WO2012000299A1 - 物品检测设备及其检测方法 - Google Patents

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WO2012000299A1
WO2012000299A1 PCT/CN2010/080424 CN2010080424W WO2012000299A1 WO 2012000299 A1 WO2012000299 A1 WO 2012000299A1 CN 2010080424 W CN2010080424 W CN 2010080424W WO 2012000299 A1 WO2012000299 A1 WO 2012000299A1
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WO
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article
photons
detecting
detector array
scatter
Prior art date
Application number
PCT/CN2010/080424
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English (en)
French (fr)
Inventor
杨祎罡
李铁柱
张勤俭
张翼
金颖康
陈庆豪
李元景
刘以农
Original Assignee
清华大学
同方威视技术股份有限公司
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Publication date
Application filed by 清华大学, 同方威视技术股份有限公司 filed Critical 清华大学
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Priority to US13/142,511 priority patent/US8588370B2/en
Priority to PL10854002T priority patent/PL2589955T3/pl
Priority to EP10854002.2A priority patent/EP2589955B1/en
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/20—Detecting prohibited goods, e.g. weapons, explosives, hazardous substances, contraband or smuggled objects
    • G01V5/22—Active interrogation, i.e. by irradiating objects or goods using external radiation sources, e.g. using gamma rays or cosmic rays
    • G01V5/222—Active interrogation, i.e. by irradiating objects or goods using external radiation sources, e.g. using gamma rays or cosmic rays measuring scattered radiation

Definitions

  • the invention relates to the field of radiation detection technology, in particular to an article detecting device for safely detecting dangerous substances such as explosives, chemical substances, biological weapons, nuclear materials and drugs in articles, and a method for detecting the same using the article detecting device.
  • X-rays can be divided into traditional transmission techniques and other types:
  • the attenuation information of the X-ray after penetrating the object is utilized, and then the detector array is used to realize Precision two-dimensional imaging, the resulting image basically reflects the mass thickness information of the object on the X-ray penetration path.
  • the operator analyzes the shape of the image to determine if there is a suspicious specific substance.
  • the fundamental problem with this X-ray method is that it measures the integral of the material's ability to attenuate the X-ray path, so it is possible to treat objects with high Z high density but small thickness and objects with low Z low density but large thickness as the same. This is very unfavorable for the detection of nuclear materials.
  • Nuclear resonance fluorescence is a method of using X-rays to excite nuclei and then measuring the characteristic energy gamma photons emitted by the nuclear degeneration. This method is able to obtain the "fingerprint" information of the nucleus of interest, which is a method worth studying.
  • the problem with this method is that the sensitivity is very low, because the X-ray energy spectrum width at which resonance absorption can occur is very small, so that the detected fluorescence generated by the detected object after X-ray irradiation is small and the photons are scattered a lot, sensitivity and signal noise. More than a challenge. It has been proposed to use a single-energy X-ray source with adjustable energy, but this requires an electron accelerator with a temperature above lOOMeV, which is a new challenge.
  • Neutron technology can be roughly divided into two categories: transmission methods and elemental analysis methods. a) The neutron-based transmission method is similar to the X-ray transmission method, but the neutron is sensitive to low atomic numbers (especially H) and relatively insensitive to high-Z materials, so compared with X-rays, It is better at detecting H-rich substances, but the neutron transmission method measures the integral information on the neutron path and cannot distinguish the elemental composition of a spatial position.
  • the neutron method based on elemental analysis can distinguish different nuclei according to the gamma rays emitted after the reaction with neutrons, thus having the ability of element recognition.
  • some people have increased the ability of three-dimensional spatial resolution, enabling A three-dimensional elemental space imaging of 5 cm X 5 cm X 5 cm is performed on the detected container or vehicle.
  • the elemental analysis method can only be effective for those nuclei with a large cross section with the neutron reaction, such as! ⁇ , C, O (fast neutron reaction), N, H (thermal neutron reaction), etc., for those elements with a small neutron reaction cross section, the sensitivity is poor.
  • the elemental analysis method requires high accuracy for the energy spectrum measurement. Since the neutron-induced gamma energy spectrum is often not single-energy, the detector's response to the single-energy gamma energy spectrum is continuous, so the actual solution Spectrum work is also very difficult.
  • At least one aspect of the present invention is to provide an article detecting apparatus capable of easily realizing three-dimensional imaging and a detecting method thereof.
  • an article detecting apparatus comprising:
  • the X-ray collimating device is configured to form an X-ray generated by the X-ray machine into a fan beam of a transmissive article
  • a transmission detector array for detecting X-rays transmitted from the article to form a two-dimensional transmission image of the article
  • At least one scatter detector array each of the at least one scatter detector array
  • the detector array includes a plurality of identical detection modules arranged in rows i and j;
  • the transmission cross section of the article that is transmitted by X-ray is divided into i rows.
  • X j columns are block regions of the same size, and
  • the ixj detection modules of each of the scatter detector arrays are in one-to-one correspondence with the i X j block regions of the transmission cross section of the article, and are used for detecting the electron pair effect generated by the X-rays at the corresponding block region, annihilating the photon and the Kang Putton scatters photons, and
  • i and j are positive integers greater than or equal to 2.
  • the article detecting apparatus includes two scattering detector arrays, respectively a first scattering detector array and a second scattering detector array, the first scattering detector array including A plurality of identical first detection modules arranged in i rows and j columns, the second scattering detector array comprising a plurality of identical second detection modules arranged in i rows and j columns.
  • the article detecting device may also include only one scatter detector array.
  • the article detecting device further includes: i X j matching counters corresponding to the i x j block regions, when the first block corresponding to the same block region
  • a corresponding one of the counters performs an incrementing operation
  • the "substantially simultaneous” means that the first and second detecting modules receive The time difference to the photon is within the predetermined range"
  • i x j first scattering counters corresponding to i x j block regions, when a first detecting module corresponding to a blocking region receives photons from the blocking region, a corresponding first one
  • the scatter counter performs an add 1 operation.
  • the article detecting device further includes:
  • i x j second scatter counters corresponding to i x j block regions, when a second detecting module corresponding to a block region receives photons from the block region, corresponding one second
  • the scatter counter performs an add 1 operation.
  • the first and second detecting modules corresponding to the same blocking region are respectively connected to the first and second constant ratio timing circuits for using the first and the second
  • the first and second analog signals detected by the second detecting module are converted into first and second time signals, and the first and second time signals are respectively input to the first and second scattering counters corresponding to the same block region.
  • the first and second time signals are simultaneously input to a time matching circuit corresponding to the same block area, and the time matching circuit is configured to determine whether the input time of the first and second time signals is "approximately At the same time, when the judgment result is "Yes", a time coincidence signal is output to the coincidence counter corresponding to the same block area.
  • the ratio of the electron pair effect annihilation photon count to the Compton scattered photon count is expressed by the following formula (2) or formula (3):
  • Zpc (Pairl/e_pair )/[( PB11- Pairl/s_pair)/ ⁇ — b] ( 2 )
  • Zpc represents the ratio of the electron pair effect annihilation photon count to the Compton scattered photon count
  • Pairl represents the count in the coincidence counter
  • Sjpair indicates the detection efficiency of the first detection module and the second detection module for the electron pair effect annihilation photon
  • PB11 represents the count in the first scatter counter
  • ⁇ -b represents the detection efficiency of the first detection module for Compton scattered photons
  • PC11 represents the count in the second scatter counter
  • ⁇ -c represents the detection efficiency of the second detection module for Compton scattered photons.
  • each of the first scatter detector array and the second scatter detector array are identical, and each of the detection modules includes:
  • a collimator for absorbing absorbing scatter photons and electron pair annihilation photons generated at all other segmented regions that do not correspond to the collimator of the detection module, so as to allow only the detection module
  • the Compton scattered photons and electron pair effects generated at the corresponding block regions of the collimator annihilate photons into the detector.
  • the detector is plastic flashing Body, liquid scintillator, barium bromide detector, barium chloride detector, high purity helium detector or CZT detector.
  • the collimator is made of lead, steel or copper.
  • each of the detecting modules further includes:
  • the shield is made of lead, steel or copper.
  • each of the detecting modules further includes:
  • a hardened body for attenuating the intensity of Compton scattered photons and electron-pairing annihilation photons from a segmented region corresponding to the detection module.
  • the hardened body is made of lead, steel or copper.
  • the detector is located in a collimating slit of the collimator; the shielding body is located on a side of the collimator facing away from the article, And enclosing the collimating slit opening of the collimator at the one side; and the hardened body is located on the other side of the collimator facing the article, and encloses the collimator at the other A collimating slit opening at one side.
  • the shield is integrally formed with the collimator.
  • the X-ray machine is a single-energy machine or a multi-energy machine.
  • the energy of the X-rays generated by the X-ray machine is greater than 1. 022 MeV.
