7.3. Рентгеновские аппараты сканирующего типа

Рентгеновские аппараты сканирующего типа (или конвейерные аппараты) обладают наиболее высокой производительностью.

Как правило, эти аппараты работают там, где оформляются большие пассажирские и грузовые потоки: в аэропортах, автомобильных пунктах пропуска, на складах временного хранения и т.д. Кроме тамо­женных нужд, они могут использоваться в правительственных учреж­дениях, службах безопасности и др. Существует целая серия таких аппаратов с различными типоразмерами досмотровых тоннелей (от десятков сантиметров до 1-2 метров), предназначенных специально для контроля объектов различных габаритов и веса: от почтовых от­правлений и носимого багажа пассажиров до крупных ящиков.

В установках этого типа контролируемый объект устанавливается на ленту движущегося конвейера. С его помощью объект контроля перемещается через досмотровый тоннель, где «просвечивается» рен­тгеновскими лучами.

Рисунок 7.6 иллюстрирует принцип работы установок сканирующего типа.

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

Объект контроля движется вместе с конвейерной лентой 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 60 . Эти лучи пронизывают объект контроля.

Рентгеновские лучи, прошедшие сквозь объект контроля, попадают на детекторную линейку, состоящую из миниатюрных элементов-фотодиодов и электронных усилителей. Каждый элемент детекторной линейки преобразует поступающее на него рентгеновское излучение в электрический сигнал. Амплитуда сигнала на выходе отдельного де­тектора тем выше, чем выше интенсивность (чем меньше было погло­щение) рентгеновского излучения, прошедшего через соответствующий участок объекта и попавшего на соответствующий элемент-детектор. Через фиксированные короткие промежутки времени эти сигналы регистрируются блоком цифровой обработки информации.

Генератор РИ отключается при выходе объекта контроля из зоны второго светового датчика. После соответствующей обработки по электрическим сигналам, полученным с детекторной линейки, формируется изображение на мониторе компьютера.

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). Например, в аппарате «HI-SCAN 5170» на­считывается 640 отдельных элементов-детекторов.

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

В процессе движения объекта контроля с помощью детекторной линейки периодически регистрируется интенсивность прошедшего излучения в вертикальной плоскости, т.е. как бы делаются «снимки» множества вертикальных «разрезов» объекта. Каждый вертикальный «разрез» с помощью отдельных детекторных элементов представляется в виде вертикально упорядоченных участков (пикселей - по терминоло­гии, используемой в документации на обычные сканеры). Цифровой блок обработки преобразует напряжение на выходе каждого детектор­ного элемента в код, величина которого зависит от интенсивности по­павшего на детектор излучения.

После фиксации детекторной линейкой очередного «среза» на экране засвечивается вертикальная полоса пикселей, при этом яркость свечения определяется кодами, полученными для выходных напряжений соответствующих детекторных элементов. Изображение объекта получается в результате соединения на дисплее компьютера изобра­жений отдельных «разрезов» в одну цельную картинку. Именно поэто­му любой, кто наблюдал за формированием изображения на установ­ке конвейерного типа, мог заметить, что изображение содержимого объекта контроля появляется на дисплее не сразу, а по частям. Раз­вертка в горизонтальном направлении обеспечивается за счет пере­мещения объекта на транспортере по тоннелю. Число горизонтальных «разрезов» зависит от скорости движения и протяженности объекта контроля.

Наличие световых датчиков включения/выключения РИ позволяет обеспечить максимальную радиационную безопасность, так как рентгеновское излучение включается только на время прохождения объектом линейки детекторов. При этом человек может находиться в стороне от направления распространения рентгеновских лучей. Кроме того, в установках конвейерного типа используются частоты и интенсивности излучения, которые гарантирует сохранность даже фотопленки, находящейся в багаже пассажира, и относительно безопасны для опера­тора установки при случайном облучении. Так, в техническом описа­нии аппарата «HI-SCAN5170-A» указано, что доза на объект за инс­пекцию не превышает 0,002 мЗв, что гарантирует сохранность самой чувствительной фотопленки даже после нескольких процедур скани­рования.

В современных досмотровых установках наряду с монитором для вывода черно-белых изображений имеется монитор для формирования цветных изображений. Известно, что человек обычно способен различить на экране черно-белого монитора немногим более 20 гра­даций серого цвета (от ярко-белого до черного), а цветов - несколько тысяч. Поэтому применение цветных изображений повышает инфор­мативность изображений.

Так, в рентгеновской установке «FISCAN SMEX-6585R» для отображения состава вещества контролируемых объектов используются следующие цвета:

■ оранжевый - химические элементы с атомным номером менее 10 (взрывчатые и наркотические вещества, лекарства, пластмасса, ткань, дерево, вода);

• зеленый - химические элементы с атомным номером от 10 до 17 (алюминий, кремний);

■ светло-зеленый -смесь органического и неорганического веществ с преобладанием органического;

• синий - неорганические вещества с большим атомным весом (железо, медь, цинк, никель, сталь и др.). Чем больше плотность вещества, тем более темный синий цвет;

• коричнево-красный - очень высокая плотность (например, свинцовый лист или массивный металлический предмет).

В некоторых установках можно получать сразу два изображения для контролируемого объекта. Причем возможно два способа их получения.

