X射線安檢技術(shù)的概念及發(fā)展應(yīng)用

姚宇鹯　李鵬飛　張文平

摘 要：X射線安檢技術(shù)可以對(duì)物質(zhì)的微觀特征進(jìn)行檢測(cè)，在對(duì)危險(xiǎn)品的檢測(cè)中起著重要作用，是一項(xiàng)重要的安檢方法，并且廣泛應(yīng)用在各種交通站點(diǎn)中。文章闡述了X射線安檢技術(shù)的基本原理，并且指出X射線安檢技術(shù)在目前應(yīng)用中存在的問題和將來發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：X射線，安檢，雙能，多視角

中圖分類號(hào)：N04；TL816；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0083-03

The Concept and Application of Xray Detection Technology

YAO Yuzhan LI Pengfei ZHANG Wenping

Abstract：Xray detection technology can reveal characteristics of material at themicrocosmic level.Xray detection technology on dangerous goods plays a role in security prediction and warning.It has been proved to be an effective security inspection method and widely applied in public traffic stations.The principles of the Xray detection technology are introduced in this paper， which also points out the problems in the application and development of the Xray detection technology in the future.

Keywords：Xray，security detection，dualenergy，multiview

收稿日期：2014-06-14

作者簡(jiǎn)介：姚宇鹯（1981—），男，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作中心光電部審查員，助理研究員。通信方式：yaoyuzhan@sipo.gov.cn。

引 言

自倫琴1895年發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線成像技術(shù)在一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展中，逐步應(yīng)用在工業(yè)無(wú)損探傷、醫(yī)療、安全檢測(cè)等各個(gè)行業(yè)。在美國(guó)“9·11”事件之后，全球開始將鐵路、航空等領(lǐng)域作為防范恐怖襲擊的重點(diǎn)，而X射線技術(shù)對(duì)于大部分物質(zhì)具有穿透能力，能夠探測(cè)隱藏起來的危險(xiǎn)品等，它還可以提供被檢測(cè)體的物質(zhì)信息，比如密度、有效原子序數(shù)等，能夠確定被檢測(cè)體是何種物質(zhì)類型。因此，X射線技術(shù)在最近十幾年已經(jīng)成為安檢領(lǐng)域中最重要的安檢技術(shù)。

一 X射線安檢技術(shù)的概念

X射線是波長(zhǎng)介于紫外線和γ射線間的電磁輻射，其波長(zhǎng)約為（20～0.06）× 10-8cm之間[1]。德國(guó)科學(xué)家倫琴于1895年在德國(guó)維爾茲堡大學(xué)進(jìn)行陰極射線的試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這種新的射線，而X射線的命名卻與倫琴這位虔誠(chéng)的基督教徒的信仰有關(guān)，由于這種射線具有極強(qiáng)的穿透力，倫琴就根據(jù)《圣經(jīng)》中記載，取耶穌（Jesus）的希臘語(yǔ)Χριστοζ的第一個(gè)字母X命名，又稱基督之光。

X射線的產(chǎn)生原理為，用加速后的電子撞擊金屬靶，在撞擊的過程中，電子受阻突然減速，其損失的動(dòng)能會(huì)以X射線形式釋放出。如果繼續(xù)加大加速電壓，使得電子攜帶的動(dòng)能增大，可能將靶內(nèi)的金屬原子的內(nèi)層電子撞擊出，內(nèi)層形成空穴，電子處于非常不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，外層電子躍遷回內(nèi)層填補(bǔ)空穴，使得能量總體達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。同時(shí)外層電子的躍遷導(dǎo)致能量減少，放出一定波長(zhǎng)的X射線，在安檢領(lǐng)域中通常是用X射線管和加速器產(chǎn)生X射線。

目前，安檢領(lǐng)域常用的技術(shù)主要涉及X射線、中子、電磁波、拉曼、離子遷移譜等，而X射線安檢技術(shù)是安檢技術(shù)中最重要的組成部分，其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)形成了多個(gè)分支：?jiǎn)文躕射線、雙/多能X射線、雙視角/多視角X射線、散射X射線、CT斷層掃描等。與其他安檢技術(shù)不同，X射線技術(shù)通過X射線和被檢體之間相互作用，使得被檢體對(duì)X射線進(jìn)行散射、透射、吸收[3]，通過入射前后能量大小、分布等的差別，綜合判斷出有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、重疊的多種物質(zhì)，形成二維、三維物理信息，更加準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)危險(xiǎn)品的成分和隱藏位置。

