光学仪器  2019, Vol. 41 Issue (5): 76-84   PDF    
飞点扫描X射线背散射系统研究
唐添, 徐捷, 王新, 穆宝忠     
同济大学 物理科学与工程学院,上海 200092
摘要: 围绕车辆贩运违禁品的精确、快速查缉需求,开展了小型化、低辐射的飞点扫描X射线背散射系统研究。设计了小型化飞点扫描X射线背散射系统的斩波机构、背散射探测器。利用研制的系统开展了X射线背散射成像实验,研究了X射线能量、功率对系统成像对比度和信噪比的影响。实验表明,系统成像分辨率约为2 mm,能够准确检测出隐藏在陶瓷物品中的毒品模拟物。小型化飞点扫描X射线背散射系统的研究可为车辆安检难题和降低检测中的辐射危害提供参考。
关键词: X射线背散射    飞点扫描    斩波轮    闪烁体    
Study of X-ray backscatter system based on flying-spot scanning
TANG Tian, XU Jie, WANG Xin, MU Baozhong     
School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: A miniaturized, low-radiation X-ray flying-spot scanning backscattering system was developed around the precise and rapid investigation of trafficking contraband by vehicles. A chopper mechanism and a backscatter detector for miniaturized flying-spot scanning backscattering systems were designed. The X-ray backscatter imaging experiment was carried out by using the developed miniaturized flying-spot scanning system. The effects of X-ray energy and power on the imaging contrast and signal-to-noise ratio of the system were studied. The developed system has an imaging resolution of approximately 2 mm and is capable of clearly detecting drug mimics hidden in ceramic articles. The research of miniaturized X-ray backscattering system can provide reference for vehicle security problems and reduce radiation hazards in testing.
Key words: X-ray backscatter    flying-spot scanning    ripple wheel    scintillator    
引 言

车辆贩运违禁品(例如毒品、爆炸物等)的查缉是安检领域的重要工作。目前,针对车辆的安检技术主要为X射线成像技术,该技术从原理上可分为透射式、背散射式和透射−背散射结合的方式[1]。X射线透视成像技术利用物质对X射线吸收系数的不同来区分物质种类,并结合物品的形状来判断是否为危险品。该技术对金属物品,例如枪支、刀具有着较好的查缉效果,但对低原子序数且物质密度较低的毒品、爆炸物等违禁物品的检测效果较差。X射线背散射成像技术是基于探测康普顿背散射信号实现对物质的检测。相对于金属物质,低原子序数、低密度的违禁品(例如毒品、爆炸物等)具有较高的康普顿散射截面,能够产生较强的散射信号[2]。因此,X射线背散射技术特别适合于检测毒品、爆炸物等违禁品,已成为安检领域很有潜力的违禁品检测技术。目前,针对车辆的X射线背散射安检装置通常为龙门架结构和车载式背散射车,例如AS&E的Z-Portal、ZBV系列、Rapiscan的Rapiscan Eagle系列及国内同方威视的MB、MX系列等[3-4]。该类安检装置通过对车辆整体的扫描来实现对车辆的检查,适合于检测大体量的非金属违禁品,例如几千克的毒品和爆炸物。但是,该类装置也具有明显的缺点,主要体现为:1)射线源和探测器均距离车辆藏匿的待测物品较远(2~3 m),对于少量违禁品(几十克甚至几克的毒品和炸药等)而言,探测到的有效信号将极其微弱,图像信噪比差,甚至无法有效探测;2)车辆复杂的零部件对违禁品的遮挡和图像的重叠也会增加检测的难度;3)辐射严重且无法有效屏蔽射线对人体的危害;4)设备极其庞大,且多为固定式。所以,传统的X射线背散射装置在检测车辆夹层中藏匿的违禁品,特别是小体量违禁品方面存在很大的困难,这也是一直以来无法解决的瓶颈。

因此,针对传统车辆安检技术的不足,本文开展了小型化飞点扫描X射线背散射系统的设计及实验研究。基于车辆安检对高集光效率和高分辨率的需求,设计了小型化飞点扫描X射线背散射系统的斩波机构、背散射探测器。利用研制的小型化飞点扫描X射线背散射系统开展了X射线背散射成像实验,检验了系统的性能。该系统可以借助远程控制的机械臂搭载,伸入车辆内部进行局部扫描检测或对车辆内部进行全景扫描检测,这对于提高车辆安检的精密化程度,减小辐射危害等具有重要的意义。

