Ну что, заключительная часть. В прошлых постах мы пульнули рентгеном и просветили условный чемодан. В этой разберёмся, как зарегистрировать результат.
Рентген и гамма-излучение являются высокочастотным электроизлучением - светом по сути. Приём принципиального различия между рентгеном и гаммой нет, исторически такое разделение сложилось и зависит от уровня энергии кванта.
В контексте данного поста нам важны два понятия:
- сцинтилляционный детектор;
- фотодетектор;
- интегратор.
Поговорим про них сначала по отдельности.
Сцинтилляторами называют вещества, способные к излучению света в видимом диапазоне под действием ионизирующего излучения. Происходит это благодаря следующим явлениям:
1. Комптон-эффект. Летел, летел себе квант рентгена. И тут встречается ему на пути атом со своими электронными оболочками. И электроны такие "Нука тормозни, пацанчик, энергия есть?". И начинают взаимодействовать с нашим мимокрокодилом. Квант влетает в электрон, передаёт ему часть своей энергии и отлетает под углом от первоначального направления в подизносившемся виде, т.е. с меньшей энергией. Электрон на радостях возбуждается, перепрыгивает на более высокий энергетический уровень, там решает потратить вновь приобретённую энергию (ведь всё стремится к состоянию с наименьшей суммой энергий) и, испустив квант электромагнитного излучения, возвращается к своим. А как мы помним из предыдущего поста, частота и энергия связаны напрямую, поэтому частота нового кванта излучения напрямую зависит от энергии, которую потерял первоначальный гамма-квант, значит длинна волны будет с каждым таким взаимодействием возрастать, частота снижаться, и так пока мы не дойдём до излучения в видимом диапазоне.
2. Фотоэлектронное поглощение. Если первоначальный квант был сильно борзый (с энергиями за 1МэВ), то он самовыпиливается, при этом выбрасывая электрон за пределы атома. А поскольку в веществе на более-менее макроуровне всё строится на принципе "Есть электрон? А если найду?", то этот выпнутый бродяга рано или поздно где-то зацепится там, где электронов не хватило, по пути, возможно, провзаимодействовав с ядрами других атомов, где притормозив выделит энергию по тому же механизму, что был описан в предыдущем посте. Тут он может светануть как новым квантом рентгена меньшей энергии, так и квантом видимого света. Всё зависит от того, сколько у него было энергии на момент выхода из атома (разница энергий первоначального кванта и энергии связи электрона с ядром).
3. Формирование электрон-позитронной пары. Ага. Антивещество. Очень заметный эффект на энергиях кванта больше 3МэВ. При меньших энергиях работают в основном первых два эффекта, а ниже 1,022МэВ данный эффект невозможен в принципе. Ключевой фактор тут - энергия кванта должна быть вдвое выше энергии покоя электрона. Е=2mec^2. Знакомая формула? :-) И если в предыдущих случаях первоначальные кванты взаимодействовали с шестёрками-электронами, то теперь, видя всю серьёзность прущего кванта, в дело вступает самый здоровый из этой тусовки - ядро атома. Оно кастует в своём поле "виртуальный фотон", об который квант сбрасывает энергию в 1,022МэВ, рождая электрон и позитрон, которые затем схлопываются (аннигилируют), а победневший первичный квант прёт дальше, к двум описанным выше эффектам. При этом так же испускается квант излучения с той же энергией в 1,022МэВ. Вероятность рождения пары в таком процессе пропорциональна квадрату заряда ядра. Вообще в квантовом мире везде приходится оперировать вероятностью. Может захватит, может не захватит. Поэтому подбираетя баланс между энергиями квантов в генераторе и предполагаемым набором исследуемых объектов. Инач может возникнуть ситуация, когда все кванты сожрал тестируемый объект и д одетектора ничего не долетело, либо наоборот - объект прошибло навылет, ничего не задержав.
Короче, как можно понять из вышесказанного, первоначальные кванты рентгена (или гаммы) постепенно теряют свою энергию, порождают низкоэнергетические новые кванты и так до тех пор, пока не дойдём до видимого спектра.
С процессами разобрались. Так вот, какие же вещества обладают нужными нам свойствами? Для начала - они должны быть прозрачными, чтобы выпустить свет наружу. На самом деле, среди них хватает как вполне обыденных: нафталин (средство от моли), антрацен (применяют для красителей), сульфид кадмия (пигмент в красках), так и тех, что создавались специально для этих нужд. Среди них наиболее часто применяют:
- NaI(Tl);
- CsI(Tl);
- CdWO4;
- GOS-керамика.