1.單能X射線技術(shù)

單能X射線技術(shù)是最基本的、同時(shí)也是最早廣泛應(yīng)用在安檢領(lǐng)域的技術(shù)，直至目前，也還是眾多X射線安檢系統(tǒng)應(yīng)用的常規(guī)技術(shù)。

單能X射線技術(shù)利用的是X射線穿透物質(zhì)時(shí)能夠被物質(zhì)吸收的特性，其中會(huì)有一部分能量被吸收。針對(duì)材料的性質(zhì)來說，原子序數(shù)低的吸收性能差，原子序數(shù)高的吸收性能強(qiáng)；針對(duì)材料結(jié)構(gòu)來說，材料越厚吸收性能越強(qiáng)，材料越薄吸收性能越差。據(jù)此通過對(duì)透過的X射線進(jìn)行探測(cè)，將接收的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，即可得到被檢測(cè)體的二維圖像[4]。

2.雙能/多能X射線技術(shù)

雙能X射線技術(shù)是以多能量X射線識(shí)別材料、圖像處理的理論基礎(chǔ)上，將計(jì)算高能、低能下的衰減比值K推導(dǎo)出有效原子序數(shù)Zeff[5]，利用有效原子序數(shù)Zeff作為識(shí)別材料的特征量，就能夠清晰的將無(wú)機(jī)物、有機(jī)物區(qū)分開來并且成像。

雙能X射線技術(shù)分為真雙能X射線技術(shù)和偽雙能X射線技術(shù)，前者通過設(shè)置高能、低能X射線源配合高能、低能探測(cè)器組成雙能X射線安檢系統(tǒng)；或是通過調(diào)整X射線源的電壓使得輸出高能、低能X射線的方式實(shí)現(xiàn)雙能；后者通過在射線源處設(shè)置兩個(gè)狹縫和高能、低能濾波器實(shí)現(xiàn)雙能，或是一個(gè)射線源產(chǎn)生X射線，將探測(cè)器設(shè)置成雙層夾心結(jié)構(gòu)，在兩組探測(cè)器之間設(shè)置濾波器以得到高能、低能數(shù)據(jù)。

為了更加精確地確定各種材料，可以通過多能X射線實(shí)現(xiàn)。多能X射線使用多個(gè)不同能量段的X射線作為射線源，對(duì)于不同性質(zhì)、不同厚度的材料對(duì)于多能量段X射線的衰減值，綜合計(jì)算得出材料的具體組成成分。

3.雙視角/多視角X射線技術(shù)

雙視角/多視角X射線技術(shù)是以單能/雙能技術(shù)為基礎(chǔ)，提供更加靈活的視角來獲得多個(gè)被檢體的二維投影圖像，對(duì)投影圖像進(jìn)行處理分析得到被檢體特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)一步確定被檢體的區(qū)域，從而確定三維重建時(shí)的截面特征。然后將多個(gè)截面圖像通過三維重建算法模擬仿真出被檢體，并且通過與已經(jīng)建立好的材料—密度特征值數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行比較，判斷出是否為違禁品。由于多角度的設(shè)置能夠探測(cè)隱藏在某些物體后面的其他物體，能夠保證檢測(cè)到重疊在一起的違禁品。

4.散射X射線技術(shù)

散射X射線技術(shù)通常分為前向散射（散射角度小于90°）和背向散射（散射角度大于90°）。不同物質(zhì)X射線發(fā)生的散射也不同，散射概率和被檢體的電子密度、質(zhì)量密度密切相關(guān)，高原子序數(shù)的物質(zhì)散射性弱，低原子序數(shù)的物質(zhì)散射性強(qiáng)。根據(jù)X射線與物質(zhì)之間的散射作用，測(cè)量多個(gè)特定散射角處的散射光子數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電子密度，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到被檢體的密度分布圖像。大多數(shù)爆炸物原子序數(shù)低并且密度高，這就對(duì)檢測(cè)人體攜帶或是包裹中的爆炸物提供了更為準(zhǔn)確的途徑。

