Применение инспекционно-досмотровых комплексов при таможенном контроле
Учебник
Д.Н. Афонин

© Д.Н. Афонин, 2025

ISBN 978-5-0067-9774-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Автор:

Д. Н. Афонин – профессор кафедры таможенных операций и таможенного контроля Санкт-Петербургского имени В.Б.Бобкова филиала Российской таможенной академии, доктор медицинских наук, доцент.

Рецензенты:

А. И. Начкин – заведующий кафедрой таможенного регулирования и таможенного дела АНО ВО «Университет при МПА ЕврАзЭС», кандидат военных наук, доцент;

В. С. Смирнова – начальник отдела выбора объектов контроля службы таможенного контроля после выпуска товаров Северо-Западного таможенного управления, кандидат экономических наук, майор таможенной службы.

В учебнике рассматриваются назначение и классификация инспекционно-досмотровых комплексов (ИДК), физические основы рентгеновских методов неразрушающего контроля, а также объекты таможенного контроля, подлежащие осмотру с использованием этих комплексов. Особое внимание уделено порядку проведения таможенного контроля с применением ИДК, анализу изображений, получаемых в процессе досмотра, и направлениям совершенствования технологий их применения. Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальности 38.05.02 «Таможенное дело». и слушателей, обучающихся по дополнительным профессиональным программам повышения квалификации.

Ключевыеслова: инспекционно-досмотровыекомплексы, ИДК, таможенный контроль, экономическая безопасность, анализизображений, радиационная безопасность.

© Д.Н.Афонин, 2025

Введение

Инспекционно-досмотровые комплексы (далее – ИДК) представляют собой высокоэффективные технические средства, используемые в таможенном контроле, обеспечении безопасности и борьбе с контрабандой. Эти системы, основанные на применении ионизирующего излучения, таких как рентгеновское или нейтронное, позволяют проводить бесконтактный досмотр багажа, грузов и транспортных средств, выявляя запрещённые предметы, включая оружие, взрывчатые вещества, наркотики и ядерные материалы. Развитие технологий ИДК, начиная с первых рентгеновских установок конца XIX века и заканчивая современными мультимодальными системами, интегрирующими искусственный интеллект и трёхмерную визуализацию, значительно повысило эффективность таможенных процедур и укрепило безопасность государственных границ.

Настоящий учебник предназначен для студентов, специалистов таможенных органов, инженеров и операторов, работающих с ИДК. Он охватывает ключевые аспекты применения инспекционно-досмотровых комплексов, включая их физические основы, классификацию, порядок эксплуатации, методы анализа изображений, а также вопросы технического обслуживания и обеспечения безопасности. Учебник структурирован таким образом, чтобы обеспечить последовательное изучение материала: от теоретических основ до практических аспектов эксплуатации и перспектив развития технологий.

Глава 1 посвящена назначению и классификации ИДК, а также объектам таможенного контроля, для которых они применяются. В этом разделе рассматриваются физические принципы рентгеновских методов неразрушающего контроля, основные характеристики ИДК и типы объектов, подлежащих досмотру. Глава 2 фокусируется на практических аспектах проведения таможенного контроля с использованием ИДК, включая порядок действий должностных лиц, методы анализа изображений и направления совершенствования технологий. Глава 3 охватывает вопросы организации эксплуатации ИДК, их технического обслуживания и обеспечения безопасности персонала, что является критически важным для надёжной и безопасной работы комплексов.

Учебник ориентирован на формирование у читателей комплексного понимания принципов работы ИДК, их роли в таможенном деле и технических аспектов эксплуатации. Особое внимание уделено нормативно-правовой базе, включая требования Таможенного кодекса Евразийского экономического союза и санитарных норм Российской Федерации, что делает учебник полезным как для теоретического изучения, так и для практического применения в профессиональной деятельности.

