X射线背散射技术安检系统核心方案设计

2015-01-02陈伟珂王炳淳

科技视界 2015年1期

陈伟珂王炳淳

（天津理工大学管理学院，中国天津 300384）

0 引言

20世纪80年代以来世界毒品犯罪形势日趋严峻，它像瘟疫一样在全球流行，成为当今世界最为严重的国际社会问题之一。贩毒、制毒的手段也不断翻新，并趋于现代化、智能化。毒品犯罪对我国社会安全的危害也日渐严重，为保卫我国的国计民生，必须坚决打击国内外毒品犯罪，包括毒品走私。X射线背散射探测技术就能很好的解决这个问题，成为海关和边防部门迫切需要的检测手段。

常规的人体安检系统存在着检查高峰期人员流量大、人工检测存在失误、检查人员可能被携带病毒或细菌感染等问题。目前，国际市场上X射线安全检查设备基本上可以分成三类：一是常规的X射线透视检查设备，二是CT型爆炸物、毒品自动探测设备，三就是X射线背散射设备。

X射线背散射设备是根据COMPTON背散射原理的一种新型检测设备，与传统透射技术相比，可以在被检物的一侧（与射线源同侧）给出检测图像，这为安全检测带来极大便利，是安全检测技术的一大突破，人体扫描背散射检测不但能够检测出衣服里面人体夹藏的金属枪支、刀具等危险品，而且可以显示夹藏在人体上的炸药、毒品、塑料刀枪、陶瓷凶器以及汽油、液体爆炸物等各种的非金属危险品。对防止恐怖袭击活动有重大意义。

1 背散射探测原理

X射线背散射成像技术就是利用康普顿散射原理。当X射线接触上物体时可能会发生3种情况：第一种情况是X射线穿过物体；第二种情况是X射线被物体吸收；第三种情况是发生散射。同时，X射线在遇到不同的物体时，会发生不同的散射：原则序数低的物质，X射线的散射就比较强；原子序数高的物质，X散射就比较弱。而且，散射概率与物体的电子密度有很大关系，电子的密度又与质量有关，X射线散射发出的的强弱和质量密度成正比。但是，光电效应同时抑制了高原子序数物质的散射。所以，在检测时，如果物体的原子序数低、密度大，那么X射线散射的信号强度就高，反之亦然。根据能量守恒定律，当X射线撞击物体的电子后能量减少，X射线穿透物体的能力变差。因此，在被检测物体附近都放置一台散射光子接收器，减少光子在空气重的衰减和二期散射。

X射线背散射成像技术利用“桶状”飞点扫描机械传动系统发出的X射线，沿着射线发出面围绕着被检测物体连续旋转，完成飞点扫描探测。与射线源同侧的背散射探测器，接收散射光子并由光电管转变为电信号放大输出，经过计算机处理后显示成像。飞点扫描机械传动系统是X背散射技术的核心，可以对X射线的方位进行处理，对被检测物体及时做出反应，完成准确成像，并可以对低原子序数物体的形状、位置进行显示和定位。X射线背散射技术与传统的检测手段相比具有如下优缺点：

X射线背散射技术的优点：

1）X射线背散射成像技术能显示低原子序数物质，不但能检测金属，还能检测出液体、塑料、毒品等物品。

2）通过对检测设备的改进，可以实现对人体的双面检测（即背面和正面），便于实施探测，节约探测的时间。

3）飞点探测扫描系统辐射剂量小，可以减少对人体的辐射，保证人体的安全。

X射线背散射技术目前存在的缺点：

1）射线的穿透能力差，造成图像的分辨率低，不能清晰的显示被测物体，只能描绘出被测物体的大致轮廓。

2）不能准确的对被测物体的原子序数进行分类，只能通过射线反射回来的亮度判断物体，无法实现在动探测。

3）需要大量的数据库作为后台支持。被测物体成像后，需要对比数据库中的图像信息来确定被检测物体。

2 X背散射成像技术设计

2．1 X射线光斑的能量核心计算

光斑的能量大小与形状决定了设备的反射强度和图像的生成及清晰度是设备能否成功的关键。

X射线是一种波长很短的电磁波，波长范围为0.0006∽50nm。目前X射线安检中常用的X射线波长为0.008∽0.031nm.X射线与物体相互作用，X射线的强度就会因射线通过物质而被减弱，这就是X射线的吸收现象。X光子与物质的相互作用主要包括：（1）光电效应——入射光子与束缚电子之间相互作用，导致光子完全消失；（2）康普顿散射——入射光子与自由电子发生碰撞，使光子的方向发生改变；（3）瑞利散射——入射光子与原子中的束缚电子相互作用而发生的弹性散射，其随着原子序数的增大而增强；（4）电子偶效应——当入射光子的能量大于电子的静止质量的两倍时，光子在原子核场附近能转化为一对正负电子。当射线能量为150KeV范围内时主要以光电效应和康普顿散射为主。我们通常用于检测的射线剂量也在150KeV范围内。如图所示光子与物质之间的三种主要相互作用。

图1 光子与物质之间的三种相互作用

光电效应的影响由光电效应的横截面σpe（10－24cm2/atom）来表示：

式中，Z表示与X射线相互作用的物质的原子序数

E表示X射线光子能量，单位为KeV

康普顿散射的影响由康普顿效应的横截面σncs来表示：

σ表示了X射线光子与物质原子相互作用的概率大小。

由以上可得在不大于且接近150KeV时主要是康普顿效应在作用，由此设定X射线发射源的电压和电流符合上述指标。

根据康普顿反散射原理，我们对与不同原子序数的物质进行了反散射的试验，试验数据显示，不通的物质对于X射线的反散射是不一样的，并且反散射能量随着物质原子序数的降低而增大。进而我们找到了合适的射线光斑能量大小，并根据相关的因素推到出了光斑能量的数学模型。

图2 不同物质的反散射计数（个/秒）

2.2 电信号采集系统

目前国内X射线透射普遍使用的L型探测器，但对于本系统成本太高，不适用，所以选用了国外进口的高灵敏度的塑料闪烁体探测器，使反射射线的90%以上都能被接收转换成电信号。依据闪烁体对反散射X射线荧光效应的能量范围、光衰减距离等因素设计了一套精准的能最大能量转换的闪烁体尺寸算法，根据荧光的光谱范围使用一种能有效完全反射的反射材料，减少了在闪烁体边缘反射的光能损失。

在采集电路方面，选用国外灵敏度高、暗电流小的弱信号倍增部件，能检测到单个低能光子入射形成的信号量。通过器件选型和电路设计，客服了弱信号采集电路难以实现线性放大的问题，从而保证了前端信号采集的真实性。