CN1164928C - 一种X或γ辐射成像无损检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X或γ辐射成像检测方法与装置，属于核技术应用领域，包括射线源、前准直器、拖动机构，其特征在于：在射线源与被检客体间设置有带格栅形准直器的背散射阵列探测装置及其信号采集与处理***，该背散射阵列探测装置的各探测器元分别探测来自客体上射线作用区内不同部位的背散射。还包括在被检客体的后面设置透射阵列探测装置及其信号采集与处理***，以及置于该透射阵列探测装置前的后准直器。本发明可使其中有机物或其它富含氢元素物质的影像能自动加亮，进一步结合透射辐射成像技术，更有利于获取被检客体的全面信息。

Description

一种X或γ射线辐射成像无损检测方法与装置

技术领域

本发明属于核技术应用领域，特别涉及用于检查集装箱、货车、箱包等客体的内部情况的X或γ背散射与透射成像无损检测技术。

背景技术

现有的γ辐射成像集装箱检测装置或加速器X辐射成像集装箱检测装置(以后简称“检测装置”)，如中国发明专利ZL 96 1 02080.6、ZL 98 1 01501.8和ZL 86 1 08035所示，均采用透射成像模式来检测集装箱等客体。它们能很好满足海关查私的需求，发挥了重要作用。但是，它们还存在着一些不足之处：

①所获得的只是X或γ辐射的透射影像，而不能获取客体的背散射影像；

②不具备使被检客体内有机物的影像自动“加亮”的功能，从而丢失不少重要信息，不利于发现有机类违禁物品。

在实际工作中，海关官员们希望在所获得的集装箱数字辐射影像中，有机物的影像能通过“自动加亮”而突出显示出来，从而有助于查出***物、易燃品、走私香烟和毒品等有机类违禁物。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种X或γ辐射成像检测方法与装置，以片状X或γ射线束获取影像的技术为基础，获取集装箱等客体背散射数字影像，使其中有机物或其它富含氢元素物质的影像能自动加亮，进一步结合透射辐射成像技术，更有利于获取被检客体的全面信息。

本发明提出的一种X或γ射线辐射成像无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)射线源发出的X或γ射线由平行板状前准直器准直为纵向片状射线束；

2)在该射线源及被检客体之间片状射线束之外设置带格栅形准直器的背散射阵列探测装置，使之只接受和探测来自被检客体的背散射；

3)该片状射线束射入被检客体处的线状射线作用区内发出的背散射通过格栅形准直器后射入背散射阵列探测装置的各个探测器元；由于格栅形准直器的作用，背散射阵列探测装置的各个探测器元分别对准被检客体上线状射线作用区内的不同部位，一一对应地分别测量这些不同部位所产生的背散射；

4)随着被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动，通过信号采集与处理***，获得被检客体的背散射数字影像。

本发明还可进一步包括：

1)在被检客体的后面设置透射阵列探测装置，使之接受和探测来自被检客体的透射；

2)X或γ射线由前准直器准直为纵向片状射线束后，穿过被检客体、并经过后准直器而射入其后的透射阵列探测装置；

3)随着被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动，通过该透射阵列探测装置的信号采集与处理***获得被检客体的透射数字影像。

所说的射线源可为电子加速器、X射线机、或⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir放射性同位素。

本发明根据上述方法设计的一种X或γ射线辐射成像无损检测装置，包括射线源、前准直器、拖动机构以及置于透射阵列探测装置前的后准直器；该前准直器和后准直器都是由相互平行并留有一定间隙的一对金属板块组成，该前准直器用以将射线源发出的X或γ射线准直成为片状射线束；其特征在于：在射线源与被检客体之间设置带有由大量平行隔板构成的格栅形准直器的背散射阵列探测装置及其信号采集与处理***，所说的格栅形准直器的平行隔板间距与背散射阵列探测装置的探测器元的灵敏体积高度相匹配，其平行隔板的延长面应包复被检客体的射线作用区，其中平行隔板的方向与片状射线束的平面方向相互垂直；该片状射线束射入被检客体处的线状射线作用区各部位发出的背散射通过格栅形准直器后分别射入背散射阵列探测装置的各个相应探测器元；设置拖动机构来实现被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动。

