專利名稱：一種X或γ輻射成像檢測方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及用于檢查集裝箱、貨車、箱包等客體的內(nèi)部情況的X或γ背散射與透射成像無損檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的γ輻射成像集裝箱檢測裝置或加速器X輻射成像集裝箱檢測裝置(以后簡稱“檢測裝置”)，如中國發(fā)明專利ZL96102080.6、ZL98101501.8和ZL86108035所示，均采用透射成像模式來檢測集裝箱等客體。它們能很好滿足海關(guān)查私的需求，發(fā)揮了重要作用。但是，它們還存在著一些不足之處①所獲得的只是X、γ輻射的透射影像，而不能獲取客體的背散射影像；②不具備使被檢客體內(nèi)有機(jī)物的影像自動“加亮”的功能，從而丟失不少重要信息，不利于發(fā)現(xiàn)有機(jī)類違禁物品。
在實(shí)際工作中，海關(guān)官員們希望在所獲得的集裝箱數(shù)字輻射影像中，有機(jī)物的影像能通過“自動加亮”而突出顯示出來，從而有助于查出爆炸物、易燃品、走私香煙和毒品等有機(jī)類違禁物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種X或γ輻射成像檢測方法與裝置，以片狀X、γ射線束獲取影像的技術(shù)為基礎(chǔ)，獲取集裝箱等客體背散射數(shù)字影像，使其中有機(jī)物或其它富含氫元素物質(zhì)的影像能自動加亮，進(jìn)一步結(jié)合透射輻射成像技術(shù)，更有利于獲取被檢客體的全面信息。
本發(fā)明提出的一種X或γ輻射成像無損檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)在X、γ成像檢測系統(tǒng)的射線源及客體之間設(shè)置帶格柵形準(zhǔn)直器的背散射陣列探測裝置，使之只接受和探測來自被檢客體的背散射；2)該X或γ射線由前準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為縱向片狀射線束；3)該片狀射線束射入被檢客體處的射線作用區(qū)內(nèi)發(fā)出的背散射通過格柵形準(zhǔn)直器后射入背散射陣列探測裝置的各個探測器元；4)由于格柵形準(zhǔn)直器的作用，背散射陣列探測裝置的各個探測器元分別對準(zhǔn)被檢客體上線狀射線作用區(qū)內(nèi)的不同部位，一一對應(yīng)地分別測量這些不同部位所產(chǎn)生的背散射；5)隨著客體與片狀射線束間的相對平移掃描運(yùn)動，通過信號采集與處理系統(tǒng)，獲得被檢客體的背散射數(shù)字影像。
本發(fā)明還可進(jìn)一步包括1)在被檢客體的后面設(shè)置透射陣列探測裝置，使之接受和探測來自被檢客體的透散射；2)X或γ射線由前準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為縱向片狀射線束后，穿過被檢客體、并經(jīng)過后準(zhǔn)直器而射入其后的透射陣列探測裝置；3)隨著被檢客體與片狀射線束間的相對平移掃描運(yùn)動，通過該透射陣列探測裝置的信號采集與處理系統(tǒng)獲得被檢客體的背散射與透射數(shù)字影像。
所說的射線源可為加速器、X射線機(jī)、或60Co、137Cs、192Ir放射性同位素。
本發(fā)明根據(jù)上述方法設(shè)計的一種X或γ輻射成像無損檢測裝置，包括射線源、前準(zhǔn)直器、拖動機(jī)構(gòu)，其特征在于在射線源與被檢客體間設(shè)置有帶格柵形準(zhǔn)直器的背散射陣列探測裝置及其信號采集與處理系統(tǒng)，該背散射陣列探測裝置的各探測器元分別探測來自客體上射線作用區(qū)內(nèi)不同部位的背散射。
本發(fā)明還可在被檢客體的后面設(shè)置透射陣列探測裝置及其信號采集與處理系統(tǒng)，以及置于該透射陣列探測裝置前的后準(zhǔn)直器。
所說的背散射探測器可以是充氣電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器、閃爍探測器或半導(dǎo)體探測器之一種。
