X射線(xiàn)康普頓散射成像技術(shù)的研究與應用

目前廣泛用于機場(chǎng)、海關(guān)、鐵路等重要部門(mén)的安全檢查設備大都是線(xiàn)掃描、雙能量、透射型X射線(xiàn)檢查設備，設備能同時(shí)得到被檢物的低能和高能信息，并根據這兩種信息計算出被檢物品組成物質(zhì)的有效原子序數信息，從而實(shí)現對被檢物品的分類(lèi)和識別。雖然這類(lèi)設備可以有效地把被檢物質(zhì)分為有機物和無(wú)機物，或者說(shuō)是金屬與非金屬類(lèi)，并賦予不同的顏色。但由于被檢物品內部多種物質(zhì)的重疊，以及只依據有效原子序數信息，準確地從不同種有機物中識別出可疑危險物，如炸藥和毒品，是件非常困難的事情。設備對薄片形、無(wú)規則塑性炸藥的探測也存在很難解決的問(wèn)題，透射射線(xiàn)很容易穿過(guò)薄片形的物質(zhì)致使這種形狀的物質(zhì)不易被識別出來(lái)，因此，目前使用的雙能量設備對隱藏在行李物品中可疑危險物的探測識別在很大程度上依賴(lài)于操作人員的經(jīng)驗。

近年來(lái)，隨著(zhù)恐怖事件的不斷發(fā)生以及高技術(shù)爆炸裝置的使用，特別是褲襠炸彈恐怖事件的發(fā)生，各國政府都加強了安全檢查力度和檢查范圍，從對物品的檢查漸漸擴大到對可疑人員的檢查，并不斷使用新技術(shù)和新設備。由于X射線(xiàn)康普頓散射成像技術(shù)可以突出顯示由低原子序數元素組成的、含有豐富碳、氫、氧、氮成分、密度又較大的物質(zhì)，特別是對探測薄片形危險物很有效，所以，散射技術(shù)可以彌補傳統雙能量X射線(xiàn)安全檢查設備不能探測片狀危險品的不足，改進(jìn)設備的探測率和誤報率。

X射線(xiàn)背散射成像設備由于散射探測器與射線(xiàn)源安裝于設備的同一側，設備的結構緊湊，可對行李物品、大型貨物、車(chē)輛、可疑人員實(shí)施非接觸的隱蔽檢查，主要是針對隱藏武器、彈藥、爆炸裝置、毒品、違禁品以及走私人口的探查。北京2008年奧運會(huì )期間，以及人民大會(huì )堂等重要部門(mén)使用了具有探測散射X射線(xiàn)能力的X射線(xiàn)檢查設備，背散射移動(dòng)檢查車(chē)在奧運期間對進(jìn)入比賽場(chǎng)地、場(chǎng)館的車(chē)輛以及周邊環(huán)境的檢查中發(fā)揮了重要作用。

一、X射線(xiàn)康普頓散射成像原理

X射線(xiàn)康普頓散射成像設備是利用了射線(xiàn)和物質(zhì)相互作用發(fā)生的非相干散射效應，入射X射線(xiàn)光子與被檢物質(zhì)的自由電子發(fā)生碰撞，光子的部分能量傳給自由電子使之成為反沖電子，其自身?yè)p失能量并改變方向成為散射光子，設備的專(zhuān)用散射探測器收集被檢物散射的X射線(xiàn)光子，生成被檢物的散射X射線(xiàn)圖像。散射一般分為前向散射和背（反）向散射。散射射線(xiàn)角度小于90°的叫做前向散射射線(xiàn)，散射角度大于90°叫做背向散射，所以，散射探測器根據安裝的位置，也就分為前、背散射探測器。

