CN108333204A - X射线背散射探测结构及成像方法 - Google Patents

X射线背散射探测结构及成像方法 Download PDF

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沈天明
陈嘉敏
李维姣
丁志平
刘伟豪
常青青
王德凯
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    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
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Abstract

本发明公开了X射线背散射探测结构及成像方法，本方案通过采用差分式康普顿背散射探测阵列结构来实现获取差分散射信号，据此进行成像。本发明提供的方案具有分辨率高，高检测速度下更低的射线强度要求，减小物体相对位置对信号的影响提高检测效果等优点。

Description

X射线背散射探测结构及成像方法
技术领域
本发明涉及散射探测技术，具体涉及X射线探测技术。
背景技术
X射线背散射成像技术在探测藏匿的***物和毒品领域已经有30年的应用，其特点是：射线源和探测器在被探测物体同侧布置，背散射信号与物质原子序数和密度有关，用其信号可进一步区分***物、毒品等有机物质。
目前主流的背散射方法是采用“飞点”扫描技术，在与透射方向成大于90度方向上用背散射探测装置接收散射的X射线。该方法结构复杂，检测速度慢，售价昂贵，采用阵列式背散射结构很好的弥补了上述问题，而且可以和透视有机地结合起来使用。但是，目前阵列式散射探测存在分辨率低，对射线强度要求高，受物***置影响大等因素。
发明内容
针对现有X射线探测技术所存在的问题，需要一种新的X射线探测技术。
为此，本发明所要解决的问题是提供一种X射线背散射探测结构，以及基于该探测结构的成像方法。
为了解决上述问题，本发明提供的X射线背散射探测结构，采用差分式康普顿背散射探测阵列结构。
进一步的，所述差分式康普顿背散射探测阵列结构包括分别布置在扇形扫描的垂直面两侧的一组背散射探测阵列，其中一背散射探测阵列相对于另一背散射探测阵列水平位移1/2单个探测单元宽度，使得两组探测数据在一个水平方向上错位。
进一步的，所述差分式康普顿背散射探测阵列结构包括分别布置在扇形扫描的垂直面两侧的一组背散射探测阵列，一组背散射探测阵列水平排列，并在其纵向上移动1/2或者1个探测单元长度加装另一组背散射探测阵列。
进一步的，所述差分式康普顿背散射探测阵列结构包括分别布置在扇形扫描的垂直面两侧的一组背散射探测阵列，以及一低能滤片，所述低能滤片覆盖在一侧的背散射探测阵列准直器开口处。
为了解决上述问题，本发明提供的X射线背散射成像方法，所述成像方法基于差分式康普顿背散射探测阵列获取差分散射信号，据此进行成像。
进一步的，所述成像方法中通过水平差分探测，得到两组在一个水平方向上错位的探测数据，通过求均值将原有一行的数据量扩大一倍。
进一步的，所述成像方法中通过高度差分探测，得到在垂直方向上两组错位的探测数据，获取物体不同深度的散射信号。
进一步的，所述成像方法中通过能量差分探测，获取被探测物体两种深度下高低两种能量段的四组散射信号，再通过计算得到物质密度与等效原子序数的信息。
本发明提供的方案具有分辨率高，高检测速度下更低的射线强度要求，减小物体相对位置对信号的影响提高检测效果等优点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明实例中水平差分探测的示意图；
图2为本发明实例中垂直差分探测的示意图；
图3为本发明实例中不同深度背散射差分模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本实例方案通过引入差分式康普顿背散射探测阵列来进行探测，以获取差分散射信号，据此进行成像。
本方案中的差分式康普顿背散射探测阵列可以实现空间差分探测或能量差分探测。
在实现空间差分探测时，可通过加装一组横向或纵向错位安装的空间差分探测器来实现。
在实现能量差分探测时，可通过加装带低能滤片的高能探测器来形成高低能量差分探测。
针对上述的实现原理，以下具体说明一下本实例方案的实现过程。
本实例中的X射线背散射阵列主体由光电管和闪烁晶体制成，同时在扇形扫描的垂直面两侧分别布置一组背散射探测阵列。根据该基本结构，本实例可实现如下三种差分式探测阵列结构。
1.水平差分。
本实例中将分别布置在扇形扫描的垂直面两侧的一组背散射探测阵列中的一个背散射探测阵列相对于另一背散射探测阵列进行水平位移1/2单个探测单元宽度，使得两背散射探测阵列之间相互错位，从而使得两背散射探测阵列探测得到的两组探测数据在一个水平方向上错位，据此通过求均值的办法将原有一行的数据量扩大一倍，从而一方面提高水平方向上的分辨率，另一方面对于一些低放射剂量探测的情况(比如涉及人体检查的标准等)在相同成像要求下可以减少辐射剂量水平，实现再高检测速度下更低的射线强度要求。
