EDXRD安檢系統(tǒng)衍射譜數(shù)據(jù)庫的仿真研究

王麗曉 陳異凡 徐捷 王新 穆寶忠

文章編號： 1005-5630（2018）06-0029-07

摘要： 能量色散X射線衍射（EDXRD）系統(tǒng)在安檢領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。基于能量色散X射線衍射原理，以ICDDJCPDS數(shù)據(jù)作為初始能譜信息，分析了X射線光源、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、探測器分辨率及物質(zhì)衰減效應(yīng)對衍射能譜的影響，建立了與系統(tǒng)特性相對應(yīng)的衍射譜仿真模型。利用該模型，仿真了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)EDXRD系統(tǒng)的衍射譜，仿真譜和實際測量結(jié)果吻合。在此基礎(chǔ)上，仿真了海洛因和NH4NO3在不同晶體結(jié)構(gòu)下的衍射能譜，為EDXRD安檢系統(tǒng)的識別數(shù)據(jù)庫提供了一種有效的構(gòu)建方法。

關(guān)鍵詞：

能量色散X射線衍射; 數(shù)據(jù)庫; 仿真; 能譜分辨率; 安檢

中圖分類號： O 434.13文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.005

引言

毒品、爆炸物等違禁品嚴重危害人類健康和社會安全，高效、精確的檢測技術(shù)是查緝此類違禁品的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的X射線雙能透視方法依賴物質(zhì)的有效原子序數(shù)和密度進行查緝，很難區(qū)分毒品、炸藥等違禁品和其他日用品。常見的毒品和炸藥，例如海洛因、可卡因、冰毒、TNT、C4塑膠炸藥等[1-3]，其分子為多晶體結(jié)構(gòu)，而日用品的分子多為無定形結(jié)構(gòu)。因此，通過測量X射線衍射譜能夠從分子結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)對違禁品和日用品的精確識別[4-5]。能量色散X射線衍射（energy dispersive X-ray diffraction，EDXRD）采用寬光譜X射線作為入射光，結(jié)合半導(dǎo)體能譜探測器測量衍射能譜，相對于角度色散X射線衍射而言，EDXRD具有集光效率高、入射單元及探測單元位置固定、儀器構(gòu)造簡單等優(yōu)勢，是對毒品、爆炸物等精確檢測和識別的有效手段。

對于EDXRD技術(shù)，衍射能譜是物質(zhì)識別的“指紋”[6]，每種特定晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)均具有唯一的衍射能譜，大量物質(zhì)的衍射能譜組成識別數(shù)據(jù)庫。實際應(yīng)用中，某種物質(zhì)的實測能譜與數(shù)據(jù)庫中的能譜進行比對達到識別的目的[7]，因此，構(gòu)建精確的、完整的數(shù)據(jù)庫是決定能否識別和識別精度的關(guān)鍵。目前常見的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法主要有兩種：1） ICDD（International Center for Diffraction Data）JCPDS（The Joint Committee on Powder Diffraction Standard）數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫是基于傳統(tǒng)的角度色散X射線衍射（ADXRD）測量得到[1]，數(shù)據(jù)庫包含了大量物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整且方便獲取。但是，由于ADXRD和EDXRD原理及結(jié)構(gòu)的不同，ICDD-JCPDS數(shù)據(jù)無法反映EDXRD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光源輻射譜分布、探測器分辨率等因素對衍射能譜的影響[8]，與實測結(jié)果差距較大。2） 實測能譜構(gòu)成數(shù)據(jù)庫[9]。實驗數(shù)據(jù)彌補了ICDDJCPDS構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的不足，但是，由于毒品和爆炸物等違禁品多為人工合成品，種類繁多且均具有不同的化學(xué)組分和晶體結(jié)構(gòu)。因此，依靠實驗獲取大量違禁品的衍射能譜十分困難，這導(dǎo)致建立的數(shù)據(jù)庫不完整，從而影響了檢測的準(zhǔn)確率。

因此，本文提出了基于仿真的EDXRD安檢系統(tǒng)衍射譜數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法。基于能量色散X射線衍射原理，建立了與EDXRD系統(tǒng)特性相對應(yīng)的衍射譜仿真模型，對SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進行了計算，并通過衍射實驗對仿真結(jié)果進行了檢驗。在此基礎(chǔ)上，計算了典型違禁品海洛因和NH4NO3在不同晶體結(jié)構(gòu)下的衍射能譜。通過該仿真模型可以構(gòu)建精確、完整的衍射能譜數(shù)據(jù)庫，這對于提高違禁品檢測的準(zhǔn)確性，豐富查緝物質(zhì)的種類具有重要的意義。

2模型實驗檢驗

2.1實驗裝置

實驗采用鎢靶X射線光管（Varian，NDI22522）產(chǎn)生高能寬光譜X射線，工作電壓和電流分別是80 kV和10 mA。采用高原子序數(shù)鎢鋼合金準(zhǔn)直X射線從而產(chǎn)生細光束。探測器為高分辨率CdTe能譜探測器（AMPTEK，XR100TCdTe），晶體面積為25 mm2，在60 keV時能量分辨率為0.6 keV。在實驗過程中，對衍射信號的采集時間為60 s。本文采用了兩組實驗參量對SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進行測量，驗證仿真模型的精度，具體實驗參數(shù)如表1所示，實測的X射線光管輻射譜如圖4所示。

