CN1959387A - 用快中子和连续能谱x射线进行材料识别的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法及其装置，涉及大型客体辐射成像检测技术领域。本发明方法的主要步骤为：①用快中子源和连续能谱X射线源分别发射的快中子束和连续能谱X射线束穿透被检客体，直接测量快中子束和连续能谱X射线束并分别扫描成像。②利用快中子束和连续能谱X射线束衰减的不同所形成的曲线进行材料识别。本发明采用仅和被检客体的等效原子序数Z有关的n－x曲线进行材料识别，利用连续能谱X射线具有的高穿透力，在满集装箱或被检物很厚的情况下，也能进行材料识别，具有设备简单、成像清晰、实时检测准确率高的特点。

Description

用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法及其装置
技术领域
本发明涉及集装箱等大型客体辐射成像检测技术领域，特别是直接测量快中子和加速器等X射线源产生的连续能谱X射线衰减进行材料识别的方法和装置。
背景技术
随着反恐形势的日趋严峻，具有爆炸物、毒品、违禁物自动识别功能的辐射成像集装箱检测系统成为紧迫的市场需要。现有的集装箱等大型客体的材料识别技术，包括X射线高能双能成像技术、中子活化技术及集装箱CT，都越来越受到人们的重视。
X射线高能双能成像技术利用康普顿效应和电子对效应的衰减程度差异，判定被检物的等效原子序数，从而区分不同物质。但由于加速器发出的连续谱X射线高、低能之间存在干扰，即使加上能量整形也只能减少部分干扰，只能用来区分有机物、无机物、混合物。同位素源可以提供单能γ射线，但能量差异太小、穿透力太低，不适用于集装箱等大型客体的检测和材料识别设备。
用于集装箱检查的中子活化技术有基于飞行时间法的3维成像PFNA系统，但造价昂贵、检测速度太慢。热中子俘获γ穿透力太低。现有的Cf-252中子源集装箱检查装置不能做在线实时测量，只能待其它手段检查出可疑物品后，才能对可疑位置进行中子活化检测。
集装箱CT技术所需设备过于庞大，且由于速度较慢无法用于实时测量。
澳大利亚CSIRO Minerals研制出一种直接测量单能快中子和单能γ射线的装置(CSIRO contraband scanner)。这种装置利用衰减系数之比来区分不同材料，用于航空集装箱的爆炸物、毒品、违禁物检测。和X射线高能双能技术相比，单能快中子和单能γ射线双能技术材料分辨能力更强。和中子活化技术相比，单能快中子和单能γ射线双能技术测量的是一次射线，探测校率远高于中子活化技术测量的二次射线的探测效率，穿透力远大于热中子。和集装箱CT相比，设备体积小、造价低、可作实时测量。但这种利用衰减系数比来区分不同材料的单色能量双能技术最大的缺陷是它只能用同位素源作为它的单能γ射线源。而同位素源用作集装箱检查装置穿透力太低、空间分辨率太差、图像质量差、辐射安全管理困难。这种装置只能提供低分辨的集装箱扫描图像，和LINAC集装箱检查系统提供的优质扫描图像相比，很难为用户接受。由于γ射线穿透力太低，在满集装箱或被检物很厚的情况下，不能进行材料识别，这样也大大限制了它的应用范围。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法及其装置。本发明采用仅和被检客体的等效原子序数Z有关的n-x曲线进行材料识别，利用连续能谱X射线和快中子具有的高穿透力，在满集装箱或被检物很厚的情况下，也能进行材料识别，具有设备简单、成像清晰、检测准确率高的特点。
为了达到上述的发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其主要步骤为：
①用快中子源和连续能谱X射线源分别发射的快中子束和连续能谱X射线束穿透被检客体，直接测量快中子束和连续能谱X射线束并分别扫描成像。
②利用快中子束和连续能谱X射线束衰减的不同所形成的曲线进行材料识别。
在上述方法中，所述快中子源包括中子发生器产生的脉冲快中子源、同位素中子源和光中子源。所述连续能谱X射线源包括电子直线加速器和X光机。
在上述方法中，所述光中子源是由电子直线加速器产生的连续能谱脉冲X射线束分流后打在光中子转换靶上产生，具体的方法步骤为：连续能谱脉冲X射线束经分流后，一路通过X射线准直器形成X射线源，另一路打在光中子转换增强靶上产生光中子，经准直器形成光中子束。
