Цель и основные задачи работы

7.1.1. Целью занятия является изучение принципов работы, устройства и методики применения рентгеновской установки «Инспектор 60/70Z» при досмотре багажа и ручной клади пассажиров.

7.1.2. В ходе занятия студент должен:

– изучить требования к персоналу и помещениям, в которых устанавливаются рентгеновские аппараты для таможенного досмотра;

– изучить устройство и правила эксплуатации рентгеновской установки для досмотра грузов и ручной клади «Инспектор 60/70Z»;

– с целью практического освоения методики применения установки провести оценку ее чувствительности и разрешающей способности, получить теневые изображения заданных преподавателем объектов и провести опознание вложений в них.

Занятие предполагает предварительное самостоятельное изучение теоретических материалов по природе и свойствам рентгеновских лучей, устройству и принципу работы рентгеновской трубки, классификации досмотровых рентгеновских установок.

7.1.3. По результатам занятия необходимо:

– оформить письменный отчет;

– защитить отчет, в ходе защиты дать ответы на контрольные вопросы.

7.2. Принцип работы конвейерных установок
сканирующего типа

7.2.1. Согласно введеным в действие постановлением Роспотребнадзора РФ от 16.06.2008 г. № 37 санитарным правилам и нормативам «Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при обращении с лучевыми досмотровыми установками», по конструктивным особенностям, режиму эксплуатации и степени радиационной опасности различают три типа рентгеновских установок для досмотра багажа и товаров (РУДБТ). Установка «Инспектор 60/70Z» относится к стационарным досмотровым рентгеновским сканирующим установкам 1-го типа. Она предназначена для таможенного контроля багажа и ручной клади пассажиров путем просвечивания (сканирования) объектов рентгеновскими лучами.

7.2.2. Рентгеновские установки сканирующего типа (или конвейерные аппараты), как правило, работают там, где оформляются большие пассажирские и грузовые потоки: в аэропортах и морских портах, на автопереходах, на складах временного хранения и т.д. Кроме этого, они используются в различных учреждениях службами безопасности.

7.2.3. В число основных конструктивных элементов установки входят: рентгеновский излучатель (РИ) на основе рентгеновской трубки, конвейерная лента для перемещения объекта контроля, досмотровый тоннель, инфракрасные датчики включения и выключения РИ, детекторная линейка для регистрации прошедшего через объект излучения, блок цифровой обработки сигналов и формирования изображения на основе ЭВМ (рис. 7.1).

В установке «Инспектор 60/70Z» рентгеновский излучатель построен на базе рентгеновской трубки 0, 3 ВМР25-150 (рис. 7.2) и конструктивно выполнен в виде моноблока (рис. 7.3). Моноблок содержит все основные элементы излучателя, кроме систем электропитания и внешнего управления параметрами излучения. Блоки питания и схемы управления режимами работы выполнены в виде отдельной панели управления.

 

Рис. 7.1. Основные элементы рентгеновской установки
сканирующего типа

Моноблок излучателя выполнен в виде герметичного металлического короба, усиленного свинцовыми пластинами. В ходе работы моноблок нагревается до 60^оС, и для его охлаждения используется вентилятор. Встроенный датчик нагрева позволяет контролировать температуру моноблока и отключать его при перегреве. Схемы панели управления позволяют регулировать анодное напряжение в пределах 40-150 кВ с шагом 2 кВ и ток в диапазоне 0, 05-2 мА с шагом 0, 05 мА.

 

Рис. 7.2. Внешний вид рентгеновской трубки 0, 3 ВМР25-150
(0, 3 БМП25-150)

 

 

Рис. 7.3. Внешний вид моноблока рентгеновского излучателя

7.2.4. Объект контроля устанавливается на конвейерную ленту и движется вместе с ней через досмотровый тоннель. Генератор рентгеновского излучения включается, когда объект контроля пересекает линию первого светового датчика. При этом неподвижный РИ с помощью коллиматора формирует узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей, по вертикали имеющий угол около 60⁰. Эти лучи пронизывают объект контроля. Коллиматор помещается между РИ и объектом просвечивания. Он представляет собой пластину из хорошо поглощающего рентгеновские лучи материала, имеющую узкую прорезь, через которую проходят лучи (рис. 7.4).

Поток рентгеновских лучей создается рентгеновской трубкой. Напряжение накала разогревает вольфрамовую нить, которая служит источником электронов. Они разгоняются электрическим полем, создаваемым между анодом и катодом трубки при подаче на них высокого напряжения (в пределах 40-150 кВ). Разогнавшиеся электроны тормозятся металлическим анодом, в результате чего и возникает рентгеновское излучение.

