X射线违禁物品关键技术研究

X射线违禁物品关键技术研究【摘要】近年来，为了有效预防和打击恐怖犯罪活动，我国加大了对机场、车站等客流量较大地方的安检力度，基于X射线的安检技术与设备得到广泛应用。本文首先对这些安检技术的原理进行分析，再对几种技术的优缺点、使用范围进行对比说明。引言随着国际安全形势的日益严峻，为了有效预防和打击恐怖活动的发生，世界各国都加强了对边境、港口、机场等人口流动较大的交通枢纽点的安全检查力度，防止不法分子携带各类违禁物品对民众的生命和财产构成威胁。美国自从“9?11”事件发生之后，联邦法律就下令对所有商业机场托运的每一件行李都要通过爆炸物探测系统进行检查。虽然目前有许多成像技术可以应用在安检工作中，但综合考虑技术成熟度、图像清晰度以及成本等因素，基于X射线的成像技术显示出独特优势。一、基于X射线成像技术的研究1.单能X射线成像技术单能X射线成像技术是最早用于安检设备中的数字成像技术，它的原理是依据X射线穿过不同物质后的衰减程度不同。当X射线照射被检物时，X射线经过不同程度的衰减后进入到探测器的强度也不同，利用相关算法通过计算机对其分析，将进入探测器的射线强度以灰度级的形式呈现出来，最终形成被检物的图像。X射线照射在物质上时的衰减程度可按下面的公式给出：（1）其中：为X射线经过物质吸收以后的出射强度，为射线的初始强度，为线吸收系数，它代表X射线在物质中穿过单位距离时被吸收的程度，与物质的密度和性质有关。根据公式（1）可以得到，被检物对X射线的吸收程度与物质性质、密度和厚度t均有关系，在实际应用中，同一物质如果厚度不同，那么所成的图像灰度也会不同，或者不同物质的线吸收系数与厚度的乘积如果相同时，则会呈现相同的图像灰度，因此单纯依据图像难以区分不同性质的物质。另外，由于成像的效果取决于物质对X射线的衰减程度，因此，对于金属等一些对X射线衰减程度较大的物质所成的像比较清晰，如果将一些轻质的、线吸收系数较小的物质如炸药藏匿在金属物质后面，在所成的图像中，这些线吸收系数小的物质图像灰度等级较低，很难被发现，出现严重的漏检现象。因此单能X射线成像技术探测能力非常有限，无法很好地应用在对违禁物品的探测中，正逐渐被双能X射线成像技术所取代。2.双能X射线成像技术在单能X射线成像技术的基础上，通过改变X射线源的个数以及X射线的能量，就可以给出更多被检物的信息。与单能X射线不同，双能X射线成像技术中采用两个射线束照射被检物，分别是能量为EH的高能X射线和能量为EL的低能X射线，由计算得到被检物对这两种X射线吸收的比值R[1]，就可获得被检物的有效原子序数。计算公式如下：（2）其中和分别代表高能X射线的入射强度和经过衰减后的强度，和分别代表低能X射线的入射强度和经过衰减后的强度。双能X射线成像技术根据被检物中值的不同将各种物质用不同颜色标注出来，较为典型的物质值与色彩的对应关系如表1。使用这种计算方法必须消除物质厚度因素t的干扰，使R值在一定范围内波动[2]。表1各种类型的物质在图像中的呈现物质类别有效原子序数范围图像中呈现的颜色常见的物质元素有机物1～10橙色碳、氢、氧、氮混合物10～20绿色钠、铝、硅、磷、硫无机物大于20蓝色钙、铁、铜、银（1）单能X射线透射成像（2）双能X射线透射成像图1同一被检物分别在单能X射线和双能X射线照射下所成的像对于同一被检物，单能X射线成像技术只能显示物体的大体轮廓，细节较模糊，而利用双能X射线成像技术就可以根据图像颜色对被检物进行分类，因此更具有优势。