| Busque herramientas técnicas basadas en métodos de introscopia.
Kovalev Alexey Vasilievich, Doctor en Ciencias Técnicas
BÚSQUEDA DE HERRAMIENTAS TÉCNICAS BASADAS EN MÉTODOS DE INTROSCOPÍA. Con este artículo, la revista Special Equipment inicia una serie de publicaciones sobre el tema de la búsqueda de medios técnicos. Esperamos que estos materiales sean interesantes y útiles para nuestros lectores. Uno de los problemas más urgentes en el desarrollo de la sociedad ha sido y sigue siendo su seguridad: es la lucha contra el crimen, el terrorismo y los delitos económicos, la prevención y prevención de desastres ambientales y provocados por el hombre. La eficacia de la solución de estos problemas está indisolublemente ligada al nivel de equipamiento de las estructuras pertinentes con medios técnicos, entre los que ocupa un lugar importante los dispositivos de información basados en introscopia y métodos de ensayos no destructivos (END). El control de equipaje y correo, diversos contenedores y vehículos, alimentos y carga a granel, estructuras de edificios, muebles y enseres domésticos, el examen forense y el análisis de la autenticidad de obras de arte, valores, billetes y documentos se llevan a cabo actualmente utilizando medios técnicos de introscopia. Además de lo anterior, dichos equipos brindan una solución al problema de búsqueda e identificación de explosivos y artefactos explosivos, armas y municiones, reprimiendo los intentos de transporte ilegal de artículos prohibidos, contrabando y drogas; identificar sistemas de escucha y transmisión de información; detección de falsificaciones, falsificaciones, etc. Los métodos y equipos que resuelven los problemas descritos anteriormente se denominan métodos de búsqueda. Algunos expertos los llaman inspección, que es casi idéntica y difiere en los matices asociados con la aplicación. La variedad de tareas de búsqueda, las características de los objetos de control, las condiciones específicas para el uso de los equipos de búsqueda, los altos requisitos de funcionalidad, sensibilidad, confiabilidad, peso y características operativas determinaron la necesidad y viabilidad de formar una dirección científica independiente. Su principal objetivo es desarrollar y crear medios portátiles y seguros para el personal para buscar inclusiones extrañas en entornos ópticamente opacos mediante introscopia y métodos END. No hay duda de que la sentada de las bases de esta dirección y el nacimiento de la introscopia como ciencia pertenecen al mismo período. Aunque cabe señalar que hasta la fecha no existe una respuesta clara sobre la fecha de nacimiento de la introscopia. Las opiniones de los científicos y especialistas que trabajan en este campo están divididas. Algunos consideran que el momento del nacimiento de la introscopia es el período de desarrollo y construcción de las primeras estaciones de radar en la URSS en 1934, otros, a cuya opinión se inclina el autor, el día en que V.K. La radiografía tomó una fotografía de la mano de su esposa. También hay quienes se inclinan a creer que para establecer los orígenes de la introscopia hay que profundizar en la historia de la Edad Media. Para comprender las etapas y formas de formación de esta corriente científica, conviene hacer un breve recorrido histórico. La introscopia (del latín intro inside) es la observación visual de objetos o procesos dentro de cuerpos ópticamente opacos. , en ambientes opacos (sustancias). La observación se lleva a cabo convirtiendo una imagen del objeto en estudio, invisible al ojo, obtenida en un rango fijo de radiación electromagnética, en una imagen visible en la pantalla de un dispositivo especial llamado introscopio. El nacimiento y desarrollo de la introscopia como ciencia está determinado, en primer lugar, por su propiedad principal: la expansión hardware de las capacidades de la visión humana. Cabe