在上述方法中，所述对快中子束和连续能谱X射线束的测量分别采用对快中子和X射线具有高探测效率的中子探测器和X射线探测器。
在上述方法中，所述由快中子源和中子探测器形成的中子扫描架以及由连续能谱X射线源和X射线探测器形成的X射线扫描架在扫描方向并排放置，使被检客体先通过X射线扫描架再通过中子扫描架。
在上述方法中，所述中子发生器产生的脉冲快中子源相对于电子直线加速器产生的连续能谱X射线源的发射时间有一定的延迟。
在上述方法中，所述步骤②中利用曲线进行材料识别的方法为：用中子探测器测量穿透被检客体的中子强度为Tn，用X射线探测器测量穿透被检客体的X射线强度为Tx；以c1＝-lnTx*scale为横坐标，以c2＝-lnTn*scale为纵坐标，成对的点(c1，c2)构成只和等效原子系数Z有关的n-x曲线；中子扫描图像的一个像素的灰度值对应于X射线扫描图像的一个或几个像素的灰度的均值来查找n-x曲线，用不同颜色在扫描图像上表示不同的材料。
实现上述用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的一种装置，它包括检测通道和可置于其上的被检客体。其结构特点是，它还包括快中子源、连续能谱脉冲X射线源、中子探测器和X射线探测器。所述快中子源和连续能谱脉冲X射线源置于检测通道的一侧，中子探测器和X射线探测器置于检测通道的另一侧。使快中子源发出并通过中子束准直器准直的快中子束以及连续能谱脉冲X射线源发出并通过X射线束准直器准直的连续能谱X射线束穿透被检客体后分别正对中子探测器和X射线探测器。
在上述装置中，所述快中子源采用中子发生器产生的脉冲快中子源或者同位素中子源，所述产生连续能谱脉冲X射线源为电子直线加速器或X光机。
在上述装置中，所述由快中子源和中子探测器形成的中子扫描架以及由连续能谱X射线源和X射线探测器形成的X射线扫描架在检测通道内并排放置，使被检客体先通过X射线扫描架再通过中子扫描架。
实现上述用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的另一种装置，它包括检测通道和可置于其上的被检客体。其结构特点是，它还包括可产生连续能谱脉冲X射线源和光中子源的加速器、中子探测器和X射线探测器。所述加速器置于检测通道的一侧，中子探测器和X射线探测器置于检测通道的另一侧。所述加速器的连续能谱脉冲X射线源的前端置有双通道分流准直器，一路X射线束通过双通道分流准直器中的X射线束准直器形成连续能谱脉冲X射线束，另一路X射线束通过双通道分流准直器中的分流准直器进入光中子增强腔中并打在光中子转换增强靶上产生光中子。光中子经与光中子增强腔相连的光中子通道形成光中子束，光中子束和连续能谱X射线束穿透被检客体后分别正对中子探测器和X射线探测器。
在上述装置中，所述由连续能谱脉冲X射线源发出的连续能谱X射线束和光中子束分别与X射线探测器和中子探测器形成X射线扫描架和中子扫描架，在检测通道内并排放置，使被检客体先通过X射线扫描架再通过中子扫描架。
在上述装置中，所述光中子转换增强靶的材料为铍，光中子转换增强靶的形状为圆弧形、圆柱形、圆锥形或者L形。
在上述装置中，所述光中子增强腔中的光中子转换增强靶和光中子通道之间设有铋滤波片。
在上述装置中，所述光中子增强腔采用铅和石墨混合材料制成。
本发明由于采用了上述的技术方案，利用快中子和连续能谱X射线透射衰减强度不同构成的和被检物厚度无关、只和被检物的等效原子系数Z有关的n-x曲线进行材料识别，设备简单、检测效率高。被检客体先通过X射线扫描架，后通过中子扫描架，消除了中子活化产生的γ射线对X射线扫描图像的影响，并控制脉冲中子束的发射时间相对于脉冲X射线束发射时间有一定的延迟，这样可以减少相互干扰、成像更清晰。中子束和X射线束都是窄束，减小了散射影响，易于防护，并能提高空间分辨率。本发明在满集装箱或被检物很厚的情况下，也能进行材料识别，可用于集装箱、货柜车、火车等大型客体的爆炸物、毒品、违禁物、特殊核材料等物品检测。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明一种实施装置的结构示意图；
图2为本发明另一种实施装置的结构示意图；
