Рентгеновское излучение. Рентгентелевизионная установка «AutoClear 5333».

Физические  принципы работы рентгенотелевизионных установок сканирующего типа 

   При прохождении через исследуемое  вещество пучок рентгеновского излучения ослабляется вследствие взаимодействия его с электронами, атомами и ядрами вещества. Основные процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом при энергии квантов электромагнитного поля (фотонов)  менее 10⁶ эВ - это фотоэлектрическое поглощение и рассеяние. Физика явлений при этом совершенно адекватна физике образования рентгеновского излучения.

   Фотоэлектрическое поглощение рентгеновского излучения происходит при взаимодействии фотонов рентгеновского излучения с атомами вещества. Фотоны, попадая на атомы, выбивают электроны с внутренней оболочки атома. При этом первичный фотон полностью расходует свою энергию на преодоление энергии связи электрона в атоме и сообщает электрону кинетическую энергию. В результате энергетической перестройки атома, происходящей после вылета из атома фотоэлектрона, образуется характеристическое рентгеновское излучение, которое при взаимодействии с другими атомами может вызывать вторичный фотоэффект. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока энергия фотонов не станет меньше энергии связи электронов в атоме. Очень важно отметить, что процесс ослабления излучения при прохождении через вещество зависит не только от энергии фотонов и длины волны излучения, но и от атомного номера вещества, в котором происходит фотоэлектрическое поглощение.

   Прошедшее через предмет или вещество рентгеновское  излучение ослабляется в различной степени в зависимости от распределения плотности их материала. Таким образом, оно несёт информацию о внутреннем строении объекта, т.е. образует рентгеновское изображение просвечиваемого объекта, которое затем преобразуется в адекватное оптическое изображение воспринимаемое глазами оператора.

   Основными требованиями к преобразователям рентгеновского изображения являются: максимальная информативность рентгеновского изображения при минимально возможной поглощённой дозе излучения просвечиваемым объектом и оптимальное преобразование рентгеновского изображения в оптическое, обеспечивающее получение оператором максимума информации, содержащейся в теневом рентгеновском изображении.

   Качество  рентгеновского изображения в основном определяется: контрастностью, яркостью, не резкостью и разрешающей способностью. 
 

Особенности и устройство рентгенотелевизионных  установок сканирующего типа 

   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.

   

   Рис. 6. Схема построения рентгенотелевизионного аппарата по методу сканирующего луча.

   Рентгенотелевизионная установка содержит собственно рентгеновский  генератор, коллиматорное устройство, блок управления режимом работы генератора и энергопитанием, систему получения изображения, а также световые датчики включёния рентгеновского излучения.

   Система получения изображения - состоит  из  контура «Г-образной» детекторной  линейки, куда попадает прошедшее через контролируемый объект рентгеновское излучение, и где оно превращается в видимый свет, благодаря специальным устройствам - сцинтилляторам. Сцинтилляция - это свойство определённых веществ излучать свет под действием ионизирующих излучений, к которым, как известно, и относится рентгеновское излучение. Возникновение сцинтилляций связано с тем, что при взаимодействии электронов, образованных ионизирующим излучением, с веществом сцинтиллятора его возбуждённые,  ионизированные атомы возвращаются в нормальное состояние с испусканием видимого света. Световые вспышки воспринимаются фотодиодами, которые  преобразуются ими в электрические сигналы, усиливаются и поступают в процессор детекторной линейки. При отсутствии рентгеновского излучения процессор детекторной линейки измеряет фоновые величины (шумы и помехи) всех каналов детекторной линейки, переводит их в 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 или цветном 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.

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

   1.Отсутствие  геометрических искажений теневого  изображения контролируемого объекта за счёт применения узконаправленного рентгеновского луча генератора 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.

   4.Высокая  производительность за счёт применения  конвейерной системы перемещения  объектов 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  работы на аппарате операторов, не имеющих специального технического образования.

   11.Удобство  работы операторов за счёт  эргономики современных установок.

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

   Метод Лауэ

   Отдельно  рассмотрим 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.

