Радиационная безопасность при эксплуатации источников ионизирующих излучений. Учебник

1.1. Физические основы рентгеновской интроскопии

Понимание физических принципов, лежащих в основе работы досмотровой рентгеновской техники, инспекционно-досмотровых комплексов и иных устройств, генерирующих ионизирующее излучение, является фундаментальной основой профессиональной компетенции должностных лиц таможенных органов. Без глубокого осознания природы процессов, происходящих при взаимодействии излучения с веществом, невозможно ни эффективное применение технических средств, ни тем более осознанное обеспечение радиационной безопасности. Настоящий раздел посвящен рассмотрению базовых понятий и закономерностей, знание которых необходимо для последующего изучения номенклатуры оборудования, принципов его работы и мер защиты.

1.1.1. Виды ионизирующих излучений

В самом широком смысле ионизирующее излучение – представляет собой излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков, то есть к ионизации атомов и молекул. Способность вызывать ионизацию является ключевым свойством, определяющим как возможность регистрации излучения, так и его биологическое действие на живые организмы.

Не всякое излучение является ионизирующим. Например, видимый свет или радиоволны относятся к неионизирующим излучениям, поскольку их энергия недостаточна для вырывания электронов из атомов. Граница ионизации для большинства веществ лежит в области энергий выше 10—12 электронвольт (эВ), что соответствует ультрафиолетовому излучению и выше.

По своей природе ионизирующие излучения подразделяются на два основных класса: корпускулярные (потоки элементарных частиц) и фотонные (потоки квантов электромагнитного излучения).

Корпускулярные виды излучений

К данной категории относятся потоки частиц, обладающих массой покоя. Для таможенной практики наиболее значимыми являются следующие:

– альфа-излучение (α-излучение) – представляет собой поток ядер гелия-4, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Эти частицы обладают большой массой, значительным электрическим зарядом (+2) и сравнительно невысокой скоростью. Вследствие этих свойств альфа-частицы имеют очень высокую ионизирующую способность (создают огромное количество ионов на единице пути), но крайне малую проникающую способность. В воздухе пробег альфа-частиц составляет всего несколько сантиметров, а обычный лист бумаги или роговой слой кожи полностью их задерживают. В контексте таможенного контроля альфа-излучающие нуклиды (например, плутоний-239, уран-235) представляют опасность преимущественно при внутреннем облучении, то есть при попадании внутрь организма с вдыхаемым воздухом, пищей или через открытые раны;

– бета-излучение (β-излучение) – представляет собой поток электронов (β⁻) или позитронов (β⁺), испускаемых при радиоактивном распаде. Масса бета-частиц значительно меньше массы альфа-частиц, а заряд равен элементарному (единице). Ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем у альфа-излучения, но проникающая способность – выше. В воздухе пробег бета-частиц может достигать нескольких метров, а для защиты от них часто достаточно слоя алюминия толщиной в несколько миллиметров или неброского стекла. Бета-излучение способно проникать через поверхностные слои кожи и вызывать радиационные ожоги, а также представляет – опасность при внутреннем облучении;

– нейтронное излучение (n-излучение) – поток нейтронов – электрически нейтральных частиц, образующихся в ядерных реакциях (например, при делении ядер или в реакциях синтеза). Отсутствие заряда обусловливает уникальные свойства нейтронов: они практически не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и могут глубоко проникать в вещество, сталкиваясь преимущественно с ядрами. Ионизация при нейтронном облучении создается вторично – за счет выбитых из атомов заряженных частиц или возникающего гамма-излучения. Проникающая способность нейтронов очень высока, и для их защиты требуются материалы, содержащие легкие ядра (вода, полиэтилен, бетон). В таможенном деле нейтронное излучение может регистрироваться как признак наличия делящихся материалов (например, при спонтанном делении ядер калифорния-252) и, как было отмечено во введении, используется в перспективных системах неинтрузивного контроля.

