CN103185734A - 测量物体的有效原子序数的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种测量物体的有效原子序数的方法和设备。该设备包括：射线源，产生第一能量的第一X射线束和第二能量的第二X射线束；切伦科夫探测器，接收透射被检查物体的第一X射线束和第二X射线束，产生第一探测值和第二探测值；数据处理装置，基于第一探测值和第二探测值得到被检查物体的有效原子序数。由于切伦科夫探测器能够消除特定阈值下的X射线束的影响，所以提高了物质识别的准确度。

Description

测量物体的有效原子序数的方法和设备
技术领域
本发明的实施例涉及安全检查，特别是涉及一种测量物质有效原子序数的方法和设备。
背景技术
在X射线检查系统中，包括X射线源和相应的探测器，被检物体在两者中间。经过准直的X射线束通过被检物体到达探测器。探测器输出信号大小反应了到达探测器的X射线强度，解析该信号得到被检物体的信息。
X射线与物质的相互作用方式主要有三种：光电效应、康普顿效应和电子对效应。光电效应的截面约与物质原子序数的四到五次方成正比。康普顿效应的作用截面大约与物质有效原子序数成正比。电子对效应的作用截面大约与物质有效原子序数的平方成正比。
在X射线能量约低于0.5MeV时，光电效应占主导，或者有较大的作用截面，不同物质的质量衰减系数与其有效原子序数相关性较强。随着X射线能量的升高，在1MeV附近，康普顿效应占据主导。不同物质的质量衰减系数与其有效原子序数相关性较弱。当X射线能量高于约1.02MeV时，开始出现电子对效应，随着X射线能量越大，电子对效应截面逐渐越大。不同物质的质量衰减系数与其有效原子序数相关性也随着逐步增强。
这样，可以采用两组不同能量的X射线束对物体进行检测，通过解析这两组X射线信号，可以得到的物体的有效原子序数信息。检测质量厚度较大的物体，需要MeV级的X射线束。在采用高能双能X射线束的物质识别中，一组能量较低(如在1MeV附近)质量衰减系数与被检物质的有效原子序数相关性较小，而能量较高的X射线束(如在6MeV附近)的质量衰减系数与被检物质的有效原子序数相关性较大。解析这两种能量的X射线束在探测器内产生的信号，可以获取被检物体的有效原子序数信息。例如，利用康普顿效应和电子对效应的截面大小与原子序数相关性不同来实现物质有效原子序数识别。
目前在MeV级X射线检查领域主要采用电子加速器作为X射线源——利用被加速到MeV级的电子束轰击重金属靶发生韧致辐射所产生的X射线。一个典型的该X射线束的能量分布、即能谱特征为：从0到电子束能量都有分布，且能谱的峰值在0.4MeV附近。低能量部分的X射线束由于光电效应会干扰物质识别效果。尽管可以采用加“滤波片”等方法降低该部分X射线光子的数量，但是难以完全排除特定能量阈值以下的X射线束对物质识别的干扰，而且会引入降低X射线束整体强度等负面影响。
发明内容
考虑到现有技术中的一个问题或者多个问题，提出了一种测量物体的有效原子序数的方法和设备。
根据一个实施例，提出了一种测量物体的有效原子序数的设备，包括：射线源，产生第一能量的第一X射线束和第二能量的第二X射线束；切伦科夫探测器，接收透射被检查物体的第一X射线束和第二X射线束，产生第一探测值和第二探测值；数据处理装置，基于第一探测值和第二探测值得到被检查物体的有效原子序数。
根据另一实施例，提出了一种测量物体的有效原子序数的方法，包括步骤：产生第一能量的第一X射线束和第二能量的第二X射线束；利用切伦科夫探测器接收透射被检查物体的第一X射线束和第二X射线束，产生第一探测值和第二探测值；基于第一探测值和第二探测值得到被检查物体的有效原子序数。
利用上述方案，由于切伦科夫探测器能够消除能量在特定阈值下的X射线束的影响，所以提高了物质识别的准确度。
附图说明
通过结合附图对本技术的实施例进行详细描述，本技术的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚，其中相同的标号指定相同结构的单元，并且在其中：
图1是本发明一个实施例的采用切伦科夫探测器测量物体的有效原子序数的设备的示意性结构图，是图2的A-A向剖视图；
图2是图1的B-B向剖视图；
图3示出了根据本发明一个实施例的切伦科夫探测器的示意图；
图4示出了根据本发明另一实施例的切伦科夫探测器的示意图；
图5示出了根据本发明又一实施例的切伦科夫探测器的示意图；
图6示出了如图5所示的切伦科夫探测器的另一种应用方式的示意图；以及
图7示出了根据本发明再一实施例的切伦科夫探测器的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
