专利名称：物品检测设备及其检测方法
技术领域：
本发明涉及辐射探测技术领域，特别涉及一种对物品中的爆炸物、化学物质、生物武器、核材料、毒品等危险品进行安全检测的物品检测设备和使用该物品检测设备进行检测的方法。
背景技术：
在针对集装箱、航空箱的安检领域，对特异物质的检测是一个持续的热点需求。这些特异物质包括爆炸物、化学物质、生物武器、核材料、毒品等。人们已经开发了很多技术来致力于对这些物品的检测。其中X射线的透视技术就是一个非常流行的技术类型，其它如中子技术也是被关注的候选技术，下面对这两种技术进行简单的介绍。1. X射线可以分为传统透射技术和其它类型a)在传统的X射线技术中，无论是单能X射线透射、还是双多能X射线透射技术， 所利用的都是X射线在穿透物体之后的衰减信息，然后用探测器阵列来实现精密的二维成像，这样得到的图像基本反映了 X射线穿透路径上物体的质量厚度信息。操作人员通过对图像的形状进行分析来判断其中是否存在有可疑的特异物质。这种X射线方法的根本问题是它所测量的是X射线路径上材料衰减能力的积分，因此有可能将高Z高密度但厚度小的物体和低Z低密度但厚度大的物体视作相同，这对核材料的检测是非常不利的。b)核共振荧光技术是一种利用X射线来激发原子核，然后测量原子核退激后放出的特征能量Y光子的方法。这种方法能够得到感兴趣原子核的“指纹”信息，是一种值得研究的方法。但这种方法的问题是灵敏度很低，因为能够发生共振吸收的X射线能谱宽度非常小，使得经χ射线照射之后被检测物品产生的共振荧光很少而散射光子很多，对灵敏度和信噪比都提出了挑战。有人提出了利用能量可调的单能X射线源来进行检测，但是这需要具有IOOMeV以上的电子加速器，后者又是一个新的挑战。2.中子类技术大致可以分为两类透射方法和元素分析方法。a)基于中子的透射方法与X射线透射方法较为相似，但中子对低原子序数(尤其是H)敏感，而对高Z的物质则相对不敏感，因此与X射线相较而言，它更擅长于对富含H物质的检测，但是中子的透射方法测量的也是中子路径上的积分信息，无法区分某个空间位置的元素构成。b)基于元素分析的中子方法能够根据与中子反应后放出的Y射线来区分不同的核素，因此具有元素识别的能力，在此基础上，有人更增加三维空间分辨的能力，使得能够对被检测的集装箱或者车辆进行5CmX5CmX5Cm的三维元素空间成像。但元素分析方法只能对那些与中子反应截面大的核素有效，如N、C、0(快中子反应)，N、H(热中子反应)等， 对于那些中子反应截面很小的元素来讲，灵敏度很差。另外，元素分析方法对能谱测量的精确度要求很高，由于中子诱发的Y能谱往往不是单能的，而探测器对单能Y能谱的响应也是连续的，因此实际中的解谱工作也是非常困难的。还有一些其它的技术类型，如电四极矩方法，这种方法具有对分子敏感的特性，能够提取分子的“指纹”信息，但是该技术成立的前提是分子中存在电四极矩不为0的原子核，而且原子核所处的电场梯度较大。但是这一点只对少数物体才是有效的。另外，这种技术会受到电磁屏蔽措施的反制。

发明内容
鉴于现有技术存在的上述技术问题，本发明的至少一个方面在于提供一种能够容易地实现三维成像的物品检测设备及其检测方法。根据本发明的一个示例性的实施例，提供一种物品检测设备，该物品检测设备包括X 光机；X光机准直装置，所述X光机准直装置用于将所述X光机产生的X射线成型为透射物品的扇面光束；透射探测器阵列，所述透射探测器阵列用于探测从物品透射过的X射线，以便形成物品的二维透射图像；和至少一个散射探测器阵列，所述至少一个散射探测器阵列中的每个散射探测器阵列包括排成i行j列的多个相同的探测模块；其中，物品被X射线透射的透射截面被分成i行Xj列个大小相同的分块区域，并且所述每个散射探测器阵列的ixj个探测模块与物品的透射截面的ixj个分块区域一一对应，用于探测对应的分块区域处X射线产生的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子，并且根据探测到的电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值来获得各个分块区域处的原子序数，从而形成物品的三维图像，其中，i和j均为大于或等于2的正整数。根据本发明的一个示例性的优选实施例，所述物品检测设备包括两个散射探测器阵列，分别为第一散射探测器阵列和第二散射探测器阵列，所述第一散射探测器阵列包括排成i行j列的多个相同的第一探测模块，所述第二散射探测器阵列包括排成i行j列的多个相同的第二探测模块。但是需要说明的是，所述物品检测设备也可以仅包括一个散射探测器阵列。根据本发明的一个示例性的优选实施例，所述物品检测设备还包括与ixj个分块区域一一对应的ixj个符合计数器，当与同一分块区域对应的一个第一探测模块和一个第二探测模块“大致同时”接收到来自该分块区域的光子时，对应的一个符合计数器执行加1操作，所述“大致同时”是指“第一、第二探测模块接收到光子的时间差在预定的范围内”；和与ixj个分块区域一一对应的ixj个第一散射计数器，当与一分块区域对应的一个第一探测模块接收到来自该分块区域的光子时，对应的一个第一散射计数器执行加1操作。