Фотонные виды излучений

Фотонное излучение представляет собой поток электромагнитных квантов, не имеющих массы покоя. К нему относятся два вида, неразличимых по своей физической природе, но различающихся по происхождению:

– Гамма-излучение (γ-излучение) – представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое при ядерных превращениях, при переходе ядер из возбужденного состояния в основное. Гамма-излучение сопровождает большинство процессов радиоактивного распада. Оно обладает высокой проникающей способностью и распространяется со скоростью света.

– Рентгеновское излучение (Х-излучение) – также представляет собой электромагнитное излучение, но возникает при торможении заряженных частиц (обычно электронов) в электрическом поле атомов вещества (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов (характеристическое рентгеновское излучение). Энергетический диапазон рентгеновского излучения частично перекрывается с гамма-излучением. Ключевое различие – в природе происхождения: гамма-излучение – результат ядерных процессов, рентгеновское – результат взаимодействия электронов с веществом. Именно рентгеновское излучение является рабочим инструментом подавляющего большинства технических средств таможенного контроля.

1.1.2. Источники ионизирующих излучений

Источники ионизирующего излучения (ИИИ) – представляют собой объекты, содержащие радиоактивный материал или техническое устройство, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение. В зависимости от происхождения излучения все ИИИ можно разделить на три большие группы.

1. Природные источники

Человек на протяжении всей эволюции подвергается воздействию естественного радиационного фона, который создается:

– 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.

– Упрощение процедуры досмотра для пассажиров – при использовании КТ-сканеров для ручной клади пассажирам разрешается оставлять в сумках электронику и жидкости, что ускоряет прохождение контроля.

Важное отличие таможенных КТ-интроскопов от медицинских томографов заключается в конструкции защиты. Досмотровые томографы имеют значительно более мощное экранирование – защитой покрыта почти вся зона сканирования, включая ленту транспортера, тогда как в медицине стол пациента не экранируется, что обеспечивает минимальные уровни излучения в зоне нахождения персонала. Доза излучения рядом с такими устройствами согласно федеральным нормам ограничена значением 1,3×10⁻⁷ Кл/кг на расстоянии 5 см от устройства, а фактические измеренные уровни значительно ниже – около 2,1×10⁻¹¹ Кл/кг за один цикл сканирования.

Перспективным направлением является разработка высокоэнергетических КТ-систем для досмотра крупногабаритных грузов. Европейский проект MULTISCAN 3D (2021—2025 гг.) исследует возможность создания 3D-рентгеновского томографа на основе лазерно-плазменных ускорителей для инспекции крупногабаритных контейнеров, совместимого с требованиями быстрых таможенных процессов. Такие системы позволят преодолеть ограничения современных методов планарного сканирования, которые уже не в полной мере отвечают вызовам, связанным с растущим разнообразием материалов и способов сокрытия контрабанды.

1.1.9. Особенности проникающего сканирования и сканирования методом регистрации обратно рассеянного излучения

Два основных физических принципа, лежащих в основе рентгеновской интроскопии – регистрация прошедшего излучения (трансмиссионный метод) и регистрация обратно рассеянного излучения (метод обратного рассеяния) – имеют принципиальные различия, определяющие области их применения и требования к обеспечению безопасности.

Проникающее (трансмиссионное) сканирование

Как подробно рассматривалось ранее, при трансмиссионном сканировании источник и детектор располагаются по разные стороны объекта. Изображение формируется за счет различной степени ослабления излучения при прохождении через материалы разной плотности и атомного состава.

Ключевые особенности:

– чувствительность к плотным материалам – трансмиссионный метод наилучшим образом выявляет предметы из металлов и других материалов с высоким атомным номером, а также позволяет оценить общую заполненность объекта;

– оценка толщины и плотности – степень ослабления излучения пропорциональна интегральной плотности на пути луча, что дает информацию о массе и толщине просвеченных материалов;

– двухэнергетический режим – современные трансмиссионные системы используют два уровня энергии излучения для разделения материалов по эффективному атомному номеру, окрашивая органику, неорганику и металлы в разные цвета;

– высокая проникающая способность – для мощных систем (линейные ускорители) возможен контроль объектов с толщиной стали до 320—400 мм.

Ограничения:

– требуется двусторонний доступ к объекту (размещение детекторов с противоположной стороны);

– слабая чувствительность к органическим материалам малой плотности на фоне плотных предметов;

– эффект суперпозиции (наложения теней) частично компенсируется двухракурсными и томографическими системами.

