Бесплатный фрагмент - Применение инспекционно-досмотровых комплексов при таможенном контроле

Автор:

Д. Н. Афонин — профессор кафедры таможенных операций и таможенного контроля Санкт-Петербургского имени В.Б.Бобкова филиала Российской таможенной академии, доктор медицинских наук, доцент.

Рецензенты:

А. И. Начкин — заведующий кафедрой таможенного регулирования и таможенного дела АНО ВО «Университет при МПА ЕврАзЭС», кандидат военных наук, доцент;

В. С. Смирнова — начальник отдела выбора объектов контроля службы таможенного контроля после выпуска товаров Северо-Западного таможенного управления, кандидат экономических наук, майор таможенной службы.

В учебнике рассматриваются назначение и классификация инспекционно-досмотровых комплексов (ИДК), физические основы рентгеновских методов неразрушающего контроля, а также объекты таможенного контроля, подлежащие осмотру с использованием этих комплексов. Особое внимание уделено порядку проведения таможенного контроля с применением ИДК, анализу изображений, получаемых в процессе досмотра, и направлениям совершенствования технологий их применения. Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальности 38.05.02 «Таможенное дело». и слушателей, обучающихся по дополнительным профессиональным программам повышения квалификации.

Ключевыеслова: инспекционно-досмотровыекомплексы, ИДК, таможенный контроль, экономическая безопасность, анализизображений, радиационная безопасность.

© Д.Н.Афонин, 2025

Введение

Инспекционно-досмотровые комплексы (далее — ИДК) представляют собой высокоэффективные технические средства, используемые в таможенном контроле, обеспечении безопасности и борьбе с контрабандой. Эти системы, основанные на применении ионизирующего излучения, таких как рентгеновское или нейтронное, позволяют проводить бесконтактный досмотр багажа, грузов и транспортных средств, выявляя запрещённые предметы, включая оружие, взрывчатые вещества, наркотики и ядерные материалы. Развитие технологий ИДК, начиная с первых рентгеновских установок конца XIX века и заканчивая современными мультимодальными системами, интегрирующими искусственный интеллект и трёхмерную визуализацию, значительно повысило эффективность таможенных процедур и укрепило безопасность государственных границ.

Настоящий учебник предназначен для студентов, специалистов таможенных органов, инженеров и операторов, работающих с ИДК. Он охватывает ключевые аспекты применения инспекционно-досмотровых комплексов, включая их физические основы, классификацию, порядок эксплуатации, методы анализа изображений, а также вопросы технического обслуживания и обеспечения безопасности. Учебник структурирован таким образом, чтобы обеспечить последовательное изучение материала: от теоретических основ до практических аспектов эксплуатации и перспектив развития технологий.

Глава 1 посвящена назначению и классификации ИДК, а также объектам таможенного контроля, для которых они применяются. В этом разделе рассматриваются физические принципы рентгеновских методов неразрушающего контроля, основные характеристики ИДК и типы объектов, подлежащих досмотру. Глава 2 фокусируется на практических аспектах проведения таможенного контроля с использованием ИДК, включая порядок действий должностных лиц, методы анализа изображений и направления совершенствования технологий. Глава 3 охватывает вопросы организации эксплуатации ИДК, их технического обслуживания и обеспечения безопасности персонала, что является критически важным для надёжной и безопасной работы комплексов.

Учебник ориентирован на формирование у читателей комплексного понимания принципов работы ИДК, их роли в таможенном деле и технических аспектов эксплуатации. Особое внимание уделено нормативно-правовой базе, включая требования Таможенного кодекса Евразийского экономического союза и санитарных норм Российской Федерации, что делает учебник полезным как для теоретического изучения, так и для практического применения в профессиональной деятельности.

Глава 1. Назначение ИДК и их классификация. Объекты таможенного контроля с применением ИДК

Рентгеновские технологии занимают центральное место в современных систе­мах таможенного контроля, обеспечивая бесконтактный досмотр багажа, това­ров и транспортных средств. Их применение позволяет выявлять запрещённые предметы, такие как оружие, наркотики, взрывчатые вещества и контрабанда, без необходимости физического вскрытия объектов. История развития рентге­новских технологий для таможенного контроля охватывает более ста лет, на­чиная с открытия рентгеновских лучей Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году и заканчивая современными высокотехнологичными системами, ис­пользующими двухэнергетические методы и компьютерную томографию.