В первом случае дополнительное изображение получается за счет применения сдвоенных линеек детекторов. При этом вторая линейка, расположенная непосредственно за первой, фиксирует сигнал, прошедший через дополнительную медную пластину обычно около одного миниметра толщиной.

Энергия излучения, прошедшего через объект контроля, зависит от так называемого эффективного атомного номера Z_эфф. Он характеризует средний атомный номер веществ, из которых состоит объект контроля:

где N - количество химических элементов, входящих в объект кон­троля; Z_i - атомный номер i-ro элемента; m_i - массовая доля i-гo эле­мента в объекте контроля.

Медная пластина поглощает рентгеновское излучение тем силь­нее, чем больше энергия падающих на нее лучей. Поэтому отношение выходных сигналов детекторов до и после медной пластины при ма­лом Z_эфф> будет больше, чем при большом Z_эфф. Таким образом, сравне­ние сигналов с двух детекторных линеек позволяет разделить объекты с разными Z_эфф. Именно наличие двух детекторных линеек позволяет в установке «FISCAN SMEX-6585R» после соответствующей компьютер­ной обработки показывать в разных цветах предметы разной плотнос­ти. Применение, в частности, данного способа фиксации прошедшего через объект излучения позволяет выделять предметы с малым Z_эфф, к которым относятся жидкости, взрывчатые и наркотические вещества. Так, для героина Z_эфф =6,2; для воды - Z_эфф =7,2.

Во втором случае дополнительное изображение получается в результате облучения объекта контроля под двумя разными «углами». Это обеспечивается применением двух источников рентгеновского излучения, расположенных на определенном расстоянии и под опреде­ленным углом друг к другу, либо специальной рентгеновской трубкой (двухракурсный метод). Проходящее через объект контроля рентгено­вское излучение фиксируется двумя детекторными линейками, прини­мающими излучения с разных направлений. Тогда оператор может на­блюдать и анализировать одновременно две проекции инспектируемо­го объекта на одном мониторе. Экспериментами подтверждено, что при двухракурсном варианте контроля узнаваемость предметов в контро­лируемых объектах примерно на 50-60 % выше, чем при одноканальном просвечивании.

Заметим, что источник рентгеновских лучей не создает строго параллельных лучей. Они расходятся от рентгеновской трубки под некоторым углом. Точка выхода лучей обычно находится на уровне осно­вания, на котором находится объект контроля или даже ниже. Чем даль­ше объект установлен от источника излучения, тем больше расхожде­ние лучей. Величина расхождения зависит также и от высоты просве­чиваемого участка объекта. В итоге ширина веерообразного пучка лу­чей, попадающего на детекторную линейку, достигает нескольких миллиметров, что существенно больше его ширины на выходе коллиматора. Все это приводит к тому, что нет прямого соответствия между мес­том расположения отдельного детектора детекторной линейки и высо­той расположения просвечиваемого участка, с которого поступили кван­ты излучения на детекторный элемент. Поэтому, если не делать специ­альной обработки зарегистрированных сигналов, будут искажены ли­нейные размеры изображения объекта. Программное обеспечение ус­тановок сканирующего типа ведет обработку результатов сканирова­ния и выводит изображение на экран с учетом искажений, которые воз­никают из-за непараллельности потока рентгеновского излучения.

В аппаратах сканирующего типа применяются особые способы радиационной защиты. Защита собственно рентгеновского генератора обеспечивается специальным свинцовым кожухом. Конструкция тоннеля, через который перемещается багаж, выполняется из металли­ческих листов толщиной в несколько миллиметров. Загрузочно-разгрузочные арки тоннеля закрываются резиновыми свинцово-содержащими лентами.

Рассмотрим конструкцию и параметры установок сканирующего типа на примере досмотровой рентгеновской установки «FISCAN SMEX-6585R».

Ее внешний вид показан на рис. 7.7. В конструкции установки мож­но выделить следующие основные узлы: транспортер (1), мониторы (2), генератор рентгеновского излучения и блок электроники (3), пульт уп­равления (4), переход со свинцовыми занавесками (5).

Конструкция установки «FISCAN SMEX-6585R» обеспечивает надёжную защиту операторов и специалистов по обслуживанию и ремон­ту от вредного излучения. Лимитная величина излучения: 0,75 мР/ч на удалении 10 см от внешней коробки системы.

Вход и выход в досмотровый тоннель закрываются специальными резиново-свинцовыми лентами для защиты от утечки рентгеновских лучей. Интенсивность излучения в любое время контролируется спе­циальной электрической цепью, независимой от другой части систе­мы. В случае неисправности цепи блокировки включить рентгеновский генератор невозможно.

Установка характеризуется следующими техническими характеристиками:

напряжение электропитания - 220 В (+10% - 12%),

частота переменного напряжения - 50 Гц,

потребляемая мощность - около 1 кВА,

напряжение на аноде рентгеновской трубки - 140 кВ,

ток анода - 0,4 мА,

проницаемость - 15 мм листовой стали,

контрастность изображения - не менее 20 серых уровней,

разрешающая способность - 0,1 мм,

возможность увеличения изображения любой из 9 зон экрана,

размер перехода: ширина - 510 мм, высота - 715 мм.