Рентгеновский досмотровый аппарат. Как он устроен? Получаем рентген.
С понедельником всех, будь он проклят. Даю вторую часть.
Сегодня, как можно понять из заголовка, речь пойдёт о применяемых в досмотровых комплексах источниках рентгена.
Но сначала небольшое дополнене к предыдущему посту - наглядный снимок тест-объекта в двух режимах.
Моноэнергетический:
Двуэнергетический:
PM - полимер
Al - алюминий
Fe - железо
Как можно видеть, в одноэнергетическом режиме некоторые тест-объекты неразличимы, а вот в двуэнергетическом уже можно понять, где что )
Теперь продолжим тереть за источники. Их мы применяем два вида: рентгеновская трубка и бетатрон. Оба основаны на явлении тормозного рентгеновского излучения.
Обратимся к формулировке из педивикии:
Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле.
Отсюда можем понять, что необходимо для получение этого излучения:
- заряженная частица;
- электрическое поле;
- частица затормаживается, значит сначала её нужно привести в движение.
Заряженных частиц в нашей обыденной жизни есть две: протон и электрон. А поскольку ускорение обратно пропорционально массе, то при торможении электрона в том же поле можно получить куда более интенсивное излучение. Да и поток электронов получить намного проще.
Чем же будем тормозить наши электроны? А тормозить мы их будем об атомные ядра! Ну а что? Заряд у них имеется.
Ну а приводить в движение будем электростатическим полем. В сотни киловольт. Иногда в десятки сотен (но это не точно).
В маломощных генераторах используется рентгеновская трубка. Ниже её схематическое изображение.
К аноду и катоду прикладывается большое напряжение - чем оно выше, тем большие энергии электронов и излучения мы получим. Оно и разгоняет наши заряженные частицы. Но само по себе напряжение не даст нам ничего - нужны свободные электроны, т.е. ток. А их можно получить путём разогрева катода - на нас начинает работать явление термоэлектронной эмиссии, когда сообщённая телу теплода несёт достаточно энергии, чтобы электроны могли покинуть бленный металл и начать кучковаться у его поверхности. Тут мы подаём ускоряющее напряжение и оно уносит их в далёкие дали - прямо в сторону анода. А анод сделан из вещества с большим зарядом ядра, об который и расшибаются электроны.
Картиночка с тормозящим электроном:
Энергия излучения получается из двух составляющих: скорости электрона и заряда ядра. Описывается двумя уравнениями:
Энергия фотона:
Е = h∙ν
Где E - энергия фотона, h - постоянная Планка, ν - частота излучения)
И закона Мозли:
Где M и a - константы, Z - число протонов в ядре.
Как мы видим, энергия кванта излучения напрямую зависит от частоты, а частота - напрямую от заряда ядра. А чем выше энергия, тем более массивные ядра мы этим квантом можем "простреливать" при той же мощности излучения.
Делаем заметочку - массивный анод - это хорошо. И делаем его из вольфрама ).
Разогнали электроны, расшибли их об анод, получили рентген - всё просто. Получаем широкополосное излучение с максимальной энергией, обусловленной напряжением на аноде и зарядом ядра мишени.
А вот так выглядят те самые рентгеновские трубки:
Слева на 100кВ, справа на 160кВ. Анод в процессе работы сильно разогревается и требует охлаждения, поэтому мишень сидит на медном цилиндре и снарузи имеет алюминиевую блямбу. через которую и происходит теплосъём. Например у правой трубке мощность, рассеиваемая на аноде, может достигать 320 Ватт.Излучение выходит через берилиевое окошко (круглая "шайба" внутри второй трубки"). Бериллий почти прозрачен для рентгена и задерживает только совсем уж низкоэнергетическе кванты, которые не дают полезной информации на снимке. Могут применяться и другие материалы, зависит от задачи. Например в мелкой трубке для фильтра применён титановый поясок.
Теперь про бетатрон. Он же "бублик". Основные принципы те же, вот только электроны разгоняются уже не линейно, а циклически. Вот он:
В применяемых нами бетатронах мы получаем энергии электронов до 7,5 МэВ. А самое интересное, что для таких энергий не требуется столь высокого напряжения. Весь секрет в том, что это по сути маленький ускоритель частиц. Он представляет собой стеклянный циклобатон, порытый изнутри проводящим слоем и помещённый в магнитное поле. В него инжектируются электроны. которые собираются в пучок внутри бублика и разгоняются по кругу, на каждом пролёте к ним добавляется ещё немного энергии за счёт ускорения вихревым магнитным полем. Позволю себе слизать формулировку из педивикии:
Бетатрон работает подобно трансформатору, у которого вторая обмотка состоит из одного витка — ускоряемых частиц в камере.
