Северо-западный  государственный заочный технический  университет 
 
 
 

 

Курсовая  работа

по дисциплине: «Методы и средства досмотрового рентгеновского контроля» 
 
 

Тема: Рентгеновское излучение. Рентгентелевизионная установка «AutoClear 5333». 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил студент: Ярошевич Алексей Анатольевич

Институт: ПиСОБ

Курс: 3

Специальность: 200101.20

Шифр: 6240113081 
 
 

Проверил: Морокина Галина Сергеевна 

Дата защиты: 

Оценка: 

Подпись преподавателя: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2008 г 

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Часть 1

Введение 
 

   Одной из главных проблем развития современного общества была и остается его безопасность:  борьба с преступностью, терроризмом  и экономическими правонарушениями, предупреждение и предотвращение техногенных и экологических катастроф. Эффективность решения этих проблем неразрывно связана с уровнем оснащенности соответствующих структур техническими средствами, важное место среди которых принадлежит информативным устройствам, основанным на методах интроскопии и неразрушающего контроля.

   Контроль  багажа и почтовых отправлений, контейнеров  и транспортных средств, продуктов  питания, сыпучих грузов, строительных конструкций, мебели и предметов  обихода, судебно-медицинская экспертиза и анализ подлинности произведений искусства, ценных бумаг, банкнот и документов — все это осуществляется в настоящее время с помощью технических средств интроскопии, включая различные по назначению и конструкции рентгеновские установки. Рентгеновские установки досмотра багажа и товаров обеспечивают решение задач поиска и выявления взрывчатых веществ и взрывных устройств, оружия и боеприпасов, пресечения попыток нелегального провоза запрещенных предметов, контрабанды и наркотиков.  

   В данной курсовой работе будет рассмотрен один из видов ионизирующего излучения – рентгеновское, механизм его получения (рентгеновская трубка) и дано физико–математическое описание X-ray лучей. Это  поможет нам более полно представить, как работают рентгенотелевизионные установки сканирующего типа.

   Отдельным блоком выделяется метод Лауэ, основанный на дифракции рентгеновского излучения, т.к. рентгеновская дифракционная  кристаллография дает очень важную информацию о твердых телах –  их атомной структуре и форме  кристаллов, а также о жидкостях, аморфных телах и больших молекулах необходимую при досмотровом контроле.

   Во  второй части   этой работы рассматривается  рентгенотелевизионная установка  для  контроля багажа (ручной клади, почтовой корреспонденции, электронных  приборов, видеокамер, одежды) сканирующего типа «AUTOCLEAR 5333».

   Завершает курсовой проект расчетная часть, которая состоит из шести заданий. 
 
 
 
 
 
 

   Рентгеновское излучение 

   В 1895 году немецкий физик В.Рентген  открыл новый, не известный ранее вид электромагнитного излучения, которое в честь его первооткрывателя было названо рентгеновским.

   Рентгеновским излучением называют — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10⁻¹⁴ до 10⁻⁸ м.

   Было  установлено, что это излучение обладает целым рядом удивительных свойств:

1. Невидимое для человеческого глаза рентгеновское излучение способно проникать сквозь непрозрачные тела и предметы.
2. Оно способно поглощаться веществами тем интенсивнее, чем больше их атомный (порядковый) номер в периодической системе Менделеева.
3. Рентгеновское излучение вызывает свечение некоторых химических веществ и соединений.
4. Рентгеновские лучи обладают линейным характером распространения.

   Эти свойства рентгеновских лучей и  используются для получения информации о внутреннем содержании и строении "просвечиваемых" ими объектов без их вскрытия.

Получение рентгеновского излучения

   Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны  соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя, которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на рис. 1.

   

 

   Рис. 1. ОБЫЧНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К\ia и К\ib возникают  вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки. 
 

   Широкий «континуум» называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные.

   Вещество  состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного  элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки.

     

        Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон.

   Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером  называется законом Мозли (рис. 3):

     

   где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки).

   

 

   Рис. 3. ДЛИНА ВОЛНЫ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО  РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии. 

   Если  электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии (рис 4), т.е. если один из электронов внутренней оболочки атома выбит электроном или квантом тормозного излучения, то атом переходит в возбужденное состояние. Освободившееся место в оболочке заполняется электронами внешних слоев с меньшей энергией связи. При этом атом переходит в нормальное состояние и испускает квант характеристического излучения. Частота характеристического рентгеновского излучения зависит от атомного номера (Z) вещества анода. В отличие от непрерывного спектра тормозного рентгеновского излучения длины волн характеристического рентгеновского излучения имеют вполне определённые для данного материала анода значения.

     
 
 
 
 
 
 

   Если  же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени.

   Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента.  

Рентгеновская трубка 

   Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.

   Источником  рентгеновских лучей является рентгеновская  трубка (рис. 5), в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ).

   

   Рис. 5. Схематическое изображение рентгеновской  трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — выпуск водяного охлаждения. 

   Когда электрон вылетает из катода, электрическое  поле заставляет его лететь по направлению  к аноду, при этом скорость его  непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода, электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение).

   Интенсивность его зависит от величины ускоряющего напряжения и атомного номера материала мишени анода. Чем выше атомный номер материала мишени, тем сильнее тормозятся в нём электроны. Интенсивность тормозного излучения характеризуется так называемой "лучевой отдачей" рентгеновской трубки, зависящей, главным образом, от величины питающего трубку напряжения и уровня предварительной фильтрации излучения.

   Оптические  свойства рентгеновской трубки определяются формой и размерами оптического  фокуса трубки, а также углом развертки пучка излучения. Кроме тормозного излучения при бомбардировке анода электронами возникает характеристическое рентгеновское излучение, вызванное, изменением энергетического состояния атомов.