В радиографических и томографических аппаратах наиболее часто используется кристалл CdWO4.

1.6. Радиационная дефектоскопия и инспекция сложных объектов

Ослабление тормозного излучения зависит от плотности и толщины материала инспектируемого объекта. Анализируя теневое изображение, созданное излучением после прохождения вещества и зафиксированное на рентгеновской пленке, флуоресцентном экране, как это осуществлялось в первоначально применявшихся методах, либо в матричной панели детекторов, используемой в современных установках, можно определить наличие, форму и размеры неоднородностей в материале. Эта процедура лежит в основе радиационной дефектоскопии изделий.

Качество изображения оптимизируется путем выбора комплекса параметров установки, включая площадь источника тормозного излучения на мишени, расстояние от источника до инспектируемого объекта, расстояние от инспектируемого объекта до детектора, поперечное сечение детектора. Важным параметром радиографии является размер выявляемых дефектов. При прохождении излучения через вещество возникает рассеянное излучение (рассеянные фотоны, вторичное тормозное излучение, вызванное образующимися в материале электронами). Это приводит к снижению контрастности изображения. С увеличением толщины просвечиваемого материала применяют излучение с большей энергией. Например, для стали толщиной 300−400 мм энергия тормозного излучения должна составлять около 10 МэВ.

Максимальная граничная энергия тормозного излучения соответствует энергии ускоренных электронов. При радиационной дефектоскопии тормозным излучением с одной граничной энергией получаемое изображение не позволяет определить элементный состав объекта, так как поглощение излучение определяется двумя параметрами: атомным номером и толщиной компонента объекта.

Задачей инспекции является рентгенографическое изображение и определение элементного состава объектов, инспектируемых с

17

помощью радиационной таможенной системы с энергией тормозного излучения 1−10 МэВ [1.5, 1.6].

Атомные номера идентифицируются с использованием профилей, полученных при облучении объекта при низкой и высокой энергиях электронов, изменяемых от импульса к импульсу.

Метод определения элементного состава груза с помощью облучения рентгеновскими потоками с двумя энергиями широко используется при инспекции ручного багажа и небольших контейнеров [1.7−1.15]. Важным преимуществом метода по сравнению с рентгеновским просвечиванием при фиксированной энергии является возможность разделять содержащиеся внутри инспектируемого объекта материалы по их атомному номеру. Такая инспекция позволяет выявлять контрабанду двумя путями: по рентгенографическому изображению и по атомному номеру вложений, содержащихся в объекте. Изображение внутренней структуры объекта, отображаемое ее атомными номерами, выводится на экран инспекционной системы. Идентификация материалов с различными атомными номерами достигается сравнением поглощения радиационных потоков в объекте при низкой и высокой энергии этих потоков. Такая идентификация возможна, так как различные материалы имеют различное поглощение гамма-излучения при различных энергиях, что обеспечивает выделение органических (малое Z), неорганических (среднее Z) и делящихся (высокое Z) материалов в контролируемом объекте.

Типичная граничная энергия рентгеновских установок не превышает 500 кВ. К сожалению, проникающая способность рентгеновских лучей не превышает нескольких сантиметров стали. Это определяет невозможность их применения для инспекции CARGO контейнеров либо крупногабаритных транспортных средств. Для инспекции таких объектов пригодны радиационные потоки с энергией до 10 МэВ, обеспечивающие качественное радиографическое изображение внутреннего строения инспектируемого объекта.

Радиационные потоки могут быть применены для различения материалов в диапазоне высоких энергий, однако имеется ряд

18

ограничений. В диапазоне энергий 1−10 МэВ доминирует комптон-эффект, а его зависимость от Z достаточно слаба (μc~Z/A) (см. рис. 1.3). Это соотношение примерно одинаково для верхней части периодической таблицы элементов с малыми Z, а также композиции элементов, входящих в состав органических веществ. Слабое изменение коэффициента поглощения в мегавольтной области энергии электронов имеет место для эффекта образования пар (μk~Z2/A~Z), однако этого недостаточно для целей различения элементов и не может быть использовано для решения практических задач. Таким образом, радиационные комплексы с единственной энергией не могут быть эффективно использованы для Z-анализа при инспекции транспортных средств и контейнеров.

