EDXRD安检系统衍射谱数据库的仿真研究

王丽晓 陈异凡 徐捷 王新 穆宝忠

文章编号： 1005-5630（2018）06-0029-07

摘要： 能量色散X射线衍射（EDXRD）系统在安检领域具有重要的应用前景。基于能量色散X射线衍射原理，以ICDDJCPDS数据作为初始能谱信息，分析了X射线光源、系统结构、探测器分辨率及物质衰减效应对衍射能谱的影响，建立了与系统特性相对应的衍射谱仿真模型。利用该模型，仿真了不同结构参数EDXRD系统的衍射谱，仿真谱和实际测量结果吻合。在此基础上，仿真了海洛因和NH4NO3在不同晶体结构下的衍射能谱，为EDXRD安检系统的识别数据库提供了一种有效的构建方法。

关键词：

能量色散X射线衍射; 数据库; 仿真; 能谱分辨率; 安检

中图分类号： O 434.13文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.005

引言

毒品、爆炸物等违禁品严重危害人类健康和社会安全，高效、精确的检测技术是查缉此类违禁品的关键。传统的X射线双能透视方法依赖物质的有效原子序数和密度進行查缉，很难区分毒品、炸药等违禁品和其他日用品。常见的毒品和炸药，例如海洛因、可卡因、冰毒、TNT、C4塑胶炸药等[1-3]，其分子为多晶体结构，而日用品的分子多为无定形结构。因此，通过测量X射线衍射谱能够从分子结构上实现对违禁品和日用品的精确识别[4-5]。能量色散X射线衍射（energy dispersive X-ray diffraction，EDXRD）采用宽光谱X射线作为入射光，结合半导体能谱探测器测量衍射能谱，相对于角度色散X射线衍射而言，EDXRD具有集光效率高、入射单元及探测单元位置固定、仪器构造简单等优势，是对毒品、爆炸物等精确检测和识别的有效手段。

对于EDXRD技术，衍射能谱是物质识别的“指纹”[6]，每种特定晶体结构的物质均具有唯一的衍射能谱，大量物质的衍射能谱组成识别数据库。实际应用中，某种物质的实测能谱与数据库中的能谱进行比对达到识别的目的[7]，因此，构建精确的、完整的数据库是决定能否识别和识别精度的关键。目前常见的数据库构建方法主要有两种：1） ICDD（International Center for Diffraction Data）JCPDS（The Joint Committee on Powder Diffraction Standard）数据库。该数据库是基于传统的角度色散X射线衍射（ADXRD）测量得到[1]，数据库包含了大量物质的衍射数据，数据完整且方便获取。但是，由于ADXRD和EDXRD原理及结构的不同，ICDD-JCPDS数据无法反映EDXRD系统结构、光源辐射谱分布、探测器分辨率等因素对衍射能谱的影响[8]，与实测结果差距较大。2） 实测能谱构成数据库[9]。实验数据弥补了ICDDJCPDS构建数据库的不足，但是，由于毒品和爆炸物等违禁品多为人工合成品，种类繁多且均具有不同的化学组分和晶体结构。因此，依靠实验获取大量违禁品的衍射能谱十分困难，这导致建立的数据库不完整，从而影响了检测的准确率。

因此，本文提出了基于仿真的EDXRD安检系统衍射谱数据库构建方法。基于能量色散X射线衍射原理，建立了与EDXRD系统特性相对应的衍射谱仿真模型，对SiO2和扑热息痛的衍射能谱进行了计算，并通过衍射实验对仿真结果进行了检验。在此基础上，计算了典型违禁品海洛因和NH4NO3在不同晶体结构下的衍射能谱。通过该仿真模型可以构建精确、完整的衍射能谱数据库，这对于提高违禁品检测的准确性，丰富查缉物质的种类具有重要的意义。

2模型实验检验

2.1实验装置

实验采用钨靶X射线光管（Varian，NDI22522）产生高能宽光谱X射线，工作电压和电流分别是80 kV和10 mA。采用高原子序数钨钢合金准直X射线从而产生细光束。探测器为高分辨率CdTe能谱探测器（AMPTEK，XR100TCdTe），晶体面积为25 mm2，在60 keV时能量分辨率为0.6 keV。在实验过程中，对衍射信号的采集时间为60 s。本文采用了两组实验参量对SiO2和扑热息痛的衍射能谱进行测量，验证仿真模型的精度，具体实验参数如表1所示，实测的X射线光管辐射谱如图4所示。

2.2结果及讨论

实验参数如表1所示，选取SiO2作为检测样品。ICDD-JCPDS数据、模型仿真衍射能谱及两组系统结构的实验结果分别如图5和图6所示。

图5和图6显示，SiO2的仿真能谱和实测能谱的能量分辨率（ΔE/E）分别是0.032 1和0.035 9。对同一种样品而言，相同厚度情况下，仿真能谱和实验能谱的衍射峰对应的能量、峰峰间距以及衍射峰的强度、展宽基本一致。

为了进一步验证模型对于多晶结构物质衍射能谱仿真的精确度，采用扑热息痛药品作为实验样品进行了衍射实验。实验参数如表1所示。ICDDJCPDS数据、模型仿真衍射能谱及两组系统结构的实验结果分别如图7和图8所示。

由图7和图8可以看出，扑热息痛的仿真能谱和实测能谱的能量分辨率（ΔE/E）分别是0.041 2和0.037 6。在高能段，例如42 keV，仿真数据和实测能谱的强度一致，但是与ICDDJCPDS能谱的强度差异较大，这是由于钨靶X射线源在高能段辐射强度降低造成的。上述结果显示，通过该仿真模型所得到的衍射能谱可以用来构建EDXRD系统物质识别的能谱数据库。

基于仿真模型，计算了典型违禁品（海洛因、NH4NO3）在表1结构参数时的衍射能谱，如图9和图10所示。其中取最常见的毒品海洛因作为样品，由于存在不同的空间群，在ICDD-JCPDS中存在着不同的衍射数据，图9给出的是海洛因的两种空间群的仿真谱，图中空间群1是P212121[19]，空间群2是P21/n[14]。同理，取常见的爆炸物NH4NO3作为样品，仿真结果如图10所示，图中空间群1是Pccn[56]，空间群2是Pbnm[62]。根据仿真结果可以看出，诸如海洛因、NH4NO3等违禁品，虽然为同一种物质，但是由于晶体结构上的差异，衍射能谱会有很大的区别。因此，对于大量的违禁品，完全通过实验实测衍射能谱的方法来构建数据库是很困难的，而仿真的方法可以构建精确、完整的识别数据库。

3结论

本文针对传统的数据库构建方法的不足，提出了基于仿真的能量色散X射线衍射数据库构建方法。基于衍射原理，建立了系统仿真模型，对SiO2和扑热息痛的衍射能谱进行了计算，并通过衍射实验对仿真结果进行了检验。在此基础上，计算了典型违禁品海洛因和NH4NO3在不同晶体结构下的衍射能谱，为数据库的构建提供了必要的数据。仿真和实验结果显示：仿真能谱与实验结果在能谱展宽和强度分布两个关键参数方面基本一致。通过仿真的方法可以构建精确、完整的衍射能谱数据库，这对于提高违禁品检测的准确性、丰富查缉物质的种类具有重要的意义。

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（編辑：刘铁英）