X射线安检技术的概念及发展应用

姚宇鹯　李鹏飞　张文平

摘 要：X射线安检技术可以对物质的微观特征进行检测，在对危险品的检测中起着重要作用，是一项重要的安检方法，并且广泛应用在各种交通站点中。文章阐述了X射线安检技术的基本原理，并且指出X射线安检技术在目前应用中存在的问题和将来发展的方向。

关键词：X射线，安检，双能，多视角

中图分类号：N04；TL816；TP274 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0083-03

The Concept and Application of Xray Detection Technology

YAO Yuzhan LI Pengfei ZHANG Wenping

Abstract：Xray detection technology can reveal characteristics of material at themicrocosmic level.Xray detection technology on dangerous goods plays a role in security prediction and warning.It has been proved to be an effective security inspection method and widely applied in public traffic stations.The principles of the Xray detection technology are introduced in this paper， which also points out the problems in the application and development of the Xray detection technology in the future.

Keywords：Xray，security detection，dualenergy，multiview

收稿日期：2014-06-14

作者简介：姚宇鹯（1981—），男，国家知识产权局专利局专利审查协作中心光电部审查员，助理研究员。通信方式：yaoyuzhan@sipo.gov.cn。

引 言

自伦琴1895年发现X射线以来，X射线成像技术在一个多世纪的发展中，逐步应用在工业无损探伤、医疗、安全检测等各个行业。在美国“9·11”事件之后，全球开始将铁路、航空等领域作为防范恐怖袭击的重点，而X射线技术对于大部分物质具有穿透能力，能够探测隐藏起来的危险品等，它还可以提供被检测体的物质信息，比如密度、有效原子序数等，能够确定被检测体是何种物质类型。因此，X射线技术在最近十几年已经成为安检领域中最重要的安检技术。

一 X射线安检技术的概念

X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射，其波长约为（20～0.06）× 10-8cm之间[1]。德国科学家伦琴于1895年在德国维尔兹堡大学进行阴极射线的试验时，发现了这种新的射线，而X射线的命名却与伦琴这位虔诚的基督教徒的信仰有关，由于这种射线具有极强的穿透力，伦琴就根据《圣经》中记载，取耶稣（Jesus）的希腊语Χριστοζ的第一个字母X命名，又称基督之光。

X射线的产生原理为，用加速后的电子撞击金属靶，在撞击的过程中，电子受阻突然减速，其损失的动能会以X射线形式释放出。如果继续加大加速电压，使得电子携带的动能增大，可能将靶内的金属原子的内层电子撞击出，内层形成空穴，电子处于非常不稳定的激发态，外层电子跃迁回内层填补空穴，使得能量总体达到稳定态。同时外层电子的跃迁导致能量减少，放出一定波长的X射线，在安检领域中通常是用X射线管和加速器产生X射线。

目前，安检领域常用的技术主要涉及X射线、中子、电磁波、拉曼、离子迁移谱等，而X射线安检技术是安检技术中最重要的组成部分，其技术发展已经形成了多个分支：单能X射线、双/多能X射线、双视角/多视角X射线、散射X射线、CT断层扫描等。与其他安检技术不同，X射线技术通过X射线和被检体之间相互作用，使得被检体对X射线进行散射、透射、吸收[3]，通过入射前后能量大小、分布等的差别，综合判断出有机物、无机物、重叠的多种物质，形成二维、三维物理信息，更加准确、快速地检测危险品的成分和隐藏位置。

1.单能X射线技术

单能X射线技术是最基本的、同时也是最早广泛应用在安检领域的技术，直至目前，也还是众多X射线安检系统应用的常规技术。

单能X射线技术利用的是X射线穿透物质时能够被物质吸收的特性，其中会有一部分能量被吸收。针对材料的性质来说，原子序数低的吸收性能差，原子序数高的吸收性能强；针对材料结构来说，材料越厚吸收性能越强，材料越薄吸收性能越差。据此通过对透过的X射线进行探测，将接收的能量进行数据处理和计算，即可得到被检测体的二维图像[4]。

2.双能/多能X射线技术

双能X射线技术是以多能量X射线识别材料、图像处理的理论基础上，将计算高能、低能下的衰减比值K推导出有效原子序数Zeff[5]，利用有效原子序数Zeff作为识别材料的特征量，就能够清晰的将无机物、有机物区分开来并且成像。

双能X射线技术分为真双能X射线技术和伪双能X射线技术，前者通过设置高能、低能X射线源配合高能、低能探测器组成双能X射线安检系统；或是通过调整X射线源的电压使得输出高能、低能X射线的方式实现双能；后者通过在射线源处设置两个狭缝和高能、低能滤波器实现双能，或是一个射线源产生X射线，将探测器设置成双层夹心结构，在两组探测器之间设置滤波器以得到高能、低能数据。

