CN101968454B - 基于ｘ射线能量色散衍射危险品检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于X射线能量色散衍射危险品检测方法，首先采用X射线透视检获得待检测物的投影像，通过目测是否为爆炸物等；将待测物置于衍射装置上进行对光抄作；将待测物置于衍射装置上进行X射线能量色散衍射，实现对危险品的检测和鉴定。本发明对隐藏在包裹中的炸药/毒品等能够用透射式能量色散衍射进行快速在线检测(检测厚度在20～30cm)和反射式能量色散衍射作现场快速鉴定。适用于机场、车站、码头、海关及公共场所、政府保卫部门的在线和现场炸药/毒品检测和鉴定，还适用于真假药等其它物质的鉴定等。

Description

基于X射线能量色散衍射危险品检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种X射线检测技术领域的方法，具体是一种基于X射线能量色散衍射的危险品检测方法。

背景技术

当前机场、车站、码头、海关及公共场所、政府保卫部门的安全检查仍都使用X射线透视装置，依据观察物件投影像的形状、衬度(对比度)细节的经验，以及是否有雷管之类的引爆装置来判断被检物件是否属爆炸(危险)可疑物品。新发展的X射线计算机化的层析照相术(简称CT)的应用，图像较直接透视要清晰得多，但仍仅对金属件灵敏，更不能判定被检物体所属炸药/毒品的类型。采用衍射方法就有可能解决这个问题。一般的X射线衍射分析多采用对称反射式衍射方法，必须取样到X射线衍射仪上进行检测分析。这就涉及到厚样品的透射X射线衍射在线和现场检测鉴定的问题。

经过对现有技术的检索发现，分析化学(Anal.Chem.)1995，67(5)：164A～189A上发表《探测隐蔽爆炸物》(Detecting Hidden Explosives)一文提到用X射线衍射探测爆炸物的可能性。在此及以后未有这方面的报道，而现有X射线技术，虽然能从影像上判断是否是危险品，但不能监定是何种物质。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于X射线的危险品检测方法，采用X射线透射式能量色散衍射方法进行在线检测，反射式X射线能量色散衍射方法作现场鉴定。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、采用X射线透视检查获得待检测物体的投影像，通过目测判断待测物是否危险品；

第二步、疑似危险品的待测物体置于衍射装置上进行对光操作；

所述的衍射装置包括：X射线源、光阑组件、能量探测器、透射像摄像器，其中：其中：X射线源的右侧设有顺序排列的第一右侧光阑组件、待测物体、第二右侧光阑组件、右侧能量色散探测器和透射像摄像器；X射线源的左侧设有顺序排列的第一左侧光阑组件、待测物体、第二左侧光阑组件、左侧能量色散探测器；进行对光操作和能量色散衍射时，右侧能量色散探测器与待测物体的连线与X射线源和第一右侧光阑组件的连线呈2θ_s角度，透射像摄像器位于第一右侧光阑组件和待测物体的后侧并正对待测物体，用以进行对光操作。

所述的X射线源发出的射线谱为在100～150kV，1～7mA下工作的钨靶连续X射线谱；

所述的光阑组件包括Soller光阑和发散狭缝，其中：Soller光阑位于发散狭缝前。

所述的对光操作是指：沿待测物体的铅垂方向作为Z轴、入射线方向为Y轴，垂直于Y轴的水平方向作为X轴，待测物体沿X轴、Y轴和Z轴三个方向进行移动，使入射线束与待测物小尺度处相截。对光时探测器绕衍射装置的Z轴向+2θ_s方向转动，同时将透射像摄像器移至主光束中，完成对光后再将透射像摄像器复位，探测器则固定设置于2θ_s位置，以保证在调试、对光和记录衍射图谱时互不相碰。

第三步、将待测物体置于衍射装置的一侧进行能量色散衍射，实现危险品的在线检测和现场鉴定；

所述能量色散衍射是指：(1)在衍射装置右侧(见图2)进行待测物品的透射式能量色散衍射的在线检测；(2)从待测物中取出少量样品，在衍射装置左侧进行样品的反射式能量色散衍射的现场鉴定，收集得到E-I谱；

第四步、对E-I谱进行数据分析。

所述的数据分析是指：(1)根据2dE＝12.3985/Sinθs关系式从E-I谱获得d值，其中：d为晶面间距，单位是E为能量，单位是keV；θs为进行透射式或反射式能量色散衍射选用的半衍射角，单位是度，然后按d从大到小排列；(2)按2dSinθ_Cu＝1.5406换算得到2θ-I谱，其中：θ_Cu是对应于CuK α辐射的布喇格角。

用X射线作安全检查的方法有最常用的基于吸收衬度成像的透视法、透射式波长色散(发明者的另一专利)和透射式能量色散三种方法。X射线透视法只能从图像的形状、衬度判断是否是危险物，仅能检查枪支、匕首等金属凶器。而透射式X射线波长色散衍射法和X射线能量色散衍射法能判定检测物是何种炸药和何中毒品等。