目前国内的地铁站、火车站中均使用基于双能X射线成像技术的X光机进行违禁物品的探测。3.背散射成像技术康普顿背散射成像的原理是入射X射线的光子和被检物相互作用时会与物质原子外层轨道电子或自由电子发生碰撞而产生散射光子[3]，利用与X射线源在同一侧的探测器将散射角接近180度的康普顿散射光子收集起来，最终形成被检物的图像。图2为X射线照射被检物时产生的现象示意图。图2X射线照射被检物示意图背散射成像技术能获得比双能X射线成像技术更灵敏的表层物质的值信息，由于散射光能量小，利用它进行人身安检时，通过对人体表面进行扫描成像，使安检人员能够清楚地看到被检人员身上携带的物品。在实际应用中，为了保护被检人员的隐私，通常对图像进行边缘化处理，只显示物体的轮廓，不涉及细节，如图3所示。另外，由于值较小的物质对X射线的散射程度大，因此背散射成像技术对值较小的违禁品具有很好的成像效果。（1）原始图像（2）边缘化处理之后的图像图3人体的背散射成像4.CT断层扫面成像技术CT技术自上世纪出现后就对物质检测工作具有重要意义，不仅应用在医疗、军事和工业领域中，它在安检工作中也发挥了很大的作用。双能以及背散射等成像技术只能对被检物进行二维成像，无法得到被检物的全面信息，而CT断层扫描成像技术将X射线源以旋转的方式对被检物进行全面扫描。未被吸收的透射光线被探测器收集起来后并经过计算机分析后生成各断层面的图像，将这些图像进行组合和叠加，最终得到物体的三维图像。CT断层扫描图像是一幅由不同灰度级构成的三维灰度图像，不同灰度级反映了被检物对X射线的衰减程度不同。CT图像与双能、背散射图像相比，具有更高的密度分辨率，即使物质的值很相近，也能将它们准确区分开。一般情况下，CT断层扫描探测器只用于安检工作中的重点检查，对疑似藏有违禁物品的被检物进行排查。另外，这种成像技术对执机人员的专业能力要求也比较高，必须进行一段时间的专业培训才能够胜任。5.碲锌镉晶体X射线成像技术碲锌镉（CdZnTe）晶体是一种能够在室温下保持性能不变的半导体材料，是在CdTe晶体中掺入Zn后合成的三元化合物[4]。CdZnTe晶体对X射线具有很高的能量分辨率，因此利用这种技术对被检物进行探测时所成的图像就具有很高的分辨率。CdZnTe材料的另一个优点是它对湿度不敏感，在常温条件下就可以工作。虽然传统的硅、锗半导体也可以作为探测器材料，但是它们在实际应用中均需要液氮冷却装置才能正常工作，使成本大大增加。碲锌镉晶体X射线探测系统是在传统的X射线探测系统的基础上改进而成的，主要包括：X射线源、准直器、CdZnTe晶体、读出电路、多通道分析器以及成像部分等，如图4所示：图4碲锌镉晶体探测系统图当X射线照射在被检物上时，物体就将部分X射线能量吸收，而未被吸收的透射光线照射到CdZnTe晶体上时激发其内部产生电子—空穴对，其数目与透射光线的强度成正比，再将外加电压接在CdZnTe探测器外部的金属电极上，这时在探测器内部就会形成电势差[5]，由于电势差的存在，受到激发而产生的电子和空穴分别向电极的两端移动，因此电极会感应出电荷。这些感应电荷被读出电路收集起来并通过一系列的处理后形成脉冲，将这些脉冲信号输入到多通道分析器中[6]进行模数转化、分类和计数，最终形成清晰的图像。碲锌镉晶体中的电子—空穴对在向电极两端移动时，由于晶体中总是存在杂质，所以会发生俘获现象，电极上收集到的电荷数目就会减少，从而使能量分辨率下降，影响被检物的成像效果。