Учебно-материальное обеспечение.

Характеристики рентгеновского излучения в соответствии с приня­тым делением на упомянутые выше области представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства рентгеновских лучей впервые изучил и описал их первооткрыватель В.К.Рентген. Его исследования обеспечили начало практического применения рентгеновского излучения.

Можно выделить пять основных свойств рентгеновского излучения:

1). Рентгеновские лучи невидимы человеческим глазом.

2). Они способны проникать сквозь непрозрачные для видимого света вещества, т.к. длина волны рентгеновского излучения соизмерима с междуатом­ными расстояниями в твердом веществе, отсюда и высо­кая проникающая способность.

3). Они поглощаются в веществе, причем степень поглощения увеличивается с ростом атомного номера просвечиваемого вещества и его толщины. Просвечивание неоднородного по строению объекта проводит к образованию так называемой «теневой картины» объекта.

4). Рентгеновские лучи распространяются прямолинейно. Это означает, что для них нельзя создавать оптические приборы (такие как линзы, призмы, зеркала) в том понимании, как для видимого света. Однако для целей просвечивания это очень «положительное свойство», так как получающаяся после просвечивания неоднородного предмета теневая картина не несет в себе искажений, которые могли бы быть связаны с явлением преломления.

5). Рентгеновские лучи вызывают флюоресценцию некоторых веществ, а также вызывает почернение специальной рентгеновской фотопленки после ее проявления. Это, очень важное свойство, так оно определяет возможность регистрации и документирования полученных в рентгеновских лучах результатов.

Из этих свойств сразу вытекает принципиальная возможность построения проекционного аппарата для изучения внутреннего строения объектов в рентгеновских лучах.

2. Генерация и регистрация рентгеновского излучения.

Для генерирования рентгеновского излучения создан специальный электровакуумный высоковольтный прибор, который называется рентгеновской трубкой (Рис.2.1).

Основными элементами рентге­новской трубки являются: анод 2, термоэмиссионный катод 5 и фо­кусирующий электрод 4.

Рабочая часть анода -металлическая зеркальная поверх­ность - расположена под некото­рым углом к потоку электронов 3. Анод сварен с анодным блоком 1, выполненным из металла с большой теплопроводностью. В мощных рентгеновских трубках в анодном блоке имеются каналы со штуцерами 10 для принудительного воздушного или жидкого охлаждения.

Катод 5 представляет собой спираль или прямую нить из вольфрамо­вой проволоки. Выводы катода 6, к которым подводится напряжение накала, проходят через стеклянную колбу 7, изолирующую анодную часть трубки от катодной.

Электростатический фокусирующий электрод 4 направляет пучок электронов на рабочую поверхность анода.

Рентгеновское излучение 8 выходит через окно 9 в анодном блоке, заполненное бериллием, который слабо поглощает рентгеновское излу­чение.

Напряжение анод-катод, ускоряющее электроны, может достигать 500 кВ, в зависимости от назначения рентгеновской трубки. Анодный блок по конструктивным соображениям электрически соединяется с массой интроскопа. Электронный ток в трубках разного назначения 0,1 мА - 1А.

Источником электронов явля­ется катод, нить накала, которого нагревается до высокой температуры (примерно 2500°С).

Рентгеновское излучение возникает при резком торможении движу­щихся электронов в результате их соударения с атомами вещества пре­пятствия. Возможно возникновение двух видов излучения.

Тормозное излучение. Его природа объясняется тем, что при соуда­рении электрон тормозится, а согласно электромагнитной теории, уско-

ренное движение электрического заряда приводит к возникновению электромагнитного поля, спектр, которого сплошной.

Характеристическое излучение. Возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона с одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения с атомом частицы с высокой энергией или поглощения атомом фотона. Спектр характерис­тического излучения - линейчатый. Частота линий спектра характерна для атомов каждого химического элемента.

Фокусировка потока электронов в узкий пучок достигается оптимальным выбором электрического поля в межэлектродном пространстве. Направляющиеся от катода к аноду электроны бомбар­дируют анод, на поверхности тела которого происходит их резкое торможение, образуя таким образом тормозное излучение непре­рывного спектра. 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. Поэтому, как правило, на изготовление анода идут ма­териалы типа вольфрама, имеющие, кроме этого, высокую точку пла­вления и хорошую теплопроводность. Интенсивность тормозного излучения характеризуется так называемой "лучевой отдачей" рентгеновской трубки, зависящей, главным образом, от величины питающего трубку напряжения и уровня предварительной фильтра­ции излучения. Коэф­фициент полезного действия рентгеновских трубок 0,1 - 3%.

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, как уже говорилось, измене­нием энергетического состояния атомов. 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.

Рассмотрим процессы при прохождении рентгеновского излучения через исследуемый объект.

При прохождении через исследуемое вещество пучок рентге­новского излучения ослабляется вследствие взаимодействия его с электронами, атомами и ядрами вещества. Физика процессов, при этом, аналогична процессам фотоэлектрического поглощения, когда энергия фотонов меньше 10⁶ эВ.

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.

Образующееся при прохождении через вещество рассеянное излучение либо обусловлено тем, что под действием электричес­кого поля электроны получают переменное ускорение, в результа­те которого они сами излучают электромагнитные волны с часто­той, совпадающей с частотой первичного излучения и изменённым направлением излучения, (так называемое - когерентное рассея­ние), либо обусловлено взаимодействием фотонов со свободными или слабо связанными электронами атома вещества (так называемое - комптоновское рассеяние).