Открытие рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном в 1895 году стало пере­ломным моментом в науке и технике. Рентген обнаружил, что эти лучи, генери­руемые при столкновении ускоренных электронов с металлической мишенью, способны проникать через непрозрачные материалы, такие как дерево, бумага и даже человеческая кожа, создавая теневое изображение на флуоресцентном экране или фотопластинке. Уже в 1896 году рентгеновские лучи начали исполь­зоваться в медицинской диагностике, но их потенциал для контроля содержи­мого закрытых объектов быстро привлек внимание таможенных служб.

В начале XX века таможенные органы Европы и США начали эксперименти­ровать с рентгеновскими установками для досмотра багажа. Первыми объекта­ми контроля были чемоданы и посылки, в которых искали контрабандные то­вары, такие как алкоголь, табак и драгоценности. Ранние рентгеновские аппа­раты, основанные на вакуумных рентгеновских трубках, имели низкую мощ­ность (до 50—100 кВ) и использовали фотопластинки для регистрации изобра­жений. Эти системы были громоздкими, медленными и требовали значитель­ного времени на обработку изображений, что ограничивало их применение в таможенных пунктах с высоким потоком грузов [22].

В 1920-1930-х годах прогресс в области рентгеновских трубок и источников пи­тания позволил увеличить энергию излучения до 200—300 кВ, что улучшило проникающую способность и качество изображений. В этот период начали по­являться первые стационарные рентгеновские установки, предназначенные для таможенного контроля. Например, в портовых городах Европы, таких как Гамбург и Роттердам, рентгеновские аппараты использовались для выбороч­ного досмотра грузовых ящиков и багажа. Однако их применение оставалось ограниченным из-за высокой стоимости оборудования, необходимости квали­фицированного персонала и ограниченной скорости сканирования.

Во время Второй мировой войны рентгеновские технологии получили но­вый импульс благодаря военным разработкам. В 1940-х годах в США и Вели­кобритании были созданы более мощные рентгеновские системы для провер­ки военного снаряжения и грузов. Эти системы использовали усиленные рент­геновские трубки и флуоресцентные экраны, что позволяло быстрее визуали­зировать содержимое. После войны часть этих технологий была адаптирова­на для гражданских нужд, включая таможенный контроль. В 1950-х годах в крупных аэропортах, таких как лондонский Хитроу и нью-йоркский аэропорт имени Кеннеди, начали устанавливать рентгеновские интроскопы для провер­ки багажа пассажиров. Эти устройства, хотя и примитивные по современным стандартам, могли выявлять металлические предметы, такие как оружие, и стали важным инструментом в борьбе с контрабандой.

Прорыв в рентгеновских технологиях для таможенного контроля произошёл в 1970-х годах с развитием цифровой электроники и сцинтилляционных детек­торов. Традиционные фотопластинки и флуоресцентные экраны начали заме­няться цифровыми детекторными линейками, которые преобразовывали рент­геновское излучение в электрические сигналы, обрабатываемые компьютера­ми. Это позволило создавать более чёткие изображения и ускорить процесс досмотра. В 1970-х годах компания Heimann Systems (Германия) представила первые рентгенотелевизионные интроскопы, такие как «Hi-Scan», которые ста­ли стандартом для проверки багажа в аэропортах. Эти системы использовали рентгеновское излучение с энергией 100—160 кВ и отображали содержимое ба­гажа на мониторах в реальном времени.

В этот же период начали применяться двухэнергетические рентгеновские системы, которые использовали два уровня энергии (например, 80 кВ и 160 кВ) для дифференциации материалов по их атомному номеру. Органические веще­ства (с низким атомным номером) отображались в оранжевом цвете, металлы — в синем, а смешанные материалы — в зелёном. Это значительно повысило способность таможенников выявлять наркотики, взрывчатые вещества и дру­гие органические материалы, скрытые в багаже или грузах. К 1980-м годам та­кие системы, как «Hi-Scan 6040», стали широко применяться в аэропортах и на таможенных терминалах по всему миру.

В 1980-1990-х годах рост международной торговли и увеличение объёмов гру­зовых перевозок потребовали разработки рентгеновских систем для досмотра крупногабаритных объектов, таких как морские контейнеры и грузовые авто­мобили. В этот период появились инспекционно-досмотровые комплексы (ИДК), способные сканировать целые транспортные средства. Одной из первых таких систем была американская «Gamma-Ray Inspection System», разработанная ком­панией American Science Engineering в 1980-х годах. Она использовала гамма- излучение, но вскоре была дополнена рентгеновскими источниками с энерги­ей до 1 МэВ, что позволяло просвечивать металлические контейнеры толщи­ной до 150 мм.

