Принципы построения досмотровой рентгеновской техники

 

 

С оперативно-технической точки зрения досмотровая рент­геновская техника должна удовлетворять следующим основным требованиям:

- обеспечивать возможность однозначного обнаружения скрытых вложений в контролируемых объектах;

- обеспечивать радиационную безопасность обслуживающего персонала и окружения;

- не оказывать воздействия рентгеновского излучения на продукты питания, лекарственные препараты и фоточувствительные материалы, находящиеся в объектах контроля;

- обеспечивать достаточно высокую производительность контроля;

- обеспечивать удобство эксплуатации.

Анализ технических средств рентгеновского контроля, при­меняемых органами безопасности и таможенными службами ведущих капиталистических стран,  показывает,  что в настоящее время в практике их работы широко применяются рентгеноаппараты, осно­ванные на двух основных принципах получения и регистрации ре­нтгеновского изображения: флюороскопии и   сканирующего рент­геновского луча.

Рассмотрим принцип флюороскопического рентгеновского контроля. Он основан на свойствах рентгеновских лучей вызывать под их действием свечение (флюоресценцию) некоторых веществ. На Рис.2.3. представлена принципиальная схема флюороскопической установки непосредственного наблюдения (флюороскопа).

 

Схема флюороскопического метода рентгеновского контроля

Рисунок.2.3.

 

Рентгеновское излучение от источника проходит через кон­тролируемый (просвечиваемый) предмет, преобразуется на специ­альном флюоресцентном экране в световой рельеф, соответствую­щий рентгеновскому изображению объекта (т.н. "теневое изобра­жение"), через защитное стекло визуально воспринимается опе­ратором.

Кроме флюороскопов непосредственного наблюдения принци­пиально могут применяться и другие схемы построения рентге­новских установок, использующих флюороскопический метод контроля. На Рис.2.4 и 2.5 представлены классификация и схемы по­строения флюороскопических рентгеновских установок. В этой группе флюороскопических рентгеновских аппаратов различают, кроме установок непосредственного наблюдения (вариант"а"), следующие:

 

Классификация флюороскопических рентгеновских установок

 

Рисунок.2.4.

 

- флюороскопы с электронно-оптическими усилителями света (вариант "б"), обеспечивающими усиление яркости видимого изо­бражения;

- флюороскопы с электронно-оптическими усилителями света и телевизионными системами передачи рентгеновского изображе­ния (вариант "в");

- рентгенотелевизионные флюороскопы (вариант"г").

Флюороскопы с применением телевизионных устройств в свою очередь подразделяются на установки, работающие с источником излучения в непрерывном и в импульсном режимах. Импульсные установки используют кратковременные серии рентгеновских им­пульсов, достаточных для запоминания "теневого" изображения в телевизионном блоке памяти, наблюдение которого производится уже после воздействия излучения. Мировой опыт и технические возможности однозначно показывают, что наиболее приемлемым и находящим применение в таможенной практике является вариант построения флюороскопов по рентгенотелевизионному принципу с импульсным источником рентгеновского излучения и блоком памя­ти (Рис. 2.5 "г"), об особенностях и достоинствах которого будет сказано ниже.

а)    - флюороскоп

б)    - флюороскоп с усилителем света

в)    - флюороскоп с усилителем света и системой

г)    - рентгенотелевизионный флюороскоп

1     - источник рентгеновского излучения

2     - просвечиваемый объект

3     - рентгеновский экран

4     - оптические приборы переноса изображения

5     - электронно-оптический преобразователь

6     - блок формирования телевизионного сигнала изображения

7     - блок передачи телевизионного сигнала изображения

8     - видео-контрольное устройство (монитор)

9     - блок памяти

 

Принципиальные схемы флюороскопических досмотровых установок

 