  • a transmission detector array to detect attenuation information of X-rays transmitted from an article, and at the same time Detecting the electron pair effect produced by X-rays in the transmission process by using a scattering detector array to annihilate photon and Compton scattered photon information;
  • the present invention utilizes a scattering detector array to detect the electron-pair effect annihilation photon and Compton scattered photon counting information generated by X-rays during transmission, and according to the electron pair effect detected by the scattering detector array.
  • the ratio of the count of annihilation photons to the count of Compton scattered photons is used to identify elements at various block regions of the article, thereby generating a three-dimensional image of the article.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an article detecting device in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows respective segmented regions of a transmission section of the article and respective first and second scatter detector arrays of the first scatter detector array Correspondence diagram between each of the second detection modules;
  • Figure 3 shows a cross-sectional view perpendicular to the Z-axis in Figure 1;
  • Figure 4 shows the relationship between the ratio of the electron pair effect annihilation photon count to the Compton scattered photon count and the atomic number
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the specific structure of each detecting module of the first scattering detector array and the second scattering detector array;
  • Figure 6 shows an energy spectrum of an electron pair effect annihilation photon and a Compton scattered photon incident into the first scatter detector array or the second scatter detector array;
  • Figure 7 shows a block diagram of the coincidence count and scatter count
  • Figure 8 shows the time relationship of the various signals in Figure 7.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of an article detecting device in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the article detecting device includes: an X-ray machine that bombards the electronic target 2 by the electron beam 1 to generate the X-ray 3; and an X-ray collimator 4 that collimates the X-ray 3 emitted from the X-ray machine.
  • X shot The line 3 is collimated to form a fan beam 5, and the X-rays 6 in the fan beam 5 are directed toward the object 7 to be inspected and transmitted through the transmission section 8 shown in Fig. 1 from the object 7 to be inspected; and the transmission detector array 10.
  • the transmission detector array 10 is for detecting X-rays 9 transmitted from the article to form a two-dimensional transmission image of the article 7 to be inspected.
  • the energy requirement of the electron beam 1 in the X-ray machine of FIG. 1 must be greater than 1.022 MeV to ensure that the X-ray 3 energy generated after the electron beam 1 bombards the electron target 2 is sufficiently high to be able to occur. Electron pair effect.
  • the material of the electronic target 2 is generally a composite target of tungsten and gold, and is not particularly limited herein. Since the electronic target 2 is already a fairly mature technology, the electronic target 2 in the present invention can adopt any one of the prior art. The target 2 is as long as it can be applied to the present invention.
  • the X-ray 6 in the fan beam 5 is attenuated by the scattering process of the photoelectric cross-section, the Compton scattering, the electron pair effect, the Rayleigh scattering, etc. when passing through the transmission section 8 of the article 7.
  • the first scattering detector array 12 and the second scattering detector array 13 for detecting scattered photons are added.
  • Figure 2 shows a correspondence diagram between respective segmented regions of the transmission section of the article and respective second detection modules of the first and second scattering detector arrays of the first scattering detector array.
  • the first scatter detector array 12 includes 64 first probe modules of exactly the same size arranged in 8 rows and 8 columns. As shown in FIG. 2, the 64 first detecting modules are respectively: 8 detecting modules B11-B18 located in the first row of the first scattering detector array 12 are located in the second row of the first scattering detector array 12. The detection modules B21-B28 are located in the third row of the first scattering detector array 12, and the eight detection modules B31-B38 located in the fourth row of the first scattering detector array 12 are located in the first scattering.
  • the eight detection modules B51-B58 of the fifth row of the detector array 12 are located in the sixth row of the first scattering detector array 12, and the eight detection modules B61-B68 are located at the seventh row of the first scattering detector array 12.
  • the second scatter detector array 13 also includes 64 rows arranged in 8 rows and 8 columns.
  • the eight detection modules C11-C18 located in the first row of the first scatter detector array 13 are located in the second row of the first scatter detector array 13 and the eight detection modules C21-C28 are located in the first scatter detector array 13.
  • the eight detection modules C31-C38 of the third row are located in the fourth row of the first scattering detector array 13 and the eight detection modules C41-C48 are located in the fifth detection module C51 of the fifth row of the first scattering detector array 13.
  • C58 8 detection modules C61-C68 located in the 6th row of the first scatter detector array 13 are located at the 8th detection module C71-C78 of the 7th row of the first scatter detector array 13 at the first scatter detector array 13.
  • the first and second scattering detector arrays 12, 13 are shown as 8 rows and 8 columns in the illustrated embodiment, the present invention is not limited.
  • the first and second scattering detector arrays 12, 13 may also be 2 rows and 2 columns, 2 rows and 3 columns, 3 rows and 2 columns, 3 rows and 3 columns, 3 rows and 4 columns...
  • the first and second scattering detector arrays 12, 13 are defined herein as i rows and j columns, where i is a positive integer greater than or equal to 2, and j is a positive integer greater than or equal to 2.
  • the size of the parameters i and j is proportional to the resolution of the three-dimensional imaging. The larger the parameters i and j, the higher the resolution of the three-dimensional imaging. As for the parameters i and j, it depends on the cost and the detection resolution that needs to be achieved, as well as other objective conditions.
  • the transmission section 8 of the article being X-ray transmitted is regarded as being arranged into 8 It consists of 64 blocks of the same size in 8 rows. As shown in Figure 2, the 64 block areas are:
  • each detection module is only used to detect scattered photons generated at the corresponding block area.
  • Figure 3 shows a cross-sectional view perpendicular to the Z-axis in Figure 1.
  • Photoelectric effect At this time, photons are absorbed, and their energy is converted into the energy of photoelectrons and the energy of characteristic X-rays. In general, it is considered that the energy of photoelectrons cannot be measured by the scattering detector, and the energy of the X-rays is low and cannot penetrate the object and enter the scattering detector. Even if X-rays can be measured by a scatter detector, it is not a concern. It is worth adding that photoelectrons may become high-energy X-rays due to the radiation-induced effect and enter the scattering detector here, but it is not the object of concern.
  • Compton scattering The incident X-ray 6 reacts with an object in the transmission section 8, possibly by Compton scattering.
  • the incident photon 6 and the object in the blocking region All undergo Compton scattering a part of the scattered photons 21 - 11 - P1 may be incident on the scattering detector of the first detecting module B11, and the first detecting module B11 is carefully designed. It is such that it only receives Compton scattered photons 21-11-P1 from the blocking region All, but cannot receive Compton scattered photons from other blocking regions.
  • the same is true for other detection modules, which can only receive Compton scattered photons from the corresponding block region.
  • the first detection module B12 can only receive Compton scattered photons 22-11 from the segmented region A12.
  • the detection module B18 can only receive the Compton scattered photons 28-11-P1 from the blocking region A18.
  • another partially scattered photon 21 - 11 - P2 may be incident in the same block region Al l
  • the second detector module C11 is carefully designed such that it receives only Compton scattered photons 21-11-P2 from the blocking region All, but cannot receive from other blocking regions. Compton scattered photons.
  • the same is true for other detection modules, which can only receive Compton scattered photons from the corresponding block area.
  • the second detection module C12 can only receive Compton scattered photons 22-11 from the block area A12.
  • the second detection module C18 can only receive the Compton scattered photons 28_11-P2 from the blocking area A18.
  • the cross section of Compton scattering is proportional to the atomic number Z. Therefore, under the premise that the atomic number density is equivalent, the atomic number of the object in the block region is larger, then the corresponding detection module The number of Compton scattered photons received is greater.
  • Electron pair effect The incident X-ray 6 has an electron pair effect with the object in the transmission section 8, still taking the block region Al l in Fig. 3 as an example, since the range of the electron in the product of the electron pair effect is only in the solid On the order of mm, the positron will eventually annihilate and form two 511 keV gamma photons. The position of these two photons must also be in the block area All.
  • the scattering detectors of the first detecting module B11 and the second detecting module C11 corresponding to the blocking area All can simultaneously measure only the annihilation photon 21_11_C from the blocking area All, but cannot receive from other The annihilation photon of the block area.
  • other detection modules can only receive annihilation photons from the corresponding block region.
  • the first detection module B12 and the second detection module C12 can only receive the annihilation photons 22-11 from the segmentation area A12.
  • the first detecting module B18 and the second detecting module C18 can only receive the annihilation photons 28-11-C from the blocking area A18.
  • the cross section of the electron pair effect is proportional to the second power of the atomic number Z, the larger the atomic number of the object in the block region is, the larger the atomic number of the annihilation photon received by the corresponding detection module is. It is bigger.
  • the first and second scatter detector arrays 12, 13 are of interest only for Compton scattering and electron pair effects. Since the exponential relationship between these two scattering reactions and the atomic number is 1 and 2, respectively.
  • the two energy spectrum counts are divided, and the ratio obtained is proportional to the atomic number Z's power.
  • the ratio of the effect annihilation photon count to the Compton scattered photon count can obtain information reflecting the atomic number at each block region, thereby realizing three-dimensional element recognition.
  • Figure 4 shows the relationship between the ratio of electron-pair effect annihilation photon count to Compton scattered photon count and atomic number Z when scattering with photons of different energies.