señalar que el ojo humano percibe un rango muy estrecho de radiación electromagnética, cuyos límites están determinados por la longitud de onda de 400 a 800 nm, y su resolución no excede las décimas de grado del tamaño angular de los objetos observados. (objetos), con un nivel de contraste suficiente. La creación de dispositivos que ampliaron las capacidades de la visión humana y permitieron ver lo que estaba oculto por la lejanía o la pequeñez se remonta al siglo XV. Sin embargo, estos dispositivos sólo mejoraron las características de visión sin ampliar el rango del espectro visible de la radiación electromagnética. El primer dispositivo de este tipo fue el microscopio. Según algunas fuentes, el primer microscopio de dos lentes fue construido por Z. Jansen (Países Bajos) en 1590. El uso del microscopio, lejos de ser imperfecto, permitió al inglés G. Hooke (1665) descubrir la estructura celular de los tejidos animales y vegetales, al pastor holandés A. Leeuwenhoek (1673-1677) descubrir los microorganismos y al físico alemán E. Abbe (1872-1873) .g.) — desarrollar y desarrollar los fundamentos de la teoría de los métodos de investigación microscópica. Otro paso importante en este camino fue la creación del telescopio, construido por Galileo en 1609, mejorado y mejorado por Huygens y Ramsden, con la ayuda del cual se hicieron una serie de descubrimientos astronómicos notables. El cambio de siglo XIX y principios del XX estuvo marcado por una serie de grandes descubrimientos, un rápido desarrollo de la física y un flujo de nuevos hechos e ideas que se adelantaron a las suposiciones y expectativas más atrevidas. La actividad científica de toda una galaxia de científicos famosos durante este período sentó las bases de los métodos de la ciencia que más tarde se llamaría introscopia. G. Hertz en 1886-1889 fue el primero en demostrar experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas, estableciendo su identidad con las ondas de luz. El físico inglés J. J. Thompson descubrió el electrón en 1897 y en 1895 V. K. Roentgen hizo su importante descubrimiento. En 1896, A. Becquerel descubrió la radiactividad. Pronto el mundo aprendió sobre los rayos alfa y beta, y en 1901 P. Willard descubrió la radiación gamma. Tres décadas más tarde, la pareja F. e I. Joleau-Curie descubrieron el positrón (1934), y dos años antes J. Chadwick descubrió el neutrón. El descubrimiento de nuevos tipos de radiación electromagnética y la identificación de patrones de su interacción con diversos materiales estimuló la creación de dispositivos que convierten varios tipos de radiación (desde rayos gamma de alta energía hasta ondas de radio y desde vibraciones elásticas hasta radiación corpuscular) en ópticamente. visible, asegurando así el nacimiento de la ciencia de la visión en medios ópticamente opacos. La introscopia como ciencia aplicada debe su nacimiento y rápido desarrollo, en primer lugar, al progreso científico y tecnológico, que ha planteado requisitos fundamentalmente nuevos para la calidad de los materiales y productos. La variedad de problemas prácticos resueltos a partir de métodos y medios de introscopia, tanto en su finalidad y contenido como en sus condiciones, implica la resolución de un problema concreto utilizando diversos métodos físicos. Los métodos modernos de introscopia se basan en el uso de casi todo el rango de frecuencia del espectro electromagnético, y los introscopios modernos permiten una visión óptica directa en rayos transmitidos y dispersos con una determinada relación de transformación de las dimensiones de la imagen de la estructura interna de casi cualquier objeto. Todo depende de la elección de la radiación primaria, su intensidad y composición espectral. La Tabla 1 muestra la clasificación moderna de los tipos conocidos de radiación electromagnética. Tabla 1. Clasificación de varios tipos de radiación.
