Модификации и классификация рентгенотелевизионных аппаратов сканирующего типа

Содержание

Введение 3

1. Общие сведения о рентгеновском излучении 4

1.1. Физическая природа рентгеновского излучения 5

1.2. Сплошной спектр тормозного излучения 5

1.3. Генерация рентгеновского излучения 6

2. Модификации и классификация рентгенотелевизионных аппаратов сканирующего типа 7

2.1. Классификация современной техники сканирования на примере моделей “Heimann System” 8

2.2. Стандартные технические характеристики РТА 9

3. Примерная конструкция блок-схемы РТА сканирующего типа 10

3.1. Структура РТА 10

3.2. Основные элементы конструкции 10

3.3. Обобщенная электрическая функциональная схема рентгеновского интроскопа 11

4. Общие принципы формирования изображения в интроскопах сканирующего типа 14

4.1. Принципы построения изображения и распознавания материалов по методу HI-MAT(MB8) и усовершенствованной системе HiTraX (метод HI-MAT Plus) в РТА HI-SCAN фирмы HEIMANN, Германия 18

4.2. Основные характеристики технологии HiTraX 18

4.3. Метод распознавания типов материалов HI-MAT Plus 19

5. Радиационная защита РТА сканирующего типа 23

Заключение 24

Литература 26

Приложение 1. 27

Введение

Высокая информативность и широчайшие потенциальные возможности методов  неразрушающего контроля объектов обусловлены использованием практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра, что позволяет создавать технические средства, обладающие возможностью «видения» в оптически непрозрачных средах. Процесс «видения» осуществляется путем визуализации скрытых человеческому глазу изображений, с помощью оптико-электронных систем создаваемых в рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном и других диапазонах электромагнитного спектра. Оптические изображения и образы являются высшей формой получения, хранения и передачи информации, а также ее наиболее удобным, оптимальным видом, воспринимаемым человеком.

Если посмотреть на рис. 1, где представлен  спектр электромагнитного излучения, то нетрудно увидеть, что видимый  диапазон, т.е. диапазон, в котором  видит человек без применения технических средств, занимает лишь небольшую часть спектра. Естественно, что для получения большей  информации об окружающем нас мире или об отдельных объектах необходимо осуществлять «видение» в других диапазонах.

В настоящее время в таможенной службе для контроля багажа, ручной клади пассажиров широко применяются оптикоэлектронные системы создающие «видение» в рентгеновском спектре излучения – современные рентгенаппараты, основанные на методе сканирующего рентгеновского луча с использованием цифровой системы обработки, запоминания информации и визуализации её с помощью телевизионного канала изображения.

Рентгенотелевизионные аппараты (РТА) или интроскопы, работающие на принципе сканирующего луча, позволяют быстро и эффективно решать основные оперативные задачи таможенного контроля, в особенности,- дистанционное получение информации о содержимом объектов таможенного контроля, об образах и характерных признаках предметов, о составе материалов и веществ данных предметов, поиск и обнаружение объектов контрабанды, нарушений таможенных правил и др.

1. Общие сведения о рентгеновском  излучении

Рентгеновским называют электромагнитные излучения с частотой в диапазоне 6,02·10¹⁵ - 1,2·10²⁰ Гц. Этот диапазон принято делить на три части: мягкий рентген, классический рентген и жесткий рентген.

В рентгеновской технике вместо частоты обычно используют длину  волны или энергию кванта излучения. Наиболее удобными единицами измерения  являются: длины волны - ангстрем ( ), а энергии кванта излучения - килоэлектронвольт (1кэВ = 1,6·10 ¹⁶ Дж). Связь энергии с частотой выражается формулой Планка

E = h·f,

где h = 6,625-10^-34Дж·с.

Характеристики рентгеновского излучения  в соответствии с принятым делением на упомянутые выше области представлены в таблице 1.

Таблица 1

 

Длина волны рентгеновского излучения соизмерима с междуатомными расстояниями в твердом веществе. Поэтому оно обладает высокой проникающей способностью.