图3为本发明的中子束和X射线束发射装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
参看图1，本发明装置包括检测通道32、可置于其上的被检客体34、快中子源12、连续能谱脉冲X射线源22、分别对中子和X射线具有高探测效率的中子探测器18和X射线探测器28。快中子源12采用中子发生器产生的脉冲快中子源或者同位素快中子源，连续能谱脉冲X射线源22为电子直线加速器或X光机。快中子源12和连续能谱脉冲X射线源22置于检测通道32的一侧，中子探测器18和X射线探测器28置于检测通道32的另一侧。使快中子源12发出并穿过中子束准直器的快中子束16以及连续能谱脉冲X射线源22发出并穿过X射线束准直器的连续能谱X射线束26穿透被检客体34后分别正对中子探测器18和X射线探测器28。所形成的中子扫描架以及X射线扫描架在检测通道32内并排间隔放置，并使沿被检客体34运行方向X射线扫描架在前、中子扫描架在后。
本发明装置使用时的方法步骤为：
①将快中子源12和中子探测器18形成的中子扫描架以及由连续能谱X射线源22和X射线探测器28形成的X射线扫描架在扫描方向并排放置，使被检客体34先通过X射线扫描架再通过中子扫描架。用中子发生器产生的脉冲快中子源12或同位素快中子源12和加速器或X光机产生的连续能谱X射线源22分别发射的快中子束16和连续能谱X射线束26穿透被检客体34，用中子探测器18和X射线探测器28分别直接测量快中子束16和连续能谱X射线束26并分别扫描成像。若使用的是中子发生器产生的脉冲快中子源12，则要求脉冲快中子源12相对于加速器产生的连续能谱X射线源22的发射时间有一定的延迟。
②利用快中子束16和连续能谱X射线束26衰减的不同所形成的曲线进行材料识别。材料识别的方法为：用中子探测器18测量穿透被检客体34的中子强度为Tn，用X射线探测器28测量穿透被检客体的X射线强度为Tx；以c1＝-lnTx*scale为横坐标，以c2＝-lnTn*scale为纵坐标，成对的点(c1，c2)构成只和等效原子系数Z有关的n-x曲线。中了扫描图像的一个像素的灰度值对应于X射线扫描图像的一个或几个像素的灰度的均值来查找n-x曲线，用不同颜色在扫描图像上表示不同的材料。
上述用Tn和Tx得到被检物34的等效原子序数Z的方法为：
窄束单能中子束在被检物中的衰减遵守指数规律：
I n = I n 0 e - μ n x - - - ( 1 )
式中：
In：透射中子束强度，
In0：入射中子束强度，
μn：被检物对入射中子的衰减系数总和，
x：被检物厚度，
窄束连续能谱中子束在被检物中的衰减公式：
I n = ∫ 0 Enb I no ( E ) e - μ n ( E , Z ) x dE - - - ( 2 )
式中：
In0(E)：能量为E的入射中子束强度，
μn(E，Z)：等效原子系数为Z的被检物对能量为E的中子的衰减系数和，
Enb：中子束的边界能量，
窄束连续能谱X射线在被检物体中的衰减公式：
I x = ∫ 0 Exb I x 0 ( E ) e - μ x ( E , Z ) x dE - - - ( 3 )
式中：
Ix：透射X射线束强度，
Ix0(E)：能量为E的入射X射线束强度，
μx(E，Z)：等效原子系数为Z的被检物对能量为E的X射线束的衰减系数和，
Exb：X射线束的边界能量，
在中子束16和X射线束26同为连续能谱的情况下，用下列非线性积分方程组对材料进行识别：
T n ( E , x , Z ) = ∫ 0 E nb I n 0 ( E ) e - μ n ( E , Z ) x dE ∫ 0 E nb I n 0 ( E ) dE T x ( E , x , Z ) = ∫ 0 E xb I x 0 ( E ) e - μ x ( E , Z ) x dE ∫ 0 E xb I x 0 ( E ) dE - - - ( 4 )
式中：
Tn(E，x，Z)：表示等效原子序数为Z、厚度为x的物质对边界能量为Enb的中子束的透明度，
Tx(E，x，Z)：表示等效原子序数为Z、厚度为x的物质对边界能量为Exb的X射线束的透明度，
在中子束16为单能En，而X射线束26为连续能谱的情况下，
用下列非线性积分方程组对材料进行识别：