   В этом методе  применяется непрерывный «белый» спектр рентгеновского излучения (это спектр значительно меньшей интенсивности чем характеристический, обусловленный торможением в аноде падающих электронов), которое направляется на неподвижный монокристалл, при этом каждая атомная плоскость, характеризующаяся своим специфическим расстоянием между атомными плоскостями (при постоянном угле падения рентгеновского излучения), отражает лучи определенной длины волны.

   Дифракция рентгеновского излучения – это  коллективное явление рассеяния, при  котором роль отверстий и центров  рассеяния играют периодически расположенные  атомы кристаллической структуры. Взаимное усиление их изображений при  определенных углах дает дифракционную картину, аналогичную той, которая возникла бы при дифракции света на трехмерной дифракционной решетке.

   Выберем в кристаллической структуре  линейную цепочку атомов, расположенных  на одинаковом расстоянии друг от друга, и рассмотрим их дифракционную картину. Допустим, мы отфильтровали непрерывный спектр и получили почти монохроматический пучок рентгеновского излучения, направленный на нашу линейную цепочку атомов. Условие усиления (усиливающей интерференции) выполняется, если разность хода волн, рассеянных соседними атомами, кратна длины волны. Если пучок падает под углом a₀ к линии атомов, разделенных интервалами a (период), то для угла дифракции a разность хода, соответствующая усилению, запишется в виде

   a(cos a – cos a₀) = hl,

   где l – длина волны, а h – целое число (рис. 7 и 8).

   

   Рис. 7. УСИЛЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА происходит, когда разность хода волн, рассеянных соседними атомами, равна целому кратному длины волны. Здесь a₀– угол падения, a – угол дифракции, a – расстояние между атомами. 

 

   Рис. 8. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЛАУЭ при каждом значении h можно представить в виде семейства конусов, общая ось которых направлена по кристаллографической оси (для двух других осей можно нарисовать сходные картины). На уравнениях Лауэ основан эффективный метод исследования кристаллических структур. 

   Чтобы распространить этот подход на трехмерный кристалл, необходимо лишь выбрать  ряды атомов по двум другим направлениям в кристалле и решить совместно полученные таким образом три уравнения для трех кристаллических осей с периодами a, b и c. Два других уравнения имеют вид :

   

   Это – три фундаментальных уравнения  Лауэ для дифракции рентгеновского излучения, причем числа h, k и c – индексы  Миллера для плоскости дифракции.

   Рассматривая  любое из уравнений Лауэ, например первое, можно заметить, что, поскольку a, a₀, l – константы, а h = 0, 1, 2, ..., его решение можно представить в виде набора конусов с общей осью a (рис. 8). То же самое верно для направлений b и c.

   В общем случае трехмерного рассеяния (дифракция) три уравнения Лауэ должны иметь общее решение, т.е. три дифракционных конуса, расположенных на каждой из осей, должны пересекаться; общая линия пересечения показана на рис. 8. Совместное решение уравнений приводит к закону Брэгга – Вульфа:  

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 6. ОБЩЕЕ  РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЛАУЭ соответствует  пересечению трех конусов с осями a, b, c, имеющих общую прямую R. 

l = 2(d/n)sinq,

   где d – расстояние между плоскостями  с индексами h, k и c (период), n = 1, 2, ... – целые числа (порядок дифракции), а q – угол, образуемый падающим пучком (а также и дифрагирующим) с плоскостью кристалла, в которой происходит дифракция.

 Рентгенограмма, снятая по методу Лауэ, называется лауэграммой. При съемке лауэграммы пучок рентгеновского излучения падает на кристалл, и дифрагированное излучение дает на пленке, перпендикулярной первичному пучку, систему пятен, соответствующих отражениям лучей с различной длиной волны от различных плоскостей. Расположение пятен зависит от кристаллической структуры кристалла и его ориентировки по отношению к первичному пучку лучей.

   На  рис.9 приводится пример лауэграммы. Рентгеновская пленка располагалась со стороны кристалла, противоположной той, на которую падал рентгеновский пучок из источника.

   

   Рис. 9. ЛАУЭГРАММА. Через неподвижный кристалл пропускается рентгеновское излучение широкого спектрального диапазона. Дифракционным пучкам соответствуют пятна на лауэграмме.