CN1139803C - 一种γ背散射成像无损检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于核技术应用领域，该方法是将检测单元设置在被检客体的同一侧；由射线源射出的γ射线束周期性地扫描客体；由探测器同步测量客体被γ射线束照射时各部位产生的背散射，并将测得信号按时序排列、转换为被检客体的二维的背散射数字图像；该装置包括辐射防护屏蔽装置及设置在其内的γ射线源、探测器与信号采集与处理单元，γ射线源及其辐射防护屏蔽装置、探测器为由一个或多个器件组成背散射探测器。本发明具有使被检客体内有机物的影像自动“加亮”的功能，且体积小，并解决了空间分辨率与探测器灵敏度的矛盾。

Description

一种γ背散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，特别涉及一种用于检查集装箱、货车、箱包等客体的内部情况的无损检测方法与装置。

背景技术

现有各种型号的γ数字辐射成像检测装置(以后简称“检测装置”)，如中国发明专利ZL 96 1 02080.6及ZL 98 1 01501.8所示，均采用γ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，发挥了重大作用。但是，它们还存在着一些不足之处：①所获得的都是γ透射影像，因而不具备使被检客体内有机物的影像自动“加亮”的功能；②在这些获取透射影像的检测装置中，射线源与阵列探测器必须跨置于被检集装箱(客体)的两边，故体积大，不适用于要求检测装备只能同置于客体一侧的应用场合；③存在着空间分辨率与探测器灵敏度的矛盾，即空间分辨率的提高需要伴以探测器像素面积的减小——导致探测器灵敏度的随之下降。

在实际工作中，不少场合需要能给出客体γ背散射影像并克服上述各项弱点的检测装置。例如，海关官员都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，从而有助于查出爆炸物、易燃品、走私香烟和毒品等有机类违禁物。而在拥挤的货场中检查集装箱或货车时，则希望检测装置能全部处在被检客体的同一侧，而且体积要尽量小。

发明内容

本发明的目的在于，为克服已有技术的不足之处，提供一种γ背散射成像无损检测方法与装置(简称“背散射检测方法”与“背散射检测装置”)。能获取客体γ背散射数字影像，可将全部装备均置于客体一侧，具有使被检客体内有机物的影像自动“加亮”的功能，且体积小，并解决了空间分辨率与探测器灵敏度的矛盾。

本发明提出的一种γ背散射成像无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将由屏蔽容器及设置其内的γ射线束源，探测器构成的检测单元设置在被检客体的同一侧；

2)由所说的射线源射出并被准直的γ射线束周期性地扫描客体；

3)使用拖动机构将被测客体与所说的检测单元间实现沿垂直于γ射线束扫描面方向的相对平移运动；

4)由所说的探测器同步测量客体被γ射线束照射时各部位产生的背散射，并将测得信号按时序排列、转换为被检客体的二维的背散射数字图像，从而实现对被检客体的γ背散射无损检测。

上述射线源可为⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir或²⁴¹Amγ放射性同位素。

所说的γ射线束周期性地扫描客体的方法可依靠由所说的屏蔽容器中具有同固定不动的内层屏蔽容器上扇形狭缝相垂直的狭缝状孔的外层屏蔽环围绕内层屏蔽容器旋转或摆动而产生“笔形”γ射线束并实现周期性地扫描客体。

本发明提出的一种γ背散射成像无损检测装置，包括辐射防护屏蔽装置及设置在其内的γ射线源，探测器与信号采集与处理单元，其特征在于，所说的γ射线源及其辐射防护屏蔽装置、探测器均置于被检客体的同一侧的设备箱内，所说的探测器为由一个或多个器件组成背散射探测器。

所说的γ射线源及其辐射防护屏蔽装置可为由一个复合型屏蔽罐构成的笔形射线束发生器，它包括一固定不动的内层射线源屏蔽容器，其上开有一个扇形狭缝，一个能围绕内层容器不断旋转或摆动的外层屏蔽环，其上开出一个或多个方向与从内层容器射出的片状射线束面相垂直的窄缝状孔。

所说的内层屏蔽容器上的狭缝的宽度可与射线源的尺寸相同或略小，所说的外曾屏蔽环上的狭缝宽度可大于、等于内层屏蔽容器狭缝的宽度。

在所说的笔形射线束发生器的内层屏蔽容器与外层屏蔽环之间可填充包覆有用以防止漏射线的屏蔽体。

所说的背散射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种。

所说的设备箱与被检客体可通过拖动机构实现相对平移运动。

所说的设备箱可设有提升机构。

本发明利用γ背散射的物理特性：

由表述康普顿背散射微分截面dσ/dΩ的Klein-Nishina公式可以推导出，背散射的 $Q=\frac{Z}{A}\·\frac{1}{({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ρ}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ρ}}^{\′})}$ 总强度应正比于下述因子Q：其中，Z与A分别代表客体物质的原子序数与原子量，μ_ρ与μ′_ρ分别代表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”效应为检查出塑性炸药、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，因而受到各国海关用户的欢迎。