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述物品检测设备还包括与ixj个分块区域一一对应的ixj个第二散射计数器，当与一分块区域对应的一个第二探测模块接收到来自该分块区域的光子时，对应的一个第二散射计数器执行加1操作。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，与同一分块区域对应的第一、第二探测模块分别与第一、第二恒比定时电路相连，用于将第一、第二探测模块探测到的第一、第二模拟信号转换成第一、第二时间信号，所述第一、第二时间信号分别输入到与该同一分块区域对应的第一、第二散射计数器，并且所述第一、第二时间信号还同时输入到与该同一分块区域对应的一个时间符合电路，所述时间符合电路用于判断所述第一、第二时间信号的输入时间是否为“大致同时”，当判断结果为“是”时，则向与该同一分块区域对应的符合计数器输出一个时间符合信号。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值用下面的公式(2)或公式(3)表示Zpc = (Pairl/ ε —pair) / [ (PBl I-Pair 1/ ε —pair) / ε _b] (2)
Zpc = (Pairl/ ε _pair) / [ (PCI 1-Pair 1/ ε _pair) / ε _c] (3)其中，Zpc表示电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值，Pairl表示所述符合计数器中的计数，ε _pair表示第一探测模块和第二探测模块对电子对效应湮没光子的探测效率，PBll表示所述第一散射计数器中的计数，ε _b表示第一探测模块对康普顿散射光子的探测效率，PCll表示所述第二散射计数器中的计数，ε _c表示第二探测模块对康普顿散射光子的探测效率。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述第一散射探测器阵列和所述第二散射探测器阵列中的每个探测模块均相同，并且每个探测模块包括探测器；和准直器，所述准直器用于吸收与该第一探测模块不对应的其它所有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子，以便仅允许与该第一探测模块对应的分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子进入探测器。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述探测器为塑料闪烁体、液体闪烁体、溴化镧探测器、氯化镧探测器、高纯锗探测器或CZT探测器。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述准直器由铅、钢或铜制成。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述每个探测模块还包括屏蔽体，所述屏蔽体用于屏蔽非来自与该探测模块对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述屏蔽体由铅、钢或铜制成。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述每个探测模块还包括硬化体，所述硬化体用于减弱来自与该探测模块对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子的强度。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述硬化体由铅、钢或铜制成。
根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述探测器位于所述准直器的准直狭缝中；所述屏蔽体位于所述准直器的背向所述物品的一侧，并封闭住所述准直器在该一侧处的准直狭缝开口 ；并且所述硬化体位于所述准直器的朝向所述物品的另一侧，并封闭住所述准直器在该另一侧处的准直狭缝开口。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述屏蔽体与所述准直器一体形成。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述X光机为单能光机或多能光机。根据本发明的另一个示例性的优选实施例，所述X光机产生的X射线的能量大于 1.022MeVo根据本发明的示例性的另一个实施例，提供一种利用上述物品检测设备对物品进行检测的方法，包括如下步骤利用透射探测器阵列探测从物品透射过的X射线的衰减信息，同时利用散射探测器阵列探测X射线在透射过程中产生的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子信息；和根据透射探测器阵列探测到的X射线信息，生成物品的二维透射图像，同时根据散射探测器阵列探测到的电子对效应湮没光子的计数与康普顿散射光子的计数的比值，生成物品的三维图像。与现有技术相比，本发明利用散射探测器阵列探测X射线在透射过程中产生的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子的计数信息，并根据散射探测器阵列探测到的电子对效应湮没光子的计数与康普顿散射光子的计数的比值，来识别物品的各个分块区域处的元素，从而生成物品的三维图像。