所說的格柵形準(zhǔn)直器可由一系列基本平行的金屬隔板組成，其間距與背散射陣列探測裝置的探測器元的靈敏體積高度相匹配，其金屬隔板的延長面應(yīng)包復(fù)客體的射線作用區(qū)。
所說的背散射陣列探測裝置可為一組、二組或多組，均置與片狀射線束之外，使之只能接受與探測來自客體射線作用區(qū)內(nèi)的背散射。
本發(fā)明利用X、γ射線在客體上產(chǎn)生的背散射的物理特性，可以達(dá)到使有機(jī)物的影像能“自動加亮”的原理如下由表述康普頓背散射微分截面dσ/dΩ的Klein-Nishina公式可以推導(dǎo)出，背散射的總強(qiáng)度應(yīng)正比于下述因子QQ=ZA·1(μρ+μρ′)]]>其中，Z與A分別代表客體物質(zhì)的原子序數(shù)與原子量，μρ與μ′ρ分別代表客體物質(zhì)對入射與背散射光子的質(zhì)量吸收系數(shù)。此關(guān)系式清晰地顯示出背散射強(qiáng)度與被檢客體物質(zhì)間的相互關(guān)系。
有機(jī)物或其它富含氫元素物質(zhì)的Z/A值大(純氫的Z/A＝1-屬最大)，因而它們所產(chǎn)生的背散射會更強(qiáng)。此外，由康普頓散射公式可知，背散射光子的能量不高，一般均在200keV左右或更低。在此能區(qū)，物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)μ′ρ也與物質(zhì)的原子序數(shù)密切相關(guān)。越是重物質(zhì)，其μ′ρ越大，而有機(jī)物或其它富含氫元素物質(zhì)的μ′ρ則要小得多。由Q之表達(dá)式可見，這一因素也會導(dǎo)致有機(jī)物或其它富含氫元素物質(zhì)的背散射增強(qiáng)。由于這兩點(diǎn)原因，在各種客體的背散射影像中，有機(jī)物或其它富含氫元素物質(zhì)的影像會更“亮”一些，即存在著“有機(jī)物或其它富含氫元素物質(zhì)自動加亮(highlight)”的效應(yīng)。
上述“自動加亮”效應(yīng)為檢查出塑性炸藥、毒品及走私香煙等有機(jī)物類違禁物品提供了很有力的技術(shù)支持。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)正視圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明的第一個方面的實(shí)施例1涉及一種能獲取X、γ背散射數(shù)字影像的無損檢測方法，包括以下步驟1)在X、γ成像檢測系統(tǒng)的射線源及客體之間設(shè)置帶格柵形準(zhǔn)直器的背散射陣列探測裝置，使之只接受和探測來自被檢客體的背散射；2)該X或γ射線由前準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為縱向片狀射線束；3)該片狀射線束射入被檢客體時發(fā)出的背散射，通過格柵形準(zhǔn)直器后再射入背散射陣列探測裝置的各個探測器元；4)由于格柵形準(zhǔn)直器的作用，背散射陣列探測裝置的各個探測器元分別對準(zhǔn)被檢客體上射線作用區(qū)內(nèi)的不同部位，一一對應(yīng)地分別測量這些不同部位所產(chǎn)生的背散射；5)隨著客體與片狀射線束間的相對平移掃描運(yùn)動，通過信號采集與處理系統(tǒng)，獲得被檢客體的背散射數(shù)字影像。
本發(fā)明的第一個方面的實(shí)施例2涉及一種能同時獲取X、γ透射與背散射數(shù)字影像的無損檢測方法，結(jié)合附圖詳細(xì)描述如下。
本實(shí)施例方法是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步包括1)在被檢客體的后面設(shè)置透射陣列探測裝置，使之接受和探測來自被檢客體的透射線；2)使X或γ射線由前準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為縱向片狀射線束后，穿過被檢客體、并經(jīng)過后準(zhǔn)直器而射入其后的透射陣列探測裝置；3)隨著被檢客體與片狀射線束間的相對平移掃描運(yùn)動，通過該透射陣列探測裝置的信號采集與處理系統(tǒng)獲得被檢客體的背散射與透射數(shù)字影像。
