Радиационная безопасность при эксплуатации источников ионизирующих излучений. Учебник

– космическим излучением (галактическим и солнечным);

– радиоактивными элементами, содержащимися в земной коре (калий-40, уран-238, торий-232 и продукты их распада);

– радиоактивными веществами, поступающими в организм с воздухом (радон), водой и пищей.

Природные источники формируют так называемый естественный радиационный фон, который варьируется в зависимости от географического положения и высоты над уровнем моря. Должностные лица таможенных органов должны учитывать наличие фонового излучения при проведении радиационного контроля, так как именно превышение над фоном является сигналом обнаружения техногенных источников.

2. Техногенные (искусственные) источники

Эта категория объединяет источники, созданные человеком и не существующие в природе в готовом виде. Они, в свою очередь, делятся на два принципиально различных типа:

Радиоизотопные источники – в их основе лежат радиоактивные изотопы (нуклиды), которые испускают излучение в процессе самопроизвольного распада. Излучение от таких источников существует постоянно и не может быть прекращено или изменено оперативно. Интенсивность излучения определяется периодом полураспада данного изотопа. Примеры: кобальт-60, цезий-137 (используются в дефектоскопии и терапии), америций-241 (используется в дымовых извещателях и некоторых анализаторах). Радиоизотопные источники могут быть закрытыми (исключающими попадание радиоактивного вещества в окружающую среду) или открытыми.

Генерирующие источники (ИИИГ) – представляю собой устройства, в которых ионизирующее излучение создается за счет ускорения заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) и их взаимодействия с мишенью или электромагнитным полем. Ключевое отличие от радиоизотопных источников заключается в том, что излучение возникает только в период работы устройства и может быть прекращено его отключением. Именно к данному классу относится подавляющее большинство технических средств таможенного контроля.

1.1.3. Определение и классификация ИИИГ

Источники ионизирующих излучений генерирующие (ИИИГ) представляю собой технические устройства, специально предназначенные для создания направленного или ненаправленного потока ионизирующего излучения за счет ускорения заряженных частиц (электронов, ионов) или за счет электромагнитного излучения, возникающего при их торможении, и не содержащие в своей конструкции радиоактивных материалов в качестве источника первичного излучения.

Иными словами, ИИИГ преобразуют электрическую энергию в энергию ионизирующего излучения. При прекращении подачи электроэнергии генерация излучения полностью и практически мгновенно останавливается (за исключением крайне незначительной наведенной активности, которая может возникать в конструкционных материалах при длительной работе мощных установок, но в контексте таможенной техники данный эффект пренебрежимо мал).

К основным типам ИИИГ, применяемым в таможенном деле, относятся:

Рентгеновские аппараты (установки): устройства, в которых рентгеновское излучение возникает при торможении ускоренных электронов на аноде (мишени) рентгеновской трубки – самый распространенный класс ИИИГ в таможне, включающий:

– досмотровые рентгенотелевизионные установки (интроскопы) для багажа и ручной клади;

– рентгеновские сканеры для людей;

– инспекционно-досмотровые комплексы (как трансмиссионные, так и обратного рассеяния).

Ускорители электронов (линейные, циклические) – используются в мощных стационарных инспекционно-досмотровых комплексах для просвечивания крупногабаритных грузов и контейнеров. Они позволяют получать пучки излучения со значительно более высокой энергией и проникающей способностью, чем рентгеновские трубки.

Нейтронные генераторы – устройства, в которых нейтроны образуются в результате ядерных реакций (например, дейтерий-тритиевый синтез) при бомбардировке мишени ускоренными ионами – перспективный класс ИИИГ для элементного анализа веществ.

Рентгенофлуоресцентные анализаторы – компактные приборы, использующие миниатюрную рентгеновскую трубку для возбуждения характеристического излучения атомов исследуемого материала. Излучение трубки используется для «подсветки» пробы, а анализируется вторичное (флуоресцентное) излучение.

С точки зрения обеспечения радиационной безопасности, работа с ИИИГ имеет как преимущества, так и особенности по сравнению с радиоизотопными источниками. Основное преимущество – возможность полного прекращения излучения выключением питания. Однако данное свойство порождает и потенциальную опасность: при нарушении блокировок или несанкционированном доступе в зону генерации пучка во время работы установки возможно получение высоких доз облучения за короткое время. Кроме того, для мощных ИИИГ (линейные ускорители, мощные рентгеновские трубки) характерно образование озона и оксидов азота в воздухе рабочей зоны под действием излучения, что требует организации вентиляции.