  • each of the transmissive sections 8 of the article is divided into i-rows corresponding to the first and second scatter detector arrays 12, 13 by j columns of the same block size area, the first and second can be utilized.
  • the i-rows of the scatter detector arrays 12, 13 are multiplied by the j-column detection modules to obtain the i-rows of each transmission section 8 of the article multiplied by the atomic number at the same block size of the j-column.
  • the three-dimensional element distribution information of the entire detected object can be obtained, so that a three-dimensional image of the detected object can be formed.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a specific structure of a pair of detecting modules corresponding to any one of the first and second scatter detector arrays 12, 13, for example, a first detecting module B11 and a corresponding one block area All Second detection module C11, we can refer to a pair of detection modules corresponding to the same block area as a detection unit. Then, the first scatter detector array 12 and the second scatter detector array 13 together constitute 64 detection units.
  • the structures of the first scatter detector array 12 and the second scatter detector array 13 are identical, and the structure of each of the first scatter detector array 12 and the second scatter detector array 13 The same is true, however, the present invention is not limited thereto, and the configuration of each of the first scattering detector array 12 and the second scattering detector array 13 may be different. Therefore, only the first detecting module B11 and the second detecting module C11 are taken as an example to describe the respective detecting modules of the first scattering detector array 12 and the second scattering detector array 13. Body structure.
  • the first detecting module B11 includes a detector B11-1 and a collimator B11-2.
  • the second detecting module C11 includes a detector C11_1 and a collimator C11-2.
  • the collimator B11-2 of the first detecting module B11 is configured to absorb Compton scattering generated at all other blocking regions that do not correspond to the first detecting module B11.
  • the photon and electron pair effect annihilate the photon so that only the Compton scattered photon 21_11-P1 and the electron pair effect annihilation photon 21-11-C generated at the blocking region Al1 corresponding to the first detecting module B11 are allowed to enter the detector.
  • Bl l-1
  • the collimator C11-2 of the second detecting module C11 is configured to absorb the heat generated at all other blocking regions that do not correspond to the second detecting module C11.
  • the Putton scattered photon and electron pair effect annihilate the photon so that only the Compton scattered photons 21_11-P2 and the electron-pairing annihilation photon 21-11-C generated at the blocking region All corresponding to the second detecting module C11 are allowed to enter.
  • Detector C11-1 the collimator C11-2 of the second detecting module C11 is configured to absorb the heat generated at all other blocking regions that do not correspond to the second detecting module C11.
  • the detector B11JU Cl l_l is typically constructed of a high energy resolution, fast time responsive detector.
  • the energy resolution is to better distinguish the share of Compton scattered photons 21-11-Pl, 21-ll-P2, and electron-pair effects 21-11-C in the scattered photons from the block region All.
  • the fast time response is to be able to analyze more Y signals in less time to reduce stacking, increase count rate and sensitivity.
  • Fast time response is especially important for X-ray sources that use pulsed electron accelerator systems because the X-ray duty cycle of a pulse accelerator is more than one thousandth, and scattered photons are injected in a short period of time. For detectors, the detector needs to be analyzed fast enough to resolve the energy of the photons.
  • the alternative detector type is: plastic or liquid scintillator, both detectors have fast time response capability, capable of performing Y-ray measurements on a time scale of ns; cesium bromide detector, chlorination ⁇ Detector: Both detectors have better energy resolution and time response; high purity helium detector: high purity helium detector has the best energy resolution, but its time response is slow; and CZT detection Device: It has better energy resolution, time response and price.
  • the collimators B11-2 and C11-2 are generally made of a lead material, but may be made of a material such as steel or copper.
  • the purpose is to absorb the Compton scattered photons and the electron pairing annihilation photons generated at all other blocking regions that do not correspond to the detecting modules B11, C11, so as to allow only the blocking regions All corresponding to the detecting modules B1, C11.
  • Compton scattered photons 21—11—Pl, 21—11—P2 and electron pair effect annihilation photon 21—11—C enters detectors B11J, Cl l-1.
  • the detecting module B11 further comprises: a shielding body B11-3 for shielding the Compton scattered photons and the electron pairing effect annihilation photons not from the blocking region corresponding to the detecting module B11, in particular Is to shield transmitted or scattered X-rays from the accelerator target.
  • the shield B11-3 may be made of lead, steel or copper, or other suitable material.
  • the detecting module C11 further includes: a shielding body C11-3 for shielding Compton scattered photons and electron pairing annihilation photons not from the blocking region corresponding to the detecting module C11, especially Shielding transmitted or scattered X-rays from the accelerator target.
  • the shield C11-3 may be made of lead, steel or copper, or other suitable material.
  • the detecting module B11 further comprises: a hardened body B11 - 4 for attenuating the Compton scattered photon and the electron pair effect annihilation photon from the blocking region Al l corresponding to the detecting module B11 strength.
  • the intensity of the photons entering the detector B11-1 is sufficiently low to be analyzed by the detector M1-1. Otherwise, the detector B11-1 may not work properly due to the stacking rate being too high.
  • the hardened body B11-4 is made of lead, steel or copper, or other suitable material.
  • the detecting module C11 further includes: a hardening body C11-4 for weakening the intensity of the Compton scattered photon and the electron pair effect annihilation photon from the blocking area All corresponding to the detecting module C11 .
  • the intensity of the photons entering the detector C11-1 is sufficiently low to be analyzed by the detector C11-1. Otherwise, the detector Cll_l may not work properly due to the stacking rate being too high.
  • the hardened body C11-4 is made of lead, steel or copper, or other suitable material.
  • the detector B1-1 is located in the collimating slit of the collimator B11_2; the shield B11-3 is located on the side of the collimator B11-2 facing away from the article 7 (see figure) 1), and close the collimator slit of the collimator B11-2 at the one side; the hardened body B11-4 is located in the collimator
  • the detector Cl l-1 is located in the collimating slit of the collimator C11-2; the shield C11-3 is located on the side of the collimator C11-2 facing away from the article 7 ( See Figure 1), and close the collimator slit at the side of the collimator C11-2; the hardened body C11-4 is located in the collimator Cl l_2 faces the other side of the article ( (see Figure 1) and closes the collimating slit opening of the collimator C11-2 at the other side.
  • the shield B11-3 is formed with the collimator B11-2.
  • the shield Bl l_3 may also be a separate component that is assembled to the collimator Bl l_2.
  • the shield C11J3 is formed integrally with the collimator Cl l_2.
  • the shield C11-3 may also be a separate component that is assembled to the collimator Cl l_2.
  • the length and diameter of the collimators Bl l2 and C11-2 are determined by the user of the technology and need not be described here.
  • the energy spectrum of Compton scattered photons and electron-to-effect scattered photons injected into the detector will be briefly described below with reference to Figs. 3 and 6.
  • the photon energy of the electron pair effect scattering is 511 keV
  • the energy of the Compton scattered photon depends on two factors, the angle ⁇ in Fig. 3 - which reflects the scattering angle of Compton scattering, and
  • the energy hv of the incident photon 6 since the energy of the photon 6 is a continuous energy spectrum, the Compton scattered photons seen in Fig. 6 also have a continuous energy spectrum.
  • the detector since the detector always has a detector response function, the resulting energy spectrum will not be the shape in Figure 6, but energy deposition and energy broadening will be considered. This issue is a general topic of practice and does not have to be repeated here.
  • plastic or liquid scintillators are a preferred type of detector because they are the fastest detectors in the world, requiring only ns of time to complete a signal. measuring.
  • the pulse width is only about 5 ⁇ 5 . This width can only measure 1 signal for HPGe detectors and only 10 signals for barium bromide or barium chloride.
  • the counting rate of the CZT detector is also very low.
  • plastic or liquid scintillators are the preferred type of choice.
  • plastic or liquid scintillators have the disadvantage of poor energy resolution.
  • Figure 7 shows the originals that match the count and the scatter count.
  • Figure 8 shows a time diagram of the various signals in Figure 7.
  • the first detecting unit composed of the first detecting module B11 and the second detecting module C11 is taken as an example to describe the counting principle in detail. .
  • the first analog signal SB11 and the second analog signal SC11 are respectively output.
  • the constant ratio timing circuit is a conventional knowledge in the field of nuclear technology. Generally, practitioners should know that such a circuit can extract time information of an analog signal with high precision, so that the time signal DB11 or DC11 can accurately reflect the formation of the analog signal SB11 or SC11. time. However, it should also be noted here that the constant ratio timing circuit is an optimized choice. The lower-precision practitioners can also choose to use the ordinary threshold discriminating circuit to obtain the time signal DB11 or DC11, but the time precision of the signal is obtained. difference.
  • the first time signal DB11 and the second time signal DC11 are simultaneously input to a time coincidence circuit.
  • Time-consistent circuits are also a basic knowledge in the field of nuclear technology.
  • the time coincidence circuit considers that the first time signal DB11 and the second time signal DC11 are "substantially simultaneously” arrived. Otherwise, it is considered that it is not “substantially simultaneous”.
  • the time coincidence circuit outputs a coincidence signal Coinl.
