Download
1 / 80
810 likes | 1.02k Views
4.3.1 Princíp činnosti a konštrukcie röntgenov
E N D
4.3.1 Princíp činnosti a konštrukcie röntgenov Činnosť röntgenov je založená na absorpcii rozptýleného röntgenového žiarenia v materiály skúmaných objektov. Na jednej strane skúmaného objektu je zdroj röntgenového žiarenia a na strane protiľahlej (u spätného rozptylu na tej istej strane) detekčná časť. Rôntgenové žiarenie je časťou elektromagnetického spektra s veľmi krátkou vlnovou dĺžkou - zhruba 20 až 10-5 nm (energia fotónov 0,05 až 100 MeV). Pritom označenie „röntgenov“ a „gama-žiarenie“ sa týka pôvodu tohto žiarenia: röntgenové žiarenie je spojené s elektrónovými procesmi, gama-žiarenie sprevádza procesy v jadre.Pokiaľ ide o vlnové dĺžky, oba obory sa značne prekrývajú.
Zdroj žiarenia Zdrojom žiarenia u röntgenov sú na vysoké vákuum vyčerpané röntgentky. Najkratšia možná vlnová dĺžka tohto žiarenia (odpovedajúca najviac energetickému žiareniu, najvyššej energii fotónov a teda i najvyššej prenikavosti žiarenia) je daná urýchľujúcim napätím na röntgentke. Röntgenky obsahujú dve elektródy: žeravenú katódu a chladenú anódu.Elektróny sú vytrhované z katódy, urýchľované silným elektrickým poľom a dopadajú vysokou rýchlosťou na anódu.Pri dopade sa ich vysoká kinetická energia mení na vysokoenergetické kvantum elektromagnetického žiarenia - röntgenovský fotón. Výsledné, tzv. brzdné (impulzové, nárazové) žiarenie má spojité spektrum.
Urýchľujúce napätie U medzi katódou a anódou sa pohybuje od 40 kV (stolné röntgeny pre prehliadku dopisov a malých balíkov) až do 160 kV (pásové röntgeny).Obrie röntgeny na prehliadku paletizovaných nákladov a kontajnerov používajú napätie ešte vyššie (zhruba 400 kV), pre zabezpečenie prieniku žiarenia i materiály s veľmi vysokou hustotou.Pri vysokom napätí sa nám ale z röntgenového obrazu strácajú nie príliš silné vrstvy organických materiálov, ktoré vysoko energetické žiarenie takmer celé neabsorbujú. Takže čím je vyššie napätie na röntgentke, tým kratšie vlnové dĺžky röntgenového žiarenia a tým je i prenikavejšie žiarenie. Tým skôr však nerozoznáme slabú vrstvu organického materiálu.
Detekčná časť Detekčná časť vo väčšine prípadov (u pásových röntgenov výlučne) prevádza dopadajúce röntgenové žiarenie na elektrické signály. Z nich sa potom po príslušnom, rôzne zložitom elektronickom (počítačovom) spracovaní vytvára klasický televízny obraz.Detekčná časť (s výnimkou röntgenov so spätným rozptylom) je tvorená sústavou detekčných elementov, z ktorých každý poskytuje oddelený signál. Detekčné elementy bývajú polovodičové alebo scintilačné s fotodiódami. (V polovodičových detektoroch produkuje dopadajúce röntgenové žiarenie pár elektrón - diera. U scintilačných materiálov spôsobuje absorpcia radiácie zase excitáciu elektrónov ich atómov. Keď tieto elektróny padajú späť do pôvodného stavu, je prebytočná energia vyžarovaná vo forme svetla. To je detekované fotónkami.)
Táto detekčná sústavatvorí u röntgenov s nehybným skúmaným objektom obdĺžnikovú plochu. U pásových röntgenov sú detekčné elementy usporiadané do stĺpca, prípadne do zvislej rady lomenej v tvare obráteného písmena L, aby nedochádzalo k „zrezávaniu rohov“, u väčšiny objektov. Röntgenové žiarenie z röntgentky je obmedzené oloveným tienením, ktoré má len zvislú pozdĺžnu štrbinu, ktorá sa nachádza na strane pásu oproti rade detekčných elementov. Skenovanie vo vodorovnom smere zaisťuje rovnomerný priamočiary pohyb skúmaných objektov po dopravníkovom páse, čo umožňuje vykonanie lepšieho obrazu (viď. spätný rozptyl). Röntgeny s ručným vkladaním používajú obyčajne lacnejšie riešenie - fluorescenčné tienidlá so zrkadlom.
Iba u prenosných či malých laboratórnych röntgenov sa prípadne stále ešte jednorázovo vyrába röntgenový snímok na príslušne citlivý, rýchlo vyvolateľný (polaroidný) fotografický materiálvo veľmi plochej kazete alebo na mnohonásobne použiteľné elektroluminiscenčné panely.Tieto spôsoby sú pre pyrotechnikov výhodné pre možnosť vsunutia veľmi plochých kaziet (panelov) do malej medzery napríklad medzi podozrivým odpadkovým košom a stenou a vyrobiť tak snímok v požadovanom smere bez manipulácie s košom. Sú však ochudobnené omnoho ďalších technických vymožeností.