Таким образом, понимание физической природы ионизирующих излучений, классификации их источников и четкое определение места генерирующих источников в данной классификации является отправной точкой для дальнейшего изучения устройства конкретной таможенной техники, принципов ее безопасной эксплуатации и методов защиты персонала и населения.

1.1.4. Фотонное излучение. Рентгеновское излучение

Фотонное излучение представляет собой поток электромагнитных квантов (фотонов), распространяющихся в пространстве со скоростью света. Фотоны являются уникальными элементарными частицами, имеющими нулевую массу покоя, что означает их принципиальную неспособность находиться в состоянии покоя – они всегда движутся со скоростью 299 792 458 м/с. Энергия фотона определяет его место в спектре электромагнитных излучений и его способность взаимодействовать с веществом.

Рентгеновское излучение (X-лучи) – представляю собой электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым и гамма-излучением, с длинами волн приблизительно от 10—11 до 10—8 метра. В зависимости от энергии фотонов различают:

Мягкое рентгеновское излучение – длинноволновая часть диапазона (меньшая энергия, меньшая проникающая способность);

Жёсткое рентгеновское излучение – коротковолновая часть диапазона (большая энергия, большая проникающая способность).

Термин «рентгеновское излучение» используется преимущественно в России и странах постсоветского пространства. В международной практике более распространено название «Х-лучи» (X-rays), предложенное самим Вильгельмом Конрадом Рентгеном, открывшим данное излучение в 1895 году. За данное открытие, произошедшее во время экспериментов с катодными лучами (потоками электронов в вакуумных трубках), учёному в 1901 году была присуждена первая в истории Нобелевская премия по физике.

Природа возникновения рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает в результате двух принципиально различных физических процессов взаимодействия ускоренных электронов с веществом:

Тормозное рентгеновское излучение (с непрерывным спектром) – возникает при торможении быстрых электронов в электрическом поле атомных ядер вещества анода. Электрон, проходя вблизи ядра, изменяет траекторию и теряет часть своей кинетической энергии, которая излучается в виде рентгеновского фотона. Спектр такого излучения является непрерывным, поскольку потери энергии электронов могут быть различными. Степень жёсткости тормозного излучения возрастает при увеличении энергии возбуждающих электронов, а коротковолновая граница спектра смещается в область меньших длин волн.

Характеристическое рентгеновское излучение (с линейчатым спектром) – возникает, когда быстрый электрон выбивает один из внутренних электронов атома (например, с K- или L-оболочки). Образовавшаяся вакансия заполняется электроном с вышележащего энергетического уровня, а разность энергий излучается в виде рентгеновского фотона со строго определённой для данного элемента и данной электронной оболочки длиной волны. Спектр такого излучения является линейчатым и не зависит от энергии возбуждающих электронов (при превышении порога возбуждения), что позволяет использовать его для идентификации химических элементов.

Свойства рентгеновского излучения

Для понимания принципов работы досмотровой техники и обеспечения радиационной безопасности необходимо знать фундаментальные свойства рентгеновских лучей:

– Высокая проникающая способность – рентгеновское излучение способно проникать сквозь непрозрачные для видимого света материалы. Проникающая способность зависит от энергии излучения (жёсткости) и плотности материала (чем плотнее материал, тем сильнее он поглощает излучение). Для органических веществ (с низкой плотностью) рентгеновское излучение с длиной волны менее 1 Å является «прозрачным».

– Поглощение и рассеяние – при прохождении через вещество интенсивность рентгеновского излучения ослабляется по экспоненциальному закону. Поглощение описывается эмпирической формулой Блохина.

– Ионизирующая способность – рентгеновское излучение способно выбивать электроны из атомов и молекул, создавая положительные и отрицательные ионы. Данное свойство лежит в основе как методов регистрации излучения, так и его биологического действия.

– Фотохимическое действие – рентгеновские лучи вызывают почернение фотографических материалов, что исторически использовалось для получения рентгеновских снимков.

– Люминесценция – рентгеновское излучение вызывает свечение некоторых веществ (сцинтилляторов), что используется в детекторах и флуороскопических экранах.