В России развитие ИДК началось в 1990-х годах с созданием комплексов, та­ких как «Полискан», разработанных при участии ФГУП «Московский радиотех­нический институт РАН» и других предприятий. Эти системы использовали ли­нейные ускорители электронов с энергией 3—7,3 МэВ, что обеспечивало прони­кающую способность до 300—350 мм стали. Комплекс «Полискан-3», описанный в 2007 году, стал примером передовой технологии, использующей двухпроек­ционное просвечивание для создания теневых изображений в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Такие системы позволяли сканировать контейне­ры и автомобили в движении со скоростью до 0,4 м/с, обеспечивая производи­тельность до 20 объектов в час.

Параллельно с просвечивающими системами в 1990-х годах начали развивать­ся бэкскаттерные технологии, основанные на регистрации рентгеновских фо­тонов, рассеянных обратно от объекта. Компания American Science Engineering представила систему «Z Backscatter», которая использовала рентгеновское из­лучение с энергией 50—250 кВ для выявления органических веществ, таких как взрывчатка и наркотики, в поверхностных слоях объектов. В отличие от про­свечивающих систем, где детектор находится с противоположной стороны объ­екта, бэкскаттерные системы размещают источник и детектор с одной стороны, что делает их компактными и подходящими для мобильного использования [27].

В 2000-х годах рост террористических угроз и контрабанды привёл к разработке мобильных рентгеновских систем, устанавливаемых на автомобильные шас­си. Такие системы, как «HCV-Mobile» и «MobileSearch», позволяли проводить до­смотр в полевых условиях, на временных контрольно-пропускных пунктах или в портах [28]. Мобильные комплексы сочетали высокую мощность (до 6 МэВ) с воз­можностью быстрого развёртывания, что делало их незаменимыми для опера­тивного контроля грузов и транспортных средств. В России аналогичные систе­мы, такие как «Заслон» и «Колибри», использовались для досмотра в условиях, где стационарные установки были недоступны.

Интеграция искусственного интеллекта (ИИ) в рентгеновские системы поз­воляет автоматически выявлять подозрительные объекты на основе анализа изображений. Например, алгоритмы ИИ могут распознавать характерные фор­мы оружия или взрывчатых веществ, снижая нагрузку на операторов. Кроме того, развитие сцинтилляционных детекторов на основе новых материалов, та­ких как перовскиты, повышает чувствительность и разрешение систем.

В России продолжается модернизация комплексов, таких как «Полискан-3», с использованием многолучевых клистронов вместо магнетронов для повы­шения надёжности и снижения энергопотребления. Конструкции ускорителей, исключающие вакуумные системы, сокращают время ввода обо­рудования в эксплуатацию и повышают его долговечность.

Несмотря на прогресс, рентгеновские технологии сталкиваются с рядом про­блем. Высокая стоимость оборудования, особенно мощных ИДК, ограничивает их внедрение в небольших таможенных пунктах. Кроме того, необходимость обеспечения радиационной безопасности требует строгого кон­троля доз облучения, особенно при досмотре грузов, содержащих продукты питания и фоточувствительные материалы. Ограниченная проника­ющая способность бэкскаттерных систем делает их менее универсальными, а сложность обслуживания высокотехнологичного оборудования требует подго­товки квалифицированного персонала.

История применения рентгеновских технологий в таможенном контроле де­монстрирует их эволюцию от примитивных аппаратов конца XIX века до совре­менных высокотехнологичных систем. Открытие рентгеновских лучей зало­жило основу для бесконтактного досмотра, а последующие достижения в элек­тронике, детекторах и вычислительных технологиях сделали эти методы неза­менимыми для обеспечения безопасности и борьбы с контрабандой. Просве­чивающие системы, бэкскаттерные технологии и компьютерная томография дополняют друг друга, обеспечивая комплексный подход к таможенному кон­тролю. Перспективы развития связаны с интеграцией ИИ, улучшением детек­торов и повышением мобильности систем, что обещает дальнейший рост их эффективности в будущем.

1.1. Физические основы рентгеновских методов неразрушающего контроля

Рентгеновские методы неразрушающего контроля занимают центральное ме­сто в современной технике и промышленности, обеспечивая возможность ис­следования внутренней структуры объектов без их разрушения. Эти методы широко применяются в таких областях, как материаловедение, машиностро­ение, аэрокосмическая промышленность, медицина и таможенный контроль. Основой рентгеновских методов является использование электромагнитного излучения в диапазоне энергий от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт, что позволяет проникать через материалы различной плот­ности и толщины. Физические принципы, лежащие в основе этих методов, вклю­чают взаимодействие рентгеновского излучения с веществом, а также реги­страцию и анализ результирующих сигналов для формирования изображений или получения данных о составе объекта [30].