Сканирование методом обратного рассеяния

Принципиально иной подход реализуется в системах обратного рассеяния, где источник и детекторы расположены с одной стороны объекта. Регистрируется излучение, испытавшее комптоновское рассеяние в материале и вернувшееся в направлении, близком к направлению первичного пучка [рассмотрено в предыдущем разделе, посвященном ИДК обратного рассеяния].

Ключевые особенности:

– Высокая чувствительность к органике – вероятность комптоновского рассеяния максимальна для материалов с низким атомным номером, что позволяет с исключительной контрастностью выявлять наркотические средства, взрывчатые вещества, табачные изделия, валюту и другие органические контрабандные товары.

– Односторонний доступ – возможность проведения досмотра при доступе только с одной стороны объекта делает технологию незаменимой для контроля крупногабаритных объектов, стационарно установленных конструкций, стен, дверей, а также в ситуациях, когда доступ к обратной стороне невозможен.

– Выявление приповерхностных предметов – метод наиболее эффективен для обнаружения предметов, расположенных вблизи поверхности объекта (тайники в дверных панелях, пустотелых элементах каркаса, шинах, под обшивкой).

– Мобильность – существуют компактные портативные версии систем обратного рассеяния, позволяющие проводить досмотр в труднодоступных местах и полевых условиях.

Ограничения:

– ограниченная глубина анализа – эффективная глубина, с которой регистрируется обратно рассеянное излучение, составляет несколько сантиметров (зависит от плотности материала);

– сложность интерпретации изображений – изображения обратного рассеяния менее привычны для операторов и требуют специальной подготовки;

– более высокие уровни рассеянного излучения в зоне нахождения персонала, что требует особого внимания к радиационной защите.

Сравнительный анализ и комбинированное применение

В современной таможенной практике наблюдается тенденция к созданию комбинированных систем, объединяющих оба метода. Такие гибридные комплексы позволяют:

– получать одновременно трансмиссионное изображение (для оценки общей структуры и выявления плотных включений) и изображение обратного рассеяния (для обнаружения органики в приповерхностных слоях);

– сопоставлять два типа изображений для более надежной идентификации подозрительных областей;

– компенсировать недостатки одного метода преимуществами другого.

Примером может служить мобильный ИДК нового поколения на базе автомобиля КАМАЗ, представленный «Росэлектроникой» в 2020 году, алгоритм которого способен автоматически «вычитать» стенки контейнера, чтобы исключить возможность «закладок» в металлическом корпусе, что подразумевает использование, в том числе, методов обратного рассеяния для контроля приповерхностных слоев.

Актуальность для радиационной безопасности

С точки зрения обеспечения радиационной безопасности принципиально важно понимать различия в формировании радиационной обстановки при работе этих двух типов систем:

Трансмиссионные системы – основная опасность связана с прошедшим через объект излучением, которое может создавать высокие мощности дозы за объектом. Однако при правильной организации зон доступа и наличии защитных ограждений персонал находится вне прямого пучка. Дополнительный вклад дает рассеянное от объекта и окружающих предметов излучение.

Системы обратного рассеяния – значительная часть рассеянного излучения направлена в сторону оператора и окружающего пространства, что создает специфическую радиационную обстановку, при которой уровни излучения в зоне нахождения персонала могут быть выше, чем у традиционных систем. Особого внимания требует защита хрусталиков глаз, щитовидной железы и кожи.

КТ-системы – при вращающейся геометрии сканирования рассеянное излучение распределяется более равномерно по всем направлениям, но благодаря усиленному экранированию рабочей зоны уровни облучения персонала минимальны.

Для должностных лиц, ответственных за организацию радиационной безопасности, важно при планировании размещения оборудования и организации рабочих мест учитывать эти особенности и применять соответствующие меры защиты, включая индивидуальный дозиметрический контроль с учетом специфики каждого метода сканирования.