为了更加精确地确定各种材料，可以通过多能X射线实现。多能X射线使用多个不同能量段的X射线作为射线源，对于不同性质、不同厚度的材料对于多能量段X射线的衰减值，综合计算得出材料的具体组成成分。

3.双视角/多视角X射线技术

双视角/多视角X射线技术是以单能/双能技术为基础，提供更加灵活的视角来获得多个被检体的二维投影图像，对投影图像进行处理分析得到被检体特征点，根据特征点进一步确定被检体的区域，从而确定三维重建时的截面特征。然后将多个截面图像通过三维重建算法模拟仿真出被检体，并且通过与已经建立好的材料—密度特征值数据库中进行比较，判断出是否为违禁品。由于多角度的设置能够探测隐藏在某些物体后面的其他物体，能够保证检测到重叠在一起的违禁品。

4.散射X射线技术

散射X射线技术通常分为前向散射（散射角度小于90°）和背向散射（散射角度大于90°）。不同物质X射线发生的散射也不同，散射概率和被检体的电子密度、质量密度密切相关，高原子序数的物质散射性弱，低原子序数的物质散射性强。根据X射线与物质之间的散射作用，测量多个特定散射角处的散射光子数，计算出对应的电子密度，然后经过数据处理得到被检体的密度分布图像。大多数爆炸物原子序数低并且密度高，这就对检测人体携带或是包裹中的爆炸物提供了更为准确的途径。

5.CT技术

CT（computed tomography，计算机断层扫描）技术，当X射线穿过一定厚度的被检体时，被检体对X射线具有吸收作用，导致X射线衰减，而X射线的衰减程度和被检体的厚度具有一定的数学关系。但一般被检体由不均匀的物质组成，这时将扫描的被检体分成多个体积相同的小长方体单元，因此，每个小单元对应着各自X射线的衰减率，将这些小单元组成矩阵，再将其转化成灰度不等的像素值，进而重建成CT图像。通过CT技术可以分辨重叠在一起的各个物体，确定物质的三维密度和厚度，精确地区别低原子序数的危险品和安全品[6]。

二 X射线安检技术的特点

（1）X射线安检技术主要是通过透射、散射成像，将隐藏物或是遮蔽物成像出来，通过辨识判断是否为危险品，避免人工检查，提高安检效率。

（2）双能X射线技术能够将有机物和无机物清晰地分离。

（3）散射技术突出显示炸药、毒品这类原子序数低且密度大的物质，辐射量和泄露量低、结构紧凑，便于检测随身携带的危险品。

（4）CT技术具有较高的空间分辨率、图像分辨率， 扫描速率快，具有较高的检测精度和吞吐量。

（5）各个X射线安检技术之间能够取长补短、在应用中可以相互结合，例如，双能和CT技术相结合同时得到被检体的三维密度和原子序数信息，提高了安检的准确率和降低了误报率；背散射和透射相结合能够提高密度检测的准确度和精度。

三 X射线安检技术的机遇与挑战

随着国际反恐力度的加大，今年我国也将反恐列为重要任务之一，机场、地铁、铁路等安检力量的布置逐步加大，安检技术逐渐成为预防、打击恐怖事件和保障人民生活安全的重要手段之一，其市场的需求和增长率尤其明显。进一步发挥X射线安检技术中各个分支技术的特点，或是将各个分支技术有效结合，使得安检系统具有较高的安检准确率、吞吐量、精确度，以完全达到目前安检的逐项要求，是目前安检技术所面临的重大机遇。

虽然X射线安检技术具有众多优点，但该技术也存在着诸多难题。例如，目前常用的安检仪器多为固定式，其灵活性、机动性较差。因此，X射线安检技术需要向小型化、便携式方向发展，体积小、重量轻、便于运输、方便安装是其今后主要的发展方向；另外，机场、铁路、地铁等重要交通部门，其客流量逐步增大，安检设备数量也相应增大，如何优化安检设备之间相互协作、提高检查通过率、建立一套全面有效的安检方案，这是安检技术面临的又一大难题。

四 结 语

X射线安检技术作为保证公共安全的一项重要技术，具有良好的市场前景，在各个国家逐步开始重视这项技术的研发和应用的同时，该技术也将在理论、工艺、结构等方面不断地创新和进步，在安全检查领域起到越来越重要的作用。

参考文献

[1] 郑金州，鲁绍栋.X射线技术在安检领域的应用[J].CT理论与应用研究，2012，21（2）：357-364.

[2] 苑红霞.X射线的发现及其早期研究的历史回顾[D].北京：首都师范大学，2003.

[3] 周其伟.X射线安检设备的硬件设计[D].南京：东南大学，2005.

[4] 黄魁，林远斌，吴腾芳，等.国外爆炸物探测与识别技术综述[J].爆破器材，2007，36（3）：34-38.

[5] 孟承祥.爆炸物及毒品的探测技术[J].核电子学与探测技术，2003，23（4）：371-379.

[6] 赵丹.基于CT式危险品检测系统关键技术的研究[D].南京：东南大学，2010.