Сканирующие, конвейерные рентгеновские аппараты.

Сканирующие (конвейерные) рентгеновские аппараты работают, в пассажирских залах при большом скоплении пассажиров находящихся в непосредственной близости от аппарата, не создавая им радиационной опасности.

С их помощью можно выявить самые различные типы тайников и сокрытых вложений в просвечиваемых объектах: двойное дно и двойные стенки в чемоданах, небольшие количества наркотических и взрывчатых веществ, пачку из нескольких десятков денежных купюр, отдельные предметы из драгоценных металлов и т.д. Эта техника значительно интенсифицирует работу рентгеноператоров однако предъявляет повышенные требования их квалификации. Поэтому с ее развитием стали появляться компьютерные системы подготовки и тренировки рентгеноператоров. В современных аппаратах, управляемых ПЭВМ, можно накапливать типичные изображения объектов, загружать базы данных с компакт-дисков или через локальную вычислительную сеть и т.д.

Сканирующие ДРТ представлены в таможенных органах аппаратами с использованием плоских веерообразных рентгеновских пучков и аппаратами с использованием узких «бегущих» пучков рентгеновских лучей.

В первых аппаратах плоский веерообразный пучок рентгеновских лучей (раствором в 60°) облучает объект, расположенный на движущейся конвейерной ленте. Регистрация изображения происходит с помощью детекторной линейки, расположенной по другую сторону конвейера. Линейка содержит до 1024 отдельных рентгеновских детекторов, обеспечивающих вертикальную развертку изображения. Горизонтальная развертка осуществляется за счет перемещения объекта конвейером. Изображение выводится на специальный монитор или монитор персонального компьютера. Скорость сканирования (движения конвейерной ленты) составляет до 24 см/с, а производительность аппаратов может достигать 800 объектов в час[1].

Во вторых аппаратах узкий «бегущий» рентгеновский пучок  форми-

 

руются в аппаратах специальным  устройством – модулятором. Он последовательно вертикально сканирует объект (например, сверху вниз), горизонтальное же сканирование производится так же, как и в предыдущем случае, за счет движения ленты конвейера. Особенность получения рентгеновских изображений заключается в том, что в каждый момент времени на объекте облучается только небольшой участок поверхности, который будет, затем представлен своей точкой на изображении  (наподобие  сканирования  электронным лучом экрана телевизионной трубки). При использовании узкого «бегущего» пучка рентгеновских лучей отсутствуют «мешающие» сигналы от соседних участков образца, которые не облучаются при просвечивании данного участка. Рентгеновская информация с соседних участков будет зафиксирована только тогда, когда до них «дойдет» сканирующий рентгеновский пучок.

Оба типа сканирующих аппаратов обладают высоким качеством получаемого рентгеновского теневого изображения за счет применения новой элементной базы рентгеновского оборудования и компьютерной обработки и анализа результатов. Цифровая обработка теневых картин позволяет не только «вытягивать» трудноразличаемые предметы и их детали, но и обеспечивает максимальную радиационную безопасность, потому что рентгеновское излучение включается только во время прохождения объектом линейки детекторов, а рентгеновский генератор работает при минимально возможной мощности поскольку слабый сигнал с рентгеновских детекторов усиливается электронным способом.

Основными конструктивными узлами сканирующей системы являются: рентгеновский излучатель (РИ), конвейерная лента или другой механизм для перемещения объекта контроля, инфракрасные датчики включения и выключения РИ, блок цифровой обработки сигналов на основе ЭВМ, детекторная линейка для регистрации прошедшего через объект излучения (см. рисунок 15.5).

 

Рис. 15.5. Принцип работы рентгеновской установки

сканирующего типа.

 

Основная функция детекторной линейки – преобразовать рентгеновские лучи в электрические сигналы. Устройство детекторной линейки представлено на рисунке 15.6. Отдельный детектор представляет собой сцинтилляционный кристалл, люминесцирующий под воздействием рентгеновских лучей.

 

Рис. 15.6. Устройство детекторной линейки.

Рентгеновский квант, падая на сцинтиллятор, взаимодействует с его атомами. При этом некоторое количество атомов вещества переходит в возбужденное состояние. Обратный переход атомов в нормальное состояние сопровождается испусканием квантов видимого света – люминесценцией. Люминесценция в сцинтилляторе происходит почти мгновенно (через 10^-9 – 10^-7 с) после возбуждения. В качестве сцинтилляторов обычно используются кристаллы NaI или КI с добавкой небольшого количества таллия (говорят: «активированные таллием»). Обычно их обозначают NaI(Tl) и KI(Тl) соответственно.

Фотодиод преобразует световой поток в импульс электрического тока. Каждая пара сцинтиллятор-фотоприемник «упакована» в специальный контейнер, из которых и набирается детекторная линейка.

В разных аппаратах может быть установлено различное количество детекторов. Все зависит от размера досмотрового тоннеля и заданной разрешающей способности аппарата (возможности различать мелкие детали в объекте). Например, в аппарате «НI-SСАN 5170» насчитывается 640 отдельных элементов-детекторов.