為了得到清晰的被檢物品的散射圖像，設備通常采用點(diǎn)掃描成像原理，專(zhuān)門(mén)設計的機械斬波裝置將X射線(xiàn)源發(fā)射的圓錐形X射線(xiàn)束斬波成筆束狀X射線(xiàn)，在驅動(dòng)裝置的控制下，沿垂直或水平方向飛速往復運動(dòng)，形成X射線(xiàn)飛點(diǎn)。當被檢物品或檢查設備移動(dòng)時(shí)，筆束狀X射線(xiàn)飛點(diǎn)就一點(diǎn)一點(diǎn)逐列地掃過(guò)被檢物，在每一時(shí)刻，只有一個(gè)X射線(xiàn)的光點(diǎn)照射被檢物，散射和透射探測器將分別收集被檢物品散射出來(lái)或穿過(guò)被檢物品的X射線(xiàn)，并轉換成電流信號，圖像采集系統將分時(shí)取樣，按列存儲每一點(diǎn)的圖像數據。由于被檢物品與檢查設備的相對移動(dòng)，就得到了完整的被檢物的2維散射圖像以及透射圖像。X射線(xiàn)透射圖像反映了被檢物的總衰減效應，較好地顯示了高密度和高原子序數的物質(zhì)，如槍支和匕首等。

散射信號較好的反映了物質(zhì)組成的密度信息，突出顯示了由低原子序數組成、密度較大的物質(zhì)，這種透射與散射結合的設備改進(jìn)了X射線(xiàn)檢查設備對可疑危險物品的探測能力。

點(diǎn)掃描設備的組成示意圖以及設備顯示的透射與散射圖像。對比同一行李箱的單能透射與散射圖像，就很容易發(fā)現散射圖像的特點(diǎn)，突出顯示行李箱中隱藏的可疑危險品--炸藥模擬物。

二、X射線(xiàn)康普頓散射成像設備的突出特點(diǎn)

X射線(xiàn)康普頓散射成像設備較傳統透射設備，具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

（一）優(yōu)點(diǎn)：

1.設備顯示的圖像為負圖像，突出顯示由低原子序數元素組成的、密度較大的物質(zhì)，炸藥和毒品均屬于此類(lèi)物質(zhì)；

2.背散射X射線(xiàn)檢查設備采用點(diǎn)掃描成像原理，在單位檢查時(shí)間內，被檢物只有一點(diǎn)接受射線(xiàn)照射，設備的單次檢查劑量和射線(xiàn)泄露劑量率極低，只有傳統設備的十分之一或更低。

3.背散射X射線(xiàn)檢查設備的散射探測器和X射線(xiàn)源位于同一側，使得設備的結構簡(jiǎn)潔緊湊，可實(shí)施對被檢物的隱蔽檢查。

4.在射線(xiàn)能量不能穿透被檢物的情況下，背散射X射線(xiàn)檢查設備可對被檢物實(shí)施雙側檢測，只要射線(xiàn)能量能夠滿(mǎn)足一定的強度要求，檢查的深度就可以足夠大，從而取得了傳統透射X射線(xiàn)設備所達不到的效果。

5.適合探測混雜于多類(lèi)物品中或隱藏于偽裝夾層、中空結構中的各種炸藥、毒品以及違禁品。

（二）缺點(diǎn)：

1.設備需要有復雜的機械斬波裝置，才能形成筆束狀X射線(xiàn)；

2.射線(xiàn)的利用率低，在單位時(shí)間內只利用了一點(diǎn)X射線(xiàn)，所以系統使用的射線(xiàn)源功率要大，束流要大，一般大功率射線(xiàn)源還需要有外循環(huán)的冷卻系統；

3.設備的系統噪聲比傳統設備要大，主要是斬波裝置的旋轉以及冷卻系統產(chǎn)生的；

4.散射射線(xiàn)的穿透能力差；

5.只有散射探測能力的系統，不能對物質(zhì)進(jìn)行有機物和無(wú)機物分類(lèi)，只是能突出顯示原子序數低、密度大的物質(zhì)，不能判別是否是爆炸物，還需要操作人員的干預。