這樣，檢測裝置一方面按現(xiàn)有傳統(tǒng)方法獲得客體的透射影像，另一方面又借助背散射陣列探測裝置與相應(yīng)的信號采集與處理系統(tǒng)而同時獲得了客體的背散射數(shù)字影像，一并提供給檢查人員進(jìn)行判別。
上述實(shí)施例1、2的方法中采用的X射線源可為電子加速器或X射線機(jī)，而所用的γ輻射源則為60Co、137Cs、192Ir等的高比活度γ放射性同位素輻射源的任一種。
上述實(shí)施例1、2的方法中的背散射陣列探測裝置可采用高壓氣體陣列電離室、正比室、閃爍體陣列探測裝置和半導(dǎo)體或固體陣列探測裝置的任一種，但均應(yīng)有較薄的入射窗，使之能探測能量低于300keV的電磁輻射光子。
該陣列探測裝置所附帶的格柵形準(zhǔn)直器由一系列基本平行的金屬(可采用鐵、銅、鉛等)隔板組成。同探測裝置相接處，這些隔板的間距與“探測器元”靈敏體積的高度相同或略小。它們的延長面與客體上的射線作用區(qū)的相交，將該作用區(qū)內(nèi)的客體物質(zhì)分劃為與“陣列探測裝置元”數(shù)量相同的許多部分——“物質(zhì)元”。借助隔板的阻擋作用，上述射線作用區(qū)內(nèi)各“物質(zhì)元”產(chǎn)生的背散射將被所對應(yīng)的“探測器元”探測，而不會射入別的“探測器元”中去。這保證了背散射陣列探測裝置各“探測器元”的輸出信號與客體上線狀射線作用區(qū)內(nèi)各“物質(zhì)元”產(chǎn)生的背散射之間的一一對應(yīng)關(guān)系。
背散射影像的空間分辨率與上述格柵形準(zhǔn)直器的隔板間距或陣列“探測器元”靈敏體積的高度密切相關(guān)。顯然，減小隔板間距或“探測器元”靈敏體積高度將導(dǎo)致空間分辨率的提高，但同時卻會降低探測器的靈敏度和增加所需“探測器元”的數(shù)量(道數(shù))。在實(shí)施時，應(yīng)視具體檢測要求而對上述各因素綜合考慮、平衡選擇。
本實(shí)施例1、2中背散射探測器信號的采集、處理，均用常規(guī)方法，不再闡述。
本發(fā)明的第二個方面涉及一種能同時獲取X、γ透射與背散射數(shù)字影像的無損檢測裝置。
參見圖1、圖2，本實(shí)施例的檢測裝置主要是由射線源1、前準(zhǔn)直器2、拖動機(jī)構(gòu)3、后準(zhǔn)直器5、透射陣列探測裝置6、帶格柵形準(zhǔn)直器的背散射陣列探測裝置7以及信號采集與處理系統(tǒng)8等組成。
射線源1可選用電子加速器(直線加速器或靜電加速器)、X射線機(jī)或高比活度γ放射性同位素。前二種射線源都是借助高速電子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生最大能量等同于電子能量的X射線(韌致輻射)，但加速器源的X射線最大能量為數(shù)MeV或更高，而X射線機(jī)的X射線最大能量僅數(shù)百keV。以放射性同位素作射線源，應(yīng)選用高比活度的60Co、137Cs、192Ir等不同能量的γ放射性同位素，其活性區(qū)的大小為毫米量級，活度為1×1010至3×1013貝可。其中60Co源的γ射線能量最高(1.17MeV與1.33MeV)，因而穿透本領(lǐng)和檢測深度最大。
與現(xiàn)有一般集裝箱檢測裝置相同，前準(zhǔn)直器2、后準(zhǔn)直器5都是由相互平行并留有一定間隙的一對金屬(鐵或鉛等)板塊組成，用以將射線源發(fā)出的X、γ輻射準(zhǔn)直成為片狀射線束。透射陣列探測裝置6也同現(xiàn)有技術(shù)的相同，可選用高壓陣列電離室、正比室與正比計數(shù)器、G-M管、閃爍探測器以及半導(dǎo)體或固體陣列探測裝置等。
拖動機(jī)構(gòu)3是用以實(shí)現(xiàn)被檢客體4與片狀射線束之間的相對平移運(yùn)動。有兩種方式一種如圖1所示，客體被拖動而其它探測裝備則保持靜止不動；另一種方式是客體保持不動，而由拖動機(jī)構(gòu)來拽引置于同一剛性構(gòu)架上的射線源1、準(zhǔn)直器2與5、背散射探測裝置7和透射探測裝置6，從而實(shí)現(xiàn)對客體的平移掃描運(yùn)動。
