X射線背散射技術安檢系統(tǒng)核心方案設計

陳偉珂 王炳淳

（天津理工大學管理學院，中國 天津 300384）

0 引言

20世紀80年代以來世界毒品犯罪形勢日趨嚴峻，它像瘟疫一樣在全球流行，成為當今世界最為嚴重的國際社會問題之一。販毒、制毒的手段也不斷翻新，并趨于現(xiàn)代化、智能化。毒品犯罪對我國社會安全的危害也日漸嚴重，為保衛(wèi)我國的國計民生，必須堅決打擊國內(nèi)外毒品犯罪，包括毒品走私。X射線背散射探測技術就能很好的解決這個問題，成為海關和邊防部門迫切需要的檢測手段。

常規(guī)的人體安檢系統(tǒng)存在著檢查高峰期人員流量大、人工檢測存在失誤、檢查人員可能被攜帶病毒或細菌感染等問題。目前，國際市場上X射線安全檢查設備基本上可以分成三類：一是常規(guī)的X射線透視檢查設備，二是CT型爆炸物、毒品自動探測設備，三就是X射線背散射設備。

X射線背散射設備是根據(jù)COMPTON背散射原理的一種新型檢測設備，與傳統(tǒng)透射技術相比，可以在被檢物的一側（與射線源同側）給出檢測圖像，這為安全檢測帶來極大便利，是安全檢測技術的一大突破，人體掃描背散射檢測不但能夠檢測出衣服里面人體夾藏的金屬槍支、刀具等危險品，而且可以顯示夾藏在人體上的炸藥、毒品、塑料刀槍、陶瓷兇器以及汽油、液體爆炸物等各種的非金屬危險品。對防止恐怖襲擊活動有重大意義。

1 背散射探測原理

X射線背散射成像技術就是利用康普頓散射原理。當X射線接觸上物體時可能會發(fā)生3種情況：第一種情況是X射線穿過物體；第二種情況是X射線被物體吸收；第三種情況是發(fā)生散射。同時，X射線在遇到不同的物體時，會發(fā)生不同的散射：原則序數(shù)低的物質，X射線的散射就比較強；原子序數(shù)高的物質，X散射就比較弱。而且，散射概率與物體的電子密度有很大關系，電子的密度又與質量有關，X射線散射發(fā)出的的強弱和質量密度成正比。但是，光電效應同時抑制了高原子序數(shù)物質的散射。所以，在檢測時，如果物體的原子序數(shù)低、密度大，那么X射線散射的信號強度就高，反之亦然。根據(jù)能量守恒定律，當X射線撞擊物體的電子后能量減少，X射線穿透物體的能力變差。因此，在被檢測物體附近都放置一臺散射光子接收器，減少光子在空氣重的衰減和二期散射。

X射線背散射成像技術利用“桶狀”飛點掃描機械傳動系統(tǒng)發(fā)出的X射線，沿著射線發(fā)出面圍繞著被檢測物體連續(xù)旋轉，完成飛點掃描探測。與射線源同側的背散射探測器，接收散射光子并由光電管轉變?yōu)殡娦盘柗糯筝敵?，?jīng)過計算機處理后顯示成像。飛點掃描機械傳動系統(tǒng)是X背散射技術的核心，可以對X射線的方位進行處理，對被檢測物體及時做出反應，完成準確成像，并可以對低原子序數(shù)物體的形狀、位置進行顯示和定位。X射線背散射技術與傳統(tǒng)的檢測手段相比具有如下優(yōu)缺點：

