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X射线康普顿散射成像技术的研究与应用

2016-04-14   浏览次数:17691

本文结合X射线安全检查设备应用的现实情况,阐述了X射线康普顿散射成像原理和特点,并就相关成像设备的应用领域进行了介绍和分析。

目前广泛用于机场、海关、铁路等重要部门的安全检查设备大都是线扫描、双能量、透射型X射线检查设备,设备能同时得到被检物的低能和高能信息,并根据这两种信息计算出被检物品组成物质的有效原子序数信息,从而实现对被检物品的分类和识别。虽然这类设备可以有效地把被检物质分为有机物和无机物,或者说是金属与非金属类,并赋予不同的颜色。但由于被检物品内部多种物质的重叠,以及只依据有效原子序数信息,准确地从不同种有机物中识别出可疑危险物,如炸药和毒品,是件非常困难的事情。设备对薄片形、无规则塑性炸药的探测也存在很难解决的问题,透射射线很容易穿过薄片形的物质致使这种形状的物质不易被识别出来,因此,目前使用的双能量设备对隐藏在行李物品中可疑危险物的探测识别在很大程度上依赖于操作人员的经验。

近年来,随着恐怖事件的不断发生以及高技术爆炸装置的使用,特别是裤裆炸弹恐怖事件的发生,各国政府都加强了安全检查力度和检查范围,从对物品的检查渐渐扩大到对可疑人员的检查,并不断使用新技术和新设备。由于X射线康普顿散射成像技术可以突出显示由低原子序数元素组成的、含有丰富碳、氢、氧、氮成分、密度又较大的物质,特别是对探测薄片形危险物很有效,所以,散射技术可以弥补传统双能量X射线安全检查设备不能探测片状危险品的不足,改进设备的探测率和误报率。

X射线背散射成像设备由于散射探测器与射线源安装于设备的同一侧,设备的结构紧凑,可对行李物品、大型货物、车辆、可疑人员实施非接触的隐蔽检查,主要是针对隐藏武器、弹药、爆炸装置、毒品、违禁品以及走私人口的探查。北京2008年奥运会期间,以及人民大会堂等重要部门使用了具有探测散射X射线能力的X射线检查设备,背散射移动检查车在奥运期间对进入比赛场地、场馆的车辆以及周边环境的检查中发挥了重要作用。

一、X射线康普顿散射成像原理

X射线康普顿散射成像设备是利用了射线和物质相互作用发生的非相干散射效应,入射X射线光子与被检物质的自由电子发生碰撞,光子的部分能量传给自由电子使之成为反冲电子,其自身损失能量并改变方向成为散射光子,设备的专用散射探测器收集被检物散射的X射线光子,生成被检物的散射X射线图像。散射一般分为前向散射和背(反)向散射。散射射线角度小于90°的叫做前向散射射线,散射角度大于90°叫做背向散射,所以,散射探测器根据安装的位置,也就分为前、背散射探测器。

为了得到清晰的被检物品的散射图像,设备通常采用点扫描成像原理,专门设计的机械斩波装置将X射线源发射的圆锥形X射线束斩波成笔束状X射线,在驱动装置的控制下,沿垂直或水平方向飞速往复运动,形成X射线飞点。当被检物品或检查设备移动时,笔束状X射线飞点就一点一点逐列地扫过被检物,在每一时刻,只有一个X射线的光点照射被检物,散射和透射探测器将分别收集被检物品散射出来或穿过被检物品的X射线,并转换成电流信号,图像采集系统将分时取样,按列存储每一点的图像数据。由于被检物品与检查设备的相对移动,就得到了完整的被检物的2维散射图像以及透射图像。X射线透射图像反映了被检物的总衰减效应,较好地显示了高密度和高原子序数的物质,如枪支和匕首等。