图1显示根据本发明的一个实施例的物品检测设备的原理图；图2显示物品的透射截面的各个分块区域与第一散射探测器阵列的各个第一探测模块和第二散射探测器阵列的各个第二探测模块之间的对应关系图；图3显示沿垂直于图1中的Z轴的剖视图；图4显示电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值与原子序数的关系图；图5显示第一散射探测器阵列和第二散射探测器阵列的各个探测模块的具体结构示意图；图6显示射入第一散射探测器阵列或第二散射探测器阵列的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子的能谱图；图7显示符合计数和散射计数的原理框图；和图8显示图7中各个信号的时间关系图。
具体实施例方式图1显示根据本发明的一个实施例的物品检测设备的原理图。如图1所示，物品检测设备包括利用电子束1轰击电子靶2产生X射线3的X光机；对从X光机中射出的X 射线3进行准直的X光机准直装置4，X射线3经准直后成型为扇面光束5，扇面光束5中的X射线6射向被检测物品7，并沿图1所示的透射截面8从被检测物品7透射过去；和透射探测器阵列10，该透射探测器阵列10用于探测从物品透射过的X射线9，以便形成被检测物品7的二维透射图像。由于X光机、X光机准直装置4和透射探测器阵列10均属于传统技术，常规的X射线透射成像设备均包括这些装置，为了简洁的目的，本文省略了对它们的详细说明。但是，需要说明的是，图1中的X光机中的电子束1的能量要求必须大于 1. 022MeV,以保证电子束1轰击电子靶2之后产生的X射线3能量足够高，以便能够发生电子对效应。电子靶2的材料一般为钨和金的复合靶，在此不做特殊限定，因为电子靶2已经属于相当成熟的技术，本发明中的电子靶2可以采用现有技术中的任一种电子靶2，只要其能够适用于本发明即可。请参见图1，扇面光束5中的X射线6在穿越物品7的透射截面8时，因为发生光电效应、康普顿散射、电子对效应、瑞利散射等散射过程而被衰减。本发明正是根据这种现象，增加了探测散射光子的第一散射探测器阵列12和第二散射探测器阵列13。图2显示物品的透射截面的各个分块区域与第一散射探测器阵列的各个第一探测模块和第二散射探测器阵列的各个第二探测模块之间的对应关系图。下面参照图1和图2来说明第一散射探测器阵列12的具体结构。如图1和图2所示，第一散射探测器阵列12包括排成8行8列的64个大小完全相同的第一探测模块。如图2所示，这64个第一探测模块分别为位于第一散射探测器阵列12的第1行的8个探测模块B11-B18位于第一散射探测器阵列12的第2行的8个探测模块B21-B28位于第一散射探测器阵列12的第3行的8个探测模块B31-B38位于第一散射探测器阵列12的第4行的8个探测模块B41-B48位于第一散射探测器阵列12的第5行的8个探测模块B51-B58位于第一散射探测器阵列12的第6行的8个探测模块B61-B68位于第一散射探测器阵列12的第7行的8个探测模块B71-B78位于第一散射探测器阵列12的第8行的8个探测模块B81-B88类似地，如图1和图2所示，第二散射探测器阵列13也包括排成8行8列的64个大小完全相同的第二探测模块。如图2所示，这64个第二探测模块分别为位于第一散射探测器阵列13的第1行的8个探测模块C11-C18位于第一散射探测器阵列13的第2行的8个探测模块C21-C28位于第一散射探测器阵列13的第3行的8个探测模块C31-C38位于第一散射探测器阵列13的第4行的8个探测模块C41-C48位于第一散射探测器阵列13的第5行的8个探测模块C51-C58位于第一散射探测器阵列13的第6行的8个探测模块C61-C68位于第一散射探测器阵列13的第7行的8个探测模块C71-C78位于第一散射探测器阵列13的第8行的8个探测模块C81-C88需要说明的是，尽管在图示实施例中显示了第一、第二散射探测器阵列12、13均为8行8列，但是，本发明不局限于此，第一、第二散射探测器阵列12、13也可以是2行2列， 2行3列，3行2列，3行3列，3行4列……。为了便于说明，本文中将第一、第二散射探测器阵列12、13定义成i行j列，其中i为大于或等于2的正整数，j为大于或等于2的正整