Interakcia žiarenia s materiálom skúmaného objektu Röntgenové žiarenie je vysoko prenikavé, napriek tomu pôvodná intenzita dopadajúceho žiarenia Io [Wm-2] klesne po priechode látkou hrúbky d [m] podľa približného empirického vzťahu na hodnotu I = Io e-md, kde m [m-1] je celkový lineárny koeficient zoslabenia. Ten je daný súčtom: m = mf + mc + mp, kde mf je koeficient zoslabenia daný fotoelektrickým javom, mc - Comptnovým rozptylom a mp tvorbou elektrónových párov. Fotoelektrický jav a tvorba elektrónového páru sú javy absorpčné, časť röntgenového žiarenia je materiálom pohltená.Pri Comptonovom alebo spätnom rozptyle je daná časť žiarenia rozptyľovaná približne rovnomerne do všetkých smerov.
4.3.2 Pásové röntgeny I. generácie Pásové röntgeny sú základom väčšiny bezpečnostných prehliadok batožiny, využíva sa pri nich najviac rôznych fyzikálnych princípov a predovšetkým najnovšie generácie existujú len v pásovom prevedení, preberieme generácie röntgenov práve pre röntgeny pásové. Za röntgeny I. generácie možno považovať všetky röntgeny, ktoré aspoň orientačne neurčujú druhy látok, ako je tomu u nižšie popisovaných röntgenov II a III.generácie. Medzi röntgeny I. generácie patria niektoré cenovo prístupnejšie pásové röntgeny, niektoré obrie „preťahovacie“ röntgeny a zatiaľ, bohužiaľ, všetky röntgeny prenosné, malé stolové alebo röntgeny s ručnou manipuláciou.
Prevedenie röntgenov s dopravníkovým pásom má pre prehliadku väčšej batožiny viac výhod i v prípade I. generácie. Uľahčuje to samozrejme prácu obsluhy pri prehliadke väčšieho množstva rozmernejšej a ťažšej batožiny aumožňuje to zvýšiť počet odbavených kusov za jednotku času. Musíme si ale tiež uvedomiť, že pre získanie röntgenového obrazu (trojrozmerného telesa) neskresleného v oboch dvoch smeroch by sme potrebovali ožarovať toto teleso rovnobežným zväzkom röntgenových lúčov. Tomu sa lepšie približujeme pri malých rozmeroch zobrazovaných telies, kedy vzdialenosť rontgenky od telesa býva podstatne väčšia ako rozmery telesa.
U pásových röntgenov ale bývajú rozmery kontrolovanej batožiny väčšie a röntgentky nie je možné umiestniť do väčšej vzdialenosti. Röntgeny s pásovým dopravníkom však umožňujú využiť systém skenovania (popísaný vyššie v častí „Detekčná časť“), ktorý odstraňuje deformácie obrazu vo vodorovnom smere. Toto skenovanie zároveň zvyšuje kvalitu obrazu, pretože na detekčnú časť dopadá v daný okamih prakticky len žiarenie prejdené v danej zvislej rovine a nie ešte súčasne časť Comptnového žiarenia z celého telesa, ktoré má smer k detekčnej sústave.
4.3.3 Pásové röntgeny II. generácie Pásové röntgeny druhej generácie umožňujú rozlišovať medzi organickými, anorganickými a kovovými materiálmi. Rozlíšenie sa znázorňuje buď farbami alebo pomocou dvoch čiernobielych monitorov. Obr. 4.5 Zobrazenie batožiny metódou dvojitej energie röntgenom II. generácie (vľavo), len s rozlíšením organických, anorganických a kovových materiálov alebo III. generácie (vpravo) s automatickým označením výbušniny – červenou farbou
Dvojaká energia • Značne rozšíreným spôsobom, zvyšujúcim schopnosti röntgenov pri vyhľadávaní záujmových položiek, je využívanie tzv. princípu „dual-energy“,alebo dvojaká energia röntgenového žiarenia. Táto metóda umožňuje rozpoznávať druhy materiálov v kontrolovaných predmetoch. Tu metódu dvojakej energie popisujeme v rámci röntgenov II. generácie, v technicky prepracovanejšom prevedení umožňuje i rozpoznávanie pravdepodobných výbušnín a drog a patrí potom do III. generácie. • Podstatou metódy dvojakej energie je využitie toho, že veľkosť všetkých troch koeficientov absorpcie röntgenového žiarenia závisí nielen na druhu látky (konkrétne na jej hustote a priemernom protónovom čísle), ale i na vlnovej dĺžke röntgenového žiarenia. Teda na energii jednotlivých röntgenových fotónov.
Pri metóde dvojakej energie sa urobia dve „zhodné" snímky kontrolovaného objektu, líšiace sa len hodnotou energie röntgenových fotónov. Teda vlnovými dĺžkami röntgenového žiarenia. Zo vzájomného porovnania týchto dvoch snímok potom počítač odhadne hustotu a priemerné protónové číslo materiálov. Výsledok zobrazí na jednom monitore, na ktorom druhy materiálov odlíši farebne. Moderné pásový röntgeny využívajúce metódu „dual energy“, prípadne metódu „multi-energy“, mávajú napríklad dvojnásobný počet detekčných elementov než štandardné röntgeny s tým, že jednotlivé časti detekčnej plochy snímajú röntgenové žiarenie spadajúce vždy do daného energetického rozsahu.
