Методы и средства поисковых систем радиационной интроскопии

Метод радиационной интроскопии является наиболее универсальным инструментом, позволяющим решать широкий класс поисковых задач, таких как: контроль строительных конструкций, мебели и фурнитуры, предметов обихода, ручной клади, багажа, почтовых отправлений, продуктов питания; осуществлять инспекцию крупных контейнеров и транспортных средств от легковых автомобилей до железнодорожных вагонов; проводить негласный контроль людей с целью поиска оружия или других предметов, скрытых под одеждой; обеспечивать анализ произведений искусства и проводить судебно-медицинскую экспертизу.

Разработка поисковых устройств, реализующих метод радиационной интроскопии, сводится к созданию флуороскопических и сканирующих систем или устройств цифровой радиографии.

Необходимость и целесообразность разработки обоих типов аппаратурных средств определяется широким разнообразием поисковых задач, различными условиями их решения, экономическими и другими требованиями. Оптимальный компромисс между информативностью системы, уровнем лучевой нагрузки на объект контроля, стоимостью, комфортной эксплуатацией и другими параметрами, достигается при разработке портативных средств на основе флуороскопических систем, принцип цифровой радиографии предпочтительнее для стационарных систем. Однако следует отметить, что окончательный выбор принципа построения радиационных систем контроля определялся, исходя из цели и задач контроля, условий эксплуатации, требований по чувствительности, радиационной нагрузки и ряда других параметров.

Флуороскопические поисковые системы активного типа обеспечивают оптимальный компромисс между величиной радиационной нагрузки на объект контроля, чувствительностью, разрешающей способностью, контрастом, весогабаритными и эксплуатационными характеристиками. В качестве активных элементов, обеспечивающих достижения коэффициента конверсии флуороскопических систем до нескольких сотен кд· · мин, в зависимости от решения конкретной задачи могут использоваться: электронно-оптические усилители яркости изображения (ЭОПы), рентгеновские электронно-оптические преобразователи (РЭОПы), высокочувствительные телевизионные камеры (ТВ). Предельные уровни чувствительности, достигаемые флуороскопическими поисковыми системами на основе перечисленных устройств, приведены на рис. 3 в виде графиков обобщенных значений чувствительности при контроле объектов, эквивалентных по плотности А1. Для сравнения здесь же приведена характеристика пассивной флуороскопической системы РД-12 ПК, являющейся одной из первых радиационных поисковых систем, широко используемой в
период 70 - 80-х гг. XX в.

Создание активных флуороскопических поисковых систем на основе РЭОПов, а также применение усилителей яркости изображения на основе ЭОПов обеспечивает достижение высокой чувствительности, а также получение максимума информации о внутренней структуре объекта контроля при минимальном уровне радиационной нагрузки на него. Однако применение РЭОПов в поисковых системах ограничено в первую очередь их внушительными весогабаритными характеристиками и значительным энергопотреблением, в то время как ЭОПы лишены указанных недостатков и, имея высокое разрешение и удовлетворительную чувствительность, могут обеспечить наблюдение светотеневого изображения при уровнях освещенности 10"6... 10‘7 лк. Таким образом, применение ЭОПов в мобильных радиационных поисковых системах можно считать обоснованным, а с учетом накопленного опыта создания и практической эксплуатации - предпочтительным. Появление высокочувствительных малогабаритных приемопередающих телевизионных камер на основе ССД-матриц и небольших размеров видеоконтрольных устройств обеспечивает предпочтительное их использование, особенно в мобильных системах, где требуется документирование или трансляция получаемого изображения.

В качестве первого шага при проектировании флуороскопических поисковых систем осуществляется поиск оптимального флуоресцентного экрана, обеспечивающего высокую эффективность радиационно-оптического преобразования, малый уровень потерь света и высокое пространственное разрешение в выбранном диапазоне эффективной энергии первичного излучения Еэф. Эффективность флуоресцентных экранов в основном определяется толщиной рабочего слоя (нагрузка) и типом люминофора. Мерой эффективности служит конверсионный фактор GB, определяемый как отношение яркости люминесценции Вэ к мощности экспозиционной дозы Р:

GB =ВЭ/Р.