1 X射线飞点扫描原理与设计 1.1 X射线飞点扫描原理

X射线与物质的相互作用主要包括:光电效应、相干散射、康普顿散射及电子对效应等。X射线背散射成像是基于康普顿散射原理,通过探测物质对入射X射线的康普顿散射信号来实现对物质的探测。低原子序数、低密度物质(主要成分为C、H、O、N的毒品、炸药等)的康普顿散射截面较大,散射信号较强,而金属类物质的散射截面小,散射信号弱[2]。因此,基于物质散射信号强度的差异可以实现对物质类型的判断。

飞点扫描X射线背散射系统的原理如图1所示。通过一个前置准直狭缝将X射线管产生的锥形光束准直成扇形光束,然后照射在高速转动的斩波轮上。斩波轮上开有若干径向分布的狭缝,狭缝以外区域采用高原子序数材料进行屏蔽,确保斩波轮狭缝以外部分无法透过X射线。在斩波轮高速转动的过程中,同一时刻有且仅有一条狭缝与前置准直狭缝产生交点,所以当扇形X射线经过斩波轮后就可以形成一束X射线细光束,并在竖直方向做一维高速线扫描。同时,另一维扫描则通过被检物与设备间的相对运动产生。探测器与X射线管都位于被检物的同一侧,当探测器接收到被检物产生的背散射信号后,将光信号转变为电信号,利用算法将时序的电信号重构为被检物的二维背散射图像。

图 1 飞点扫描X射线背散射成像原理图 Figure 1 Schematic of flying-spot scanning X-ray backscatter imaging
1.2 飞点扫描机构设计

斩波机构是产生高速扫描X射线细光束的关键部件。通过高速旋转的斩波机构,将准直的扇形光束进行斩波,形成上下高速扫描的X射线细光束[5]

飞点扫描机构原理如图2所示,X射线从光源的中心发出,经过前置狭缝准直成扇形光束。在准直狭缝的出光口处设置一个可高速旋转的斩波轮,斩波轮的表面径向分布若干狭缝,狭缝以外部分采用高原子序数、高密度的钨材料来屏蔽X射线。在斩波轮高速旋转的过程中,准直后的扇形X射线光束能够在某一时间段穿过斩波轮上的狭缝,从而形成上下高速扫描的细光束。细光束辐照被检物,产生康普顿散射,通过接收被检物的背散射信号获取图像。

图 2 飞点扫描机构原理图 Figure 2 Schematic of flying-spot scanning mechanism

根据X射线源的辐射角αmax和出瞳直径ϕ,准直狭缝的入瞳高度为h1及视场角α满足以下关系:

${h_1} \leqslant \phi $ (1)
${\rm{\alpha }} \leqslant {\alpha _{\rm{max}}}$ (2)

视场角α表示为

${\rm{\alpha }} = 2\arctan \frac{{{h_2}}}{{2d}}$ (3)

式中h2为固定准直狭缝在斩波轮上的投影。

成像分辨率由产生的X射线细光束投影在被检物上的水平线宽Δx和竖直线宽Δy决定。集光效率Ω由系统的有效X射线光束立体角决定。图2中准直狭缝宽度a、斩波轮狭缝宽度b、光源中心到狭缝出瞳的距离d及物距u是影响集光效率Ω和成像分辨率的主要因素,各参数满足以下关系:

$\varOmega = \frac{{a b}}{{{d^2}}}$ (4)
$\Delta x = \frac{{a u}}{d}$ (5)
$\Delta y = \frac{{b u}}{d}$ (6)

从式(4)~(6)可以看出,当光源中心到狭缝的出瞳距离d和物距u固定时,为了得到高分辨率的图像,需要尽可能减小准直狭缝与斩波轮狭缝的宽度,但随着ab值的减小,集光效率Ω也在相应减小,这样就无法保证有足够多的X射线照射到物体上。所以,要在保证有较好的成像分辨率的同时使系统具有较高的集光效率。

本文将光源中心到狭缝出瞳的距离d固定为200 mm,物距u为800 mm。X射线细光束在物面上产生光斑的线宽视为理论最佳分辨率,针对小型化飞点扫描系统的具体应用,对于车辆、房间等狭小空间内部的检测需要达到2 mm的分辨率。由此计算得到准直狭缝和斩波轮上径向狭缝宽度要满足≤0.5 mm。在满足分辨率要求的同时,两个狭缝越宽,集光效率也就越高,所以该系统选用0.5 mm宽度的准直狭缝和径向狭缝。