Menšie röntgeny metódu dual-energy nevyužívajú, bolo by to relatívne príliš nákladné. Ich prípadné farebné displeje len priraďujú farby odtieňom šedej. Väčšina pásových röntgenov s klasickou „dual energy“, priraďuje farby látkam s vyšším (kovy) a nižším (výbušniny, drogy, plasty, papier, textil) protónovým číslom. Nanešťastie organické položky vyrobené z textilu, papieru, plastov a potravín dominujú obsahu kontrolovanej batožiny. Efektívnosť týchto systémov je veľmi obmedzená chýbaním rozlíšenia v organickej oblasti a ich neschopnosti presne identifikovať záujmové materiály, ktoré sú umiestnené v preplnenom, neusporiadanom prostredí alebo za inými položkami. Napríklad organická položka môže byť nesprávne identifikovaná systémom s dvojitou energiou ako neorganická alebo kovová, ak je umiestnená za nejakou kovovou položkou.
b) Spätný rozptyl Ďalšou možnosťou, ako zvýšiť schopnosti röntgenov pre prehliadku batožiny, je využiť spätný rozptyl röntgenového žiarenia (Comptonov rozptyl alebo tzv. „backscatter") (www.as-e.com). Pri ňom je kontrolovaný objekt v smere zvislom skenovaný tenkým röntgenovým lúčom. Atómy kontrolovaného objektu rozptyľujú malú časť žiarenia všetkými smermi. Na rovnakej strane ako röntgentka je i detekčná sústava.Tá sníma len žiarenie spätne rozptýlené (presnejšie jeho časť), atómy kontrolovaného objektu, ktoré sú v daný okamih ožarované. Podľa veľkosti signálu detekovaného v tento okamih potom na monitore svieti i polohou zodpovedajúci svetelný bod.Comptonov jav je prevládajúcim pre látky s nízkym protónovým číslom.
Na obraze zo spätne rozptýleného žiarenia budú teda látky s nízkym protónovým číslom (výbušniny, drogy, plasty, papier, kože) zobrazenéďaleko intenzívnejšie (voči látkam ťažším ako kovy), než je tomu u klasického zobrazenia prejdeného žiarenia. Takto môžeme dosiahnuť podobného výsledku ako u metódy dvojakej energie.Spolu s obrazom spätného rozptylu sa súčasne robí i klasický obraz žiarenia prechádzajúceho (okrem röntgenu osôb). Obr. 4.6 Schéma röntgenu so spätným rozptylom (a- röntgenová trubica, b,c) kolimátor, (tienenie), d) štrbina, e) koleso so štrbinami, f) tenký, kolmo skenujúci lúč, g) detektor spätného rozptylu, h) časť spätne rozptýleného žiarenia, i) dopravníkový pás, j) detektor prechádzajúceho žiarenia)
Výhodou oproti metóde dvojakej energie je to, že i keď bude napríklad za balíčkom výbušniny silnejšia kovová doska, systém detekcie spätného rozptylu na strane balíčka výbušninu kvalitne zobrazí (preto sa montujú tieto systémy dva na jeden dopravníkový pás - každý z jednej strany). Naproti tomu u systému s dvojakou energiou môže takáto doska výbušninu či drogu celkom zamaskovať, bez ohľadu na poradie balíčku a dosky. Na druhú stranu i pomerne tenká vrstva kovu, pokiaľ sa bude nachádzať z oboch strán záujmovej organickej položky, môže žiarenie od tejto položky spätne rozptýlené blokovať a tak ju vo výslednom obraze celkom eliminovať. Rovnako ako klasické systémy s dvojakou energiou i tieto systémy prezentujú bežné organické materiály a záujmové materiály v organickej oblasti ((drogy, výbušniny) bez vzájomného odlíšenia.
Pásové röntgeny so spätným rozptylom sú podstatne menej rozšírené než systémy s dvojakou energiou, ktoré doznal ďalšieho značného vývoja a dosiahli III. generáciu. Javia sa ale do budúcnosti ako ich vhodný doplnok (viď. kapitola „Röntgeny tretej generácie,“). Obr. 4.7 Röntgenová metóda spätného rozptylu nám u osôb zobrazí ukryté zbrane
V kategórii obrích röntgenov pre kontrolu nákladných automobilov a pod. má táto metóda veľké perspektívy(www.as-e.com) a oproti klasickej dvojakej energii nesporné výhody, ako pre skenovanie lúčom tak najmä pre detekciu organického materiálu (osoby, kontraband z ľahších prvkov) pri pravej alebo ľavej strany nákladného priestoru. Dvojaká energia stráca pre väčšie množstvo kovov na účinnosti. Ďalšie možné využitie je pre povrchové skenovanie osôb, kedy poskytuje kvalitný obraz. Zobrazované sú teda predmety ukryté pod odevom alebo v odeve, ako zbrane, včítane keramických, balíčky s drogou alebo výbušninou a pod. Nasadenie ale naráža na všeobecný odpor verejnosti a rastie tu konkurencia v podobe milivízie (viď. príslušná kapitola), ale i ultrazvuku.