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны с дли­ной волны в диапазоне от 0,01 до 10 нм, что соответствует энергиям фотонов от 0,1 до 100 кэВ для мягкого рентгена и до нескольких МэВ для жёсткого рент­гена. Это излучение генерируется при взаимодействии ускоренных заряжен­ных частиц, обычно электронов, с веществом. Основной механизм генерации рентгеновского излучения в технических системах — это тормозное излуче­ние, возникающее при замедлении электронов в электрическом поле атомных ядер мишени. Когда высокоэнергетический электрон сталкивается с ядром ато­ма, его кинетическая энергия частично преобразуется в энергию фотона рент­геновского излучения. Спектр тормозного излучения является непрерывным, с максимальной энергией фотона, равной кинетической энергии электрона. Кроме того, при определённых условиях может возникать характеристическое излучение, связанное с переходами электронов между внутренними оболочка­ми атомов мишени. Это излучение имеет дискретные линии в спектре, соот­ветствующие энергиям переходов, зависящим от материала мишени.

В рентгеновских системах неразрушающего контроля чаще всего использу­ются рентгеновские трубки или линейные ускорители. В рентгеновской трубке электроны, ускоренные электрическим полем с напряжением от 20 до 450 кВ, ударяют по металлической мишени, обычно из вольфрама или молибдена, со­здавая рентгеновское излучение. Линейные ускорители, применяемые в более мощных системах, таких как комплексы для досмотра грузов, генерируют элек­троны с энергиями до 7—10 МэВ, что позволяет создавать излучение с высокой проникающей способностью, необходимой для исследования толстых метал­лических объектов.

Для досмотра крупногабаритных объектов, таких как морские контейнеры и грузовые автомобили, применяются линейные ускорители электронов (линатроны), которые генерируют рентгеновское излучение с энергией от 1 до 10 МэВ. Эти устройства используют электромагнитные поля для ускорения элек­тронов до высоких энергий, после чего электроны ударяют по конверсионной мишени, создавая жёсткое рентгеновское излучение с высокой проникающей способностью.

Линейный ускоритель состоит из нескольких ключевых компонентов: элек­тронного инжектора, ускоряющей структуры, источника СВЧ-мощности и кон­версионной мишени. Электронный инжектор формирует пучок электронов, ко­торый затем ускоряется в бипериодической структуре на стоячей волне, запи­тываемой от магнетрона или клистрона. Частота СВЧ-излучения, используе­мая в таких системах, обычно составляет 2,8—3 ГГц, как, например, в комплек­се «Полискан-3». Конверсионная мишень, выполненная из вольфрама или тан­тала, преобразует кинетическую энергию электронов в рентгеновское излуче­ние. Локальная биозащита, обычно из чугуна или свинца, минимизирует рас­сеянное излучение, обеспечивая безопасность персонала.

Линейные ускорители, применяемые в ИДК, таких как «Полискан-3» или американская система Eagle T60, обеспечивают энергию излучения 3—7,3 МэВ, что позволяет просвечивать до 350 мм, стали. Они используются в стационар­ных и мобильных комплексах, таких как HCV-Mobile, для досмотра грузовых контейнеров и транспортных средств в движении со скоростью до 0,4 м/с. Та­кие системы способны создавать двухпроекционные изображения, что повы­шает информативность и позволяет выявлять скрытые тайники.

Преимущества линейных ускорителей включают их высокую проникающую способность, необходимую для досмотра плотных материалов, и способность работать в импульсном режиме, что снижает радиационную нагрузку. Однако они сложны в эксплуатации, требуют мощных источников питания и систем охлаждения, а также имеют высокую стоимость. Кроме того, их размеры и мас­са (например, корпус биозащиты «Полискан-3» весит 13 тонн) ограничивают их применение в портативных системах.

Синхротронное излучение, хотя и редко используется в коммерческих ИДК, пред­ставляет собой перспективный тип генератора рентгеновского излучения, осо­бенно для исследовательских и специализированных приложений. Синхротрон­ное излучение возникает при движении релятивистских электронов в магнит­ном поле, создаваемом синхротроном или накопительным кольцом. Электро­ны, движущиеся по криволинейной траектории, излучают электромагнитные волны в широком спектре, включая рентгеновский диапазон.

В отличие от рентгеновских трубок и линейных ускорителей, синхротрон­ные источники обеспечивают монохроматическое или квазимонохроматическое излучение с высокой интенсивностью и узким энергетическим спектром. Это позволяет проводить спектральный анализ материалов с высокой точно­стью, что особенно полезно для идентификации химического состава объек­тов. Энергия излучения в синхротронных источниках может варьироваться от десятков кэВ до нескольких МэВ, в зависимости от параметров ускорителя.