Одним из самых важных параметров рентгеноаппаратов является их чувствительность, определяемая в мировой практике как размеры уверенного обнаружения на экране устройства визуализации специального тест-объекта в виде эталонной медной проволочки определённого диаметра. Чувствительность флюороскопов определяется в основном двумя параметрами - интенсив­ностью излучения и эффективностью его регистрации рентгенов­ским экраном - и зависит от толщины и плотности контролируе­мого объекта. Чтобы обеспечить высокую яркость свечения экра­на требуется достаточно высокая энергия рентгеновского источника, что не только оказывает существенное влияние на объект контроля, но и требует применения высокоэффективных средств защиты оператора и окружения от прямого и рассеянного рентгеновского излучения, а это в свою очередь влечёт за собой существенное увеличение весогабаритных параметров флюороскопов, практически выполнить которые применительно к таможенному контролю багажа и ручной клади не представляется возможным. Поэтому реально, флюороскопия вынуждена проводиться при срав­нительно низких яркостях свечения существующих ныне экранов, к сожалению требующих длительной адаптации зрения и примене­ния светозащитных тубусов или даже специальных кабин. Отказа­ться от светозащитных приспособлений позволяют рентгеноаппараты с электронно-оптическими усилителями (преобразователями) света (ЭОП). ЭОПы позволяют значительно уменьшить уровень лучевой нагрузки на контролируемый объект и снизить вес уст­ройств радиационной защиты рентгеноаппарата. Одним из недос­татков флюороскопов и флюороскопов с ЭОП является сравнитель­но незначительные размеры наблюдательных экранов (не более 0,6 - 0,7м).

В рентгенотелевизионных флюороскопах рентгеновское изоб­ражение контролируемого объекта преобразуется в видимое вход­ным рентгеновским экраном и проецируется с помощью светосиль­ной оптики на высокочувствительный фотокатод передающей теле­визионной трубки. В ней изображение преобразуется в видеосиг­нал, который после обработки в блоке формирования телевизион­ного сигнала снова преобразуется в видимое изображение на те­лемониторе.

Применение телевизионных систем во флюороскопах позволя­ет создать сравнительно комфортные условия работы оператора, поскольку ему не приходится тратить время и испытывать неу­добства, вызванные необходимостью адаптации зрения при исполь­зовании светозащитного тубуса или находиться в тёмной кабине в течение всего времени таможенного контроля.

Что касается применения во флюороскопах импульсных источников рентгеновского излучения в сочетании с блоками за­поминания изображения, то их преимущества очевидны. Во-первых, оператор и окружение не подвергаются сравнительно длительному облучению, т.к.для формирования теневого изображения на мони­торе аппарата достаточно длительности серии импульсов рентге­новского генератора в доли секунды. Во-вторых, оператор имеет возможность наблюдать изображение предмета столько времени, сколько нужно для идентификации содержимого объектов контро­ля, а также, используя электронные способы обработки, варьировать контрастность и масштабирование изображения и его отдельных элементов. Кроме этого, при импульсном режиме работы прак­тически не успевает разрушиться светочувствительный слой бы­товых фотокиноплёнок, которые могут находиться в контролиру­емом объекте, и тем самым не ущемляются права их владельцев.

Поясним принцип работы телевизионного блока памяти. При воздействии короткого рентгеновского импульса ТВ-камера вос­принимает моментальное теневое изображение с флюоресцентного экрана и передаёт электрический сигнал в блок памяти, выпол­ненный, например, на запоминающей электронно-лучевой трубке (ЗЭЛТ). Мишень ЗЭЛТ состоит из нескольких миллионов элемен­тарных ёмкостей. Эти ёмкости заряжаются пропорционально числу электронов в записываемом луче, который синхронно с лучом в передающей трубке образует на мишени ЗЭЛТ растр. Затем блок памяти автоматически переключается в режим считывания. На этом этапе электронный луч, "развёртывая" мишень и взаимодействуя с электрическим полем заряженных элементарных ёмкостей мишени ЗЭЛТ, отдаёт часть электронов, пропорционально зарядам этих ёмкостей, на сигнальную пластину. Усиленный сигнал поступает на видео - контрольное  устройство, и изображение, многократно считываемое с мишени ЗЭЛТ, представляется оператору для визуа­лизации. Именно применение ТВ-трубок с высокой чувствитель­ностью позволяет снизить уровень экспозиционной дозы до вели­чины безопасной для бытовых фотоплёнок, а также существенно снизить требования к радиационной защите и уменьшить вес ус­тановок.

Принцип работы рентгеноустановок, основанный на примене­нии метода сканирующего рентгеновского луча можно проде­монстрировать на схеме Рис.2.6. Неподвижный рентгеновский ге­нератор (Re) с помощью специального коллимирующего устройства формирует узкий (около 1° по толщине) веерообразный пучок рен­тгеновских лучей, по вертикали имеющий угол около 60°. Рентге­новские лучи, прошедшие сквозь объект контроля с помощью специ­альной детекторной линейки, преобразуются в электрические си­гналы, которые после соответствующей обработки в блоке обработ­ки информации, записываются устройством цифровой видеопамяти, а затем поступают на видеоконтрольное устройство монитор, трансформирующее их в видимое изображение на телевизионном экране.