1.1.10. Использование рентгеновских интроскопов в целях таможенного контроля

Применение рентгеновской интроскопии в таможенном деле занимает особое место среди методов неинтрузивного контроля, поскольку именно эта технология позволяет в кратчайшие сроки получать достоверную информацию о содержимом объектов контроля без их вскрытия и разгрузки. Значение интроскопии для таможенной практики трудно переоценить – она стала тем инструментом, который качественно изменил саму философию досмотра, превратив его из трудоемкой процедуры физического обследования в высокотехнологичный аналитический процесс.

В соответствии с рекомендациями Всемирной таможенной организации, закрепленными в Рамочных стандартах безопасности, использование технологий неинтрузивного контроля признается важнейшим фактором упрощения процедур торговли при одновременном повышении эффективности контрольных мероприятий. Рентгеновские интроскопы позволяют таможенным органам оперативно подтверждать или опровергать результаты оценки рисков, что значительно сокращает количество нецелесообразных физических досмотров и, как следствие, снижает временные издержки участников внешнеэкономической деятельности.

В практической деятельности таможенных органов рентгеновские интроскопы решают широкий спектр задач. Они применяются для обнаружения наркотических средств, взрывчатых веществ, оружия, контрабандных товаров, предметов, запрещенных к перемещению через границу, а также для выявления тайников и сокрытых вложений в конструктивных полостях транспортных средств и грузов. Возможность обнаруживать предметы размером в несколько сантиметров в многометровых контейнерах или железнодорожных вагонах делает интроскопию незаменимым инструментом в борьбе с трансграничной преступностью.

1.1.11. Перечень технических средств таможенного контроля, содержащих генерирующие источники ионизирующего излучения

Современный арсенал технических средств таможенного контроля, относящихся к классу источников ионизирующего излучения генерирующих, отличается большим разнообразием как по конструктивному исполнению, так и по функциональному назначению. Все эти устройства объединяет общий принцип действия – генерация рентгеновского излучения за счет ускорения электронов и их взаимодействия с веществом анода, однако условия эксплуатации, требования к безопасности и методики применения каждого типа техники имеют свою специфику.

Наиболее многочисленную группу составляют рентгенотелевизионные установки для досмотра багажа и ручной клади – интроскопы конвейерного типа, которые можно встретить практически в каждом аэропорту, на вокзалах и в пунктах пропуска через государственную границу. Эти устройства представляют собой защищенную камеру с движущейся лентой, внутри которой расположены рентгеновская трубка и детекторная система. Объект контроля перемещается по конвейеру, просвечивается веерным пучком излучения, а прошедшее излучение регистрируется линейкой детекторов, формируя на экране оператора теневое изображение содержимого. Современные модели, такие как «Сапфир-ИР6550» производства холдинга «Швабе», способны сканировать отправления весом до 160 кг за одну операцию и обладают функциями автоматической сигнализации при обнаружении материалов высокой плотности.

Для досмотра крупногабаритных грузов, автотранспорта, железнодорожных вагонов, авиационных и морских контейнеров применяются инспекционно-досмотровые комплексы (ИДК), представляющие собой принципиально иной класс оборудования. В зависимости от условий эксплуатации ИДК могут быть стационарными, размещаемыми в специально оборудованных боксах на бетонных фундаментах, мобильными, смонтированными на шасси грузовых автомобилей или трейлеров, и портальными, через которые транспортные средства проезжают в процессе движения. В качестве источников излучения в ИДК используются как рентгеновские аппараты, так и линейные ускорители электронов – так называемые «Линотроны» с энергией излучения до 9 МэВ, обеспечивающие проникающую способность, достаточную для контроля содержимого заполненных металлических контейнеров.

Отдельную категорию составляют системы досмотра транспорта комбинированного типа, объединяющие технологии проникающего излучения и обратного рассеяния. Такие комплексы, например, оборудование серии Rapiscan Eagle, позволяют одновременно получать трансмиссионные изображения для выявления плотных включений и изображения обратного рассеяния для обнаружения органических веществ в приповерхностных слоях. Технология CabScan, реализованная в некоторых моделях, обеспечивает сканирование кабины водителя на пониженной мощности излучения с автоматическим переключением на более высокую энергию при досмотре грузового отсека, что демонстрирует дифференцированный подход к обеспечению безопасности.

