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針對便攜式x射線檢查儀中的探測技術分析
2018/4/9 11:10:52
多年來毒品走私和爆炸恐怖活動一直成為海關、航空、交通運輸打擊犯罪、安全防范的重點。由于犯罪分子的犯罪手段越來越先進,使傳統的檢測手段無能為力。如何提高鑒別精度,在高速流動的人群、貨物群中快速、準確地將隱藏的毒品或炸藥檢測出來已成為一項十分緊迫和有待解決的技術難題。探測違禁品的裝置必需具有識別裝在容器或包裹內物體的特性能力,x射線技術是被廣泛應用于違禁品檢測的專門技術,近年來得到迅速發展。它能提供組成物體的物質的一些重要特性,其中最有用的信息就是物體的密度(ρ)和有效原子序數(zeff)。從理論上來講,已知物體的密度和有效原子序數就可以準確的確定物質的類型,便攜式x射線檢查儀已被看作是安全防御的第一道防線。  
便攜式x射線檢查儀的x射線探測的原理  
工作電壓為150kv的x-射線發生器發射出角度為60°圓錐形x-射線束,該射線束經過準直器后變為角度為60°的扇形平面射線束。由于物質對x-射線的吸收作用,該扇形射線束穿過被檢查物體后將有一部分能量被吸收,由于不同種類的材料對x-射線的吸收能力不同,所以穿過不同材料的x-射線束到達探測器時的能量是不同的。探測器上的象素尺寸僅為1·5mm×1·5mm,所以能將微小尺寸范圍內x-射線能量變化分辨出來。經過處理,探測器最終能給出灰度級圖像。再經計算機圖像技術處理后可使行李包裹中危險品和違禁品能被檢查出來。  
便攜式x射線檢查儀的x射線探測技術  
1、單能量穿透技術  
使用典型的扇型x射線束作為射線源和線性陣列探測器測量穿透掃描物體的x射線輻射量。在某一時刻扇形x射線束僅穿過被檢行李包裹的一個橫截面,同時線性陣列探測器將該截面內所包含的物體吸收過的x射線能量值記錄下來。隨著物體向前運動,被檢行李包裹的每一個橫截面被連續掃描,行李包裹的所有截面吸收過的x射線能量值都能被記錄下來,得到從x射線源到探測器方向整個行李包裹的完整的二維投影圖像,產生的圖像有相當高的分辨率。假設x射線的強度是i,通過一個較薄的厚度為l的均質層后(僅考慮一種原子),強度減小了δi,那么將有如下的方程:  
n是單位體積上的原子數,σ是每個原子的橫截面積。假設初始強度是i0,經過積分之后得到:  
然而使用這種方法,一小部分違禁品或隱藏在其它具有很大有效原子序數的物品后面的違禁品將不能被探測到。這是因為違禁品的信號與整個探測環境的信號相比相當弱。整個探測環境的信號強是由于探測環境質量或橫截面積大。由于這種技術固有的限制,大多數的研究集中在雙能量穿透技術上。  
2、雙能量穿透技術  
根據物質質量衰減系數(μ/ρ)隨x射線光子能量變化的規律,以及不同原子序數物質的質量衰減系數的差別,發現低原子序數物質的質量衰減系數(μ/ρ)隨能量增加下降較快,高原子序數物質的質量衰減系數(μ/ρ)隨能量增加下降較緩慢。在雙能量方式下,同一原子序數物質對低能和高能x-射線的吸收程度是不同的,這樣通過低能、高能兩個不同線吸收系數(實際對應圖像的灰度)比較與運算,就可以從兩種不同物質組成的、不同厚度產生的或相互重疊的圖像中將不同種類的物體區分開。對于化合物同樣有類似的線吸收系數—能量曲線,對于多于兩種物質的系統也可用類似的比較與運算,將每個物體區分開。為了強調非連續性散射的橫截面積σis與zeff的比例關系,σis可被寫成zσis,因此總的橫截面積是兩個獨立的橫截面積之和。  
其中e是x射線光子能量,e=hc/λ,λ是波長,c是光速,h是普朗克常量。滿足如下關系:  
在這個方程中有很多通過單一的方法不能獲得的量。尤其是一個薄的、有效原子序數很高的物質將和一個厚的、有效原子序數很低的物質有相同的吸收效果。但使用兩個不同的能量將解決這個問題。分割兩個信號消去常系數μρt,得到:  
這個比率顯示了在低能量和有效原子序數很高時具有很強的識別能力,但對更輕的物質識別能力較差??梢钥闯鐾ㄟ^r值,無機物可以從有機物中分離出來。同時還可看出低能x射線的能量均值越低,識別能力越強。低能x射線的吸收能力很強,因此在大多數情況下,很少使用能量低于40kev的x射線束。在目前所有出現的方程中都假設x射線源是單色的,因此厚度和密度因素都被忽略。
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