现将波长色散和能量色散衍射方法的比较于下表：

波长色散衍射和能量色散衍射的比较

附图说明

图1为本发明透射式X射线能量色散衍射的原理图。

图2为能量色散衍射装置的原理结构示意图。

图3为硝酸铵(NH₄NO₃)(a)2θs＝15°时能量色散衍射E-I谱；(b)2θs＝6°时能量色散衍射E-I谱；(c)经2dE＝12.3985/sin7.5°和2dE＝12.3985/sin3°换算得到的d-I谱。

图4为(a)TNT(C₇H₅N₃O₆)炸药的透射式能量色散衍射花样，即E-I’谱，其相对强度参照标准数据库，以线段长度表示。(b)经2dE＝12.3985/sin2.0°换算得到的d-I谱，再经

(CuKα₁辐射波长)换算得到的TNT的2θ_Cu～I谱。

图5为毒品可卡因(Cocaine-C₁₇H₂₁NO₄)(a)透射式能量色散衍射花样，即E-I’谱，其相对强参照标准数据库，并以线段长度表示；(b)经2dE＝12.3985/sin2.5°换算得到的d-I谱，再经

(CuKα₁辐射波长)换算得到的的可卡因的2θ～I谱；(c)标准数据库中可卡因(34-1901)的2θ～I图谱。

具体实施方式

下面对本发明的实施例方式作详细说明，本实施方式在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实方式。

如图1所示，图中阴影为入射的连续X射线与被检测物相交处，能量色散探测器EDD所置位置。

如图2所示，以下实施方式中涉及的衍射装置包括：X射线源1、光阑组件2、探测器4、透射像摄像器5，其中：X射线源1的两侧分别设有两组顺序排列的光阑组件2和待测物体3分别用以进行对光操作和衍射；探测器4和待测物体3的连线与X射线源1和光阑组件2的连线呈2θ_s角度，透射像摄像器5位于光阑组件2和待测物体3的后侧，并正对待测物体3用以进行对光操作。

所述的X射线源1为工作电压≈100kV的钨靶连续射线谱，当然管流越大越好。目前，商售供透视用的X射线源：W靶，30～160kV，1～7mA，是可选的光源。

所述的光阑组件2为Soller光阑S1和发散狭缝DS组成，前者限制光束的垂直发散度，后者是限制光束的水平发散度，X射线源的左右窗口都有，与一般衍射仪上没有本质差别，仅右侧第一光阑组件要能沿铅垂方向上下平移，当光阑组件移至下面位置时，从窗口出来的X射线束全部通过光阑组件的支架，打到待检测箱包上，以便对光。对光完成后再使光阑组件向上平移至衍射仪工作位置，获得线状的平行光束。

可跟据下式

$t_{100}=\frac{\ln (I_0/I)}{{\mathrm{\μ}}_m\mathrm{\ρ}}=\frac{\ln \left(100\right)}{{\mathrm{\μ}}_m\mathrm{\ρ}}=\frac{4.605}{{\mathrm{\μ}}_m\mathrm{\ρ}};$

估算可檢测待测物体的厚度t₁₀₀，其中：ρ为待测物体的密度，μ_m为待测物体的质量吸收系数，μ_m＝ω_iμ_mi，ω_i、μ_mi分别为检测对象中第i种元素的质量分数和质量吸收系数。

表2列出炸药和有机物中常有元素的质量吸收系数和有关数据。表3列出实施实例的三种物质能检测的厚度。

表2炸药和有机物中常有元素的质量吸收系数和有关数据

表3实施实例中三种物质能检测的厚度

可见，使用W靶，100kV下操作，透射式X射线能量色散方法能检测硝酸铵、TNT、可卡因的有效厚度分别为：14.92/0.7、16.1/0.7、25.6/0.7(cm)，即21.3、23.0、36.6厘米厚，其中0.7是振装密度/大块材料的实测密度的比值。

具体实施步骤如下：

第一步、采用X射线透视检查获得待检测物体的投影像，通过目测看是否属危险品；

第二步、将待测物体置于衍射装置右侧进行对光操作和透射式能量色散衍射，以获得被检物的能量色散衍射花样E-I’；

第三步、从被检物中取出少量样品置于衍射装置左侧，进行反射式能量色散衍射，以获得样品的能量色散衍射E-I谱；

第四步、将E-I’转换成2θ-I后进行检索和/或匹配，以初步判断其是什么炸药或什么危险品；。

实施例1：检测硝酸铵(NH₄NO₃)

硝酸铵的2θs＝15°时能量色散衍射E-I谱示于附图3(a)中，2θs＝6°时能量色散衍射E-I谱示于附图3(b)中，经2dE＝12.3985/sin7.5°和2dE＝12.3985/sin3°换算得到的d-I谱，两者是完全相同的，示于附图3(c)中。附图3(a)和(b)是理论计算的结果，但在实际的透射式能量色散衍射中，如果2θs＝15°，由于厚样品，E≤20keV射线被吸收而得不到衍射图谱；如果2θs＝6°，参于衍射的X射线能量≥20keV，能给出很好的能量色散衍射图谱。因此，2θs的选定十分重要。