Для досмотра труднодоступных мест и выявления тайников в конструктивных полостях транспортных средств предназначены портативные системы обратного рассеяния, такие как MINI Z или отечественный Феникс. Данные миниатюрные беспроводные аппараты массой всего 4,2 кг позволяют оператору сканировать скрытые полости автомобиля, шины, отсеки грузовых контейнеров и получать изображение на дисплее планшета, обнаруживая взрывоопасные предметы и запрещенные органические вещества, включая наркотики и табачные изделия.

Важное место в номенклатуре занимают рентгеновские сканеры для досмотра людей, работающие на принципе микродозового сканирования, а также рентгенофлуоресцентные анализаторы, используемые для идентификации химического состава веществ. Последние, хотя и создают значительно меньшие уровни излучения, также относятся к классу генерирующих источников и требуют соблюдения соответствующих мер радиационной безопасности.

1.1.12. Особенности проведения сканирования объектов различными техническими средствами

Процесс сканирования объектов с применением разных типов рентгеновской техники имеет свою специфику, обусловленную как конструктивными особенностями оборудования, так и характером досматриваемых объектов. Понимание этих особенностей необходимо должностным лицам для эффективного применения технических средств и правильной организации мер безопасности.

При работе с конвейерными интроскопами для багажа объект контроля перемещается внутри защитной камеры, полностью экранирующей излучение. Оператор находится в зоне, где уровни излучения не превышают фоновых значений, при условии исправности защитных штор и блокировок. Основная задача должностного лица в данном случае сводится к правильной интерпретации получаемых изображений с учетом цветового кодирования материалов – органические вещества отображаются в оранжево-коричневой гамме, неорганические в сине-зеленой, а материалы смешанного состава в зеленых тонах. Важно понимать, что качество изображения зависит от правильности укладки объектов на ленте и исключения зон перекрытия, которые могут маскировать потенциально опасные предметы.

Инспекционно-досмотровые комплексы для крупногабаритных грузов функционируют в ином режиме. При стационарном исполнении все элементы комплекса размещаются в кондиционируемых боксах на бетонных фундаментах, а досматриваемое транспортное средство проезжает через зону контроля со скоростью 5—10 км/ч. В мобильных вариантах излучатель и детекторная система смонтированы на транспортной базе и разворачиваются на месте эксплуатации. Особенность сканирования в ИДК заключается в том, что изображение формируется последовательно, строка за строкой, по мере движения объекта относительно измерительного поста. Применяемые твердотельные детекторы обеспечивают пространственное разрешение 1—2 мм, что позволяет выявлять предметы минимальных размеров даже в полностью загруженных контейнерах. Важной особенностью современных ИДК является возможность двухпроекционного сканирования, когда объект просвечивается одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что позволяет практически полностью исключить эффект суперпозиции и точно определять местоположение подозрительных предметов.

Сканирование с использованием систем обратного рассеяния имеет принципиально иную геометрию. Поскольку источник и детекторы расположены с одной стороны, оператор может работать с объектом, не имея доступа к его обратной стороне, что особенно ценно при досмотре стационарно установленных конструкций или в полевых условиях. Однако, как отмечалось ранее, такая схема формирует специфическую радиационную обстановку с повышенными уровнями рассеянного излучения вблизи оператора. Портативные системы MINI Z, например, требуют от должностного лица особой внимательности при выборе позиции сканирования и строгого соблюдения временных режимов работы.

Комбинированные системы, объединяющие оба метода, позволяют проводить многоракурсное сканирование за один проход объекта. Транспортное средство движется через портал, где последовательно или одновременно облучается пучками, формирующими как трансмиссионные изображения, так и изображения обратного рассеяния, что дает возможность оператору видеть не только общую структуру груза, но и выявлять органические материалы в приповерхностных слоях, например, в дверных панелях или шинах. Пропускная способность таких комплексов может достигать 400 автомобилей в час при досмотре на скорости до 60 км/ч, что особенно важно для пунктов пропуска с высокой интенсивностью движения.

