CN1217185C

CN1217185C - 箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统

Info

Publication number: CN1217185C
Application number: CN 03147875
Authority: CN
Inventors: 安继刚; 刘以思; 向新程; 邬海峰; 吴志芳; 王立强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: CN1460849A

Abstract

箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统属于核技术应用领域，特别涉及到箱包或行李的辐射成像检测技术领域。其特征在于，DR子系统和CT子系统均采用高比活度¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源，该γ射线源放在一个屏蔽容器中，该屏蔽容器固定在机架上，阵列探测器采用适于接收¹⁹²Ir放射性同位素的γ射线源的阵列探测器；其特征在于DR子系统采用X射线源，CT子系统采用高比活度¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源。本发明既获得高空间分辨率投影图像又获得高密度分辨率的断层影像，能查明箱包或行李内是否有易燃易爆等违禁品。本发明的辐射能量高，穿透力强，价格低廉，使用寿命长，体积小，尤其适用于机场或其它重要部门。

Description

箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统

技术领域：

箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统属于核技术应用领域，特别涉及到箱包或行李的辐射成像检测技术领域。

背景技术：

现有的箱包或行李辐射成像检测系统都是以X射线机为辐射源，其高压为100～200kV。目前国内普遍使用的X射线箱包检测系统是依靠平移扫描获得箱包的投影图像。在投影图像上，箱包内物品的影像相互重叠，而图像各点的灰度则由投影途径上的总质量厚度决定。从这种DR型辐射成像检测系统所提供的箱包投影图像上，难以判别物品的材料性质，因而不能胜任查找炸药、毒品与易燃危险品方面的要求。为克服这一缺点，美国一些重要机场开始安装新的箱包辐射成像检测装置(为美国专利5,182,764及美国专利5,367,552所公开)。该检测装置实际是由原先的DR型X射线检测系统同CT型X射线检测系统串联组合而成。它依据X射线CT系统获得的断层影像按密度来判别物品的材料性质。为了提高通过率，先由X射线DR检测系统获得箱包的投影图像，根据投影图象判断哪些部位需要作进一步的CT检测，再由X射线CT检测系统获取这些部位的断层影像，查找炸药、毒品与易燃等违禁危险品，并显示和报警。

这种新型箱包检测系统仍然使用X射线机做辐射源，其中CT检测系统的X射线机还必须围绕箱包快速旋转。这种X射线机检测系统的主要缺陷是：

1.X射线平均能量低

上述检测系统的X射线机高压为100～200kV，所产生X射线的平均能量仅为30～70keV。如此低的X射线能量导致检测系统的穿透本领差，对于较重箱包的检测效果不佳。

2.X射线机结构复杂、笨重

在CT检测系统部分，X射线机的主要部件，包括X射线管装置与高压电源，都要同阵列探测器一起围绕客体快速旋转(例如，720°/s)以提高通过率。笨重、复杂的X射线管装置与高压电源给实现高旋转速度带来很大困难。

3.工作寿命短

CT检测装置X射线管的工作寿命是按所完成的总断层扫描次数来计量的。因此，通过率(单位时间内检查的箱包数)越高，X射线管的持续工作时间越短。例如，一般CT检测装置的X射线管可完成十万次左右断层扫描。如果按照每小时检查360个箱包的通过率以及对每个箱包进行3个断层扫描来估计，X射线管的工作寿命将只有大约92小时。按每天工作8小时计算，经过12天左右，X射线管就需要更换了。这大大增加了此种X射线检测系统的运行成本与维护工作量。

4.X射线照射野小

由X射线产生机制决定，它的空间分布是不均匀的，带有前冲性。一般100～200kVX射线机的照射野张角为42°左右。为使X射线照射野包容被检客体，CT装置的规模尺寸必须足够大，将导致设备占地与重量的增加。

