专利名称：利用Monte Carlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法
技术领域：
本发明涉及一种物质识别的方法。
背景技术：
传统的X射线检测技术和设备，有性能可靠、操作简单、易于维护、图像清晰直观并且价格低廉等优点。但是大多数安检设备都是利用普通射线成像系统来进行安全检查，类似枪支和刀具之类的比较坚硬的金属制品很容易被识别，但是探测爆炸物要比探測武器困难得多，因为现在的爆炸物大多是塑胶炸弹，其主要成分为HMX(奥克托今)、RDX(黑索今)，它们极易被伪装成任何形状，就像我们每天的日常生活用品一祥，很难被普通的射线成像系统检测出来。随着恐怖事件的屡次发生，如何有效而准确地检测出藏匿在行李包裹的夹层中、厚的鉄板暗格里、甚至是集装箱中的危险品成为目前的一大难点。由于爆炸物和 危险品的种类繁多，且物质形态千差万別，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。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采用对车辆进行改造，制造厚铁的暗格、夹层等手段，其原因是铁板对X射线的吸收较强，隐藏于厚重鉄板后的炸药、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，利用双能X射线成像方法可实现对原子序数低的有机物(毒品和爆炸物等)的探測，特别是对位于被检物浅层区(夹层等)的有机物探測其散射信号很强。

发明内容
本发明是为了解决目前在安检过程中，物质识别准确率低的问题，从而提供ー种利用Monte Carlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法。利用Monte Carlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，它由以下步骤实现步骤一、利用Monte Carlo方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱；步骤ニ、对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像；步骤三、分析步骤ニ获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子之间的关系，实现物质识别。步骤一中能量为9MeV和能量为6MeV的电子束的为O. 2cm。步骤一中钨靶的直径为I. 5cm、厚度为O. 2cm。步骤ニ中对步骤一获得的X射线谱进行准直采用铅准直的方法实现。有益效果本发明利用Monte Carlo方法模拟双能X射线成像的方法进行物质识另|J，能够更有效地识别被检测物品，提取更多的物质信息，从而提高检查准确率，降低误报率。本发明尤其适用于港口、码头等大型货物的检测，以及对违禁品(毒品、炸药)的识别。


图I是产生电子束的面源、钨靶及点探測器之间的空间结构示意图；图2是双能成像物质识别原理示意图；图3是前向散射的原理示意图；图4是6MeV电子束的轫致辐射谱示意图；图5是9MeV电子束的轫致辐射谱示意图；图6是6MeV电子束的轫致辐射角分布示意图；图7是9MeV电子束的辆致福射角分布不意图；图8是不同材料识别曲线不意图；图9是不同材料前向散射光子数与散射角的关系示意图；图10是MCNP 程序流程示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、利用Monte Carlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，它由以下步骤实现步骤一、利用Monte Carlo方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱；步骤ニ、对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像；步骤三、分析步骤ニ获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子之间的关系，实现物质识别。步骤一中能量为9MeV和能量为6MeV的电子束的为O. 2cm。步骤一中钨靶的直径为I. 5cm、厚度为O. 2cm。步骤ニ中对步骤一获得的X射线谱进行准直采用铅准直的方法实现。原理本发明的双能X射线成像物质识别方法是通过不同能量的X射线在物质中的衰减值进行计算(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有夫)，再将已有的数据和计算结果进行对比，从而确定被测材料的种类(有效原子序数)，实现物质识别。设P (EM，E)表示最高能量为EM(高⑶、低(L)能射线分别对应和EL)的X射线能谱分布；μ (Ε，Ζ)表示能量为E的X射线穿过原子序数为Z的被检测材料时的质量衰减系数，t为X射线穿过的被检测物质的质量厚度，那么高低能X射线穿过被检测材料之后的透明度定义为
(Μ^{ΕΑ1.Ε)β-^ Ετ —丄 dE _Λ/' _厂fか.、厚
^ ClE(I^其中Em代表Eh或者Ep再定义α Μ = -1ηΤΜ (2)根据每种物质的α曲线(αΗ，a L- α Η)就可以进行物质识别。模拟6MeV和9MeV电子束轰击钨靶的轫致辐射过程，其系统的空间结构如图I所不。其中，面源I产生的电子束直径为O. 2cm，圆心坐标为(0，-I，O)，钨靶2是直径为