Таким образом, в результате фотоэлектрического поглощения рентгеновского излучения в веществе - часть энергии первичного излучения остаётся в виде характеристического и рассеянного излучения, часть энергии поглощается, а часть пре­образуется в энергию заряженных частиц - электронов.

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. Возникающее рассеянное излучение не несёт информации о внутреннем строении объекта, а только ухудшает качество формируемого изображения.

Технические средства регистрации рентгеновских квантов, прошедших через исследуемый объект, зависят от длины волны излучения и его интенсивности.

Применяемые для досмотра интроскопы работают при небольших интенсивностях пучка излучения. Наиболее подходящими для них яв­ляются сцинтилляционные счетчики (от латинского scintillatio - мерца­ние). Основой счетчика служит сцинтиллятор (люминофор) - вещество, в котором под действием рентгеновских квантов возникают вспышки оптического излучения. Эти вспышки преобразуются фотоприемником (фотодиодом, фототранзистором) в электрические импульсы. Сцинтилляторами являются кристаллы комплексных химических соединений натрия, цинка, цезия (например, сернистый цинк ZnS). Длительность световой вспышки (время высвечивания) для этих веществ примерно от 10 нс до 0,7 мкс. Длина волны оптического излучения в пределах 4100 -5600 А (голубой - зеленый цвет).

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, нерезкостью и разрешающей способностью.

Контрастность изображения определяется как отношение разности яркостей наиболее светлых и наиболее тёмных участков изображения к сумме яркостей. При сохранении контраста возможно раздельное видение элементов изображения с незначительно различающимися яркостями.

Контрастность тем выше, чем меньше уровень рассеянного излучения. Реальные источники излучения дают рас­ходящийся пучок лучей, выходящий из фокусного пятна анода рентгеновской трубки, причём интенсивность рентгеновского излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от фокуса рентгеновской трубки. Для получения большей интен­сивности излучения в плоскости наблюдательного экрана и, сле­довательно, большей яркости свечения экрана при заданной мощ­ности рентгеновской трубки выгодно максимально приближать фокус трубки и экран к исследуемому объекту. Однако в зависи­мости от расстояния от фокуса трубки до поверхности просвечи­ваемого объекта и от поверхности объекта до преобразователя рентгеновского изображения (экрана) возникает искажение гео­метрических соотношений в теневом рентгеновском изображении: одинаковые по размерам структуры элементов, находящихся на разных расстояниях до фокуса рентгеновской трубки, дают сущес­твенно различающиеся по форме и площади тени. Поскольку размеры фокусного пятна трубки имеют конечную величину, переход от наибольшей яркости изображения к области полной тени происхо­дит постепенно - вместо резкой границы образуется переходная область полутени. Контраст, обеспечивающий заданную вероятность обнаружения объекта и определяемый заданными параметрами изо­бражения, а также условиями зрительной работы, принято называть пороговым контрастом. Этот параметр очень значим, т.к. прак­тически оператор не знает того, где и когда в поле его зрения появится "запрещённый" объект. Кроме того, в поле зрения опе­ратора представляется одновременно нескольких объектов, часть из которых он должен опознать по известным признакам с учётом таких факторов как определённое ограничение времени наблюде­ния (особенно при конвейерном способе контроля), побочные воз­буждения оператора в производственных условиях, а также нали­чие шумов на изображении и его определённая не резкость.

Нерезкость изображения определяется явлением рассеяния и конечными размерами фокусного пятна трубки. Нерезкость тем больше, чем ближе трубка к просвечиваемому объекту и чем дальше находится от объекта преобразователь рентгеновского изображения (экран). При просвечивании движущегося объекта на нерезкость его изображения накладывается так называемая динамическая нерезкость, обусловленная инерционностью элемен­тов системы визуализации рентгеновского изображения. К плав­ным переходам интенсивности между соседними участками рент­геновского излучения (нерезкости) может привести и сама вну­тренняя структура просвечиваемого объекта, толщина элементов которого может изменяться постепенно.

Яркость изображения - это отношение силы света элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения. Яркость изображения в значительной степени, кроме мощности источника рентгеновского излучения, зависит от свойств, применяемых рент­геновских экранов и детекторов, которые характеризуются доста­точно высокими параметрами энергетического выхода люминесцен­ции, высоким уровнем поглощения и высоким коэффициентом спек­трального соответствия глазу человека (только при рентгеноско­пии).

Разрешающая способность - это способность давать чёт­кие раздельные изображения двух близких друг к другу мелких объектов. Её можно оценить наименьшим линей­ным (для досмотровой рентгеновской техники) или угловым рас­стоянием между двумя объектами, начиная с которого их изображе­ния сливаются. Предел разрешения оценивается наибольшим числом чередующихся светлых и тёмных полос (линий) штрихового тест-объекта на 1 мм изображения, видимых раздельно. На практике принято оценивать величину разрешаю­щей способности числом линий на 1мм или дюйм, причём толщина линий рав­на толщине промежутков между ними.

Заключение

Анализ свойств рентгеновского излучения показывает, что этот вид электромагнитных колебаний можно с успехом применять в досмотровой интроскопии с целью контроля багажа и ручной клади авиапассажиров.

Задание на самоподготовку.

Изучить статьи, опубликованные на

http://st.ess.ru/publications/articles/kovalev1/kovalev.htm,

http://st.ess.ru/publications/articles/kovalev2/kovalev2.pdf, http://st.ess.ru/publications/articles/kovalev3/kovalev3.pdf.

Доцент каф. ОАБ Вербицкий