CN102662196B - 利用蒙特卡罗方法模拟双能x射线成像进行物质识别的方法 - Google Patents

Abstract

利用蒙特卡罗方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，涉及一种双能X射线成像进行物质识别的方法。它是为了解决目前在安检过程中，物质识别准确率低的问题。其方法：步骤一、利用蒙特卡罗方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱；步骤二、对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像；步骤三、分析步骤二获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子之间的关系，从而实现物质识别。本发明适用于安防检查。

Description

利用蒙特卡罗方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法

技术领域

本发明涉及一种物质识别的方法。

背景技术

传统的X射线检测技术和设备，有性能可靠、操作简单、易于维护、图像清晰直观并且价格低廉等优点。但是大多数安检设备都是利用普通射线成像系统来进行安全检查，类似枪支和刀具之类的比较坚硬的金属制品很容易被识别，但是探测爆炸物要比探测武器困难得多，因为现在的爆炸物大多是塑胶炸弹，其主要成分为HMX(奥克托今)、RDX(黑索今)，它们极易被伪装成任何形状，就像我们每天的日常生活用品一样，很难被普通的射线成像系统检测出来。随着恐怖事件的屡次发生，如何有效而准确地检测出藏匿在行李包裹的夹层中、厚的铁板暗格里、甚至是集装箱中的危险品成为目前的一大难点。由于爆炸物和危险品的种类繁多，且物质形态千差万别，要准确、快速地检查出爆炸物等违禁品，无疑提高了对安检设备的技术要求。

近年来，X射线背散射技术也应用在大型物品的安全检查中。利用车辆偷运炸药、毒品和人员偷渡等往往采用对车辆进行改造，制造厚铁的暗格、夹层等手段，其原因是铁板对X射线的吸收较强，隐藏于厚重铁板后的炸药、毒品等有机物在传统的X射线检查中被遮挡，难以发现。但有效原子序数低的有机物(毒品和爆炸物等)对X射线的散射效应强，利用双能X射线成像方法可实现对原子序数低的有机物(毒品和爆炸物等)的探测，特别是对位于被检物浅层区(夹层等)的有机物探测其散射信号很强。

发明内容

本发明是为了解决目前在安检过程中，物质识别准确率低的问题，从而提供一种利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法。

利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱；

步骤二、对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像；

步骤三、分析步骤二获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子之间的关系，实现物质识别。

步骤一中能量为9MeV和能量为6MeV的电子束的直径为0.2cm。

步骤一中钨靶的直径为1.5cm、厚度为0.2cm。

步骤二中对步骤一获得的X射线谱进行准直采用铅准直的方法实现。

有益效果：本发明利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟双能X射线成像的方法进行物质识别，能够更有效地识别被检测物品，提取更多的物质信息，从而提高检查准确率，降低误报率。本发明尤其适用于港口、码头等大型货物的检测，以及对违禁品(毒品、炸药)的识别。

附图说明

图1是产生电子束的面源、钨靶及点探测器之间的空间结构示意图；图2是双能成像物质识别原理示意图；图3是前向散射的原理示意图；图4是6MeV电子束的轫致辐射谱示意图；图5是9MeV电子束的轫致辐射谱示意图；图6是6MeV电子束的轫致辐射角分布示意图；图7是9MeV电子束的轫致辐射角分布示意图；图8是不同材料识别曲线示意图；图9是不同材料前向散射光子数与散射角的关系示意图；图10是MCNP程序流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱；

步骤二、对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像；

步骤三、分析步骤二获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子之间的关系，实现物质识别。

步骤一中能量为9MeV和能量为6MeV的电子束的直径为0.2cm。

步骤一中钨靶的直径为1.5cm、厚度为0.2cm。

步骤二中对步骤一获得的X射线谱进行准直采用铅准直的方法实现。

原理：本发明的双能X射线成像物质识别方法是通过不同能量的X射线在物质中的衰减值进行计算(物质对高能X射线衰减与对低能X射线衰减的比值K只与物质的原子序数Z有关)，再将已有的数据和计算结果进行对比，从而确定被测材料的种类(有效原子序数)，实现物质识别。

设P(EM，E)表示最高能量为EM(高(H)、低(L)能射线分别对应EH和EL)的X射线能谱分布；μ(E，Z)表示能量为E的X射线穿过原子序数为Z的被检测材料时的质量衰减系数，t为X射线穿过的被检测物质的质量厚度，那么高低能X射线穿过被检测材料之后的透明度定义为：

$T_M=\frac{{\∫}_0^{E_M}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dE}}(E_M,E)e^{-\mathrm{\μ}(E,Z)t}\mathrm{dE}}{{\∫}_0^{E_M}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dE}}(E_M,E)\mathrm{dE}}---\left(1\right)$

其中E_M代表E_H或者E_L。再定义：

α_M＝-lnT_M   （2）

根据每种物质的α曲线(α_H，α_L-α_H)就可以进行物质识别。

模拟6MeV和9MeV电子束轰击钨靶的轫致辐射过程，其系统的空间结构如图1所示。

其中，面源1产生的电子束直径为0.2cm，圆心坐标为(0，-1，0)，钨靶2是直径为1.5cm、厚度为0.2cm的圆柱，圆柱底面圆心在原点。在以原点为圆心，半径为2cm的上半圆上每隔15°放置一个点探测器3进行计数。利用MCNP4C模拟得到6MeV和9MeV电子直线加速的轫致辐射谱及角分布，为了尽量缩短模拟计算时间，保证误差在可以接受的范围内，取NPS为2.0×10⁶。MCNP程序流程示意图如图10所示。

