Применение инспекционно-досмотровых комплексов при таможенном контроле. Учебник

Образование пар становится значимым при энергиях фотонов выше 1,022 МэВ, что соответствует энергии, необходимой для создания электрон-позитронной пары. Этот процесс происходит вблизи ядра атома и характерен для жёсткого рентгеновского излучения, используемого в мощных системах, таких как линейные ускорители. Вероятность образования пар пропорциональна Z2, что делает его важным для материалов с высоким атомным номером.

Интенсивность рентгеновского излучения, проходящего через материал, описывается законом Бугера-Ламберта.

Рентгеновские методы неразрушающего контроля можно разделить на два основных типа: просвечивающие (transmission) и бэкскаттерные (backscatter). Каждый из них основан на различных физических принципах и имеет свои области применения.

Просвечивающие методы основаны на регистрации рентгеновского излучения, прошедшего через объект. В этом случае источник излучения и детектор располагаются по разные стороны объекта, а интенсивность прошедшего излучения зависит от поглощения и рассеяния в материале. Детекторы формируют теневое изображение, где области с высокой плотностью или высоким атомным номером выглядят темнее из-за большего поглощения. Для повышения информативности изображения могут использоваться две проекции – горизонтальная и вертикальная, как, например, в комплексе «Полискан-3». Энергия излучения в таких системах обычно составляет от 100 кэВ до 10 МэВ, что позволяет исследовать объекты толщиной до 350 мм стали. Основное преимущество просвечивающих методов – высокая проникающая способность, что делает их незаменимыми для контроля крупных объектов, таких как морские контейнеры или авиационные компоненты.

Бэкскаттерные методы используют регистрацию рентгеновских фотонов, рассеянных обратно от объекта. В отличие от просвечивающих систем, источник и детектор находятся с одной стороны объекта. Комптоновское рассеяние играет ключевую роль в этом методе, так как рассеянные фотоны несут информацию о поверхностных слоях материала. Бэкскаттерные системы эффективны для обнаружения органических веществ, таких как взрывчатка или наркотики, поскольку эти материалы имеют низкий атомный номер и высокую вероятность комптоновского взаимодействия. Энергия излучения в таких системах обычно ниже, чем в просвечивающих, и составляет от 50 до 250 кэВ. Основное ограничение бэкскаттерных методов – низкая проникающая способность, что делает их менее подходящими для толстых или плотных объектов.

Компьютерная томография представляет собой усовершенствованный метод просвечивания, который позволяет создавать трёхмерные изображения объекта. В этом методе объект облучается рентгеновским излучением с разных углов, а детекторы регистрируют интенсивность прошедшего излучения. На основе этих данных с помощью математических алгоритмов, таких как преобразование Радона, реконструируется трёхмерная структура объекта. Компьютерная томография требует высокой вычислительной мощности и сложных систем детектирования, но обеспечивает высокую детализацию, что делает её идеальной для анализа сложных компонентов, таких как турбинные лопатки или микроэлектронные устройства.

Детекторы в рентгеновских ИДК предназначены для регистрации фотонов рентгеновского излучения, энергия которых варьируется от десятков килоэлектронвольт (кэВ) для мягкого рентгена до нескольких мегаэлектронвольт (МэВ) для жёсткого рентгена. Основной задачей детектора является преобразование энергии рентгеновских фотонов в электрический сигнал, который затем обрабатывается для создания изображения или анализа спектральных данных. Физические процессы, лежащие в основе работы детекторов, включают фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар, которые определяют взаимодействие рентгеновских фотонов с материалом детектора.

Фотоэлектрический эффект доминирует при низких энергиях (до 100 кэВ), когда фотон полностью передаёт свою энергию электрону в атоме материала детектора, вызывая его выброс. Комптоновское рассеяние преобладает при энергиях 100 кэВ-1 МэВ, при котором фотон частично передаёт энергию электрону, изменяя направление движения. Образование пар становится значимым при энергиях выше 1,022 МэВ, когда фотон преобразуется в электрон и позитрон вблизи ядра атома. Эффективность детектора определяется его способностью поглощать рентгеновское излучение и преобразовывать его энергию в регистрируемый сигнал с минимальными потерями.

Детекторы в ИДК обычно формируют линейки или матрицы, обеспечивающие пространственное разрешение и позволяющие создавать двух- или трёхмерные изображения объектов. Линейки детекторов, состоящие из сотен или тысяч отдельных элементов, применяются в системах просвечивания, таких как «Полискан-3», для формирования теневых изображений, тогда как матричные детекторы используются в системах компьютерной томографии (КТ) для создания трёхмерных реконструкций.

В рентгеновских ИДК применяются три основных типа детекторов: сцинтилляционные, полупроводниковые и газовые ионизационные. Каждый из них имеет свои физические принципы работы, преимущества и области применения, которые определяются задачами досмотра и характеристиками рентгеновского излучения.

Сцинтилляционные детекторы являются наиболее распространённым типом детекторов в рентгеновских ИДК благодаря их высокой чувствительности, надёжности и относительно низкой стоимости. Они состоят из сцинтилляционного материала, который преобразует энергию рентгеновского фотона в видимый свет, и фотоприёмника, такого как фотодиод или фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), который регистрирует этот свет и преобразует его в электрический сигнал.

