Рентгенотелевизионные интроскопы и средства компьютерной томографии

Интроскопия (от латинского intro – внутри) – визуальное наблюдение предметов или процессов внутри оптически непрозрачных тел, в непрозрачных средах (веществах). Наблюдение осуществляется путем преобразования невидимого глазом изображения исследуемого объекта, полученного в фиксированном диапазоне электромагнитного излучения, в видимое изображение на экране специального устройства – интроскопа.

9.1. Развитие и современное состояние специальной рентгенотелевизионной интроскопии

В современных досмотровых комплексах, служащих для выявления взрывных устройств, взрывчатых веществ и других запрещённых предметов, наиболее распространены интроскопические установки, работающие в рентгеновском диапазоне длин электромагнитных волн. Рентгеновское излучение обладает целым рядом полезных свойств, использующихся в рентгенотелевизионной технике. Во-первых, оно проникает сквозь непрозрачные тела и предметы. Во вторых, оно поглощается веществами тем интенсивнее, чем больше их атомный (порядковый) номер в периодической системе Менделеева. В третьих, рентгеновское излучение вызывает свечение некоторых химических веществ и соединений. В четвертых, рентгеновские лучи обладают линейным характером распространения.

Рентгеновское излучение было впервые искусственно получено и исследовано в 1895 г. Уже в 1896 году рентгеновские лучи были использованы при создании специальной аппаратуры, предназначенной для контроля багажа и почтовых отправлений (рентгеновских флуороскопов). В течение почти 50 лет радиационно-оптическое преобразование проводилось только с помощью двух основных функциональных компонентов: флюоресцирующих экранов и фотоэмульсии.

Рис. 9.1. Скачок коэффициента поглощения рентгеновского излучения в веществе

При исследовании взаимодействия рентгеновских лучей с веществом регистрируется интенсивность прошедшего или дифрагированного излучения. Физические механизмы рассеяния рентгеновского излучения и возникновения вторичного характеристического излучения различны, но во всех случаях зависят от количества атомов вещества, взаимодействующих с рентгеновским излучением, т.е. от плотности вещества. Поэтому универсальной характеристикой поглощения является его массовый коэффициент – истинный коэффициент поглощения, отнесенный к плотности вещества. Коэффициент поглощения в одном и том же веществе падает с уменьшением длины волны рентгеновского излучения. Однако при некоторой длине волны происходит резкое увеличение (скачок) коэффициента поглощения, после чего продолжается его уменьшение (рис. 9.1). Коэффициент поглощения скачкообразно увеличивается в несколько раз (иногда на порядок) в зависимости от вида вещества. Возникновение скачка поглощения связано с тем, что при определенной длине волны возбуждается характеристическое рентгеновское излучение облучаемого вещества, что резко увеличивает потери энергии при прохождении излучения. В пределах каждого участка зависимости коэффициента поглощения от длины волны (до и после скачка поглощения) массовый коэффициент поглощения меняется пропорционально кубу длины волны рентгеновского излучения и атомного номера химического элемента (материала преграды).

При прохождении через вещество немонохроматического рентгеновского излучение, например, излучения со сплошным спектром, возникает спектр коэффициентов поглощения. Коротковолновое излучение поглощается слабее длинноволнового. По мере увеличения толщины преграды результирующий коэффициент поглощения приближается к величине, характерной для коротковолнового излучения. Если вещество состоит из нескольких химических элементов, суммарный коэффициент поглощения зависит от атомного номера каждого элемента и количества этого элемента в веществе.

При исследовании материалов с помощью рентгеновского излучения интерпретация его результатов усложняется из-за наличия нескольких длин волн. Для выделения отдельных длин волн применяют рентгеновские фильтры, изготовленные из веществ с различным коэффициентом поглощения для различных длин волн. Используется тот факт, что рост волны излучения сопровождается увеличением коэффициента поглощения. К примеру, для алюминия коэффициент поглощения рентгеновского излучения одной из серий от железного анода (длина волны – 1,932 Å) больше, чем для аналогичного излучения от молибденового анода (0,708 Å), и при толщине алюминиевого фильтра 0,1 мм ослабление излучения от железного анода в 10 раз больше, чем для излучения молибдена.

