飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)研究

唐添 徐捷 王新 穆寶忠

摘要：圍繞車輛販運違禁品的精確、快速查緝需求，開展了小型化、低輻射的飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)研究。設(shè)計了小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的斬波機(jī)構(gòu)、背散射探測器。利用研制的系統(tǒng)開展了x射線背散射成像實驗，研究了x射線能量、功率對系統(tǒng)成像對比度和信噪比的影響。實驗表明，系統(tǒng)成像分辨率約為2 mm，能夠準(zhǔn)確檢測出隱藏在陶瓷物品中的毒品模擬物。小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的研究可為車輛安檢難題和降低檢測中的輻射危害提供參考。

關(guān)鍵詞：x射線背散射;飛點掃描;斬波輪;閃爍體

中圖分類號：O434.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

車輛販運違禁品（例如毒品、爆炸物等）的查緝是安檢領(lǐng)域的重要工作。目前，針對車輛的安檢技術(shù)主要為x射線成像技術(shù)，該技術(shù)從原理上可分為透射式、背散射式和透射一背散射結(jié)合的方式。x射線透視成像技術(shù)利用物質(zhì)對x射線吸收系數(shù)的不同來區(qū)分物質(zhì)種類，并結(jié)合物品的形狀來判斷是否為危險品。該技術(shù)對金屬物品，例如槍支、刀具有著較好的查緝效果，但對低原子序數(shù)且物質(zhì)密度較低的毒品、爆炸物等違禁物品的檢測效果較差。x射線背散射成像技術(shù)是基于探測康普頓背散射信號實現(xiàn)對物質(zhì)的檢測。相對于金屬物質(zhì)，低原子序數(shù)、低密度的違禁品（例如毒品、爆炸物等）具有較高的康普頓散射截面，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的散射信號。因此，x射線背散射技術(shù)特別適合于檢測毒品、爆炸物等違禁品，已成為安檢領(lǐng)域很有潛力的違禁品檢測技術(shù)。目前，針對車輛的x射線背散射安檢裝置通常為龍門架結(jié)構(gòu)和車載式背散射車，例如AS&E的Z-Portal、ZBV系列、Rapiscan的RapiscanEagle系列及國內(nèi)同方威視的MB、MX系列等。該類安檢裝置通過對車輛整體的掃描來實現(xiàn)對車輛的檢查，適合于檢測大體量的非金屬違禁品，例如幾千克的毒品和爆炸物。但是，該類裝置也具有明顯的缺點，主要體現(xiàn)為：1）射線源和探測器均距離車輛藏匿的待測物品較遠(yuǎn)（2～3 m），對于少量違禁品（幾十克甚至幾克的毒品和炸藥等）而言，探測到的有效信號將極其微弱，圖像信噪比差，甚至無法有效探測;2）車輛復(fù)雜的零部件對違禁品的遮擋和圖像的重疊也會增加檢測的難度;3）輻射嚴(yán)重且無法有效屏蔽射線對人體的危害;4）設(shè)備極其龐大，且多為固定式。所以，傳統(tǒng)的x射線背散射裝置在檢測車輛夾層中藏匿的違禁品，特別是小體量違禁品方面存在很大的困難，這也是一直以來無法解決的瓶頸。

因此，針對傳統(tǒng)車輛安檢技術(shù)的不足，本文開展了小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的設(shè)計及實驗研究。基于車輛安檢對高集光效率和高分辨率的需求，設(shè)計了小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的斬波機(jī)構(gòu)、背散射探測器。利用研制的小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)開展了x射線背散射成像實驗，檢驗了系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)可以借助遠(yuǎn)程控制的機(jī)械臂搭載，伸入車輛內(nèi)部進(jìn)行局部掃描檢測或?qū)囕v內(nèi)部進(jìn)行全景掃描檢測，這對于提高車輛安檢的精密化程度，減小輻射危害等具有重要的意義。

1x射線飛點掃描原理與設(shè)計

1.1x射線飛點掃描原理

x射線與物質(zhì)的相互作用主要包括：光電效應(yīng)、相干散射、康普頓散射及電子對效應(yīng)等。x射線背散射成像是基于康普頓散射原理，通過探測物質(zhì)對入射x射線的康普頓散射信號來實現(xiàn)對物質(zhì)的探測。低原子序數(shù)、低密度物質(zhì)（主要成分為c、H、O、N的毒品、炸藥等）的康普頓散射截面較大，散射信號較強(qiáng)，而金屬類物質(zhì)的散射截面小，散射信號弱。因此，基于物質(zhì)散射信號強(qiáng)度的差異可以實現(xiàn)對物質(zhì)類型的判斷。

飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的原理如圖1所示。通過一個前置準(zhǔn)直狹縫將x射線管產(chǎn)生的錐形光束準(zhǔn)直成扇形光束，然后照射在高速轉(zhuǎn)動的斬波輪上。斬波輪上開有若干徑向分布的狹縫，狹縫以外區(qū)域采用高原子序數(shù)材料進(jìn)行屏蔽，確保斬波輪狹縫以外部分無法透過x射線。在斬波輪高速轉(zhuǎn)動的過程中，同一時刻有且僅有一條狹縫與前置準(zhǔn)直狹縫產(chǎn)生交點，所以當(dāng)扇形x射線經(jīng)過斬波輪后就可以形成一束x射線細(xì)光束，并在豎直方向做一維高速線掃描。同時，另一維掃描則通過被檢物與設(shè)備間的相對運動產(chǎn)生。探測器與x射線管都位于被檢物的同一側(cè)，當(dāng)探測器接收到被檢物產(chǎn)生的背散射信號后，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺盟惴▽r序的電信號重構(gòu)為被檢物的二維背散射圖像。

1.2飛點掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計

斬波機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生高速掃描x射線細(xì)光束的關(guān)鍵部件。通過高速旋轉(zhuǎn)的斬波機(jī)構(gòu)，將準(zhǔn)直的扇形光束進(jìn)行斬波，形成上下高速掃描的x射線細(xì)光束。

飛點掃描機(jī)構(gòu)原理如圖2所示，x射線從光源的中心發(fā)出，經(jīng)過前置狹縫準(zhǔn)直成扇形光束。在準(zhǔn)直狹縫的出光口處設(shè)置一個可高速旋轉(zhuǎn)的斬波輪，斬波輪的表面徑向分布若干狹縫，狹縫以外部分采用高原子序數(shù)、高密度的鎢材料來屏蔽x射線。在斬波輪高速旋轉(zhuǎn)的過程中，準(zhǔn)直后的扇形x射線光束能夠在某一時間段穿過斬波輪上的狹縫，從而形成上下高速掃描的細(xì)光束。細(xì)光束輻照被檢物，產(chǎn)生康普頓散射，通過接收被檢物的背散射信號獲取圖像。式中h2為固定準(zhǔn)直狹縫在斬波輪上的投影。

成像分辨率由產(chǎn)生的x射線細(xì)光束投影在被檢物上的水平線寬△x和豎直線寬△y決定。集光效率Ω由系統(tǒng)的有效x射線光束立體角決定。圖2中準(zhǔn)直狹縫寬度a、斬波輪狹縫寬度6、光源中心到狹縫出瞳的距離d及物距u是影響集光效率Ω和成像分辨率的主要因素，各參數(shù)滿足以下關(guān)系：

從式（4）～（6）可以看出，當(dāng)光源中心到狹縫的出瞳距離d和物距u固定時，為了得到高分辨率的圖像，需要盡可能減小準(zhǔn)直狹縫與斬波輪狹縫的寬度，但隨著a、b值的減小，集光效率Q也在相應(yīng)減小，這樣就無法保證有足夠多的x射線照射到物體上。所以，要在保證有較好的成像分辨率的同時使系統(tǒng)具有較高的集光效率。

本文將光源中心到狹縫出瞳的距離d固定為200mm，物距u為800mm。x射線細(xì)光束在物面上產(chǎn)生光斑的線寬視為理論最佳分辨率，針對小型化飛點掃描系統(tǒng)的具體應(yīng)用，對于車輛、房間等狹小空間內(nèi)部的檢測需要達(dá)到2 mm的分辨率。由此計算得到準(zhǔn)直狹縫和斬波輪上徑向狹縫寬度要滿足≤0.5mm。在滿足分辨率要求的同時，兩個狹縫越寬，集光效率也就越高，所以該系統(tǒng)選用0.5mm寬度的準(zhǔn)直狹縫和徑向狹縫。

為了使系統(tǒng)實現(xiàn)高速掃描且易于搭載，需要對斬波機(jī)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計。斬波機(jī)構(gòu)采用分體式設(shè)計，主體半徑為R且材質(zhì)為鋁合金，圓環(huán)處即寬度為h3的區(qū)域采用鎢鋼作為屏蔽材料。x射線管的工作電壓通常為100～150 kV，所產(chǎn)生的x射線最高能點為100～150 keV，但是較強(qiáng)的輻射一般在20～40 keV能段和58 keV及67 keV能點。為了獲得較好的屏蔽效果，計算了在150 keV下不同厚度鎢板的透過率，當(dāng)厚度為3mm時透過率約為10^-4，完全符合系統(tǒng)要求。所以該系統(tǒng)采用3mm厚的鎢板來屏蔽入射的高能x射線。斬波輪的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著斬波輪的徑向狹縫數(shù)變大，斬波輪的整體尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量均增大。盡管n=3時，斬波輪的半徑和轉(zhuǎn)動慣量最小，但提高了對電機(jī)轉(zhuǎn)速的要求，需要更大體積、更大慣量的電機(jī)來提升斬波輪轉(zhuǎn)速，這不符合設(shè)備小型化的需求。所以，在設(shè)計時考慮到尺寸、掃描速度、電機(jī)荷載等因素，本文在圓盤斬波輪上采用的徑向狹縫條數(shù)為4條，斬波輪具體參數(shù)見表2。在物距為800mm時，線視場即可檢查高度約為800 mm。