– Прямолинейность распространения – в однородной среде рентгеновские лучи распространяются прямолинейно.

– Неотклоняемость электрическими и магнитными полями – поскольку фотоны не имеют электрического заряда, они не взаимодействуют с электромагнитными полями.

– Дифракция и интерференция – на кристаллических решётках наблюдается дифракция рентгеновских лучей, что используется в рентгеноструктурном анализе.

– Биологическое действие – рентгеновское излучение способно вызывать необратимые изменения в живых клетках, включая повреждение молекул ДНК. Особенно чувствительны к облучению костный мозг, хрусталик глаза, щитовидная и половые железы, лёгочная ткань.

1.1.5. Источники рентгеновского излучения

Основным источником рентгеновского излучения, применяемым в таможенной технике, является рентгеновская трубка. Конструктивно она представляет собой вакуумированный стеклянный или металлокерамический сосуд, в котором расположены два электрода:

Катод – спираль из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), накаливаемая электрическим током для термоэлектронной эмиссии;

Анод (антикатод) – массивный металлический электрод (часто также вольфрамовый, медный или молибденовый), служащий мишенью для электронов.

Под действием высокого напряжения (обычно от 10 до 100 кВ в таможенных установках) электроны, испускаемые катодом, ускоряются и бомбардируют поверхность анода, генерируя рентгеновское излучение. Излучение рентгеновской трубки частично поляризовано, степень поляризации зависит от длины волны. При выключении тока генерация излучения прекращается практически мгновенно.

Помимо рентгеновских трубок, существуют и другие источники рентгеновского излучения, которые могут встречаться в перспективных разработках или в научно-исследовательских целях:

Синхротронное и ондуляторное излучение – генерируется при движении ускоренных электронов по искривлённой траектории в магнитных полях накопительных колец;

Излучение горячей плазмы – возникает в лабораторных и астрофизических условиях при температурах выше 105К;

Лазеры на свободных электронах.

Однако для таможенной практики эти источники в настоящее время экзотичны, и основное внимание должно быть уделено именно рентгеновским трубкам различных типов и мощностей.

1.1.6. Рентгеновская интроскопия: виды и области применения

Рентгеновская интроскопия (от лат. intro – внутри и греч. skopeo – смотреть) – представляет собой метод неразрушающего контроля, позволяющий визуально наблюдать внутреннюю структуру объектов, непрозрачных для видимого света, путём преобразования рентгеновского теневого изображения в видимое на экране. В таможенном деле интроскопия является основным методом неинтрузивного досмотра.

Виды рентгеновской интроскопии:

По способу формирования изображения различают:

– Трансмиссионная интроскопия (проекционная) – классический метод, при котором объект просвечивается рентгеновским пучком, а прошедшее излучение регистрируется детектором, расположенным с противоположной стороны объекта. Изображение формируется за счёт различной степени ослабления излучения разными участками объекта.

– Интроскопия обратного рассеяния – метод, при котором регистрируется излучение, отражённое (рассеянное) объектом в направлении, близком к направлению первичного пучка. Особенно чувствителен к материалам с низким атомным номером (органика) и позволяет проводить досмотр при одностороннем доступе к объекту.

По типу формирования сканирующего пучка:

Сканирование узким «веерным» лучом – объект последовательно просвечивается узким коллимированным пучком, что снижает дозовую нагрузку и улучшает отношение сигнал/шум;

Сканирование «летящим пятном» – узкий пучок последовательно перемещается по объекту;

Широкопольное просвечивание – объект облучается широким пучком, а изображение регистрируется двумерным детектором.

Области применения рентгеновской интроскопии в таможенном контроле:

– осмотр багажа и ручной клади (рентгенотелевизионные интроскопы);

– осмотр крупногабаритных грузов и автотранспорта (инспекционно-досмотровые комплексы);

– осмотр людей (микродозовые сканеры);

– идентификация веществ методом рентгенофлуоресцентного анализа;

– выявление тайников и сокрытых вложений в конструктивных полостях.

Помимо таможенной сферы, интроскопия широко применяется в медицине (рентгенодиагностика), промышленной дефектоскопии (контроль сварных швов, литья), строительстве, археологии и других областях.