Яркость люминесценции является функцией светового потока от элементарного слоя экрана и может быть с учетом незначительных упрощений определена как

где No - первичный поток энергии рентгеновского излучения; µ и ζ- массовые коэффициенты ослабления люминофором рентгеновского излучения и света соответственно; g - нагрузка люминофора; r - коэффициент отражения люминесценции от подложки экрана.

Коэффициент k характеризует степень соответствия между спектром высвечивания люминесцентного экрана I(l) и спектральной чувствительностью приемника оптического излучения S(l), который в общем виде может быть представлен выражением

в этом случае Smax - максимальная чувствительность приемника излучения.

В табл. 3 приведены основные характеристики люминофоров, используемых при производстве флуоресцентных экранов.

В активных флуороскопических системах на основе ЭОПов, а также при использовании телевизионного канала в диапазоне эффективной энергии до 40 кэВ целесообразно использование экранов на основе люминофора ZnSCdS-Ag с нагрузкой 80... 100 мг· , обладающего некоторыми преимуществами экрана с люминофором Gd202S-Tb. В более высоком диапазоне первичного из лучения предпочтение целесообразно отдавать экранам на основе CsI(Tl) - люминофора как в виде монокри­сталла, так и в виде эпитаксиальной структуры.

При проектировании поисковых флуороскопиче­ских систем вполне достаточно ограничиться исследова­нием и применением двух указанных типов люминофо­ра, поскольку их спектр высвечивания максимально со­ответствует спектральной чувствительности мультищелочных фотокатодов ЭОПов второго, два + и третьего поколения, а коэффициент конверсии выше, чем для ря­да сульфидных и оксисульфидных, активированных тер­бием, люминофоров.

Окончательный выбор типа экрана и величины на­грузки люминофора осуществляется, исходя из требова­ний, предъявляемых к разрабатываемым системам, и зависит от требуемого разрешения, чувствительности, типа приемника или усилителя оптического излучения, а также ряда других факторов. На рис. 4 и в табл. 4 пред­ставлены параметры двух типов люминесцентных экра­нов.

Возможные варианты структурно-функциональных схем портативных и мобильных радиационных поиско­вых систем активного типа представлены на рис. 5.

Реализация базовой модели (рис. 5-1), включающей поворотное зеркало, входную и выходную оптику, ЭОП, обеспечивает построение поисковых систем портативно­го типа для работы в энергетическом диапазоне рентге­новского излучения при анодном напряжении рентге­новского аппарата до 120 кВ. Обеспечение безопасности при работе с аппаратурой достигается за счет поворотно­го зеркала и разнесения на достаточно значительное рас­стояние флуоресцентного экрана и окуляра. При этом предъявляются жесткие требования как ко входной оп­тике, которая должна обладать высоким разрешением и светосилой, так и к окуляру, который должен иметь короткий фокус и исключать наличие дисторсии при передаче изображения с дюймового экрана ЭОПа не менее чем с 2-кратным увеличением. В структурно­функциональных схемах, представленных на рис. 5-2 и 5-3, для трансформации изображения с люминесцентно­го экрана на фотокатод ЭОПа используется световоло­конная оптика и фоконная линза. Такое построение явля­ется оптимальным для флуороскопических систем с не­большими экранами, основное назначение которых - контроль труднодоступных мест таких, как фрагменты зданий, инженерных коммуникаций, мебели, узлов автомобилей и т.п. Кроме того весьма перспективным является создание на их основе автономных портативных поисковых систем, работающих с изотопными источниками в качестве первичного излучателя. Рекомендуемый рабочий энергетический диапазон таких флуороскопов лежит в пределах 20... 150 кВ анодного напряжения. Наблюдение радиационно-оптического изображения в представленных структурных схемах предусматривается как непосредственно с экрана ЭОПа, так и с помощью телевизионной приставки, значительно расширяющей функциональные возможности аппаратуры (рис. 5-5). Структурная схема, представленная на рис. 5-4, является по сути классической для рентгенотелевизионных флуороскопических систем и лежит в основе мобильных, быстро разворачиваемых поисковых систем, предназначенных для работы в полевых условиях, на временных контрольных пунктах и других не оборудованных стационарными системами местах. Рабочий энергетический диапазон таких систем может составлять 50... 200 кВ, а размеры экрана достигать внушительных величин.