Наличие скачка поглощения на кривой зависимости соответствующего коэффициента от длины волны дает возможность получить селективно-поглощающие фильтры, если длина волны фильтрующего излучения лежит непосредственно за скачком поглощения. Этот эффект используется, чтобы отфильтровать бета-составляющую К-серии излучения, которая по интенсивности в 5 раз слабее альфа-составляющей. Если подобрать материал фильтра так, чтобы альфа- и бета-составляющие находились по разные стороны скачка поглощения, то интенсивность бета-составляющей уменьшается еще в несколько раз. Примером может служить задача о фильтрации бета-излучения меди, в которой длина волны альфа-излучения составляет 1,539 Å, а бета-излучения – 1,389 Å. В то же время скачок на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны соответствует 1,480 Å, т.е. находится между длинами волн альфа- и бета-излучений меди. В районе скачка поглощения одноименный коэффициент увеличивается в 8 раз, и интенсивность бета-излучения оказывается в десятки раз меньше интенсивности альфа-излучения.

Начало бурного развития рентгеновской техники, значительный импульс в расширении и углублении работ по разработке методов и созданию специальных поисковых средств радиационной интроскопии соответствуют второй половине 60-х годов. Они были в значительной степени обусловлены нарастанием количества террористических актов, связанных с вооруженным захватом и угоном самолетов, подготовкой и проведением серии взрывов в ряде европейских стран, резким увеличением контрабандной торговли оружием и наркотиками, а также усилением международной напряженности.

К этому времени были созданы и стали серийно выпускаться рентгеновские трубки на 200-250 кВ с током до 8 мА, а также первая трубка на 300 кВ с током на 6 мА. В это же время начинает активно расширяться сфера применения ранее разработанных радиационных электронно-оптических преобразователей (РЭОПов), а одним из основных инструментов неразрушающего контроля стал метод радиационной интроскопии.

Практически все устройства, реализующие метод радиационной интроскопии, объединяются в два типа: 1) флуороскопические системы; 2) сканирующие системы или устройства цифровой радиографии, которые, в свою очередь, делятся на портативные (мобильные) и стационарные.

Флуороскопические системы, предлагаемые в настоящее время, относятся к активному типу устройств, где в качестве активного элемента применяются электронно-оптические преобразователи или высокочувствительные телевизионные камеры.

Весьма перспективным путем улучшения характеристик радиационных систем контроля явилось создание нового поколения флуороскопических систем, в основе которых лежит использование видеопластин и фотоэлектролюминисцентных экранов, временно хранящих радиационное изображение, и считывание изображения с помощью гелий-неонового лазера путем последовательного сканирования. Мобильные флуоресцентные системы предназначены для контроля ручной клади, небольших упаковок, свертков мебели, фрагментов строительных конструкций. Размеры экрана таких систем могут достигать мм и даже более. Современные мобильные флуороскопы оснащаются мини-процессорами или портативными компьютерами, значительно улучшающими их технические характеристики и функциональные возможности.

Стационарные флуороскопические системы применяются для решения достаточно широкого спектра задач, среди которых:

- досмотр ручной клади, багажа, корреспонденции, почтовых отправлений;

- контроль технических средств на наличие внутренних средств съема информации.

Такие системы оснащены практически полной биологической защитой с учетом того, что диапазон энергии рентгеновского излучения лежит в пределах 20-160 кВ.

Со второй половины 60-х годов стали интенсивно разрабатываться и выпускаться специальные радиационные средства контроля, обеспечивающие безопасность полетов. Оборудование аэропортов радиационными интроскопами позволило резко снизить число диверсий, связанных с угоном самолетов и вооруженным нападением на экипажи.

Работы по созданию радиационных средств интроскопии были развернуты целым рядом зарубежных фирм, обладающих значительным научным потенциалом и передовыми технологиями. Метод цифровой радиографии стал доминирующим при создании систем радиационного контроля. В начале 70-х годов были созданы радиационные интроскопы на основе «бегущего», а затем «веерного» луча с преобразованием протяженными и многоэлементными детекторами. Целью создания таких устройств был контроль багажа и ручной клади. Дальнейшее усовершенствование и модернизация позволили применять эти системы для контроля человека, крупногабаритных грузов и транспортных средств. Основными зарубежными фирмами, стоявшими у истоков создания поисковых систем радиационного контроля, являются Heimann, Seifert, Philips, Bucky, AS&E, Balteau и ряд других.

В Советском Союзе к решению вопросов, связанных с созданием специальных поисковых средств радиационной интроскопии, приступили в 1965-1967 гг. В начале 70-х годов на заводах «Актюбрентген» и Запорожском опытном заводе дефектоскопии начался серийный выпуск установки РИ-10Т, а несколько позже – РИ-10Ф. При анодном напряжении 20-90 кВ и токе не более 5 мА такие установки позволяли контролировать объекты размером до мм с чувствительностью не хуже 4% и разрешением около трех линий на миллиметр.

