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转让专利
申请号 : CN200510086764.8
文献号 : CN100582758C
文献日 : 2010-01-20
发明人 : 康克军 , 胡海峰 , 谢亚丽 , 苗齐田 , 杨袆罡 , 李元景 , 陈志强 , 王学武
申请人 : 清华大学 , 同方威视技术股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
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； 上述步骤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。
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l、 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射线束的测量分别釆用对快中子和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、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（1S)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)。
8、 根据权利要求7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。
9、 根据权利要求7或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，所述光中子转换增强耙（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。
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)。
11、根据权利要求10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。
说明书 :
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,及像检测技术领域，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Y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。
用于集装箱检査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Y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 其它手段检査出可疑物品后，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
澳大利亚CSIRO Minerals研制出一种直接测量单能快中子和单能 Y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Y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Y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Y射线源。而同位素源用作集装箱检査装置穿透力太低、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Y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：
®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。
⑦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。
上述步骤⑦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^，用X射线探测器测量穿透被检客
体的x射线强度为7^;以Q =—ln^ *皿^为横坐标，以^ =-ln?;
为纵坐标，成对的点(q,2)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査找n-x曲线，用不同颜色在扫描图像上表 示不同的材料。
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耙上产生，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。 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 增强耙的形状为圆弧形、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Y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。
⑦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^ ，用X射线探测器28测量穿透
被检客体的x射线强度为7^以q =—m^""^为横坐标，以
q =-ln?;"a^为纵坐标，成对的点fc，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。
上述用『"和^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：
式中：
7" 透射中子束强度， 7«。：入射中子束强度，^ :被检物对入射中子的衰减系数总和， 、 被检物厚度， 窄束连续能谱中子束在被检物中的衰减公式:
(2)
•0 」
式中：
/„0(五)：能量为五的入射中子束强度，
//"(fi，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，
&》： 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：
=./^(五)e〃"w恋 (3)
0
式中：
A: 透射X射线束强度，
能量为五的入射X射线束强度，
A(£，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，
A" 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：
式中：
t„(£，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， t;(e，x，z):表示等效原子序数为Z、厚度为^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& ，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：
雄£
通过求解非线性积分方程组(4)或(5)，消去被检物34厚度^，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歩骤与实施例一相同，在此不再赘述。