为了使系统实现高速扫描且易于搭载,需要对斩波机构进行轻量化设计。斩波机构采用分体式设计,主体半径为R且材质为铝合金,圆环处即宽度为h3的区域采用钨钢作为屏蔽材料。X射线管的工作电压通常为100~150 kV,所产生的X射线最高能点为100~150 keV,但是较强的辐射一般在20~40 keV能段和58 keV及67 keV能点。为了获得较好的屏蔽效果,计算了在150 keV下不同厚度钨板的透过率,当厚度为3 mm时透过率约为10−4,完全符合系统要求。所以该系统采用3 mm厚的钨板来屏蔽入射的高能X射线。斩波轮的结构如图3所示。

图 3 斩波轮圆盘结构示意图 Figure 3 Schematic diagram of the chopper wheel disc

斩波轮径向狭缝的外半径R满足如下关系:

$R \geqslant \dfrac{1}{2}{h_2} \frac{1}{{\sin \left( {\dfrac{1}{2} \dfrac{{360{\text{°}}}}{n}} \right)}}$ (7)

式中n为径向狭缝的条数。图3中虚线h2是固定准直狭缝的投影,为了保证径向狭缝在圆盘旋转过程中始终与固定准直狭缝有且仅有一个交点,斩波轮径向狭缝的内半径r满足

$r \leqslant \dfrac{1}{2}{h_2} \frac{1}{{\tan \left( {\dfrac{1}{2} \dfrac{{360{\text{°}}}}{n}} \right)}}$ (8)

当径向狭缝条数n越少,圆盘回转半径R也可相应减小。

斩波轮整体的转动惯量是影响电机选型、实现小型化的主要因素,大转动惯量需要大扭矩的电机,一般电机的体积较大,无法满足小型化的需求。因此,本文结合圆盘主体材料和X射线屏蔽需求,设计了转动惯量较小的斩波轮。对于采用钨钢的径向狭缝圆环区域,圆环面积S1、质量m1、转动惯量J1满足:

${S_1} = \pi \left( {{R^2} - {r^2}} \right)$ (9)
${m_1} = {\rho _1} {S_1} {t_1}$ (10)
${J_1} = \frac{{{m_1}}}{2}\left( {{R^2} + {r^2}} \right)$ (11)

对于采用铝合金材质的圆盘主体,圆盘面积S2、质量m2、转动惯量J2满足:

${S_2} = \pi {R^2}$ (12)
${m_2} = {\rho _2} {S_2} {t_2}$ (13)
${J_2} = \frac{1}{2}{m_2}{R^2}$ (14)

式中:ρ1=15.63 g/cm3ρ2=2.72 g/cm3分别为圆环(钨钢)、圆盘(铝合金)材质的密度;t1=3 mm、t2=10 mm分别为圆环(钨钢)、圆盘(铝合金)的厚度。整个盘式斩波轮的转动惯量J、总质量m满足:

$J = {J_1} + {J_2}$ (15)
$m = {m_1} + {m_2}$ (16)

在相同的物距及视场下,即d=500 mm、h2=210 mm,计算了不同狭缝数的斩波轮结构参数,如表1所示。

表 1 斩波轮结构参数对比 Table 1 Comparison of structural parameters of several sets of chopper wheels

通过表1的数据可以看出,随着斩波轮的径向狭缝数变大,斩波轮的整体尺寸、质量、转动惯量均增大。尽管n=3时,斩波轮的半径和转动惯量最小,但提高了对电机转速的要求,需要更大体积、更大惯量的电机来提升斩波轮转速,这不符合设备小型化的需求。所以,在设计时考虑到尺寸、扫描速度、电机荷载等因素,本文在圆盘斩波轮上采用的径向狭缝条数为4条,斩波轮具体参数见表2。在物距为800 mm时,线视场即可检查高度约为800 mm。