X射線背散射技術的優(yōu)點：

1）X射線背散射成像技術能顯示低原子序數(shù)物質，不但能檢測金屬，還能檢測出液體、塑料、毒品等物品。

2）通過對檢測設備的改進，可以實現(xiàn)對人體的雙面檢測（即背面和正面），便于實施探測，節(jié)約探測的時間。

3）飛點探測掃描系統(tǒng)輻射劑量小，可以減少對人體的輻射，保證人體的安全。

X射線背散射技術目前存在的缺點：

1）射線的穿透能力差，造成圖像的分辨率低，不能清晰的顯示被測物體，只能描繪出被測物體的大致輪廓。

2）不能準確的對被測物體的原子序數(shù)進行分類，只能通過射線反射回來的亮度判斷物體，無法實現(xiàn)在動探測。

3）需要大量的數(shù)據(jù)庫作為后臺支持。被測物體成像后，需要對比數(shù)據(jù)庫中的圖像信息來確定被檢測物體。

2 X背散射成像技術設計

2．1 X射線光斑的能量核心計算

光斑的能量大小與形狀決定了設備的反射強度和圖像的生成及清晰度是設備能否成功的關鍵。

X射線是一種波長很短的電磁波，波長范圍為0.0006∽50nm。目前X射線安檢中常用的X射線波長為0.008∽0.031nm.X射線與物體相互作用，X射線的強度就會因射線通過物質而被減弱，這就是X射線的吸收現(xiàn)象。X光子與物質的相互作用主要包括：（1）光電效應——入射光子與束縛電子之間相互作用，導致光子完全消失；（2）康普頓散射——入射光子與自由電子發(fā)生碰撞，使光子的方向發(fā)生改變；（3）瑞利散射——入射光子與原子中的束縛電子相互作用而發(fā)生的彈性散射，其隨著原子序數(shù)的增大而增強；（4）電子偶效應——當入射光子的能量大于電子的靜止質量的兩倍時，光子在原子核場附近能轉化為一對正負電子。當射線能量為150KeV范圍內(nèi)時主要以光電效應和康普頓散射為主。我們通常用于檢測的射線劑量也在150KeV范圍內(nèi)。如圖所示光子與物質之間的三種主要相互作用。

圖1 光子與物質之間的三種相互作用

光電效應的影響由光電效應的橫截面σpe（10－24cm2/atom）來表示：

式中，Z表示與X射線相互作用的物質的原子序數(shù)

E表示X射線光子能量，單位為KeV

康普頓散射的影響由康普頓效應的橫截面σncs來表示：

σ表示了X射線光子與物質原子相互作用的概率大小。

由以上可得在不大于且接近150KeV時主要是康普頓效應在作用，由此設定X射線發(fā)射源的電壓和電流符合上述指標。

根據(jù)康普頓反散射原理，我們對與不同原子序數(shù)的物質進行了反散射的試驗，試驗數(shù)據(jù)顯示，不通的物質對于X射線的反散射是不一樣的，并且反散射能量隨著物質原子序數(shù)的降低而增大。進而我們找到了合適的射線光斑能量大小，并根據(jù)相關的因素推到出了光斑能量的數(shù)學模型。

圖2 不同物質的反散射計數(shù)（個/秒）

2.2 電信號采集系統(tǒng)

目前國內(nèi)X射線透射普遍使用的L型探測器，但對于本系統(tǒng)成本太高，不適用，所以選用了國外進口的高靈敏度的塑料閃爍體探測器，使反射射線的90%以上都能被接收轉換成電信號。依據(jù)閃爍體對反散射X射線熒光效應的能量范圍、光衰減距離等因素設計了一套精準的能最大能量轉換的閃爍體尺寸算法，根據(jù)熒光的光譜范圍使用一種能有效完全反射的反射材料，減少了在閃爍體邊緣反射的光能損失。

在采集電路方面，選用國外靈敏度高、暗電流小的弱信號倍增部件，能檢測到單個低能光子入射形成的信號量。通過器件選型和電路設計，客服了弱信號采集電路難以實現(xiàn)線性放大的問題，從而保證了前端信號采集的真實性。

圖3 無射線光電采集信號低零漂值

圖4 無射線無閃爍體光電采集信號低零漂值

2．3 A/D 變換系統(tǒng)

自主研發(fā)AD變換系統(tǒng)，核心部件選用AD公司的高速、低功耗、低噪聲、抗干擾強的AD芯片，再配備自主研發(fā)的濾波電路、積分電路，電路板抗干擾設計。AD變換系統(tǒng)能夠分辨脈寬接近30ns的電壓信號，AD采樣轉換速率小于15us，完全滿足高能射線探測物品的需要。保證了信號的線性放大，不失真。

圖5 A/D變換系統(tǒng)原理圖

圖6 A/D變換電路原理圖設計

圖7 A/D變換系統(tǒng)前端信號采集試驗

3 結論

通過對X背散射關鍵技術的設計，能夠很好的檢測人體攜帶的各種物體，最大限度的減少人工檢測帶來的錯誤。X背散射技術可以廣泛的應用于人體安檢系統(tǒng)，提高安檢的準確性和效率，并且降低被檢測人員的對抗情緒，使人體掃面技術真正的保證人民的安全。

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