实施例2：检测TNT炸药(C₇H₅N₃O₆)

如图4示出TNT炸药的能量色散衍射谱，2θs＝4°时计算衍射图谱(a)和TNT炸药的标准波长色散衍射花样(b)，其中(a)的相对强度参照标准花样数据库的数据，并以线段的长度表示，显然两花样是可比对的。如果把(a)和(b)横坐标都换算成d值，两花样的横坐标完全一致。表明选定2θ＝4.00°，E＝20～60KeV的能量色散衍射方法胜任爆炸物的在线检测。

实施例3：检测毒品可卡因(Cocaine，C₁₇H₂₁NO₄)

如图5a示出毒品可卡因(Cocaine)的透射式能量色散衍射花样，即E-I’谱，其相对强度参照标准数据库，并以线段长度表示；(b)是经2dE＝12.3985/sin2.5°换算得到的d-I谱，再经(CuKα₁辐射波长)换算得到的的可卡因的2θ_Cu～I谱；(c)为标准数据库中可卡因(34-1901)的2θ～I图象式花样。(b)和(c)是完全匹配的。

从以上三个实施例可见：(1)无论是透射还是反射能量色散衍射，2θs的选定十分重要的，它决定参于衍射的能量范围，见实例1；(2)对于透射，要用较小的2θs角，参于衍射的X射线能量为较高范围，被检测的物体厚度才能大，这适用于大包炸药、毒品的在线鉴定。但又怕低能量的X射线被吸收，会丢失大d(小2θ)值的线条而影响物相鉴定；(3)反射式能量色散衍射，2θs能选择较大和较宽的范围，对检测对象无特殊要求；(4)透射和反射两种方法具有互补性。以上几点是本发明采用透射式作在线鉴定，用反射式作现场鉴定的主要理论依据。

通过上述三个实例已经证明，能量色散衍射方法能完全正确无误判断待检测物体是何种炸药、何种毒品，特别把透射式和反射式能量色散衍射(即在线检测和现场鉴定)结合起来更是如此。这是现行的透视或其他化学成分探测法都办不到的。

Claims (2)

1.一种基于X射线能量色散衍射危险品检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、采用X射线透视检查获得待检测物体的投影像，通过目测看是否属危险品；

第二步、将待测物体置于能量色散衍射装置右侧进行对光操作和透射式能量色散衍射，以获得被检物的能量色散衍射花样E-I’；

第三步、从被检物中取出少量样品置于能量色散衍射装置左侧，进行反射式能量色散衍射，以获得样品的能量色散衍射数据的E-I谱；

所述的能量色散衍射装置包括：X射线源、光阑组件、能量探测器、透射像摄像器，其中：X射线源的右侧设有顺序排列的第一右侧光阑组件、待测物体、第二右侧光阑组件、右侧能量色散探测器和透射像摄像器；X射线源的左侧设有顺序排列的第一左侧光阑组件、待测物体、第二左侧光阑组件、左侧能量色散探测器；进行对光操作和能量色散衍射时，右侧能量色散探测器与待测物体的连线与X射线源和第一右侧光阑组件的连线呈2θ_s角度，透射像摄像器位于第一右侧光阑组件和待测物体的后侧并正对待测物体，用以进行对光操作；

所述的对光操作是指：沿待测物体的铅垂方向作为Z轴、入射线方向为Y轴，垂直于Y轴的水平方向作为X轴，待测物体沿X轴、Y轴和Z轴三个方向进行移动，使入射的平行X射线光束与待测物体较小尺度处相截，对光时将能量色散衍射装置的探测器绕Z轴向+2θ_s方向转动，同时将透射像摄像器移至主光束中，完成对光后再将透射像摄像器复位，探测器则固定设置于2θ_s位置；

所述的能量色散衍射是指：设置θ_s进行待测物连续X射线透射式能量色散衍射，和设置θ_s进行样品的反射式能量色散衍射，收集得到E-I谱后，根据2dE＝12.3985/Sinθ_s关系式获得d值，其中：d为晶面间距，单位是

E为能量，单位是keV；θ_s为进行透射式或反射式能量色散衍射选用的半衍射角，单位是度，然后按d从大到小排列，按2dSinθ_Cu＝1.5406换算得到2θ-I谱，其中：θ_Cu是对应于CuK α辐射的布喇格角；

第四步、将E-I谱转换成2θ-I谱后，在自建的标准数据库进行检索和/或匹配，以判定待测物是什么危险品。

2.根据权利要求1所述的基于X射线能量色散衍射危险品检测方法，其特征是，所述的X射线源发出的射线谱为在100-150kV、1～7mA工作的钨靶连续射线谱。

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