物质识别曲线(α曲线)的模拟：对双能X射线成像物质识别方法进行模拟，其系统的空间结构如图2所示。

原则上应该是利用上一步模拟得到的X射线谱，经过准直后，直接进行待测样品扫描。为了节省计算时间，增加统计精度，在编写INP文件时，把第一步所得轫致辐射X射线谱进行微分，以直方图的形式输入。

本发明预先对三种金属单质：Pb(铅)、Fe(铁)、Al(铝)、一种化合物：KCl(氯化钾)、两种有机物：RDX(黑索今)和CH₂(聚乙烯)共六种物质进行了模拟计算，得到了各自的识别曲线(α曲线)。在选择待测样品5的厚度时，均使所得数据点均匀分布在待测样品5的射程之内。

其中Pb(铅)样品的厚度分别为1.8cm～18cm，以1.8cm为间隔；Fe(铁)样品厚度分别为3cm～30cm，以3cm为间隔；Al(铝)样品厚度分别为6cm～60cm，以6cm为间隔；KCl(氯化钾)和RDX(黑索今)的样品厚度分别为8cm～80cm，以8cm为间隔；CH₂(聚乙烯)的样品厚度分别为20cm～200cm，以20cm为间隔。NPS取5×10⁶，选用F1卡(面流量计数卡)进行计数。材料参数如表1所示：

表1材料参数表

前向散射的模拟：为了更精确的物质识别，本发明还包括对X射线的康普顿散射(前向散射)进行了蒙卡模拟，其系统的空间结构如图3所示。

面源1选取6MeV电子轫致辐射谱，模拟选取Fe(铁)、Al(铝)、KCl(氯化钾)、RDX(黑索今)、CH₂(聚乙烯)等五种材料，厚度均为3cm。用点探测器对散射的X射线进行计数，5°开始每隔2°放置一个点探测器，NPS取5×10⁶。

数据处理及分析：模拟得到6MeV/9MeV电子束轫致辐射谱如图4和图5所示：6MeV和9MeV电子的轫致辐射谱形状很相近，都在较低能量段有较高的光子产额，差别在于9MeV电子轫致辐射谱的光子平均能量较大。

同时也得到了6MeV/9MeV电子束轫致辐射角分布，如图6和图7所示：显然，0°(透射情况)所得光子数最多，0°到90°光子数下降的非常迅速，说明模拟所得的X射线谱前向性很好，在角度为90°时光子数出现突变，可能与光子的反射等有关。

6种材料的物质识别曲线：把对应的轫致辐射谱进行微分，之后扫描Pb(铅)、Fe(铁)、Al(铝)、KCl(氯化钾)、RDX(黑索今)和CH₂(聚乙烯)六种样品，对所得数据进行处理得到各自的α曲线如图8所示，可以看出随着有效原子序数的增加，不同材料的识别曲线有明显的单调关系；有效原子序数越大(如铅)，识别曲线近似斜率越小；有效原子序数差值越大，识别曲线分开的也就越明显；有效原子序数差值较小的两种材料，识别曲线会非常接近，如图中RDX(黑索今)和CH2(聚乙烯)差值为1.42，二者的识别曲线比较接近，会给物质识别带来很大的误差。为了更准确的识别物质，必须尽可能多的提取材料的相关信息(如密度)。

模拟微分轫致辐射谱扫描Fe(铁)、Al(铝)、KCl(氯化钾)、RDX(黑索今)、CH₂(聚乙烯)等五种材料，记录了前向散射散射角从5°到41°的数据，结果如图9所示，可以看出入射X射线谱一定(6MeV电子轫致辐射谱)，材料厚度相同(3cm)的情况下，前向散射光子数随着密度的增大而增大；密度的差值越大，曲线分的越开，物质识别就更容易。图中KCl和RDX的两条曲线10°以后几乎重合，是因为这两种材料密度(KCl密度1.984、RDX1.86)非常接近，差值仅为0.124，这种情况下很难通过密度来识别物质，但可以通过有效原子序数加以区分(如图7所示)。

本发明利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟物质识别曲线和前向散射光子分布，为物质识别提供更多的信息，提高了物质识别的精确度，进而提高安检系统的材料分辨能力，对社会安全有重要意义。

Claims (2)

1.利用蒙特卡罗方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，其特征在于：它由以下步骤实现：

步骤一，利用蒙特卡罗方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱；

步骤二，对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像；

步骤三，分析步骤二获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子序数之间的关系，实现物质识别；

其中，步骤一中能量为9MeV和能量为6MeV的电子束的直径为0.2cm，所述钨靶的直径为1.5cm、厚度为0.2cm。

2.根据权利要求1所述的利用蒙特卡罗方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，其特征在于：步骤二中对步骤一获得的X射线谱进行准直采用铅准直的方法实现。

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