1.1. Физическая природа рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает  при резком торможении движущихся электронов в результате их соударения с атомами  вещества препятствия (анодом) и состоит из сплошного спектра тормозного излучения и линейчатого спектра характеристического излучения (зависит от материала анода).

Тормозное излучение. Его природа объясняется тем, что при соударении электрон тормозится, а согласно электромагнитной теории, ускоренное движение электрического заряда приводит к возникновению электромагнитного поля. Спектр тормозного излучения - сплошной.

Характеристическое излучение. Возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона с одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения с атомом частицы с высокой энергией или поглощения атомом фотона. Спектр характеристического излучения - линейчатый. Частота линий спектра характерна для атомов каждого химического элемента.

1.2. Сплошной спектр тормозного излучения

В ускоряющем поле с разностью потенциалов U электрон приобретает кинетическую энергию

W_k = eU,

где е = 1,6·10^-19 Кл - заряд электрона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Сплошной спектр

 

При столкновении электрона с атомом анода часть  его энергии излучается в виде рентгеновского кванта, часть передается атому. Часть, переданная атому, может быть любой. Поэтому энергетический спектр тормозного излучения сплошной (рис. 2).

В коротковолновой  области спектр резко падает до нуля на граничной длине волны λ_г. В длинноволновой области спад плавный, стремящийся к нулю. Коротковолновая граничная длина волны соответствует относительно редкому превращению всей кинетической энергии электрона в энергию рентгеновского кванта.

Спектр  имеет максимум на длине волны 1 = 3/2 λ_г. При увеличении ускоряющего напряжения коротковолновая граница и максимум смещаются в сторону коротких длин волн, так как увеличивается кинетическая энергия электронов. Граничная длина волны может быть рассчитана по формуле, которая получается приравниванием энергии кванта E и кинетической энергии электрона W_k:

λг= ch/eU,

где с - скорость света.

1.3. Генерация рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение генерируют с помощью электровакуумных приборов - рентгеновских трубок (рис. 3).

Основными элементами рентгеновской трубки являются: анод 2, термоэмиссионный катод 5 и фокусирующий электрод 4.

Для получения сплошного спектра рентгеновского излучения используются аноды из золота или вольфрама. Рабочая часть анода - металлическая зеркальная поверхность - расположена под некоторым углом к потоку электронов 3.

 

 

Рис. 3 Рентгеновская трубка

 

Анод сварен с анодным блоком 1, выполненным из металла с большой теплопроводностью. В мощных рентгеновских трубках в анодном блоке имеются каналы со штуцерами 10 для принудительного воздушного или жидкого охлаждения.

Катод 5 представляет собой спираль или прямую нить из вольфрамовой проволоки. Выводы катода 6, к которым подводится напряжение накала, проходят через стеклянную колбу 7, изолирующую анодную часть трубки от катодной части.

Электростатический фокусирующий электрод 4 направляет пучок электронов на рабочую поверхность анода.

Рентгеновское излучение 8 выходит через окно 9 в анодном блоке, заполненное бериллием, который слабо поглощает рентгеновское излучение.

Напряжение анод-катод, ускоряющее электроны, может достигать 500 кВ, в зависимости от назначения рентгеновской трубки. Анодный блок по конструктивным соображениям электрически соединяется с массой интроскопа.

Электронный ток в трубках разного  назначения 0,1 мА - 1А. Коэффициент полезного действия рентгеновских трубок 0,1 - 3%.

2. Модификации и классификация рентгенотелевизионных аппаратов сканирующего типа

Сканирующая техника имеет две  основные модификации: с использованием веерообразных пучков и с использованием узких бегущих пучков рентгеновских лучей.

Веерообразные пучки рентгеновских  лучей облучают объект, расположенный  непосредственно на движущейся конвейерной  ленте. Регистрация изображения  происходит с помощью детекторной  линейки, расположенной по другую сторону конвейера.