Глава 1. Назначение ИДК и их классификация. Объекты таможенного контроля с применением ИДК

Рентгеновские технологии занимают центральное место в современных системах таможенного контроля, обеспечивая бесконтактный досмотр багажа, товаров и транспортных средств. Их применение позволяет выявлять запрещённые предметы, такие как оружие, наркотики, взрывчатые вещества и контрабанда, без необходимости физического вскрытия объектов. История развития рентгеновских технологий для таможенного контроля охватывает более ста лет, начиная с открытия рентгеновских лучей Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году и заканчивая современными высокотехнологичными системами, использующими двухэнергетические методы и компьютерную томографию.

Открытие рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном в 1895 году стало переломным моментом в науке и технике. Рентген обнаружил, что эти лучи, генерируемые при столкновении ускоренных электронов с металлической мишенью, способны проникать через непрозрачные материалы, такие как дерево, бумага и даже человеческая кожа, создавая теневое изображение на флуоресцентном экране или фотопластинке. Уже в 1896 году рентгеновские лучи начали использоваться в медицинской диагностике, но их потенциал для контроля содержимого закрытых объектов быстро привлек внимание таможенных служб.

В начале XX века таможенные органы Европы и США начали экспериментировать с рентгеновскими установками для досмотра багажа. Первыми объектами контроля были чемоданы и посылки, в которых искали контрабандные товары, такие как алкоголь, табак и драгоценности. Ранние рентгеновские аппараты, основанные на вакуумных рентгеновских трубках, имели низкую мощность (до 50—100 кВ) и использовали фотопластинки для регистрации изображений. Эти системы были громоздкими, медленными и требовали значительного времени на обработку изображений, что ограничивало их применение в таможенных пунктах с высоким потоком грузов [22].

В 1920-1930-х годах прогресс в области рентгеновских трубок и источников питания позволил увеличить энергию излучения до 200—300 кВ, что улучшило проникающую способность и качество изображений. В этот период начали появляться первые стационарные рентгеновские установки, предназначенные для таможенного контроля. Например, в портовых городах Европы, таких как Гамбург и Роттердам, рентгеновские аппараты использовались для выборочного досмотра грузовых ящиков и багажа. Однако их применение оставалось ограниченным из-за высокой стоимости оборудования, необходимости квалифицированного персонала и ограниченной скорости сканирования.

Во время Второй мировой войны рентгеновские технологии получили новый импульс благодаря военным разработкам. В 1940-х годах в США и Великобритании были созданы более мощные рентгеновские системы для проверки военного снаряжения и грузов. Эти системы использовали усиленные рентгеновские трубки и флуоресцентные экраны, что позволяло быстрее визуализировать содержимое. После войны часть этих технологий была адаптирована для гражданских нужд, включая таможенный контроль. В 1950-х годах в крупных аэропортах, таких как лондонский Хитроу и нью-йоркский аэропорт имени Кеннеди, начали устанавливать рентгеновские интроскопы для проверки багажа пассажиров. Эти устройства, хотя и примитивные по современным стандартам, могли выявлять металлические предметы, такие как оружие, и стали важным инструментом в борьбе с контрабандой.

Прорыв в рентгеновских технологиях для таможенного контроля произошёл в 1970-х годах с развитием цифровой электроники и сцинтилляционных детекторов. Традиционные фотопластинки и флуоресцентные экраны начали заменяться цифровыми детекторными линейками, которые преобразовывали рентгеновское излучение в электрические сигналы, обрабатываемые компьютерами. Это позволило создавать более чёткие изображения и ускорить процесс досмотра. В 1970-х годах компания Heimann Systems (Германия) представила первые рентгенотелевизионные интроскопы, такие как «Hi-Scan», которые стали стандартом для проверки багажа в аэропортах. Эти системы использовали рентгеновское излучение с энергией 100—160 кВ и отображали содержимое багажа на мониторах в реальном времени.