На схеме показаны три основные функциональные системы рентгеновских аппаратов сканирующего типа: система управления, рентгеновская система и система получения изображения.

Мозгом системы управления является микропроцессорный программированный блок управления. Он получает управляющие си­гналы от соответствующих управляющих кнопок пульта управления оператора, от световых датчиков зоны включения и выключения рентгеновского излучения, регистратора скорости движения кон­вейера, а также подаёт команды на конвейерную ленту, рентгенов­ский генератор, монитор и модуль детекторной линейки. Он обес­печивает включение рентгеновского генератора только при дви­жущейся ленте транспортёра и только при наличии в контрольном туннеле объекта контроля.

 

Схема построения рентгенотелевизионного аппарата по методу сканирующего луча

Рисунок.2.6.

 

Рентгеновская система - содержит собственно рентгеновский генератор, коллиматорное устройство, блок управления режи­мом работы генератора и энергопитанием, а также световые инди­каторы включённого рентгеновского излучения.

Система получения изображения - состоит из непосред­ственно контура «Г-образной» детекторной линейки, куда попада­ет прошедшее через контролируемый объект рентгеновское излу­чение, и где оно превращается в видимый свет, благодаря специ­альным устройствам - сцинцилляторам. Сцинцилляция - это свойст­во определённых веществ светиться под действием ионизирующих излучений, к которым, как известно, и относится рентгеновское излучение. Возникновение сцинцилляций связано с тем, что при взаимодействии электронов, образованных ионизирующим излуче­нием, с веществом сцинциллятора его возбуждённые и ионизиро­ванные атомы возвращаются в нормальное состояние с испускани­ем микрочастиц видимого света. Световые вспышки воспринимаются фотодиодами, которые и преобразуются ими в электрические сиг­налы, усиливаются и поступают в процессор детекторной линейки. Детекторные сигналы путём опроса каждого детектора всей линейки детекторов считываются и последовательно измеряются, инте­грируются с помощью специальных устройств - аналоговых мульти­плексоров. При отсутствии рентгеновского излучения процессор детекторной линейки измеряет фоновые величины (шумы и помехи) всех каналов детекторной линейки, переводит их цифровую форму и фиксирует в блоке памяти. При включении рентгеновского излу­чения эти фоновые сигналы вычитаются из общего сигнала теневого изображения, создавая качественное, чёткое (без аппаратур­ных шумов) изображение контролируемого объекта на чёрно-белом мониторе. Система получения изображения позволяет оператору проводить анализ теневого изображения, используя возможности электронных схем обработки записанной в памяти "картинки", обеспечивающих изменение её контрастности, выделяя более плот­ные предметы или создавая негативное изображение объекта.

Особо следует обратить внимание на выполнение в рентгенотелевизионных аппаратах сканирующего типа - радиационной за­щиты. Она делается особо тщательно и предусматривает защиту собственно рентгеновского генератора специальным свинцовым кожухом; конструкция контрольного туннеля также выполняется из металлических листов толщиной 1,5 - 2,5мм; детекторная ли­нейка снабжается специальным свинцовым экраном; загрузочно-разгрузочные арки туннеля закрываются резиновыми свинцовосодержащими полосками (лентами), также экранирующими рассеянное рентгеновское излучение. Это, кроме обеспечения безопасности продуктов, фотоматериалов и лекарственных препаратов, позволяет добиться минимально возможных, полностью безопасных для чело­века доз рентгеновского излучения на поверхности аппарата.

Основными оперативно-техническими преимуществами рентгенотелевизионных аппаратов, использующих принцип "сканирующего луча" являются:

1.Отсутствие геометрических искажений теневого изображе­ния контролируемого объекта за счёт применения узконаправлен­ного рентгеновского луча рентгеногенератора и «Г-образного» расположения линейки детектора.

2.Обеспечение высокой контрастности и разрешающей способности теневого изображения контролируемого объекта за счёт высокостабильных энергетических и геометрических параметров сформированного рентгеновского луча и высокочувствительных преобразователей рентгеновского излучения малых размеров.

3.Возможность визуального телевизионного контроля доста­точно плотных материалов и обнаружения предметов находящихся за преградами из них.

4.Высокая производительность контроля за счёт применения конвейерной системы перемещения объекта контроля.

5.Возможность контроля предметов ручной клади и багажа практически неограниченной длины за счёт возможности фрагмен­тарного контроля отдельных участков объекта, располагающегося на конвейере.

6.Высокая радиационная безопасность операторов и окруже­ния за счёт применения специальных защитных устройств, обеспе­чивающих предельно низкие дозы рентгеновского излучения на поверхности аппарата.