1.1.7. Типовое устройство интроскопа и технология сканирования объекта

Типовое устройство рентгеновского интроскопа

Любая система рентгеновской интроскопии включает следующие основные компоненты:

– Источник рентгеновского излучения – как правило, рентгеновская трубка с системой питания и управления. В современных установках используются импульсные или постоянно-потенциальные источники с возможностью регулировки анодного напряжения и тока.

– Система коллимации – набор свинцовых пластин и щелей, формирующих необходимую геометрию пучка (веерный луч, узкий луч и т.д.).

– Детекторная система – устройство для регистрации прошедшего или рассеянного излучения. Может быть выполнена в виде:

– Линейки детекторов (для сканирующих систем);

– Двумерной матрицы детекторов (для широкопольных систем);

– Радиационно-оптического преобразователя с телевизионной камерой.

– Механизм перемещения (для сканирующих систем) – обеспечивает синхронизированное перемещение пучка и объекта или последовательное сканирование объекта.

– Система сбора и обработки данных – включает аналого-цифровые преобразователи, блоки памяти, компьютеры со специализированным программным обеспечением.

– Система отображения – монитор для вывода изображения оператору.

Технология сканирования объекта

Процесс формирования рентгеновского изображения в современных таможенных интроскопах может быть реализован различными способами. Рассмотрим наиболее распространённые технологии.

Для досмотра крупногабаритных грузов и автотранспорта (ИДК) типична следующая схема:

– объект контроля (автомобиль, контейнер) въезжает в портал или проезжает мимо стационарной установки.

– источник излучения формирует веерообразный пучок, коллимированный в вертикальной плоскости.

– пучок последовательно просвечивает объект по мере его движения через зону контроля.

– прошедшее излучение регистрируется линейкой детекторов, расположенных напротив источника.

– сигналы с детекторов оцифровываются и программно «сшиваются» в двумерное изображение всего объекта.

Для досмотра багажа и ручной клади используются, как правило, рентгенотелевизионные установки конвейерного типа, где объект перемещается внутри защитной камеры, а изображение формируется в реальном времени.

Для досмотра людей применяются микродозовые сканирующие системы, реализующие принцип сканирования плоским веерообразным лучом. Примером может служить разработанная фирмой Адани система рентгеновского контроля «Контур», которая работает следующим образом:

– человек располагается в зоне сканирования;

– веерообразный пучок рентгеновского излучения последовательно (строка за строкой) сканирует объект;

– детекторы регистрируют прошедшее или рассеянное излучение;

– после окончания сканирования (обычно за 3—5 секунд) на экране дисплея формируется полное изображение человека, позволяющее выявить предметы, скрытые под одеждой.

Ключевые характеристики процесса сканирования:

Разрешающая способность – минимальный размер детали, различимой на изображении (для «Контур» – 1,5×1,5 мм);

Скорость сканирования – линейная скорость перемещения пучка (до 40 см/с);

Пропускная способность – количество объектов, досматриваемых за единицу времени (до 3 чел./мин);

Дозовая нагрузка – эффективная доза, получаемая объектом за один досмотр (для систем досмотра людей – не более 0,3 мкЗв, что эквивалентно 10% суточной фоновой дозы).

Важной особенностью современных интроскопов является наличие системы разделения материалов по эффективному атомному номеру, использующей двухэнергетические методы сканирования, что позволяет условно окрашивать на экране оператора органические вещества (в оранжево-коричневые тона), неорганические (в сине-зелёные) и металлы (в тёмно-синие), что существенно облегчает идентификацию подозрительных предметов.

Патентные исследования показывают, что развитие технологий сканирования идёт по пути совершенствования методов двустороннего сканирования, использования защитных экранов для подавления перекрёстных засветок, а также применения дифференциальных дискриминаторов и блоков запоминания для улучшения качества изображения объектов сложной конфигурации.

1.1.8. Двухракурсные интроскопы и КТ-интроскопы

Развитие технологий неинтрузивного контроля закономерно привело к появлению систем, способных формировать более информативные изображения, чем классическая однопроекционная рентгенография. К числу таких систем относятся двухракурсные интроскопы и компьютерные томографы, представляющие собой качественно новые уровни диагностики внутренней структуры объектов.