В аппаратах второй модификации  узкие « бегущие» пучки формируются  модулятором. Такой пучок сканирует  объект сверху вниз – этим обеспечивается вертикальная развертка изображения, Перемещение объекта на конвейере обеспечивает горизонтальную развертку изображения на мониторе.

Особенность второго метода заключается  в том, что сканирование рентгеновского луча в каждый момент времени затрагивает  только небольшой участок поверхности  объекта. Участок изображается точкой на мониторе. Положительно то, что соседние участки объекта не облучаются и, следовательно, отсутствуют лишние мешающие сигналы в отсканированном изображении. В данных моделях теневая картина регистрируется в обратном рассеянном рентгеновском излучении.

 

2.1. Классификация современной  техники сканирования на примере  моделей “Heimann System”

 

Сканирующая техника, использующая веерообразные  пучки рентгеновских лучей
	Стационарные рентгеновские аппараты		“Hi-scan 6040i” “Hi-scan 5180” “Hi-scan 85120”
	Передвижные рентгеновские аппараты		“Scan Van” “Scan Trailer” “Scan Mobile”
	Стационарные рентгеновские досмотровые  комплексы (СРДК)		“Heimann Cargo Vision (HCV) 5000”, “HCV-9000”
	Перемещаемые рентгеновские досмотровые  комплексы (ПРДК)		“Heimann Cargo Vision-Relocatable System Verification (HCV-RSV) 2500”, “HCV-RSV 5000”
	Мобильные рентгеновские досмотровые  системы (МРДС)		“SilhouetteScan” (низкоэнергетические) “HCV-Mobile” (среднеэнергетические)

 

Рис. 4. Классификация современной рентгенотелевизионной техники сканирования.

Работами по созданию РТА сканирующего типа занимается ряд отечественных  и зарубежных фирм, таких как, “Смит Хайманн” (ФРГ), “Курт Миттерфельнер” (ФРГ), “Рапискан” (Англия), “ПеркинЭлмер Инструментс” (США), “Меторекс” (Финляндия), “Гаррет” (США), “Гилардони” (Италия), СНПО “Элерон” (РФ), “МЕДРЕНТЕХ” (РФ) и др.

Для обследования багажа и крупногабаритных упаковок на потоке с перемещением контролируемых предметов с помощью  конвейера, наиболее широко применяются  сканирующие установки типа «HI-SCAN», «RAPISCAN», «LINESCAN», «FI-SCAN», «КОНТРОЛЬ» и др.

Создаваемая перечисленными фирмами  досмотровая рентгеновская техника  обладает схожими техническими характеристиками и отличается в основном внешним  оформлением, набором сервисных  услуг, разновидностями моделей, предназначенных  для досмотра объектов различных  габаритов и масс, а также их ценой.

2.2. Стандартные  технические характеристики РТА

Стандартные технические характеристики современных РТА следующие:

1. Рабочее напряжение рентгеновского генератора 140 кВ.
2. Ток рентгеновского генератора 0,4 – 0,9 мА.
3. Регистрация излучения осуществляется многоэлементным рентгеновским детектором, содержащим две группы полупроводниковых диодов, количество которых определяется размерами туннеля для пропуска багажа и необходимым разрешением изображения; обработка сигнала осуществляется компьютером по соответствующей программе,

что позволяет:

• производить разделение предметов в досматриваемом объекте при цветном изображении на экране телемонитора в цветах в зависимости от эффективного атомного номера Z_эфф. материала предметов;
• представлять в случае необходимости видимое на экране изображение в черно-белом или негативном виде для более детального рассмотрения предметов в досматриваемом объекте;
• производить увеличение в 2, 4 и более раз отдельных участков изображения в различных секторах экрана;
• вызывать для повторного просмотра изображения объектов, прошедших досмотр, и сохранять в базе данных до 1000 и более изображений для обеспечения возможности их повторного просмотра и анализа в случае необходимости;
• оптимизировать резкость и яркость изображения.