Сканирующие поисковые системы радиационной интроскопии предназначаются в основном для контроля ручной клади, багажа, крупногабаритных грузов, контейнеров, транспортных средств и других объектов, включая человека.

Различные типы сканирующих систем, исходя из решаемой задачи, отличаются друг от друга размерами элементарной детектирующей ячейки и соответственно размерами блока детектирования, величиной энергии зондирующего излучения, а также особенностями конструкции, обусловленными способом формирования изображения.

Для применяемых в протяженных многоэлементных детекторах в качестве отдельных элементов:

•детекторов на основе Nal (Т1) с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ);

• пластмассовых сцинтилляторов с ФЭУ;

• сцинтилляционых кристаллов с кремниевыми фотодиодами;

• полупроводниковых детекторов (ППД);

• газонаполненных пропорциональных детекторов;

• главным требованием выдвигается условие максимальной эффективности.

Количество и геометрические размеры элементов, входящих в многоэлементную систему детектирования, определяют исходя из требуемого пространственного разрешения, величины конвертируемой энергии и габаритных размеров объекта контроля.

С достаточной степенью точности величина радиационного контраста для рентгеновских сканирующих систем в общем виде может быть представлена как:

где и - линейные коэффициенты ослабления рентгеновских квантов в объекте контроля и в материале включения.

Для уверенного обнаружения заданного контраста рентгенооптического изображения необходимо выполнение условия

где S - площадь элементарного детектора в многоэлементной системе; ζ - эффективность детектора; t - время накопления информации при формировании строки (столбца) изображения; No - плотность потока энергии в плоскости детекторов в отсутствии объекта контроля; a - коэффициент ослабления излучения объектом контроля; γ - пик-фактор шума, величина которого для практических расчетов выбирается в пределах 3... 5.

В случае γ = 3, ζ = 1 для сканирующих систем с многоэлементным детектором выражение для радиационного контроля принимает вид

а зависимость, определяющая связь между чувствительностью контроля и плотностью потока энергии зондирующего излучения определяется как:

где d = d / h - относительный размер неоднородности в объекте контроля.

Для формирования многоэлементной одномерной системы детектирования используются в основном три типа детекторов: комбинированная структура сцинтиллятор-фотодиод, где в качестве детектирующего элемента применяются ZnSe(Te) и CsI(Tl), диффузионно-дрейфовые ППД на основе Si(Li) и ППД на основе бинарного соединения CdTe. Основные характеристики материалов детекторов приведены в табл. 5, а в табл. 6 представлены параметры современных детекторов, применяемых для создания сканирующих систем радиационной интроскопии.

Полупроводниковые детекторы в многоэлементных системах детектирования работают в токовом режиме как твердотельные камеры. Обладая высокой эффективностью при небольших толщинах, CdTe-детекторы не требуют тщательного отбора, строгой ориентации и могут эффективно использоваться при построении многоэлементных систем. В отличие от них Si(Li) ППД имеют невысокую эффективность, при этом глубина компенсированной области не превышает 1 см, и для достижения удовлетворительных значений эффективности детектирующие элементы целесообразно располагать таким образом, чтобы компенсированные слои располагались вдоль оси излучения.

Из представленных в табл. 5 и 6 детекторов для сканирующих систем интроскопии наиболее широкое применение получили комбинированные изделия сцинтиллятор-фотодиод на основе ZnSe и Csl (Tl) для систем с зондирующей энергией до 200 кэВ. Для устройств с большей энергией зондирующего излучения предпочтительнее использовать детектирующие элементы на основе CWO.

Классический способ формирования радиационнооптических изображений в сканирующих системах основан на осуществлении развертки за счет движения объекта контроля.

В некоторых типах реализован способ формирования изображения за счет синхронного движения системы детектирования и источника излучения. Важным требованием в этом случае является необходимость фиксации объекта контроля на время формирования изображения.

В настоящее время сканирующие системы радиационной интроскопии являются основным инструментом обеспечения контроля широкого спектра объектов в аэропортах, крупных фирмах, банках, а также используются для обеспечения безопасности различных массовых мероприятий и т.п.

Дата добавления: 2015-09-06