В этот же период начали применяться двухэнергетические рентгеновские системы, которые использовали два уровня энергии (например, 80 кВ и 160 кВ) для дифференциации материалов по их атомному номеру. Органические вещества (с низким атомным номером) отображались в оранжевом цвете, металлы – в синем, а смешанные материалы – в зелёном. Это значительно повысило способность таможенников выявлять наркотики, взрывчатые вещества и другие органические материалы, скрытые в багаже или грузах. К 1980-м годам такие системы, как «Hi-Scan 6040», стали широко применяться в аэропортах и на таможенных терминалах по всему миру.

В 1980-1990-х годах рост международной торговли и увеличение объёмов грузовых перевозок потребовали разработки рентгеновских систем для досмотра крупногабаритных объектов, таких как морские контейнеры и грузовые автомобили. В этот период появились инспекционно-досмотровые комплексы (ИДК), способные сканировать целые транспортные средства. Одной из первых таких систем была американская «Gamma-Ray Inspection System», разработанная компанией American Science Engineering в 1980-х годах. Она использовала гамма- излучение, но вскоре была дополнена рентгеновскими источниками с энергией до 1 МэВ, что позволяло просвечивать металлические контейнеры толщиной до 150 мм.

В России развитие ИДК началось в 1990-х годах с созданием комплексов, таких как «Полискан», разработанных при участии ФГУП «Московский радиотехнический институт РАН» и других предприятий. Эти системы использовали линейные ускорители электронов с энергией 3—7,3 МэВ, что обеспечивало проникающую способность до 300—350 мм стали. Комплекс «Полискан-3», описанный в 2007 году, стал примером передовой технологии, использующей двухпроекционное просвечивание для создания теневых изображений в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Такие системы позволяли сканировать контейнеры и автомобили в движении со скоростью до 0,4 м/с, обеспечивая производительность до 20 объектов в час.

Параллельно с просвечивающими системами в 1990-х годах начали развиваться бэкскаттерные технологии, основанные на регистрации рентгеновских фотонов, рассеянных обратно от объекта. Компания American Science Engineering представила систему «Z Backscatter», которая использовала рентгеновское излучение с энергией 50—250 кВ для выявления органических веществ, таких как взрывчатка и наркотики, в поверхностных слоях объектов. В отличие от просвечивающих систем, где детектор находится с противоположной стороны объекта, бэкскаттерные системы размещают источник и детектор с одной стороны, что делает их компактными и подходящими для мобильного использования [27].

В 2000-х годах рост террористических угроз и контрабанды привёл к разработке мобильных рентгеновских систем, устанавливаемых на автомобильные шасси. Такие системы, как «HCV-Mobile» и «MobileSearch», позволяли проводить досмотр в полевых условиях, на временных контрольно-пропускных пунктах или в портах [28]. Мобильные комплексы сочетали высокую мощность (до 6 МэВ) с возможностью быстрого развёртывания, что делало их незаменимыми для оперативного контроля грузов и транспортных средств. В России аналогичные системы, такие как «Заслон» и «Колибри», использовались для досмотра в условиях, где стационарные установки были недоступны.

Интеграция искусственного интеллекта (ИИ) в рентгеновские системы позволяет автоматически выявлять подозрительные объекты на основе анализа изображений. Например, алгоритмы ИИ могут распознавать характерные формы оружия или взрывчатых веществ, снижая нагрузку на операторов. Кроме того, развитие сцинтилляционных детекторов на основе новых материалов, таких как перовскиты, повышает чувствительность и разрешение систем.

В России продолжается модернизация комплексов, таких как «Полискан-3», с использованием многолучевых клистронов вместо магнетронов для повышения надёжности и снижения энергопотребления. Конструкции ускорителей, исключающие вакуумные системы, сокращают время ввода оборудования в эксплуатацию и повышают его долговечность.