散射信号较好的反映了物质组成的密度信息,突出显示了由低原子序数组成、密度较大的物质,这种透射与散射结合的设备改进了X射线检查设备对可疑危险物品的探测能力。

点扫描设备的组成示意图以及设备显示的透射与散射图像。对比同一行李箱的单能透射与散射图像,就很容易发现散射图像的特点,突出显示行李箱中隐藏的可疑危险品--炸药模拟物。

二、X射线康普顿散射成像设备的突出特点

X射线康普顿散射成像设备较传统透射设备,具有如下突出的优点和缺点。

(一)优点:

1.设备显示的图像为负图像,突出显示由低原子序数元素组成的、密度较大的物质,炸药和毒品均属于此类物质;

2.背散射X射线检查设备采用点扫描成像原理,在单位检查时间内,被检物只有一点接受射线照射,设备的单次检查剂量和射线泄露剂量率极低,只有传统设备的十分之一或更低。

3.背散射X射线检查设备的散射探测器和X射线源位于同一侧,使得设备的结构简洁紧凑,可实施对被检物的隐蔽检查。

4.在射线能量不能穿透被检物的情况下,背散射X射线检查设备可对被检物实施双侧检测,只要射线能量能够满足一定的强度要求,检查的深度就可以足够大,从而取得了传统透射X射线设备所达不到的效果。

5.适合探测混杂于多类物品中或隐藏于伪装夹层、中空结构中的各种炸药、毒品以及违禁品。

(二)缺点:

1.设备需要有复杂的机械斩波装置,才能形成笔束状X射线;

2.射线的利用率低,在单位时间内只利用了一点X射线,所以系统使用的射线源功率要大,束流要大,一般大功率射线源还需要有外循环的冷却系统;

3.设备的系统噪声比传统设备要大,主要是斩波装置的旋转以及冷却系统产生的;

4.散射射线的穿透能力差;

5.只有散射探测能力的系统,不能对物质进行有机物和无机物分类,只是能突出显示原子序数低、密度大的物质,不能判别是否是爆炸物,还需要操作人员的干预。

6.散射图像的分辨率比传统透射设备要低。

三、X射线背散射成像设备的应用

X射线点扫描散射成像设备于80年代后期开始用于机场的安全检查,当时的设备只能显示被检物品的单能透射和背散射图像,单能图像适合显示密度较大的物品,如金属物品、刀、枪等,背散射图像突出显示了由低原子序数元素组成的物质。由于塑料手枪、陶瓷刀具的出现,单能设备不能满足安全检查的需要,双能量X射线检查设备具有结构简单、能区分物质的种类等特点,很快取代了只有单能透射与背散射的点扫描设备。目前这种设备仍然在美国的一些博物馆、旅游点、图书馆以及重要机构使用。近年来,具有散射探测功能的X射线检查设备开始在国内使用,主要用于邮件、行包、车辆、货物隐藏爆炸物和毒品的探测。

(一)移动安全检查

由于背散射X射线检查设备具有结构紧凑、操作简便、检查剂量和射线泄露剂量率低、可对固定或移动的被检物实施隐蔽检查等诸多优点,已在安全检查和缉毒部门使用。设备一般安装在改装车辆的设备舱内,设备只需沿着停放的被检车辆匀速移动,就能完成对被检物的扫描检查。在2008年奥运会期间,公安部第一研究所研制的小型X射线背散射检查车在大同的安保工作中发挥了重大作用。快速搜索检查运动场馆、宾馆周围的车辆,以及对运动场馆周围树丛隐藏人员进行搜索检查,取得了很好效果。由于这种移动式的背散射X射线检查车可以用于对车辆、货物以及走私人员的隐蔽检查,已受到缉毒、防爆等多个部门的关注。对大型集装箱车辆的检查,需要用高能量的X射线或伽玛射线穿透被检车辆,检查设备通常采用线扫描成像技术,设备的检查剂量大,需要建立专用的防护设施或是划定很大范围的控制区,这会给使用现场带来很多麻烦。而采用点扫描成像技术的背散射X射线检查设备可在没有任何特殊防护设施情况下实施对被检车辆的扫描检查。如果射线不能有效穿透被检车辆时,可对被检物实施双侧扫描检查,通过得到2个侧面的散射图像来看清楚一定深度内的物质,或是使用3套背散射设备,在3个方位上对车辆检查,得到被检车辆双侧面和顶部图像,同时,背散射设备对探测车辆的夹层、伪装处特别有效,极容易发现车辆的伪装夹层以及不同种类的货物,在不用打开货柜箱或去掉苫布的情况下,清楚得知内部装载情况,确认货物和货单的一致性。