  • the signal Coinl output When the signal Coinl output is met, it means that the system considers that a simultaneous event, the two 511k.eVY photons of the electron pair effect, has been measured. At this time, the Coinl signal is input to the compliance counter, and the counter execution count is incremented by one. The cumulative count of coincident counters is called the electronic pair effect count Pairl during a certain time interval.
  • the first time signal DB11 and the second time signal DC11 are also input to the first scatter counter and the second scatter counter, respectively.
  • the first scatter counter In the case of performing the plus 1 operation, when the second detecting module C11 receives the photons from the blocking area, the second scattering counter performs an incrementing operation.
  • the first scatter counter and the second scatter counter respectively get the cumulative meter Number PB11 and PC11. Note that these two accumulated counts PB ll and PCU include not only the detected Compton scattered photon count, but also the electron pair effect annihilation photon count.
  • the two count values of PB11 and PC11 are equivalent in the subsequent processing.
  • the detectors have the problem of detecting efficiency, it is impossible to detect all the photons 100%. Therefore, by the scale link, we can determine the detection efficiency of the 511 keV gamma rays by the detectors in the first detecting module B11 and the second detecting module C11. Without loss of generality, it is assumed here that the detection efficiency for 511 keV Y-rays is the same, both are s_pair. Since the energy of the Compton scattered photon is related to the scattering angle, the detection efficiency of the detectors in the first detecting module B11 and the second detecting module C11 cannot be the same, and the average detection efficiency can be obtained by experimental or analog calculation respectively. For s_b and ⁇ -c, we can use the following formula (2) or formula (3) to calculate the ratio Zpc of the electron pair effect annihilation photon count to the Compton scattered photon count.
  • the time is in accordance with the resolution time of the circuit. This time can be considered as set and should be as small as possible.

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Description

物品检测设备及其检测方法
技术领域
本发明涉及辐射探测技术领域， 特别涉及一种对物品中的爆炸物、 化 学物质、 生物武器、 核材料、 毒品等危险品进行安全检测的物品检测设备 和使用该物品检测设备进行检测的方法。 背景技术
在针对集装箱、 航空箱的安检领域， 对特异物质的检测是一个持续的 热点需求。 这些特异物质包括爆炸物、 化学物质、 生物武器、 核材料、 毒 品等。人们已经开发了很多技术来致力于对这些物品的检测。其中 X射线 的透视技术就是一个非常流行的技术类型， 其它如中子技术也是被关注的 候选技术， 下面对这两种技术进行简单的介绍。
1. X射线可以分为传统透射技术和其它类型：
a)在传统的 X射线技术中， 无论是单能 X射线透射、 还是双多能 X 射线透射技术，所利用的都是 X射线在穿透物体之后的衰减信息， 然后用 探测器阵列来实现精密的二维成像，这样得到的图像基本反映了 X射线穿 透路径上物体的质量厚度信息。操作人员通过对图像的形状进行分析来判 断其中是否存在有可疑的特异物质。这种 X射线方法的根本问题是它所测 量的是 X射线路径上材料衰减能力的积分，因此有可能将高 Z高密度但厚 度小的物体和低 Z低密度但厚度大的物体视作相同，这对核材料的检测是 非常不利的。
b) 核共振荧光技术是一种利用 X射线来激发原子核， 然后测量原子 核退激后放出的特征能量 γ光子的方法。 这种方法能够得到感兴趣原子核 的 "指紋"信息， 是一种值得研究的方法。 但这种方法的问题是灵敏度很 低， 因为能够发生共振吸收的 X射线能谱宽度非常小， 使得经 X射线照 射之后被检测物品产生的共振荧光很少而散射光子很多， 对灵敏度和信噪 比都提出了挑战。 有人提出了利用能量可调的单能 X射线源来进行检测， 但是这需要具有 lOOMeV以上的电子加速器， 后者又是一个新的挑战。
2. 中子类技术大致可以分为两类： 透射方法和元素分析方法。 a)基于中子的透射方法与 X射线透射方法较为相似， 但中子对低原 子序数（尤其是 H)敏感， 而对高 Z的物质则相对不敏感， 因此与 X射线 相较而言， 它更擅长于对富含 H物质的检测， 但是中子的透射方法测量的 也是中子路径上的积分信息， 无法区分某个空间位置的元素构成。
b)基于元素分析的中子方法能够根据与中子反应后放出的 γ射线来 区分不同的核素， 因此具有元素识别的能力， 在此基础上， 有人更增加三 维空间分辨的能力， 使得能够对被检测的集装箱或者车辆进行 5cm X 5cm X 5cm的三维元素空间成像。但元素分析方法只能对那些与中子反应截面 大的核素有效， 如！^、 C、 O (快中子反应）， N、 H (热中子反应） 等， 对 于那些中子反应截面很小的元素来讲， 灵敏度很差。 另外， 元素分析方法 对能谱测量的精确度要求很高， 由于中子诱发的 γ能谱往往不是单能的， 而探测器对单能 γ能谱的响应也是连续的， 因此实际中的解谱工作也是非 常困难的。
还有一些其它的技术类型， 如电四极矩方法， 这种方法具有对分子敏 感的特性， 能够提取分子的 "指纹"信息， 但是该技术成立的前提是分子 中存在电四极矩不为 0的原子核， 而且原子核所处的电场梯度较大。 但是 这一点只对少数物体才是有效的。 另外， 这种技术会受到电磁屏蔽措施的 反制。 发明内容
鉴于现有技术存在的上述技术问题， 本发明的至少一个方面在于提供 一种能够容易地实现三维成像的物品检测设备及其检测方法。
根据本发明的一个示例性的实施例， 提供一种物品检测设备， 该物品 检测设备包括：
X光机；
X光机准直装置， 所述 X光机准直装置用于将所述 X光机产生的 X射 线成型为透射物品的扇面光束；
透射探测器阵列， 所述透射探测器阵列用于探测从物品透射过的 X射 线， 以便形成物品的二维透射图像； 和
至少一个散射探测器阵列， 所述至少一个散射探测器阵列中的每个散 射探测器阵列包括排成 i行 j列的多个相同的探测模块；
其中， 物品被 X射线透射的透射截面被分成 i行. X j列个大小相同的 分块区域， 并且
所述每个散射探测器阵列的 i x j 个探测模块与物品的透射截面的 i X j个分块区域一一对应， 用于探测对应的分块区域处 X射线产生的电子 对效应湮没光子和康普顿散射光子， 并且
根据探测到的电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比 值来获得各个分块区域处的原子序数， 从而形成物品的三维图像，
其中， i和 j均为大于或等于 2的正整数。
