Досмотровая рентгеновская техника таможенных органов
План:
Природа рентгеновского излучения
Получение рентгеновских лучей. Рентгеновская трубка
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Поглощение рентгеновских лучей. Образование теневых картин
Досмотровая рентгеновская техника
Классификация досмотровой рентгеновской техники
Рентгеновские аппараты сканирующего типа
Инспекционно-досмотровые комплексы
1. Природа рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение – это квантовое электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым лучами в пределах длин волн1 примерно от 10-2 до 102 ангстрем2. Энергия отдельного рентгеновского кванта может составлять значение от долей одного килоэлектронвольта (кэВ) до мегаэлектронвольт (МэВ)3.
Рис.1. Положение рентгеновского излучения на шкале электромагнитных волн
Рентгеновские лучи с длинами волн, близкими к ультрафиолетовым лучам, называют «граничными». Центральную часть рентгеновского диапазона (примерно от 0,1 до 10 Å) занимает «мягкое» рентгеновское излучение. Ближе к границе с гамма-лучами располагаются «жесткие» рентгеновские лучи.
Как известно, электромагнитные волны проявляют себя в экспериментах в одном из двух взаимодополняющих видах: волновом и корпускулярном. Иногда, рассматривая электромагнитное излучение, выгодно характеризовать его длиной волны, а иногда следует представлять себе пучок лучей как совокупность частиц (корпускул, квантов), распространяющихся со скоростью света, причем каждый квант обладает энергией:
где h – постоянная Планка, равная 6,6210-34 Джс.
Частота рентгеновского кванта примерно в 1000 раз превышает частоту кванта видимого света.
Свойства рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение обладают рядом свойств:
– невидимо человеческим глазом;
– способно проникать сквозь непрозрачные для видимого света вещества;
– поглощается в веществе, причем степень поглощения увеличивается с ростом атомного номера просвечиваемого вещества и его толщины.
– распространяется прямолинейно
– вызывает флюоресценцию некоторых веществ (таких как сернистый цинк, сернистый кадмий и др.), а также вызывают почернение фотопленки.
Эти свойства дают возможность построения проекционного аппарата для изучения внутреннего строения объектов в рентгеновских лучах.
Кроме перечисленных основных свойств можно указать еще следующие:
– рентгеновское излучение ионизирует4 газы (на этом эффекте работают дозиметрические приборы);
– вызывает вторичное характеристическое рентгеновское излучение у облучаемых предметов (что определяет возможность его использования для определения химического состава вещества, из которого сделан предмет);
– оказывает воздействие на биологические объекты.
2. Получение рентгеновских лучей. Рентгеновская трубка
Для получения рентгеновских лучей используют рентгеновские трубки.
Рентгеновская трубка состоит из стеклянной или керамической вакуумной оболочки, катодного и анодного узлов.
Рис. 2. Схема рентгеновской трубки
Для работы рентгеновской трубки требуется два источника питания: один для питания нити накала (UН), второй – для подачи высокого напряжения между катодом (–UВ) и анодом (+UВ). 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.
Под влиянием электрического поля электроны направляются от катода к аноду и бомбардируют анод, на поверхности которого происходит их резкое торможение.
Вакуум обеспечивает электронам возможность пролететь расстояние от катода до анода с ускорением (известно, что при наличии газа электроны сильно тормозятся его молекулами и поглощаются уже на расстоянии нескольких миллиметров).
Обычно анод делается из меди, в которую вплавляется пластина из вольфрама, о которую и тормозятся электроны. Он относится к наиболее тугоплавким металлам (температура плавления около 3400°С) и имеет большой атомный вес. Чем выше атомный вес мишени, тем эффективнее тормозятся электроны.
Энергия электронов превращается в тепло, нагревающее мишень, и в рентгеновские лучи. Тепловая энергия не используется и приводит к необходимости применять принудительное охлаждение рентгеновской трубки.
Экспериментально установлено, что интенсивность J рентгеновского излучения пропорциональна электрическому току /, протекающему через рентгеновскую трубку, атомному номеру материала мишени Z и квадрату ускоряющего напряжения U.
КПД рентгеновской трубки растет с увеличением напряжения между катодом и анодом, а также с увеличением атомного номера материала анода.
Таблица 1.
КПД рентгеновской трубки (материал мишени – вольфрам)
Ускоряющее напряжение, кВ |
КПД, % |
43 |
0,46 |
100 |
1,11 |
159 |
1,64 |
200 |
2,2 |
1000 |
9,0 |
Для мощных рентгеновских трубок применяют масляное или воздушное принудительное охлаждение.
Кроме рентгеновских трубок, другими источниками рентгеновского излучения, которые используются в технике, являются радиоактивные изотопы и линейные ускорители электронов. Они, как правило, дают более жесткое рентгеновское излучение, чем рентгеновские трубки.
Образующееся рентгеновское излучение может быть двух видов:
характеристическое излучение, несущее информацию об элементном составе вещества;
тормозное, с непрерывным спектром.