X射线爆炸物及毒品探测技术研究

对通过重要出入口的人员所携带的行李物品进行安全检查已成为国际上广泛采用的安全措施。近年来，受航空安全等需要的驱使，X射线安全检查技术得到迅速发展，并已成为国际上广泛采用的安检技术。本文阐述了X射线安全检查技术的基本原理，以及目前常用的X射线安检方法。

近年来，在世界范围内各种形式的恐怖事件频发，公共安全成为国际社会关注的焦点。为对付日益猖獗的恐怖活动，各国政府纷纷出台相应政策，包括加强对机场、车站、码头等公共场所的安检措施，并重点加强对爆炸物、毒品等违禁品的检查力度。但是，由于爆炸物种类繁多，且物质形态千差万别，要准确、快速地检查出爆炸物等违禁品，无疑提高了对安检设备的技术要求。

目前，国际上对爆炸物等违禁品的检测技术研究，主要集中在X 射线检测技术、中子检测技术、电磁测量技术及蒸气微粒探测技术等。其中X 射线检测技术是相对成熟且应用最广泛的一项技术，主要包括X 射线透射法、双能X 射线检测法、X 射线散射法、X 射线CT等。这些技术通过提取被检物的特征物理量信息，实现对违禁物的检查。所提取的被检物的特征物理量，主要是被检物的密度（ρ）和有效原子序数（Zeff）信息。理论上，已知物质的密度和有效原子序数就可以准确确定物质的类型。但是，目前现有的各种安全检查方法都存在着不同程度的不足与缺陷，将各种安检方法相互补充，实现多级检查是目前安检中常用的手段。本文详细阐述X射线安全检查技术的基本原理，并介绍目前常用的X射线安检方法。

原理

X射线是一种高能的电磁辐射，是由高能电子在物质中作减速运动或由原子内层轨道电子的跃迁所产生，因其穿透性强，可以穿透包裹、行李等物品，被用来作为安全检查的射线源。

       X射线产生后，通过准直器形成平面的扇形射线束照射被检物，经过与被检物的相互作用，该扇形射线束的一部分能量被物质吸收，一部分能量被物质散射，由于不同种类的材料对X射线的吸收、散射能力不同，所以透射的X射线束到达探测器时的能量也不同。探测器把探测到的X射线能量转化为载流子，并将微小尺寸范围内X射线能量的变化分辨出来，经过处理，探测器接收的能量大小以灰度级图像显示。再经计算机图像技术处理后可使行李包裹中危险品和违禁品能被检查出来。

X射线穿过物质时，其衰减存在以下规律：

（1）式中，I0为X射线的入射强度；t为被检物的厚度；μ为被检物总衰减系数； I为出射的X射线强度。根据X射线与物质的相互作用，按其作用原理可分为光电效应、康普顿散射效应、瑞利散射效应和正负电子对效应。X射线穿过物质时，其总衰减系数μ为：

（2）式中，Σ为宏观界面；N为单位体积原子核数；σ为总衰减截面；σph为光电吸收截面；σc为康普顿散射截面；σr为瑞利散射截面；σK为电子对截面； A为原子质量数； NA为阿伏加德罗常数；ρ为物质密度。对于原子序数小的物质（如：大部分的爆炸物、毒品）可近似认为：σph为原子序数Z和入射X光子能量hν的函数，σc仅为hν的函数，σr为Z与hν的函数，当入射光子能量达到兆电子伏时会产生电子对效应，一般安全检查设备所用X光子能量在千电子伏量级，不会产生电子对效应，σK项可忽略。因此总衰减系数μ是Z、ρ、hν函数。

因此，当X光子能量确定时，若只是简单测量入射的X射线能量I0和出射的X射线能量I，则只能得到μt乘积的值，也就是关于Z，ρ，t三个变量的函数f（Z，ρ，t），是无法提取到被检物的单个特征物理量的。为了把Z值从f（Z，ρ，t）中分离出来，需要再引入条件，构建另一独立的方程。为此引入具有另一能量的X射线束，通过公式1和公式2可以推导出，物质对高能X射线衰减与对低能X射线衰减的比值K只与物质的原子序数Z有关，而与ρ，t无关，即可以把Z值分离出来。对常见的有机物和无机物而言，Z值与K值是单调变化的，因此通过对K值的测量可以得到Z的信息。对于化合物和混合物而言，我们使用有效原子序数Zeff代替Z，两者的关系为：

（3）式中，Zeff为有效原子序数；Z为元素原子序数；a为元素原子个数与总原子个数的比值。一般而言，金属的有效原子序数大于18，无机物的有效原子序数在10与18之间，而有机物的有效原子序数往往小于10。