Несмотря на прогресс, рентгеновские технологии сталкиваются с рядом проблем. Высокая стоимость оборудования, особенно мощных ИДК, ограничивает их внедрение в небольших таможенных пунктах. Кроме того, необходимость обеспечения радиационной безопасности требует строгого контроля доз облучения, особенно при досмотре грузов, содержащих продукты питания и фоточувствительные материалы. Ограниченная проникающая способность бэкскаттерных систем делает их менее универсальными, а сложность обслуживания высокотехнологичного оборудования требует подготовки квалифицированного персонала.

История применения рентгеновских технологий в таможенном контроле демонстрирует их эволюцию от примитивных аппаратов конца XIX века до современных высокотехнологичных систем. Открытие рентгеновских лучей заложило основу для бесконтактного досмотра, а последующие достижения в электронике, детекторах и вычислительных технологиях сделали эти методы незаменимыми для обеспечения безопасности и борьбы с контрабандой. Просвечивающие системы, бэкскаттерные технологии и компьютерная томография дополняют друг друга, обеспечивая комплексный подход к таможенному контролю. Перспективы развития связаны с интеграцией ИИ, улучшением детекторов и повышением мобильности систем, что обещает дальнейший рост их эффективности в будущем.

1.1. Физические основы рентгеновских методов неразрушающего контроля

Рентгеновские методы неразрушающего контроля занимают центральное место в современной технике и промышленности, обеспечивая возможность исследования внутренней структуры объектов без их разрушения. Эти методы широко применяются в таких областях, как материаловедение, машиностроение, аэрокосмическая промышленность, медицина и таможенный контроль. Основой рентгеновских методов является использование электромагнитного излучения в диапазоне энергий от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт, что позволяет проникать через материалы различной плотности и толщины. Физические принципы, лежащие в основе этих методов, включают взаимодействие рентгеновского излучения с веществом, а также регистрацию и анализ результирующих сигналов для формирования изображений или получения данных о составе объекта [30].

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны с длиной волны в диапазоне от 0,01 до 10 нм, что соответствует энергиям фотонов от 0,1 до 100 кэВ для мягкого рентгена и до нескольких МэВ для жёсткого рентгена. Это излучение генерируется при взаимодействии ускоренных заряженных частиц, обычно электронов, с веществом. Основной механизм генерации рентгеновского излучения в технических системах – это тормозное излучение, возникающее при замедлении электронов в электрическом поле атомных ядер мишени. Когда высокоэнергетический электрон сталкивается с ядром атома, его кинетическая энергия частично преобразуется в энергию фотона рентгеновского излучения. Спектр тормозного излучения является непрерывным, с максимальной энергией фотона, равной кинетической энергии электрона. Кроме того, при определённых условиях может возникать характеристическое излучение, связанное с переходами электронов между внутренними оболочками атомов мишени. Это излучение имеет дискретные линии в спектре, соответствующие энергиям переходов, зависящим от материала мишени.

В рентгеновских системах неразрушающего контроля чаще всего используются рентгеновские трубки или линейные ускорители. В рентгеновской трубке электроны, ускоренные электрическим полем с напряжением от 20 до 450 кВ, ударяют по металлической мишени, обычно из вольфрама или молибдена, создавая рентгеновское излучение. Линейные ускорители, применяемые в более мощных системах, таких как комплексы для досмотра грузов, генерируют электроны с энергиями до 7—10 МэВ, что позволяет создавать излучение с высокой проникающей способностью, необходимой для исследования толстых металлических объектов.

Для досмотра крупногабаритных объектов, таких как морские контейнеры и грузовые автомобили, применяются линейные ускорители электронов (линатроны), которые генерируют рентгеновское излучение с энергией от 1 до 10 МэВ. Эти устройства используют электромагнитные поля для ускорения электронов до высоких энергий, после чего электроны ударяют по конверсионной мишени, создавая жёсткое рентгеновское излучение с высокой проникающей способностью.