表 2 斩波轮具体参数 Table 2 Chopper wheel specific parameters
1.3 探测器设计

系统采用计数型X射线探测器来收集物质的背散射X射线。根据材料的不同可以将X射线探测器分为三类:气体探测器、半导体探测器和闪烁体探测器。在选择具体的X射线探测器类型时,需要考虑探测器的响应能点、能量分辨率、输出稳定性、时间分辨率、探测效率等因素。探测器的具体性能[6]表3所示。

表 3 X射线探测器的性能 Table 3 X-ray detector performance

在飞点扫描X射线背散射系统中,X射线的工作能点一般在160 keV以下,并且不需要能谱分辨,采集的各种能点的X射线信号积分为一个强度信号。工作环境通常为常温环境,并且背散射信号比透射信号弱几个数量级,需要采用大面积的探测器来提高采集的背散射信号强度。同时,考虑到飞点扫描中X射线束呈高速扫描的状态,相邻两个像素点的时间间隔为微秒量级。综上所述,考虑探测能区、能量分辨率、稳定性、时间分辨率、探测效率等因素,闪烁体探测器更适合用于X射线飞点扫描系统。

结合飞点扫描的探测需求,在选择闪烁体材料时,需要考虑闪烁体的发光峰值波长、衰减时间、相对发光强度、潮解程度。闪烁体的衰减时间基本都在纳秒量级,能够满足飞点扫描的需求。目前常用的闪烁体材料的相关特性[7-8]表4所示,其中假设NaI(TI)的相对发光强度为100。

表 4 常用闪烁体材料的特性 Table 4 Characteristics of commonly used scintillator materials

在不易潮解的闪烁体材料中,以Plastic和LSO最为常见。塑料闪烁体的密度较小、原子序数较低,光在闪烁体中衰减较弱,但是塑料闪烁体可以制作成较大尺寸,尺寸可达1 m甚至更大。反之,LSO闪烁体的密度较大、原子序数也较高,且光在其中的衰减较强,但是,大面积的LSO闪烁体难以制作,常见的LSO闪烁体尺寸仅几厘米。另外,结合飞点扫描的具体结构,在不影响设备整体体积的前提下,斩波轮前端的空间都可用来放置探测器,从而增大闪烁体探测器的有效接收面积,收集更多的散射光子,提高探测效率。因此,本文选用塑料闪烁体作为该小型化背散射系统的探测器。图4为计算得到的塑料闪烁体对不同能点X射线的沉积效率,其中入射光子数为5×104

图 4 塑料闪烁体厚度和沉积效率之间的关系 Figure 4 Relationship between plastic scintillator thickness and deposition efficiency

根据图4可以看出,随着探测器厚度的增大,沉积效率逐渐提高,且变化趋势为非线性。当探测器厚度为50 mm时,对40~60 keV能量的X射线的沉积效率约为60%。因此,结合轻量化的需求,采用厚度为50 mm的塑料闪烁体,闪烁体型号为HND-S2型,有效探测面积为400 mm×200 mm。在塑料闪烁体的表面采用高分子材料特氟龙(Teflon)进行封装,闪烁体产生的可见光在特氟龙表面能进行多次反射,可提高光子的利用率[9]。闪烁体与光电倍增管(PMT)阴极之间通过添加光学耦合剂直接耦合,并通过PMT将产生的可见光子转化为电信号。电信号由数字采集卡采集,并通过算法将数据重构为二维图像。

2 X射线成像实验

图5为小型化飞点扫描X射线背散射系统,整体尺寸为550 mm×500 mm×500 mm。系统主要由X射线源、固定准直狭缝、电机、斩波轮、探测器等组成。

图 5 飞点扫描X射线背散射成像实验样机模拟图 Figure 5 Experimental prototype of flying-spot scanning X-ray backscatter imaging

为了测试飞点扫描X射线背散射系统的分辨率,在样品聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的表面附上对X射线吸收高、散射低的钨钢片,并进行背散射实验。以PMMA作为实验样品是因为PMMA的分子结构及散射能力与部分毒品相似,适合作为毒品模拟物。

PMMA的尺寸为100 mm×100 mm×50 mm,在其表面附有三块钨钢片,钨钢片的尺寸分别为40 mm、15 mm、3 mm。将该样品放置在物距为800 mm的样品台上,并将样品台置于水平传送带上,以30 mm/s的平移速度做水平移动,样品台的材质为铝合金。图6给出了PMMA样品的成像结果以及在水平方向的分辨率测试结果,图中标出了水平方向的10 %~90 %边界分辨率,且x表示PMMA在水平方向上的位置。表5分别给出了不同光源参数下,水平方向PMMA样品的边界分辨率以及PMMA与钨钢片边界的分辨率。