Junto con los tipos enumerados de radiación electromagnética, en introscopia se utilizan ampliamente métodos basados en ondas acústicas; se está trabajando para estudiar la posibilidad de utilizar radiación corpuscular (neutrones, electrones, protones, positrones), así como campos electrostáticos. Los tipos de radiación enumerados son la base de varios métodos de introscopia. Uno de los métodos de introscopia más universales e informativos es la radiación, que ocupa un lugar destacado en los ensayos no destructivos de materiales y productos, y los medios técnicos basados en este método se distinguen por una amplia variedad de tipos. Tecnología moderna, control de calidad de productos, análisis del funcionamiento de componentes y mecanismos, control de equipajes, envíos postales, contenedores y vehículos de carga, alimentos y materias primas, examen y análisis forense de obras de arte, registro de procesos rápidos y fenómenos físicos en entornos ópticamente opacos: esta es una lista lejos de ser completa de áreas de aplicación de la introscopia de radiación. La historia del desarrollo del método de introscopia de radiación comienza con ese día significativo que abrió una nueva era en el desarrollo de las ciencias naturales, determinó la dirección y la naturaleza del desarrollo de los medios técnicos de la medicina y las pruebas no destructivas. El 8 de noviembre de 1895, V. Roentgen en su pequeño laboratorio registró por primera vez el efecto de la radiación del tubo de Crookes sobre cristales de platino-sínóxido de bario. Cada vez que una corriente pasaba a través del tubo, emitía una radiación invisible a la vista, capaz de atravesar una barrera opaca a la luz y hacer brillar los cristales de la sal doble de cianuro de bario y platino. Los tubos con rayos catódicos se han utilizado en experimentos durante unos 40 años, pero ninguno de los experimentadores prestó atención a la radiación registrada por los rayos X. Durante 50 días, Roentgen estudió las propiedades de los rayos y buscó una explicación al fenómeno descubierto, convirtiéndose en un recluso, trabajando día y noche y prácticamente sin salir del laboratorio. Este comportamiento del científico provocó violentas protestas por parte de su esposa, Frau Martha. Sigue una explicación, durante la cual la radiografía toma una imagen fantástica: muestra las siluetas oscuras de los huesos de la mano de la esposa, y en una de las falanges hay una mancha negra de un anillo de bodas. Esta fotografía, que se muestra en la foto 1, se volvió histórica: la primera radiografía de un órgano humano. El 28 de diciembre de 1895, V. Roentgen envió 30 páginas del manuscrito «Sobre un nuevo tipo de rayos» con la nota Mensaje preliminar a la Sociedad Físico-Médica de la Universidad de Würzburg. Foto 1. Una de las primeras radiografías: imagen de una “mano sin carne” El 9 de marzo de 1896, V. Roentgen completó el segundo artículo sobre radiación abierta, y el 10 de marzo de 1897, el tercero (y último): «Observaciones adicionales sobre las propiedades de los rayos X». En estos tres pequeños artículos, publicados casi en un año, se ofrece una descripción completa de los rayos X en forma de resúmenes claramente formulados:
Inmediatamente después del descubrimiento de los rayos X, Roentgen creó una técnica para producir la radiación que descubrió y también descubrió que los rayos X surgen en el lugar donde inciden los rayos catódicos y su intensidad aumenta al aumentar la densidad del material anticatodo. El descubrimiento de V. Roentgen sacudió el mundo científico. Han aparecido numerosas publicaciones sobre el estudio y aplicación de los rayos X. En Rusia, A. S. Popov fue uno de los primeros en crear equipos para obtener y estudiar rayos X, y el profesor de la Academia Médica Militar de San Petersburgo, I. T. Egorov, ya en la segunda mitad de 1896 tomó imágenes de diagnóstico por rayos X de los pacientes. Hubo algunas rarezas. En 1896, las autoridades del estado de Nueva Jersey (EE.UU.) examinaron seriamente el proyecto de ley del diputado Reed, que prohibía el uso de rayos X en binoculares de teatro. Porque son capaces de penetrar no sólo a través de la ropa, sino también en el alma. La