附图说明

图1是本发明的背散射检测装置的总体结构示意图。

图2是本发明的背散射检测装置的检测设备箱内部结构示意正视图。

图3是本发明的背散射检测装置的检测设备箱内部结构示意侧视图。

图4是γ射线笔形射线束发生器的结构示意图，其中a为正向剖面图，b为侧视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细说明本发明的内容。

本发明的第一个方面涉及一种γ背散射无损检测方法。该方法首先是利用称之为“笔形射线束发生器”的装置产生窄细如笔状的γ射线束(简称“笔形射线束”)，并使之按一定方向(例如上、下或左、右)周期性地扫描客体。同时，由与“笔形射线束发生器”共置于客体同一侧的γ射线探测器接受客体被“笔形射线束”照射时产生的背散射，并将之转换为输出电信号。不同时刻探测器所输出的信号取决于该时刻“笔形射线束”照射处的客体物质所产生的背散射。每当“笔形射线束”对客体扫描一次，将不同时刻的探测器信号值按时序排列，即获得“笔形射线束”该次扫描路径上客体物质的一条背散射影像。在“笔形射线束”按一定方向持续进行周期性扫描的同时，令客体沿着与“笔形射线束”扫描平面垂直的方向相对于检测装置作平移运动。随着客体的相对平移运动，一条一条背散射影像将顺序显示出来，最终组成客体的一幅二维的背散射数字影像。

上述方法中采用的γ辐射源为⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir、¹³³Ba、²⁴¹Am等的高比活度γ放射性同位素辐射源。

上述方法中作周期性扫描的“笔形射线束”来自一种称作“笔形射线束发生器”的装置，它实际是一个复合型屏蔽罐。它的内层为一固定不动的射线源屏蔽容器，其上加工出一个垂直方向(或其它方向)的扇形狭缝，将置于其中的射线源发出的γ射线准直成沿垂直方向(或其它方向)的窄片状束。它的外层包括一个能围绕内层容器不断旋转的屏蔽环，其上开出一个或多个方向与从内层容器射出的片状射线束面相垂直的窄缝状孔。穿过这内外层狭缝后，再射出的γ射线就已经被准直成“笔形射线束”了。随着外层屏蔽环的旋转，“笔形射线束”将在内层容器扇形狭缝的张角的范围内作周期性扫描运动。如果外层屏蔽环上只加工了一个狭缝孔，则它每旋转一圈，“笔形射线束”扫描一次。如果外层屏蔽环上加工了若干个狭缝孔，则它每旋转一圈，可实现“笔形射线束”的多次扫描，从而提高了扫描频率。此外，也可令外层屏蔽环在某一角度内来回摆动，使得“笔形射线束”沿一定方向反复扫描。此时，外层屏蔽环上可只加工一个狭缝孔，但相邻两次扫描的信号采集、处理与显示的时序是相反的。

上述方法中采用的背散射探测器是充气电离室、闪烁探测器、半导体或固体探测器等。鉴于背散射光子能量不高，探测器窗不能过厚。由于此方法的空间分辨率主要取决于“笔形射线束”的粗细，因而可采用大面积背散射探测器来提高探测灵敏度，而并不影响空间分辨率。

本发明的第二个方面涉及一种γ背散射数字影像无损检测装置。

参见图1、图2，图3与图4，本发明的检测装置主要是由检测设备箱1(简称设备箱)、相应的拖动与运载机构2以及信号采集与处理系统3组成。

设备箱1是本发明装置的核心部件，主要包括由内屏蔽容器6、外层屏蔽环7与屏蔽体8构成的“笔形射线束”发生器及置于其中的高比活度γ放射性同位素源5，置于“笔形射线束”发生器前方的γ背散射探测器11以及附加的准直器12等。

γ射线源5选用高比活度的⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir、¹³³Ba、²⁴¹Am等不同能量的γ放射性同位素，其活性区的线度为毫米量级，活度为数百毫居至数百居里(1×10¹⁰~3×10¹³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。在某些只需要检查客体表层的场合，可选用低能γ射线源，如¹⁹²Ir甚至²⁴¹Am等。射线源的具体“活度”视需要而定，原则上应尽量选用较小的。本发明所采用的⁶⁰Co及¹⁹²Ir射线源的比活度及活度范围均同已在工业无损检测领域内广泛应用的“γ探伤机”基本相符，而后者已有大量定型产品供应。本发明的射线源可以采用此类自带屏蔽容器的“γ探伤机”。