Генератор РИ отключается только после пересечения объектом контроля линии второго светового датчика.

 

Рис. 7.4. Коллиматор, создающий узкий веерообразный
пучок рентгеновских лучей

 

7.2.5. Регистрация прошедших сквозь объект контроля рентгеновских лучей производится с помощью L-образной детекторной линейки, состоящей из набора миниатюрных детекторов (см. рис. 7.1). Каждый детектор преобразует через фиксированные короткие промежутки времени поступающее на него рентгеновское излучение в электрический сигнал. Далее эти сигналы преобразуются в цифровые коды и используются для создания изображения содержимого объекта просвечивания на мониторе компьютера, входящего в состав установки.

В разных аппаратах может быть установлено различное количество детекторов. Все зависит от размера досмотрового тоннеля и заданной разрешающей способности аппарата (возможности различать мелкие детали в объекте). Так, в аппарате «Инспектор 60/70Z» насчитывается 704 отдельных элемента-детектора, выполненных в виде ячеек-модулей. Вся линия детекторов состоит из 88 сменных модулей по 8 детекторов на каждом. Чем меньше детектор и чем больше количество детекторов на единицу длины, тем выше разрешающая способность установки, т.е. тем более мелкие элементы в объекте просвечивания можно разглядеть.

7.2.6. Процесс формирования электронного образа изображения объекта на дисплее ЭВМ в рентгеновских установках конвейерного типа во многом похож на тот, что происходит в обычных сканерах при сканировании документов и фотографий. Поэтому такие досмотровые установки называют сканирующими.

Носителем информации о содержимом объектов таможенного контроля является поток рентгеновских квантов, прошедший через объект просвечивания и попавший на датчики-преобразователи (детекторы).

Рентгеновский квант имеет энергию W = hn = hc/l и, попав на детектор, преобразуется в электрический импульс с амплитудой А_t, зависящей от энергии кванта (c – скорость света, h – постоянная Планка, ν – частота излучения, l – длина волны излучения). Если объект контроля отсутствует, то параметры рентгеновских квантов, попадающих на детекторы детекторной линейки, одинаковы, и все детекторы откликаются на кванты излучения одинаково. Проходя через объект, кванты теряют часть энергии. Если в объекте разные участки имеют разную плотность, то на детекторы, находящиеся напротив разных участков, будут попадать кванты с разной энергией и, соответственно, на выходах таких детекторов будут импульсы разной амплитуды. Если в некоторый момент времени на детектор попало несколько квантов, то, следовательно, увеличится и амплитуда выходного сигнала. Сигнал с детектора снимается периодически в моменты времени, определяемые тактовыми импульсами, которые создаются специальным тактовым генератором. Далее импульсы А_t поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который амплитуду импульса преобразует в цифровой код. Число, которое задается этим кодом, тем больше, чем больше амплитуда импульса, поступающего на вход АЦП (рис. 7.5).

 

Рис. 7.5. Процесс преобразования кванта рентгеновского излучения

7.2.7. Известно, что экран монитора компьютера можно рассматривать как некоторую матрицу автономных ячеек-пикселей (рис. 7.6), причем свечением каждого пикселя можно управлять отдельно. Число детекторов в детекторной линейке делают равным числу пикселей в столбце матрицы. Каждый детектор сопоставляется одному из пикселей. Крайним пикселям сопоставляются крайние детекторы детекторной линейки.

Рис. 7.6. Структура экрана монитора

7.2.8. Сигналы с детекторов снимаются периодически в моменты поступления тактовых импульсов t₁, t₂, t₃, …. Объект все время движется. Новые участки объекта, попавшие в зону рентгеновских лучей, обладают другой плотностью. Поэтому в новый момент измерений может меняться энергия квантов, прошедших через объект. Соответственно в новый момент времени на выходе i-го детектора сигнал будет иметь другую амплитуду.

7.2.9. Изображение на экране компьютера формируется следующим образом. В момент t₁ фиксируются амплитуды A₁(t₁), A₂(t₁), …, A_n(t₁) на выходе каждого детектора (n - число детекторов). Обозначим пиксели первого столбца p₁₁, p₁₂, …, p_1n; p₂₁, p₂₂, …, p_2n - пиксели второго столбца и т.д. По значению амплитуды A₁(t₁) определяют яркость засветки пикселя p₁₁; по значению амплитуды A₂(t₁) - пикселя p₁₂ и т.д. В момент t₂ фиксируются амплитуды A₁(t₂), A₂(t₂), …, A_n(t₂) и засвечиваются пиксели второго столбца, и т.д.

