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近年来, 受航空安全等需要的驱使, X 射线安全检查技术迅速发展, 已成为国际上广泛
采用的安全检查技术。目前, 常用的有 X 射线透射法、双能 X射线检测法、 X 射线散射法及 X 射线 CT 等技术。双能 X 射线 + 背散射检查设备可提供更丰富的被检物信息, 尤其对浅表层的有 机物检查灵敏度很高, 适合在高安全等级的环境使用或应用在多级检查中。 关键词 X 射线探测; 安全检查; 有效原子序数; 密度 中图分类号 D035133 性的爆炸物, 不能作为主要安检手段。 传统的 X 射线透射法是根据物质对 X 射线的 吸收不同进 行分 辨, 对 金属 ( 如手枪、子 弹等 ) 检查效果较好, 但对炸药等 有机物检查效 果不理 想。双能 X射线检测法可得到被 检物的有效原子 序数 ( Zeff ) 信息, 可以将无机物从有机物中分离 出来, 大大提高了检测的准确率, 而且比 X 射线 CT 技术检测速度快、成本低, 成为安检设备的主 流产品。但双能 X 射线检测法仍 无法区分允许携 带的有机物 (如食品 ) 和违禁有机物 (如塑性炸 药、毒品等 )。 X 射线散射技术是一种较新的安检 技术, 它对 Zeff低、密度高且放在行李外层的物品 有较好的检查效果, 可进一步提高检查准确率, 但 无法同时获取 Zeff和密度信息, 对行李内部和部分 塑性炸药仍无法检查。 X射线 CT 技术可以产生被 检测物体的三维密度图像, 可以对可疑物品进行准 确定位, 但是 CT 检查的速度 很慢, 且成本昂 贵, 只适合作为多级安检系统的一部分, 对已经标记为 可疑的行李进行进一步的检查。 各种安检技术都是通过提取被检物的特征物理 量, 实现对违禁物的检查。 X射线检测技术主要是 提取被检物 的密度 ( Q) 和有效 原子 序数 ( Zeff ) 信息。理论上, 已知物质的 Q和 Zeff就可以确定物 质的类型。但是, 目前现有的各种安全检查方法都 存在着不同程度的不足与缺陷, 将各种安检方法相 互补充, 实现多级检查是目前安检中常用的手段。
0 引言 近年来, 在世界范围内各种形式的恐怖事件频 发, 公共安全成为国际社会关注的焦点。为对付日 益猖獗的恐怖活动, 各国政府纷纷出台相应政策, 包括加强对机场、车站、码头等公共场所的安检措 施, 并重点加强对爆炸物等违禁品的检查力度。但 是由于爆炸物种类繁多, 有老式炸药 TNT, 有新型 的塑性炸药, 有自制的火药, 也有爆炸力极强的烈 性炸药等, 且物质形态千差万别, 要准确、快速地 检查出爆炸物等违禁品无疑提高了对安检设备的技 术要求。 目前国际上对爆炸物等违禁品的检测技术研究 主要集中在 X 射线检测技术、中子检测技术、电 磁测量技术及蒸气微粒探测技术 等。其中 X 射线 检测技术是相对成熟且应用最广泛的一项技术, 主 要包括 X射线透射法、双能 X 射线 检测法、 X 射 线散射法、 X射线 CT 等。中子检测技术主要包括 热中子 活化法、快中 子活化法、脉 冲快中子分析 法、热中子断层扫描法等。但中子辐射的危害性极 大, 对中子进行辐射防护比较困难, 势必造成系统 的庞大臃肿及安全隐患大的问题。电磁测量技术主 要包括电磁法、核磁共振法 (NMR )、核四极矩共 振检测法 ( NQR), 但该技术会对行李中的磁记录 介质和磁性物质造成破坏, 一般的公共场所不宜采 用。而蒸气微粒探测技术只适用于那些有强烈挥发 作者简介 刘舒 ( 1955) # 78#
), 男, 黑龙江人, 副校长, 教授。
刘
舒
金
华: X射线安全 检查技术
本文阐述 X 射线检查技 术的基本原理, 详细介绍 双能量 + 背散射 X 射线检测技术在安检领域的应 用, 并对安检技术发展趋势进行展望。 1 原理 111 单能 X射线法 由于物质对 X 射线的吸收作用, 当 X 射线穿 过被检物后会有一部分能量被吸收, 不同种类的材 料对 X 射线的吸收能力不同, 穿过不同材料的 X 射线束到达探测器时的能量是不同的。经过处理, 探测器接收的能量大小以灰度级图像显示。假设 X 射线的初始强度为 I0, 经过厚度为 , 物质密度为 t Q 吸收系数为 L ( E )的物质后, 射线衰减强度为 , , I 有如下方程: ( 1) 使用这种方法, 对吸收系数大的物质可清晰地 成像 (如金属等 ), 但对于隐藏在吸收系数大的物 质后面的违禁品 (如炸药 ) 则不能探 测到。因此 检测能力十分有限, 目前已逐渐退出安检市场。 112 双能 X射线法 X射线与物质的相互作用可分为光电效应、康 普顿散射效应、瑞利散射效应和正负电子对效应。 X射线穿过物质时, 其总吸收系数 L 为: ( 2) 其中, 2 为宏 观界面, N 为单 位体积 原子核 数, R为总吸收截面, Rph 为光电吸收截面, Rc 为 康普顿散射截面, Rr 为瑞利散射截面, RK 为电子 对截面, A 为原子质量数, NA 为阿伏加德罗常数, Q为物质密度。对于小原子序数的爆炸物 Rph为原 子序数 Z和 入射 X 光子能量 hM 的函数, Rc 仅为 hM 的函数, Rr 为 Z与 hM 的函数, 当入射光子能量 达到兆电子伏时会产生电子对效应, 一般安全检查 设备所用光子能量在千电子伏量级, 不会产生电子 对效应, RK 项可忽略。因此总 吸收系 数 L 是 Z 、 Q hM 、 函数。 通过公式 1和公式 2可以推导出, 物质对高能 X射线衰减与对低能 X 射线衰减的比值 K 与物质 原子序数 Z密切相关。对常见的有机物和无机物, Z值与 K 值是单调变化的, 通过对 K 值的测量可 以得到 Z的信息。 高、低能 X 射线分别为 100KV 和 50KV 条件 下, K 值 与 物 质原 子 序 数 Z 之 间 的 关 系 如 图 1 所示。