要解决这一问题，就必须改进碲锌镉晶体的制作工艺，减少晶体中杂质的含量。二、几种成像技术的性能对比以上几种基于X射线的成像技术应用在违禁物品的探测工作中各有利弊。最早出现的单能X射线成像技术虽然技术成熟，成本低廉，但只能给出被检物的灰度信息，无法满足安检工作需求。而双能X射线成像技术的出现使行李物品的检查效率大大提高，它给出了被检物的值信息，提高了物质的分辨率，尤其能够对值较大的物质清晰成像，但是无法分辨重叠在一起的物品，而且对于类似毒品或者薄型炸药等值较小的物质成像效果也很差。为了解决这一问题，人们又研发了CT断层扫描成像技术，它可以对被检物进行全方位成像，无论物品怎样放置，均可以全部清楚地呈现在图像中，也正是因为要对物品的各个断层面成像，所以基于这种技术的安检仪器过检速度很慢，通常不用于对物品的大规模检查。背散射成像技术由于X射线散射能量小，可以安全地应用在人身安检中，而且它对毒品和轻质炸药具有很好的探测效果，但是它也无法有效探测到被值较大的物质包裹住的值小的物质。基于碲锌镉晶体X射线成像技术的图像中被检物的空间分辨率很高，能够将物质细节清晰地呈现出来，但由于技术工艺的限制，目前还没有投入使用。表2中列出了几种安检仪器的性能。表2基于不同技术安检仪器的性能对比性能设备图像特点优势缺点适用范围应用程度单能X光机能给出被检物的值信息检查速度快，设备造价低无法对行李中重叠的物品进行有效检测行李物品检查已淘汰双能X光机彩色图像，能给出物质的值范围，用颜色能有效区分有机物和对值小的物质检测效果差，若被检行李物品检查广泛使用对物质进行分类无机物，检测速度快，设备成本低物中物品成分复杂会降低探测效率；无法辨别值相近的生活有机物和毒品背散射X光机黑白图像，可对被检物浅层区值大、值小的材料清晰成像能给出更多人体表面携带的物质材料信息，射线辐射剂量小无法对被检物内部以及部分塑性炸药进行检查，设备的制作工艺复杂，成本较高人身安检、行李物品检查较少使用CT断层扫描X光机黑白三维图像，能够给出物质的值信息和值信息能够得到被检物各断层面详细信息，对可疑启动用时长，检查速度慢，设备造价高行李物品检查较少使用物品进行准确定位碲锌镉X光机黑白图像，能够给出被检物的细节信息具有很高的能量分辨率碲锌镉晶体制造工艺难度较大行李物品检查实验性阶段三、结束语虽然近年来各种违禁品成像技术层出不穷，但是基于X射线的成像技术由于其成像效果好、环境适应性强、成本较低等因素被广泛应用在安检工作中。而且为了应对复杂的安检工作形势，人们在原有的X射线成像技术基础上进行改进，研发出成像效果更好的图像融合技术，这种技术能够将值较大的物质和值较小的物质都清晰地呈现在图像中，大大提高了探测效率，实现了技术的优势互补。因此，只要充分利用各种技术的优势，就能有效预防和打击犯罪活动，保障社会的安全和稳定。参考文献[1]刘舒.X射线安全检查技术[J].中国人民公安大学学报,2008(4):78-80[2]邢钢,徐玉秀.X射线安检设备中双能量方式下R值提取[J].核电子学与探测技术,2006,26(2):157-159[3]刘兆年.康普顿背散射检测技术研究[D].东南大学,2007[4]蔡力.碲锌镉探测器的制备及性能研究[D].四川大学,2003[5]张兴刚.CdZnTe半导体探测器电极研究[D].西北工业大学,2006[6]黄勇，杨磊，杨汝基等.碲化镉探测器的原理及医学应用[J].上海生物医学工程，2005,26(4)