Глава 7

ДОСМОТРОВАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТЕХНИКА. СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ДЕЛЯЩИХСЯ И РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рентгеновские лучи, рентгеновская трубка, фотоэлектрическое поглощение, рассеивание, флуоресценция, характеристическое и тормозное излучения, эффективный атомный номер, рентгеновские установки сканирующего типа, рентгеновские установки флюороскопического типа, инспекционно - досмотровые комплексы, радионуклиды, делящиеся материалы, -излучение, β-излучение, ϒ-излучение, дозиметр, детектор ионизирующего излучения, спектрометр, радиометр, эквивалентная доза, требования безопасности

7.1. Свойства рентгеновских лучей и устройство рентгеновской трубки

Досмотровая рентгеновская техника представляет собой комплекс рентгеновской аппаратуры, предназначенной для визу­ального таможенного контроля содержимого ручной клади и багажа пас­сажиров, транспортных средств, международных почтовых отправле­ний и других предметов без их вскрытия с целью выявления предметов и веществ, запрещенных к ввозу (вывозу) или/и не указанных при дек­ларировании.

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». Впоследствии В.К. Рентген стал первым нобелевским лауреатом в области физики.

Рентгеновское излучение - квантовое электромагнитное излуче­ние, занимающее область в пределах длин волн примерно от 10^-2 до 10 ангстрем (1 А = 10^-10 м). По длине волны оно занимает диапазон между ультрафиолетовыми (УФ) и гамма-лучами (рис. 7.1). Рентгено­вское излучение, как и свет, может рассматриваться как поток квантов и как электромагнитные волны, распространяющихся со скоростью света.

В рентгеновской технике, используемой для досмотра багажа, обычно используется излучение с длиной волны 0,06-20 А.

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 (флуоресценцию) некоторых веществ (сернистый цинк, сернистый кадмий и др.);

• ионизируют газы;

- вызывают вторичное характеристическое излучение облучаемых объектов.

Вышеуказанные свойства рентгеновского излучения позволили создать массу полезных для человеческой деятельности приборов.

Так, доля энергии лучей (или количество квантов), поглощенной в веществе зависит от толщины поглощающего слоя, природы вещества и длины волны излучения. Разнородные предметы, состоящие из раз­личных веществ или имеющие различную толщину (например, книга или железный нож), будут поглощать разные доли энергии проходящих через них рентгеновских лучей. Поэтому если прошедшее через объект (например, чемодан пассажира) излучение подать на специальный регистрирующий экран, яркость свечения участков которого зависит от энергии попадающих на него рентгеновских лучей, то можно получить теневые картины, характеризующие внутреннее строение объекта. Данное свойство в таможенном деле используется для создания рентгеновской досмотровой техники, которая позволяет без вскрытия упа­ковок просматривать их содержимое на предмет наличия запрещен­ных для перемещения предметов.

Эффект ионизации газов используется в дозиметрических приборах, регистрирующих уровень радиации.

Эффект вторичного излучения под воздействием рентгеновских лучей используется в ряде приборов для определения химического состава облучаемого объекта.

Очень широко применяются рентгеновские лучи в медицине. Каждый из нас не один раз проходил медицинские обследования на рент­геновских аппаратах.

Однако чрезмерное облучение рентгеновскими лучами опасно для человека и вообще для биологических объектов. Поэтому просвечивание рентгеновскими лучами требует защиты, устанавливаемой со всех сторон по направлениям распространения 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, определения химического состава вещества и др. В таможенном деле используются, в основном, два типа источников для искусственного создания рентгеновского излучения: линейные ускорители электронов и рентгеновские трубки. Первые применяются в тех случаях, когда надо просвечивать толстые и плотные объекты. В частности, они находят применение в стационарных инспекционно-досмотровых комплексах. Однако наиболее применяемым искусственным источником рентгеновских лучей является генератор на основе рентгеновской трубки.

Она генерирует излучение только тогда, когда между ее анодом и катодом подано высокое электрическое напряжение (десятки или сотни киловольт). В ней энергия движущихся заряженных частиц электронов или протонов преобразуется в рентгеновские лучи при их торможении в мишени (аноде). При выключенном питании такие генераторы совер­шенно безопасны для обслуживающего персонала. Это является од­ной из причин их широкого применения в досмотровой технике, исполь­зуемой для досмотра багажа пассажиров.

На рис. 7.2 схематично представлены основные узлы рентгеновской трубки: стеклянная или керамическая колба, катодный узел с нитью накала, анод.