5.价格昂贵

能够随同旋转机架快速运动的紧凑型高压电源及X射线管装置的价格十分昂贵。加上其它部件，美国此种带CT检测系统的箱包检测装置的总价格高达百万美元左右。这将严重地限制此种检测装备的推广应用。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有X射线检测系统的不足，提供一种以中低能γ射线放射性同位素(¹⁹²Ir)作为射线源的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其辐射能量高，穿透力强，能够获得高质量的影像，具备物品材质判别功能。另外其成本低廉，规模尺寸小，工作寿命长，其CT子检测系统能进行高速旋转扫描，利于实现箱包或行李检测的高通过率。

本发明所提出的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，包括以平移扫描获取行李投影图像的DR子系统和以旋转扫描获取行李断层影像的CT子系统，所述DR子系统含有固定式机架，拖动机构，以及固定在固定式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；所述CT子系统含有旋转式机架、拖动机构，以及固定在旋转式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；其特征在于：

所述CT子系统的射线源是高比活度¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源，所述γ射线源装在一个开有出射口的屏蔽容器中，该屏蔽容器固定在所述旋转式机架上，所述阵列探测器是适于探测¹⁹²Ir放射性同位素的γ射线的阵列探测器；

所述DR子系统的射线源是高比活度¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源，所述γ射线源装在一个开有出射口的屏蔽容器中，该屏蔽容器固定在所述固定式机架上，所述阵列探测器是适于探测¹⁹²Ir放射性同位素的γ射线的阵列探测器。

其特征还在于，所述CT子系统和DR子系统中¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源的活度均低于11TBq。所述CT子系统中的阵列探测器是充气阵列电离室、多丝正比室、盖格计数管阵列、闪烁探测器或半导体阵列探测器之一种。所DR子系统中的阵列探测器是闪烁体-光二极管阵列探测器或充气阵列电离室中的一种。所述CT子系统和DR子系统中γ射线源屏蔽容器的照射野张角均大于40°。

本发明所提出的另一种箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，包括以平移扫描获取行李投影图像的DR子系统和以旋转扫描获取断层影像的CT子系统，所述DR子系统含有固定式机架，拖动机构，以及固定在固定式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；所述CT子系统含有旋转式机架、拖动机构，以及固定在旋转式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；其特征在于：

所述DR子系统的射线源是x射线源。

其特征还在于，所述CT子系统中¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源的活度低于11TBq。所述CT子系统的阵列探测器是充气阵列电离室、多丝正比室、盖格计数管阵列、闪烁探测器或半导体阵列探测器之一种。所述CT子系统中γ射线源屏蔽容器的照射野张角大于40°。

试验证明，本发明所提出的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其辐射能量高，穿透力强，价格低廉，使用寿命长，体积小，尤其有利于CT子系统提高旋转扫描速度，实现高通过率。

附图说明：

图1是箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统的总结构图；

图2是箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统的侧视图；

图3是箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统的DR子系统正视图；

图4是箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统的CT子系统正视图；

图5a是带屏蔽阀的射线源屏蔽容器的正视图，图5b是图5a的侧视图，图5c是图5a的俯视图。

具体实施方式：

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

先介绍一下箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统的结构和工作方式。

如图1、图2、图3和图4，本发明的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统也是由DR子系统1和CT子系统2串联组成。DR子系统1通过辐射扫描平移的被检测物3来获取其投影图像，CT子系统2通过旋转扫描获取被测物3的有关部位的断层影像，并通过密度判断被测物3内是否包含易燃易爆、毒品等违禁物品。DR子系统主要包括固定式机架1-6、平移拖动机构1-7，和固定在机架上的内部装有¹⁹²Ir射线源1-1的屏蔽容器1-2、前准直器1-3，后准直器1-4、阵列探测器1-5；CT子系统主要包括旋转机架2-6，能连续或“步进”地拖动箱包的平移拖动机构2-7，以及固定安装在旋转式机架2-5上的内部装有¹⁹²Ir射线源2-1的屏蔽容器2-2、前准直器2-3、后准直器2-4、阵列探测器2-5。前、后准直器由铅、铁等金属或合金制成，用于将射线准直为片状，同时去除散射线的影响。图中2-8是CT子系统的机座。