Дальнейший выпуск радиационных систем контроля осуществлялся на опытном заводе «Контрольприбор» МНПО «СПЕКТР» (установки РИ-60ТЭ, РИ-60ТК), ПО «Волна» в Новгороде (установка «Интроскоп»), заводе «Актюбрентген» (РИ-60Ф, РИ-61РТМ). Рентгенотелевизионный интроскоп (РТИ) марки РИ-61РТМ позволял контролировать багаж и ручную кладь габаритами до см за время не более 10 с. Номинальное напряжение рентгеновского аппарата составляло 120 кВ, ток – не более 5 мА. С середины 70-х годов начали выпускаться современные рентгенотелевизионные интроскопы типа МТР-3И и МТР-4.

Потребность в модернизации отечественной рентгеновской досмотровой техники назрела в СССР к 1978 году, когда в рамках подготовки к Олимпиаде 1980 года было обнаружено, что аэропорты СССР, которые должны принимать гостей и участников Олимпиады, не оборудованы средствами защиты от террористических актов и вандализма.

Выполнение работ по созданию досмотровой техники было поручено предприятию, известному сейчас как ФГУП НПП «Дельта». За относительно короткий срок по техническому заданию Службы безопасности гражданской авиации была проведена конструктивная разработка и обеспечен промышленный выпуск отечественных РТИ «Луч-1», «Луч-1М», в которых формирование рентгеновского изображения содержимого досматриваемых объектов, установленных на транспортере, производилось с помощью синхронного вращения рентгеновских генераторов и приемников. Установка этих РТИ в олимпийских аэропортах СССР позволила без препятствий обеспечить прием, а затем и отправку зарубежных участников и гостей Олимпиады-80.

От РТИ типа «Луч» отечественная и зарубежная досмотровая техника перешла к формированию досматриваемого изображения с помощью принципа «бегающего луча». Рентгеновский генератор с широкой конусообразной диаграммой излучения, из которой с помощью щелевого коллиматора вырезается узкая вертикальная веерообразная диаграмма, в этом случае не вращается, а стоит на одном месте. Также неподвижен протяженный по вертикали рентгеновский детектор. Обзор досматриваемого объекта осуществляется с помощью движения по вертикали точечного рентгеновского луча, создаваемого при вращении металлического диска коллиматора со щелевыми прорезами по радиусу, при одновременном движении объекта на транспортере в горизонтальном положении.

Неподвижность рентгеновского генератора и приемника существенно улучшила технические характеристики РТИ (проникающую способность, разрешение).

РТИ вышеописанного типа («Надзор» и «Надзор-1») за счет использования точечного луча создавали низкую дозу рентгеновского излучения, обеспечивающего абсолютную безопасность для фото- и киноматериалов, магнитных лент и дисков, электронных элементов и медицинских препаратов, и позволили сделать открытой саму зону досмотра, что дало возможность оператору визуально контролировать досматриваемые предметы.

Дальнейшие технические разработки не только позволили повысить пропускную способность РТИ, но и существенно улучшили его обнаружительные характеристики путём внедрения многоэлементного полупроводникового детектора, позволившего отказаться от применения системы механического сканирования рентгеновского луча и перейти к электронному сканированию. Переход к электронному сканированию (РТИ «Надзор-2») увеличил скорость движения ленточного транспортера, а также сократил время досмотра и тем самым повысил пропускную способность интроскопа, повысил чувствительность и разрешающую способность системы, а также дал возможность перейти к компьютерным способам обработки сигнала.

В РТИ «Надзор-2» регистрация рентгеновского излучения, прошедшего через досматриваемый объект, осуществляется многоэлементным детектором, содержащим полупроводниковые диоды, поочередно регистрирующие узкий луч рентгеновского излучения, проходящий через досматриваемый объект. Количество диодов определяется размерами туннеля для пропуска багажа и необходимым разрешением изображения.

Дальнейшее развитие техники позволило создать многоэлементный полупроводниковый детектор, регистрирующий «мягкую» (низкоэнергетическую) составляющую часть рентгеновского спектра, проходящего через досматриваемый объект. Применение такого устройства в качестве второго детектора РТИ дало возможность создания цветного изображения внутреннего содержания досматриваемого объекта, позволяющего разделять по цвету материалы предметов, находящихся внутри объекта, в зависимости от эффективного атомного номера и тем самым определять вид материала. Такой (двухэнергетический) рентгеновский метод впервые был использован фирмой EG&G Astrophysics Research Corp. в серии установок с опцией E-Scan. Аналогичные опции присутствуют в системах фирм Heimann, Rapiscan и Schlumberger.

Таким образом, помимо контурного изображения предметов в досматриваемом объекте появилась возможность анализировать информацию о материале этих предметов, что существенно облегчило их распознавание и определение степени опасности. Расшифровка аналогового сигнала рентгеновского аппарата, его перевод в цифровую форму и визуализация представляют собой отдельную, сложную техническую задачу.