所说的背散射阵列探测装置的探测器可为充气电离室、正比计数器、G-M计数器、闪烁探测器或半导体探测器之一。

所说的背散射阵列探测装置可为一组、二组或多组，均置与片状射线束之外，使之只能接受与探测来自被检客体线状射线作用区内的背散射。

本发明利用X或γ射线在被检客体上产生的背散射的物理特性，可以达到使有机物的影像能“自动加亮”的原理如下：

由表述康普顿背散射微分截面d6/dΩ的Klein-Nishina公式可以推导出，背散射的总强度应正比于下述因子Q：

$Q=\frac{Z}{A}\·\frac{1}{({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ρ}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ρ}}^{\′})}$

其中，Z与A分别代表被检客体物质的原子序数与原子量，μ_ρ与μ′_ρ分别代表被检客体物质对入射与背散射光子的质量吸收系数。此关系式清晰地显示出背散射强度与被检客体物质间的相互关系。

有机物或其它富含氢元素物质的Z/A值大(纯氢的Z/A＝1—属最大)，因而它们所产生的背散射会更强。此外，由康普顿散射公式可知，背散射光子的能量不高，一般均在200keV左右或更低。在此能区，物质的质量吸收系数μ′_ρ也与物质的原子序数密切相关。越是重物质，其μ′_ρ越大，而有机物或其它富含氢元素物质的μ′_ρ则要小得多。由Q之表达式可见，这一因素也会导致有机物或其它富含氢元素物质的背散射增强。由于这两点原因，在各种被检客体的背散射影像中，有机物或其它富含氢元素物质的影像会更“亮”一些，即存在着“有机物或其它富含氢元素物质自动加亮(highlight)”的效应。

上述“自动加亮”效应为检查出塑性***、毒品及走私香烟等有机物类违禁物品提供了很有力的技术支持。

附图说明

图1是本发明的实施例总体结构示意图。

图2是本发明的实施例总体结构正视图

具体实施方式

本发明的第一个方面的实施例1涉及一种能获取X或γ射线背散射数字影像的无损检测方法，包括以下步骤：

1)射线源发出的X或γ射线由平行板状前准直器准直为纵向片状射线束；

2)在该射线源及被检客体之间片状射线束之外设置带格栅形准直器的背散射阵列探测装置，使之只接受和探测来自被检客体的背散射；

3)该片状射线束射入被检客体处的线状射线作用区内发出的背散射通过格栅形准直器后射入背散射阵列探测装置的各个探测器元；由于格栅形准直器的作用，背散射阵列探测装置的各个探测器元分别对准被检客体上线状射线作用区内的不同部位，一一对应地分别测量这些不同部位所产生的背散射；

4)随着被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动，通过信号采集与处理***，获得被检客体的背散射数字影像。

本发明的第一个方面的实施例2涉及一种能同时获取X或γ射线透射与背散射数字影像的无损检测方法，结合附图详细描述如下。

本实施例方法是在实施例1的基础上进一步包括：

1)在被检客体的后面设置透射阵列探测装置，使之接受和探测来自被检客体的透射线；

2)使X或γ射线由前准直器准直为纵向片状射线束后，穿过被检客体、并经过后准直器而射入其后的透射阵列探测装置；

3)随着被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动，通过该透射阵列探测装置的信号采集与处理***获得被检客体的透射数字影像。

这样，检测装置一方面按现有传统方法获得被检客体的透射影像，另一方面又借助背散射阵列探测装置与相应的信号采集与处理***而同时获得了被检客体的背散射数字影像，一并提供给检查人员进行判别。

上述实施例1、2的方法中采用的X射线源可为电子加速器或X射线机，而所用的γ射线源则为⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir等的高比活度γ放射性同位素射线源的任一种。

上述实施例1、2的方法中的背散射阵列探测装置可采用高压气体阵列电离室、正比室、闪烁体阵列探测装置和半导体或固体阵列探测装置的任一种，但均应有较薄的入射窗，使之能探测能量低于300keV的电磁辐射光子。

该阵列探测装置所附带的格栅形准直器由一系列基本平行的金属(可采用铁、铜、铅等)隔板组成。同探测装置相接处，这些隔板的间距与“探测器元”灵敏体积的高度相同或略小。它们的延长面与客体上的射线作用区的相交，将该作用区内的客体物质分划为与“阵列探测装置元”数量相同的许多部分——“物质元”。借助隔板的阻挡作用，上述射线作用区内各“物质元”产生的背散射将被所对应的“探测器元”探测，而不会射入别的“探测器元”中去。这保证了背散射阵列探测装置各“探测器元”的输出信号与客体上线状射线作用区内各“物质元”产生的背散射之间的一一对应关系。