参见图1，其所示为本实例中实现水平差分探测的示意图。其中1为阵列式探测器准直器序列，2为射线扇形束平面(由不同类型的X射线源发出)，3为单一探测器的准直器通道。由图可知，分布在射线扇形束平面2两侧的一组背散射探测阵列之间水平方向上错位1/2单一探测器的准直器通道宽度，由此经过水平差分的两组探测数据叠加后得到细化的探测数据序列4。
其，具体方法如下：
Yn和Zn分别表示上下两组探测器阵列第n个探测单元信号信号值，而表示计算得到的第2n个探测值。
2.高度差分。
本实例中通过在垂直方向上加装一组阵列，由此得到在垂直方向上两组错位的探测数据。
具体的，将一组背散射探测阵列水平排列，并在其纵向上移动1/2或者1个探测单元长度加装另一组背散射探测阵列(如图2所示)，由此可得到在探测深度垂直错位的探测数据，获取物体不同深度的散射信号。
高度差分通过高低不同的两组探测器针对被探测体不同深度位置的探测，一方面可以将复杂物体的表层或者内部情况单独进行成像，另一方面针对单一物体不同深度的差分运算获得关于物体密度的信息。
参见图2，其所示为本实例中实现垂直差分探测的分布侧视图。
其中，5为探测器单元，可为多阳极光电倍增管或者硅光电二极管等。6为被准直后进入探测器的散射光方向，7和8分别为被探测物体的上下两层。
具体的，探测器单元5在纵向上移动1/2或者1个探测单元长度，使得被准直后进入探测器的散射光方向6指向射线扇形束平面2的不同位置，如果有被探测物的情况下，则两个探测器单元分别指向被探测物体的上下两层7和8。
3.能量差分。
本实例采用一X射线的低能滤片，在其中一侧的探测阵列准直器开口处覆盖一层X射线的低能滤片，使得过滤后的高能散射线进入该阵列探测器组中得到高能散射信号。这里的低能滤片可采用铜箔或者铝箔等来构成。
由此构成的高低能量差分探测器通过加装的低能滤片过滤掉低能散射线探测高能量散射信号，由此来进行高低能量差分探测；同时利用高度差分方法，获取被探测物体两种深度下高低两种能量段的四组散射信号，再通过计算得到物质密度与等效原子序数的信息。
本方案中的高低能量差分探测方法通过对两个不同深度但相对距离不变的散射信号的差分运算可以获得恒定厚度高低能散射的比值，从而实现在单侧对物质成分进行探测，在多种场合下运用更便利。
参见图3，其所示为本实例中实现高低能量差分探测的不同深度背散射差分模型。
参考附图，物体处于任意两种高度位置，则两种高度下得到两组深度的射线路径分别为OA1B1、OA2B2与O’A1’B1’、O’A2’B2’，令OA2B2-OA1B1＝O’A2’B2’-O’A1’B1’＝δТ，根据背散射强度计算公式：
其中Ω为探测器关于散射点张开的立体角，σKN散射微分截面，I0为入射线的光通量，ΔV为由准直器聚焦得到被探测的散射区域nα为阿佛加德罗常数，A与N分别表示物体的等效原子序数和原子量，ρ为物体密度，μ是物体的质量衰减系数，Т是探测器接收的射线在物体中的路径。
通过对两组低能和高能差分信号的log运算得到：
(μLE/HE)即物质高低能质量衰减系数的比值，该值只与等效原子序数有关，因此可通过查表得到等效原子序数值并得到μLE的数值，而δТ直接跟探测器设计参数有关可直接得到，因此最终密度可以预估出来。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.X射线背散射探测结构，其特征在于，采用差分式康普顿背散射探测阵列结构。
2.根据权利要求1所述的X射线背散射探测结构，其特征在于，所述差分式康普顿背散射探测阵列结构包括分别布置在扇形扫描的垂直面两侧的一组背散射探测阵列，其中一背散射探测阵列相对于另一背散射探测阵列水平位移1/2单个探测单元宽度，使得两组探测数据在一个水平方向上错位。
3.根据权利要求1所述的X射线背散射探测结构，其特征在于，所述差分式康普顿背散射探测阵列结构包括分别布置在扇形扫描的垂直面两侧的一组背散射探测阵列，一组背散射探测阵列水平排列，并在其纵向上移动1/2或者1个探测单元长度加装另一组背散射探测阵列。
4.根据权利要求1所述的X射线背散射探测结构，其特征在于，所述差分式康普顿背散射探测阵列结构包括分别布置在扇形扫描的垂直面两侧的一组背散射探测阵列，以及一低能滤片，所述低能滤片覆盖在一侧的背散射探测阵列准直器开口处。
5.X射线背散射成像方法，其特征在于，所述成像方法基于差分式康普顿背散射探测阵列获取差分散射信号，据此进行成像。
6.根据权利要求5所述的X射线背散射成像方法，其特征在于，所述成像方法中通过水平差分探测，得到两组在一个水平方向上错位的探测数据，通过求均值将原有一行的数据量扩大一倍。
7.根据权利要求5所述的X射线背散射成像方法，其特征在于，所述成像方法中通过高度差分探测，得到在垂直方向上两组错位的探测数据，获取物体不同深度的散射信号。
8.根据权利要求5所述的X射线背散射成像方法，其特征在于，所述成像方法中通过能量差分探测，获取被探测物体两种深度下高低两种能量段的四组散射信号，再通过计算得到物质密度与等效原子序数的信息。
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