4.3.4 Pásové röntgeny III. Generácie • Vyššie popisované röntgeny s klasickým systémom dvojakej energie či spätného rozptylu rozoznávali iba dve (maximálne tri - organické, anorganické a kovové) rôzne materiálové kategórie - látky organické a anorganické, a to na röntgenovej snímke len z jedného smeru. Ako i prax ukázala, toto pre spoľahlivú a uspokojivú detekciu, najmä automatickú, stále nestačí. Riešenie ponúkajú röntgeny tretej generácie, buď ďalej zdokonaľujú princíp dvojakej energie alebo súčasne spracovávajú snímky kontrolovaného objektu z viacerých strán. • Röntgeny III. generácie dokážu rozlíšiť látky s hustotou a protónovým číslom výbušnín alebo drog od ostatných organických materiálov.
Röntgeny s dvojakou energiou • Vypracované röntgeny s dvojakou energiou sú schopné presnejšieho určovania hustoty a priemerného protónového čísla skúmaných látok a to do tej miery, že sú schopné odlíšiť látku, ktorá týmito parametrami zodpovedá niektorému typu výbušniny či drogy od ostatných organických materiálov v kontrolovanej batožine.Jeden možný spôsob spolieha na zdroj röntgenového žiarenia o dvoch rôznych energiách, iný spočíva vo výkonnejšom spracovaní dát z vylepšenej zdvojenej detekčnej sústavy (jednej sústavy s energetickými filtrami). Ešte dokonalejšie je vyrobenie röntgenových obrazov objektu metódou dvojakej energie z dvoch navzájom kolmých smerov(pri jednom priechode objektu röntgenom).
Existujú aj röntgeny s dvojakou energiou doplnenéo hardwarový asoftwarový modul využívajúci spätne rozptýlené Comptonovo žiareniez už existujúceho zdroja. Toto zvyšuje citlivosť systému na tenké položky zo záujmových materiálov bez toho, aby to ovplyvňovalo priechodnosť systému (dobu potrebnú na kontrolu jedného objektu).
Automatická detekcia Pri veľkom množstve kontrolovanej batožiny za smenu nevydrží byť žiadny človek dostatočne bdelý. Preto je nevyhnutné, aby viac vyťažené röntgeny boli vybavené automatickou detekciou.Automatická detekcia sa dočkala značného rozšírenia v spojení so systémami s dvojakou energiou, spätným rozptylom, ale hlavne s röntgenmi III. a vyššej generácie. Základný princíp je jednoduchý: Keď počítač zistí, že látka, ktorej hustota a priemerné protónové číslo zodpovedá nejakému typu výbušniny či drogy, zaujíma na röntgenovom obraze plochu, ktorej intenzita stmavnutia (rastie s hrúbkou položky) a zároveň celková veľkosť (rastie s veľkosťou položky) presiahne dané, dopredu nastavené hranice, označí daný objekt za podozrivý.Úroveň týchto hraníc si môže obsluha sama nastaviť. Pri vysokých úrovniach hrozí, že skôr automatickou detekciou prejde nejaká nebezpečná položka menšej veľkosti. Pri nízkych úrovniach bude zase obsluha musieť príliš veľký počet obrazov preskúmavať osobne.
Röntgeny III. generácie s dvojakou energiou majú pri automatickej detekcii rozhodovaciu dobu prijateľne nízku okolo 2 až 5 sekúnd na batožinu. To ich, spolu s relatívne prijateľnou cenou, predurčuje pre prvý stupeň kontroly objektov, ktorý je potom automatický. V praxi automatická detekcia röntgenov III. generácie vyčlení bez akýchkoľvek požiadaviek pozorovania a rozhodovania obsluhy približne 80% kontrolovaných objektov ako bezproblémových, t.j. s najväčšou pravdepodobnosťou neobsahujúce výbušniny, drogy, zbrane či jadrový materiál. Len obrazy zostávajúcich 20% objektov musí obsluha preskúmať a rozhodovať, čo s nimi.
b) Röntgeny s počítačovou tomografiou Najmä u väčšej batožiny s pestrým obsahom sú výraznejšie problémy s tým, že snímka záujmovej položky (výbušniny, drogy) je prekrývaná snímkou väčšieho počtu neškodných položiek nachádzajúcich sa pred ňou a za ňou. S týmto problémom sa výborne vysporiadávajú bezpečnostné röntgeny s počítačovou tomografiou (computed tomographic či často skrátene CT). (www.invision-tech.com)Tu sú zaradené medzi röntgeny III. generácie, ale najmä modernejšie prevedenie s rýchlejším vyhodnotením by sa dalo zaradiť i do generácie vyššej. „Obyčajný“ pásový röntgen najskôr vyrobí „klasickú“ snímku kontrolovanej batožiny a obsluha si zvolí miesta priečneho rezu , ktorých kvalitné zobrazenie chce urobiť.Batožina sa potom automaticky posunie a zastaví sa vo vlastnej „tomografickej" časti röntgenu pre vyrobenie snímky prvého rezu.V tejto priečnej rovine sa okolo tunelu s pásom plynulo otáča koleso.To na jednom konci nesie zdroj röntgenového žiarenia a na protiľahlom detekčnú časť.