В таможенном контроле синхротронные источники применяются в экспе­риментальных установках, например, для анализа грузов с целью выявления ядерных материалов или контрабанды драгоценных металлов. Такие системы разрабатывались в Японии и США, где синхротроны, такие как Spring-8 или Advanced Photon Source, использовались для тестирования методов досмотра. Однако их применение ограничено из-за чрезвычайно высокой стоимости и сложности оборудования, а также необходимости стационарной инфраструк­туры размером с крупный исследовательский центр.

Преимущества синхротронных источников включают их высокую яркость, возможность точной настройки энергии излучения и низкий уровень рассе­янного фона. Однако их громоздкость, высокая стоимость (сотни миллионов долларов) и сложность эксплуатации делают их непригодными для массового применения в ИДК.

Рентгеновские трубки, линейные ускорители и синхротронные источники раз­личаются по своим характеристикам и областям применения. Рентгеновские трубки работают в диапазоне энергий 20—450 кВ и подходят для досмотра ба­гажа и небольших грузов, обеспечивая высокое пространственное разрешение (порядка 1 мм) и компактность. Их проникающая способность ограничена тол­щиной до 50—100 мм стали, что делает их неэффективными для крупногабарит­ных объектов.

Линейные ускорители, с энергией 1—10 МэВ, обеспечивают проникающую способность до 350—400 мм стали и применяются для досмотра грузовых кон­тейнеров и транспортных средств. Они обладают высокой производительно­стью (15—20 объектов в час) и могут работать в двухпроекционном режиме, но требуют сложной инфраструктуры и биозащиты.

Синхротронные источники, с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ, обеспечивают высочайшую точность анализа, но их использование ограниче­но исследовательскими приложениями из-за высокой стоимости и сложности.

Генераторы рентгеновского излучения в ИДК должны соответствовать строгим требованиям по радиационной безопасности, надёжности и эффективности. Рентгеновские трубки и линейные ускорители оснащаются системами биоза­щиты, такими как свинцовые или чугунные экраны, для минимизации рас­сеянного излучения. Например, в комплексе «Полискан-3» корпус биозащиты из чугуна снижает дозу неиспользуемого излучения до безопасного уровня, а двухпозиционный коллиматор позволяет калибровать детекторную систему для повышения чувствительности.

Источники питания для рентгеновских трубок требуют стабильного напря­жения (до 450 кВ) и тока (до 10 мА), а для линейных ускорителей — импульс­ных источников СВЧ-мощности (до 2,5 МВт). Системы охлаждения, такие как водяные или воздушные контуры, необходимы для предотвращения перегре­ва анодов и мишеней. В синхротронных системах используются сверхпроводя­щие магниты и вакуумные камеры, что значительно усложняет их конструк­цию.

Развитие генераторов рентгеновского излучения для ИДК связано с несколь­кими направлениями. Во-первых, улучшение рентгеновских трубок направле­но на повышение их энергоэффективности и долговечности. Новые материа­лы для анодов, такие как наноструктурированный вольфрам, позволяют уве­личить выход рентгеновского излучения и снизить тепловые нагрузки. Кро­ме того, разработка двухэнергетических трубок с переключаемыми энергиями (например, 80/160 кВ) улучшает дифференциацию материалов.

Во-вторых, линейные ускорители модернизируются за счёт использования многолучевых клистронов вместо магнетронов, как предлагается для комплек­са «Полискан-3». Многолучевые клистроны обеспечивают большую надёжность, долговечность (до 10 000 часов) и меньшее питающее напряжение (до 60 кВ), что упрощает эксплуатацию. Отпаянные конструкции ускорителей, исключа­ющие вакуумные системы откачки, сокращают время ввода в эксплуатацию до нескольких часов.

В-третьих, развитие компактных синхротронных источников, таких как лазерно­плазменные ускорители, может в будущем сделать синхротронное излучение более доступным для ИДК. Эти системы, основанные на ускорении электронов в плазме под действием лазерных импульсов, способны генерировать рентге­новское излучение с энергией до нескольких МэВ в компактных установках.

Ключевым аспектом рентгеновских методов неразрушающего контроля явля­ется взаимодействие рентгеновских фотонов с атомами вещества. Это взаимо­действие определяет, как излучение проходит через объект, поглощается или рассеивается, что, в свою очередь, влияет на качество получаемого изображе­ния. Основные физические процессы, происходящие при взаимодействии рент­геновских фотонов с веществом, включают фотоэлектрический эффект, комп­тоновское рассеяние и образование пар.

