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针对便携式x射线检查仪中的探测技术分析
2019-04-24 11:38:24
      多年来毒品走私和爆炸恐怖活动一直成为海关、航空、交通运输打击犯罪、安全防范的重点。由于犯罪分子的犯罪手段越来越先进,使传统的检测手段无能为力。如何提高鉴别精度,在高速流动的人群、货物群中快速、准确地将隐藏的毒品或炸药检测出来已成为一项十分紧迫和有待解决的技术难题。探测违禁品的装置必需具有识别装在容器或包裹内物体的特性能力,x射线技术是被广泛应用于违禁品检测的专门技术,近年来得到迅速发展。它能提供组成物体的物质的一些重要特性,其中最有用的信息就是物体的密度(ρ)和有效原子序数(zeff)。从理论上来讲,已知物体的密度和有效原子序数就可以准确的确定物质的类型,便携式x射线检查仪已被看作是安全防御的第一道防线。  
      便携式x射线检查仪的x射线探测的原理  
      工作电压为150kv的x-射线发生器发射出角度为60°圆锥形x-射线束,该射线束经过准直器后变为角度为60°的扇形平面射线束。由于物质对x-射线的吸收作用,该扇形射线束穿过被检查物体后将有一部分能量被吸收,由于不同种类的材料对x-射线的吸收能力不同,所以穿过不同材料的x-射线束到达探测器时的能量是不同的。探测器上的象素尺寸仅为1·5mm×1·5mm,所以能将微小尺寸范围内x-射线能量变化分辨出来。经过处理,探测器最终能给出灰度级图像。再经计算机图像技术处理后可使行李包裹中危险品和违禁品能被检查出来。  
       便携式x射线检查仪的x射线探测技术  
1、单能量穿透技术  
      使用典型的扇型x射线束作为射线源和线性阵列探测器测量穿透扫描物体的x射线辐射量。在某一时刻扇形x射线束仅穿过被检行李包裹的一个横截面,同时线性阵列探测器将该截面内所包含的物体吸收过的x射线能量值记录下来。随着物体向前运动,被检行李包裹的每一个横截面被连续扫描,行李包裹的所有截面吸收过的x射线能量值都能被记录下来,得到从x射线源到探测器方向整个行李包裹的完整的二维投影图像,产生的图像有相当高的分辨率。假设x射线的强度是i,通过一个较薄的厚度为l的均质层后(仅考虑一种原子),强度减小了δi,那么将有如下的方程:  
n是单位体积上的原子数,σ是每个原子的横截面积。假设初始强度是i0,经过积分之后得到:  
然而使用这种方法,一小部分违禁品或隐藏在其它具有很大有效原子序数的物品后面的违禁品将不能被探测到。这是因为违禁品的信号与整个探测环境的信号相比相当弱。整个探测环境的信号强是由于探测环境质量或横截面积大。由于这种技术固有的限制,大多数的研究集中在双能量穿透技术上。  
2、双能量穿透技术  
      根据物质质量衰减系数(μ/ρ)随x射线光子能量变化的规律,以及不同原子序数物质的质量衰减系数的差别,发现低原子序数物质的质量衰减系数(μ/ρ)随能量增加下降较快,高原子序数物质的质量衰减系数(μ/ρ)随能量增加下降较缓慢。在双能量方式下,同一原子序数物质对低能和高能x-射线的吸收程度是不同的,这样通过低能、高能两个不同线吸收系数(实际对应图像的灰度)比较与运算,就可以从两种不同物质组成的、不同厚度产生的或相互重叠的图像中将不同种类的物体区分开。对于化合物同样有类似的线吸收系数—能量曲线,对于多于两种物质的系统也可用类似的比较与运算,将每个物体区分开。为了强调非连续性散射的横截面积σis与zeff的比例关系,σis可被写成zσis,因此总的横截面积是两个独立的横截面积之和。  
其中e是x射线光子能量,e=hc/λ,λ是波长,c是光速,h是普朗克常量。满足如下关系:  
在这个方程中有很多通过单一的方法不能获得的量。尤其是一个薄的、有效原子序数很高的物质将和一个厚的、有效原子序数很低的物质有相同的吸收效果。但使用两个不同的能量将解决这个问题。分割两个信号消去常系数μρt,得到:  
     这个比率显示了在低能量和有效原子序数很高时具有很强的识别能力,但对更轻的物质识别能力较差。可以看出通过r值,无机物可以从有机物中分离出来。同时还可看出低能x射线的能量均值越低,识别能力越强。低能x射线的吸收能力很强,因此在大多数情况下,很少使用能量低于40kev的x射线束。在目前所有出现的方程中都假设x射线源是单色的,因此厚度和密度因素都被忽略。
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