根据本发明的一个实施例，利用切伦科夫探测器来探测高能双能X射线，从而实现对物体的有效原子序数的测量，从而对被检查物体进行识别。切伦科夫探测器是一种阈值探测器。当带电离子在透明介质中的速度超过光在该介质的速度时，就会发生切伦科夫辐射，即有切伦科夫光产生，采用光电转换器件将切伦科夫光转换为电信号，就得到了表示投射被检查物体的X射线的强度的探测值。
总的来说，能量越高的X射线在康普顿效应中产生的次级电子电子能量也就越高。当次级电子的速度高于必要的阈值时，就会发生切伦科夫辐射。这样也就对入射的X射线有了阈值要求。选取合适折射率的材料(例如石英)作为辐射体，使较低能量(如0.5MeV)X射线基本不能够在辐射体内发生切伦科夫辐射。这样，采用这样的切伦科夫探测器和双能X射线源相结合就可以实现物质有效原子序数识别，不必对X射线源的能量组成结构进行干预。
图1是本发明一个实施例的采用切伦科夫探测器测量物体的有效原子序数的设备的示意性结构图，是图2的A-A向剖视图。
如图1和2所示，本发明实施例的采用切伦科夫探测器的高能双能X射线识别物质有效原子序数的设备包括双能电子加速器1、切伦科夫探测器2、和与切伦科夫探测器2连接的辅助电路，例如数据转换电路及数据处理装置(未示出)。切伦科夫探测器2和双能电子加速器1相对设置，双能电子加速器1产生交替的高、低能X射线束。X射线束经过准直器3后照射到被检物体4，切伦科夫探测器2接收透射被检物体4的X射线束。高能X射线束入射到切伦科夫探测器2，在其中生成第一电信号，例如第一探测值。低能X射线束入射到切伦科夫探测器2，在其中生成第二电信号，例如第二探测值。数据处理装置根据所述第一电信号和第二电信号，计算得到获取所述被检物体的有效原子序数。
根据本发明的一个实施例，电子加速器1产生不同能量的电子束，轰击靶产生所述低能和高能X射线束。
图3示出了根据本发明一个实施例的切伦科夫探测器的示意图。如图3所示的切伦科夫探测器2包括辐射体22和光电探测元件21。在辐射体22的表面上覆盖了发射膜24和屏蔽层24。光电探测元件21设置在辐射体22的一端，X射线束从辐射体22的另一端入射，经过辐射体22产生切伦科夫光，光电探测元件21的接收切伦科夫光的那个表面与入射X射线束垂直，将接收到的切伦科夫光转换成电信号。
在如图3所示的切伦科夫探测器中，光电探测单元容易受到核计数效应的影响。核计数效应指的是射线直接在光敏器件中产生的信号，而不是来自于探测器灵敏体积内的闪烁光或切伦科夫光，其信号的产生方式与辐射探测用的半导体探测器基本相同。例如，X射线或其产生的次级电子在光电二极管灵敏区直接产生电子-空穴对，而非来自于由闪烁光和切伦科夫光。这种事件的性质可以用“小概率，大事件”来描述：由于在硅半导体中，产生一个电子-空穴对仅需3.6eV的能量沉积。该信号将叠加在切伦科夫辐射产生的信号，属于干扰信号。
根据本发明的另一实施例，为了去除核计数效应，提出了如图4所示的切伦科夫探测器。如图4所示，切伦科夫探测器是一个长方体形状的探测器，包括辐射体42、反射膜43和屏蔽层44。经过准直器3后的X射线沿着探测器的长度方向入射，诸如光电二极管之类的光电探测单元41远离射线入射设置。光电转换元件41接收切伦科夫光的那个表面大致平行于X射线的入射方向。根据本发明的另一实施例，该切伦科夫探测器是长板形的，长度方向上是X射线的入射方向，例如大约250mm长，宽度大约50mm，高大约10mm。在这样的结构中，可以大大衰减核计数效应。根据本发明的另一实施例，辐射体为长方体，在一个端面接收入射的X射线束，在垂直于该端面的至少一个侧面上设置光电转换器件，接收切伦科夫光。根据本发明的再一实施例，光电转换器件接收所述切伦科夫光的那个面可以围绕辐射体，从而提高光收集效率。
根据本发明的再一实施例，辐射体包括耦接在一起的第一部分和与所述第一部分垂直的第二部分，所述光电转换器件设置在第一部分的一端，X射线束大致平行于所述第二部分入射到该第二部分中。
根据本发明的再一实施例，辐射体42为柱体，在柱体的一个端面接收入射的X射线束，在柱体的侧面上设置光电转换器件41，接收切伦科夫光。或者优选地，光电转换器件41接收所述切伦科夫光的那个面围绕辐射体，从而提高光收集效率。
图5示出了根据本发明又一实施例的切伦科夫探测器的示意图。如图4所示，该切伦科夫探测器形状为“L”形。光电转换器件51设置在“L”形辐射体52的一个分支的一端，X射线束大致平行于“L”形辐射体52的另一分支入射。
如图5所示，X射线束从“L”形辐射体的一个端面入射，而光电探测元件设置在“L”形辐射体的另一个端面。光电转换器件的接收切伦科夫光的那个表面大致平行于X射线束的入射方向。