Линейный ускоритель состоит из нескольких ключевых компонентов: электронного инжектора, ускоряющей структуры, источника СВЧ-мощности и конверсионной мишени. Электронный инжектор формирует пучок электронов, который затем ускоряется в бипериодической структуре на стоячей волне, запитываемой от магнетрона или клистрона. Частота СВЧ-излучения, используемая в таких системах, обычно составляет 2,8—3 ГГц, как, например, в комплексе «Полискан-3». Конверсионная мишень, выполненная из вольфрама или тантала, преобразует кинетическую энергию электронов в рентгеновское излучение. Локальная биозащита, обычно из чугуна или свинца, минимизирует рассеянное излучение, обеспечивая безопасность персонала.

Линейные ускорители, применяемые в ИДК, таких как «Полискан-3» или американская система Eagle T60, обеспечивают энергию излучения 3—7,3 МэВ, что позволяет просвечивать до 350 мм, стали. Они используются в стационарных и мобильных комплексах, таких как HCV-Mobile, для досмотра грузовых контейнеров и транспортных средств в движении со скоростью до 0,4 м/с. Такие системы способны создавать двухпроекционные изображения, что повышает информативность и позволяет выявлять скрытые тайники.

Преимущества линейных ускорителей включают их высокую проникающую способность, необходимую для досмотра плотных материалов, и способность работать в импульсном режиме, что снижает радиационную нагрузку. Однако они сложны в эксплуатации, требуют мощных источников питания и систем охлаждения, а также имеют высокую стоимость. Кроме того, их размеры и масса (например, корпус биозащиты «Полискан-3» весит 13 тонн) ограничивают их применение в портативных системах.

Синхротронное излучение, хотя и редко используется в коммерческих ИДК, представляет собой перспективный тип генератора рентгеновского излучения, особенно для исследовательских и специализированных приложений. Синхротронное излучение возникает при движении релятивистских электронов в магнитном поле, создаваемом синхротроном или накопительным кольцом. Электроны, движущиеся по криволинейной траектории, излучают электромагнитные волны в широком спектре, включая рентгеновский диапазон.

В отличие от рентгеновских трубок и линейных ускорителей, синхротронные источники обеспечивают монохроматическое или квазимонохроматическое излучение с высокой интенсивностью и узким энергетическим спектром. Это позволяет проводить спектральный анализ материалов с высокой точностью, что особенно полезно для идентификации химического состава объектов. Энергия излучения в синхротронных источниках может варьироваться от десятков кэВ до нескольких МэВ, в зависимости от параметров ускорителя.

В таможенном контроле синхротронные источники применяются в экспериментальных установках, например, для анализа грузов с целью выявления ядерных материалов или контрабанды драгоценных металлов. Такие системы разрабатывались в Японии и США, где синхротроны, такие как Spring-8 или Advanced Photon Source, использовались для тестирования методов досмотра. Однако их применение ограничено из-за чрезвычайно высокой стоимости и сложности оборудования, а также необходимости стационарной инфраструктуры размером с крупный исследовательский центр.

Преимущества синхротронных источников включают их высокую яркость, возможность точной настройки энергии излучения и низкий уровень рассеянного фона. Однако их громоздкость, высокая стоимость (сотни миллионов долларов) и сложность эксплуатации делают их непригодными для массового применения в ИДК.

Рентгеновские трубки, линейные ускорители и синхротронные источники различаются по своим характеристикам и областям применения. Рентгеновские трубки работают в диапазоне энергий 20—450 кВ и подходят для досмотра багажа и небольших грузов, обеспечивая высокое пространственное разрешение (порядка 1 мм) и компактность. Их проникающая способность ограничена толщиной до 50—100 мм стали, что делает их неэффективными для крупногабаритных объектов.

Линейные ускорители, с энергией 1—10 МэВ, обеспечивают проникающую способность до 350—400 мм стали и применяются для досмотра грузовых контейнеров и транспортных средств. Они обладают высокой производительностью (15—20 объектов в час) и могут работать в двухпроекционном режиме, но требуют сложной инфраструктуры и биозащиты.