Но и у них есть проблемы. NaI имеет хороший световыход, но гигроскопичен и имеет большое послесвечение, что ограничивает максимальные частоты, на которых можно провести сканирование. CsI так вообщ фосфоресцирует. CdWO4 обладает хорошими механическими свойствами, малым временем послесвечения, однако световыход его понижен. Короче хватает нюансов.
Вот так выглядит кристалл из вольфрамата кадмия:
Если не знать - от какого-нибудь акрила можно отличить только по весу. Этот кристалл идёт в каргосаны, размер пикселя 4х4мм, длинна кристала 30. Собирает рентген в торец.
Вообще в системах на две энергии обычно применяют различные типы сцинтилляторов. чтобы эффективно ловить разные энергии излучений.
Ладно, излучение мы поймали, получили свет. Теперь свет нужно собрать. А собрать можно разными приборами:
Фотоэлектронным умножителем, в сканерах не используется, зато очень хорошо себя показывает в радиометрах, где нужно ловить отдельные кванты света - он их "размножает" в тысячи раз. Очень чувствительная вещь.
Дальше следуют фотодиоды. Их применяют в багажках практически всегда. Вот в таком виде чаще всего и приходят:
На этой плате 16 фотодиодов (по два на кристалле). Здесь размер пикселя 2,5х4мм.
А вот это уже две платы по 16 фотодиодов по 1,6мм на пиксель. Слева - низкоэнергетическая, справа - высокоэнергетическая.
На ниху уже приклеены сцинтилляторы. Белое покрытие - светоотражающий компаунд. Его задача вернуть фотоны, пытающиеся свалить из кристалла, обратно. И заставить их влететь в фотодиод. А чтобы фотоны из одного села пикселя не летели в соседний и не портили там всю малину. таким же составом кристалики разделяют и между пикселями. Низкоэнергетический сцинтиллятор тольше и выполнен из GOS-керамики, высокоэнергетический уже толще и сделан из NaI(Tl). Платки имеют разную ширину, т.к. их нужно собирать в бутерброд одну над другой:
Плата, служащая в этом "бутерброде" маслом и скрепляющая всё, не показана.
Представьте, что вы - это пучок рентгена, летящий в этот бутер снизу вверх. Вы влетаете в низкоэнергетический сцинтиллятор, где часть ваших самых слабых фотонов теряется, а остальные. кто пободрее, летят дальше. Тут на вашем пути встаёт преграда - медный фильтр, который забирает на себя каким-то чудом оставшиеся в живых низкоэнергетические фотоны. Тут фильтр на фотке не показан. Дальше ваш путь лежит прямиком в высокоэнергетический сцинтиллятор, где в идеале должны осесть остальные фотоны.
Ещё, когда нужно получить высокое пространственное разрешение. могут применяться ПЗС-матрицы и линейки, но в сканерах багажа их не применяют - это в медицину и дефектоскопию.
Ну и непростая задача - согласовать спектральный максимум высвечивания сцинтиллятора со спектральным максимумом поглощения фотодиода. Т.е. если наш сцинтиллятор светит в 550нм (красный), то и фотоприёмник должен быть максимально чувствительен именно к 550нм, иначе процесс будет происходить неэффективно. Это как пытаться собрать паззл из четырёх кусочков, в котором есть каждого кусочка 20 вариаций и все одинаковые, но чуть-чуть разные.
Всё, 2/3 работы выполнено. Мы получили свет и преобразовали его в фотодиоде в ток. Именно в ток, а не в напряжение. Такова судьба фотодиода - быть источником тока. Дальше нам нужно определить количественно, сколько тока прёт. И этот процесс уже является точной калькой с классической фотографии. ВЫДЕРЖКА. Оно же интегрирование. И происходит оно, как не странно, в интеграторе )
Что за зверь такой и с чем его едят? Вспомним старшие классы и физический смысл интеграла - определение количества чего либо: площади под фигурой, объёма и т.д. В нашем случае, пустив на вход интегратора ток и управляя интегратором в плане времени выдержки, мы определим количественную характеристику тока - заряд, который прошёл через фотодиод за время выдержки. Смысл выдержки ровно такой же, как и в фотографии - подогнать имеющуюся интенсивность светового потока к имеющейся чувствительности фотодетектора. Проводя аналогии - при слабом освещении и малой выдержке кадр будет чёрным, при большом световом потоке и большой выдержке будет засветка. Важно подобрать баланс. И тут те же самые инструменты: можно регулировать чувствительность фотоприёмника (аналог ISO) иможно регулировать выдержку. Следствия те же самые.