1.3探測器設(shè)計

系統(tǒng)采用計數(shù)型x射線探測器來收集物質(zhì)的背散射x射線。根據(jù)材料的不同可以將x射線探測器分為三類：氣體探測器、半導(dǎo)體探測器和閃爍體探測器。在選擇具體的x射線探測器類型時，需要考慮探測器的響應(yīng)能點、能量分辨率、輸出穩(wěn)定性、時間分辨率、探測效率等因素。探測器的具體性能如表3所示。

在飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)中，x射線的工作能點一般在160 keV以下，并且不需要能譜分辨，采集的各種能點的x射線信號積分為一個強(qiáng)度信號。工作環(huán)境通常為常溫環(huán)境，并且背散射信號比透射信號弱幾個數(shù)量級，需要采用大面積的探測器來提高采集的背散射信號強(qiáng)度。同時，考慮到飛點掃描中x射線束呈高速掃描的狀態(tài)，相鄰兩個像素點的時間間隔為微秒量級。綜上所述，考慮探測能區(qū)、能量分辨率、穩(wěn)定性、時間分辨率、探測效率等因素，閃爍體探測器更適合用于x射線飛點掃描系統(tǒng)。

結(jié)合飛點掃描的探測需求，在選擇閃爍體材料時，需要考慮閃爍體的發(fā)光峰值波長、衰減時間、相對發(fā)光強(qiáng)度、潮解程度。閃爍體的衰減時間基本都在納秒量級，能夠滿足飛點掃描的需求。目前常用的閃爍體材料的相關(guān)特性如表4所示，其中假設(shè)NaI（TI）的相對發(fā)光強(qiáng)度為100。

在不易潮解的閃爍體材料中，以Plastic和LSO最為常見。塑料閃爍體的密度較小、原子序數(shù)較低，光在閃爍體中衰減較弱，但是塑料閃爍體可以制作成較大尺寸，尺寸可達(dá)1m甚至更大。反之，LSO閃爍體的密度較大、原子序數(shù)也較高，且光在其中的衰減較強(qiáng)，但是，大面積的LSO閃爍體難以制作，常見的LSO閃爍體尺寸僅幾厘米。另外，結(jié)合飛點掃描的具體結(jié)構(gòu)，在不影響設(shè)備整體體積的前提下，斬波輪前端的空間都可用來放置探測器，從而增大閃爍體探測器的有效接收面積，收集更多的散射光子，提高探測效率。因此，本文選用塑料閃爍體作為該小型化背散射系統(tǒng)的探測器。圖4為計算得到的塑料閃爍體對不同能點x射線的沉積效率，其中入射光子數(shù)為5x10⁴。

根據(jù)圖4可以看出，隨著探測器厚度的增大，沉積效率逐漸提高，且變化趨勢為非線性。當(dāng)探測器厚度為50mm時，對40～60 keV能量的x射線的沉積效率約為60%。因此，結(jié)合輕量化的需求，采用厚度為50mm的塑料閃爍體，閃爍體型號為HND-S2型，有效探測面積為400 mmx200mm。在塑料閃爍體的表面采用高分子材料特氟龍（Teflon）進(jìn)行封裝，閃爍體產(chǎn)生的可見光在特氟龍表面能進(jìn)行多次反射，可提高光子的利用率。閃爍體與光電倍增管（PMT）陰極之間通過添加光學(xué)耦合劑直接耦合，并通過PMT將產(chǎn)生的可見光子轉(zhuǎn)化為電信號。電信號由數(shù)字采集卡采集，并通過算法將數(shù)據(jù)重構(gòu)為二維圖像。

2x射線成像實驗

圖5為小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)，整體尺寸為550mm×500mm×500mm。系統(tǒng)主要由x射線源、固定準(zhǔn)直狹縫、電機(jī)、斬波輪、探測器等組成。

