EDXRD安檢系統(tǒng)衍射譜數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真研究

王麗曉 陳異凡 徐捷 王新 穆寶忠

文章編號(hào)： 1005-5630（2018）06-0029-07

摘要： 能量色散X射線衍射（EDXRD）系統(tǒng)在安檢領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景?；谀芰可射線衍射原理，以ICDDJCPDS數(shù)據(jù)作為初始能譜信息，分析了X射線光源、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、探測(cè)器分辨率及物質(zhì)衰減效應(yīng)對(duì)衍射能譜的影響，建立了與系統(tǒng)特性相對(duì)應(yīng)的衍射譜仿真模型。利用該模型，仿真了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)EDXRD系統(tǒng)的衍射譜，仿真譜和實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合。在此基礎(chǔ)上，仿真了海洛因和NH4NO3在不同晶體結(jié)構(gòu)下的衍射能譜，為EDXRD安檢系統(tǒng)的識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)提供了一種有效的構(gòu)建方法。

關(guān)鍵詞：

能量色散X射線衍射; 數(shù)據(jù)庫(kù); 仿真; 能譜分辨率; 安檢

中圖分類號(hào)： O 434.13文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.005

引言

毒品、爆炸物等違禁品嚴(yán)重危害人類健康和社會(huì)安全，高效、精確的檢測(cè)技術(shù)是查緝此類違禁品的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的X射線雙能透視方法依賴物質(zhì)的有效原子序數(shù)和密度進(jìn)行查緝，很難區(qū)分毒品、炸藥等違禁品和其他日用品。常見的毒品和炸藥，例如海洛因、可卡因、冰毒、TNT、C4塑膠炸藥等[1-3]，其分子為多晶體結(jié)構(gòu)，而日用品的分子多為無定形結(jié)構(gòu)。因此，通過測(cè)量X射線衍射譜能夠從分子結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對(duì)違禁品和日用品的精確識(shí)別[4-5]。能量色散X射線衍射（energy dispersive X-ray diffraction，EDXRD）采用寬光譜X射線作為入射光，結(jié)合半導(dǎo)體能譜探測(cè)器測(cè)量衍射能譜，相對(duì)于角度色散X射線衍射而言，EDXRD具有集光效率高、入射單元及探測(cè)單元位置固定、儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，是對(duì)毒品、爆炸物等精確檢測(cè)和識(shí)別的有效手段。

對(duì)于EDXRD技術(shù)，衍射能譜是物質(zhì)識(shí)別的“指紋”[6]，每種特定晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)均具有唯一的衍射能譜，大量物質(zhì)的衍射能譜組成識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)際應(yīng)用中，某種物質(zhì)的實(shí)測(cè)能譜與數(shù)據(jù)庫(kù)中的能譜進(jìn)行比對(duì)達(dá)到識(shí)別的目的[7]，因此，構(gòu)建精確的、完整的數(shù)據(jù)庫(kù)是決定能否識(shí)別和識(shí)別精度的關(guān)鍵。目前常見的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方法主要有兩種：1） ICDD（International Center for Diffraction Data）JCPDS（The Joint Committee on Powder Diffraction Standard）數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)是基于傳統(tǒng)的角度色散X射線衍射（ADXRD）測(cè)量得到[1]，數(shù)據(jù)庫(kù)包含了大量物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整且方便獲取。但是，由于ADXRD和EDXRD原理及結(jié)構(gòu)的不同，ICDD-JCPDS數(shù)據(jù)無法反映EDXRD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光源輻射譜分布、探測(cè)器分辨率等因素對(duì)衍射能譜的影響[8]，與實(shí)測(cè)結(jié)果差距較大。2） 實(shí)測(cè)能譜構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了ICDDJCPDS構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的不足，但是，由于毒品和爆炸物等違禁品多為人工合成品，種類繁多且均具有不同的化學(xué)組分和晶體結(jié)構(gòu)。因此，依靠實(shí)驗(yàn)獲取大量違禁品的衍射能譜十分困難，這導(dǎo)致建立的數(shù)據(jù)庫(kù)不完整，從而影響了檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