В среднем это выглядит вот так:
В качестве интегрирующего элемента выступают конденсаторы, т.к. они могут накапливать заряд, при этом на выводах кондёра меняется напряжение, причём в определённом диапазоне вполне нинейно. Переключая конденсаторы можно менять чувствительность интегратора - чем больше ёмкость конденсатора, тем медленнее нарастает напряжение, значит и чувстсвиельность ниже. За отслеживание этого изменения отвечает операционный усилитель, который меняет напряжение на своём выходе. Почему нельзя сразу снимать напругу с кондёра? Дело в том, что любые электронные элементы имеют входной ток, который будет тырить полезные электроны обратно с кондёра. И чем этот ток меньше, тем лучше. А операционный усилитель по природе своей имеет входное сопротивлене. стремящееся к бесконечности, а по закону Ома это означает, что входной ток его будет стремиться к нулю. Получаем систему, которая практически не влияет на измеряемую величину самим фактом измерения.
Интеграторы могут быть выполнены как в виде отдельных микросхем, так и входить в состав других приборов - например фотодиодной сборки:
В этом случае на плате 128 фотодиодов по 0,4мм. Физически сложно каждый из них подключить к отдельному интегратору - проще сделать такой чип, который приварить сразу к фотодиодной линейке, а выходы интеграторов от кажого фотодиода сделать переключаемыми (чтобы не тянуть те же 128 дорожек дальше).
А может быть в составе микросхемы аналогово-цифрового преобразователя.
Так вот. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Это такая чудо-штука, которая и преобразует напряжение в понятные компьютеру нули и единицы. Если не вдаваться в подробности физической реализации. то он приводит величину из заданного аналогового диапазона к величине из поставленного ему в соответствие цифрового диапазона. Например:
Имеем входной сигнал в 1 вольт. Аналоговый диапазон задаётся опорным напряжением, подаваемым на АЦП. Для удобства пусть это будет 4,096 В. И пусть АЦП имеет разрадность 12 бит, т.е. 4096 значений (0-4095). Т.е. 4,096 вольта = 4095 в выдаваемом АЦП коде, 0 вольт = 0. Что мы получим для одного вольта? А получи мы (1В/4,096В)*4095=999,76. Но поскольку сотые доли конструкцией не предусмотрены, то они отбросятся и получим число 999. Это в идеальной ситуации. На практике же младшие разряды АЦП всегда шумят. Для АЦП в 20 бит шум в младших двух или трёх разрядах - это вполне себе неплохо. Т.е. в контексте нашего примера если бы мы получили в пределах 999+/-4, то это уже норм.
Вот мы и получили величину значения пикселя на нашем изображении. Собираем пиксели в линейку:
Вешаем всё это добро на плату, которая отвечает за сбор данных в пакетики и отправки их куда следует. Та в свою очередь склеит пиксели в строчку и выплюнет её на комп оператору, где в буфер ляжет очередной столбец изображения. А выплюнуть всё это тоже непросто - например в багажках формата 60х40см имеется 1280 пикселей. Каждый из них имеет изначально разрядность в 20 бит, но должен быть дополнен до вида, который воспринимается процессорами обычных ПК - 32 бита. Имеем 1000 "нарезок" в секунду. Итого нужно обеспечить среднюю пропускную способность в 32*1280*1000=40Мбит/с. Но это среднюю. На самом же деле окно для передачи одной строки строго ограничено и для такой же конфигурации багажки составляет всего 310мкс, что поднимает требования к мгновенной пропускной способности линии данных до 130Мбит/сек. Вы когда-нибудь пробовали ДЁШЕВО принять, обработать и пропихнуть такие объёмы информации в такой ограниченный срок? Вот и не пробуйте ) А то ещё подсядете на иглу FPGA и станете презирать процессоры )
На сим заканчиваю. Кому что осталось не ясно - задавайте вопросы.