prensa del Nuevo y Viejo Mundo dio la alarma, advirtiendo que con la ayuda de los rayos X se pueden leer los ojos de otras personas. pensamientos, incluso los más ocultos. Han aparecido falsos estudios y publicaciones científicas que afirman que con la ayuda de los rayos X es posible devolver la juventud a los decrépitos y casi la vida a los moribundos, etc. etc. Sin embargo, cada vez aparecen más materiales que demuestran la eficacia del uso práctico de los rayos X. Una publicación interesante apareció en el periódico “Russian Vedomosti” en 1896. El artículo «En un mundo de nuevas vibraciones etéricas» describió la «aplicación más reciente de la radiografía de rayos X» para detectar diamantes falsificados. El método descrito todavía se utiliza hoy en día para resolver problemas similares. La rápida difusión y desarrollo de la tecnología de rayos X en todo el mundo se explica en parte por la ausencia de restricciones asociadas al monopolio de su producción, que estuvo determinada por la negativa de V. Roentgen a priorizar el descubrimiento, entre privilegios, licencias, patentes, etc. Además, con fines médicos, ya en 1896, se utilizaron rayos X para crear equipos especiales diseñados para controlar el equipaje y el correo. La foto 2 muestra uno de los primeros usos de un fluoroscopio de rayos X simple para la inspección de equipaje. Las características de estos dispositivos, cuya aparición se remonta a 1896-1897, eran muy bajas y las altas cargas de radiación limitaban su uso. El brillo de la pantalla de los primeros fluoroscopios oscilaba entre 10-3 y 5· 10-2 cd m-2, y la eficiencia de conversión no superaba los 5· 10-2 cd m-2 R. min. Foto. 2. Aplicación de los primeros fluoroscopios para el control de equipaje Desde el primer uso de los rayos X, durante casi 50 años, la conversión de radiación óptica se ha llevado a cabo únicamente con la ayuda de dos componentes funcionales principales: pantallas fluorescentes y fotoemulsión. Los dispositivos basados en este tipo de convertidores ya tenían limitaciones en el rango de espesores de los productos controlados y sensibilidad , así como debido a dificultades para garantizar la seguridad del control, restricciones en el uso de fuentes de radiación con una energía máxima de más de 200 keV. La tabla 2 muestra los principales logros de la introscopia de radiación a finales de los años 40. Tabla 2. Los principales logros de la introscopia de radiación a finales de los años 40.
Los cincuenta años de historia del desarrollo y creación de introscopios de radiación se caracterizaron por una intensa investigación simultánea para mejorar los convertidores y construir un modelo matemático del proceso de conversión de radiación óptica. Un resultado importante de estos estudios fue el establecimiento de una relación entre el contraste, el tamaño mínimo del elemento resuelto y el flujo de cuantos (1948). En 1949, Sturm y Morgan, analizando el proceso de radiación -conversión óptica, llegó a la conclusión de la necesidad de amplificar la energía al formar una imagen de corte. Un poderoso impulso en el desarrollo de la introscopia de rayos X fueron los éxitos alcanzados en el desarrollo de dispositivos de amplificación. , que, en primer lugar, incluyen los convertidores electrón-ópticos (EOC) y los convertidores electrón-ópticos de radiación (REOC). El intensificador de imágenes fue inventado por Holst de Burgh en 1934. Durante unos 10 años se desarrollaron los fundamentos teóricos de su funcionamiento, posibles opciones y métodos de aplicación. A mediados de los años 40, varios países comenzaron a producir tubos intensificadores de imágenes monocamerales con una resolución de 30 a 50 pares de líneas. mm-1. Y desde mediados de los 40 hasta mediados de los 50, se crearon intensificadores de imágenes de múltiples cámaras (2 — 6) con un factor de conversión de 107 — 108. Al mismo tiempo, se encontró que aumentar el número de cascadas no es apropiado. porque Los intensificadores de imagen de cinco cámaras han alcanzado la máxima ganancia de luz. A principios de los años 50, Tevis y Toole inventaron un REOP, que fue mejorado constantemente y actualmente se está produciendo su tercera generación. La