图 6 水平方向分辨率测试结果 Figure 6 Test results of horizontal direction resolution test

表 5 PMMA样品水平方向的边界分辨率 Table 5 Boundary resolution of horizontal direction of PMMA sample

图7是实验测得的PMMA样品在竖直方向的分辨率,y表示PMMA在竖直方向的位置。表6给出了在不同光源参数下,竖直方向PMMA样品的边界分辨以及PMMA样品与钨钢片的边界分辨率。

图 7 竖直方向边界分辨率的测试结果 Figure 7 Vertical side boundary resolution test results

表 6 PMMA样品竖直方向的边界分辨率 Table 6 Boundary resolution of vertical direction of PMMA sample

从以上实验结果可以得出,在最佳的光源参数下,PMMA样品与空气边界的水平方向和竖直方向的分辨率均优于2 mm,而PMMA样品与钨钢边界的分辨率要较差一些。其中,当X射线源的外加电压为60 kV时,实验图像呈现的分辨率要高于其他参数条件下的分辨率。主要原因是在60 kV的电压下,X射线的光子能量较低,穿透性不足,只能对被检物的浅层进行探测,受到多次散射信号的影响较小。另外,环境的杂散信号较弱,对成像分辨率只能产生微弱的影响。

为了检验系统对不同材质样品的成像能力,以峰值信噪比(PSNR,单位为dB)和灰度方差(IV)作为评价指标,对飞点扫描X射线背散射系统的成像质量进行分析。所采用的样品分别为塑料玩具车及内部放置了3块不同大小PMMA的陶瓷杯。陶瓷杯壁厚约为3 mm,3块PMMA的尺寸分别为15 mm×15 mm×15 mm、20 mm×20 mm×20 mm、25 mm×25 mm×25 mm。对塑料玩具车进行成像实验,得到PSNR以及IV数据见表7图6(b)图7(b)分别为玩具车以及陶瓷杯的实验结果,该实验结果对应的光管功率为750 W,光管电压为150 kV,图8(a)以及图9(a)为相应的实物图。图10为陶瓷杯在水平方向的分辨率,根据计算可以得出水平方向的10 %~90 %边界分辨率为2 mm。

表 7 玩具车图像的峰值信噪比以及灰度方差 Table 7 PSNR and IV of toy-car images

图 8 玩具车实物图及成像图 Figure 8 Photo and experimental result of a toy car

图 9 陶瓷杯实物图及成像图 Figure 9 Photo and experimental result of a ceramic cup

图 10 陶瓷杯水平方向分辨率 Figure 10 Horizontal resolution of the ceramic cup

在计算PSNR及IV时,截取成像结果中样品所在区域的图像进行计算,消除样品台及背景环境对结果的影响。综合PSNR以及IV的实验结果可以看出,随着光源功率及射线能量提高,尤其是在光源最大功率750 W、电压150 kV时,环境噪声较为严重,导致获得图像的PSNR值降低,像质有所下降,但是图像的灰度方差提升,图像对比度得到提高。图8显示了无遮挡情况且光源功率750 W、电压150 kV时的塑料玩具车图像,图中呈现出较为清晰的细节。图9(b)显示了毒品模拟物PMMA在陶瓷杯的遮挡下的图像,图中也显示出比较清晰的轮廓,并达到2 mm的分辨率,这表明系统能够有效探测隐藏在陶瓷件内的违禁品。图10为陶瓷杯水平方向分辨率分布图。

3 结 论

本文围绕车辆贩运违禁品的快速、高效查缉需求,开展了小型化、轻量化飞点扫描X射线背散射系统的研究。设计了飞点扫描X射线背散射系统中的斩波结构和背散射探测器,在保证系统探测效率的同时,有效减小了斩波轮和背散射探测器的体积和重量。利用研制的小型化飞点扫描X射线背散射系统开展了X射线背散射成像实验,分析了不同X射线能量及功率对成像对比度和信噪比的影响。本文研制的小型化飞点扫描X射线背散射系统的分辨率约为 2 mm,可以清晰地检测出位于陶瓷物品内部的毒品模拟物,对未来解决车辆安检问题和减少辐射危害具有重要意义。

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