(二)人体检查

X射线背散射人体检查设备主要是探测人体所携带的武器、爆炸物以及违禁品等。由于2009年圣诞节期间裤裆炸弹未遂恐怖事件的发生,美国交通安全管理局(TSA)在事件后立即安装了150台背散射人体检查设备,并计划在美国的78个机场,部署X射线背散射以及毫米波人体检查设备共计486台,2010年要安装约450台设备在美国各主要机场,并在多个机场实施全面人体检查。去年在巴基斯坦、印度、伊拉克等国发生的多起恐怖事件,都是恐怖分子用人体炸弹实施的恐怖破坏活动。为此,各国政府都在采取更严格的安全检查措施,据悉国内机场也在考虑人体检查的有关事宜,公安部第一研究所研制的背散射人体检查设备以及透射式人体检查设备已开始在首都机场试用。

人体背散射成像设备是利用低能X射线束扫描人体的2面,形成2维图像。

由于采用了点扫描成像原理,单次检查剂量很低,小于0.4μSv,典型值可为0.1μSv,符合国际健康与安全标准的规定,如IEC62463-2010、美国标准ANSIN42.47、ANSIN40.17、国标GBZ130-2002等有关标准。设备的一次检查剂量相当于乘坐2分钟飞机所接受的辐射,相当于一次医疗透视所接受剂量的千分之一,人在地球上一天所接受的自然辐射剂量的二百分之一。但专家们仍建议,怀孕的妇女和儿童不要接受此种X射线检查。

为了保护受检者的隐私,美国交通安全管理局(TSA)要求设备使用特殊算法处理整个人体图像,并采用远程网络通讯或网络传输方式完成检查。远端的显示器显示被检人员的图像,但远端的图像分析人员看不到被检者,能看到被检者的值机人员只能看到经过处理的人体轮廓图像。而这些图像不被存储、打印或传输,分析人员也不允许携带照相机,手机或能照相的设备进入工作室,每一个分析后的图像都会自动删除。由于背散射X射线图像质量优于毫米波图像,所以说背散射X射线人体检查设备是目前人体携带危险品探测的理想设备。目前使用的此种设备主要是由AS&E公司生产的SmartCheck,RAPASICAN公司生产的Security1000,一所设备正在试用阶段。

(三)绿色通道车辆检查

随着国家建立高速公路鲜活农副产品绿色通道政策的实施,各地政府配套了相应的减免费用政策,对运输鲜活农产品的车辆实行免收高速公路费用。然而,在政策的执行过程中,确有一些不法分子利用政策偷逃国家的税费,使高速公路运营部门受到很大的经济损失。据不完全统计,仅广东省一年,借绿色通道偷逃高速公路税费就高达13亿元,现在京津塘高速公路每天通过的鲜活农产品运输车辆大约有500多辆,每月有1.7万辆左右,现仅靠人工检查,每月查出的不属于鲜活农产品运输免费规定的车辆大约有500辆左右,加强对绿色通道运输车辆的检查是非常必要的。

经实验,X射线背散射检查设备是一种绿色通道的快捷检查设备,可以自动检查通过绿色通道的车辆,确认货物和申报单的一致性,解决高速公路运营者面临的实际问题,减小国家高速公路收费的损失。高科技的使用大大减轻了工作人员的工作强度,不再需要打开车辆逐一检查,只需在控制室观察图像,对比申报货单,就能决定放行还是不放行。