primera generación de REOP cubre el período histórico desde los años cincuenta hasta finales de los sesenta. Los primeros REOP tenían un diámetro de ventana de entrada de 110-120 mm, una ganancia de no más de 800 y se utilizaba una capa de fósforo de ZnS o CdS como convertidores de radiación óptica. A finales de los años cincuenta se desarrollaron REOP con un diámetro de ventana de entrada de 160-220 mm y una ganancia de hasta 3000 y, al final del primer período, se desarrollaron REOP con un diámetro de ventana de entrada de hasta 320 mm y variable. apareció ganancia. La segunda generación de REOP se caracteriza por el uso como convertidor de centelleo basado en CsJ (1969), que mejoró drásticamente características de los sistemas de radiación como la eficiencia y la resolución cuánticas. La siguiente etapa en la mejora de los REOP fue aumentar el contraste de la imagen mediante el uso de una «pantalla oscura» (1971). La tercera generación de REOP se distingue por su alta resolución, lograda mediante la mejora de la tecnología de aplicación de fósforo en la fabricación de la pantalla de centelleo de entrada y una modificación significativa de la óptica electrónica. A finales de los 70 y principios de los 80, se crearon REOP con un campo de pantalla de entrada bastante grande (por ejemplo, de Philips o CJR), alcanzando un diámetro de 360-370 mm y una resolución del orden de 1-2 pares de pauta. mm-1. Sin embargo, su característica espacial de contraste de frecuencia (MTF) no supera el 50% con una resolución de 1 par de líneas. mm-1. En los últimos años se han solucionado los problemas tecnológicos asociados a la necesidad de desarrollar REOP con un diámetro de ventana de entrada de hasta 560-600 mm, proporcionando un valor MTF superior al 50% con una resolución de 4 a 5 pares de líneas. mm-1. La creación de tales dispositivos se garantiza mediante el uso de convertidores ópticos de radiación de estructura epitaxial, que garantizan la formación de una capa suficientemente gruesa de sustancia fluorescente con un alto coeficiente de absorción de radiación ionizante. Debe ser Observó que el progreso de la introscopia de radiación desde finales de los años 30 hasta mediados de los años 60 fue bastante lento. Durante este período, para resolver problemas especiales de búsqueda se utilizaban, por regla general, instalaciones de rayos X ligeramente modificadas para fines médicos e industriales. El comienzo del desarrollo intensivo de la tecnología de rayos X, un impulso significativo para ampliar y profundizar el trabajo sobre el desarrollo de métodos y la creación de herramientas especiales de búsqueda para la introscopia de radiación tanto en Rusia como en el extranjero, que tuvo lugar en la segunda mitad de los años 60, se debieron en gran medida al aumento del número de actos terroristas relacionados con el secuestro armado y el secuestro de aviones, la preparación y realización de una serie de explosiones en varios países europeos, un fuerte aumento del contrabando de armas y drogas , así como un aumento de la tensión internacional. En ese momento, se crearon y comenzaron a producirse en masa tubos de rayos X de 200-250 kV con una corriente de hasta 8 mA, así como el primer tubo de 300 kV con una corriente de 6 mA. Al mismo tiempo, el ámbito de aplicación de los REOP desarrollados anteriormente comenzó a ampliarse rápidamente y el método de introscopia de radiación se convirtió en una de las principales herramientas para las pruebas no destructivas. Los avances asociados con la creación de sistemas industriales de introscopia de radiación han influido en el desarrollo de sistemas de seguimiento especiales. La creación y el primer uso de sistemas fluoroscópicos especiales para garantizar la seguridad del personal protegido demostró inmediatamente su alta eficiencia. Así, en el proceso de control del equipaje de mano de los visitantes, en tan solo un día, se identificaron cinco personas que intentaban contrabandear armas en secreto al edificio del Congreso de Estados Unidos. En la Fig. La figura 1 muestra modelos de los sistemas móviles de rayos X más sencillos diseñados para controlar el equipaje de mano y el equipaje pequeño.