T n ( E n , x , Z ) = I n 0 e - μ n ( E n , Z ) x T x ( E , x , Z ) = ∫ 0 E xb I x 0 ( E ) e - μ x ( E , Z ) x dE ∫ 0 E xb I x 0 ( E ) dE - - - ( 5 )
通过求解非线性积分方程组(4)或(5)，消去被检物34厚度x，推出被检物34的等效原子序数Z。
本发明在进行材料检测时，可通过同时移动中子扫描架和X射线扫描架对放置在检测通道32上的集装箱或其它大型客体进行扫描检测，也可固定中子扫描架和X射线扫描架，而使被检集装箱或其它大型客体在检测通道32上移动完成扫描检测。
实施例二
参看图2和图3，本发明包括检测通道32、可置于其上的被检客体34、可产生连续能谱脉冲X射线源和光中子源的加速器42、中子探测器18和X射线探测器28。加速器42置于检测通道32的一侧，中子探测器18和X射线探测器28置于检测通道32的另一侧。加速器42的连续能谱脉冲X射线源22的前端置有双通道分流准直器52，一路X射线束通过双通道分流准直器52中的X射线束准直器形成连续能谱脉冲X射线束26，另一路X射线束58通过双通道分流准直器52中的分流准直器进入采用铅和石墨混合材料制成的光中子增强腔50中并由L形的光中子转换增强靶56产生光中子。光中子经光中子增强腔50中的铋滤波片60和光中子通道51形成光中子束16，光中子束16和连续能谱X射线束26穿透被检客体34后正对中子探测器18和X射线探测器28。由连续能谱脉冲X射线源22发出的连续能谱X射线束26和光中子束16分别与X射线探测器28和中子探测器18形成X射线扫描架和中子扫描架，在检测通道32内并排放置，沿被检客体运行方向X射线扫描架在前，中子扫描架在后并相隔一定距离。
本发明装置使用时的方法步骤与实施例一相同，在此不再赘述。

Claims (15)

1、用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其主要步骤为：
①用快中子源和连续能谱X射线源分别发射的快中子束和连续能谱X射线束穿透被检客体，直接测量快中子束和连续能谱X射线束并分别扫描成像；
②利用快中子束和连续能谱X射线束衰减的不同所形成的曲线进行材料识别。
2、根据权利要求1所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其特征在于，所述快中子源包括中子发生器产生的脉冲快中子源、同位素中子源和光中子源，所述连续能谱X射线源包括电子直线加速器和X光机。
3、根据权利要求2所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其特征在于，所述光中子源是由电子直线加速器产生的连续能谱脉冲X射线束分流后打在光中子转换靶上产生，具体的方法步骤为：电子直线加速器产生的连续能谱脉冲X射线束经分流后，一路通过X射线准直器形成X射线束，另一路打在光中子转换增强靶上产生光中子，经准直器形成光中子束。
4、根据权利要求1、2或3所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其特征在于，所述对快中子束和连续能谱X射线束的测量分别采用对快中子和X射线具有高探测效率的中子探测器和X射线探测器。
5、根据权利要求4所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其特征在于，所述由快中子源和中子探测器形成的中子扫描架以及由连续能谱X射线源和X射线探测器形成的X射线扫描架在扫描方向并排放置，使被检客体先通过X射线扫描架再通过中子扫描架。
6、根据权利要求5所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其特征在于，所述中子发生器产生的脉冲快中子源相对于电子直线加速器产生的连续能谱X射线源的发射时间有一定的延迟。