6.散射圖像的分辨率比傳統透射設備要低。

三、X射線(xiàn)背散射成像設備的應用

X射線(xiàn)點(diǎn)掃描散射成像設備于80年代后期開(kāi)始用于機場(chǎng)的安全檢查，當時(shí)的設備只能顯示被檢物品的單能透射和背散射圖像，單能圖像適合顯示密度較大的物品，如金屬物品、刀、槍等，背散射圖像突出顯示了由低原子序數元素組成的物質(zhì)。由于塑料手槍、陶瓷刀具的出現，單能設備不能滿(mǎn)足安全檢查的需要，雙能量X射線(xiàn)檢查設備具有結構簡(jiǎn)單、能區分物質(zhì)的種類(lèi)等特點(diǎn)，很快取代了只有單能透射與背散射的點(diǎn)掃描設備。目前這種設備仍然在美國的一些博物館、旅游點(diǎn)、圖書(shū)館以及重要機構使用。近年來(lái)，具有散射探測功能的X射線(xiàn)檢查設備開(kāi)始在國內使用，主要用于郵件、行包、車(chē)輛、貨物隱藏爆炸物和毒品的探測。

（一）移動(dòng)安全檢查

由于背散射X射線(xiàn)檢查設備具有結構緊湊、操作簡(jiǎn)便、檢查劑量和射線(xiàn)泄露劑量率低、可對固定或移動(dòng)的被檢物實(shí)施隱蔽檢查等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在安全檢查和緝毒部門(mén)使用。設備一般安裝在改裝車(chē)輛的設備艙內，設備只需沿著(zhù)停放的被檢車(chē)輛勻速移動(dòng)，就能完成對被檢物的掃描檢查。在2008年奧運會(huì )期間，公安部第一研究所研制的小型X射線(xiàn)背散射檢查車(chē)在大同的安保工作中發(fā)揮了重大作用?？焖偎阉鳈z查運動(dòng)場(chǎng)館、賓館周?chē)能?chē)輛，以及對運動(dòng)場(chǎng)館周?chē)鷺?shù)叢隱藏人員進(jìn)行搜索檢查，取得了很好效果。由于這種移動(dòng)式的背散射X射線(xiàn)檢查車(chē)可以用于對車(chē)輛、貨物以及走私人員的隱蔽檢查，已受到緝毒、防爆等多個(gè)部門(mén)的關(guān)注。對大型集裝箱車(chē)輛的檢查，需要用高能量的X射線(xiàn)或伽瑪射線(xiàn)穿透被檢車(chē)輛，檢查設備通常采用線(xiàn)掃描成像技術(shù)，設備的檢查劑量大，需要建立專(zhuān)用的防護設施或是劃定很大范圍的控制區，這會(huì )給使用現場(chǎng)帶來(lái)很多麻煩。而采用點(diǎn)掃描成像技術(shù)的背散射X射線(xiàn)檢查設備可在沒(méi)有任何特殊防護設施情況下實(shí)施對被檢車(chē)輛的掃描檢查。如果射線(xiàn)不能有效穿透被檢車(chē)輛時(shí)，可對被檢物實(shí)施雙側掃描檢查，通過(guò)得到2個(gè)側面的散射圖像來(lái)看清楚一定深度內的物質(zhì)，或是使用3套背散射設備，在3個(gè)方位上對車(chē)輛檢查，得到被檢車(chē)輛雙側面和頂部圖像，同時(shí)，背散射設備對探測車(chē)輛的夾層、偽裝處特別有效，極容易發(fā)現車(chē)輛的偽裝夾層以及不同種類(lèi)的貨物，在不用打開(kāi)貨柜箱或去掉苫布的情況下，清楚得知內部裝載情況，確認貨物和貨單的一致性。

（二）人體檢查

X射線(xiàn)背散射人體檢查設備主要是探測人體所攜帶的武器、爆炸物以及違禁品等。由于2009年圣誕節期間褲襠炸彈未遂恐怖事件的發(fā)生，美國交通安全管理局（TSA）在事件后立即安裝了150臺背散射人體檢查設備，并計劃在美國的78個(gè)機場(chǎng)，部署X射線(xiàn)背散射以及毫米波人體檢查設備共計486臺，2010年要安裝約450臺設備在美國各主要機場(chǎng)，并在多個(gè)機場(chǎng)實(shí)施全面人體檢查。去年在巴基斯坦、印度、伊拉克等國發(fā)生的多起恐怖事件，都是恐怖分子用人體炸彈實(shí)施的恐怖破壞活動(dòng)。為此，各國政府都在采取更嚴格的安全檢查措施，據悉國內機場(chǎng)也在考慮人體檢查的有關(guān)事宜，公安部第一研究所研制的背散射人體檢查設備以及透射式人體檢查設備已開(kāi)始在首都機場(chǎng)試用。