背散射影像的空间分辨率与上述格栅形准直器的隔板间距或阵列“探测器元”灵敏体积的高度密切相关。显然，减小隔板间距或“探测器元”灵敏体积高度将导致空间分辨率的提高，但同时却会降低探测器的灵敏度和增加所需“探测器元”的数量(道数)。在实施时，应视具体检测要求而对上述各因素综合考虑、平衡选择。

本实施例1、2中背散射探测器信号的采集、处理，均用常规方法，不再阐述。

本发明的第二个方面涉及一种能同时获取X或γ射线透射与背散射数字影像的无损检测装置。

参见图1、图2，本实施例的检测装置主要是由射线源1、前准直器2、拖动机构3、后准直器5、透射阵列探测装置6、带格栅形准直器的背散射阵列探测装置7以及信号采集与处理***8等组成。

射线源1可选用电子加速器(直线加速器或静电加速器)、X射线机或高比活度γ放射性同位素。前二种射线源都是借助高速电子轰击重金属靶而产生最大能量等同于电子能量的X射线(韧致辐射)，但加速器源的X射线最大能量为数MeV或更高，而X射线机的X射线最大能量仅数百keV。以放射性同位素作射线源，应选用高比活度的⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir等不同能量的γ放射性同位素，其活性区的大小为毫米量级，活度为1×10¹⁰至3×10¹³贝可。其中⁶⁰Co源的γ射线能量最高(1.17MeV与1.33MeV)，因而穿透本领和检测深度最大。

与现有一般集装箱检测装置相同，前准直器2、后准直器5都是由相互平行并留有一定间隙的一对金属(铁或铅等)板块组成，用以将射线源发出的X或γ射线准直成为片状射线束。透射阵列探测装置6也同现有技术的相同，可选用高压阵列电离室、正比室与正比计数器、G-M管、闪烁探测器以及半导体或固体阵列探测装置等。

拖动机构3是用以实现被检客体4与片状射线束之间的相对平移运动。有两种方式：一种如图1所示，被检客体被拖动而其它探测装备则保持静止不动；另一种方式是被检客体保持不动，而由拖动机构来拽引置于同一刚性构架上的射线源1、准直器2与5、背散射阵列探测装置7和透射阵列探测装置6，从而实现对被检客体的平移扫描运动。

背散射阵列探测装置7是由能探测300keV以下电磁辐射光子的阵列探测装置和与之相配接的格栅形准直器组成。该背散射阵列探测装置可选用充气电离室、正比计数器、G-M计数器、闪烁探测器或半导体探测器之一。格栅形准直器由一系列相互基本平行的金属隔板组成。与阵列探测装置相接处的隔板间距等于或略小于其探测器元灵敏体积的厚度(高度)，而各隔板延长面所占据的空间张角范围应足够大而能够包容被检客体。

背散射阵列探测装置7应置于被检客体与射线源之间，放在片状射线束的旁边(一侧或两侧)。要绝对避免射线源直接发出的辐射光子或是它们在前准直器、源容器等介质上产生的散射光子能照射到背散射阵列探测装置7上，而只能让来自被检客体射线作用区内的背散射光子射入其灵敏体积。同时，为增加射入探测器的背散射光子数，背散射阵列探测装置7应尽量安置在接近被检客体的位置。背散射阵列探测装置可以只设置一组，也可以设置两组或多组，以提高对背散射的探测灵敏度。

对应前述第一种拖动机构运作方式，背散射阵列探测装置也同射线源、准直器与透射阵列探测装置一样，是固定不动的。对应于前述第二种拖动机构运作方式，背散射阵列探测装置同射线源、准直器与透射阵列探测装置等一起作扫描运动，而被检客体则保持不动。

信号采集与处理***8包括两部分，分别对应于透射阵列探测装置与背散射阵列探测装置的输出信号。它们均包括前置放大器、数据采集电路和计算机信号与图像处理***等。已在各种类透射式X或γ射线辐射成像集装箱无损检测***中应用的或其它通用的各种信号与图像处理技术均可选择采用。所获得的X或γ透射影像和背散射影像可以显示在同一个或不同的计算机屏幕上。

