陳偉珂 王炳淳

（天津理工大學(xué)管理學(xué)院，中國 天津 300384）

0 引言

20世紀(jì)80年代以來世界毒品犯罪形勢日趨嚴(yán)峻，它像瘟疫一樣在全球流行，成為當(dāng)今世界最為嚴(yán)重的國際社會問題之一。販毒、制毒的手段也不斷翻新，并趨于現(xiàn)代化、智能化。毒品犯罪對我國社會安全的危害也日漸嚴(yán)重，為保衛(wèi)我國的國計(jì)民生，必須堅(jiān)決打擊國內(nèi)外毒品犯罪，包括毒品走私。X射線背散射探測技術(shù)就能很好的解決這個(gè)問題，成為海關(guān)和邊防部門迫切需要的檢測手段。

常規(guī)的人體安檢系統(tǒng)存在著檢查高峰期人員流量大、人工檢測存在失誤、檢查人員可能被攜帶病毒或細(xì)菌感染等問題。目前，國際市場上X射線安全檢查設(shè)備基本上可以分成三類：一是常規(guī)的X射線透視檢查設(shè)備，二是CT型爆炸物、毒品自動(dòng)探測設(shè)備，三就是X射線背散射設(shè)備。

X射線背散射設(shè)備是根據(jù)COMPTON背散射原理的一種新型檢測設(shè)備，與傳統(tǒng)透射技術(shù)相比，可以在被檢物的一側(cè)（與射線源同側(cè)）給出檢測圖像，這為安全檢測帶來極大便利，是安全檢測技術(shù)的一大突破，人體掃描背散射檢測不但能夠檢測出衣服里面人體夾藏的金屬槍支、刀具等危險(xiǎn)品，而且可以顯示夾藏在人體上的炸藥、毒品、塑料刀槍、陶瓷兇器以及汽油、液體爆炸物等各種的非金屬危險(xiǎn)品。對防止恐怖襲擊活動(dòng)有重大意義。

1 背散射探測原理

X射線背散射成像技術(shù)就是利用康普頓散射原理。當(dāng)X射線接觸上物體時(shí)可能會發(fā)生3種情況：第一種情況是X射線穿過物體；第二種情況是X射線被物體吸收；第三種情況是發(fā)生散射。同時(shí)，X射線在遇到不同的物體時(shí)，會發(fā)生不同的散射：原則序數(shù)低的物質(zhì)，X射線的散射就比較強(qiáng)；原子序數(shù)高的物質(zhì)，X散射就比較弱。而且，散射概率與物體的電子密度有很大關(guān)系，電子的密度又與質(zhì)量有關(guān)，X射線散射發(fā)出的的強(qiáng)弱和質(zhì)量密度成正比。但是，光電效應(yīng)同時(shí)抑制了高原子序數(shù)物質(zhì)的散射。所以，在檢測時(shí)，如果物體的原子序數(shù)低、密度大，那么X射線散射的信號強(qiáng)度就高，反之亦然。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)X射線撞擊物體的電子后能量減少，X射線穿透物體的能力變差。因此，在被檢測物體附近都放置一臺散射光子接收器，減少光子在空氣重的衰減和二期散射。

X射線背散射成像技術(shù)利用“桶狀”飛點(diǎn)掃描機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出的X射線，沿著射線發(fā)出面圍繞著被檢測物體連續(xù)旋轉(zhuǎn)，完成飛點(diǎn)掃描探測。與射線源同側(cè)的背散射探測器，接收散射光子并由光電管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柗糯筝敵?，?jīng)過計(jì)算機(jī)處理后顯示成像。飛點(diǎn)掃描機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是X背散射技術(shù)的核心，可以對X射線的方位進(jìn)行處理，對被檢測物體及時(shí)做出反應(yīng)，完成準(zhǔn)確成像，并可以對低原子序數(shù)物體的形狀、位置進(jìn)行顯示和定位。X射線背散射技術(shù)與傳統(tǒng)的檢測手段相比具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

X射線背散射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

1）X射線背散射成像技術(shù)能顯示低原子序數(shù)物質(zhì)，不但能檢測金屬，還能檢測出液體、塑料、毒品等物品。

2）通過對檢測設(shè)備的改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)對人體的雙面檢測（即背面和正面），便于實(shí)施探測，節(jié)約探測的時(shí)間。

3）飛點(diǎn)探測掃描系統(tǒng)輻射劑量小，可以減少對人體的輻射，保證人體的安全。

X射線背散射技術(shù)目前存在的缺點(diǎn)：

1）射線的穿透能力差，造成圖像的分辨率低，不能清晰的顯示被測物體，只能描繪出被測物體的大致輪廓。

2）不能準(zhǔn)確的對被測物體的原子序數(shù)進(jìn)行分類，只能通過射線反射回來的亮度判斷物體，無法實(shí)現(xiàn)在動(dòng)探測。

