупругом рассеивании исходный фотон отдает атому часть энергии и двигается дальше, изменив направление. Так как энергия фотона уменьшилась, то увеличивается длина волны излучения. При упругом рассеивании исходный фотон дает электрону атома дополнительную энергию, которой недостаточно для схода электрона с орбиты. Однако при этом атом избавляется от лишней энергии, излучая волны той же частоты, что и у воздействующего на него излучения. Они то и представляют собой упругое (или конкретно) рассеянное излучение, поскольку излучение от электронов в определенных направлениях имеет одну и ту же фазу волны. Такие волны будут складываться, образуя так называемые «дифракционные максимумы» . Интенсивности и направления распространения дифракционных максимумов зависят от кристаллической структуры вещества, которое рассеивает излучение. На этом явлении основаны методы рентгеноструктурного анализа, который применяется для идентификации веществ и химических соединений. Специальная аппаратура, предназначенная для проведения рентгеноструктурного исследований, имеется в таможенных экспертных учреждениях.

Упругое рассеянное не приводит к изменению энергии фотонов, но также вызывает изменение направления их движения. Основными показателями, которые характеризуют качество рентгеновского изображения в досмотровых рентгеновских установках оценивается проникающей способностью, контрастностью, яркостью, нерезкостью и разрешающей способностью. Эти показатели обусловлены прикладным назначением получаемых изображений, но существенно зависят и от способа представления изображения в памяти компьютера. Так, при выводе изображения на экран компьютера оно представляется как набор пикселей, каждому из которых сопоставляется цифровой код, задающий оттенок цвета пикселя. От количества пикселей зависит насколько мелкие детали видимы на экране, а длина кода определяет количество оттенков, которые можно кодировать. Проникающая способность характеризует максимальную толщину стального препятствия, за которым на получаемом изображении можно увидеть наличие некоторого «эталонного» предмета. На практике оценивается как максимальная толщина стального листа, за которым можно увидеть контуры дополнительной свинцовой или стальной пластины (проволоки) определенной толщины.

Контрастность изображения или контрастная чувствительность характеризует разность оттенков, которую может различать аппарат. На практике обычно определяется как толщина уверенного обнаружения на экране специального тест- объекта в виде стальной пластины или проволоки через сталь определенной толщины. Нерезкость изображения определяется явлением рассеяния и конструктивными особенностями излучателя. В результате происходит «размазывание» на экране контуров сканируемых предметов. Чем дальше от объекта находится преобразователь рентгеновского изображения, тем выше нерезкость; чем меньше уровень рассеянного излучения, тем меньше нерезкость. При просвечивании движущегося объекта дополнительно возникает еще и так называемая динамическая нерезкость, обусловленная инерционностью и неравномерностью движения сканируемого объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно излучателя (например, из-за неровностей площадки, по которой перемещается мобильный ИДК). Под нерезкостью обычно понимается половина ширины размытости перехода от одного уровня оптической плотности к другой, выраженной в миллиметрах.

Яркость изображения – отношение силы света элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения. Яркость изображения зависит от мощности рентгеновского излучения прошедшего через объект, от свойств применяемых экранов и детекторов, фиксирующих прошедшее через объект излучение. Разрешающая способность – это способность давать четкие раздельные изображения двух близких друг к другу мелких объектов. Пределом разрешения называется наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя объектами, начиная с которого их изображения сливаются. На практике принято оценивать величину разрешающей способности досмотровых установок числом различимых линий (проволок) на 1 мм или 1 см при стальной преграде определенной толщины, причем толщина линий равна толщине промежутков между ними. Чувствительность – на практике обычно определяется как диаметр специального тест- объекта в виде медной (для досмотровых установок багажа пассажиров) или вольфрамовой (для ИДК) проволочки, уверенно обнаруживаемой на экране за экраном из стали определенной толщины.

Применение магнетронов и линейных ускорителей для генерации рентгеновского излучения Для ИДК нужны генераторы с существенно большей мощностью рентгеновского излучения, так как они должны создавать лучи, проникающие через стальные объекты толщиной в 20 -50 см. Поэтому в них применяют линейные ускорители электронов, которые позволяют получать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (1012) электрон-вольт. Во всех ИДК типа HCV для получения рентгеновского излучения использованы генерирующие системы американской фирмы VARIAN, которая ранее занималась созданием подобных систем в медицинских целях. В этих генераторах рентгеновское излучение создается следующим образом: - сформированный электронной пушкой пучок электронов инжектируется в ускоритель. Для создания рентгеновского излучения в несколько Мэ. В используются специальные электронные пушки, которые создают повышенный поток электронов.