因此，本文提出了基于仿真的EDXRD安檢系統(tǒng)衍射譜數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方法?；谀芰可射線衍射原理，建立了與EDXRD系統(tǒng)特性相對(duì)應(yīng)的衍射譜仿真模型，對(duì)SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進(jìn)行了計(jì)算，并通過衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了典型違禁品海洛因和NH4NO3在不同晶體結(jié)構(gòu)下的衍射能譜。通過該仿真模型可以構(gòu)建精確、完整的衍射能譜數(shù)據(jù)庫(kù)，這對(duì)于提高違禁品檢測(cè)的準(zhǔn)確性，豐富查緝物質(zhì)的種類具有重要的意義。

2模型實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用鎢靶X射線光管（Varian，NDI22522）產(chǎn)生高能寬光譜X射線，工作電壓和電流分別是80 kV和10 mA。采用高原子序數(shù)鎢鋼合金準(zhǔn)直X射線從而產(chǎn)生細(xì)光束。探測(cè)器為高分辨率CdTe能譜探測(cè)器（AMPTEK，XR100TCdTe），晶體面積為25 mm2，在60 keV時(shí)能量分辨率為0.6 keV。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)衍射信號(hào)的采集時(shí)間為60 s。本文采用了兩組實(shí)驗(yàn)參量對(duì)SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證仿真模型的精度，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，實(shí)測(cè)的X射線光管輻射譜如圖4所示。

2.2結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，選取SiO2作為檢測(cè)樣品。ICDD-JCPDS數(shù)據(jù)、模型仿真衍射能譜及兩組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5和圖6顯示，SiO2的仿真能譜和實(shí)測(cè)能譜的能量分辨率（ΔE/E）分別是0.032 1和0.035 9。對(duì)同一種樣品而言，相同厚度情況下，仿真能譜和實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V的衍射峰對(duì)應(yīng)的能量、峰峰間距以及衍射峰的強(qiáng)度、展寬基本一致。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型對(duì)于多晶結(jié)構(gòu)物質(zhì)衍射能譜仿真的精確度，采用撲熱息痛藥品作為實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了衍射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。ICDDJCPDS數(shù)據(jù)、模型仿真衍射能譜及兩組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，撲熱息痛的仿真能譜和實(shí)測(cè)能譜的能量分辨率（ΔE/E）分別是0.041 2和0.037 6。在高能段，例如42 keV，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)能譜的強(qiáng)度一致，但是與ICDDJCPDS能譜的強(qiáng)度差異較大，這是由于鎢靶X射線源在高能段輻射強(qiáng)度降低造成的。上述結(jié)果顯示，通過該仿真模型所得到的衍射能譜可以用來構(gòu)建EDXRD系統(tǒng)物質(zhì)識(shí)別的能譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

基于仿真模型，計(jì)算了典型違禁品（海洛因、NH4NO3）在表1結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的衍射能譜，如圖9和圖10所示。其中取最常見的毒品海洛因作為樣品，由于存在不同的空間群，在ICDD-JCPDS中存在著不同的衍射數(shù)據(jù)，圖9給出的是海洛因的兩種空間群的仿真譜，圖中空間群1是P212121[19]，空間群2是P21/n[14]。同理，取常見的爆炸物NH4NO3作為樣品，仿真結(jié)果如圖10所示，圖中空間群1是Pccn[56]，空間群2是Pbnm[62]。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，諸如海洛因、NH4NO3等違禁品，雖然為同一種物質(zhì)，但是由于晶體結(jié)構(gòu)上的差異，衍射能譜會(huì)有很大的區(qū)別。因此，對(duì)于大量的違禁品，完全通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)衍射能譜的方法來構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)是很困難的，而仿真的方法可以構(gòu)建精確、完整的識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。

3結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方法的不足，提出了基于仿真的能量色散X射線衍射數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方法?；谘苌湓?，建立了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進(jìn)行了計(jì)算，并通過衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了典型違禁品海洛因和NH4NO3在不同晶體結(jié)構(gòu)下的衍射能譜，為數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建提供了必要的數(shù)據(jù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：仿真能譜與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在能譜展寬和強(qiáng)度分布兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)方面基本一致。通過仿真的方法可以構(gòu)建精確、完整的衍射能譜數(shù)據(jù)庫(kù)，這對(duì)于提高違禁品檢測(cè)的準(zhǔn)確性、豐富查緝物質(zhì)的種類具有重要的意義。

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（編輯：劉鐵英）