3）需要大量的數(shù)據(jù)庫作為后臺支持。被測物體成像后，需要對比數(shù)據(jù)庫中的圖像信息來確定被檢測物體。

2 X背散射成像技術(shù)設(shè)計(jì)

2．1 X射線光斑的能量核心計(jì)算

光斑的能量大小與形狀決定了設(shè)備的反射強(qiáng)度和圖像的生成及清晰度是設(shè)備能否成功的關(guān)鍵。

X射線是一種波長很短的電磁波，波長范圍為0.0006∽50nm。目前X射線安檢中常用的X射線波長為0.008∽0.031nm.X射線與物體相互作用，X射線的強(qiáng)度就會因射線通過物質(zhì)而被減弱，這就是X射線的吸收現(xiàn)象。X光子與物質(zhì)的相互作用主要包括：（1）光電效應(yīng)——入射光子與束縛電子之間相互作用，導(dǎo)致光子完全消失；（2）康普頓散射——入射光子與自由電子發(fā)生碰撞，使光子的方向發(fā)生改變；（3）瑞利散射——入射光子與原子中的束縛電子相互作用而發(fā)生的彈性散射，其隨著原子序數(shù)的增大而增強(qiáng)；（4）電子偶效應(yīng)——當(dāng)入射光子的能量大于電子的靜止質(zhì)量的兩倍時(shí)，光子在原子核場附近能轉(zhuǎn)化為一對正負(fù)電子。當(dāng)射線能量為150KeV范圍內(nèi)時(shí)主要以光電效應(yīng)和康普頓散射為主。我們通常用于檢測的射線劑量也在150KeV范圍內(nèi)。如圖所示光子與物質(zhì)之間的三種主要相互作用。

圖1 光子與物質(zhì)之間的三種相互作用

光電效應(yīng)的影響由光電效應(yīng)的橫截面σpe（10－24cm2/atom）來表示：

式中，Z表示與X射線相互作用的物質(zhì)的原子序數(shù)

E表示X射線光子能量，單位為KeV

康普頓散射的影響由康普頓效應(yīng)的橫截面σncs來表示：

σ表示了X射線光子與物質(zhì)原子相互作用的概率大小。

由以上可得在不大于且接近150KeV時(shí)主要是康普頓效應(yīng)在作用，由此設(shè)定X射線發(fā)射源的電壓和電流符合上述指標(biāo)。

根據(jù)康普頓反散射原理，我們對與不同原子序數(shù)的物質(zhì)進(jìn)行了反散射的試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不通的物質(zhì)對于X射線的反散射是不一樣的，并且反散射能量隨著物質(zhì)原子序數(shù)的降低而增大。進(jìn)而我們找到了合適的射線光斑能量大小，并根據(jù)相關(guān)的因素推到出了光斑能量的數(shù)學(xué)模型。

圖2 不同物質(zhì)的反散射計(jì)數(shù)（個(gè)/秒）

2.2 電信號采集系統(tǒng)

目前國內(nèi)X射線透射普遍使用的L型探測器，但對于本系統(tǒng)成本太高，不適用，所以選用了國外進(jìn)口的高靈敏度的塑料閃爍體探測器，使反射射線的90%以上都能被接收轉(zhuǎn)換成電信號。依據(jù)閃爍體對反散射X射線熒光效應(yīng)的能量范圍、光衰減距離等因素設(shè)計(jì)了一套精準(zhǔn)的能最大能量轉(zhuǎn)換的閃爍體尺寸算法，根據(jù)熒光的光譜范圍使用一種能有效完全反射的反射材料，減少了在閃爍體邊緣反射的光能損失。

在采集電路方面，選用國外靈敏度高、暗電流小的弱信號倍增部件，能檢測到單個(gè)低能光子入射形成的信號量。通過器件選型和電路設(shè)計(jì)，客服了弱信號采集電路難以實(shí)現(xiàn)線性放大的問題，從而保證了前端信號采集的真實(shí)性。

圖3 無射線光電采集信號低零漂值

圖4 無射線無閃爍體光電采集信號低零漂值

2．3 A/D 變換系統(tǒng)

自主研發(fā)AD變換系統(tǒng)，核心部件選用AD公司的高速、低功耗、低噪聲、抗干擾強(qiáng)的AD芯片，再配備自主研發(fā)的濾波電路、積分電路，電路板抗干擾設(shè)計(jì)。AD變換系統(tǒng)能夠分辨脈寬接近30ns的電壓信號，AD采樣轉(zhuǎn)換速率小于15us，完全滿足高能射線探測物品的需要。保證了信號的線性放大，不失真。

圖5 A/D變換系統(tǒng)原理圖

圖6 A/D變換電路原理圖設(shè)計(jì)

圖7 A/D變換系統(tǒng)前端信號采集試驗(yàn)

3 結(jié)論

通過對X背散射關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)，能夠很好的檢測人體攜帶的各種物體，最大限度的減少人工檢測帶來的錯(cuò)誤。X背散射技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用于人體安檢系統(tǒng)，提高安檢的準(zhǔn)確性和效率，并且降低被檢測人員的對抗情緒，使人體掃面技術(shù)真正的保證人民的安全。

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