“笔形射线束”发生器如图4所示。内层屏蔽容器6是静止不动的，γ射线源5从它的侧面导孔放入，并用常规手段固定与锁紧，确保该射线源不会掉出，而且不可能被非专职管理人员拆卸开。在内层屏蔽容器6的中央加工有张角为a的纵向扇形狭缝(张角a的大小根据被测客体的大小进行设定，没有严格的要求，其范围最大不能超过180°，)，将射线源发出的γ射线准直成张角为a的扇形片状束。该狭缝的宽度应与射线源的尺寸相同或略小。外层屏蔽容器由两部分组成。中央部分是一个能围绕内层容器旋转的屏蔽环7(可用常规旋转机构实现)，其上加工有一个或多个狭缝状孔，方向与内层屏蔽容器6的扇形狭缝垂直。另一部分是填充包覆在内层容器6与外层屏蔽环7之间的屏蔽体8，这也是静止不动的。内屏蔽容器6两端由支架9与底座10支撑、固定。由于外层屏蔽环7的狭缝状孔与内层屏蔽容器6上的纵向扇形狭缝垂直，穿过了这两道狭缝再射出的γ射线已被准直成“笔形射线束”。当外层屏蔽环7旋转，此“笔形射线束”将沿其旋转方向、在张角a的范围内周期性地扫描。当屏蔽环7上的狭缝数为n，那么它每旋转一次，将实现“笔形射线束”在a张角范围中的n次扫描。屏蔽环7上的狭缝数n不得大到使a张角范围内能包容下两个或更多的狭缝。屏蔽环7上的狭缝可以窄到与内层屏蔽容器狭缝的宽度相同。

此外，也可令外层屏蔽环7在某一角度内来回摆动，使得“笔形射线束”沿一定方向反复扫描。此时，外层屏蔽环7上可只加工一个狭缝孔，但相邻两次扫描的信号采集、处理与显示的时序是相反的。此时，由于整个扫描过程中，外屏蔽环7上的狭缝孔只在内层容器6的狭缝张角内摆动，其它方位的射线防护屏蔽问题更容易解决。

设备箱1中的γ背散射探测器11用以测量“笔形射线束”在客体物质上产生的背散射强度。由于⁶⁰Coγ射线产生的背散射光子能量为212keV左右，其它放射源γ射线产生的背散射光子能量更低，因而所采用的必须是具有薄入射窗的低能射线探测器，如薄窗气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器及液体射线探测器等。带薄窗的充气电离室对低能射线有很高的灵敏度，而且稳定、可靠，是很适用的一种γ背散射探测器。为了提高探测灵敏度，设备箱中的背散射探测器11可由多个单独的探测器并联而成(图中所示为6个)，这并不会影响到检测装置的空间分辨率。

为了提高背散射影像质量，设备箱1内还可设置附加准直器12。这是由两个相互平行的金属(铁或铅等)块构成，中间留有一定宽度的狭缝，用于进一步改善“笔形射线束”的准直程度。

为能获得客体的背散射二维数字影像，除了“笔形射线束”的扫描外，还必须实现客体与检测设备箱之间的相对平移运动。这要由拖动与运载机构2来实现。

一种简便的方式是令客体不动，而将检测设备箱装在导轨上，由拖动机构使之做平移运动。另一种方式是检测装置不动而另由拖动系统将被检客体匀速拖拽，通过射线扫描区。当被检查的是集装箱等大型客体，采用前一种模式有利。当被检客体较小，或现场已设有现成的拖动机构，则采用后一种模式也有优越性。

信号采集与处理系统3包括前置放大器、数据采集电路和计算机信号与图像处理系统等。这里与一般情况不同的是，要依靠“时间同步控制系统”将不同时段采集到的探测器信号与该时刻“笔形射线束”射到客体上的位置相联系起来，从而形成背散射影像。已在各种类型钴-60集装箱检测系统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。

为提高机动性，检测设备箱1、信号采集与处理系统3连同导轨与拖动机构2均可安置在同一辆检测车上。当进行检测时，先将检测车驶到被检客体旁边足够近的距离之内，然后开启检测设备箱1中的“笔形射线束”发生器、仪器与计算机系统3以及拖动机构2来进行扫描检测。在检测设备箱1沿着导轨作平移扫描运动的同时，计算机屏幕上将实时显示出扫描区域内被检客体的数字背散射影像，供检查员判定其中是否存在违禁物品。如果扫描区域不够大，可改变检测车位置或升、降检测设备箱1来检查其它各个可疑之处。