5.CT技術(shù)

CT（computed tomography，計(jì)算機(jī)斷層掃描）技術(shù)，當(dāng)X射線穿過一定厚度的被檢體時(shí)，被檢體對(duì)X射線具有吸收作用，導(dǎo)致X射線衰減，而X射線的衰減程度和被檢體的厚度具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。但一般被檢體由不均勻的物質(zhì)組成，這時(shí)將掃描的被檢體分成多個(gè)體積相同的小長(zhǎng)方體單元，因此，每個(gè)小單元對(duì)應(yīng)著各自X射線的衰減率，將這些小單元組成矩陣，再將其轉(zhuǎn)化成灰度不等的像素值，進(jìn)而重建成CT圖像。通過CT技術(shù)可以分辨重疊在一起的各個(gè)物體，確定物質(zhì)的三維密度和厚度，精確地區(qū)別低原子序數(shù)的危險(xiǎn)品和安全品[6]。

二 X射線安檢技術(shù)的特點(diǎn)

（1）X射線安檢技術(shù)主要是通過透射、散射成像，將隱藏物或是遮蔽物成像出來，通過辨識(shí)判斷是否為危險(xiǎn)品，避免人工檢查，提高安檢效率。

（2）雙能X射線技術(shù)能夠?qū)⒂袡C(jī)物和無(wú)機(jī)物清晰地分離。

（3）散射技術(shù)突出顯示炸藥、毒品這類原子序數(shù)低且密度大的物質(zhì)，輻射量和泄露量低、結(jié)構(gòu)緊湊，便于檢測(cè)隨身攜帶的危險(xiǎn)品。

（4）CT技術(shù)具有較高的空間分辨率、圖像分辨率， 掃描速率快，具有較高的檢測(cè)精度和吞吐量。

（5）各個(gè)X射線安檢技術(shù)之間能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短、在應(yīng)用中可以相互結(jié)合，例如，雙能和CT技術(shù)相結(jié)合同時(shí)得到被檢體的三維密度和原子序數(shù)信息，提高了安檢的準(zhǔn)確率和降低了誤報(bào)率；背散射和透射相結(jié)合能夠提高密度檢測(cè)的準(zhǔn)確度和精度。

三 X射線安檢技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著國(guó)際反恐力度的加大，今年我國(guó)也將反恐列為重要任務(wù)之一，機(jī)場(chǎng)、地鐵、鐵路等安檢力量的布置逐步加大，安檢技術(shù)逐漸成為預(yù)防、打擊恐怖事件和保障人民生活安全的重要手段之一，其市場(chǎng)的需求和增長(zhǎng)率尤其明顯。進(jìn)一步發(fā)揮X射線安檢技術(shù)中各個(gè)分支技術(shù)的特點(diǎn)，或是將各個(gè)分支技術(shù)有效結(jié)合，使得安檢系統(tǒng)具有較高的安檢準(zhǔn)確率、吞吐量、精確度，以完全達(dá)到目前安檢的逐項(xiàng)要求，是目前安檢技術(shù)所面臨的重大機(jī)遇。

雖然X射線安檢技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)也存在著諸多難題。例如，目前常用的安檢儀器多為固定式，其靈活性、機(jī)動(dòng)性較差。因此，X射線安檢技術(shù)需要向小型化、便攜式方向發(fā)展，體積小、重量輕、便于運(yùn)輸、方便安裝是其今后主要的發(fā)展方向；另外，機(jī)場(chǎng)、鐵路、地鐵等重要交通部門，其客流量逐步增大，安檢設(shè)備數(shù)量也相應(yīng)增大，如何優(yōu)化安檢設(shè)備之間相互協(xié)作、提高檢查通過率、建立一套全面有效的安檢方案，這是安檢技術(shù)面臨的又一大難題。

四 結(jié) 語(yǔ)

X射線安檢技術(shù)作為保證公共安全的一項(xiàng)重要技術(shù)，具有良好的市場(chǎng)前景，在各個(gè)國(guó)家逐步開始重視這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用的同時(shí)，該技術(shù)也將在理論、工藝、結(jié)構(gòu)等方面不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步，在安全檢查領(lǐng)域起到越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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