Синхротронные источники, с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ, обеспечивают высочайшую точность анализа, но их использование ограничено исследовательскими приложениями из-за высокой стоимости и сложности.

Генераторы рентгеновского излучения в ИДК должны соответствовать строгим требованиям по радиационной безопасности, надёжности и эффективности. Рентгеновские трубки и линейные ускорители оснащаются системами биозащиты, такими как свинцовые или чугунные экраны, для минимизации рассеянного излучения. Например, в комплексе «Полискан-3» корпус биозащиты из чугуна снижает дозу неиспользуемого излучения до безопасного уровня, а двухпозиционный коллиматор позволяет калибровать детекторную систему для повышения чувствительности.

Источники питания для рентгеновских трубок требуют стабильного напряжения (до 450 кВ) и тока (до 10 мА), а для линейных ускорителей – импульсных источников СВЧ-мощности (до 2,5 МВт). Системы охлаждения, такие как водяные или воздушные контуры, необходимы для предотвращения перегрева анодов и мишеней. В синхротронных системах используются сверхпроводящие магниты и вакуумные камеры, что значительно усложняет их конструкцию.

Развитие генераторов рентгеновского излучения для ИДК связано с несколькими направлениями. Во-первых, улучшение рентгеновских трубок направлено на повышение их энергоэффективности и долговечности. Новые материалы для анодов, такие как наноструктурированный вольфрам, позволяют увеличить выход рентгеновского излучения и снизить тепловые нагрузки. Кроме того, разработка двухэнергетических трубок с переключаемыми энергиями (например, 80/160 кВ) улучшает дифференциацию материалов.

Во-вторых, линейные ускорители модернизируются за счёт использования многолучевых клистронов вместо магнетронов, как предлагается для комплекса «Полискан-3». Многолучевые клистроны обеспечивают большую надёжность, долговечность (до 10 000 часов) и меньшее питающее напряжение (до 60 кВ), что упрощает эксплуатацию. Отпаянные конструкции ускорителей, исключающие вакуумные системы откачки, сокращают время ввода в эксплуатацию до нескольких часов.

В-третьих, развитие компактных синхротронных источников, таких как лазерноплазменные ускорители, может в будущем сделать синхротронное излучение более доступным для ИДК. Эти системы, основанные на ускорении электронов в плазме под действием лазерных импульсов, способны генерировать рентгеновское излучение с энергией до нескольких МэВ в компактных установках.

Ключевым аспектом рентгеновских методов неразрушающего контроля является взаимодействие рентгеновских фотонов с атомами вещества. Это взаимодействие определяет, как излучение проходит через объект, поглощается или рассеивается, что, в свою очередь, влияет на качество получаемого изображения. Основные физические процессы, происходящие при взаимодействии рентгеновских фотонов с веществом, включают фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и образование пар.

Фотоэлектрический эффект доминирует при низких энергиях фотонов (до 100 кэВ) и в материалах с высоким атомным номером. В этом процессе рентгеновский фотон полностью поглощается атомом, передавая свою энергию одному из электронов внутренней оболочки, который выбивается из атома. Вероятность фотоэлектрического эффекта пропорциональна Z³/Е³, где Z – атомный номер материала, а Е – энергия фотона. Этот процесс ответственен за основное поглощение излучения в плотных материалах, таких как металлы, и формирует контраст на рентгеновских изображениях.

Комптоновское рассеяние преобладает при энергиях фотонов от 100 кэВ до нескольких МэВ и в материалах с низким атомным номером, таких как органические вещества. В этом процессе фотон сталкивается с внешним электроном атома, передавая ему часть своей энергии и изменяя направление движения. Энергия рассеянного фотона определяется углом рассеяния согласно формуле Комптона.

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.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.