Классификация, принципы построения, устройство, оперативно-технические параметры и области применения досмотровой рентгеновской техник

При прохождении через  исследуемое вещество пучок рентгеновского излучения ослабляется вследствие взаимодействия его с электронами, атомами и ядрами вещества. Основные процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом при  энергии квантов электромагнитного  поля (фотонов) - менее 106 эВ - это фотоэлектрическое  поглощение и рассеяние. Физика явлений  при этом совершенно адекватна физике образования рентгеновского излучения.

Фотоэлектрическое поглощение рентгеновского излучения происходит при взаимодействии фотонов рентгеновского излучения с атомами вещества. Фотоны, попадая на атомы, выбивают электроны с внутренней оболочки атома. При этом первичный фотон  полностью расходует свою энергию  на преодоление энергии связи  электрона в атоме и сообщает электрону кинетическую энергию. В  результате энергетической перестройки  атома, происходящей после вылета из атома фотоэлектрона, образуется характеристическое рентгеновское излучение, которое  при взаимодействии с другими  атомами может вызывать вторичный  фотоэффект. 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.

Образующееся при прохождении  через вещество рассеянное излучение  либо обусловлено тем, что под  действием электрического поля электроны  получают переменное ускорение, в результате которого они сами излучают электромагнитные волны с частотой, совпадающей  с частотой первичного излучения  и изменённым направлением излучения, (так называемое - когерентное рассеяние), либо обусловлено взаимодействием  фотонов со свободными или слабо  связанными электронами атома вещества (так называемое - комптоновское  рассеяние).

Таким образом, в результате фотоэлектрического поглощения рентгеновского излучения в веществе и рассеяния - часть энергии первичного излучения  остаётся в виде характеристического  и рассеянного излучения, часть  энергии поглощается, а часть - преобразуется  в энергию заряженных частиц - электронов.

Прошедшее через предмет  или вещество рентгеновское излучение  ослабляется в различной степени  в зависимости от распределения  плотности их материала. Таким образом, оно несёт информацию о внутреннем строении объекта, т.е. образует рентгеновское  изображение просвечиваемого объекта, которое затем преобразуется  в адекватное оптическое изображение  воспринимаемое глазами оператора. Возникающее рассеянное излучение  не несёт информации о внутреннем строении предмета и только ухудшает качество формируемого изображения.

Основными требованиями к  преобразователям рентгеновского изображения  являются: максимальная информативность  рентгеновского изображения при  минимально возможной поглощённой  дозе излучения просвечиваемым объектом и оптимальное преобразование рентгеновского изображения в оптическое, обеспечивающее получение оператором максимума информации, содержащейся в теневом рентгеновском изображении.

Качество рентгеновского изображения в основном определяется: контрастностью, яркостью, не резкостью  и разрешающей способностью.

Контрастность изображения  тем выше, чем меньше уровень рассеянного  излучения. Реальные источники излучения  дают расходящийся пучок лучей, выходящий  из фокусного пятна анода рентгеновской  трубки, причём интенсивность рентгеновского излучения убывает обратно пропорционально  квадрату расстояния от фокуса рентгеновской  трубки. Для получения большей  интенсивности излучения в плоскости  наблюдательного экрана и, следовательно, большей яркости свечения экрана при заданной мощности рентгеновской  трубки выгодно максимально приближать фокус трубки и экран к исследуемому объекту. Однако в зависимости от расстояния от фокуса трубки до поверхности  просвечиваемого объекта и от поверхности объекта до преобразователя  рентгеновского изображения (экрана) возникает  искажение геометрических соотношений  в теневом рентгеновском изображении: одинаковые по размерам структуры элементов, находящихся на разных расстояниях  до фокуса рентгеновской трубки, дают существенно различные по форме  и площади тени. Поскольку размеры  фокусного пятна трубки имеют  конечную величину, переход от наибольшей яркости изображения к области  полной тени происходит постепенно - вместо резкой границы образуется переходная область полутени. Контраст, обеспечивающий заданную вероятность обнаружения  объекта и определяемый заданными  параметрами изображения, а также  условиями зрительной работы, принято  называть пороговым контрастом. Этот параметр очень значим, т.к. практически  оператор не знает того, где и  когда в поле его зрения появится "запрещённый" объект. Кроме того, в поле зрения оператора представляется одновременно нескольких объектов, часть  из которых он должен опознать по известным  признакам с учётом таких факторов как определённое ограничение времени  наблюдения (особенно при конвейерном способе контроля), побочные возбуждения оператора в производственных условиях, а также наличие шумов на изображении и его определённая не резкость.