9数。参数i和j的大小与三维成像的分辨率成正比，参数i和j越大，则三维成像的分辨率就越高。至于，参数i和j究竟取多少，这取决于成本和需要达到的检测分辨率，以及其它客观条件。请继续参见图2，与第一、第二散射探测器阵列12、13的排成8行8列的64个探测模块对应，物品被X射线透射的透射截面8被看成是由排成8行8列的64个大小相同的分块区域组成。如图2所示，这64个分块区域分别为位于透射截面8的第1行的8个分块区域A11-A18位于透射截面8的第2行的8个分块区域A21-A28位于透射截面8的第3行的8个分块区域A31-A38位于透射截面8的第4行的8个分块区域A41-A48位于透射截面8的第5行的8个分块区域A51-A58位于透射截面8的第6行的8个分块区域A61-A68位于透射截面8的第7行的8个分块区域A71-A78位于透射截面8的第8行的8个分块区域A81-A88如图2所示，物品的透射截面8的8行8列的64个大小相同的分块区域与第一、第二散射探测器阵列12、13的8行8列的64个探测模块一一对应，例如，分块区域All与第一探测模块Bll和第二探测模块Cll对应，分块区域A18与第一探测模块B18和第二探测模块C18对应，分块区域A81与第一探测模块B81和第二探测模块C81对应，分块区域A88 与第一探测模块B88和第二探测模块C88对应。即，每个探测模块仅用于探测与之对应的分块区域处产生的散射光子。下面借助于图3来更加详细地说明各个探测模块探测各个分块区域处产生的散射光子的具体过程。图3显示沿垂直于图1中的Z轴的剖视图。如前所述，扇面光束5中的X射线6在穿越物品7的透射截面8时，会发生光电效应、康普顿散射、电子对效应、瑞利散射等散射过程，下面结合图3来说明一下这些散射过程1)光电效应此时光子被吸收，其能量转换为光电子的能量和特征X射线的能量。 一般情况下，认为光电子的能量无法被散射探测器测量到，而X射线的能量较低也无法穿透出物体射入散射探测器。即便X射线能够被散射探测器测量到，也不属于关心的范围。值得补充的是光电子有可能因为轫致辐射效应而变成较高能的X射线而在此射入散射探测器，但它也不是被关心的对象。2)康普顿散射入射X射线6与透射截面8中的物体发生反应，有可能是康普顿散射。我们以图3中的分块区域All为例。当入射光子6与分块区域All中的物体发生康普顿散射时，一部分散射光子21_11_P1有可能射入第一探测模块Bll的散射探测器，第一探测模块Bll经过仔细设计，使得它只接收来自分块区域All的康普顿散射光子21_11_P1，而不能接收来自其它分块区域的康普顿散射光子。同样，其它探测模块也是如此，只能接收来自与之对应的分块区域的康普顿散射光子，例如，第一探测模块B12只能接收来自分块区域A12的康普顿散射光子22_11_P1，探测模块B18只能接收来自分块区域A18的康普顿散射光子28_11_P1。类似地，同时，另一部分散射光子21_11_P2有可能射入与该同一分块区域All对应的第二探测模块Cll的散射探测器，第二探测模块Cll经过仔细设计，使得它只接收来自分块区域Al 1的康普顿散射光子21_11_P2,而不能接收来自其它分块区域的康普顿散射光子。同样，其它探测模块也是如此，只能接收来自与之对应的分块区域的康普顿散射光子，例如，第二探测模块C12只能接收来自分块区域A12的康普顿散射光子22_11_P2， 第二探测模块C18只能接收来自分块区域A18的康普顿散射光子28_11_P2。我们知道，在射线能量确定的前提下，康普顿散射的截面与原子序数Z成正比，因此在原子数密度等同的前提下，分块区域的物体的原子序数越大，则对应的探测模块接收到的康普顿散射光子数目就越多。3)电子对效应入射X射线6与透射截面8中的物体发生电子对效应，依然以图 3中的分块区域All为例，由于电子对效应的产物中正电子在固体中的射程仅为mm量级， 正电子最终会湮没而形成2个511keV的γ光子，这两个Y光子的产生位置也一定就在分块区域All内。由于几何关系的约束，与分块区域All对应的第一探测模块Bll和第二探测模块Cll的散射探测器能够同时测量到的也只是来自分块区域All的湮没光子21_11_ C，而不能接收来自其它分块区域的湮没光子。同样，其它探测模块也是如此，只能接收来自与之对应的分块区域的湮没光子，例如，第一探测模块B12和第二探测模块C12只能接收来自分块区域A12的湮没光子22_11_C，第一探测模块B18和第二探测模块C18只能接收来自分块区域A18的湮没光子28_11_C。由于电子对效应的截面与原子序数Z的2次方成正比，所以在原子数密度相同的前提下，分块区域的物体的原子序数越大，则对应的探测模块接收到的湮没光子的平方就越大。4)瑞利散射对于1. 022MeV以上的X射线来说，瑞利散射的截面很小，可以忽略。对于上面提到的4个散射反应，第一、第二散射探测器阵列12、13感兴趣的只是康普顿散射和电子对效应。由于这两个散射反应与原子序数的指数关系分别为1和2。当我们用第一、第二散射探测器阵列12、13测量到散射光子的能谱时，如果能够从中分别提取电子对效应的湮没光子能谱和康普顿散射能谱(请参见图6)，然后将这两个能谱的计数进行相除，则得到的比值就正比于原子序数Z的1次方。也就是说，我们通过电子对效应湮没光子的计数与康普顿散射光子的计数的比值，能够得到反映各个分块区域处原子序数的信息，从而实现三维元素识别。图4给出了利用不同能量的光子进行散射时，得到的电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值与原子序数Z之间的关系。由图4可以看出，当分别采用不同的单能射线时，电子对效应和康普顿散射的比值关系与原子序数几乎存在一个很好的线性关系，因此，我们有可能利用下面这个公式来计算原子序数Zpc = ^-p^ ^Z(1)