為了測試飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的分辨率，在樣品聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的表面附上對x射線吸收高、散射低的鎢鋼片，并進(jìn)行背散射實驗。以PMMA作為實驗樣品是因為PMMA的分子結(jié)構(gòu)及散射能力與部分毒品相似，適合作為毒品模擬物。

PMMA的尺寸為100 mmx100 mmx50 mm，在其表面附有三塊鎢鋼片，鎢鋼片的尺寸分別為40mm、15mm、3mm。將該樣品放置在物距為800mm的樣品臺上，并將樣品臺置于水平傳送帶上，以30 mm/s的平移速度做水平移動，樣品臺的材質(zhì)為鋁合金。圖6給出了PMMA樣品的成像結(jié)果以及在水平方向的分辨率測試結(jié)果，圖中標(biāo)出了水平方向的10%～90%邊界分辨率，且x表示PMMA在水平方向上的位置。表5分別給出了不同光源參數(shù)下，水平方向PMMA樣品的邊界分辨率以及PMMA與鎢鋼片邊界的分辨率。

圖7是實驗測得的PMMA樣品在豎直方向的分辨率，y表示PMMA在豎直方向的位置。表6給出了在不同光源參數(shù)下，豎直方向PMMA樣品的邊界分辨以及PMMA樣品與鎢鋼片的邊界分辨率。

從以上實驗結(jié)果可以得出，在最佳的光源參數(shù)下，PMMA樣品與空氣邊界的水平方向和豎直方向的分辨率均優(yōu)于2mm，而PMMA樣品與鎢鋼邊界的分辨率要較差一些。其中，當(dāng)x射線源的外加電壓為60 kV時，實驗圖像呈現(xiàn)的分辨率要高于其他參數(shù)條件下的分辨率。主要原因是在60 kV的電壓下，x射線的光子能量較低，穿透性不足，只能對被檢物的淺層進(jìn)行探測，受到多次散射信號的影響較小。另外，環(huán)境的雜散信號較弱，對成像分辨率只能產(chǎn)生微弱的影響。

為了檢驗系統(tǒng)對不同材質(zhì)樣品的成像能力，以峰值信噪比（PSNR，單位為dB）和灰度方差（N）作為評價指標(biāo)，對飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行分析。所采用的樣品分別為塑料玩具車及內(nèi)部放置了3塊不同大小PMMA的陶瓷杯。陶瓷杯壁厚約為3 mm，3塊PMMA的尺寸分別為15mmx15mmx15mm、20mmx20mm×20 mm、25 mmx25 mmx25mm。對塑料玩具車進(jìn)行成像實驗，得到PSNR以及Ⅳ數(shù)據(jù)見表7。圖6（b）和圖7（b）分別為玩具車以及陶瓷杯的實驗結(jié)果，該實驗結(jié)果對應(yīng)的光管功率為750 w，光管電壓為150kV，圖8（a）以及圖9（a）為相應(yīng)的實物圖。圖10為陶瓷杯在水平方向的分辨率，根據(jù)計算可以得出水平方向的10%～90%邊界分辨率為2mm。

在計算PSNR及Ⅳ時，截取成像結(jié)果中樣品所在區(qū)域的圖像進(jìn)行計算，消除樣品臺及背景環(huán)境對結(jié)果的影響。綜合PSNR以及Ⅳ的實驗結(jié)果可以看出，隨著光源功率及射線能量提高，尤其是在光源最大功率750 w、電壓150 kV時，環(huán)境噪聲較為嚴(yán)重，導(dǎo)致獲得圖像的PSNR值降低，像質(zhì)有所下降，但是圖像的灰度方差提升，圖像對比度得到提高。圖8顯示了無遮擋情況且光源功率750w、電壓150kV時的塑料玩具車圖像，圖中呈現(xiàn)出較為清晰的細(xì)節(jié)。圖9（b）顯示了毒品模擬物PMMA在陶瓷杯的遮擋下的圖像，圖中也顯示出比較清晰的輪廓，并達(dá)到2mm的分辨率，這表明系統(tǒng)能夠有效探測隱藏在陶瓷件內(nèi)的違禁品。圖10為陶瓷杯水平方向分辨率分布圖。

3結(jié)論

本文圍繞車輛販運違禁品的快速、高效查緝需求，開展了小型化、輕量化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的研究。設(shè)計了飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)中的斬波結(jié)構(gòu)和背散射探測器，在保證系統(tǒng)探測效率的同時，有效減小了斬波輪和背散射探測器的體積和重量。利用研制的小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)開展了x射線背散射成像實驗，分析了不同x射線能量及功率對成像對比度和信噪比的影響。本文研制的小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的分辨率約為2mm，可以清晰地檢測出位于陶瓷物品內(nèi)部的毒品模擬物，對未來解決車輛安檢問題和減少輻射危害具有重要意義。