(四)双能透射与散射技术的互补应用

随着科学技术的进步与发展,安检技术与设备也在不断的更新,X射线检查设备的应用领域也在不断扩大,由机场、海关、铁路等部门的应用已扩展到法院、银行、旅游点、地铁等部门,对安检设备的功能提出了更高需求。设备不仅能探测隐藏在行李物品以及人体的金属武器、弹药、爆炸装置,还要能探测有机成分的炸药、毒品等,不仅能探测固体的爆炸物,还能探测胶状、液体、以及片状爆炸物,同时,设备的探测率要高,误报率要低,设备能实现自动探测,对可疑物给出明显标识,设备的性能价格比还要好。目前,双能X射线CT设备是比较理想的安全检查设备,通过探测被检物质的有效原子序数和密度参数,准确识别爆炸物,但由于检查通道的限制、检查速度问题以及价格昂贵,没能做到广泛应用。

多视角X射线检查设备使用了多个射线源和探测器,从不同的角度照射被检物,力求解决行李箱中多种物质重叠问题,以及从多组透射数据中提取物质密度信息,设备的探测率和误报率较广泛应用的双能量设备有了较大的改进。双能与散射技术的互补应用将弥补了2种技术的不足,这种双能加散射、线扫描加点扫描的设备已开始用于行李物品的检查。由于散射技术在传统线扫描、能量型系统上的采用,使设备可得到被检物品的双能透射和散射信息,专用算法依据被检物品的双能透射信息计算出被检物品组成物质的有效原子序数信息,依据透射和散射信息计算被检物品组成物质的密度信息,根据有效原子序数Zeff和密度两个特征量,精确地识别可疑危险物。两种技术的结合弥补了各自技术的不足,克服了双能透射设备不能探测片状危险物以及散射设备穿透力低的不足,改进了设备的性能指标。

设备的融合算法将可疑物的散射信息融和到双能透射图像中,凸显可疑危险物,帮助操作人员作出准确的判识。在双能透射图像中,片状炸药的信息与信号背景相当,根本探测不出来,炸药模拟物被钢板阻挡,透射信号很弱,设备难以识别。对散射成像系统而言,只要射线能穿透钢板,通过对被检行李的双面检查,前、背散射信号的组合,就能探测到炸药模拟物的存在。这种线扫描与点扫描、透射与散射技术互补型的设备将具有很大的发展潜力。

四、结束语

近年来,具有散射探测功能的X射线检查设备以不断增长的速度用于安全检查的各个领域,从对小件邮件、行李物品的检查到货物、车辆、大型集装箱的检查,从边防口岸走私人口的检查到进入机场、重要部门可疑人员携带危险品和违禁品的检查,设备以单次检查剂量低、射线泄露剂量率低、凸现具有原子序数低、密度较大的炸药和毒品、适用于移动检查以及中空和夹层隐藏物品探测的独特特征,正引起安检、缉毒、边防口岸等部门的重视。日益加剧的反恐形势、人体炸弹在世界范围内给各国人民的生命财产造成的损失,迫使我们采用更先进的技术和设备应对和阻止恐怖事件的发生,安全检查不仅对物品,还需要对可疑人员实行严厉检查。目前,虽然新一代的人体检查设备已经用于机场,如离子迁移门、主动式与被动式毫米波探测门、背散射人体探测设备等,未来对可疑人员的探测将朝着远程探测、智能化以及犯罪意向先期探测,提早发现问题,解决问题。

多种技术的组合应用仍是未来安检设备发展的方向,X射双能透射与散射、线扫描与点扫描技术的互补应用,将改进目前广泛应用的双能透射设备的性能指标,应用组合技术的设备将会有更广泛的应用领域。


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