В рентгеновских сканирующих установках рентгеновский излучатель устанавливается на уровне плоскости конвейерной ленты.

Чтобы сделать рентгеновский аппарат более компактным по высоте, линейку детекторов выполняют из двух частей, соединенных между собой под прямым углом (о ее форме обычно говорят «L-образная» или «Г-образная»). Однако в них возникают дополнительные искажения, связанные с использованием горизонтальной части детекторной линейки.

Если использовать Г-образную линейку, то можно сократить высоту досмотрового туннеля до высоты просвечиваемого объекта.

Объект контроля движется мимо РИ. Генератор рентгеновского излучения включается, когда объект контроля пересекает линию первого датчика (датчика включения) (рисунок 15.7). При этом РИ с помощью коллиматора формирует узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей, по вертикали имеющий угол (обычно не более 60^о). Эти лучи пронизывают объект контроля и является носителями информации о его содержимом.

 

Рис. 15.7. Зависимость габаритов установки

от конструкции детекторной линейки.

 

Сканирующие аппараты в отличие от флюороскопов имеют «цветные» режимы представления изображения на экране монитора. Цвет помогает повысить контрастность изображения, а также выделить участки изображения, соответствующие различному химическому составу просвечиваемых предметов.

Один из цветных режимов получил название «псевдоцветного». Рентгеновское излучение «не имеет цвета» в том понимании как мы привыкли описывать цветом предметы, которые видим в обычной жизни. С помощью цвета человек воспринимает огромное количество информации. Прежде всего, это связано с особенностями зрения. Если в черно-белом варианте средний человек может различать обычно 22 ступени серого (от абсолютно черного до ярко-белого), то с помощью цветового зрения – до нескольких миллионов различных оттенков и яркостей основных цветов, а также смешанных цветов, составленных из них.

В рентгенотелевизионных аппаратах изображение хранится в виде числовых значений интенсивности, с которыми должна светиться та или иная точка экрана. Если изображение выводить просто в виде яркости точек экрана, т.е. в черно-белом варианте, то оператор увидит только те предметы, контрастность которых будет соответствовать разным ступеням серого цвета. Очевидно, что в изображении, хранящемся в памяти рентгеновского аппарата, ступеней яркости гораздо больше, чем 22, различаемых человеком.

Для того чтобы «обмануть» зрение и дать оператору возможность увидеть максимальное количество ступеней яркости, хранящихся в памяти рентгеновского аппарата, было предложено использовать псевдоцветные рентгеновские теневые изображения. В этом методе из черно-белого изображения формируют цветное, в котором небольшим участкам яркостного диапазона (размер которых не должен быть меньше погрешности измерения интенсивности) присваивают различные цвета. Причем соседние участки, входящие в одну и ту же ступень серого цвета, окрашиваются в хорошо различаемые контрастные цвета.

В современных рентгеновских системах для получения псевдоцветного изображения обычно используется один из встроенных наборов цветов (цветовых палитр) – тот, который наилучшим образом подходит для решения конкретной задачи контроля. К примеру, непросвечивающиеся объекты (минимальные значения яркости) можно окрасить в оттенки красного цвета для более легкого обнаружения таких подозрительных предметов, как элементы взрывных устройств, холодное и огнестрельное оружие и др.

Для отображения состава вещества контролируемых объектов используются следующие цвета:

– оранжевый – химические элементы с атомным номером менее 10 (взрывчатые вещества, лекарства, пластмасса, ткань, дерево, вода);

– зеленый – химические элементы с атомным номером от 10 до 17 (алюминий, кремний);

– светло-зеленый – смесь органического и неорганического вещества с преобладанием органического;

– синий – неорганические вещества с большим атомным весом (железо, медь, цинк, никель, сталь и др.). Чем больше плотность вещества, тем более темный синий цвет;

– коричнево-красный – очень высокая плотность (например, свинцовый лист или массивный металлический предмет).

В некоторых установках можно получать сразу два изображения для каждого просвечиваемого объекта. Причем существует два способа их получения.

В первом способе используется зависимость коэффициента поглощения рентгеновского излучения от атомного номера элемента. Вводится понятие эффективного атомного номера Z_эфф, который определяется как усредненное значение порядковых номеров, составляющих вещество элементов периодической таблицы Д.И.Менделеева:

где суммирование производится по всем i=1…N химическим элементам, входящим в вещество; m_i – массовые доли химических элементов, входящих в вещество; Z_i – их атомный номер.

Например, для воды (Н₂О) Z_эфф равен 7,2; для двуокиси кремния И₂О (SiO₂) – 11,8; для соляной кислоты (НСl) – 16,6; для героина (С₂₁H₂₃NO₅) – 6,2 и т.д. Для многих веществ эффективные атомные номера могут различаться слабо или практически совпадать. Однако при совместном анализе формы предмета, его внутреннего строения и размеров со значениями эффективного атомного номера появляется возможность существенно повысить распознаваемость предметов.