Для работы рентгеновской трубки требуется два источника питания: один для питания нити накала (Uh), второй -для подачи высокого напряжения между катодом (-Ub) и анодом (+11в). Для подвода питания в колбу впаиваются выводы из тугоплавкого металла. Из колбы отка­чан воздух.

Принцип работы рентгеновской трубки можно описать в следующем виде. На нить накала, обычно из вольфрамовой проволоки, пода­ется напряжение, и она разогревается до высокой температуры (при­мерно до 2500 С).

Нить накала является источником электронов. Ра­зогрев способствует повышенному выделению электронов с нити, ко­торые под влиянием приложенного между катодом и анодом высокого напряжения начинают с ускорением двигаться в сторону анода. Катод (катодный узел) имеет специальную конструкцию, в полость которой помещена нить накала. Одно из назначений этой конструкции - создать такую форму электрического поля, при которой обеспечивается необ­ходимая фокусировка электронного пучка от нити накала к аноду.

Направляющиеся от катода к аноду электроны бомбардируют анод (мишень), на поверхности которого происходит их резкое торможение. При этом кинетическая энергия частиц WK=mV²/2, где m - масса частицы, а V - ее скорость, преобразуется частично в рентгеновские лучи, а также в тепло.

Обычно анод делается из специальной меди, в которую вплавляется пластина из металла, о которую, собственно, и тормозятся элект­роны. Для рентгеновских трубок, используемых в досмотровых аппа­ратах, эта пластина (ее называют мишенью) делают из вольфрама. Он относится к наиболее тугоплавким металлам (температура плавления около 3400 С°) и имеет большой атомный вес. Чем выше атомный вес мишени, тем сильнее тормозятся электроны.

Интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна произведению ряда параметров:

J = К ▪ I • Z • U²,

где к - некоторый коэффициент пропорциональности, I - ток че­рез рентгеновскую трубку, Z - атомный номер мишени, U - напряжение между анодом и катодом. Чем больше интенсивность излучения, тем выше энергия лучей, прошедших через объект контроля.

Рентгеновская трубка имеет очень небольшой коэффициент полезного действия (несколько процентов), вследствие чего большая часть энергии электронов, ударяющихся об анод, превращается в тепло, поэтому рентгеновские трубки имеют конструкцию, позволяющую отводить тепло от анода. Медь выбирается в качестве тела анода, что­бы обеспечить хороший теплоотвод, так как она обладает высокой теп­лопроводностью. Чтобы повысить степень теплоотдачи анода на его медную часть укрепляют радиатор. Чем «мощнее» излучение, тем силь­нее нагревается анод. Для мощных рентгеновских трубок применяют масляное или воздушное принудительное охлаждение.

На рис. 7.3 приведены образцы некоторых трубок, применяемых в рентгеновских установках.

По механизму образования рентгеновское излучение делят на тормозное и характе­ристическое.

Тормозное рентгено­вское излучение образуется 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. При этом минимально возможная частота в ангст­ремах определяется формулой

ϒ_min = 12,4/U,

где U - напряжение между анодом и катодом, в кВ.

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. Рис. 7.4 иллюстри­рует связь между длиной волны (А), интенсивностью тормозного излу­чения (J_x) и величиной анодного напряжения (U₁> U₂ >U₃). По графикам видно, что при повышении напряжения анода волны с максимальной энергией Am смещаются в область более коротких длин и уменьшается I_min (что, впрочем, следует из соответствующих формул).

Длина волны с максимальной энергией (интенсивностью) определяется по формуле λ_m=³I₂ •λ_min. Если изменять анодный ток рентгеновской трубки (не меняя анодное напряжение), то спектр тормозного излучения и λ_т практически не будут меняться, но будет повышаться интенсивность излучения (J_x).

Кроме тормозного излучения при бомбардировке анода электронами возникает характеристическое рентгеновское излучение, выз­ванное изменением энергетического состояния атомов материала ми­шени при ее бомбардировке электронами.

Падающие на мишень электроны передают часть своей энергии электронам атомов вещества мишени. Электроны вращаются вокруг ядра атома на орбитах (оболочках), 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. Освободившееся место в обо­лочке заполняется электронами внешних слоев с меньшей энергией связи. При этом атом переходит в нормальное состояние и испускает квант характеристического излучения с энергией равной разности энер­гий на соответствующих уровнях. Частота характеристического рент­геновского излучения связана с атомным номером (Z) вещества анода. d отличие от непрерывного спектра тормозного рентгеновского излу­чения длины волн характеристического рентгеновского излучения име­ют значения, вполне определенные для данного материала мишени.