背散射陣列探測裝置7是由能探測300keV以下電磁輻射光子的陣列探測裝置和與之相配接的格柵形準(zhǔn)直器組成。該探測裝置可選用高壓陣列電離室、正比室與正比計數(shù)器、G-M管、閃爍探測器以及半導(dǎo)體或固體陣列探測裝置等。格柵形準(zhǔn)直器由一系列相互基本平行的金屬隔板組成。與陣列探測裝置相接處的隔板間距等于或略小于其探測器元靈敏體積的厚度(高度)，而各隔板延長面所占據(jù)的空間張角范圍應(yīng)足夠大而能夠包容被檢客體。
背散射陣列探測裝置7應(yīng)置于被檢客體與射線源之間，放在片狀射線束的旁邊(一側(cè)或兩側(cè))。要絕對避免射線源直接發(fā)出的輻射光子或是它們在前準(zhǔn)直器、源容器等介質(zhì)上產(chǎn)生的散射光子能照射到背散射陣列探測裝置7上，而只能讓來自客體射線作用區(qū)內(nèi)的背散射光子射入其靈敏體積。同時，為增加射入探測器的背散射光子數(shù)，陣列探測裝置7應(yīng)盡量安置在接近被檢客體的位置。背散射陣列探測裝置可以只設(shè)置一組，也可以設(shè)置兩組或多組，以提高對背散射的探測靈敏度。
對應(yīng)前述第一種拖動機(jī)構(gòu)運(yùn)作方式，背散射陣列探測裝置也同射線源、準(zhǔn)直器與透射陣列探測裝置一樣，是固定不動的。對應(yīng)于前述第二種拖動機(jī)構(gòu)運(yùn)作方式，背散射陣列探測裝置同射線源、準(zhǔn)直器與透射陣列探測裝置等一起作掃描運(yùn)動，而客體則保持不動。
信號采集與處理系統(tǒng)8包括兩部分，分別對應(yīng)于透射陣列探測裝置與背散射陣列探測裝置的輸出信號。它們均包括前置放大器、數(shù)據(jù)采集電路和計算機(jī)信號與圖像處理系統(tǒng)等。已在各種類透射式X、γ輻射成像集裝箱檢測系統(tǒng)中應(yīng)用的或其它通用的各種信號與圖像處理技術(shù)均可選擇采用。所獲得的X、γ透射影像和背散射影像可以顯示在同一個或不同的計算機(jī)屏幕上。
本發(fā)明檢測裝置的實(shí)施例主要用于集裝箱或貨車檢測的鈷-60背散射與透射數(shù)字影像無損檢測裝置。
此裝置采用的輻射源5是活度約為3.7×1012貝可(100居里)的高比活度60Co射線源。前準(zhǔn)直器由兩個2公尺高、10厘米厚的鐵塊組成，其間隙為5毫米。背散射陣列探測裝置為薄窗型陣列電離室，有兩組，各包含256個“探測器元”，其靈敏體積高度均為10毫米。與此探測裝置相接的格柵形準(zhǔn)直器也分256格，每格的高度亦為10毫米，隔板寬度則為20厘米。這兩組背散射陣列探測裝置均設(shè)置于前準(zhǔn)直器與被檢客體之間，位于片狀射線束的兩側(cè)，還配有阻擋雜散射線的屏蔽設(shè)施。拖動系統(tǒng)是一電動板車，可拽引置于其上的客體按一定掃描速度通過片狀射線區(qū)。后準(zhǔn)直器由兩個20厘米厚的鐵塊構(gòu)成，間隙為10毫米。其后的“透射陣列探測裝置”為高壓陣列電離室，含512個“探測器元”。背散射與透射陣列探測裝置均配有各自的信號采集與處理系統(tǒng)。計算機(jī)系統(tǒng)可將所獲得的背散射與透射影像同時顯示在屏幕上，供檢查人員判別。
此檢測裝置透射影像系統(tǒng)的檢測性能是100毫米鐵塊后的像質(zhì)值(IQI)與反差靈敏度(CI)分別為2.5％及0.5％；穿透本領(lǐng)是240毫米鐵；最大檢測劑量為5微戈瑞；通過率是20標(biāo)準(zhǔn)集裝箱/小時。本檢測裝置的背散射影像系統(tǒng)的檢查深度可以達(dá)到數(shù)十毫米鐵(相當(dāng)于數(shù)十厘米水)，而且能具備使此檢查深度內(nèi)有機(jī)物的影像“自動加亮”的功能。
權(quán)利要求