I.5c m、厚度为O. 2cm的圆柱，圆柱底面圆心在原点。在以原点为圆心，半径为2cm的上半圆上每隔15°放置ー个点探测器3进行计数。利用MCNP 4C模拟得到6MeV和9MeV电子直线加速的轫致辐射谱及角分布，为了尽量缩短模拟计算时间，保证误差在可以接受的范围内，取NPS为2. OX IO6。MCNP程序流程示意图如图10所示。物质识别曲线(α曲线)的模拟对双能X射线成像物质识别方法进行模拟，其系统的空间结构如图2所示。原则上应该是利用上一步模拟得到的X射线谱，经过准直后，直接进行待测样品扫描。为了节省计算时间，増加统计精度，在编写INP文件时，把第一歩所得轫致辐射X射线谱进行微分，以直方图的形式输入。本发明预先对三种金属单质Pb (铅)、Fe (鉄)、Al (铝)、ー种化合物KC1 (氯化钾)、两种有机物=RDX(黑索今)和CH2(聚こ烯)共六种物质进行了模拟计算，得到了各自的识别曲线(α曲线)。在选择待测样品5的厚度时，均使所得数据点均匀分布在待测样品5的射程之内。其中Pb (铅)样品的厚度分别为I. 8cm 18cm,以I. 8cm为间隔；Fe (铁)样品厚度分别为3cm 30cm,以3cm为间隔；A1 (招)样品厚度分别为6cm 60cm,以6cm为间隔；KC1 (氯化钾)和RDX(黑索今)的样品厚度分别为8cm 80cm，以8cm为间隔；CH2 (聚こ烯)的样品厚度分别为20cm 200cm，以20cm为间隔。NPS取5X 106，选用Fl卡(面流量计数卡)进行计数。材料參数如表I所示表I材料參数表
材料密度(g/cm3)有效原子序数
Pb11.482 Fe7.8656 Al2.713 KCl丨.98418.12 RDX丨.866.95 CH20.955.53前向散射的模拟为了更精确的物质识别，本发明还包括对X射线的康普顿散射(前向散射)进行了蒙卡模拟，其系统的空间结构如图3所示。面源I选取6MeV电子轫致辐射谱，模拟选取Fe (铁)、Al (铝)、KCl (氯化钾)、RDX(黑索今)、CH2(聚こ烯)等五种材料，厚度均为3cm。用点探测器对散射的X射线进行计数，5°开始每隔2°放置ー个点探測器，NPS取5X106。数据处理及分析模拟得到6MeV/9MeV电子束轫致辐射谱如图4和图5所示6MeV和9MeV电子的轫致辐射谱形状很相近，都在较低能量段有较高的光子产额，差别在于9MeV电子轫致辐射谱的光子平均能量较大。同时也得到了 6MeV/9MeV电子束轫致辐射角分布，如图6和图7所示显然，0° (透射情況)所得光子数最多，0°到90°光子数下降的非常迅速，说明模拟所得的X射线谱前向性很好，在角度为90°时光子数出现突变，可能与光子的反射等有夫。6种材料的物质识别曲线把对应的轫致辐射谱进行微分，之后扫描Pb (铅)、Fe (鉄)、Al (铝)、KCl (氯化钾)、RDX (黑索今)和CH2 (聚こ烯)六种样品，对所得数据进行处理得到各自的α曲线如图8所示，可以看出随着有效原子序数的増加，不同材料的识别曲线有明显的单调关系；有效原子序数越大(如铅)，识别曲线近似斜率越小；有效原子序数差值越大，识别曲线分开的也就越明显；有效原子序数差值较小的两种材料，识别曲线会非常接近，如图中RDX(黑索今)和CH2(聚こ烯)差值为I. 42，二者的识别曲线比较接近，会给物质识别带来很大的误差。为了更准确的识别物质，必须尽可能多的提取材料的相关信息(如密度)。模拟微分轫致辐射谱扫描Fe (铁)、A1 (铝)、KC1 (氯化钾)、RDX (黑索今)、CH2 (聚 こ烯)等五种材料，记录了前向散射散射角从5°到41°的数据，结果如图9所示，可以看出入射X射线谱一定^MeV电子轫致辐射谱)，材料厚度相同(3cm)的情况下，前向散射光子数随着密度的増大而增大；密度的差值越大，曲线分的越开，物质识别就更容易。图中KCl和RDX的两条曲线10°以后几乎重合，是因为这两种材料密度(KCl密度I. 984、RDX1. 86)非常接近，差值仅为O. 124，这种情况下很难通过密度来识别物质，但可以通过有效原子序数加以区分(如图7所示)。本发明利用Monte Carlo方法模拟物质识别曲线和前向散射光子分布，为物质识别提供更多的イ目息，提闻了物质识别的精确度，进而提闻安检系统的材料分辨能力，对社会
安全有重要意义。
权利要求
1.利用MonteCarlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，其特征是它由以下步骤实现 步骤一、利用Monte Carlo方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱； 步骤二、对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像； 步骤三、分析步骤二获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子序数之间的关系，实现物质识别。
2.根据权利要求I所述的利用MonteCarlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，其特征在于步骤一中能量为9MeV和能量为6MeV的电子束的为O. 2cm。
3.根据权利要求I所述的利用MonteCarlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，其特征在于步骤一中钨靶的直径为I. 5cm、厚度为O. 2cm。
4.根据权利要求I所述的利用MonteCarlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，其特征在于步骤二中对步骤一获得的X射线谱进行准直采用铅准直的方法实现。
全文摘要
利用Monte Carlo方法模拟双能X射线成像进行物质识别的方法，涉及一种双能X射线成像进行物质识别的方法。它是为了解决目前在安检过程中，物质识别准确率低的问题。其方法步骤一、利用Monte Carlo方法模拟能量为9MeV和能量为6MeV的电子束轰击钨靶过程，产生轫致辐射，获得X射线谱；步骤二、对步骤一获得的X射线谱进行准直，准直后扫描待测样品，获得扫描图像；步骤三、分析步骤二获得的扫描图像，获得待测样品的识别曲线，根据该识别曲线与物质原子之间的关系，从而实现物质识别。本发明适用于安防检查。
文档编号G01V5/00GK102662196SQ20121014194
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者关世荣, 周巍, 庞杨, 张慧, 梅雪松, 滕立才, 韩业辉, 黄龙川 申请人:黑龙江省科学院技术物理研究所