a) b) c) Obr. 3.8 Batožina s výbušninou a jej röntgenové snímky počítačovou tomografiou a) List plastickej výbušniny v batožine, b) Konvenčná röntgenová snímka s výberom miest priečnych rezov, c) CT snímka batožiny s automatickým označením výbušniny)
Systém tak v priebehu pár sekúnd vyrobí mnoho snímok daného rezu, ale vždy v inom smere. Na základe vzájomného porovnania týchto snímok môže počítač určiť útlm röntgenového žiarenia v každej pomyselnej „tehličke“ danej vrstvy. Pretože môžeme predpokladať, že v tejto malej tehličke je materiál homogénny, poznáme jeho tzv. CT hustotu, danú jeho hmotnostnou hustotou a priemerným protónovým číslom. Môžeme teda nielen určiť druh materiálu každej skúmanej vrstvy a i celú vrstvu kvalitne zobraziť. Kolesá sa otáčajú s geometrickou presnosťou okolo 0,1 mm.
Okrem klasického obrazu, obrazu jednotlivých vrstiev s farebným rozlíšením rôznych materiálov, môžu bezpečnostné röntgeny s CT zobrazovať tiež virtuálny trojdimenzionálny obraz skúmaného objektu s farebným odlíšením záujmových materiálov. Nákupná cena týchto röntgenov je však vysoká a doba potrebná pre automatickú kontrolu jedného objektu je tiež relatívne väčšia - až okolo 15 sekúnd. Preto sú vhodnejšie skôr pre druhý či tretí stupeň kontroly menšieho počtu objektov, vytipovaných predchádzajúcimi stupňami kontroly.
4.3.5 Pásové röntgeny IV. Generácie Do röntgenov IV. generácie môžeme počítať aj röntgeny s počítačovou tomografiou, ktoré ako prvé na svete splnili prísne kritériá pre spoľahlivosť detekcie výbušnín. Nastupujú tu ale aj ďalšie dva zaujímavé princípy. Jedným z nich je röntgenovanie batožiny dvojakou energiou z troch rôznych smerov (zvierajúcich vzájomné uhly 60°) a následne súčasné počítačové vyhodnotenie snímok. (www.vividusa.com) Sú teda potrebné tri páry zdroj - detekčná sústava. Tieto páry sú rozmiestnené pozdĺž pásu za sebou. Pri prehliadke sa pás nemusí zastavovať a röntgen dobre detekuje i tenké pláty plastických výbušnín tienených kovmi.
Druhým princípom je röntgenová difrakcia. (www.heimannsystems.com)Pred ňou je zaradený röntgen III. generácie s dvojakou energiou. Ten má však, ako sme si vysvetlili, značný počet falošných poplachov. Batožina s podozrivou položkou sa potom na páse zastaví u röntgenovej difrakcie.Tu nadíde nad podozrivú položku zdroj tenučkého, ale intenzívneho röntgenového lúča. Ten z hora podozrivú položku presvecuje. Pod pásom, na druhej strane, je detekčná sústava.Tá však nesníma intenzívny röntgenový lúč priamo vo svojom strede, ale len slabé, tzv. difrakčné krúžky, spôsobené röntgenovým žiarením difraktovaným na atómovej štruktúre podozrivej položky. Z týchto krúžkov potom možno určiť, či sa jedná o výbušninu alebo nejakú inú, neškodnú látku (čokoláda, syr a pod.).
4.3.6 Bezpečnosť a ochrana zdravia pri použití röntgenov S bezpečnostnou prehliadkou pomocou röntgenov sú úzko spojené obavy majiteľov kontrolovanej batožiny, či ich obsah nebude röntgenovým žiarením nejakým spôsobom znehodnotený.Veď pásové röntgeny „presvietia“ i oceľ o hrúbke okolo 20 mm (obrie röntgeny okolo 50 mm). Toto nebezpečenstvo hrozí napríklad pri röntgenoch s fluorescenčným tienidlom s kontinuálnym ožarovaním prehliadaného objektu a pod. U všetkých moderných pásových röntgenov sú tieto obavy ale značne prehnané, pretože celková dávka ožiarenia, ktorú obdrží batožina pri jednom priechode pásovým röntgenom, je vďaka nízkej celkovej intenzite žiarenia dosť malá.
Typická dávka ožiarenia jednej batožiny je menšia ako 0,1 mR (1 TSv) na prehliadku (u niektorých typov röntgenov 0,2 mR). Vedľajšie vyžarovanie prístrojov do okolia nepresahuje 0,5 mR/hod. merané 5 cm od povrchu skrine prístroja.Pre porovnanie: pri lete vo výške 9 km je úroveň radiácie 0,1 mR/hod, prirodzená radiácia na Zemi je závislá na kraji, je ale na úrovni 0,01 mR/hod a pri röntgenu hrudníku dostaneme 30 mR. Bezpečnostnou prehliadkou pásovým röntgenom sa nepoškodia magnetické záznamové médiá (pásky a disky), elektronika, lieky ani fotografické filmy väčšinou až do ASA/ISO 1 600, 33 DIN včítane. Z hradiska ochrany zdravia trvalej obsluhy nie je síce nutné, ale je vhodnejšie vzdialenejšie kontrolné stanovisko (monitory a riadiaci panel).