Особого внимания заслуживает организация сканирования железнодорожного транспорта. Здесь используются специализированные портальные системы, через которые состав проходит со скоростью 5—10 км/ч. Системы снабжаются счетчиками вагонов, что позволяет вести выборочный контроль любых грузов, перевозимых в поезде. Более того, современные разработки предусматривают возможность проверки не только всего состава, но и отдельных вагонов с помощью специальных переносных устройств сканирования, что расширяет гибкость применения.

Завершая рассмотрение физических основ рентгеновской интроскопии, необходимо подчеркнуть, что эффективное применение всех перечисленных технических средств невозможно без глубокого понимания тех процессов, которые были изложены в данном разделе. Знание природы рентгеновского излучения, принципов формирования изображений, особенностей различных методов сканирования и типов оборудования составляет фундамент профессиональной компетенции должностных лиц, ответственных за организацию таможенного контроля. Именно на данном фундаменте базируются как навыки правильной интерпретации получаемых изображений, так и осознанное обеспечение радиационной безопасности при работе с генерирующими источниками ионизирующего излучения.

1.2. Характеристика ДРТ и РСЧ как источников рентгеновского излучения, требующих выполнения мер по радиационной безопасности

Досмотровая рентгенотелевизионная техника (ДРТ) представляет собой наиболее многочисленную и широко применяемую группу технических средств таможенного контроля, относящихся к генерирующим источникам ионизирующего излучения. В соответствии с принятой в нормативных документах терминологией, такие устройства классифицируются как рентгеновские установки для досмотра багажа и товаров (РУДБТ). Именно эти установки являются основным инструментом неинтрузивного досмотра ручной клади, багажа, почтовых отправлений и различных товаров, перемещаемых через таможенную границу. Понимание их устройства, принципов действия и особенностей формирования излучения служит необходимым условием для осознанного применения мер радиационной безопасности как при повседневной эксплуатации, так и при организации таможенного контроля в пунктах пропуска.

1.2.1. Виды РУДБТ и их применение в таможенном контроле

Санитарно-эпидемиологические правила и нормы СанПиН 2.6.4115—25 [14], утвержденные постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 27.03.2025 №6, вводят четкую классификацию рентгеновских установок для досмотра багажа и товаров. Согласно пункту 5 главы V данного документа, РУДБТ подразделяются на два типа в зависимости от способа перемещения объекта контроля относительно источника излучения. К первому типу относятся установки с движущимся объектом контроля, где предметы перемещаются конвейерной лентой внутри защитной камеры, а рентгеновский излучатель и детекторная система остаются неподвижными. Второй тип объединяет установки с неподвижным объектом контроля, в которых досматриваемый предмет помещается в камеру и остается неподвижным в процессе сканирования, а излучатель либо перемещается вокруг него, либо формирует широкий пучок, охватывающий весь объект единовременно.

В практической деятельности таможенных органов наибольшее распространение получили РУДБТ первого типа – конвейерные интроскопы. Они устанавливаются в зонах таможенного контроля аэропортов, железнодорожных вокзалов, автомобильных пунктов пропуска и в отделениях почтовой связи. Эти устройства позволяют в непрерывном режиме проводить досмотр багажа и ручной клади пассажиров, а также мелких грузовых отправлений, обеспечивая высокую пропускную способность. Второй тип РУДБТ применяется в тех случаях, когда требуется более детальное исследование объектов повышенной важности либо когда габариты или особенности упаковки не позволяют использовать конвейерную ленту. Такие установки часто используются для досмотра дипломатической почты, ценных грузов, а также в экспертно-криминалистических подразделениях.

Приказ Министерства финансов Российской Федерации от 21 февраля 2024 г. №33н «Об утверждении перечня и порядка применения технических средств таможенного контроля» [9] включает рентгенотелевизионную досмотровую технику в число основных средств, используемых должностными лицами при осуществлении таможенного контроля. В перечне указаны как стационарные, так и переносные рентгеновские установки, предназначенные для досмотра багажа и товаров, что подтверждает их ключевую роль в современной таможенной практике.

1.2.2. Основные блоки и узлы, принцип работы

Независимо от типа, любая РУДБТ состоит из нескольких обязательных функциональных элементов, кажд