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X光安檢機工作原理

——

當(dāng)你登上火車或者飛機之前

安檢是一個必不可少的環(huán)節(jié)

不管你的行李箱中裝的是家鄉(xiāng)的特產(chǎn)

還是沉甸甸的知識

它們在通過安檢機時

都將被工作人員看到

圖源 | pixabay

安檢機究竟是怎樣工作的?本文試圖介紹現(xiàn)有的 X 射線安檢設(shè)備的工作原理,為旅途中的讀者提供一個一邊消磨時光,一邊增長知識的機會。

01.單能 X 射線成像

首先,什么是 X 射線呢?

X 射線是一種高能電磁波,通常人們把頻率位于 3×101?Hz~3×101?Hz (單光子能量約 100eV~100keV,頻率越高單光子能量越高) 范圍內(nèi)的電磁波稱為 X 射線。

X 射線由德國物理學(xué)家倫琴 (Wilhelm Conrad R?ntgen) 于 1895 年發(fā)現(xiàn),因此又被稱為倫琴射線。

倫琴 | 圖源 Wikipedia

X 射線照射到物體上會發(fā)生什么呢?

X 射線具有很強的穿透能力,當(dāng)它穿透物質(zhì)時,與物質(zhì)中的原子尤其是電子發(fā)生相互作用并損失能量,強度隨透射深度呈現(xiàn)指數(shù)衰減

我們暫時不考慮 X 射線如何與物質(zhì)中的原子發(fā)生相互作用,而是重點關(guān)注射線強度的指數(shù)衰減,這里射線的強度指的是單位時間穿過單位橫截面積的射線的能量 (通俗地講就是射線所含有的光子的密度)。


式中,I?表示入射 X 射線強度,I 表示穿透物質(zhì)后 X 射線的出射強度,x 為 X 射線在物體中行進(jìn)的距離,μ 為線性衰減系數(shù),上式表明 X 射線穿透物質(zhì)時呈現(xiàn)指數(shù)衰減。

如何通過這個原理窺探我們的行李箱呢?


X 射線強度衰減可以用來成像。X 射線穿過被檢測的行李箱時強度發(fā)生衰減,考慮到行李箱里的東西不是均勻分布的,因此從不同位置穿過行李箱的 X 射線的強度就會有所差異,探測透射 X 射線的強度分布并將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像,就可以得到能夠反映被檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像了。

X 射線穿過物質(zhì)時強度呈現(xiàn)指數(shù)衰減,可以利用透射強度進(jìn)行成像,展示物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) | 圖源 [2]

考慮到被檢測物體并不是均勻的,所以線性衰減系數(shù) μ 也是空間位置的函數(shù),我們可以用 μ=μ(s) 來表示,那么


對上式取對數(shù),并且定義對數(shù)透射信號 t (d) 為

透射 X 射線的強度圖像其實就反映了不同位置 t (d) 的相對大小。

02.雙能 X 射線成像

事情到了這里似乎很完美了,我們可以根據(jù)射線強度的衰減成像,這樣我們就得到了行李內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個輪廓。

可問題是,我們沒有辦法知道被檢測物體的元素組成。

為什么要知道元素組成?為什么只看到物體的形狀不夠?

我們知道安檢的目的是保護(hù)列車或飛機及其乘客的安全,因此安檢希望著重關(guān)注一些危險品,比如爆炸物等,獲得被檢測物體的元素組成可以很好地幫助爆炸物的檢測。

那么什么技術(shù)可以幫助我們獲得物質(zhì)的元素組成的信息?

雙能 X 射線成像同時探測一高一低兩種能量的 X 射線穿過物體后的強度,進(jìn)一步獲得物體的元素組成的信息。

那么它的工作原理是什么?

單能量 X 射線成像決定于線性衰減系數(shù) μ 和厚度 x 的乘積,通常原子序數(shù)大的物質(zhì) μ 大,具有大的原子序數(shù)薄片可能和具有較小原子序數(shù)厚的材料產(chǎn)生相同的效果,因此單能成像很難分辨物質(zhì)的元素組成,如圖所示

物質(zhì)的線性衰減系數(shù) μ 與材料的原子序數(shù)和 X 射線的光子能量有關(guān),為了讓分析更簡單,我們暫時先考慮一個均勻的物質(zhì) A,A 的線性衰減系數(shù)可以表示成 α,β 兩種參考物質(zhì)線性組合

對于選定的參考物質(zhì),μα(E) 和 μβ(E) 是已知的,上式兩邊同時乘 L?就得到了對數(shù)透射信號 t?(E),它也是能量的函數(shù)

式中 Lα 和 Lβ 是線性組合系數(shù)和 L?的乘積,對于高能和低能射線分別測量 t?(E),并且解出 Lα 和 Lβ,可以根據(jù)比值 Lβ/Lα 確定圖像上某一點的有效原子序數(shù)。

有效原子序數(shù)可以在一定程度上反映物質(zhì)真實的原子序數(shù),而我們知道,每種元素和該元素原子的原子序數(shù)是一一對應(yīng)的,這樣我們就確定了物質(zhì)元素組成的信息。根據(jù)有效原子序數(shù)的數(shù)值給圖像上色,就得到了假彩色的安檢圖像,如下圖。

雙能 X 射線成像給出的假彩色圖像,圖中金屬、合金和硬塑料為藍(lán)色,密度較低的物質(zhì)展示為綠色或橙色 | 圖源 [4]

下圖展示了一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局。X 射線管發(fā)射出連續(xù)譜 X 射線 (包含多種頻率,即包含多個能量)。穿過物體后的射線首先被低能探測器接收,接著穿過一塊薄的銅片,銅片可以吸收較低能的射線,于是只有能量較高的部分穿過銅片到達(dá)高能探測器。這樣人們就分別獲得了高能和低能射線的信號。

一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局 | 圖源 [3]

03.多視角 X 射線安檢技術(shù)

通常我們的行李箱被塞得很滿,在射線通過的路徑上有不止一個物體,上面的方法對物體僅沿一個方向投影,很難分辨重疊的物體。

那么如何解決物體的重疊問題呢?

就像人的雙眼可以從不同的視角觀察一個物體一樣,人們發(fā)展了多視角成像技術(shù)。人們可以根據(jù)被檢測物體的不同視角的二維圖像,部分地獲得物體的三維信息,可以有效解決重疊問題。此外,多視角成像技術(shù)還可以提高雙能安檢設(shè)備對原子序數(shù)判別的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)有的多視角 X 射線安檢設(shè)備包括單射線源多視角模型和垂直式多視角模型等。下圖展示了這兩種模型的結(jié)構(gòu)。


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