Fig. 1 Modelos de sistemas móviles de rayos X. Desde principios de los años 70, el arsenal de herramientas de introscopia de radiación comenzó a reponerse con sistemas de radiografía digital, que se basan en el método de obtención indirecta de una imagen digital mediante la digitalización de una imagen de rayos X o una señal de televisión transmitiendo una imagen desde una pantalla fluorescente. . La radiografía digital ha hecho posible ampliar las capacidades del método aumentando el rango dinámico y el uso de VKU electrónicos, y el uso de métodos tan simples de procesamiento matemático de imágenes como el aumento de la claridad, el tamaño y el contraste ha proporcionado mucha más información sobre la estructura interna del objeto de prueba que con la visualización visual directa. Los crecientes requisitos de calidad de imagen, la necesidad de ampliar la funcionalidad de los equipos y la implementación de un modo de obtención y procesamiento primario de información en tiempo real llevaron a principios de los años 80 a una mejora significativa en el método de radiografía digital debido a la conversión directa. de la distribución del campo de radiación en forma digital mediante detectores de radiación ionizante. La búsqueda de formas de mejorar la sensibilidad y el contenido de información del monitoreo de radiación condujo a mediados de los años 80 al desarrollo de un método y la creación de un equipo que genera una imagen radiológica de un objeto de monitoreo a partir de radiación dispersa. Esto proporcionó capacidades de monitoreo de radiación cualitativamente nuevas, amplió la funcionalidad y planteó nuevas preguntas para los desarrolladores e investigadores. Una forma muy prometedora de mejorar las características de los sistemas de monitoreo de radiación fue la creación de una nueva generación de sistemas fluoroscópicos, que se basan en el uso de placas de video y pantallas fotoelectroluminiscentes que almacenan temporalmente la imagen de radiación y leen la imagen usando un He- Ne láser mediante escaneo secuencial. En el arsenal de herramientas de introscopia de radiación, cabe destacar los dispositivos de radiografía dinámica basados en el uso de radiación ionizante pulsada. La creación de tubos de rayos X pulsados a finales de los años 40 y la creación de máquinas portátiles de rayos X pulsados en los años 60 aseguraron el establecimiento de la radiografía dinámica como un tipo completamente independiente de prueba no destructiva. El uso de la radiación de rayos X pulsados (PXR) ha abierto nuevas oportunidades en la monitorización de la radiación, proporcionando, junto con el estudio de procesos balísticos y explosivos, la capacidad de analizar fases sucesivas de procesos rápidos en medios ópticamente opacos. Desde la segunda mitad de los años 60, se empezaron a desarrollar y producir intensamente equipos especiales de monitorización de la radiación para garantizar la seguridad de los vuelos. Equipar los aeropuertos con dispositivos de introscopia de radiación ha permitido reducir drásticamente el número de sabotajes asociados con ataques armados a las tripulaciones y secuestros de aviones. La eficacia de los equipos de introscopia de radiación se demuestra en la Tabla 3, que muestra el número de ataques terroristas a aerolíneas estadounidenses antes y después de equipar los aeropuertos con sistemas de control. Tabla 3. Dinámica de los ataques terroristas a aerolíneas estadounidenses
Cabe señalar que ya en los años 70 se intentó utilizar tecnología informática en sistemas de introscopia de radiación tanto para controlar el proceso de seguimiento como para procesar la imagen resultante. Esto se debe, en primer lugar, al hecho de que incluso técnicas de procesamiento de imágenes tan simples como aumentar la claridad, discriminar por tamaño y forma y aumentar el contraste, pueden aumentar drásticamente el contenido de información de la imagen primaria y la detección de defectos. Desde principios de los años 80, casi todos los tipos de herramientas de introscopia de radiación creadas estaban equipadas con microcomputadoras o medios de microprocesador, lo que garantizaba una mejor calidad de imagen de los objetos controlados y la automatización del proceso de control. Los equipos de búsqueda para el control de la radiación, que han pasado de los sistemas más simples desarrollados a finales del siglo XIX a los equipos modernos equipados con tecnología informática, se fabrican actualmente en una gama bastante amplia. Sin embargo, todos los dispositivos que implementan el método de introscopia de radiación se combinan en dos tipos: sistemas fluoroscópicos y de escaneo o dispositivos de radiografía digital, que, a su vez, se dividen en portátiles o móviles y estacionarios. La necesidad y La viabilidad de desarrollar ambos tipos de hardware está determinada por una amplia variedad de tareas de búsqueda, diversas condiciones para su solución, requisitos económicos y de otro tipo. El compromiso óptimo entre el contenido de información del sistema, el nivel de exposición a la radiación del objeto de prueba, el costo, la operación cómoda y otros parámetros se logra al desarrollar herramientas portátiles basadas en sistemas fluoroscópicos, que son preferibles para dispositivos estacionarios; Sin embargo, cabe señalar que la elección final del principio para la construcción de sistemas de monitoreo de radiación se determina en función de las metas y objetivos del monitoreo, las condiciones de operación, los requisitos de sensibilidad, la carga de radiación y una serie de otros parámetros. Sensores de alarma de seguridad pasivos por infrarrojos
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