Таким образом, в процессе движения объекта с помощью детекторной линейки периодически регистрируется интенсивность прошедшего излучения в вертикальной плоскости, т.е. в моменты t₁, t₂, t₃, …. как бы делаются «снимки» вертикальных «разрезов» объекта. Каждый новый вертикальный «разрез» добавляется к предыдущим, и так постепенно формируется изображение внутреннего содержимого объекта просвечивания. Формирование изображения завершается в момент выхода объекта из зоны луча второго светового датчика (рис. 7.7).

Число горизонтальных «разрезов» зависит от скорости движения транспортной ленты и протяженности объекта контроля.

Так как амплитуды сигналов, поступающих с детекторов, преобразуются в цифровые коды, их можно сохранить в долговременной памяти компьютера и получать изображение объекта в любое время после завершения просвечивания.

 

 

Рис. 7.7. Пример теневого изображения на мониторе рентгеновской
установки «Инспектор 60/70Z»

 

7.2.10. Детекторная линейка является важнейшим элементом рентгеновских установок сканирующего типа (рис. 7.8). Ее характеристики во многом определяют характеристики всей установки. Основная функция детекторной линейки - преобразовать рентгеновские лучи, не воспринимаемые органами чувств человека, в электрические сигналы, по которым на экране монитора компьютера можно создать теневое изображение объекта просвечивания.

Каждый элемент (детектор) детекторной линейки в установке «Инспектор 60/70Z» представляет собой набор пару сцинтиллятор-фотодиод. Такие элементы называют сцинтилляционными детекторами.

Детектор представляет собой прозрачный кристалл (сцинтиллятор), люминесцирующий под воздействием рентгеновских лучей. Рентгеновский квант, падая на сцинтиллятор, взаимодействует с его атомами. При этом некоторое количество атомов вещества, составляющего сцинтиллятор, переходит в возбужденное состояние. Обратный переход атомов в нормальное состояние сопровождается испусканием квантов видимого света - люминесценцией. Люминесценция в сцинтилляторе происходит почти мгновенно (через 10^-9-10^-7 с) после возбуждения. В качестве сцинтилляторов обычно используются кристаллы NaI или KI, с добавкой небольшого количества таллия (говорят: «активированные таллием»). Обычно их обозначают NaI(Tl) и KI(Tl) соответственно.

Рис. 7.8. Конструкция детекторной линейки

Для преобразования световых вспышек в электрический сигнал каждый детектор кроме сцинтиллятора содержит фотоприемник-фотодиод с электронным усилителем. Фотоприемник не просто преобразует световой поток в электрический ток, но и производит усиление этого тока.

Очевидно, что детекторы должны быть светоизолированы, для чего каждый из них упакован в специальную ячейку - контейнер, которые напаиваются по 8 штук на сменные модули (печатные платы), из которых и набирается детекторная линейка установки «Инспектор 60/70Z».

Заметим, что в качестве первичных регистраторов рентгеновских лучей могут использоваться не только сцинтилляторы. Известны газоразрядные, полупроводниковые, химические и другие виды детекторов. Однако в досмотровой рентгеновской технике (в том числе в инспекционно-досмотровых комплексах) чаще всего сегодня используются сцинтилляционные детекторы.

7.2.11. Источник рентгеновского излучения можно рассматривать как точечный. Так, в установке «Инспектор 60/70Z» фокусное пятно имеет размер 0, 8х0, 8 мм. Рентгеновский излучатель устанавливается на уровне плоскости конвейерной ленты, а лучи распространяются прямолинейно. В результате на экране досмотровой установки возникают линейные искажения, что надо учитывать при просмотре получаемых при просвечивании изображений. Рисунок 7.9 иллюстрирует тот факт, что размер изображения вложения зависит от высоты его размещения относительно источника излучения. Кроме того, плоский прямоугольный предмет на горизонтальной оси рентгеновского излучателя будет восприниматься как черта, а при других положениях – как прямоугольник.

Рис. 7.9. Линейные искажения предметов в конвейерных
сканирующих установках

 

7.2.12. На рис. 7.9 видно, что прямолинейная детекторная линейка должна быть гораздо выше объекта просвечивания. Для того, чтобы сделать рентгеновский аппарат более компактным по высоте, линейку детекторов выполняют из двух частей, соединенных между собой под прямым углом (о ее форме обычно говорят «L-образная» или «Г-образная»). Такая линейка использована и в установке «Инспектор 60/70Z».