根据本发明的一个示例性的优选实施例， 所述物品检测设备包括两个 散射探测器阵列， 分别为第一散射探测器阵列和第二散射探测器阵列， 所 述第一散射探测器阵列包括排成 i行 j列的多个相同的第一探测模块， 所 述第二散射探测器阵列包括排成 i行 j列的多个相同的第二探测模块。但 是需要说明的是， 所述物品检测设备也可以仅包括一个散射探测器阵列。
根据本发明的一个示例性的优选实施例， 所述物品检测设备还包括： 与 i X j个分块区域一一对应的 i X j个符合计数器， 当与同一分块区 域对应的一个第一探测模块和一个第二探测模块 "大致同时"接收到来自 该分块区域的光子时， 对应的一个符合计数器执行加 1操作， 所述 "大致 同时"是指 "第一、 第二探测模块接收到光子的时间差在预定的范围内"; 和
与 i X j个分块区域一一对应的 i X j个第一散射计数器， 当与一分块 区域对应的一个第一探测模块接收到来自该分块区域的光子时， 对应的一 个第一散射计数器执行加 1操作。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述物品检测设备还包 括：
与 i X j个分块区域一一对应的 i X j个第二散射计数器， 当与一分块 区域对应的一个第二探测模块接收到来自该分块区域的光子时， 对应的一 个第二散射计数器执行加 1操作。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 与同一分块区域对应的第 一、 第二探测模块分别与第一、 第二恒比定时电路相连， 用于将第一、 第 二探测模块探测到的第一、 第二模拟信号转换成第一、 第二时间信号， 所述第一、 第二时间信号分别输入到与该同一分块区域对应的第一、 第二散射计数器， 并且
所述第一、第二时间信号还同时输入到与该同一分块区域对应的一个 时间符合电路， 所述时间符合电路用于判断所述第一、 第二时间信号的输 入时间是否为 "大致同时"， 当判断结果为 "是" 时， 则向与该同一分块 区域对应的符合计数器输出一个时间符合信号。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述电子对效应湮没光子 计数与康普顿散射光子计数的比值用下面的公式 （2) 或公式 （3) 表示： Zpc= (Pairl/e_pair)/[( PB11- Pairl/s_pair)/ ε— b] ( 2 )
Zpc= (Pairl/ε— pair)/[( PCI 1- Pair l/ε— pair)/ ε— c] ( 3 )
其中，
Zpc表示电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值， Pairl表示所述符合计数器中的计数，
sjpair表示第一探测模块和第二探测模块对电子对效应湮没光子的探 测效率，
PB11表示所述第一散射计数器中的计数，
ε—b表示第一探测模块对康普顿散射光子的探测效率，
PC11表示所述第二散射计数器中的计数，
ε—c表示第二探测模块对康普顿散射光子的探测效率。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述第一散射探测器阵列 和所述第二散射探测器阵列中的每个探测模块均相同， 并且每个探测模块 包括：
探测器； 和
准直器， 所述准直器用于吸收与该探测模块的准直器不对应的其它所 有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子， 以便仅允许 与该探测模块的准直器对应的分块区域处产生的康普顿散射光子和电子 对效应湮没光子进入探测器。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述探测器为塑料闪烁 体、 液体闪烁体、 溴化镧探测器、 氯化镧探测器、 高纯锗探测器或 CZT探 测器。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述准直器由铅、 钢或铜 制成。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述每个探测模块还包 括：
屏蔽体， 所述屏蔽体用于屏蔽非来自与该探测模块对应的分块区域的 康普顿散射光子和电子对效应湮没光子。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述屏蔽体由铅、 钢或铜 制成。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述每个探测模块还包 括：
硬化体， 所述硬化体用于减弱来自与该探测模块对应的分块区域的康 普顿散射光子和电子对效应湮没光子的强度。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述硬化体由铅、 钢或铜 制成。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述探测器位于所述准直 器的准直狭缝中； 所述屏蔽体位于所述准直器的背向所述物品的一侧， 并 封闭住所述准直器在该一侧处的准直狭缝开口； 并且所述硬化体位于所述 准直器的朝向所述物品的另一侧， 并封闭住所述准直器在该另一侧处的准 直狭缝开口。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述屏蔽体与所述准直器 一体形成。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述 X光机为单能光机或 多能光机。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例， 所述 X光机产生的 X射线 的能量大于 1. 022MeV。
根据本发明的示例性的另一个实施例， 提供一种利用上述物品检测设 备对物品进行检测的方法， 包括如下步骤：
利用透射探测器阵列探测从物品透射过的 X射线的衰减信息， 同时利 用散射探测器阵列探测 X射线在透射过程中产生的电子对效应湮没光子和 康普顿散射光子信息； 和
根据透射探测器阵列探测到的 X射线信息，生成物品的二维透射图像， 同时根据散射探测器阵列探测到的电子对效应湮没光子的计数与康普顿 散射光子的计数的比值， 生成物品的三维图像。
与现有技术相比， 本发明利用散射探测器阵列探测 X射线在透射过程 中产生的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子的计数信息， 并根据散射 探测器阵列探测到的电子对效应湮没光子的计数与康普顿散射光子的计 数的比值， 来识别物品的各个分块区域处的元素， 从而生成物品的三维图 像。 附图说明
图 1显示根据本发明的一个实施例的物品检测设备的原理图； 图 2显示物品的透射截面的各个分块区域与第一散射探测器阵列的各 个第一探测模块和第二散射探测器阵列的各个第二探测模块之间的对应 关系图；
图 3显示沿垂直于图 1中的 Z轴的剖视图；
图 4显示电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值与原 子序数的关系图；
图 5显示第一散射探测器阵列和第二散射探测器阵列的各个探测模块 的具体结构示意图；
图 6显示射入第一散射探测器阵列或第二散射探测器阵列的电子对效 应湮没光子和康普顿散射光子的能谱图；
图 7显示符合计数和散射计数的原理框图； 和
图 8显示图 7中各个信号的时间关系图。 具体实施方式
图 1显示根据本发明的一个实施例的物品检测设备的原理图。 如图 1 所示， 物品检测设备包括： 利用电子束 1轰击电子靶 2产生 X射线 3的 X 光机； 对从 X光机中射出的 X射线 3进行准直的 X光机准直装置 4， X射 线 3经准直后成型为扇面光束 5， 扇面光束 5中的 X射线 6射向被检测物 品 7， 并沿图 1所示的透射截面 8从被检测物品 7透射过去； 和透射探测 器阵列 10， 该透射探测器阵列 10用于探测从物品透射过的 X射线 9， 以 便形成被检测物品 7的二维透射图像。
由于 X光机、 X光机准直装置 4和透射探测器阵列 10均属于传统技术， 常规的 X射线透射成像设备均包括这些装置， 为了简洁的目的， 本文省略 了对它们的详细说明。
但是， 需要说明的是， 图 1中的 X光机中的电子束 1的能量要求必须 大于 1. 022MeV,以保证电子束 1轰击电子靶 2之后产生的 X射线 3能量足 够高，以便能够发生电子对效应。电子靶 2的材料一般为钨和金的复合靶， 在此不做特殊限定， 因为电子靶 2已经属于相当成熟的技术， 本发明中的 电子靶 2可以采用现有技术中的任一种电子靶 2, 只要其能够适用于本发 明即可。
请参见图 1，扇面光束 5中的 X射线 6在穿越物品 7的透射截面 8时， 因为发生光电效应、 康普顿散射、 电子对效应、 瑞利散射等散射过程而被 衰减。 本发明正是根据这种现象， 增加了探测散射光子的第一散射探测器 阵列 12和第二散射探测器阵列 13。
图 2显示物品的透射截面的各个分块区域与第一散射探测器阵列的各 个第一探测模块和第二散射探测器阵列的各个第二探测模块之间的对应 关系图。
下面参照图 1和图 2来说明第一散射探测器阵列 12的具体结构。 如 图 1和图 2所示， 第一散射探测器阵列 12包括排成 8行 8列的 64个大小 完全相同的第一探测模块。 如图 2所示， 这 64个第一探测模块分别为： 位于第一散射探测器阵列 12的第 1行的 8个探测模块 B11- B18 位于第一散射探测器阵列 12的第 2行的 8个探测模块 B21- B28 位于第一散射探测器阵列 12的第 3行的 8个探测模块 B31-B38 位于第一散射探测器阵列 12的第 4行的 8个探测模块 B41-B48 位于第一散射探测器阵列 12的第 5行的 8个探测模块 B51- B58 位于第一散射探测器阵列 12的第 6行的 8个探测模块 B61- B68 位于第一散射探测器阵列 12的第 7行的 8个探测模块 B71- B78 位于第一散射探测器阵列 12的第 8行的 8个探测模块 B81- B88 类似地， 如图 1和图 2所示， 第二散射探测器阵列 13也包括排成 8 行 8列的 64个大小完全相同的第二探测模块。 如图 2所示， 这 64个第二 探测模块分别为：