人體背散射成像設備是利用低能X射線(xiàn)束掃描人體的2面，形成2維圖像。

由于采用了點(diǎn)掃描成像原理，單次檢查劑量很低，小于0.4μSv，典型值可為0.1μSv，符合國際健康與安全標準的規定，如IEC62463-2010、美國標準ANSIN42.47、ANSIN40.17、國標GBZ130-2002等有關(guān)標準。設備的一次檢查劑量相當于乘坐2分鐘飛機所接受的輻射，相當于一次醫療透視所接受劑量的千分之一，人在地球上一天所接受的自然輻射劑量的二百分之一。但專(zhuān)家們仍建議，懷孕的婦女和兒童不要接受此種X射線(xiàn)檢查。

為了保護受檢者的隱私，美國交通安全管理局（TSA）要求設備使用特殊算法處理整個(gè)人體圖像，并采用遠程網(wǎng)絡(luò )通訊或網(wǎng)絡(luò )傳輸方式完成檢查。遠端的顯示器顯示被檢人員的圖像，但遠端的圖像分析人員看不到被檢者，能看到被檢者的值機人員只能看到經(jīng)過(guò)處理的人體輪廓圖像。而這些圖像不被存儲、打印或傳輸，分析人員也不允許攜帶照相機，手機或能照相的設備進(jìn)入工作室，每一個(gè)分析后的圖像都會(huì )自動(dòng)刪除。由于背散射X射線(xiàn)圖像質(zhì)量?jì)?yōu)于毫米波圖像，所以說(shuō)背散射X射線(xiàn)人體檢查設備是目前人體攜帶危險品探測的理想設備。目前使用的此種設備主要是由AS&E公司生產(chǎn)的SmartCheck，RAPASICAN公司生產(chǎn)的Security1000，一所設備正在試用階段。

（三）綠色通道車(chē)輛檢查

隨著(zhù)國家建立高速公路鮮活農副產(chǎn)品綠色通道政策的實(shí)施，各地政府配套了相應的減免費用政策，對運輸鮮活農產(chǎn)品的車(chē)輛實(shí)行免收高速公路費用。然而，在政策的執行過(guò)程中，確有一些不法分子利用政策偷逃國家的稅費，使高速公路運營(yíng)部門(mén)受到很大的經(jīng)濟損失。據不完全統計，僅廣東省一年，借綠色通道偷逃高速公路稅費就高達13億元，現在京津塘高速公路每天通過(guò)的鮮活農產(chǎn)品運輸車(chē)輛大約有500多輛，每月有1.7萬(wàn)輛左右，現僅靠人工檢查，每月查出的不屬于鮮活農產(chǎn)品運輸免費規定的車(chē)輛大約有500輛左右，加強對綠色通道運輸車(chē)輛的檢查是非常必要的。

經(jīng)實(shí)驗，X射線(xiàn)背散射檢查設備是一種綠色通道的快捷檢查設備，可以自動(dòng)檢查通過(guò)綠色通道的車(chē)輛，確認貨物和申報單的一致性，解決高速公路運營(yíng)者面臨的實(shí)際問(wèn)題，減小國家高速公路收費的損失。高科技的使用大大減輕了工作人員的工作強度，不再需要打開(kāi)車(chē)輛逐一檢查，只需在控制室觀(guān)察圖像，對比申報貨單，就能決定放行還是不放行。

（四）雙能透射與散射技術(shù)的互補應用

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，安檢技術(shù)與設備也在不斷的更新，X射線(xiàn)檢查設備的應用領(lǐng)域也在不斷擴大，由機場(chǎng)、海關(guān)、鐵路等部門(mén)的應用已擴展到法院、銀行、旅游點(diǎn)、地鐵等部門(mén)，對安檢設備的功能提出了更高需求。設備不僅能探測隱藏在行李物品以及人體的金屬武器、彈藥、爆炸裝置，還要能探測有機成分的炸藥、毒品等，不僅能探測固體的爆炸物，還能探測膠狀、液體、以及片狀爆炸物，同時(shí)，設備的探測率要高，誤報率要低，設備能實(shí)現自動(dòng)探測，對可疑物給出明顯標識，設備的性能價(jià)格比還要好。目前，雙能X射線(xiàn)CT設備是比較理想的安全檢查設備，通過(guò)探測被檢物質(zhì)的有效原子序數和密度參數，準確識別爆炸物，但由于檢查通道的限制、檢查速度問(wèn)題以及價(jià)格昂貴，沒(méi)能做到廣泛應用。