本发明检测装置的实施例主要用于集装箱或货车检测的钴-60背散射与透射数字影像无损检测装置。

此装置采用的辐射源5是活度约为3.7×10¹²贝可(100居里)的高比活度⁶⁰Co射线源。前准直器由两个2公尺高、10厘米厚的铁块组成，其间隙为5毫米。背散射阵列探测装置为薄窗型阵列电离室，有两组，各包含256个“探测器元”，其灵敏体积高度均为10毫米。与此探测装置相接的格栅形准直器也分256格，每格的高度亦为10毫米，隔板宽度则为20厘米。这两组背散射阵列探测装置均设置于前准直器与被检客体之间，位于片状射线束的两侧，还配有阻挡杂散射线的屏蔽设施。拖动***是一电动板车，可拽引置于其上的被检客体按一定扫描速度通过片状射线区。后准直器由两个20厘米厚的铁块构成，间隙为10毫米。其后的“透射阵列探测装置”为高压阵列电离室，含512个“探测器元”。背散射与透射阵列探测装置均配有各自的信号采集与处理***。计算机***可将所获得的背散射与透射影像同时显示在屏幕上，供检查人员判别。

此检测装置透射影像***的检测性能是：100毫米铁块后的像质值(IQI)与反差灵敏度(CI)分别为2.5％及0.5％；穿透本领是240毫米铁；最大检测剂量为5微戈瑞；通过率是20标准集装箱/小时。本检测装置的背散射影像***的检查深度可以达到数十毫米铁(相当于数十厘米水)，而且能具备使此检查深度内有机物的影像“自动加亮”的功能。

Claims (6)

1、一种X或γ射线辐射成像无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)射线源发出的X或γ射线由平行板状前准直器准直为纵向片状射线束；

2)在该射线源及被检客体之间片状射线束之外设置带格栅形准直器的背散射阵列探测装置，使之只接受和探测来自被检客体的背散射；

3)该片状射线束射入被检客体处的线状射线作用区内发出的背散射通过格栅形准直器后射入背散射阵列探测装置的各个探测器元；由于格栅形准直器的作用，背散射阵列探测装置的各个探测器元分别对准被检客体上线状射线作用区内的不同部位，一一对应地分别测量这些不同部位所产生的背散射；

4)随着被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动，通过信号采集与处理***，获得被检客体的背散射数字影像。

2、如权利要求1所述的X或γ射线辐射成像无损检测方法，其特征在于，进一步包括：

1)在被检客体的后面设置透射阵列探测装置，使之接受和探测来自被检客体的透射；

2)X或γ射线由前准直器准直为纵向片状射线束后，穿过被检客体、并经过后准直器而射入其后的透射阵列探测装置；

3)随着被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动，通过该透射阵列探测装置的信号采集与处理***获得被检客体的透射数字影像。

3、如权利要求1或2所述的X或γ射线辐射成像无损检测方法，其特征在于，所说的射线源为电子加速器、X射线机、或⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir放射性同位素。

4、一种X或γ射线辐射成像无损检测装置，包括射线源、前准直器、拖动机构以及置于透射阵列探测装置前的后准直器；该前准直器和后准直器都是由相互平行并留有一定间隙的一对金属板块组成，该前准直器用以将射线源发出的X或γ射线准直成为片状射线束；其特征在于：在射线源与被检客体之间设置带有由大量平行隔板构成的格栅形准直器的背散射阵列探测装置及其信号采集与处理***，所说的格栅形准直器的平行隔板间距与背散射阵列探测装置的探测器元的灵敏体积高度相匹配，其平行隔板的延长面应包复客体的射线作用区，其中平行隔板的方向与片状射线束的平面方向相互垂直；该片状射线束射入被检客体处的线状射线作用区各部位发出的背散射通过格栅形准直器后分别射入背散射阵列探测装置的各个相应探测器元；设置拖动机构来实现被检客体与片状射线束间的相对平移扫描运动。

5、如权利要求4所述的X或γ射线辐射成像无损检测装置，其特征在于，所说的背散射阵列探测装置的探测器是充气电离室、正比计数器、G-M计数器、闪烁探测器或半导体探测器之一。

6.如权利要求4或5所述的X或γ射线辐射成像无损检测装置，其特征在于，所说的背散射阵列探测装置为一组、二组或多组，均置于片状射线束之外，使之只能接受与探测来自被检客体线状射线作用区内的背散射。

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