位于第一散射探测器阵列 13的第 1行的 8个探测模块 Cl l- C18 位于第一散射探测器阵列 13的第 2行的 8个探测模块 C21- C28 位于第一散射探测器阵列 13的第 3行的 8个探测模块 C31- C38 位于第一散射探测器阵列 13的第 4行的 8个探测模块 C41- C48 位于第一散射探测器阵列 13的第 5行的 8个探测模块 C51- C58 位于第一散射探测器阵列 13的第 6行的 8个探测模块 C61- C68 位于第一散射探测器阵列 13的第 7行的 8个探测模块 C71- C78 位于第一散射探测器阵列 13的第 8行的 8个探测模块 C81- C88 需要说明的是， 尽管在图示实施例中显示了第一、 第二散射探测器阵 列 12、 13均为 8行 8列， 但是， 本发明不局限于此， 第一、 第二散射探 测器阵列 12、 13也可以是 2行 2列， 2行 3列， 3行 2列， 3行 3列， 3 行 4列 …… 。 为了便于说明， 本文中将第一、 第二散射探测器阵列 12、 13定义成 i行 j列， 其中 i为大于或等于 2的正整数， j为大于或等于 2 的正整数。 参数 i和 j的大小与三维成像的分辨率成正比， 参数 i和 j越 大， 则三维成像的分辨率就越高。 至于， 参数 i和 j究竟取多少， 这取决 于成本和需要达到的检测分辨率， 以及其它客观条件。
请继续参见图 2， 与第一、 第二散射探测器阵列 12、 13的排成 8行 8 列的 64个探测模块对应， 物品被 X射线透射的透射截面 8被看成是由排 成 8行 8列的 64个大小相同的分块区域组成。 如图 2所示， 这 64个分块 区域分别为：
位于透射截面 8的第 1行的 8个分块区域 Al l- A18
位于透射截面 8的第 2行的 8个分块区域 A21-A28
位于透射截面 8的第 3行的 8个分块区域 A31-A38
位于透射截面 8的第 4行的 8个分块区域 A41 A48
位于透射截面 8的第 5行的 8个分块区域 A51-A58
位于透射截面 8的第 6行的 8个分块区域 A61- A68 位于透射截面 8的第 7行的 8个分块区域 A71-A78
位于透射截面 8的第 8行的 8个分块区域 A81- A88
如图 2所示， 物品的透射截面 8的 8行 8列的 64个大小相同的分块 区域与第一、 第二散射探测器阵列 12、 13的 8行 8列的 64个探测模块一 一对应， 例如， 分块区域 All与第一探测模块 B11和第二探测模块 C11对 应， 分块区域 A18与第一探测模块 B18和第二探测模块 C18对应， 分块区 域 A81与第一探测模块 B81和第二探测模块 C81对应， 分块区域 A88与第 一探测模块 B88和第二探测模块 C88对应。 SP， 每个探测模块仅用于探测 与之对应的分块区域处产生的散射光子。
下面借助于图 3来更加详细地说明各个探测模块探测各个分块区域处 产生的散射光子的具体过程。 图 3显示沿垂直于图 1中的 Z轴的剖视图。
如前所述， 扇面光束 5中的 X射线 6在穿越物品 7的透射截面 8时， 会发生光电效应、 康普顿散射、 电子对效应、 瑞利散射等散射过程， 下面 结合图 3来说明一下这些散射过程：
1 )光电效应： 此时光子被吸收， 其能量转换为光电子的能量和特征 X 射线的能量。 一般情况下， 认为光电子的能量无法被散射探测器测量到， 而 X射线的能量较低也无法穿透出物体射入散射探测器。 即便 X射线能够 被散射探测器测量到， 也不属于关心的范围。 值得补充的是光电子有可能 因为轫致辐射效应而变成较高能的 X射线而在此射入散射探测器， 但它也 不是被关心的对象。
2 ) 康普顿散射： 入射 X射线 6与透射截面 8中的物体发生反应， 有 可能是康普顿散射。 我们以图 3中的分块区域 All为例。 当入射光子 6与 分块区域 All中的物体发生康普顿散射时， 一部分散射光子 21一 11— P1有 可能射入第一探测模块 B11的散射探测器， 第一探测模块 B11经过仔细设 计，使得它只接收来自分块区域 All的康普顿散射光子 21— 11— P1 ,而不能 接收来自其它分块区域的康普顿散射光子。同样，其它探测模块也是如此， 只能接收来自与之对应的分块区域的康普顿散射光子， 例如， 第一探测模 块 B12只能接收来自分块区域 A12的康普顿散射光子 22—11一 P1，探测模块 B18只能接收来自分块区域 A18的康普顿散射光子 28一 11一 Pl。 类似地， 同 时， 另一部分散射光子 21一 11— P2有可能射入与该同一分块区域 Al l对应 的第二探测模块 Cl l的散射探测器， 第二探测模块 C11经过仔细设计， 使 得它只接收来自分块区域 All的康普顿散射光子 21— 11一 P2，而不能接收来 自其它分块区域的康普顿散射光子。 同样， 其它探测模块也是如此， 只能 接收来自与之对应的分块区域的康普顿散射光子，例如，第二探测模块 C12 只能接收来自分块区域 A12 的康普顿散射光子 22— 11— P2， 第二探测模块 C18只能接收来自分块区域 A18的康普顿散射光子 28_11—P2。 我们知道， 在射线能量确定的前提下， 康普顿散射的截面与原子序数 Z成正比， 因此 在原子数密度等同的前提下， 分块区域的物体的原子序数越大， 则对应的 探测模块接收到的康普顿散射光子数目就越多。
3 ) 电子对效应： 入射 X射线 6与透射截面 8中的物体发生电子对效 应， 依然以图 3中的分块区域 Al l为例， 由于电子对效应的产物中正电子 在固体中的射程仅为 mm量级，正电子最终会湮没而形成 2个 511keV的 γ 光子， 这两个 Υ 光子的产生位置也一定就在分块区域 All 内。 由于几何 关系的约束，与分块区域 All对应的第一探测模块 B11和第二探测模块 C11 的散射探测器能够同时测量到的也只是来自分块区域 All 的湮没光子 21_11_C, 而不能接收来自其它分块区域的湮没光子。 同样， 其它探测模 块也是如此， 只能接收来自与之对应的分块区域的湮没光子， 例如， 第一 探测模块 B12和第二探测模块 C12只能接收来自分块区域 A12的湮没光子 22—11— C， 第一探测模块 B18和第二探测模块 C18只能接收来自分块区域 A18的湮没光子 28— 11— C。 由于电子对效应的截面与原子序数 Z的 2次方 成正比， 所以在原子数密度相同的前提下， 分块区域的物体的原子序数越 大， 则对应的探测模块接收到的湮没光子的平方就越大。
4)瑞利散射： 对于 1. 022MeV以上的 X射线来说， 瑞利散射的截面很 小， 可以忽略。
对于上面提到的 4个散射反应， 第一、 第二散射探测器阵列 12、 13 感兴趣的只是康普顿散射和电子对效应。 由于这两个散射反应与原子序数 的指数关系分别为 1 和 2。 当我们用第一、 第二散射探测器阵列 12、 13 测量到散射光子的能谱时， 如果能够从中分别提取电子对效应的湮没光子 能谱和康普顿散射能谱 (请参见图 6)，然后将这两个能谱的计数进行相除， 则得到的比值就正比于原子序数 Z的 1次方。 也就是说， 我们通过电子对 效应湮没光子的计数与康普顿散射光子的计数的比值， 能够得到反映各个 分块区域处原子序数的信息， 从而实现三维元素识别。 图 4给出了利用不 同能量的光子进行散射时， 得到的电子对效应湮没光子计数与康普顿散射 光子计数的比值与原子序数 Z之间的关系。
由图 4可以看出， 当分别采用不同的单能射线时， 电子对效应和康普 顿散射的比值关系与原子序数几乎存在一个很好的线性关系， 因此， 我们 有可能利用下面这个公式来计算原子序数：
zpc =^ -^ z ( 1 ) 在公式（1 ) 中： 为计算出的反映原子序数的结果， C一 ρα„为电子对 效应湮没光子的计数率， C—∞„,ρ,。„为康普顿散射光子的计数率。
实际上， 轫致辐射 X射线光子的能量不是单能的， 因此无法得到如图 4中的类似正比关系， 但是存在单调关系， 我们仍然可以用公式（1 )来计 算 Ζρε， 只是在 Ζρε和 Z之间要重新进行标定。
由于物品的每个透射截面 8 被划分成与第一、 第二散射探测器阵列 12、 13相对应的 i行乘以 j列个大小相同的分块区域， 因此， 可以利用第 一、 第二散射探测器阵列 12、 13中的 i行乘以 j列个探测模块来分别获 得物品的每个透射截面 8的 i行乘以 j列个大小相同的分块区域处原子序 数， 当完成对物品的整个扫描时， 就能够得到整个被检测物品的三维元素 分布信息， 从而能够形成被检测物品的三维图像。
图 5显示第一、 第二散射探测器阵列 12、 13中的与任意一个分块区 域对应的一对探测模块的具体结构示意图， 例如与一个分块区域 All对应 的第一探测模块 B11和第二探测模块 Cll， 我们可以将与同一分块区域对 应的一对探测模块称之为一个探测单元。 那么， 第一散射探测器阵列 12 和第二散射探测器阵列 13就共同构成了 64个探测单元。
在本实施例中， 第一散射探测器阵列 12和第二散射探测器阵列 13的 结构完全相同， 并且第一散射探测器阵列 12和第二散射探测器阵列 13中 的每个探测模块的结构也完全相同， 但是， 本发明不局限于此， 第一散射 探测器阵列 12和第二散射探测器阵列 13中的每个探测模块的结构也可以 不同。 因此， 下面仅以第一探测模块 B11和第二探测模块 C11为例来说明 第一散射探测器阵列 12和第二散射探测器阵列 13中的各个探测模块的具 体结构。
如图 5所示， 第一探测模块 B11包括探测器 Bll— 1和准直器 B11一 2。 类似地， 第二探测模块 C11包括探测器 Cll_l和准直器 C11— 2。
在图 5所示的实施例中， 第一探测模块 B11的准直器 B11— 2被构造成 用于吸收与该第一探测模块 B11不对应的其它所有分块区域处产生的康普 顿散射光子和电子对效应湮没光子， 以便仅允许与该第一探测模块 B11对 应的分块区域 Al l处产生的康普顿散射光子 21_11— P1和电子对效应湮没 光子 21— 11—C进入探测器 Bl l— 1中。