Сцинтилляционные материалы, используемые в ИДК, должны обладать высокой эффективностью поглощения рентгеновского излучения, коротким временем послесвечения и устойчивостью к радиационным повреждениям. Наиболее распространённые материалы включают вольфрамат кадмия (CdWO4), йодид цезия (CsI (Tl)), гадолиниевый оксисульфид (Gd2O2S: Tb) и селенит натрия (NaI (Tl)). Например, в комплексе «Полискан-3» используются детекторы на основе CdWO4, которые обеспечивают высокую чувствительность и низкое послесвечение, что критически важно для формирования чётких изображений при сканировании грузовых контейнеров.

Фотоприёмники, такие как кремниевые фотодиоды, преобразуют световой сигнал в электрический с высоким квантовым выходом. В некоторых системах, таких как Hi-Scan от Smiths Detection, применяются ФЭУ для усиления слабых сигналов, что улучшает соотношение сигнал/шум при низкой интенсивности излучения. Сцинтилляционные детекторы обычно формируют линейки, содержащие от 256 до 2048 элементов, с апертурой 4—5 мм, как, например, в «Полискан-3», где линейка из 1024 детекторов имеет длину 5,1 м.

Преимущества сцинтилляционных детекторов включают их высокую эффективность, устойчивость к радиационным нагрузкам и способность работать в широком диапазоне энергий (от 50 кэВ до 7 МэВ). Однако они имеют ограниченное энергетическое разрешение, что затрудняет спектральный анализ, и могут страдать от послесвечения, которое снижает временное разрешение при высокоскоростном сканировании.

Полупроводниковые детекторы преобразуют энергию рентгеновских фотонов непосредственно в электрический сигнал за счёт создания электронно-дырочных пар в полупроводниковом материале. Наиболее распространённые материалы для таких детекторов – кремний (Si) и германий (Ge), а также более экзотические материалы, такие как теллурид кадмия (CdTe) и теллурид цинка-кадмия (CdZnTe).

В полупроводниковых детекторах рентгеновский фотон, поглощённый материалом, вызывает возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости, создавая электронно-дырочные пары. Количество пар пропорционально энергии фотона, что позволяет проводить спектральный анализ с высоким энергетическим разрешением. Например, детекторы на основе CdTe или CdZnTe, используемые в системах Rapiscan 628DV, имеют энергетическое разрешение порядка 1—2% при 100 кэВ, что значительно превосходит возможности сцинтилляционных детекторов.

Полупроводниковые детекторы применяются в ИДК для двухэнергетического сканирования, где два уровня энергии (например, 80 и 160 кВ) используются для дифференциации материалов по атомному номеру. Это позволяет отличать органические вещества (низкий Z) от металлов (высокий Z). В системах компьютерной томографии, таких как CT-80 от Smiths Detection, полупроводниковые детекторы формируют матрицы, обеспечивающие высокое пространственное разрешение (до 0,5 мм) для трёхмерной реконструкции.

Основные преимущества полупроводниковых детекторов включают высокое энергетическое разрешение, компактность и отсутствие необходимости в дополнительных фотоприёмниках. Однако они чувствительны к радиационным повреждениям, особенно при работе с жёстким рентгеновским излучением (выше 1 МэВ), и имеют высокую стоимость. Кроме того, для германиевых детекторов требуется охлаждение до криогенных температур, что усложняет их эксплуатацию в полевых условиях.

Газовые ионизационные детекторы, такие как пропорциональные счётчики или дрейфовые камеры, используются в ИДК реже, в основном в системах с низкой энергией излучения (до 200 кэВ). Они основаны на ионизации газа, такого как ксенон или аргон, рентгеновскими фотонами, что приводит к образованию электрического тока, пропорционального интенсивности излучения.

В газовых детекторах рентгеновский фотон ионизирует молекулы газа, создавая пары ион-электрон. Электроны собираются на аноде под действием электрического поля, генерируя сигнал. Для усиления сигнала могут использоваться пропорциональные счётчики, где применяется эффект газового усиления. Такие детекторы применялись в ранних системах ИДК, например, в 1970-х годах в первых рентгенотелевизионных интроскопах.

Преимущества газовых детекторов включают их простоту, низкую стоимость и способность работать при низких энергиях. Однако они имеют низкое пространственное разрешение (порядка 1—2 см) и чувствительны к фоновому излучению, что ограничивает их применение в современных ИДК. В настоящее время они используются в основном в портативных устройствах для точечного контроля или в системах с низкими требованиями к разрешению.

В рентгеновских ИДК детекторы обычно организованы в линейки или матрицы для обеспечения пространственного разрешения и формирования изображений. Линейки детекторов применяются в системах просвечивания, где объект сканируется в движении, а матрицы – в системах компьютерной томографии, требующих многопроекционного анализа.

Линейки детекторов состоят из множества отдельных элементов, расположенных в ряд, обычно вдоль одной оси. Каждый элемент представляет собой сцинтилляционный или полупроводниковый детектор с апертурой 2—5 мм. Например, в комплексе «Полискан-3» используется линейка из 1024 сцинтилляционных детекторов на основе CdWO4 с апертурой 4,3*5 мм, обеспечивающая длину 5.1 м. Такая конфигурация позволяет формировать теневое изображение объекта с разрешением, достаточным для выявления скрытых предметов в грузовых контейнерах.

Линейки детекторов работают в режиме интеграции сигнала, регистрируя интенсивность прошедшего через объект излучения. В двухэнергетических системах, таких как ADANI BV6045, используются двойные линейки, где каждый элемент состоит из двух детекторов с разными фильтрами (например, медными или алюминиевыми), что позволяет разделять сигналы по энергии и улучшать дифференциацию материалов.