4.4 Detektory rádioaktívneho žiarenia • Detektory rádioaktívneho žiarenia sa používajú ako doplnok bezpečnostnej prehliadky pre vyhľadávanie rádioaktívneho materiálu - kontrabandu, ukrytého v batožine. Bývajú scintilačné alebo polovodičové, založené na rovnakých základných princípoch ako detekčné elementy röntgenov. Tu sa však samozrejme nejedná o žiadnu radu či mozaiku elementov vytvárajúcich obraz, ale len o jeden detekčný prvok, ktorý je ale citlivejší v širšej oblasti elektromagnetického spektra a ktorý detekuje prenikavé žiarenie vydávanérádioaktívnym materiálom nachádzajúcim sa v blízkosti detektoru. • V rámci automatickej kontroly sa detektor umiestňuje v blízkosti pásu, čo nebýva ďaleko od röntgenu. Musí sa preto dať pozor na možné falošné poplachy, spôsobené spätne rozptýleným žiarením od prípadného väčšieho množstva materiálus nižším protónovým číslom nachádzajúceho sa v susednej batožine, ktorá je práve presvecovaná röntgenom.
Ionizujúce žiarenie sa detekuje a jeho veličiny sa merajú v príslušných jednotkách s využitím fyzikálnych vlastností zariadení a ich reakcií s rôznymi látkami. Dozimetrické prostriedkyumožňujú získavať postačujúce informácie o stupni ožiarenia osôb a radiačnú situáciuv priebehu zásahu na mieste udalosti a zdroj ionizujúceho žiarenia. Výsledky získané meraním pomocou dozimetrických prostriedkov sú základom pre hodnotenie účinkov ionizujúceho žiarenia na ľudský organizmus. Známe sú tri základné druhy rádioaktívneho žiarenie a to alfa, beta a gama.
Žiarenie alfa je prúd častíc alfa t.j. héliových jadier.Častice alfa vyletujú z jadier rádionuklídu s veľkou kinetickou energiou, ktorá dosahuje hodnoty niekoľkých miliónov elektrón voltov, čo predstavuje rýchlosť 10 000 km/s. Častice alfa môžu prenikať veľmi slabou vrstvou látky, ale už 0,05 mm sľudy alebo hliníka pohltí takmer všetky častice alfa. Maximálny dolet častíc alfa vo vzduchu je okolo 7 cm. Častice alfa pri prechode látkou reagujú s elektrónovými obalmi ich atómov a elektrón buď prechádza po interakcii na vyššiu energetickú hladinu, alebo dôjde k jeho odtrhnutiu a tzv. ionizácii. Pri týchto procesoch sa rýchlosť alfa častice rýchle zmenšuje a po jej dráhe dochádza k ionizácii okolitého prostredia. Počet vzniknutých iónov vo vzduchu dosahuje niekoľko desiatok tisíc na dráhe jedného centimetra letiacej alfa častice. V elektrickom a magnetickom poli sa žiarenie alfa slabo odchyľuje.
Žiarenie beta je prúd letiacich elektrónov, ktorých rýchlosť sa blíži rýchlosti svetla (300 000 km/s). Pri premene atómov jedného rádionuklidu sú vysielané elektróny s rôznou energiou. V elektrickom a magnetickom poli sa časti beta do značnej miery odkláňajú, avšak v opačnom smere ako častice alfa. Hmotou sú menej pohlcované a to znamená, že majú väčšiu prenikavosťako častice alfa. Napríklad dolet častíc beta je vo vzduchu niekoľko metrov.
Žiarenie gama sa tiež nazýva fotónové žiareniea je to v podstate krátkovlnné elektromagnetické žiarenie, ktoré sa šíri rýchlosťou svetla. Fotóny gama sú bez elektrické náboja a preto sa neodkláňajú pri prelete elektrickým alebo magnetickým poľom. Žiarenie gama pri prechode hmotou len veľmi slabo reaguje s prítomnými atómami, preto sa málo zoslabuje. Dolet vo vzduchu môže byť až niekoľko sto metrov, v pevných látkach niekoľko centimetrov až decimetrov v závislosti na objemovej hmotnosti látky a energii fotónov gama. Pri absorpcii gama fotónov v látke vznikajú sekundárne elektróny, ktoré vyvolávajú ionizáciu v najbližšom okolí.
Pre meranie alebo zisťovanie rádioaktívnych látok, kde sa ionizačné žiarenie detekuje na základe jeho ionizačných účinkov, sa používajú detektory. V detektore sa mení energia dopadajúceho ionizujúceho žiarenia na elektrický signál tak, aby mohol byť spracovaný, zaregistrovaný a vyhodnotený. Detektory môžeme rozdeliť na dva základné druhy a to kontinuálne a integrálne. Kontinuálne detektory podávajú priebežnú informáciu o okamžitej hodnote detekovaného žiarenia.Po ukončení ožarovania detektora klesne výstupný signál na nulu. Pri integrálnych detektorochsa hodnota signálu zväčšuje s časom, počas ktorého je detektor ožarovaný t.j. úmerne dávke, expozícii a pod. Po ukončení ožarovania zostáva informácia uchovaná v detektore po celú dobu, ktorou bol detektor žiareniu vystavený. Integrálne detektory sa uplatňujú najmä v osobnej dozimetrii a radiačnej chémii.