1.一種X或γ輻射成像無損檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)在X、γ成像檢測系統(tǒng)的射線源及客體之間設(shè)置帶格柵形準(zhǔn)直器的背散射陣列探測裝置，使之只接受和探測來自被檢客體的背散射；2)該X或γ射線由前準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為縱向片狀射線束；3)該片狀射線束射入被檢客體處的射線作用區(qū)內(nèi)發(fā)出的背散射通過格柵形準(zhǔn)直器后射入背散射陣列探測裝置的各個探測器元；4)由于格柵形準(zhǔn)直器的作用，背散射陣列探測裝置的各個探測器元分別對準(zhǔn)被檢客體上線狀射線作用區(qū)內(nèi)的不同部位，一一對應(yīng)地分別測量這些不同部位所產(chǎn)生的背散射；5)隨著客體與片狀射線束間的相對平移掃描運(yùn)動，通過信號采集與處理系統(tǒng)，獲得被檢客體的背散射數(shù)字影像。
2.如權(quán)利要求1所述的X或γ輻射成像無損檢測方法，其特征在于，進(jìn)一步包括1)在被檢客體的后面設(shè)置透射陣列探測裝置，使之接受和探測來自被檢客體的透散射；2)X或γ射線由前準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為縱向片狀射線束后，穿過被檢客體、并經(jīng)過后準(zhǔn)直器而射入其后的透射陣列探測裝置；3)隨著被檢客體與片狀射線束間的相對平移掃描運(yùn)動，通過該透射陣列探測裝置的信號采集與處理系統(tǒng)獲得被檢客體的背散射與透射數(shù)字影像。
3.如權(quán)利要求1或2所述的X或γ輻射成像無損檢測方法，其特征在于，所說的射線源為加速器、X射線機(jī)、或60Co、137Cs、192Ir放射性同位素。
4.一種X或γ輻射成像無損檢測裝置，包括射線源、前準(zhǔn)直器、拖動機(jī)構(gòu)，其特征在于在射線源與被檢客體間設(shè)置有帶格柵形準(zhǔn)直器的背散射陣列探測裝置及其信號采集與處理系統(tǒng)，該背散射陣列探測裝置的各探測器元分別探測來自客體上射線作用區(qū)內(nèi)不同部位的背散射。
5.如權(quán)利要求4所述X或γ輻射成像無損檢測裝置，其特征在于在被檢客體的后面設(shè)置透射陣列探測裝置及其信號采集與處理系統(tǒng)，以及置于該透射陣列探測裝置前的后準(zhǔn)直器。
6.如權(quán)利要求4或5所述的X或γ輻射成像無損檢測裝置，其特征在于，所說的背散射探測器是充氣電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器、閃爍探測器或半導(dǎo)體探測器之一種。
7.如權(quán)利要求4或5所述的X或γ輻射成像無損檢測裝置，其特征在于，所說的格柵形準(zhǔn)直器由一系列基本平行的金屬隔板組成，其間距與背散射陣列探測裝置的探測器元的靈敏體積高度相匹配，其金屬隔板的延長面應(yīng)包復(fù)客體的射線作用區(qū)。
8.如權(quán)利要求4或5所述的X或γ輻射成像無損檢測裝置，其特征在于，所說的背散射陣列探測裝置為一組、二組或多組，均置與片狀射線束之外，使之只能接受與探測來自客體射線作用區(qū)內(nèi)的背散射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X或γ輻射成像檢測方法與裝置,屬于核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,包括射線源、前準(zhǔn)直器、拖動機(jī)構(gòu),其特征在于:在射線源與被檢客體間設(shè)置有帶格柵形準(zhǔn)直器的背散射陣列探測裝置及其信號采集與處理系統(tǒng),該背散射陣列探測裝置的各探測器元分別探測來自客體上射線作用區(qū)內(nèi)不同部位的背散射。還包括在被檢客體的后面設(shè)置透射陣列探測裝置及其信號采集與處理系統(tǒng),以及置于該透射陣列探測裝置前的后準(zhǔn)直器。本發(fā)明可使其中有機(jī)物或其它富含氫元素物質(zhì)的影像能自動加亮,進(jìn)一步結(jié)合透射輻射成像技術(shù),更有利于獲取被檢客體的全面信息。
文檔編號G01N23/02GK1343883SQ0113109
公開日2002年4月10日 申請日期2001年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月21日
發(fā)明者安繼剛, 向新程, 王立強(qiáng), 劉以思, 鄔海峰, 劉金匯, 周立業(yè), 吳志芳, 劉錫明, 談春明, 張玉愛 申請人:清華大學(xué)