Для оценки эффективного атомного номера в сканирующих аппаратах применяют «сдвоенные» линейки детекторов, рабочие элементы в которых расположены точно друг за другом относительно направления падения на них рентгеновских лучей. Между детекторными линейками проложена медная пластина, играющая роль фильтра, «отсекающего» мягкую составляющую рентгеновского спектра. Поэтому детектор первой линейки фиксирует интенсивность рентгеновских лучей всех энергий, а детектор второй линейки только интенсивность жестких рентгеновских квантов, прошедших сквозь «тяжелые» предметы.

Во втором случае дополнительное изображение получается в результате облучения объекта контроля под другим «углом». Рентгеновское излучение проходит через объект контроля под разными углами и фиксируется двумя детекторными линейками, принимающими излучения с разных направлений. Возможность быстрого переключения от одного изображения к другому позволяет в аппаратах такого типа выявлять предметы, расположенные в объекте в трудно распознаваемой проекции. Оператор может наблюдать и анализировать одновременно две проекции инспектируемого объекта на одном мониторе (стереоскопический метод) или последовательно каждую из проекций на одном мониторе.

Пульт управления сканирующей установки позволяет увеличивать отдельные участки изображения, выделять цветом разные по плотности предметы, а «миганием» – особо плотные предметы, формировать негативное черно-белое изображение, изменять яркость изображения и т.п.

В аппаратах сканирующего типа применяются особые способы радиационной защиты: рентгеновский генератор защищается свинцовым кожухом; конструкция туннеля, выполняется из металлических листов толщиной 1,5−2,5 мм; детекторная линейка снабжается свинцовым экраном; арки туннеля закрываются резиновыми содержащими свинец лентами.

В установках сканирующего типа используются излучения, которые гарантируют сохранность даже фотопленки, находящейся в багаже пассажира, и относительно безопасны для оператора установки при случайном облучении. Так, в технических описаниях аппарата «НI-SCAN5170-А» указано, что доза на объект за инспекцию не превышает 2 мкЗв, а аппарата Инспектор 60/70Z – 0,9 мкЗв.

Установка «Инспектор 60/70Z» (рисунок 15.8) характеризуется следующими техническими характеристиками:

 

Рис. 15.8. Основные узлы установки «Инспектор 60/70Z».

 

– напряжение электропитания – 220 В (+10%; – 15%);

– частота переменного напряжения – 50±3 Гц;

– потребляемая мощность – около 1 кВ×А;

– напряжение на аноде рентгеновской трубки – 140 кВ;

– ток анода – 0,4 мА;

– проникающая способность по стали – 28 мм стали;

– цветное и черно-белое отображение результата просвечивания;

– разрешающая способность – медная проволока диаметром 0,09 мм;

– конвейер – скорость 0,17-0,24 м/с;

– максимальная распределенная нагрузка на конвейер – не более 150 кг;

– размер тоннеля: ширина – 640 мм, высота – 750 мм.

На рисунке 15.9. приведены сканирующие рентгеновские установки выпускаемые отечественной фирмой MEDPTHTEX.

Инспектор 60/40Z

Инспектор 60/70Z

                                  

Инспектор 65/75 ZX                                     Инспектор 55/65 ZX

                   

Инспектор 120/90Z                                Инспектор 150/165Z

Рис. 15.9. Сканирующие рентгеновские установки
отечественного производства (фирма Медрентех).

Технические характеристики досмотровых рентгеновских аппаратов, используемых таможенными органами Федеральной таможенной службы, приведены в таблице 15.1.

 

Таблица 15.1

Технические характеристики досмотровых рентгеновских аппаратов

 

Наименование параметра	Значение параметра для конкретного аппарата
	Инспектор 65/75 ZX	Инспектор 120/90Z	HI-SCAN 145180	HI-SCAN 85120	HI-SCAN 6040 i	Vivid VIS 108	Linescan 226	Rapiscan 632 XR
Анодное напряжение, кВ	-	–	160 (140)	140	140	75…150	320	150
Потребляемая мощность, кВт	1,0	1.2	1,0	0,9	0,8	–	–	–
Масса, кг	900	1150	–	–	–	1973	2268	2154
Размер тоннеля, – ширина, мм – высота, мм	670 770	1220 90	1450 1800	855 1215	620 418	2500 1000	2,438 2,286	1500 1650
Максимальная равномерная загрузка на конвейер, кг	150	250	1200	200	160	181	3635	3000
Разрешающая способность (по проволоке), мм	0,08	0,09	0,1	0,1	0,1	0,1	0,25	0,1
Проникающая способность по стали	32	33	25..30	25..27	27..30	30	51	30
Рентгеновская доза при досмотре, мкЗв	1	0,9	0,7	0,8..1,6	0,7..1,4	1,5	1,2	1
Направление пучка	–	56°	Д	Д	Д	верт. вверх	–	Г
Детекторная линейка	–	L	Г	Г	Г	–	L	–
Число уровней серого в памяти	10000	10000	4096	4096	4096	–	–	–