Не резкость изображения  определяется явлением рассеяния и  конечными размерами фокусного  пятна трубки. Не резкость тем больше, чем ближе трубка к просвечиваемому  объекту и чем дальше находится  от объекта преобразователь рентгеновского изображения (экран). При просвечивании  движущегося объекта на не резкость его изображения накладывается  так называемая динамическая не резкость, обусловленная инерционностью элементов  системы визуализации рентгеновского изображения. К плавным переходам  интенсивности между соседними  участками рентгеновского излучения (не резкости) может привести и сама внутренняя структура просвечиваемого  объекта, толщина элементов которого может изменяться постепенно.

Яркость изображения - это  отношение силы света элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения. Яркость  изображения в значительной степени, кроме мощности источника рентгеновского излучения, зависит от свойств применяемых  рентгеновских экранов и детекторов, которые характеризуются достаточно высокими параметрами энергетического  выхода люминесценции, высоким уровнем  поглощения и высоким коэффициентом  спектрального соответствия глазу  человека.

Разрешающая способность - это  способность давать чёткие раздельные изображения двух близких друг к  другу мелких объектов. Пределом разрешения называется наименьшее линейное (для  досмотровой рентгеновской техники) или угловое расстояние между  двумя объектами, начиная с которого их изображения сливаются. В практике принято оценивать величину разрешающей  способности числом линий на 1мм, причём толщина линий равна толщине  промежутков между ними.

3. Оперативно-технические параметры и принципы построения досмотровой рентгеновской техники

С оперативно-технической  точки зрения досмотровая рентгеновская  техника должна удовлетворять следующим  основным требованиям:

- обеспечивать возможность  однозначного обнаружения скрытых  вложений в контролируемых объектах;

- обеспечивать радиационную  безопасность обслуживающего персонала  и окружения;

- не оказывать воздействия  рентгеновского излучения на  продукты питания, лекарственные  препараты и фоточувствительные  материалы, находящиеся в объектах  контроля;

- обеспечивать достаточно  высокую производительность контроля;

- обеспечивать удобство  эксплуатации.

Анализ технических средств  рентгеновского контроля, применяемых  органами безопасности и таможенными  службами ведущих капиталистических  стран,  показывает,  что в настоящее  время в практике их работы широко применяются рентгеноаппараты, основанные на двух основных принципах получения  и регистрации рентгеновского изображения: флюороскопии и   сканирующего рентгеновского луча.

Рассмотрим принцип флюороскопического рентгеновского контроля. Он основан  на свойствах рентгеновских лучей  вызывать под их действием свечение (флюоресценцию) некоторых веществ. На Рис.2. представлена принципиальная схема флюороскопической установки непосредственного наблюдения (флюороскопа).

Рис.2. Схема флюороскопического метода рентгеновского контроля

Рентгеновское излучение  от источника проходит через контролируемый (просвечиваемый) предмет, преобразуется  на специальном флюоресцентном экране в световой рельеф, соответствующий  рентгеновскому изображению объекта (т.н. «теневое изображение»), через защитное стекло визуально воспринимается оператором.

Кроме флюороскопов непосредственного  наблюдения принципиально могут  применяться и другие схемы построения рентгеновских установок, использующих флюороскопический метод контроля. На Рис. 3. Представлена классификация флюороскопических рентгеновских установок.

Флюороскопы с применением  телевизионных устройств в свою очередь подразделяются на установки, работающие с источником излучения  в непрерывном и в импульсном режимах. Импульсные установки используют кратковременные серии рентгеновских  импульсов, достаточных для запоминания  «теневого» изображения в телевизионном блоке памяти, наблюдение которого производится уже после воздействия излучения.    Мировой опыт и технические возможности однозначно показывают, что наиболее приемлемым и находящим применение в таможенной практике является вариант построения флюороскопов по рентгенотелевизионному принципу с импульсным источником рентгеновского излучения и блоком памяти.