类似地， 在图 5所示的实施例中， 第二探测模块 C11的准直器 C11— 2 被构造成用于吸收与该第二探测模块 C11不对应的其它所有分块区域处产 生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子， 以便仅允许与该第二探测模 块 C11对应的分块区域 All处产生的康普顿散射光子 21_11— P2和电子对 效应湮没光子 21— 11— C进入探测器 C11— 1中。
优选地， 探测器 B11JU Cl l_l 一般由高能量分辨率、 快时间响应的 探测器构成。 这里髙能量分辨率是为了能够更好的区分来自分块区域 All 的散射光子中康普顿散射光子 21— 11一 Pl、21—ll一 P2和电子对效应 21— 11— C 的份额。 快的时间响应是为了能够在更短的时间内分析更多的 Y 信号， 以减小堆积， 提高计数率和灵敏度。 快的时间响应这个指标对于使用脉冲 电子加速器系统的 X射线源来讲尤其重要， 因为脉冲加速器的 X射线占空 比多为千分之一以下， 散射光子都是在很短的时间内射入探测器的， 探测 器需要分析得足够快才能分辨光子的能量。优选地，备选的探测器类型为： 塑料或者液体闪烁体，这两种探测器具有很快的时间响应能力， 能够在 ns 的时间尺度上进行 Y 射线测量； 溴化镧探测器、 氯化镧探测器： 这两种 探测器的能量分辨率和时间响应都比较好； 高纯锗探测器： 高纯锗探测器 具有最好的能量分辨率， 但它的时间响应较慢； 和 CZT探测器： 拥有较好 的能量分辨率， 时间响应一般， 价格较贵。
优选地， 准直器 Bll—2、 C11— 2—般采用铅材料， 但也可以采用钢、 铜等材料来构成。 目的在于吸收与该探测模块 Bll、 C11 不对应的其它所 有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子， 以便仅允许 与该探测模块 Bl l、 C11 对应的分块区域 All 处产生的康普顿散射光子 21— 11— Pl、 21— 11— P2和电子对效应湮没光子 21— 11— C进入探测器 B11J、 Cl l— 1中。
优选地， 探测模块 B11还包括： 屏蔽体 B11—3, 该屏蔽体 B11— 3用于 屏蔽非来自与该探测模块 B11对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对 效应湮没光子，尤其是屏蔽来自加速器靶点的透射或散射 X射线。优选地， 屏蔽体 B11— 3可以由铅、 钢或铜制成， 或者其它适合的材料制成。
类似地， 探测模块 C11还包括： 屏蔽体 C11一 3， 该屏蔽体 Cl l_3用于 屏蔽非来自与该探测模块 C11对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对 效应湮没光子，尤其是屏蔽来自加速器靶点的透射或散射 X射线。优选地， 屏蔽体 C11— 3可以由铅、 钢或铜制成， 或者其它适合的材料制成。
优选地， 探测模块 B11还包括： 硬化体 B11一 4， 该硬化体 B11— 4用于 减弱来自与该探测模块 B11对应的分块区域 Al l的康普顿散射光子和电子 对效应湮没光子的强度。 使得进入探测器 B11—1的光子的强度足够低， 从 而能够被该探测器 Ml— 1分析。 否则， 该探测器 B11一 1可能因为计数率太 高导致堆积而无法正常工作。 优选地， 硬化体 B11—4由铅、 钢或铜制成， 或者其它适合的材料制成。
类似地， 探测模块 C11还包括： 硬化体 C11一 4， 该硬化体 C11—4用于 减弱来自与该探测模块 C11对应的分块区域 All的康普顿散射光子和电子 对效应湮没光子的强度。 使得进入探测器 C11一 1的光子的强度足够低， 从 而能够被该探测器 C11— 1分析。 否则， 该探测器 Cll_l可能因为计数率太 高导致堆积而无法正常工作。 优选地， 硬化体 C11— 4由铅、 钢或铜制成， 或者其它适合的材料制成。
优选地，如图 5所示，探测器 Bl l—1位于准直器 Bll_2的准直狭缝中； 屏蔽体 B11— 3位于准直器 B11— 2的背向物品 7的一侧（参见图 1 )， 并封闭 住准直器 B11— 2 在该一侧处的准直狭缝开口； 硬化体 B11— 4位于准直器
B11一 2的朝向物品 7的另一侧 （参见图 1 )， 并封闭住准直器 B11—2在该另 一侧处的准直狭缝开口。
类似地，如图 5所示，探测器 Cl l— 1位于准直器 C11一 2的准直狭缝中； 屏蔽体 C11—3位于准直器 C11—2的背向物品 7的一侧（参见图 1 )， 并封闭 住准直器 C11— 2 在该一侧处的准直狭缝开口； 硬化体 C11—4位于准直器 Cl l_2的朝向物品 Ί的另一侧 （参见图 1 )， 并封闭住准直器 C11—2在该另 一侧处的准直狭缝开口。
更优选地，屏蔽体 B11—3与准直器 B11— 2—体形成，当然，屏蔽体 Bl l_3 也可以是一个单独部件， 组装到准直器 Bl l_2上。
类似地，屏蔽体 C11J3与准直器 Cl l_2—体形成，当然，屏蔽体 C11一 3 也可以是一个单独部件， 组装到准直器 Cl l_2上。
请注意， 准直器 Bl l„2、 C11— 2的长度和直径由技术使用者自行决定， 这里不必赘述。
下面根据图 3和图 6来简单说明一下射入探测器的康普顿散射光子和 电子对效应散射光子的能谱。 如图 6所示， 其中电子对效应散射的光子能 量为 511keV，康普顿散射光子的能量取决于两个因素， 图 3中的夹角 Θ— 它反映了康普顿散射的散射角， 以及射入的光子 6的能量 hv， 由于光子 6 的能量为连续能谱，因此图 6中看到的康普顿散射光子也具有连续的能谱。 实际中， 由于探测器总是有探测器响应函数的， 因此得到的能谱不会是图 6中的形状， 而是要考虑能量沉积和能量展宽。 这个问题是从业的一般性 话题， 不必在这里赘述。
在前面提到的 4种探测器中， 塑料或者液体闪烁体是一种优选的探测 器类型， 因为它们是这里面发光速度最快的探测器， 只需要 ns 的时间就 可以完成对一个信号的测量。 对于脉冲电子加速器而言， 其脉冲宽度仅为 5 μ 5左右， 这个宽度对于 HPGe探测器来讲只能测量 1个信号， 对于溴化 镧或者氯化镧来讲也只能测量〈10个信号， CZT探测器的计数率也很低。 为了能够在 5 s的持续时间内测量较多的 511keV Y射线和康普顿散射射 线， 快的时间响应是必要的， 因此塑料或者液体闪烁体是优先被选择的类 型。 但是塑料或者液体闪烁体存在能量分辨率差的缺点， 我们利用它们很 难通过能谱来区分哪些光子是 511keV Y 射线， 哪些是康普顿散射光子。 为此就需要用到符合方法。 当然， 使用其它类型的探测器也有可能遇到这 种问题， 因此应当提供一种能够准确地分辨康普顿散射光子和电子对效应 散射光子的计数方法和设备。
下面结合图 7和图 8来具体说明一种对康普顿散射光子和电子对效应 散射光子分别进行计数的方法和设备。 图 7显示符合计数和散射计数的原 理框图； 和图 8显示图 7中各个信号的时间关系图。
如图 7所示，在本实施例中，由于各个探测单元的计数原理完全相同， 因此下面仅以第一探测模块 B11和第二探测模块 C11构成的第一探测单元 为例来详细说明计数原理。
如图 7所示，在第一探测模块 B11和第二探测模块 C11中的探测器测 量到了射线之后， 分别输出第一模拟信号 SB11和第二模拟信号 SC11。
然后， 第一模拟信号 SB 11和第二模拟信号 SC11 分别输入到各自的 恒比定时电路 CFD,被转换为第一时间信号 DB11和第二时间信号 DC11。 恒比定时电路是核技术领域中的常规知识， 一般从业者应该知道， 这种电 路能够高精度地提取模拟信号的时间信息， 从而使得时间信号 DB11 或 DC11能够准确反映模拟信号 SB11或 SC11的形成时间。 不过这里也要注 意的是： 恒比定时电路是一个优化的选择， 要求较低的从业者也可以选择 利用普通的阈值甄别电路来获得时间信号 DB11或 DC11 , 只不过这样得 到信号的时间精度较差。
然后， 第一时间信号 DB11和第二时间信号 DC11同时输入到一个时 间符合电路中。 时间符合电路也是核技术领域的基本知识。 当第一时间信 号 DB11和第二时间信号 DC11进入到时间符合电路的时间差在预定的范 围之内时，时间符合电路就认为第一时间信号 DB11和第二时间信号 DC11 是 "大致同时"到达的， 否则就认为不是 "大致同时"到达的。 当时间信 号 DB11和 DC11是 "大致同时"到达时， 时间符合电路就输出一个符合 信号 Coinl。 当符合信号 Coinl输出时， 就意味着本系统认为测量到了一 个同时事件——电子对效应的两个 511k.eVY光子被测量到了。 此时 Coinl 信号被输入到符合计数器中， 符合计数器的计数执行增加 1操作。 在某个 特定的时间断内， 符合计数器得到的累计的计数就被称之为电子对效应计 数 Pairl。
与此同时， 第一时间信号 DB11和第二时间信号 DC11还分别被输入 到第一散射计数器和第二散射计数器中， 当第一探测模块 B11接收到来自 分块区域的光子时，第一散射计数器就执行加 1操作，当第二探测模块 C11 接收到来自分块区域的光子时， 第二散射计数器就执行加 1操作。 在某个 特定的时间断内， 第一散射计数器和第二散射计数器就分别得到累计的计 数 PB11和 PC11。 请注意， 这两个累计的计数 PB l l和 PCU不仅包括探 测到的康普顿散射光子计数， 还包括电子对效应湮没光子计数。
下面参见图 8， 来简单说明图 7中的各个信号的时间关系。 如图 8所 示， 从上图看出， 电子对效应的计数 Pairl会随着时间信号 DB 11和 DC11 的每次符合而加 1， 而计数 PB11、 PC11 则会随着每个时间信号 DB11、 DC11而加 1。 很显然， Pairl的计数值小于 PB11、 PC11的计数值。
