81

8. Досмотровая рентгеновская техника и средства контроля делящихся и радиоактивных материалов

Рентгеновские лучи, рентгеновская трубка, фотоэлектрическое поглощение, рассеивание, флюоресценция, характеристическое и тормозное излучения, эффективный атомный номер, классификация досмотровых рентгеновских установок, коллиматор, рентгеновские установки сканирующего типа, детекторная линейка, рентгеновские установки флюороскопического типа, инспекционно- досмотровые комплексы, радионуклиды, делящиеся материалы, излучение, дозиметр, детектор ионизирующего излучения, спектрометр, радиометр, эквивалентная доза, требования безопасности

8.1. Свойства рентгеновских лучей и устройство рентгеновской трубки

Досмотровая рентгеновская техника представляет собой комплекс рентгеновской аппаратуры, предназначенной для визуального дистанционного 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 года 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 10² ангстрем (1 А = 10^-10 м). По длине волны оно занимает диапазон между ультрафиолетовыми (УФ) и гамма- лучами (рис. 8.1). 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 (флюоресценцию) некоторых веществ (сернистый цинк, сернистый кадмий и др.);

• ионизируют газы;

• вызывают вторичное характеристическое излучение облучаемых объектов.

Микро-

Рентген волны

Космические лучи

Гамма- лучи УФ ИК Радио

Видимый свет

10^-12 10^-9 10^-6 10^-3 1 10³ 10⁶

Длина волны, м

Частота, Гц 10²⁴ 10²¹ 10¹⁸ 10¹⁵ 10¹² 10⁹ 10⁶ 10³ 1

Рис. 8.1. Частотное распределение волн

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 в металлических и иных конструкциях, 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. Он генерирует излучение только тогда, когда между анодом и катодом трубки подано высокое электрическое напряжение (десятки или сотни киловольт). В трубке 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. В таможенных органах идет планомерная модификация или замена приборов с естественными источниками на приборы с рентгеновской трубкой в качестве излучателя.

На рис. 8.2 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 (U_Н), второй – для подачи высокого напряжения между катодом (-U_В) и анодом (+U_В). 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 2500⁰С). 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.

Рис. 8.2. Основные элементы рентгеновской трубки

Под влиянием электрического поля электроны направляются от катода к аноду и бомбардируют анод, на поверхности которого происходит их резкое торможение. При этом кинетическая энергия частиц W_k=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^о) и имеет большой атомный вес. Чем выше атомный вес мишени, тем сильнее тормозятся электроны.

Интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна произведению ряда параметров: J = kIZU² ,

где k – 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. 8.3 приведены образцы некоторых трубок, применяемых в рентгеновских установках.

Рис. 8.3. Образцы рентгеновских трубок

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

_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. 8.4 иллюстрирует связь между длиной волны (λ), интенсивностью тормозного излучения (J_x) и величиной анодного напряжения (U₁> U₂ >U₃). По графикам видно, что при повышении напряжения анода волны с максимальной энергией λ_m смещаются в область более коротких длин и уменьшается _min (что, впрочем, следует из соответствующих формул).

Рис. 8.4. Интенсивность и спектр тормозного излучения в зависимости

от ускоряющего напряжения

Длина волны с максимальной энергией (интенсивностью) определяется по формуле λ_m = ³/₂∙λ_min. Если изменять анодный ток рентгеновской трубки (не меняя анодное напряжение), то спектр тормозного излучения и λ_m 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 его бомбардировке электронами.

Падающие на мишень электроны передают часть своей энергии электронам атомов ее вещества. 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 (фотон) характеристического излучения с энергией равной разности энергий на соответствующих уровнях. Частота характеристического рентгеновского излучения связана с атомным номером (Z) вещества анода. В 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.

Т аким образом, чтобы хорошо просматривать плотные предметы, надо повышать напряжение анода и ток рентгеновской трубки. Обычно в генераторах рентгеновских лучей на основе рентгеновской трубки (используемых в досмотровых аппаратах) напряжение анода можно регулировать в пределах 30300 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. 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. В пластине проделывается отверстие в соответствии с требуемой формой лучей. Так, если необходимо иметь плоский веерообразный поток излучения, то отверстие будет иметь форму 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 10⁶ эВ – это фотоэлектрическое поглощение и рассеяние.

Фотоэлектрическое поглощение происходит при взаимодействии рентгеновского излучения с атомами облучаемого 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 плотности материала, через которое оно проходит. Для объекта из однородного вещества интенсивность прошедших через объект рентгеновских лучей можно примерно оценить по формуле

I = I_oe^-x ,

где I_o – интенсивность падающих на объект рентгеновских лучей,  - линейный коэффициент ослабления в см^-1, х – толщина объекта. Значение  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  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.