本发明的检测系统与现有技术的DR-CT检测系统的工作方式是相同的。在检测过程中，被测物3(箱包或行李)先平移通过DR子检测系统，射线经过前准直器1-3形成片状辐射区，对被测物3进行平移扫描后，出射的射线经过后准直器1-4再一次准直后，由阵列探测器1-5接收，并通过数据处理系统转换为投影图像。检查员可以根据投影图像中的轮廓及灰度初步确定要对哪些部位进行材质判断(CT扫描)。在对被测物3进行CT扫描过程中，被测物3的相关部位被拖动机构2-7移至旋转机架2-6的射线源照射野内，射线源2-1、前准直器2-3、后准直器2-4和阵列探测器2-5在旋转机架2-6的带动下，围绕被测物3进行高速旋转扫描(旋转速度可高达360°/s，甚至720°/s)，阵列探测器2-5将探测到的射线经过转换并通过数据处理系统重建生成该被检部位的断层影像，如此检查员可依据影像灰度所代表的物质密度来判断材质，从而断定该部位是否是违禁物品。

本发明用放射性同位素(¹⁹²Ir)替代X射线源，放射性同位素(¹⁹²Ir)能够放射多种能量的γ射线，其主要能量为300keV左右，明显高于X射线的辐射能量，穿透力强，用于辐射扫描能够获得高质量的影像。但放射性同位素(¹⁹²Ir)与X射线相比，其辐射水平较低，¹⁹²Ir放射源在相距1m处的剂量率为0.683cGy/min，而X射线机在同样距离的辐射水平要高出数倍至数十倍。但结合DR子系统和CT子系统的功能需求，本发明对相关的设备进行合理的设计，完全可以避免由于γ射线辐射水平低造成的不利影响。

对于整个检测系统来说，DR子系统和CT子系统的功能不同，它们对于放射源的要求也有所不同。DR子系统的功能是获得高空间分辨率的投影图像，由于保证通过率所需要的平移扫描速度并不高，因而即使采用小探测器像素尺寸，对于辐射水平的要求也不高。对于CT子系统，由于保证通过率需要很高的旋转扫描速度，因而如采用小探测器像素尺寸，则需要相当高的辐射水平。但是，按照本发明的功能定位，CT子系统的功能在于判断被检部位的材质，因而主要应当具备优良的密度分辨率。鉴于即使是危险品，也需要有一定的总量(一定的体积)才能构成威胁，因而不需要CT子系统具有大的分辨率。例如，0.7克的汽油，体积只有1cm³，不会有什么危险。因此，本发明中的CT子系统可采用较大的探测器像素尺寸(如：5×5～10×10mm²)，从而大大降低了对辐射水平的要求。

克服¹⁹²Ir放射性同位素辐射源辐射水平低弱点的又一途径是通过增大照射野张角而缩短射线源与探测器的距离。与X射线机发出的轫致辐射不同，¹⁹²Ir放射性同位素辐射源所发出的γ射线是基本各像同性的，因而能选择远超过前者的大照射野张角。例如，前者的照射野张角一般仅42°，而后者却可大到70°～90°。鉴于辐射强度与距离平方成反比关系，射线源-探测器距离的缩短将明显提高探测器处的辐射水平。

根据DR子系统和CT子系统的不同功能要求，开发了两种行李检测系统，一种是DR子系统和CT子系统均以γ射线的放射性同位素(¹⁹²Ir)作为射线源；另一种是DR子系统仍沿用X射线源，而CT子系统采用γ射线的放射性同位素(¹⁹²Ir)作为射线源。