Podľa princípu detekcie sa najpoužívanejšie detektory ionizujúceho žiarenia môžu rozdeliť do troch hlavných skupín: • Elektrické detektory sú založené na látkach, ktoré pôsobením ionizujúceho žiarenia menia niektoré svoje elektrické vlastnosti napr. vodivosť. K tomuto druhu detektorov patria ionizačné komory, proporcionálne a Geiger-Mullerove počítače, kryštálové a polovodičové detektory. • Scintilačné detektory sú založené na látkach, v ktorých pôsobením ionizujúceho žiarenia vzniká luminiscenčná scintilácia. Svetelný signál sa prevádza na elektrický a ďalej sa spracúva. • Samostatné detektorysú založené na látkach, ktoré dlhodobo menia svoje vlastnosti (farbu, zloženie, objem) pôsobením ionizujúceho žiarenia.
Malé intenzity ionizujúceho žiarenia sa merajú Gejger-Mullerovými trubicami (GM trubicami), ktoré sú schopné zaznamenať takmer každú alfa a beta a asi každý desiaty fotón gama.GM trubicu tvoria dve elektródy umiestnené v sklenenej alebo hliníkovej trubici, ktorá obsahuje zriedený plyn. Pri použití scintilačných detektorovdopadá ionizujúce žiarenie na kryštály a vyvoláva v nich slabé svetelné záblesky (scintiláciu). Scintilácia je podmienená existenciou luminiscenčných centier, ktorá vzniká vniknutím iónov cudzieho prvku do kryštálovej mriežky iónového kryštálu.
4.5 Detektory stopových častíc • (detektory výbušnín a drog) • Detektory stopového (nepatrného) množstva častíc záujmových látok sa v rámci bezpečnostných prehliadok používajú na zisťovanie prítomnosti a k prípadnému určeniu druhu predovšetkým výbušnín a drog. V bezpečnostnej praxi sú detektory stopových častíc obyčajne nazývané detektory výbušnín (či detektory drog).Nie sú vôbec iba predbežnými analyzátormi fyzicky nájdeného materiálu podozrivého z toho, že sa jedná o výbušninu či drogu. Naopak pomáhajú obsluhe pri kontrole objektov nájsť prípadne ukryté výbušniny či drogy alebo i upozorniť na to, že v poslednej dobe, hoci aj pred niekoľkými dňami, prišiel kontrolovaný objekt do styku s týmito záujmovými látkami.
Napríklad osoba manipulujúca s výbušninou či drogou má mikroskopickými zvyškami týchto látok kontaminované ruky. Tieto zvyšky by boli druhý deň pravdepodobne detekované, i keby si medzi tým umyla ruky. Hlavným hnacím záujmom pri vývoji týchto detektorov bola detekcia výbušnín. Vyvinuté princípy sa ale vo väčšine prípadov dali využiť, rovnako ako pri röntgenoch, aj pri detekcii drog, niekedy aj iných látok. Obr. 4.10 Odber vzoriek pre detekciu stopových častíc výbušniny
Odber vzoriek Spoločnou a veľmi podstatnou fázou detekcie všetkých týchto detektorov je odber vzoriek. Teda akým spôsobom nazhromaždiť a dostať do prístroja častice hľadaných látok z vnútrajšku či povrchu kontrolovaného objektu. Hľadaná látka sa môže nachádzať vo forme pár, aerosólu či častíc prichytených na povrchu. Ak pominieme metódu „mokrej“ chémie, tak pôvodne bolo hlavným spôsobom odberu vzoriek pre fyzikálne prístroje nasávanie pár z tesného okolia povrchu kontrolovaného objektu, hlavne v blízkosti rôznych štrbín do vnútrajšku objektu alebo pomocou výmenných dutých ihiel priamo z vnútrajšku objektu. Toto je výborná metóda pre látky s vyššou tenziou pár pri danej teplote objektu (látky viac prchavé).
Vysokú tenziu pár majú napríklad nitroglycerín (NG -používaný v dynamite), ethylen glykol dinitrát (EGDN). V drvivej väčšine prípadov malý prúd pár stačiaci k ich zaregistrovaniu a prípadne i analýze - uniká z batožiny, v ktorej sú ukryté. Pentrit alebo hexogén obsiahnutý v plastických výbušninách sa pri izbovej teplote vyparujú tak nepatrne, že ich pary sú prakticky nedetekovateľné. Obr. 4.11 Prechádzajúci tunelový detektor osôb s odberom vzoriek nasávaním pár
S rastúcim používaním plastických trhavín sa ukázala nutnosť ešte ďalšieho spôsobu odberu vzorky. Čisté vojenské výbušniny ako oktogén, hexogén a plastické trhaviny z nich vyrobené, ale i priemyslové typy trhavín na báze dusičnanu amónneho, majú tenziu pár malú. Oklamať detektor môže i obklopenie výbušniny účinným sorbentom (aktívne uhlie). Medzi najznámejšie plastické výbušniny patrí Semtex, vojenská C-4 či Detasheet, dodávaná v štvrť palca hrubých plátoch. C-4 obsahuje výbušnú zložku hexogén (RDX), Detasheet obsahuje pentrit (PETN) a Semtex môže obsahovať obe tieto zložky, záleží na jeho druhu. Plastické výbušniny a nitrotoluény majú tenziu pár veľmi malú, rádovo v koncentrácii niekoľkých častíc na bilión až miliardu. Detekcia ich pár pri bežných teplotách je teda prakticky nemožná. Preto sa do nich pri výrobe pridávajú značkovače výbušnín odporúčané medzinárodnou civilnou leteckou organizáciou (International Civil Aviation Organization - ICAO), ktorých tenzia pár je už vysoká.