多視角X射線(xiàn)檢查設備使用了多個(gè)射線(xiàn)源和探測器，從不同的角度照射被檢物，力求解決行李箱中多種物質(zhì)重疊問(wèn)題，以及從多組透射數據中提取物質(zhì)密度信息，設備的探測率和誤報率較廣泛應用的雙能量設備有了較大的改進(jìn)。雙能與散射技術(shù)的互補應用將彌補了2種技術(shù)的不足，這種雙能加散射、線(xiàn)掃描加點(diǎn)掃描的設備已開(kāi)始用于行李物品的檢查。由于散射技術(shù)在傳統線(xiàn)掃描、能量型系統上的采用，使設備可得到被檢物品的雙能透射和散射信息，專(zhuān)用算法依據被檢物品的雙能透射信息計算出被檢物品組成物質(zhì)的有效原子序數信息，依據透射和散射信息計算被檢物品組成物質(zhì)的密度信息，根據有效原子序數Zeff和密度兩個(gè)特征量，精確地識別可疑危險物。兩種技術(shù)的結合彌補了各自技術(shù)的不足，克服了雙能透射設備不能探測片狀危險物以及散射設備穿透力低的不足，改進(jìn)了設備的性能指標。

設備的融合算法將可疑物的散射信息融和到雙能透射圖像中，凸顯可疑危險物，幫助操作人員作出準確的判識。在雙能透射圖像中，片狀炸藥的信息與信號背景相當，根本探測不出來(lái)，炸藥模擬物被鋼板阻擋，透射信號很弱，設備難以識別。對散射成像系統而言，只要射線(xiàn)能穿透鋼板，通過(guò)對被檢行李的雙面檢查，前、背散射信號的組合，就能探測到炸藥模擬物的存在。這種線(xiàn)掃描與點(diǎn)掃描、透射與散射技術(shù)互補型的設備將具有很大的發(fā)展潛力。

四、結束語(yǔ)

近年來(lái)，具有散射探測功能的X射線(xiàn)檢查設備以不斷增長(cháng)的速度用于安全檢查的各個(gè)領(lǐng)域，從對小件郵件、行李物品的檢查到貨物、車(chē)輛、大型集裝箱的檢查，從邊防口岸走私人口的檢查到進(jìn)入機場(chǎng)、重要部門(mén)可疑人員攜帶危險品和違禁品的檢查，設備以單次檢查劑量低、射線(xiàn)泄露劑量率低、凸現具有原子序數低、密度較大的炸藥和毒品、適用于移動(dòng)檢查以及中空和夾層隱藏物品探測的獨特特征，正引起安檢、緝毒、邊防口岸等部門(mén)的重視。日益加劇的反恐形勢、人體炸彈在世界范圍內給各國人民的生命財產(chǎn)造成的損失，迫使我們采用更先進(jìn)的技術(shù)和設備應對和阻止恐怖事件的發(fā)生，安全檢查不僅對物品，還需要對可疑人員實(shí)行嚴厲檢查。目前，雖然新一代的人體檢查設備已經(jīng)用于機場(chǎng)，如離子遷移門(mén)、主動(dòng)式與被動(dòng)式毫米波探測門(mén)、背散射人體探測設備等，未來(lái)對可疑人員的探測將朝著(zhù)遠程探測、智能化以及犯罪意向先期探測，提早發(fā)現問(wèn)題，解決問(wèn)題。

多種技術(shù)的組合應用仍是未來(lái)安檢設備發(fā)展的方向，X射雙能透射與散射、線(xiàn)掃描與點(diǎn)掃描技術(shù)的互補應用，將改進(jìn)目前廣泛應用的雙能透射設備的性能指標，應用組合技術(shù)的設備將會(huì )有更廣泛的應用領(lǐng)域。