—campion在公式(1)中Zp。为计算出的反映原子序数的结果，Cjj&为电子对效应湮没光子的计数率，C compton为康普顿散射光子的计数率。实际上，轫致辐射X射线光子的能量不是单能的，因此无法得到如图4中的类似正比关系，但是存在单调关系，我们仍然可以用公式⑴来计算Zp。，只是在Zp。和Z之间要重新进行标定。由于物品的每个透射截面8被划分成与第一、第二散射探测器阵列12、13相对应的i行乘以j列个大小相同的分块区域，因此，可以利用第一、第二散射探测器阵列12、13中的i行乘以j列个探测模块来分别获得物品的每个透射截面8的i行乘以j列个大小相同的分块区域处原子序数，当完成对物品的整个扫描时，就能够得到整个被检测物品的三维元素分布信息，从而能够形成被检测物品的三维图像。图5显示第一、第二散射探测器阵列12、13中的与任意一个分块区域对应的一对探测模块的具体结构示意图，例如与一个分块区域All对应的第一探测模块Bll和第二探测模块C11，我们可以将与同一分块区域对应的一对探测模块称之为一个探测单元。那么， 第一散射探测器阵列12和第二散射探测器阵列13就共同构成了 64个探测单元。在本实施例中，第一散射探测器阵列12和第二散射探测器阵列13的结构完全相同，并且第一散射探测器阵列12和第二散射探测器阵列13中的每个探测模块的结构也完全相同，但是，本发明不局限于此，第一散射探测器阵列12和第二散射探测器阵列13中的每个探测模块的结构也可以不同。因此，下面仅以第一探测模块Bll和第二探测模块Cll 为例来说明第一散射探测器阵列12和第二散射探测器阵列13中的各个探测模块的具体结构。如图5所示，第一探测模块Bll包括探测器Bll_l和准直器Bll_2。类似地，第二探测模块Cll包括探测器Cll_l和准直器Cll_2。在图5所示的实施例中，第一探测模块Bll的准直器Bll_2被构造成用于吸收与该第一探测模块Bll不对应的其它所有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子，以便仅允许与该第一探测模块Bll对应的分块区域All处产生的康普顿散射光子21_11_P1和电子对效应湮没光子21_11_C进入探测器Bll_l中。类似地，在图5所示的实施例中，第二探测模块Cll的准直器Cll_2被构造成用于吸收与该第二探测模块Cll不对应的其它所有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子，以便仅允许与该第二探测模块Cll对应的分块区域All处产生的康普顿散射光子21_11_P2和电子对效应湮没光子21_11_C进入探测器Cll_l中。优选地，探测器B11_1、C11_1 一般由高能量分辨率、快时间响应的探测器构成。这里高能量分辨率是为了能够更好的区分来自分块区域All的散射光子中康普顿散射光子 21_11_P1、21_11_P2和电子对效应21_11_C的份额。快的时间响应是为了能够在更短的时间内分析更多的Y信号，以减小堆积，提高计数率和灵敏度。快的时间响应这个指标对于使用脉冲电子加速器系统的X射线源来讲尤其重要，因为脉冲加速器的X射线占空比多为千分之一以下，散射光子都是在很短的时间内射入探测器的，探测器需要分析得足够快才能分辨光子的能量。优选地，备选的探测器类型为塑料或者液体闪烁体，这两种探测器具有很快的时间响应能力，能够在ns的时间尺度上进行γ射线测量；溴化镧探测器、氯化镧探测器这两种探测器的能量分辨率和时间响应都比较好；高纯锗探测器高纯锗探测器具有最好的能量分辨率，但它的时间响应较慢；和CZT探测器拥有较好的能量分辨率，时间响应一般，价格较贵。优选地，准直器Bll_2、Cll_2—般采用铅材料，但也可以采用钢、铜等材料来构成。目的在于吸收与该探测模块Bll、Cll不对应的其它所有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子，以便仅允许与该探测模块Bll、Cll对应的分块区域All处产生的康普顿散射光子21_11_P1、21_11_P2和电子对效应湮没光子21_11_C进入探测器 B11_1、C11_1 中。
优选地，探测模块Bll还包括屏蔽体Bll_3，该屏蔽体Bll_3用于屏蔽非来自与该探测模块Bll对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子，尤其是屏蔽来自加速器靶点的透射或散射X射线。优选地，屏蔽体Bll_3可以由铅、钢或铜制成，或者其它适合的材料制成。类似地，探测模块Cll还包括屏蔽体Cll_3，该屏蔽体Cll_3用于屏蔽非来自与该探测模块Cll对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子，尤其是屏蔽来自加速器靶点的透射或散射X射线。优选地，屏蔽体Cl 1_3可以由铅、钢或铜制成，或者其它适合的材料制成。优选地，探测模块Bll还包括硬化体Bll_4，该硬化体Bll_4用于减弱来自与该探测模块Bll对应的分块区域All的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子的强度。使得进入探测器Bll_l的光子的强度足够低，从而能够被该探测器Bll_l分析。否则，该探测器 Bll_l可能因为计数率太高导致堆积而无法正常工作。