为获取被检物更加丰富的信息，对进入被检物后被同相散射的X光子特征进行研究。这种背散射信号包括物质吸收、散射几率和散射后的衰减三部分，如下式所示：

（4）式中，I为射线强度衰减；I0为X射线的初始强度；μ(E) 为吸收系数；ρ为物质密度； t为经过厚度；σs为散射截面；θ为散射角。

当入射光子能量范围在0.3MeV至10MeV之间，入射光子与多数物质发生的作用以康普顿散射为主。康普顿散射的概率与电子的密度Ne成正比例，电子密度Ne与质量密度有关，因此康普顿散射信号随着质量密度的增大而增强。对于高原子序数的物质，康普顿散射会被光电效应所抑制。

如果物质的Zeff越低以及探测器到包裹表面的距离越小，那么康普顿散射信号就越强，反之亦然。这意味着来自浅层区材料的Z 信息比透射双能量系统中的信息丰富、灵敏。大多数爆炸品，尤其是可塑炸药有较低的Zeff和较高的密度。因此对背散射信号的探测能给包裹表面的低原子序数的物质提供更多的信息，对探测靠近行李表层的爆炸物具有特别重要的意义。

常用的X射线安全检查技术

单能X射线法

X射线透射法是根据不同物质对X射线的衰减系数不同进行分辨，简单测量入射的X射线能量I0和出射的X射线能量I，得到μt的乘积。使用这种方法对有效原子序数大的物质（如金属等）可清晰的成像，检查效果较好，但对于隐藏在吸收系数大的物质后面的违禁品（如炸药）则不能探测到，因此检测能力十分有限。

双能X射线法

进而发展了双能X 射线检测技术，该方法可得到被检物的有效原子序数信息，可以将有机物从无机物中分离出来。

利用高能和低能X射线照射物质，测量物质对高能X射线衰减与对低能X射线衰减的比值K，从而提取出被检物的有效原子序数Zeff。双能X射线检测法可得到被检物的有效原子序数信息，可以将有机物从无机物中分离出来，如将行李中常见的玻璃等无机物分离出，从而大大提高了检测的准确率，且检测速度快、成本较低，成为安检设备的主流产品。但双能X 射线检测技术对行李中允许携带的有机物（如食品、塑料、织物等生活有机物）和违禁有机物（如TNT、C4、海洛因、可卡因等）的区分仍有困难。

X射线背散射法

针对违禁物品多是被隐藏在行李外层的夹层和暗格中的特点，发展了X射线背散射技术。它是一项较新的X射线安检技术，主要探测物质对X光子的康普顿散射信号，因此对Zeff低、密度高且放在行李外层的物品有较好的检查效果。与双能量X射线检查法相比，X射线背散射法获取的行李外层的信息更丰富、灵敏，从而可进一步提高检查准确率，尤其是对有较低Zeff和较高密度的塑性炸药等效果很好。

近年来，X射线背散射技术也应用在大型物品的安全检查中。利用车辆偷运炸药、毒品和人员偷渡等往往是对车辆进行改造，制造厚铁的暗格、夹层等，因为铁板对X射线的吸收较强，隐藏于厚重铁板后的炸药、毒品等有机物在传统的X射线检查中被遮挡，难以发现。但有效原子序数低的有机物（毒品和爆炸物等）对X射线的散射效应强，利用X射线背散射方法可实现对原子序数低的有机物（毒品和爆炸物等）的探测，特别是对位于被检物浅层区（夹层等）的有机物探测其散射信号很强。图1为被检车辆的多视角X射线背散射图像，可以清晰的看到隐藏在汽车前、后夹层中的违禁品及隐藏在车顶夹层中的偷渡人员。但是，X射线背散射法仍无法同时获取有效原子序数和密度信息，对行李内部和部分塑性炸药也无法检查。

在安检中，由于包裹行李中存在被检物品繁杂且相互重叠、遮挡、混放的现象，为安全检查带来困难。目前，将X射线双能量和背散射技术结合，可提供安检员更多的信息，以提高检查准确率，提高检测的准确性，降低误报率。现已应用在集装箱检查、车辆检查、包裹行李检查、人体检查等安全检查方面。

结论

目前，多种X射线探测技术广泛应用于安全检查的各个领域，但还没有出现能单独提供物质的有效原子序数和密度信息的安检产品。每种探测技术都有一定的优势和局限性及针对性。总之，多种技术融合及多级检查是安检设备发展的方向之一。