Фотоэлектрический эффект доминирует при низких энергиях фотонов (до 100 кэВ) и в материалах с высоким атомным номером. В этом процессе рентге­новский фотон полностью поглощается атомом, передавая свою энергию одно­му из электронов внутренней оболочки, который выбивается из атома. Вероят­ность фотоэлектрического эффекта пропорциональна Z3/Е3, где Z — атомный номер материала, а Е — энергия фотона. Этот процесс ответственен за основное поглощение излучения в плотных материалах, таких как металлы, и формиру­ет контраст на рентгеновских изображениях.

Комптоновское рассеяние преобладает при энергиях фотонов от 100 кэВ до нескольких МэВ и в материалах с низким атомным номером, таких как органи­ческие вещества. В этом процессе фотон сталкивается с внешним электроном атома, передавая ему часть своей энергии и изменяя направление движения. Энергия рассеянного фотона определяется углом рассеяния согласно формуле Комптона.

Образование пар становится значимым при энергиях фотонов выше 1,022 МэВ, что соответствует энергии, необходимой для создания электрон-позитронной пары. Этот процесс происходит вблизи ядра атома и характерен для жёсткого рентгеновского излучения, используемого в мощных системах, таких как ли­нейные ускорители. Вероятность образования пар пропорциональна Z2, что де­лает его важным для материалов с высоким атомным номером.

Интенсивность рентгеновского излучения, проходящего через материал, опи­сывается законом Бугера-Ламберта.

Рентгеновские методы неразрушающего контроля можно разделить на два ос­новных типа: просвечивающие (transmission) и бэкскаттерные (backscatter). Каж­дый из них основан на различных физических принципах и имеет свои обла­сти применения.

Просвечивающие методы основаны на регистрации рентгеновского излуче­ния, прошедшего через объект. В этом случае источник излучения и детектор располагаются по разные стороны объекта, а интенсивность прошедшего излу­чения зависит от поглощения и рассеяния в материале. Детекторы формируют теневое изображение, где области с высокой плотностью или высоким атом­ным номером выглядят темнее из-за большего поглощения. Для повышения информативности изображения могут использоваться две проекции — гори­зонтальная и вертикальная, как, например, в комплексе «Полискан-3». Энергия излучения в таких системах обычно составляет от 100 кэВ до 10 МэВ, что позво­ляет исследовать объекты толщиной до 350 мм стали. Основное преимущество просвечивающих методов — высокая проникающая способность, что делает их незаменимыми для контроля крупных объектов, таких как морские контейне­ры или авиационные компоненты.

Бэкскаттерные методы используют регистрацию рентгеновских фотонов, рас­сеянных обратно от объекта. В отличие от просвечивающих систем, источник и детектор находятся с одной стороны объекта. Комптоновское рассеяние играет ключевую роль в этом методе, так как рассеянные фотоны несут информацию о поверхностных слоях материала. Бэкскаттерные системы эффективны для об­наружения органических веществ, таких как взрывчатка или наркотики, по­скольку эти материалы имеют низкий атомный номер и высокую вероятность комптоновского взаимодействия. Энергия излучения в таких системах обычно ниже, чем в просвечивающих, и составляет от 50 до 250 кэВ. Основное ограни­чение бэкскаттерных методов — низкая проникающая способность, что делает их менее подходящими для толстых или плотных объектов.

Компьютерная томография представляет собой усовершенствованный ме­тод просвечивания, который позволяет создавать трёхмерные изображения объ­екта. В этом методе объект облучается рентгеновским излучением с разных уг­лов, а детекторы регистрируют интенсивность прошедшего излучения. На ос­нове этих данных с помощью математических алгоритмов, таких как преобра­зование Радона, реконструируется трёхмерная структура объекта. Компьютер­ная томография требует высокой вычислительной мощности и сложных си­стем детектирования, но обеспечивает высокую детализацию, что делает её идеальной для анализа сложных компонентов, таких как турбинные лопатки или микроэлектронные устройства.

Детекторы в рентгеновских ИДК предназначены для регистрации фотонов рент­геновского излучения, энергия которых варьируется от десятков килоэлектрон­вольт (кэВ) для мягкого рентгена до нескольких мегаэлектронвольт (МэВ) для жёсткого рентгена. Основной задачей детектора является преобразование энер­гии рентгеновских фотонов в электрический сигнал, который затем обрабаты­вается для создания изображения или анализа спектральных данных. Физиче­ские процессы, лежащие в основе работы детекторов, включают фотоэлектри­ческий эффект, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар, которые определяют взаимодействие рентгеновских фотонов с материа­лом детектора.