Интенсивность характеристического излучения также зависит от напряжения на аноде. При тех напряжениях, которые используются в рентгеновской досмотровой технике, его вклад в создаваемое труб­кой излучение незначителен.

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. Для повышения интенсивности излучения надо увеличить число электронов, перемещающихся между катодом и анодом (т.е. ток в трубке). При увеличении тока частотный спектр излучения не изме­няется, хотя увеличивается проникающая способность.

Таким образом, чтобы хорошо просматривать плотные предметы, надо повышать напряжение анода и ток рентгеновской трубки. Обычно в генераторах рентгеновских лучей на основе рентгеновской трубки напряжение анода можно регулировать в пределах 30÷150 кВ, а ток -в пределах 0,2-6 мА.

Создаваемое рентгеновской трубкой излучение концентрируется вдоль некоторого направления, которое зависит от формы анода. В досмотровых рентгеновских аппаратах анод обычно имеет срезан­ную под некоторым углом форму Для упрощения обслуживания и повышения безопасности рентгеновские трубки заключают в особые кон­струкции, называемые излучателями и моноблоками. Например, в ста­ционарном досмотровом аппарате «Короб» используется излучатель, а в приборе «ПРИМ-1РМ» - моноблок.

Излучатель представляет собой металлический кожух с прокладками из свинца, в который помещена рентгеновская трубка. Внутрь кожуха обычно заливается специальная жидкость, чтобы обеспечить дополнительные изоляцию и теплоотвод. Конструкция, называемая моноблок, содержит дополнительно трансформаторы для подачи на­пряжения на нить накаливания и анод-катод.

В зависимости от типа и конструкции рентгеновского аппарата излучение должно концентрироваться в определенном направлении и иметь определенную форму. Исходное направление лучей определяется конструкцией рентгеновской трубки. Обычно на трубке или корпу­се моноблока краской отмечают место выхода центрального луча. Да­лее лучи направляются на устройство, которое называют коллимато­ром или диафрагмой. Это устройство представляет собой пластину из хорошо поглощающего рентгеновское излучение материала, о пла­стине проделывается отверстие в соответствии с требуемой формой лучей. Так, если необходимо иметь плоский веерообразный поток из­лучения, то отверстие делают в форме щели.

При прохождении через исследуемое вещество (объект контроля) 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) не менее 10 эВ -это фотоэлектрическое поглощение и рассеяние. Физика явлений при этом совершенно адекватна физике образования рентгеновского излу­чения.

Фотоэлектрическое поглощение происходит при взаимодействии рентгеновского излучения с атомами вещества. Кванты излуче­ния (их называют фотонами), попадая на атомы, выбивают электроны с внутренних оболочек 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 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.

По сути, получившееся излучение относится к характеристическому. Это характеристическое излучение называют также флуоресцен­тным, подчеркивая то, что оно получено не в результате бомбардиров­ки электронами вещества объекта контроля, а в результате воздействия на него квантами (фотонами) рентгеновского излучения.

При прохождении через объект контроля возможно также упругое или неупругое рассеивание рентгеновских лучей. В несколько уп­рощенной форме эффект рассеивания можно пояснить таким 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, но ее недостаточно для схода электрона с орбиты. Однако атом избавляется от лишней энергии, излучая волны той же частоты, что и у воздействующего на него излучения. При этом направление излучения может быть иным.

Таким образом, в результате рассеяния и фотоэлектрического поглощения рентгеновского излучения в веществе часть энергии первичного излучения выходит из объекта 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 материала, через которое оно проходит. Для объекта из однородного вещества интенсивность прошедших через объект рент­геновских лучей можно примерно оценить по формуле

I = l₀- e^-µx,

где I_o - интенсивность падающих на объект рентгеновских лучей, µ. - линейный коэффициент ослабления в см", х - толщина объекта. Значение m фактически определяет степень ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении лучами одного сантиметра в объекте контроля.

В технической литературе принято также оценивать степень поглощения разными веществами по массовым коэффициентам ослаб­ления, которые характеризуют ослабление излучения единицей мас­сы вещества (значение такого коэффициента получают путем деления m на плотность вещества). Коэффициенты ослабления существенно зависят не только от атомного веса вещества, но и от энергии воздей­ствующего излучения.

Таким образом, прошедшее через предмет излучение зависит от его плотности, т.е. несет информацию о внутреннем строении предмета. Если фиксировать интенсивность прошедшего через объект излу­чения, то после соответствующей обработки можно получить оптичес­кое изображение внутреннего содержимого просвечиваемого объекта.