下面分别介绍本发明的两种行李检测系统。

一、KR子系统和CT子系统均以γ射线的放射性同位素(¹⁹²Ir)作为射线源

放射性同位素(¹⁹²Ir)的γ射线的辐射水平较低，主要影响CT子系统中快速旋转扫描获取并重建的断层影像的质量。这一缺陷可以通过扩大照射野张角来缩短射线源-探测器距离以提高探测器处的辐射水平以及增大探测器像素尺寸来克服。

在CT子系统中，γ射线的放射性同位素(¹⁹²Ir)放在屏蔽容器2-2中，该屏蔽容器固定在旋转式机架2-6上，在检测过程中随旋转式机架2-6围绕被测物3旋转。¹⁹²Ir射线源不需要电源，加上其屏蔽容器的总重量较轻，对于旋转扫描是非常合适的。该屏蔽容器由钨、铅等重金属制成，具有足够厚度，使得射线源发出的γ射线除经过出射口B射出的有用辐射外，其它方向的辐射均被屏蔽到辐射安全标准规定的限值以下，符合各项辐射安全要求。¹⁹²Ir探伤源(射线源)活性区为mm量级，具有双层不锈钢密封包壳，十分安全可靠。屏蔽容器除了用于屏蔽射线外，还将¹⁹²Ir探伤源固定牢固。见图5a，5b，5c，在屏蔽容器上有圆柱形旋转屏蔽阀A，受控制系统的控制而开启和关闭射线源，屏蔽容器的下方开有出射口B，由此出射的γ射线经过前准直器2-3准直后成为片状，穿透被测物，经过后准直器2-4再一次准直，入射到γ射线阵列探测器2-5上。屏蔽容器2-2的屏蔽阀A出口的角度决定了照射野张角θ的大小。为了克服辐射水平低的缺陷，本发明充分发挥¹⁹²Ir放射性同位素源辐射分布基本各向同性的特点，选择大照射野张角(40°～90°)，这样既可以完全覆盖被测物3，又可以缩短射线源-探测器距离，提高探测器处的辐射水平。位于固定式机架下方的阵列探测器2-6可以选用适合于接收γ射线的阵列探测器，但最好采用高压充气阵列电离室、闪烁探测器、半导体探测器、多丝正比室或盖格计数管阵列等高探测效率与高灵敏度的阵列探测器。前、后准直器和阵列探测器的弧长应与γ射线的照射野张角相适应。

为在满足功能定位前提下进一步降低对辐射水平的要求，采用较大的探测器像素尺寸，例如5×5～10×10mm²。在大像素条件下，充气阵列电离室能更好地适应既具有高探测效率与灵敏度又保持极低暗电流(噪声水平)的要求，因而是首选的探测器类型。

DR子系统，采用的也是放射性同位素(¹⁹²Ir)作为射线源，对于屏蔽容器、照射野张角的设计均与CT子系统相同。不同点在于屏蔽容器1-1安装在固定式机架的上。DR子系统的功能定位在于获得被测物的清晰投影图像，需要高空间分辨率(选用小探测器像素尺寸)，但其工作模式是平移扫描，对辐射水平要求并不高，因而使用¹⁹²Ir放射性同位素射线源，并没有困难。DR子系统所用的阵列探测器采用小像素尺寸(例如：2×2或3×3mm²)，最好采用闪烁体-光二极管阵列探测器或充气阵列电离室。

二、DR子系统采用X射线源，CT子系统以γ射线的放射性同位素(¹⁹²Ir)作为射线源

这种设计考虑到DR子系统是从垂直方向扫描检测平放的箱包或行李，穿透客体的距离短，对穿透本领的要求不高，因而100～200kV的X射线机也能满足要求。此外，由于DR子系统对于辐射水平要求不高，用X射线机作为辐射源时，不需要很大的管电流，因而能有较长的工作寿命。CT子系统的设计与第一个方案中的CT子系统的设计是完全相同的。