Фотоэлектрический эффект доминирует при низких энергиях (до 100 кэВ), когда фотон полностью передаёт свою энергию электрону в атоме материала детектора, вызывая его выброс. Комптоновское рассеяние преобладает при энер­гиях 100 кэВ-1 МэВ, при котором фотон частично передаёт энергию электрону, изменяя направление движения. Образование пар становится значимым при энергиях выше 1,022 МэВ, когда фотон преобразуется в электрон и позитрон вблизи ядра атома. Эффективность детектора определяется его способностью поглощать рентгеновское излучение и преобразовывать его энергию в реги­стрируемый сигнал с минимальными потерями.

Детекторы в ИДК обычно формируют линейки или матрицы, обеспечиваю­щие пространственное разрешение и позволяющие создавать двух- или трёх­мерные изображения объектов. Линейки детекторов, состоящие из сотен или тысяч отдельных элементов, применяются в системах просвечивания, таких как «Полискан-3», для формирования теневых изображений, тогда как матрич­ные детекторы используются в системах компьютерной томографии (КТ) для создания трёхмерных реконструкций.

В рентгеновских ИДК применяются три основных типа детекторов: сцинтилля­ционные, полупроводниковые и газовые ионизационные. Каждый из них име­ет свои физические принципы работы, преимущества и области применения, которые определяются задачами досмотра и характеристиками рентгеновско­го излучения.

Сцинтилляционные детекторы являются наиболее распространённым типом детекторов в рентгеновских ИДК благодаря их высокой чувствительности, на­дёжности и относительно низкой стоимости. Они состоят из сцинтилляцион­ного материала, который преобразует энергию рентгеновского фотона в види­мый свет, и фотоприёмника, такого как фотодиод или фотоэлектронный умно­житель (ФЭУ), который регистрирует этот свет и преобразует его в электриче­ский сигнал.

Сцинтилляционные материалы, используемые в ИДК, должны обладать вы­сокой эффективностью поглощения рентгеновского излучения, коротким вре­менем послесвечения и устойчивостью к радиационным повреждениям. Наи­более распространённые материалы включают вольфрамат кадмия (CdWO4), йодид цезия (CsI (Tl)), гадолиниевый оксисульфид (Gd2O2S: Tb) и селенит натрия (NaI (Tl)). Например, в комплексе «Полискан-3» используются детекторы на ос­нове CdWO4, которые обеспечивают высокую чувствительность и низкое после­свечение, что критически важно для формирования чётких изображений при сканировании грузовых контейнеров.

Фотоприёмники, такие как кремниевые фотодиоды, преобразуют световой сигнал в электрический с высоким квантовым выходом. В некоторых систе­мах, таких как Hi-Scan от Smiths Detection, применяются ФЭУ для усиления сла­бых сигналов, что улучшает соотношение сигнал/шум при низкой интенсив­ности излучения. Сцинтилляционные детекторы обычно формируют линей­ки, содержащие от 256 до 2048 элементов, с апертурой 4—5 мм, как, например, в «Полискан-3», где линейка из 1024 детекторов имеет длину 5,1 м.

Преимущества сцинтилляционных детекторов включают их высокую эф­фективность, устойчивость к радиационным нагрузкам и способность работать в широком диапазоне энергий (от 50 кэВ до 7 МэВ). Однако они имеют огра­ниченное энергетическое разрешение, что затрудняет спектральный анализ, и могут страдать от послесвечения, которое снижает временное разрешение при высокоскоростном сканировании.

Полупроводниковые детекторы преобразуют энергию рентгеновских фотонов непосредственно в электрический сигнал за счёт создания электронно-дырочных пар в полупроводниковом материале. Наиболее распространённые материалы для таких детекторов — кремний (Si) и германий (Ge), а также более экзотиче­ские материалы, такие как теллурид кадмия (CdTe) и теллурид цинка-кадмия (CdZnTe).

В полупроводниковых детекторах рентгеновский фотон, поглощённый ма­териалом, вызывает возбуждение электронов из валентной зоны в зону про­водимости, создавая электронно-дырочные пары. Количество пар пропорцио­нально энергии фотона, что позволяет проводить спектральный анализ с вы­соким энергетическим разрешением. Например, детекторы на основе CdTe или CdZnTe, используемые в системах Rapiscan 628DV, имеют энергетическое разре­шение порядка 1—2% при 100 кэВ, что значительно превосходит возможности сцинтилляционных детекторов.