优选地，硬化体Bll_4由铅、钢或铜制成，或者其它适合的材料制成。类似地，探测模块Cll还包括硬化体Cll_4，该硬化体Cll_4用于减弱来自与该探测模块Cll对应的分块区域All的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子的强度。使得进入探测器Cll_l的光子的强度足够低，从而能够被该探测器Cll_l分析。否则，该探测器 Cll_l可能因为计数率太高导致堆积而无法正常工作。优选地，硬化体Cll_4由铅、钢或铜制成，或者其它适合的材料制成。优选地，如图5所示，探测器Bll_l位于准直器Bll_2的准直狭缝中；屏蔽体Bll_3 位于准直器Bll_2的背向物品7的一侧(参见图1)，并封闭住准直器Bll_2在该一侧处的准直狭缝开口 ；硬化体Bll_4位于准直器Bll_2的朝向物品7的另一侧(参见图1)，并封闭住准直器Bll_2在该另一侧处的准直狭缝开口。类似地，如图5所示，探测器Cll_l位于准直器Cll_2的准直狭缝中；屏蔽体Cll_3 位于准直器Cll_2的背向物品7的一侧(参见图1)，并封闭住准直器Cll_2在该一侧处的准直狭缝开口 ；硬化体Cll_4位于准直器Cll_2的朝向物品7的另一侧(参见图1)，并封闭住准直器Cll_2在该另一侧处的准直狭缝开口。更优选地，屏蔽体Bll_3与准直器Bll_2 —体形成，当然，屏蔽体Bl 1_3也可以是一个单独部件，组装到准直器Bl 1_2上。类似地，屏蔽体Cll_3与准直器Cll_2 —体形成，当然，屏蔽体Cll_3也可以是一个单独部件，组装到准直器Cl 1_2上。请注意，准直器Bll_2、Cll_2的长度和直径由技术使用者自行决定，这里不必赘述。下面根据图3和图6来简单说明一下射入探测器的康普顿散射光子和电子对效应散射光子的能谱。如图6所示，其中电子对效应散射的光子能量为511keV，康普顿散射光子的能量取决于两个因素，图3中的夹角θ -它反映了康普顿散射的散射角，以及射入的光子 6的能量hv，由于光子6的能量为连续能谱，因此图6中看到的康普顿散射光子也具有连续的能谱。实际中，由于探测器总是有探测器响应函数的，因此得到的能谱不会是图6中的形状，而是要考虑能量沉积和能量展宽。这个问题是从业的一般性话题，不必在这里赘述。在前面提到的4种探测器中，塑料或者液体闪烁体是一种优选的探测器类型，因为它们是这里面发光速度最快的探测器，只需要ns的时间就可以完成对一个信号的测量。 对于脉冲电子加速器而言，其脉冲宽度仅为5 μ s左右，这个宽度对于HPGe探测器来讲只能测量1个信号，对于溴化镧或者氯化镧来讲也只能测量< 10个信号，CZT探测器的计数率也很低。为了能够在5ys的持续时间内测量较多的511keVY射线和康普顿散射射线，快的时间响应是必要的，因此塑料或者液体闪烁体是优先被选择的类型。但是塑料或者液体闪烁体存在能量分辨率差的缺点，我们利用它们很难通过能谱来区分哪些光子是511keV γ 射线，哪些是康普顿散射光子。为此就需要用到符合方法。当然，使用其它类型的探测器也有可能遇到这种问题，因此应当提供一种能够准确地分辨康普顿散射光子和电子对效应散射光子的计数方法和设备。下面结合图7和图8来具体说明一种对康普顿散射光子和电子对效应散射光子分别进行计数的方法和设备。图7显示符合计数和散射计数的原理框图；和图8显示图7中各个信号的时间关系图。如图7所示，在本实施例中，由于各个探测单元的计数原理完全相同，因此下面仅以第一探测模块Bll和第二探测模块Cll构成的第一探测单元为例来详细说明计数原理。如图7所示，在第一探测模块Bll和第二探测模块Cll中的探测器测量到了射线之后，分别输出第一模拟信号SBll和第二模拟信号SC11。然后，第一模拟信号SBll和第二模拟信号SCll分别输入到各自的恒比定时电路 CFD，被转换为第一时间信号DBll和第二时间信号DC11。恒比定时电路是核技术领域中的常规知识，一般从业者应该知道，这种电路能够高精度地提取模拟信号的时间信息，从而使得时间信号DBll或DCll能够准确反映模拟信号SBll或SCll的形成时间。不过这里也要注意的是恒比定时电路是一个优化的选择，要求较低的从业者也可以选择利用普通的阈值甄别电路来获得时间信号DBll或DC11，只不过这样得到信号的时间精度较差。然后，第一时间信号DBll和第二时间信号DCll同时输入到一个时间符合电路中。 时间符合电路也是核技术领域的基本知识。当第一时间信号DBll和第二时间信号DCll进入到时间符合电路的时间差在预定的范围之内时，时间符合电路就认为第一时间信号DBll 和第二时间信号DCll是“大致同时”到达的，否则就认为不是“大致同时”到达的。当时间信号DBll和DCll是“大致同时”到达时，时间符合电路就输出一个符合信号Coinl。当符合信号Coinl输出时，就意味着本系统认为测量到了一个同时事件——电子对效应的两个 511keVy光子被测量到了。此时Coinl信号被输入到符合计数器中，符合计数器的计数执行增加1操作。在某个特定的时间断内，符合计数器得到的累计的计数就被称之为电子对效应计数Pairl0与此同时，第一时间信号DBll和第二时间信号DCll还分别被输入到第一散射计数器和第二散射计数器中，当第一探测模块Bll接收到来自分块区域的光子时，第一散射计数器就执行加1操作，当第二探测模块Cl 1接收到来自分块区域的光子时，第二散射计数器就执行加1操作。