Двухракурсные интроскопы

Принципиальным ограничением традиционных однопроекционных интроскопов является то, что трехмерный объект «схлопывается» в двумерное изображение, что приводит к эффекту суперпозиции – наложению теней от разных предметов, расположенных на разной глубине вдоль оси просвечивания. В результате оператор не может однозначно определить взаимное расположение предметов, а некоторые объекты могут быть полностью скрыты за более плотными.

Двухракурсные (бипланарные) интроскопы решают эту проблему путем формирования двух изображений объекта в ортогональных проекциях – как правило, горизонтальной и вертикальной. Техническая реализация может быть различной:

Двухтрубчатые системы – используются два источника рентгеновского излучения и две линейки детекторов, расположенные под углом 90° друг к другу.

Одновременное сканирование – объект просвечивается одновременно двумя веерными пучками, формируя два изображения, которые отображаются на отдельных мониторах или совмещаются программно.

Последовательное сканирование – объект сканируется дважды (или используются два прохода), но для таможенных целей предпочтительнее одномоментное получение двух проекций для сохранения пропускной способности.

Ключевые преимущества двухракурсных систем:

– Устранение эффекта суперпозиции – предметы, перекрывающие друг друга в одной проекции, могут быть разделены в другой, что существенно повышает вероятность обнаружения опасных объектов и контрабанды, расположенных в перекрывающихся зонах.

– Определение пространственного положения – по двум ортогональным проекциям можно с высокой точностью определить координаты подозрительного предмета внутри объекта контроля, что критически важно при планировании последующего ручного досмотра.

– Повышение надежности идентификации – двухракурсное сканирование позволяет более точно оценить форму предмета, которая в одной проекции может быть искажена.

– Эффективность для тяжелых грузов – как показывает практика эксплуатации портальных ИДК с двумя ракурсами (боковым и вертикальным), вертикальное просвечивание дает существенные преимущества при досмотре грузов высокой плотности (строительные материалы, рулоны, паллеты), поскольку высота таких грузов в кузове (около 1,5 м) меньше ширины кузова (2,5 м), что обеспечивает лучшее прохождение излучения.

Современные двухракурсные интроскопы, такие как NUCTECH CX6040D или портальные комплексы «Портал 9232» производства «Диагностика-М», демонстрируют высокую эффективность в таможенной практике. Они способны формировать цветные или черно-белые изображения с разделением материалов по эффективному атомному номеру (не менее трех групп веществ) и могут оснащаться системами автоматического обнаружения наркотических и взрывчатых веществ. Пропускная способность таких комплексов для автотранспорта достигает 120 единиц крупногабаритных и 180 единиц легковых автомобилей в час при движении через зону контроля со скоростью 5—10 км/ч.

Компьютерные томографы (КТ-интроскопы)

Наиболее совершенным методом рентгеновской интроскопии на сегодняшний день является компьютерная томография. Если двухракурсные системы дают две проекции, то компьютерный томограф формирует множество проекций под разными углами и на их основе реконструирует полноценное трехмерное изображение объекта.

Принцип работы КТ-интроскопа заключается в следующем:

– Объект контроля (или источник с детекторами) вращается вокруг своей оси, либо используется кольцевая матрица детекторов с вращающимся веерным пучком.

– регистрируются тысячи теневых проекций под различными углами;

– сложные математические алгоритмы (обратное проецирование с фильтрацией, итеративные методы реконструкции) восстанавливают трехмерное распределение коэффициента ослабления в каждом элементарном объеме (вокселе) объекта;

– полученный 3D-массив данных может быть представлен в виде произвольных сечений, объемных моделей или классических двумерных проекций с возможностью вращения.

В последние годы наблюдается активное внедрение КТ-технологий в системы досмотра. Управление транспортной безопасности США (TSA) с 2024 года осуществляет планомерную установку КТ-сканеров нового поколения в контрольно-пропускных пунктах аэропортов. Ключевые преимущества КТ-интроскопов в таможенном контексте:

– Полное устранение эффекта суперпозиции – трехмерное изображение позволяет рассматривать объект с любой стороны, что исключает маскировку запрещенных предметов за другими объектами.

– Точная оценка плотности и эффективного атомного номера – томографические данные позволяют более точно классифицировать материалы по их физическим характеристикам.

– Автоматическое обнаружение угроз – современные КТ-системы оснащаются алгоритмами машинного обучения, способными автоматически идентифицировать взрывчатые вещества, наркотики и другие опасные предметы на основе их трехмерной формы и плотности.