Рис. 3. Классификация флюороскопических рентгеновских установок

Одним из самых важных параметров рентгеноаппаратов является их чувствительность, определяемая в мировой практике как размеры уверенного обнаружения  на экране устройства визуализации специального тест-объекта в виде эталонной  медной проволочки определённого диаметра. Чувствительность флюороскопов определяется в основном двумя параметрами  – интенсивностью излучения и эффективностью его регистрации рентгеновским экраном – и зависит от толщины и плотности контролируемого объекта. Чтобы обеспечить высокую яркость свечения экрана требуется достаточно высокая энергия рентгеновского источника, что не только оказывает существенное влияние на объект контроля, но и требует применения высокоэффективных средств защиты оператора и окружения от прямого и рассеянного рентгеновского излучения, а это в свою очередь влечёт за собой существенное увеличение весогабаритных параметров флюороскопов, практически выполнить которые применительно к таможенному контролю багажа и ручной клади не представляется возможным. Поэтому реально, флюороскопия вынуждена проводиться при сравнительно низких яркостях свечения существующих ныне экранов, к сожалению требующих длительной адаптации зрения и применения светозащитных тубусов или даже специальных кабин. Отказаться от светозащитных приспособлений позволяют рентгеноаппараты с электронно-оптическими усилителями (преобразователями) света (ЭОП). ЭОПы позволяют значительно уменьшить уровень лучевой нагрузки на контролируемый объект и снизить вес устройств радиационной защиты рентгеноаппарата. Одним из недостатков флюороскопов и флюороскопов с ЭОП является сравнительно незначительные размеры наблюдательных экранов (не более 0,6 – 0,7м).

В рентгенотелевизионных  флюороскопах рентгеновское изображение  контролируемого объекта преобразуется  в видимое входным рентгеновским  экраном и проецируется с помощью  светосильной оптики на высокочувствительный фотокатод передающей телевизионной  трубки. В ней изображение преобразуется  в видеосигнал, который после  обработки в блоке формирования телевизионного сигнала снова преобразуется  в видимое изображение на телемониторе.

Применение телевизионных  систем во флюороскопах позволяет создать  сравнительно комфортные условия работы оператора, поскольку ему не приходится тратить время и испытывать неудобства, вызванные необходимостью адаптации  зрения при использовании светозащитного тубуса или находиться в тёмной кабине в течение всего времени таможенного  контроля.

Что касается применения во флюороскопах импульсных источников рентгеновского излучения в сочетании с блоками  запоминания изображения, то их преимущества очевидны. Во-первых, оператор и окружение  не подвергаются сравнительно длительному облучению, т.к. для формирования теневого изображения на мониторе аппарата достаточно длительности серии импульсов рентгеновского генератора в доли секунды. Во-вторых, оператор имеет возможность наблюдать изображение предмета столько времени, сколько нужно для идентификации содержимого объектов контроля, а также, используя электронные способы обработки, варьировать контрастность и масштабирование изображения и его отдельных элементов. Кроме этого, при импульсном режиме работы практически не успевает разрушиться светочувствительный слой бытовых фотокиноплёнок, которые могут находиться в контролируемом объекте, и тем самым не ущемляются права их владельцев.

Поясним принцип работы телевизионного блока памяти. При воздействии  короткого рентгеновского импульса ТВ-камера воспринимает моментальное теневое изображение с флюоресцентного  экрана и передаёт электрический  сигнал в блок памяти, выполненный, например, на запоминающей электронно-лучевой  трубке (ЗЭЛТ). Мишень ЗЭЛТ состоит из нескольких миллионов элементарных ёмкостей. Эти ёмкости заряжаются пропорционально числу электронов в записываемом луче, который синхронно  с лучом в передающей трубке образует на мишени ЗЭЛТ растр. Затем блок памяти автоматически переключается в  режим считывания. На этом этапе  электронный луч, «развёртывая» мишень и взаимодействуя с электрическим полем заряженных элементарных ёмкостей мишени ЗЭЛТ, отдаёт часть электронов, пропорционально зарядам этих ёмкостей, на сигнальную пластину. Усиленный сигнал поступает на видео – контрольное устройство, и изображение, многократно считываемое с мишени ЗЭЛТ, представляется оператору для визуализации. Именно применение ТВ-трубок с высокой чувствительностью позволяет снизить уровень экспозиционной дозы до величины безопасной для бытовых фотоплёнок, а также существенно снизить требования к радиационной защите и уменьшить вес установок.