На основе принципа спектрального разделения регистрируемого узкого рентгеновского луча, прошедшего через досматриваемый объект, был создан отечественный РТИ «Надзор-2М». Материалы с низким, средним и высоким эффективным атомным номером отображаются на экране монитора этого РТИ оранжевым, зеленым и синим цветом с соответствующими промежуточными цветами. РТИ «Надзор-2М» позволяет досматривать объекты высотой и шириной до см при длине транспортера 3 м. Для досмотра более крупных объектов размерами до см создан РТИ «Надзор-3». РТИ «Надзор-4» имеет зону досмотра 60 см шириной и 40 см высотой.

Работами по созданию РТИ, помимо московского НПП «Дельта», занимается ряд отечественных и зарубежных фирм: Heimann (ФРГ), Kurt Mitterfellner GmbH (ФРГ), Rapiscan (Великобритания), EG&G Astrophysics Research Corp. (США), Metorex (Финляндия), Garrett Electronics (США), C.I.E.A (Италия), НИЦ «Охрана» (Россия), СНПО «Элерон» (Россия), «Гротек» (Россия). Для проверки объектов на наличие ВУ и оружия активно используются РТИ CTX-500 (США), «Рентген 120 90», «Рентген 120 90Z», «Норка-150» и «Шмель‑240ТВ» (Россия), «Колибри-50ЦФ» (Израиль). Стандартные технические характеристики современных РТИ следующие:

1. Рабочее напряжение рентгеновского генератора – 140 кВ.

2. Ток рентгеновского генератора – 0,4-0,9 мА.

3. Регистрация излучения многоэлементным рентгеновским детектором, содержащим две группы полупроводниковых диодов, количество которых определяется размерами туннеля для пропуска багажа и необходимым разрешением изображения. Программируемая обработка сигнала компьютером позволяет:

- производить разделение предметов в досматриваемом объекте при цветном изображении на экране телемонитора в цветах, в зависимости от эффективного атомного номера Z материала предметов;

- представлять, в случае необходимости, видимое на экране изображение в черно-белом или негативном виде, что позволяет более детально рассмотреть предметы внутри досматриваемого объекта;

- 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 изображений для обеспечения возможности их повторного просмотра и анализа в случае необходимости;

- оптимизировать резкость и яркость изображения.

4. Разрешающие характеристики интроскопа:

- диаметр обнаруживаемого медного провода – 0,1-0,15 мм;

- проникающая способность формируемого луча – до 20,0 мм стали;

- число уровней яркости – 256.

5. Скорость ленточного транспортера – 20 см/с.

6. Грузоподъемность ленточного транспортера определяется задачами конкретной модели и может достигать 400 кг и более.

7. Все РТИ не должны оказывать воздействия на фотопленку, находящуюся в проверяемом объекте, чувствительностью до 1600 ISO (33 DIN).

Среди основных технических характеристик стационарных РТИ, установленных на постах контроля людей и ручной клади, в 2002 году назывались:

- габаритные размеры просматриваемой ручной клади: мм;

- питание от сети переменного однофазного тока напряжением 220 В;

- потребляемая мощность – 1500 В·А.

Общие (и не всегда выполняемые) современные требования к РТИ, применяемым при контроле ручной клади и багажа авиапассажиров, формулируют следующим образом:

- минимально обнаруживаемая масса ВВ не должна превышать 300 г при вероятности правильного обнаружения более 95% и вероятности ложных тревог менее 5%;

- скорость контроля должна составлять не менее 600 единиц багажа в час;

- следует обеспечить контроль багажа пассажиров (принятие решения о присутствии или отсутствии ВВ) в автоматическом режиме (без участия оператора).

Дальнейшее совершенствование систем оборудования по проверке багажа пассажиров и других предметов в целях борьбы с терроризмом привело к созданию стереоскопической рентгеновской системы. С таким оборудованием можно без труда переключиться с плоскостного на стереоскопический обзор содержимого. Стереоскопические рентгеновские системы производятся фирмами Astrophysics Research Corporation в Калифорнии и Astrophysics Research Ltd. в Великобритании.

В арсенале средств радиационной интроскопии следует также выделить устройства динамической радиографии, основанные на использовании импульсного ионизирующего излучения. Создание в конце 40-х годов импульсных рентгеновских трубок, а в 60-е годы – портативных импульсных рентгеновских аппаратов обеспечило становление динамической радиографии как вполне самостоятельного вида неразрушающего контроля.

Применение импульсного рентгеновского излучения открыло новые возможности радиационного контроля и обеспечило, наряду с изучением баллистических и взрывных процессов, возможность анализа последовательных фаз быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных средах.

Дата добавления: 2015-08-18