Преодоление указанных физических ограничений и получение качественного разрешения атомных весов материалов крупногабаритного объекта может достигаться несколькими методами. Первым из них является разложение спектра прошедшего радиационного потока на компоненты, ответственные за комптон-эффект и образование пар, баланс которых зависит от Z облученного объекта. Разложение возможно, так как комптоновское рассеяние анизотропно, а аннигиляция пар в гамма-кванты изотропна при взаимодействии ионизирующего излучения с материалом, обладающим большим Z, включенным в состав мишени детектора. Однако общая чувствительность метода существенно снижена из рассеяния на мишени прошедших гаммаквантов первичного потока.

Во втором методе разложения используется особый эффект фильтрации тормозного излучения. Во время сканирования применяются два различных профиля поглощения, соответствующие двум различным спектрам энергии: с фильтром и без фильтра. Атомные номера материала определяются с помощью специальной калибровочной таблицы. Возможны две реализации метода. В первой пучок направляется на две различные мишени, во второй два фильтра, поглощающие тормозное излучение, устанавливаются на пути излучения от импульса к импульсу. Основным недостатком метода является его низкая чувствительность, обусловленная широкими спектрами

19

поглощения излучения материалами с различными атомными номерами. Метод обеспечивает достаточно хорошее соотношение сигнала к шуму и может быть реализован для получения удовлетворительного качества изображения.

Применение фильтров смещает максимум спектра тормозного излучения в пользу образования пар. Излучение, генерируемое за счет фотоэффекта и эффекта Комптона, является низкоэнергетичным и поглощается в фильтре. Это позволяет достичь заметного разделения кривых прохождения излучения через различные материалы.

На рис. 1.8 приведено сравнение спектров излучения, прошедшего через поглотители из свинца с различной толщиной. Видно, что спектр излучения может быть существенно изменен. В частности, максимум интенсивности смещается в область высоких энергий с увеличением толщины поглотителя. В результате спектр излучения изменяется в целом.

Фотон / электрон

без погл

10 мм Pb

20 мм Pb

40 мм Pb

60 мм Pb

80 мм Pb

Wγ, МэВ

Рис.1.8. Спектры излучения, прошедшего через свинцовый поглотитель

Изменение спектра должно приводить к увеличению разделения кривых поглощения излучения в материалах с различным Z, снижая неопределенность в идентификации материала.

20

В работе [1.5] показана практическая возможность различения материалов при инспекции объектов радиационными потоками с энергией 1−10 МэВ. Предлагаемый метод обеспечивает идентификацию четырех базовых групп материалов в соответствии с их атомными номерами. Атомные номера идентифицируются из профилей, получаемых при облучении объекта радиационными потоками высокой и низкой энергий, переключаемыми от импульса к импульсу. Это достигается при применении пучков тормозного излучения с двумя граничными энергиями, например, 8 и 4 МэВ, и детектировании прошедшего излучения сцинтилляционными кристаллами, связанными с кремниевыми фотодиодами как детектирующими элементами. Спектры тормозного излучения при различной энергии электронов показаны на рис.1.3.

В случае, если инспектируемый объект включает один материал, то энергия, поглощенная в сцинтилляторе, равна:

WZ (ρm) = k	∫	DZ (Eγ,ρm) T (Eγ ) dEγ ,	(1.3)

где k − коэффициент, зависящий от энергии импульса ускоренных электронов, расстояния от конверсионной мишени до детектора и размеров детектора;

− ρm

h )

DZ (Eγ ,ρm) = S(Eγ ) 2 ρmZ (Eγ − энергетический спектр тормозного излучения, на входе в сцинтиллятор;

S(Eγ ) − спектральная функция для пучка ускоренных электронов

с реальным энергетическим спектром;

T (Eγ ) − коэффициент спектрального поглощения детектора;

ρm и Z – молярная поверхностная плотность и атомный номер

материала.

Таким образом, коэффициент передачи тормозного излучения через инспектируемый объект равен

	KZ (ρm) =	WZ (ρm)	=		k		DZ (Eγ , ρm) T (Eγ ) dEγ .
		W		W ∫				(1.4)

Инспекция – инверсный процесс. Необходимо определить молярную поверхностную плотность ρm и атомный номер

материала Z на основе коэффициентов передачи K1 и K2, 21