¹⁹²Ir的半衰期为74天，一般工业¹⁹²Ir探伤源的使用期约为120天。在此期间，该射线源可每天24小时连续工作。因而，采用¹⁹²Ir射线源的检测系统对于机场那种要求检查通过率很高的场合是十分合适的。

下面是本发明的一个具体的实施例：

DR子系统采1采用γ射线源，由安装在固定式机架1-6上的¹⁹²Ir探伤源(射线源)1-1及其屏蔽容器1-2、前准直器1-3、后准直器1-4、阵列探测器1-5及拖动机构1-7组成。所用¹⁹²Ir探伤源1-1的活度为1.95TBq(50居里)。屏蔽容器(带屏蔽阀)1-2主要由钨制成，而前后准直器则为钢铁制造。阵列探测器1-5选用高空间分辨率的充气阵列电离室，其像素大小为3×3mm²，对¹⁹²Irγ射线的探测效率高于40％。该电离室入射窗与射线源的距离为0.95m，照射野张角是72°。所用拖动机构1-7是传输皮带，其拖动箱包的速度可调，最高为12m/min(相当于720个箱包/小时)。

CT子系统2采用γ射线源，由安装在旋转式机架2-6上的¹⁹²Ir探伤源(射线源)2-1及其屏蔽容器2-2、前准直器2-3、后准直器2-4、阵列探测器2-5以及机座2-8与拖动机构2-7组成。所用¹⁹²Ir探伤源2-1的活度为3.7TBq(100居里)。屏蔽容器(带屏蔽阀)2-2主要由钨制成，而前、后准直器则为钢铁制造。阵列探测器2-5选用充气阵列电离室，其像素大小为10×10mm²，对¹⁹²Irγ射线的探测效率高于40％。该电离室入射窗与射线源的距离为1.1m，照射野张角也是72°。环型机架的旋转速度可调，最高为720°/s。拖动机构2-7选用滚轮式，其传输速度或工作模式均可调控，两个子检测系统的拖动机构相互串接，但彼此独立运转。整套检测装置具有同一设备外壳，该外壳兼有射线防护的作用。

Claims

1、箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，包括以平移扫描获取行李投影图像的DR子系统和以旋转扫描获取行李断层影像的CT子系统，所述DR子系统含有固定式机架，拖动机构，以及固定在固定式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；所述CT子系统含有旋转式机架、拖动机构，以及固定在旋转式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；其特征在于：

2、如权利要求1所述的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其特征在于，所述CT子系统和DR子系统中¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源的活度均低于11TBq。

3、如权利要求1所述的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其特征在于，所述CT子系统中的阵列探测器是充气阵列电离室、多丝正比室、盖格计数管阵列、闪烁探测器或半导体阵列探测器之一种。

4、如权利要求1所述的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其特征在于，所DR子系统中的阵列探测器是闪烁体-光二极管阵列探测器或充气阵列电离室中的一种。

5、如权利要求1所述的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其特征在于，所述CT子系统和DR子系统中γ射线源屏蔽容器的照射野张角均大于40°。

6、箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，包括以平移扫描获取行李投影图像的DR子系统和以旋转扫描获取断层影像的CT子系统，所述DR子系统含有固定式机架，拖动机构，以及固定在固定式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；所述CT子系统含有旋转式机架、拖动机构，以及固定在旋转式机架上的射线源，前、后准直器和阵列探测器；其特征在于：

所述DR子系统的射线源是x射线源。

7、如权利要求6所述的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其特征在于，所述CT子系统中¹⁹²Ir放射性同位素γ射线源的活度低于11TBq。

8、如权利要求6所述的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其特征在于，所述CT子系统的阵列探测器是充气阵列电离室、多丝正比室、盖格计数管阵列、闪烁探测器或半导体阵列探测器之一种。

9、如权利要求6所述的箱包或行李的γ辐射成像无损检测系统，其特征在于，所述CT子系统中γ射线源屏蔽容器的照射野张角大于40°。