Полупроводниковые детекторы применяются в ИДК для двухэнергетическо­го сканирования, где два уровня энергии (например, 80 и 160 кВ) используются для дифференциации материалов по атомному номеру. Это позволяет отличать органические вещества (низкий Z) от металлов (высокий Z). В системах ком­пьютерной томографии, таких как CT-80 от Smiths Detection, полупроводнико­вые детекторы формируют матрицы, обеспечивающие высокое пространствен­ное разрешение (до 0,5 мм) для трёхмерной реконструкции.

Основные преимущества полупроводниковых детекторов включают высо­кое энергетическое разрешение, компактность и отсутствие необходимости в дополнительных фотоприёмниках. Однако они чувствительны к радиацион­ным повреждениям, особенно при работе с жёстким рентгеновским излучени­ем (выше 1 МэВ), и имеют высокую стоимость. Кроме того, для германиевых детекторов требуется охлаждение до криогенных температур, что усложняет их эксплуатацию в полевых условиях.

Газовые ионизационные детекторы, такие как пропорциональные счётчики или дрейфовые камеры, используются в ИДК реже, в основном в системах с низ­кой энергией излучения (до 200 кэВ). Они основаны на ионизации газа, такого как ксенон или аргон, рентгеновскими фотонами, что приводит к образованию электрического тока, пропорционального интенсивности излучения.

В газовых детекторах рентгеновский фотон ионизирует молекулы газа, со­здавая пары ион-электрон. Электроны собираются на аноде под действием элек­трического поля, генерируя сигнал. Для усиления сигнала могут использовать­ся пропорциональные счётчики, где применяется эффект газового усиления. Такие детекторы применялись в ранних системах ИДК, например, в 1970-х го­дах в первых рентгенотелевизионных интроскопах.

Преимущества газовых детекторов включают их простоту, низкую стоимость и способность работать при низких энергиях. Однако они имеют низкое про­странственное разрешение (порядка 1—2 см) и чувствительны к фоновому из­лучению, что ограничивает их применение в современных ИДК. В настоящее время они используются в основном в портативных устройствах для точечного контроля или в системах с низкими требованиями к разрешению.

В рентгеновских ИДК детекторы обычно организованы в линейки или матри­цы для обеспечения пространственного разрешения и формирования изобра­жений. Линейки детекторов применяются в системах просвечивания, где объ­ект сканируется в движении, а матрицы — в системах компьютерной томогра­фии, требующих многопроекционного анализа.

Линейки детекторов состоят из множества отдельных элементов, расположен­ных в ряд, обычно вдоль одной оси. Каждый элемент представляет собой сцин­тилляционный или полупроводниковый детектор с апертурой 2—5 мм. Напри­мер, в комплексе «Полискан-3» используется линейка из 1024 сцинтилляцион­ных детекторов на основе CdWO4 с апертурой 4,3*5 мм, обеспечивающая длину 5.1 м. Такая конфигурация позволяет формировать теневое изображение объек­та с разрешением, достаточным для выявления скрытых предметов в грузовых контейнерах.

Линейки детекторов работают в режиме интеграции сигнала, регистрируя интенсивность прошедшего через объект излучения. В двухэнергетических си­стемах, таких как ADANI BV6045, используются двойные линейки, где каждый элемент состоит из двух детекторов с разными фильтрами (например, медны­ми или алюминиевыми), что позволяет разделять сигналы по энергии и улуч­шать дифференциацию материалов.

Преимущества линеек включают высокую скорость сканирования (до 0,4 м/с) и простоту интеграции в туннельные системы. Однако их разрешение ограни­чено размером апертуры, а двумерный характер изображения требует допол­нительных проекций для полной реконструкции объекта.

Матрицы детекторов представляют собой двумерные массивы, состоящие из тысяч или миллионов элементов, и используются в системах компьютерной томографии. Каждый элемент матрицы, обычно с размером пикселя 0,5—1 мм, регистрирует интенсивность излучения с разных углов, что позволяет рекон­струировать трёхмерное изображение объекта с помощью алгоритмов, таких как преобразование Радона.

В ИДК, таких как CT-80, матрицы детекторов часто состоят из сцинтилляци­онных элементов на основе CsI (Tl) или Gd2O2S, соединённых с фотодиодными массивами. Полупроводниковые матрицы на основе CdTe применяются в вы­сокоточных системах для спектрального анализа. Размер матрицы может до­стигать 512×512 элементов, обеспечивая разрешение до 0,5 мм и динамический диапазон до 6,5×104, как указано в спецификациях современных КТ-сканеров.