图6示出了如图5所示的切伦科夫探测器的另一种应用方式的示意图。如图6所示，X射线束与“L”形辐射体的一个端面相反的方向入射，而光电探测元件设置在“L”形辐射体的另一个端面。光电转换器件的接收切伦科夫光的那个表面大致平行于X射线束的入射方向。
图7示出了根据本发明再一实施例的切伦科夫探测器的示意图。如图7所示，辐射体72为“U”形，第一光电转换器件711和第二光电转换器件712设置在“U”形辐射体72的两端，X射线束大致垂直于“U”形辐射体的两个分支入射到“U”形辐射体的底部。利用该实施例，能够提高光收集效率。根据上述的实施例的切伦科夫探测器能够屏蔽核计数效应，并且无论入射X射线在探测器灵敏体积内在哪里发生作用，所产生的切伦科夫光收集情况基本相同。
另外，为了进一步消除散射对光电转换器件的影响，用铝板把切伦科夫辐射体包围起来，以将超出辐射体宽度的X射线束和从辐射体散射出来的X射线吸收，从而减弱光电二极管附近的散射场强度。同时，将光电二极管用铝板包围起来。由于铝材料的原子序数与光电二极管的材料硅相近，且小于硅，可以很好的将硅材料敏感的X射线屏蔽掉。根据本发明的实施例，还可以与切伦科夫探测器平行设置能量沉积型探测器，用于常规的X射线探测。
如本领域的技术人员能够意识到的那样，上述方案包含了直接透射探测X射线检查系统和CT探测以及双能CT探测等技术在内。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种测量物体的有效原子序数的设备，包括：
射线源，产生第一能量的第一X射线束和第二能量的第二X射线束；
切伦科夫探测器，接收透射被检查物体的第一X射线束和第二X射线束，产生第一探测值和第二探测值；
数据处理装置，基于第一探测值和第二探测值得到被检查物体的有效原子序数。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述射线源包括：电子加速器和靶，所述电子加速器产生不同能量的电子束，轰击所述靶产生所述第一X射线束和所述第二X射线束。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述切伦科夫探测器包括辐射体、光电转换器件和辅助电路，所述辐射体接收入射的X射线束，产生切伦科夫光，所述光电转换器件探测所述切伦科夫光，产生电信号，所述辅助电路基于所述电信号产生所述第一探测值和所述第二探测值。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述光电转换器件为光电二极管。
5.如权利要求3所述的设备，其中，所述光电转换器件接收切伦科夫光的那个表面大致平行于X射线束的入射方向。
6.如权利要求3所述的设备，其中，所述辐射体包括耦接在一起的第一部分和与所述第一部分垂直的第二部分，所述光电转换器件设置在第一部分的一端，X射线束大致平行于所述第二部分入射到第二部分中。
7.如权利要求3所述的设备，其中，所述辐射体为“L”形，所述光电转换器件设置在“L”形辐射体的一个分支的一端，X射线束大致平行于“L”形辐射体的另一分支入射到该另一分支。
8.如权利要求3所述的设备，其中，所述辐射体为“U”形，所述光电转换器件设置在“U”形辐射体的两端，X射线束大致垂直于“U”形辐射体的两个分支入射到“U”形辐射体的底部。
9.如权利要求3所述的设备，其中，所述辐射体为长方体，在一个端面接收入射的X射线束，在垂直于所述端面的至少一个面上设置所述光电转换器件，接收所述切伦科夫光。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述光电转换器件接收所述切伦科夫光的那个面围绕所述辐射体。
11.如权利要求3所述的设备，其中，所述辐射体为柱体，所述柱体的一个端面接收入射的X射线束，在所述柱体的侧面上设置所述光电转换器件，接收所述切伦科夫光。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述光电转换器件接收所述切伦科夫光的那个面围绕所述辐射体。
13.一种测量物体的有效原子序数的方法，包括步骤：
产生第一能量的第一X射线束和第二能量的第二X射线束；
利用切伦科夫探测器接收透射被检查物体的第一X射线束和第二X射线束，产生第一探测值和第二探测值；
基于第一探测值和第二探测值得到被检查物体的有效原子序数。
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