Созданный электронной пушкой поток электронов поступает (инжектируется) в электронный линейный ускоритель. Этот усилитель имеет еще один вход, к которому подключается выход специального устройства- магнетрона. Последний генерирует мощные СВЧ –колебания, которые в совокупности с электрическим полем ускорителя разгоняют электроны до скорости, близкой скорости света. Линейный ускоритель позволяет ускорить электроны до энергий несколько Мэ. В. При этом можно обеспечить большой ток пучка электронов, которые направляются на мишень из тяжелого металла. В результате взаимодействия электронов с ядрами атомов мишени (изменения их скорости движения в следствие торможения) образуется тормозное излучение, которое направляется через коллиматор на контролируемый объект (контейнер) для его просвечивания. Большим достоинством линейных ускорителей для получения рентгеновского излучения являются их небольшие габариты и источник питания всего в несколько десятков киловольт.

Магнетрон (рис. 2) является важнейшим элементом ускорительной системы и представляет собой герметичную металлическую камеру, в центре которой находится тонкая металлическая нить — катод. Нагреваясь, катод испускает электроны, и они начинают двигаться к аноду. Анод (анодный блок) магнетрона имеет довольно сложную монолитную конструкцию с системой резонаторов (последние представляют собой отверстия в теле анода). Для вывода энергии в один из резонаторов вводят проволоку в виде петли- ее называют антенной. В работе магнетрона используется особый случай движения электронов при наличии двух полей – магнитного и электрического, перпендикулярных другу. Рис. 2. Конструкции магнетрона в разрезе

Линейный ускоритель представляет собой многокаскадный ускоритель заряженных частиц, в котором частицы движутся по прямолинейной траектории. Для ускорения частиц используются высокочастотные электрические поля. Возможность применения высокочастотных электрических полей в длинных многокаскадных ускорителях основана на том, что такое поле изменяется не только во времени, но и в пространстве. Напряженность поля изменяется синусоидально во времени в зависимости от положения в пространстве, т. е. распределение поля в пространстве имеет форму волны. При этом максимумы поля перемещаются в пространстве с так называемой фазовой скоростью. Если сделать так, чтобы фазовая скорость поля была равна скорости частиц, то в процессе своего движения в ускорителе пучок частиц будет непрерывно ускоряться, так как на него будет постоянно воздействовать максимальная напряженность поля. Частицы будут как бы скользить на гребне волны электрического поля.

Напряженность ускоряющего поля меняется по синусоиде, поэтому частицы могут попадать как в ускоряющую, так и в замедляющую фазу электрического поля. Чтобы исключить влияние замедляющей фазы высокочастотного электрического поля линейный ускоритель имеет специальную конструкцию в виде длинной вакуумной трубы, в которой расположен ряд металлических дрейфовых трубок. Эти трубки экранируют пучок частиц от замедляющего полупериода поля. Трубки расположены в линию друг за другом, внутри них движется поток электронов. Вдоль трубок со скоростью, близкой к скорости света, бежит волна ускоряющего напряжения (рис. 3. ). Рис. 3. Принцип работы линейного ускорителя (1 – источник электронов (инжектор); 2 – ускоряющее напряжение; 3 – дрейфовая трубка; 4 –линия движения ускоряющего напряжения; 5 – пучок электронов)

Таким образом, все трубки по очереди оказываются под высоким напряжением. Заряженная частица, вылетающая из инжектора в подходящий момент времени, ускоряется в направлении первой трубки, приобретая определенную энергию. Внутри этой трубки частица дрейфует – движется с постоянной скоростью. Если длина трубки правильно подобрана, то она выйдет из нее в тот момент, когда ускоряющее напряжение продвинулось на одну длину волны. При этом напряжение на второй трубке тоже будет ускоряющим. Такой процесс многократно повторяется, и на каждом этапе частица получает дополнительную энергию. Чтобы движение частиц было синхронно с изменением поля, соответственно увеличению их скорости должна увеличиваться длина трубок. Длина каждой следующей трубки немного больше, чем предыдущей и достигает постоянного значения в конце ускорителя, где скорость частиц становится близкой к скорости света.