Однако тогда возникают дополнительные искажения, связанные с использованием Г-образной детекторной линейки.

7.2.13. Сигналы, выдаваемые детекторной линейкой, предварительно подвергаются компьютерной обработке, чтобы получить более реальные изображения просвечиваемых предметов. В то же время получаемые искажения в некоторых случаях играют положительную роль. Например, они дают возможность просматривать верхнюю (нижнюю) стенку объекта на предмет сокрытия в ней недозволенных вложений. Именно поэтому в реальных аппаратах фокус рентгеновской трубки F располагается обычно несколько ниже плоскости конвейера.

7.2.14. В рентгеновских аппаратах сканирующего типа применяются особые способы радиационной защиты.

Рабочее место оператора установки находится в стороне от направления распространения рентгеновских лучей.

Защита собственно рентгеновского генератора обеспечивается свинцовым кожухом. Конструкция туннеля, через который перемещается багаж, выполняется из металлических листов толщиной 1, 5‑ 2, 5 мм. Детекторная линейка снабжается свинцовым экраном. Загрузочно-разгрузочные входы туннеля закрываются резиновыми свинцовосодержащими лентами.

Световые датчики включения/выключения РИ также являются средством повышения радиационной безопасности. С их помощью рентгеновское излучение включается только на время прохождения объектом линейки детекторов. Выключенный рентгеновский излучатель совершенно безопасен. Кроме того, в установках конвейерного типа используются частоты и интенсивности излучения, которые гарантируют сохранность даже фотопленки, находящейся в багаже пассажира, и относительно безопасны для оператора установки при случайном облучении. Так, в техническом описании аппарата «Инспектор 60/70Z» указано, что доза, получаемая объектом контроля за однократную инспекцию, не превышает 0, 9 мкЗв (0, 1 мР), что гарантирует сохранность самой чувствительной фотопленки (1600 ISO) даже после нескольких процедур сканирования. Исключается вредное воздействие на продукты питания, магнитные носители информации и полупроводниковые устройства, провозимые в багаже.

7.2.15. В современных досмотровых установках предусматривается просмотр изображений как в черно-белом, так и в цветном виде. Известно, что обычный человек способен различить на экране черно-белого монитора немногим более 20 градаций серого цвета (от ярко-белого до черного), а цветных – несколько тысяч. Поэтому применение цветных изображений повышает информативность изображений.

В рентгеновской установке «Инспектор 60/70Z» имеется монитор для вывода цветных изображений. При этом для отображения элементного состава вещества контролируемых объектов используются следующие цвета (рис. 7.7):

· желтый – химические элементы с атомным номером менее 10 (органические вещества, в том числе лекарства, наркотические и взрывчатые вещества, пластмассы, ткани, дерево, вода);

· зеленый – химические элементы с атомным номером от 10 до 17 (неорганические вещества, легкие металлы, в том числе алюминий, кремний);

· синий – неорганические вещества-металлы с большим атомным номером, в пределах от 18 до 40 (железо, медь, цинк, никель, сталь и др.); при этом интенсивность цвета передает толщину и плотность материала, т.е. чем больше плотность вещества, тем более темный синий цвет;

· черный – очень высокая плотность (например, свинцовый лист или массивный металлический предмет).

Информация о толщине и плотности материала передается оттенками (интенсивностями) цветов. Органические вещества различной толщины и плотности будут окрашиваться на экране монитора в диапазоне от светло-желтого до темно-оранжевого; неорганические вещества и «легкие» металлы – в диапазоне от светло-зеленого до темно-зеленого; металлы – от светло-синего до черного.

7.2.16. В современных досмотровых установках в памяти аппарата хранится сразу два изображения для каждого инспектируемого объекта.

В установке «Инспектор 60/70Z» дополнительное изображение получается за счет применения специальной «сдвоенной» линейки детекторов. Они представляет собой две обычные детекторные линейки, рабочие элементы которых расположены точно друг за другом относительно направления падения на них рентгеновских лучей. Между детекторными линейками проложена медная пластина, которая играет роль фильтра, «отсекающего» мягкую составляющую рентгеновского спектра. Таким образом, детектор первой линейки фиксирует интегральную интенсивность рентгеновских лучей всех энергий, т.е. рентгеновское излучение, прошедшее как сквозь «легкие» (малое значение атомного номера), так и сквозь «тяжелые» предметы, а детектор второй линейки – интегральную интенсивность рентгеновских квантов, относящихся к жесткой коротковолновой части спектра (большие энергии), т.е. прошедшие сквозь «тяжелые» предметы.