Podľa v roku 1998 ratifikovaných Montrealských dohôd o značkovaní plastických a gélových výbušnín musia byť značkované ako tieto druhy výbušnín určené pre bežné použitie, tak i tieto druhy výbušnín uložené vo vojenských skladoch a určené pre bojové použitie. Neznačkované výbušniny sa môžu vyrábať a skladovať len pre vymenované účely a podliehajú špeciálnej evidencii. Rovnako nebude vždy možné spoliehať na toto značkovanie plastických výbušnín. Spoľahlivejšia je ich detekcia ako pevnej kontaminácie. Vhodným spôsobom pre odber vzorky je v prípade plastických výbušnín oter povrchukontrolovaného objektu špeciálnym filtrom. U objektu, ktorý s nimi prišiel v poslednej dobe do styku, je totiž veľmi vysoká pravdepodobnosť, že na jeho povrchu budú drobné zvyšky častíc týchto výbušnín. Povrch sa tiež môže otrieť bavlnenou rukavičkou, z ktorej sa potom vzorka nasaje na filter.V prípade kvapaliny sa v nej filter mierne namočí (týka sa hlavne detekcie drog).
Ako efektívna sa ukazuje kombinácia dvoch spôsobov odberu vzoriek:súčasný oter povrchu a nasávanie okolitého vzduchu pomocou ručného vysávača cez vhodný filter(či špeciálny kolektor). Tieto vysávače majú filter na vstupe sacieho otvoru, takže keď týmto vysávačom prechádzame po povrchu kontrolovaného objektu, dochádza k odberu vzorky oterom. Naviac je cez tento filter nasávaný vzduch obsahujúci pary i povrchový prach a hľadané častice sa na ňom zachytávajú. Možnosti detekcie môže zvýšiť zahriatie povrchu kontrolovaného objektu tepelným žiaričom. Dosiahnutá teplota (napr. 67 °C) sa kontroluje infračerveným senzorom. Odber vzoriek môže trvať niekoľko sekúnd až, u veľkých objektov alebo rozľahlejších plôch, niekoľko minút.
Po odobratí vzorky sa uskutočňuje jeho desorpcia z filtra. Filter (kolektor), nachádzajúci sa v automatickej desorpčnej jednotke, je zahrievaný a je cez neho hnaný prúd vzduchu.To spôsobuje vyparovanie častíc drog a výbušnín a ich strhávanie prúdom vzduchu do analyzačného prístroja.Výška teploty musí zaistiť dostatočnú desorpciu všetkých detekovaných látok, nesmie však prekročiť teplotu ich rozkladu. Teplota desorpcie sa volí okolo 230°C.
4.5.1 Detekcia výbušnín a drog chemickou reakciou • Detekcia výbušnín a drog klasickou „mokrou“ chémiou je samozrejme najstaršou metódou ich detekcie aj u radovej polície.Väčšina súprav je určená len pre preukázanie, že nájdená látka je určitou výbušninou či drogou.Niektoré moderné chemické detekčné súpravy sú však priamo určené k vyhľadávaniu zvyškových stopových častíc, teda k bezpečnostnej prehliadke. Obr. 4.12 Odber vzoriek oterom pre detekciu výbušnín chemickou reakciou
Pre detekciu výbušnín aj drog majú tieto prostriedky najčastejšie formu súpravy činidlových roztokov alebo súpravy sprejov. Filtračným (či lepiacim) papierikom sa odoberie vzorka z povrchu kontrolovaného objektu a z kvapátokči sprejov sa na neho nanášajú chemikálie podľa návodu.Podľa výsledných sfarbení sa usudzuje na prítomnosť častíc výbušnín či drog . Treba poznamenať, že chemické súpravy obsahujú i žieraviny a majú obmedzenú dobu skladovania. Ich veľkou výhodou je nízka nákupná cena. Nevýhodou nízka citlivosť a selektívnosť. Tenkovrstvová chromatografiaje detekčná metóda založená na rôznom postupe jednotlivých druhov molekúl analyzovanej látky chromatografickým prúžkom. Aj keď je, ako ďalej uvidíme, prípadná pozitívna detekcia signalizovaná príslušným sfarbením koncového detekčného elementu chemickou reakciou, nie je to klasická chemická metóda, pretože hlavná časť detekcie prebieha (fyzikálno-chemicky) ešte pred týmto prípadným sfarbením.