在某个特定的时间断内，第一散射计数器和第二散射计数器就分别得到累计的计数PBll和PC11。请注意，这两个累计的计数PBll和PCll不仅包括探测到的康普顿散射光子计数，还包括电子对效应湮没光子计数。下面参见图8，来简单说明图7中的各个信号的时间关系。如图8所示，从上图看出，电子对效应的计数Pairl会随着时间信号DBl 1和DCl 1的每次符合而加1，而计数PBl 1、PCll则会随着每个时间信号DBlU DCll而加1。很显然，Pairl的计数值小于PBlU PCll 的计数值。在这里，PBll和PCll两个计数值在后续的处理中是等价的，我们既可以利用 Pairl和PBll来处理得到电子对效应和康普顿散射的关系，也可以利用Pairl和PCll来得到这个关系。当然，由于探测器均存在探测效率的问题，不能百分之百地探测所有光子，因此通过刻度环节，我们可以确定第一探测模块Bll和第二探测模块Cll中的探测器对511keVY 射线的探测效率，不失一般性，这里假设对511keV γ射线的探测效率相同，都为￡_pair。 由于康普顿散射光子的能量与散射角度有关，故第一探测模块Bll和第二探测模块Cll中的探测器对其的探测效率不可能相同，通过实验或模拟计算可以得到平均探测效率分别为 ￡_b和ε _c，则我们可以用下面的公式(2)或公式(3)来计算电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值Zpc。Zpc = (Pairl/ ε _pair)/[ (PBl I-Pair 1/ ε —pair) / ε _b] (2)Zpc = (Pairl/ε _pair)/[(PCII-Pair1/ε _pair)/ε _c] (3)值得注意的是，在公式(2)或(3)的分子中，Pairl并不能排除由于偶然符合导致的计数，因此Pairl/ε 值一定比实际的电子对效应数目大，这是一个不可排除、但可以弱化的系统误差。为了减小由于康普顿散射光子之间、康普顿散射光子与电子对效应光子之间或者由非同次正电子湮没所致2个511keV光子之间的偶然符合，对整个系统的时间分辨能力应该提出较高的要求，决定整个系统时间分辨能力的因素为1)探测器的发光时间，这里优选塑料闪烁体，其发光时间在ns量级；2)探测器测量到Y后输出电压脉冲信号的幅度差异，这部分在采用恒比定时电路后可以忽略；3)探测器测量到Y后输出电压脉冲信号的形状差异，这部分需要在设计探测器时考虑闪烁体的封装、光反射等；4)时间符合电路的分辨时间，这个时间是可以认为设定的，应该尽可能的小。上面这4个因素是核技术领域从业者应该具备的基本素养，通过简单或有限次的试验就可以解决，因此，本文中不再赘述。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种物品检测设备，包括X光机；X光机准直装置，所述X光机准直装置用于将所述X光机产生的X射线成型为透射物品的扇面光束；透射探测器阵列，所述透射探测器阵列用于探测从物品透射过的X射线，以便形成物品的二维透射图像；和至少一个散射探测器阵列，所述至少一个散射探测器阵列中的每个散射探测器阵列包括排成i行j列的多个相同的探测模块；其中，物品被X射线透射的透射截面被分成i行Xj列个大小相同的分块区域，并且所述每个散射探测器阵列的ixj个探测模块与物品的透射截面的ixj个分块区域一一对应，用于探测对应的分块区域处X射线产生的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子， 并且根据探测到的电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值来获得各个分块区域处的原子序数，从而形成物品的三维图像，其中，i和j均为大于或等于2的正整数。
2.如权利要求1所述的物品检测设备，其特征在于，所述物品检测设备包括两个散射探测器阵列，分别为第一散射探测器阵列和第二散射探测器阵列，所述第一散射探测器阵列包括排成i行j列的多个相同的第一探测模块，所述第二散射探测器阵列包括排成i行 j列的多个相同的第二探测模块。
3.如权利要求2所述的物品检测设备，其特征在于，还包括与ixj个分块区域一一对应的ixj个符合计数器，当与同一分块区域对应的一个第一探测模块和一个第二探测模块“大致同时”接收到来自该分块区域的光子时，对应的一个符合计数器执行加1操作，所述“大致同时”是指“第一、第二探测模块接收到光子的时间差在预定的范围内”；和与ixj个分块区域一一对应的ixj个第一散射计数器，当与一分块区域对应的一个第一探测模块接收到来自该分块区域的光子时，对应的一个第一散射计数器执行加1操作。
4.如权利要求3所述的物品检测设备，其特征在于，还包括与ixj个分块区域一一对应的ixj个第二散射计数器，当与一分块区域对应的一个第二探测模块接收到来自该分块区域的光子时，对应的一个第二散射计数器执行加1操作。