在这里， PB11和 PC11两个计数值在后续的处理中是等价的， 我们既 可以利用 Pairl和 PB11来处理得到电子对效应和康普顿散射的关系，也可 以利用 Pairl和 PC11来得到这个关系。
当然， 由于探测器均存在探测效率的问题， 不能百分之百地探测所有 光子， 因此通过刻度环节， 我们可以确定第一探测模块 B11和第二探测模 块 C11中的探测器对 511keV γ射线的探测效率， 不失一般性， 这里假设 对 511keV Y射线的探测效率相同， 都为 s_pair。 由于康普顿散射光子的能 量与散射角度有关，故第一探测模块 B11和第二探测模块 C11中的探测器 对其的探测效率不可能相同， 通过实验或模拟计算可以得到平均探测效率 分别为 s_b和 ε— c， 则我们可以用下面的公式 （2 ) 或公式 （3 ) 来计算电 子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值 Zpc。
Zpc= (Pairl/s_pair)/[( PBl l- Pairl/e_pair)/ ε— b] ( 2 )
Zpc= (Pairl/ε— pair)/[( PC 11 - Pairl/e_pair)/ ε—c] ( 3 ) 值得注意的是， 在公式 （2 ) 或 （3 ) 的分子中， Pairl并不能排除由 于偶然符合导致的计数， 因此 ΡΩΖ 1 / £-Ρ。"·值一定比实际的电子对效应数目 大， 这是一个不可排除、 但可以弱化的系统误差。 为了减小由于康普顿散 射光子之间、康普顿散射光子与电子对效应光子之间或者由非同次正电子 湮没所致 2个 511keV光子之间的偶然符合， 对整个系统的时间分辨能力 应该提出较高的要求， 决定整个系统时间分辨能力的因素为：
1) 探测器的发光时间， 这里优选塑料闪烁体， 其发光时间在 ns量 级；
2) 探测器测量到 Y 后输出电压脉冲信号的幅度差异， 这部分在采 用恒比定时电路后可以忽略；
3) 探测器测量到 y 后输出电压脉冲信号的形状差异， 这部分需要 在设计探测器时考虑闪烁体的封装、 光反射等；
4) 时间符合电路的分辨时间， 这个时间是可以认为设定的， 应该尽 可能的小。
上面这 4个因素是核技术领域从业者应该具备的基本素养， 通过简单 或有限次的试验就可以解决， 因此， 本文中不再赘述。
尽管己经示出和描述了本发明的实施例， 对于本领域的普通技术人员 而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例 进行变化， 本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

权 利 要 求
1. 一种物品检测设备， 包括：
X光机；
X光机准直装置， 所述 X光机准直装置用于将所述 X光机产生的 X射 线成型为透射物品的扇面光束；
透射探测器阵列， 所述透射探测器阵列用于探测从物品透射过的 X射 线， 以便形成物品的二维透射图像； 和
至少一个散射探测器阵列， 所述至少一个散射探测器阵列中的每个散 射探测器阵列包括排成 i行 j列的多个相同的探测模块；
其中， 物品被 X射线透射的透射截面被分成 i行 X j列个大小相同的 分块区域， 并且
所述每个散射探测器阵列的 i x j 个探测模块与物品的透射截面的 i X j个分块区域一一对应， 用于探测对应的分块区域处 X射线产生的电子 对效应湮没光子和康普顿散射光子， 并且
根据探测到的电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比 值来获得各个分块区域处的原子序数， 从而形成物品的三维图像，
其中， i和 j均为大于或等于 2的正整数。
2. 如权利要求 1 所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述物品检测 设备包括两个散射探测器阵列， 分别为第一散射探测器阵列和第二散射探 测器阵列， 所述第一散射探测器阵列包括排成 i行 j列的多个相同的第一 探测模块， 所述第二散射探测器阵列包括排成 i行 j列的多个相同的第二 探测模块。
3. 如权利要求 2所述的物品检测设备， 其特征在于， 还包括： 与 i X j个分块区域一一对应的 i X j个符合计数器， 当与同一分块区 域对应的一个第一探测模块和一个第二探测模块 "大致同时"接收到来自 该分块区域的光子时， 对应的一个符合计数器执行加 1操作， 所述 "大致 同时"是指 "第一、 第二探测模块接收到光子的时间差在预定的范围内"； 和
与 i X j个分块区域一一对应的 i X j个第一散射计数器， 当与一分块 区域对应的一个第一探测模块接收到来自该分块区域的光子时， 对应的一 个第一散射计数器执行加 1操作。
4. 如权利要求 3所述的物品检测设备， 其特征在于， 还包括： 与 i X j个分块区域一一对应的 i X j个第二散射计数器， 当与一分块 区域对应的一个第二探测模块接收到来自该分块区域的光子时， 对应的一 个第二散射计数器执行加 1操作。
5. 如权利要求 4所述的物品检测设备， 其特征在于，
与同一分块区域对应的第一、 第二探测模块分别与第一、 第二恒比定 时电路相连， 用于将第一、 第二探测模块探测到的第一、 第二模拟信号转 换成第一、' 第二时间信号，
所述第一、 第二时间信号分别输入到与该同一分块区域对应的第一、 第二散射计数器， 并且
所述第一、第二时间信号还同时输入到与该同一分块区域对应的一个 时间符合电路， 所述时间符合电路用于判断所述第一、 第二时间信号的输 入时间是否为 "大致同时"， 当判断结果为 "是" 时， 则向与该同一分块 区域对应的符合计数器输出一个时间符合信号。
6. 如权利要求 4所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述电子对效 应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值用下面的公式 （2 ) 或公式 ( 3 ) 表示：
Zpc= (Pair l/s_pair)/[( PB 11 - Pair l/s_pair)/ ε— b] ( 2 )
Zpc= (Pairl/e__pair)/[( PCI 1- Pairl/s_pair)/ ε— c] ( 3 ) 普顿散射光子计数的比值，
Figure imgf000021_0001
】9 8_pair表示第一探测模块和第二探测模块对电子对效应湮没光子的探 测效率，
PB11表示所述第一散射计数器中的计数，
ε—b表示第一探测模块对康普顿散射光子的探测效率，
PC11表示所述第二散射计数器中的计数，
ε— c表示第二探测模块对康普顿散射光子的探测效率。
7. 如权利要求 4所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述第一散射 探测器阵列和所述第二散射探测器阵列中的每个探测模块均相同， 并且每 个探测模块包括：
探测器； 和
准直器， 所述准直器用于吸收与该探测模块的准直器不对应的其它所 有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子， 以便仅允许 与该探测模块的准直器对应的分块区域处产生的康普顿散射光子和电子 对效应湮没光子进入探测器。
8. 如权利要求 7所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述探测器为 塑料闪烁体、 液体闪烁体、 溴化镧探测器、 氯化镧探测器、 高纯锗探测器 或 CZT探测器。
9. 如权利要求 7所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述准直器由 铅、 钢或铜制成。
10. 如权利要求 7所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述每个探测 模块还包括：
屏蔽体， 所述屏蔽体用于屏蔽非来自与该探测模块对应的分块区域的 康普顿散射光子和电子对效应湮没光子。
11. 如权利要求 10所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述屏蔽体
、 钢或铜制成。
12. 如权利要求 10所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述每个探 测模块还包括：
硬化体， 所述硬化体用于减弱来自与该探测模块对应的分块区域的康 普顿散射光子和电子对效应湮没光子的强度。
13. 如权利要求 12所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述硬化体 由铅、 钢或铜制成。
14. 如权利要求 12所述的物品检测设备， 其特征在于，
所述探测器位于所述准直器的准直狭缝中；
所述屏蔽体位于所述准直器的背向所述物品的一侧， 并封闭住所述准 直器在该一侧处的准直狭缝开口； 并且
所述硬化体位于所述准直器的朝向所述物品的另一侧， 并封闭住所述 准直器在该另一侧处的准直狭缝开口。
15. 如权利要求 14所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述屏蔽体 与所述准直器一体形成。
16. 如权利要求 1所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述 X光机为 单能光机或多能光机。
17. 如权利要求 1所述的物品检测设备， 其特征在于， 所述 X光机产 生的 X射线的能量大于 1. 022MeV。
18.—种对物品进行检测的方法， 包括如下步骤：
利用透射探测器阵列探测从物品透射过的 X射线的衰减信息， 同时利 用散射探测器阵列探测 X射线在透射过程中产生的电子对效应湮没光子和 康普顿散射光子信息； 和
根据透射探测器阵列探测到的 X射线信息，生成物品的二维透射图像， 同时根据散射探测器阵列探测到的电子对效应湮没光子的计数与康普顿 散射光子的计数的比值， 生成物品的三维图像。
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