图 2 X射线与物质相互作用关系 图 1 高、低能衰减系数比值与原子序数关系
可见, Z在 26 以下, Z值与 K 值是单调变化 的, 即 Z值的不同反映物质衰减特性 K 值的不同。 对于由多种元素组成的化合物或混合物用有效原子 序数 Zeff来表示。材料识别的精度用分辨有效原子 序数的精度来衡量。 双能 X 射线检测法可得到被检物的 Zeff信息, 可以将无机物从有机物中分离出来, 如将行李中常 见的玻璃等无机物分离出。但是对 Zeff值接近的生 活有机 物 (塑 料、 织物 等 )、爆 炸 物 ( TNT C4 、 等 ) 和毒品 (海洛因、可卡因等 ) 无法分辨。 113 背散射法 X射线与物质相互作用会发生透射、吸收和散 射三种情况, 如图 2所示。 X射线背散射方法就是 同向收集物质对 X射线的散射信号。
因此背散射信号由包括物质吸收、散射几率和 散射后的衰减三部分, 如下式所示: ( 3) 其中, I为射线衰减强度, I0 为 X 射线的初始 强度, L ( E )为吸收系数, Q为物质密度, t为经过 厚度, Rs 为散射截面, H为散射角。 当入射光子能量 范围在 013MeV 至 10 MeV 之 间, 入射光子与多数物质发生的作用以康普顿散射 为主, 如图 3所示。康普顿散射的概率与电子密度 N e 成正比, 而 N e 与质量密度有关, 因此康普顿散 # 79#
刘
舒
金
华: X射线安全 检查技术
射信号随着质量密度的增大而增强。对于高原子序 数的物质, 康普顿散射会被光电效应所抑制。
射图像则清晰显示了隐藏 在电子设备中的 塑料手 枪、塑性炸药和液体炸药。
图 3 入射光子能量与物质相互作用关 系
如果物质的 Zeff越低以及探测器到包裹表面的 距离越小, 那么康普顿散射信号就越强, 这意味着 来自浅层区材料的 Z 信息比透射双能量系统中的 信息丰富、灵敏。大多数爆炸品, 尤其是可塑炸药 有较低的 Zeff和较高的密度。这项技术能给包裹表 面的低原子序数的物质提供更多的信息, 对探测靠 近行李表层的爆炸物具有特别重要的意义。 2 应用 双能量和背散射技术相结合, 可提高检测的准 确性, 降低误报率。该技术得到越 来越广泛的认 同, 已应用在集装箱检查、车辆检查、包裹行李检 查、人体检查等安全检查方面。 利用集装箱和车辆偷运炸药、毒品和走私品等 往往会对集装箱和车 辆进行改造, 制造厚铁的暗 格、夹层等。因为铁板对 X 射线的吸 收较强, 隐 藏于厚重铁板后的炸药、毒品等有机物在传统的 X 射线检查中被遮挡, 难以发现。但 Zeff低的有机物 (毒品和爆炸物等 ) 对 X射线的散射效应强, 利用 X射线背散射方法可实现对这类有机物的探测, 特 别是对位于被检物浅层区 (夹层等 ) 的有机物探 测其散射信号很强。图 4 ( a) 为车辆的 X 射线背 散射图像, 可以清晰地看到隐藏在汽车后柱夹层和 后备箱中的可卡因。图 4 ( b) 和图 4 ( c) 分别为 公文包的双能 X 射线透射图像和 X 射线背散射图 像。 X射线有很好的透射性, 可以显示出电子物品 的细微情况。从双能 X 射线透射图像中可以清晰 观察到手机、 PDA 和笔记本电脑的 电源线等电子 物品。这是因为电子物品的电路板中的金属物质对 X射线的吸收较强, 因此在 X 射线透射这些物品 可以清晰地成像。但隐藏在其中或被其遮挡的有机 物因吸收系数小, 几乎无法辨认。而 X 射线背散 # 80# 3 结论
( a) 车辆的 X射线背散射图像 ( b) 行李的双能 X射线透射图像 ( c) 该行李的 X射线背散射图像 图 4 车辆及行李的 X射线图像
目前, 多种 X 射线探测技术广泛应用 于安全 检查的各个领域, 但还没有出现能单独提供物质的 有效原子序数和密度信息的安检产品。单 能 X 射 线检查设备简单、成本低, 但探测能力很有限, 适 合小型城市或低安全级别的车站、港口等。双能 X 射线检查设备成本适中, 可分辨有机物和无机物, 但在实际检查中由于物品遮挡、叠放、混放难以准 确分辨, 该设备适合中等安全级别的环境使用。双 能 X 射线 + 背散射检查设备可提 供更丰富的被检 物信息, 尤其对浅表层的有机物检查灵敏度很高, 但成本相对偏高, 适合在高安全等级的环境使用或 应用在多级检查中。总之, 多种技术融合及多级检 查是安检设备发展的方向之一。
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