Разогнали пучок, отпустили его и дали вылететь из бублика. Там он расшибётся о мишень и дальше по тем же чертежам, что и с трубкой. Главное отличие от трубки - бетатрон может работать только в импульсном режиме. В собранном виде он представляет собой примерно пятидесятилитровый цилиндр, состоящий из бублика, системы электромагнитов и мишени. И заключённый в пять-шесть тонн свинца. И валит с него под 9 рентген в час
Вот собственно "бочка" и блок питания к ней:
Кстати о свинце. Т.е. об обеспечении биологической защиты. Казалось бы, бери да закрывай всё тем же свинцом, чтобы в стороны не светило. И тут мы сталкиваемся с большой проблемой - высокими электрическими напряжениями. Просто так трубку в свинец замотать нельзя - начнёт прошивать. Вообще на таких высоких напряжениях пересматриваешь свои взгляды на вещи. Например выясняется, что резиновые шланги применять нежелательно - сажа в составе не совсем качественной резины уже проводит. Да и в воздухе всё это висеть не оставишь - тоже пробьёт. И начинаются изыскания в поиске материалов.
Но давайте рассмотрим эти проблемы по отдельности.
Итак. Высокие напряжения. Самым простым способом защититься от пробоя - поместить всё в изолирующую среду, чаще всего это трансформаторное масло. Заливаем им генератор, и всё хорошо. Но нет. Оказывается масло, постоявшее час на открытом воздухе. успевает насосаться влаги из воздуха, как и самого воздуха. Собираем вакуумную камеру, где обезвоживаем и обезгаживаем масло. Заливаем его через фильтр в генератор. ОК. Всё вроде нормально.
Дальше биологическая защита. Многие в курсе, что хорошей защитой является свинец. Однако он проводит - нужно чем-то заменить. Вот только чем? Не проводят полимеры. Вот только запрос в любом поисковике по теме "рентгеннепрозрачный пластик" ничего не даёт. Тут приходим к мысли. что не обязательно использовать свинец в металлическом виде. Отлично подойдут оксиды свинца, главное, чтобы они были стабильными и не насасывали влаги. Решение - компаунд из полиэфирных смол и ортоплюмбата свинца (он же свинцовый сурик, оранжевый пигмент, который до сих пор применяют в корабельной краске, т.к. он является хорошим антикорозионным средством).
Отливаем защиту, помещаем в неё трубку. Лепота.
Проблему с защитой и электропроводностью мы решили. Теперь появляется проблема с охлаждением - масло в корпусе не циркулирует. Ставим циркуляционный насос. после чего начинает прошивать генератор. Всё потому, что шланг к насосу резиновый. Закупили не тот - меняем на полипропиленовый, его не шьёт.
А, собственно, чем шьёт то? Откуда у нас получается высокое напряжение?
дамы и господа, представляю вам выпрямитель с умножением напряжения:
Конкретно этот экземпляр - старый аппарат немецкого производства на 160кВ. Умножителей тут два - катодный и анодный. Благодаря такой схеме максимальное напряжение между входными кабелями генератора и внутренними частями будет уже не 160, а 80 кВ, снижаются требования к элементам. Имеем две симметричных половинки. Подаём переменку порядка 400 вольт на трансформатор, который раскачивается до 5-7 кВ, которые идут на умножитель, с которого снимается уже 80. Контроль напряжения осуществляется через резисторы обратной связи (длинные синие стержни).
Перевернём эту шайтан-трубу:
А вот и рентгеновская трубка. А слева - трансформатор накала катода.
Управляется генератор с внешнего блока питания и управления. Управляется по двум параметрам: ток трубки и напряжение трубки.
С напряжением всё просто - оно указывается напрямую. А вот с током есть нюанс. Дело в том, что трубка имеет одну особенность: если увеличить напряжение, ток не увеличится. Чтобы понять, почему это происходит, давайте вспомним школьную физику. Нас интересует термоэлектронная эмиссия, ток и заряд. Ток - это заряд за единицу времени. А заряд - это количество электронов. А количество электронов у нас чётко определяется температурой катода - пока его не подогреем сильнее, ток не вырастет, как ты не старайся.
Поэтому ток трубки управляется опосредованно - через ток накала. А накал имеет инерцию, которую надо учитывать, чтобы через обратную связь. по которой мы всё меряем, не произошло возбуждение генератора (прямо как в звуковых усилителях, только в них вы просто слышите неприятный свист, а тут сгорит трубка за штуку зелени).
А вот так выглядит генератор в технологическом корпусе:
Тут появляется ещё один обязательный элемент любого источника для сканирующих систем: свинцовый коллиматор, который ограничивает пучок излучения и формирует из него веер. Для удобства юстировки он делается широким - порядка 4-5мм, а после него, уже на корпусе багажки, ставится вторичная щель, сужающая пучок до требуемой ширины.
Ну в общем как-то так. Осталась третья часть - детекторы.