7、根据权利要求1所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别的方法，其特征在于，所述步骤②中利用曲线进行材料识别的方法为：用中子探测器测量穿透被检客体的中子强度为Tn，用X射线探测器测量穿透被检客体的X射线强度为Tx；以c1＝-lnTx*scale为横坐标，以c2＝-lnTn*scale为纵坐标，成对的点(c1，c2)构成只和等效原子系数Z有关的n-x曲线；中子扫描图像的一个像素的灰度值对应于X射线扫描图像的一个或几个像素的灰度的均值来查找n-x曲线，用不同颜色在扫描图像上表示不同的材料。
8、实现权利要求1所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，它包括检测通道(32)和可置于其上的被检客体(34)，其特征在于，它还包括快中子源(12)、连续能谱脉冲X射线源(22)、中子探测器(18)和X射线探测器(28)，所述快中子源(12)和连续能谱脉冲X射线源(22)置于检测通道(32)的一侧，中子探测器(18)和X射线探测器(28)置于检测通道(32)的另一侧，使快中子源(12)发出并通过中子束准直器准直的快中子束(16)以及连续能谱脉冲X射线源(22)发出并通过X射线束准直器准直的连续能谱X射线束(26)穿透被检客体(34)后分别正对中子探测器(18)和X射线探测器(28)。
9、根据权利要求8所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，其特征在于，所述快中子源(12)采用中子发生器产生的脉冲快中子源或者同位素中子源，所述产生连续能谱脉冲X射线源(22)为电子直线加速器或X光机。
10、根据权利要求9所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，其特征在于，所述由快中子源(12)和中子探测器(18)形成的中子扫描架以及由连续能谱X射线源(22)和X射线探测器(28)形成的X射线扫描架在检测通道(32)内并排放置，使被检客体(34)先通过X射线扫描架再通过中子扫描架。
11、实现权利要求1所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，它包括检测通道(32)和可置于其上的被检客体(34)，其特征在于，它还包括可产生连续能谱脉冲X射线源和光中子源的加速器(42)、中子探测器(18)和X射线探测器(28)，所述加速器(42)置于检测通道(32)的一侧，中子探测器(18)和X射线探测器(28)置于检测通道(32)的另一侧，所述加速器(42)的连续能谱脉冲X射线源(22)的前端置有双通道分流准直器(52)，一路X射线束通过双通道分流准直器(52)中的X射线束准直器准直形成连续能谱脉冲X射线束(26)，另一路X射线束(58)通过双通道分流准直器(52)中的分流准直器进入光中子增强腔(50)中并打在光中子转换增强靶(56)上产生光中子，光中子经与光中子增强腔(50)相连的光中子通道(51)形成光中子束(16)，光中子束(16)和连续能谱X射线束(26)穿透被检客体(34)后分别正对中子探测器(18)和X射线探测器(28)。
12、根据权利要求11所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，其特征在于，所述由连续能谱脉冲X射线源(22)发出的连续能谱X射线束(26)和光中子束(16)分别与X射线探测器(28)和中子探测器(18)形成X射线扫描架和中子扫描架，在检测通道(32)内并排放置，沿使被检客体(34)先通过X射线扫描架再通过中子扫描架。
13、根据权利要求11或12所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，其特征在于，所述光中子转换增强靶(56)的材料为铍，光中子转换增强靶(56)的形状为圆弧形、圆柱形、圆锥形或者L形。
14、根据权利要求13所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，其特征在于，所述光中子增强腔(50)中的光中子转换增强靶(56)和光中子通道(51)之间设有铋滤波片(60)。
15、根据权利要求14所述的用快中子和连续能谱X射线进行材料识别方法的装置，其特征在于，所述光中子增强腔(50)采用铅和石墨混合材料制成。
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