5.如权利要求4所述的物品检测设备，其特征在于，与同一分块区域对应的第一、第二探测模块分别与第一、第二恒比定时电路相连，用于将第一、第二探测模块探测到的第一、第二模拟信号转换成第一、第二时间信号，所述第一、第二时间信号分别输入到与该同一分块区域对应的第一、第二散射计数器，并且所述第一、第二时间信号还同时输入到与该同一分块区域对应的一个时间符合电路， 所述时间符合电路用于判断所述第一、第二时间信号的输入时间是否为“大致同时”，当判断结果为“是”时，则向与该同一分块区域对应的符合计数器输出一个时间符合信号。
6.如权利要求4所述的物品检测设备，其特征在于，所述电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值用下面的公式(2)或公式(3)表示Zpc = (Pair1/ε_pair)/[(PBlI-Pair1/ε_pair)/ε_b] (2) Zpc = (Pair1/ε_pair)/[(PCII-Pairl/ε_pair)/ε_c] (3) 其中，Zpc表示电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值， Pairl表示所述符合计数器中的计数，ε _pair表示第一探测模块和第二探测模块对电子对效应湮没光子的探测效率， PBll表示所述第一散射计数器中的计数， ε _b表示第一探测模块对康普顿散射光子的探测效率， PCll表示所述第二散射计数器中的计数， ε _c表示第二探测模块对康普顿散射光子的探测效率。
7.如权利要求4所述的物品检测设备，其特征在于，所述第一散射探测器阵列和所述第二散射探测器阵列中的每个探测模块均相同，并且每个探测模块包括探测器；和准直器，所述准直器用于吸收与该第一探测模块不对应的其它所有分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子，以便仅允许与该第一探测模块对应的分块区域处产生的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子进入探测器。
8.如权利要求7所述的物品检测设备，其特征在于，所述探测器为塑料闪烁体、液体闪烁体、溴化镧探测器、氯化镧探测器、高纯锗探测器或CZT探测器。
9.如权利要求7所述的物品检测设备，其特征在于，所述准直器由铅、钢或铜制成。
10.如权利要求7所述的物品检测设备，其特征在于，所述每个探测模块还包括屏蔽体，所述屏蔽体用于屏蔽非来自与该探测模块对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子。
11.如权利要求10所述的物品检测设备，其特征在于，所述屏蔽体由铅、钢或铜制成。
12.如权利要求10所述的物品检测设备，其特征在于，所述每个探测模块还包括硬化体，所述硬化体用于减弱来自与该探测模块对应的分块区域的康普顿散射光子和电子对效应湮没光子的强度。
13.如权利要求12所述的物品检测设备，其特征在于，所述硬化体由铅、钢或铜制成。
14.如权利要求12所述的物品检测设备，其特征在于， 所述探测器位于所述准直器的准直狭缝中；所述屏蔽体位于所述准直器的背向所述物品的一侧，并封闭住所述准直器在该一侧处的准直狭缝开口 ；并且所述硬化体位于所述准直器的朝向所述物品的另一侧，并封闭住所述准直器在该另一侧处的准直狭缝开口。
15.如权利要求14所述的物品检测设备，其特征在于，所述屏蔽体与所述准直器一体形成。
16.如权利要求1所述的物品检测设备，其特征在于，所述X光机为单能光机或多能光机。
17.如权利要求1所述的物品检测设备，其特征在于，所述X光机产生的X射线的能量大于 1. 022MeVo
18. 一种对物品进行检测的方法，包括如下步骤利用透射探测器阵列探测从物品透射过的X射线的衰减信息，同时利用散射探测器阵列探测X射线在透射过程中产生的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子信息；和根据透射探测器阵列探测到的X射线信息，生成物品的二维透射图像，同时根据散射探测器阵列探测到的电子对效应湮没光子的计数与康普顿散射光子的计数的比值，生成物品的三维图像。
全文摘要
本发明公开一种物品检测设备，其包括X光机；X光机准直装置；透射探测器阵列；和至少一个散射探测器阵列，所述至少一个散射探测器阵列中的每个散射探测器阵列包括排成i行j列的多个相同的探测模块。其中，物品被X射线透射的透射截面被分成i行xj列个大小相同的分块区域，并且所述每个散射探测器阵列的ixj个探测模块与物品的透射截面的ixj个分块区域一一对应，用于探测对应的分块区域处X射线产生的电子对效应湮没光子和康普顿散射光子，并且根据探测到的电子对效应湮没光子计数与康普顿散射光子计数的比值来获得各个分块区域处的原子序数，从而形成物品的三维图像。另外，还提供一种用上述物品检测设备对物品进行检测的方法。
文档编号G01N23/04GK102313753SQ20101022334
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者刘以农, 张勤俭, 张翼, 李元景, 李铁柱, 杨祎罡, 金颖康, 陈庆豪 申请人:同方威视技术股份有限公司, 清华大学