本发明检测方法实施例的具体步骤为：

1.由“笔形束发生器”(屏蔽容器)与设置其内的γ射线源以及背散射探测器等构成的检

  测单元安置在一设备箱内，并设置在被检客体的一侧；

2.令自“笔形射线束发生器”射出的“笔形”γ射线束周期性地扫描客体；

3.使用拖动机构在被测客体与所说的检测单元间实现沿垂直于γ射线束扫描面方向的相对平移运动；

4.由所说的背散射探测器同步测量客体被γ射线束照射时各部位产生的背散射，并将测得信号按时序排列、转换为被检客体的背散射数字图像，从而实现对被检客体的γ背散射无损检测。

5.所用γ射线源为⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir、¹³³Ba或²⁴¹Am等放射性同位素。

6.用“笔形γ射线束”周期性地扫描客体的方法是，依靠由所说的“笔形束发生器”(屏蔽容器)中加工有同固定不动的内层屏蔽容器上扇形狭缝相垂直的狭缝状孔的外层屏蔽环围绕内层屏蔽容器旋转或摆动，而产生“笔形”γ射线束并周期性地扫描客体。

本发明检测装置的实施例为一种主要用于集装箱或货车检测的γ背散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10居里(~3.7×10¹¹贝可)的高比活度⁶⁰Co射线源，置于“笔形射线束”发生器内层屏蔽容器6之中。该发生器的内层屏蔽容器6的扇形狭缝的张角，选为45°左右，而外层屏蔽环7上共加工有6个片状狭缝，使得它每旋转一次，能实现“笔形射线束”的6次扫描。选择狭缝宽度为2毫米，使得“笔形射线束”射到被检客体4表面时的截面积约为5×5mm²左右，以保证足够好的空间分辨率。背散射探测器11选用薄窗型充气电离室，共有6个，相互并联在一起，以进一步提高探测灵敏度。以上各部分均安装在外形尺寸约为1×1×1m³的检测设备箱1中。该设备箱1又置于带水平导轨的拖动机构2上，能按指令作平移扫描运动。信号采集与处理系统3置于设备箱1旁的小型检测室内，检查员即在此处工作。全部检测设备箱1、拖动机构2以及信号采集与处理系统(检测室)3都安置在一辆小型卡车上，能按要求驶到需要检查的集装箱或货车(客体4)旁边进行检测。所述的背散射检测装置的检查深度可以达到数十毫米铁(相当于数十厘米水)的质量厚度，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 (7)

1、一种γ背散射成像无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将由屏蔽容器及设置其内的γ射线束源，探测器构成的检测单元设置在被检客体的同一侧；

2)由所说的射线源射出并被准直的γ射线束周期性地扫描客体；

3)使用拖动机构将被测客体与所说的检测单元间实现沿垂直于γ射线束扫描面方向的相对平移运动；

4)由所说的探测器同步测量客体被γ射线束照射时各部位产生的背散射，并将测得信号按时序排列、转换为被检客体的二维的背散射数字图像，从而实现对被检客体的γ背散射无损检测；

所说的射线源为⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir或²⁴¹Amγ放射性同位素；

所说的γ射线束周期性地扫描客体的方法是依靠由所说的屏蔽容器中具有同固定不动的内层屏蔽容器上扇形狭缝相垂直的狭缝状孔的外层屏蔽环围绕内层屏蔽容器旋转或摆动而产生“笔形”γ射线束并实现周期性地扫描客体。

2、一种γ背散射成像无损检测装置，包括辐射防护屏蔽装置及设置在其内的γ射线源，探测器与信号采集与处理单元，其特征在于，所说的γ射线源及其辐射防护屏蔽装置、探测器均置于被检客体的同一侧的设备箱内，所说的探测器为由一个或多个器件组成背散射探测器；所说的γ射线源及其辐射防护屏蔽装置为由一个复合型屏蔽罐构成的笔形射线束发生器，它包括一固定不动的内层射线源屏蔽容器，其上开有一个扇形狭缝，一个能围绕内层容器不断旋转或摆动的外层屏蔽环，其上开出一个或多个方向与从内层容器射出的片状射线束面相垂直的窄缝状孔。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，所说的内层屏蔽容器上的狭缝的宽度应与射线源的尺寸相同，所说的外层屏蔽环上的狭缝宽度大于、等于内层屏蔽容器狭缝的宽度。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，在所说的笔形射线束发生器的内层屏蔽容器与外层屏蔽环之间填充包覆有用以防止漏射线的屏蔽体。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所说的背散射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种。

6、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所说的设备箱与被检客体通过拖动机构实现相对平移运动。

7、如权利要求2或6所述的装置，其特征在于，所说的设备箱设有提升机构。

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