7.Минимальная доза облучения инспектируемого объекта, обеспечивающая полную безопасность продуктов, фотоматериалов и лекарств.

8.Возможность углублённого анализа отдельных фрагментов теневого изображения за счёт применения специальных схем об­работки изображения и схем выбора и масштабирования участков изображения.

9.Оперативно приемлемые габариты и вес аппаратов.

10.Возможность оперативной работы на аппарате операторов не имеющих специального технического образования.

11.Удобство работы операторов за счёт рационального вы­полнения клавиатуры пульта управления аппарата и оптимального расположения ТВ-монитора.

12.Создание комфортных условий для лиц, ручная кладь и багаж которых подвергается контролю, за счёт применения в ап­парате низкорасположенного конвейера и рольганга.

Однако, применяемые таможенными службами аппараты скани­рующего типа, обладают определённым недостатком - позволяют на­блюдать и анализировать объекты за один цикл контроля только в одной плоскости, что в ряде случаев затрудняет распознавание и идентификацию предметов, что снижает вероятность обнаружения контрабандных вложений. Метод формирования нескольких проек­ций теневого рентгеновского изображения позволяет увеличить вероятность распознавания предметов за счёт увеличения коли­чества информации, поступающей к оператору. Этот метод позво­ляет оператору наблюдать одновременно или последовательно изображение нескольких проекций контролируемого объекта. Та­кая аппаратура, как правило, строится по двухканальной схеме, при которой оператор может наблюдать и анализировать одновременно две проекции инспектируемого объекта на одном мониторе (стереоскопический метод) или последовательно каждую из проекций на одном мониторе (двухракурсный метод).

Для получения стереоскопического эффекта используют два источника рентгеновского излучения, расположенные на оп­ределённом расстоянии и под определённым углом друг к другу, или специальную рентгеновскую трубку, имеющую два катода, две управляющих сетки и один общий анод, и одну систему визуально­го изображения. Электронное управление каждым из двух генера­торов или сетками одного генератора обеспечивает их попере­менное включение. Электронные пучки попадают на объект конт­роля под разными углами, при этом теневые изображения, фиксиру­емые передающей телевизионной системой, оказываются располо­женными под различными углами зрения.

Специальная система электронного управления, синхронизи­рованная с системой управления генераторами или сетками труб­ки, разделяют сигналы от передающей ТВ-трубки по двум каналам. На одном ТВ-приёмнике фиксируется изображение от одного гене­ратора или одной половины рентгеновской трубки, на другом -от второго или другой части трубки. При совместном наблюдении двух экранов мониторов ТВ-системы достигается стереоэффект. Однако работа оператора одновременно с двумя экранами вызы­вает его быструю утомляемость и в целом нужного оперативного эффекта не достигается. Возможно формирование изображений каждого канала на одном мониторе, но это требует попеременного формирования каждого из ракурсных каналов на мониторе и син­хронизированного восприятия оператором изображения с помощью специальных поляризационных стереоочков. На таком принципе (с двумя рентгеновскими генераторами) американская фирма "Астро­физике ресёч" создала модель рентгеновского стереоаппарата "Лайн-Скан-стерео"и продемонстрировала его работу на выстав­ке "Оборудование для таможни-87" в Москве. По заявлению пред­ставителей английской и американской таможенных служб эта ап­паратура не нашла своего оперативного применения из-за доста­точной сложности электроники, значительной стоимости и необхо­димости оператору практически постоянно работать в стереоочках, что весьма затруднительно.

Поэтому наиболее оптимальным вариантом получения значи­тельно большего объёма информации о содержимом инспектируемо­го объекта при незначительных усложнениях конструкции рентге-ноаппарата является двухракурсннй вариант получения тене­вого изображения за один цикл контроля, принцип образования которого представлен на Рис.2.7. Он построен на базе использования рентгеновской трубки с двумя разнесенными по высоте фокусными пятнами (точками выхода излучения), работающими в режиме последовательной коммутации и попеременной визуализации теневых изображений на одном мониторе, полученных от действия луча каждого ракурса и заложенных в блоке памяти аппарата.    Экспериментами подтверждено, что при двухракурсном варианте контроля узнаваемость предметов в кон­тролируемых объектах, идентификация их истинных образов и при­надлежности примерно на 50-60%  выше, чем при одноканальном одноракурсном просвечивании.

 

Двухракурсный метод получения теневого изображения контролируемого объекта

Рисунок. 2.7.