2.2結(jié)果及討論

實驗參數(shù)如表1所示，選取SiO2作為檢測樣品。ICDD-JCPDS數(shù)據(jù)、模型仿真衍射能譜及兩組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5和圖6顯示，SiO2的仿真能譜和實測能譜的能量分辨率（ΔE/E）分別是0.032 1和0.035 9。對同一種樣品而言，相同厚度情況下，仿真能譜和實驗?zāi)茏V的衍射峰對應(yīng)的能量、峰峰間距以及衍射峰的強度、展寬基本一致。

為了進一步驗證模型對于多晶結(jié)構(gòu)物質(zhì)衍射能譜仿真的精確度，采用撲熱息痛藥品作為實驗樣品進行了衍射實驗。實驗參數(shù)如表1所示。ICDDJCPDS數(shù)據(jù)、模型仿真衍射能譜及兩組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，撲熱息痛的仿真能譜和實測能譜的能量分辨率（ΔE/E）分別是0.041 2和0.037 6。在高能段，例如42 keV，仿真數(shù)據(jù)和實測能譜的強度一致，但是與ICDDJCPDS能譜的強度差異較大，這是由于鎢靶X射線源在高能段輻射強度降低造成的。上述結(jié)果顯示，通過該仿真模型所得到的衍射能譜可以用來構(gòu)建EDXRD系統(tǒng)物質(zhì)識別的能譜數(shù)據(jù)庫。

基于仿真模型，計算了典型違禁品（海洛因、NH4NO3）在表1結(jié)構(gòu)參數(shù)時的衍射能譜，如圖9和圖10所示。其中取最常見的毒品海洛因作為樣品，由于存在不同的空間群，在ICDD-JCPDS中存在著不同的衍射數(shù)據(jù)，圖9給出的是海洛因的兩種空間群的仿真譜，圖中空間群1是P212121[19]，空間群2是P21/n[14]。同理，取常見的爆炸物NH4NO3作為樣品，仿真結(jié)果如圖10所示，圖中空間群1是Pccn[56]，空間群2是Pbnm[62]。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，諸如海洛因、NH4NO3等違禁品，雖然為同一種物質(zhì)，但是由于晶體結(jié)構(gòu)上的差異，衍射能譜會有很大的區(qū)別。因此，對于大量的違禁品，完全通過實驗實測衍射能譜的方法來構(gòu)建數(shù)據(jù)庫是很困難的，而仿真的方法可以構(gòu)建精確、完整的識別數(shù)據(jù)庫。

3結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法的不足，提出了基于仿真的能量色散X射線衍射數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法。基于衍射原理，建立了系統(tǒng)仿真模型，對SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進行了計算，并通過衍射實驗對仿真結(jié)果進行了檢驗。在此基礎(chǔ)上，計算了典型違禁品海洛因和NH4NO3在不同晶體結(jié)構(gòu)下的衍射能譜，為數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建提供了必要的數(shù)據(jù)。仿真和實驗結(jié)果顯示：仿真能譜與實驗結(jié)果在能譜展寬和強度分布兩個關(guān)鍵參數(shù)方面基本一致。通過仿真的方法可以構(gòu)建精確、完整的衍射能譜數(shù)據(jù)庫，這對于提高違禁品檢測的準(zhǔn)確性、豐富查緝物質(zhì)的種類具有重要的意義。

參考文獻：

[1]CRESPY C，DUVAUCHELLE P，KAFTANDJIAN V，et al.Energy dispersive X-ray diffraction to identify explosive substances：spectra analysis procedure optimization[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2010，623（3）：10501060.

[2]ZHANG L，YANGDAI T Y.Determination of liquid's molecular interference function based on X-ray diffraction and dual-energy CT in security screening[J].Applied Radiation and Isotopes，2016，114：179187.

[3]GHAMMRAOUI B，REBUFFEL V，TABARY J，et al.Effect of grain size on stability of X-ray diffraction patterns used for threat detection[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2012，683：17.

[4]SPELLER R.Radiation-based security[J].Radiation Physics and Chemistry，2001，61（3/4/5/6）：293300.

[5]HARDING G，SCHREIBER B.Coherent X-ray scatter imaging and its applications in biomedical science and industry[J].Radiation Physics and Chemistry，1999，56（1/2）：229245.

[6]HARDING G，NEWTON M，KOSANETZKY J.Energy-dispersive X-ray diffraction tomography[J].Physics in Medicine & Biology，1990，35（1）：33.

[7]COOK E J，PANI S，GEORGE L，et al.Multivariate data analysis for drug identification using energy-dispersive X-ray diffraction[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2009，56（3）：14591464.

[8]DICKEN A J，EVANS J P O，ROGERS K D，et al.Energy-dispersive X-ray diffraction using an annular beam[J].Optics Express，2015，23（10）：1344313454.

[9]PANI S，COOK E，HORROCKS J，et al.Modelling an energy-dispersive X-ray diffraction system for drug detection[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2009，56（3）：12381241.

（編輯：劉鐵英）