專利名稱：測量物體的有效原子序數的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及安全檢查，特別是涉及一種測量物質有效原子序數的方法和設備。
背景技術：
在X射線檢查系統中，包括X射線源和相應的探測器，被檢物體在兩者中間。經過準直的X射線束通過被檢物體到達探測器。探測器輸出信號大小反應了到達探測器的X射線強度，解析該信號得到被檢物體的信息。X射線與物質的相互作用方式主要有三種:光電效應、康普頓效應和電子對效應。光電效應的截面約與物質原子序數的四到五次方成正比。康普頓效應的作用截面大約與物質有效原子序數成正比。電子對效應的作用截面大約與物質有效原子序數的平方成正比。在X射線能量約低于0.5MeV時，光電效應占主導，或者有較大的作用截面，不同物質的質量衰減系數與其有效原子序數相關性較強。隨著X射線能量的升高，在IMeV附近，康普頓效應占據主導。不同物質的質量衰減系數與其有效原子序數相關性較弱。當X射線能量高于約1.02MeV時，開始出現電子對效應，隨著X射線能量越大，電子對效應截面逐漸越大。不同物質的質量衰減系數與其有效原子序數相關性也隨著逐步增強。這樣，可以采用兩組不同能量的X射線束對物體進行檢測，通過解析這兩組X射線信號，可以得到的物體的有效原子序數信息。檢測質量厚度較大的物體，需要MeV級的X射線束。在采用高能雙能X射線束的物質識別中，一組能量較低(如在IMeV附近)質量衰減系數與被檢物質的有效原子序數相關性較小，而能量較高的X射線束(如在6MeV附近)的質量衰減系數與被檢物質的有效原子序數相關性較大。解析這兩種能量的X射線束在探測器內產生的信號，可以獲取被檢物體的有效原子序數信息。例如，利用康普頓效應和電子對效應的截面大小與原子序數相關性不同來實現物質有效原子序數識別。目前在MeV級X射線檢查領域主要采用電子加速器作為X射線源——利用被加速到MeV級的電子束轟擊重金屬靶發生韌致輻射所產生的X射線。一個典型的該X射線束的能量分布、即能譜特征為:從O到電子束能量都有分布，且能譜的峰值在0.4MeV附近。低能量部分的X射線束由于光電效應會干擾物質識別效果。盡管可以采用加“濾波片”等方法降低該部分X射線光子的數量，但是難以完全排除特定能量閾值以下的X射線束對物質識別的干擾，而且會引入降低X射線束整體強度等負面影響。

發明內容
考慮到現有技術中的一個問題或者多個問題，提出了 一種測量物體的有效原子序數的方法和設備。根據一個實施例，提出了一種測量物體的有效原子序數的設備，包括:射線源，產生第一能量的第一 X射線束和第二能量的第二 X射線束；切倫科夫探測器，接收透射被檢查物體的第一 X射線束和第二 X射線束，產生第一探測值和第二探測值；數據處理裝置，基于第一探測值和第二探測值得到被檢查物體的有效原子序數。根據另一實施例，提出了一種測量物體的有效原子序數的方法，包括步驟:產生第一能量的第一 X射線束和第二能量的第二 X射線束；利用切倫科夫探測器接收透射被檢查物體的第一 X射線束和第二 X射線束，產生第一探測值和第二探測值；基于第一探測值和第二探測值得到被檢查物體的有效原子序數。利用上述方案，由于切倫科夫探測器能夠消除能量在特定閾值下的X射線束的影響，所以提高了物質識別的準確度。


通過結合附圖對本技術的實施例進行詳細描述，本技術的上述和其他目的、特性和優點將會變得更加清楚，其中相同的標號指定相同結構的單元，并且在其中:圖1是本發明一個實施例的采用切倫科夫探測器測量物體的有效原子序數的設備的示意性結構圖，是圖2的A-A向剖視圖；圖2是圖1的B-B向剖視圖；圖3示出了根據本發明一個實施例的切倫科夫探測器的示意圖；圖4示出了根據本發明另一實施例的切倫科夫探測器的示意圖；圖5示出了根據本發明又一實施例的切倫科夫探測器的示意圖；圖6示出了如圖5所示的切倫科夫探測器的另一種應用方式的示意圖；以及圖7示出了根據本發明再一實施例的切倫科夫探測器的示意圖。
具體實施例方式下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對于本領域普通技術人員顯而易見的是:不必采用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。在整個說明書中，對“ 一個實施例”、“實施例”、“ 一個示例”或“示例”的提及意味著:結合該實施例或示例描述的特定特征、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特征、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。根據本發明的一個實施例，利用切倫科夫探測器來探測高能雙能X射線，從而實現對物體的有效原子序數的測量，從而對被檢查物體進行識別。切倫科夫探測器是一種閾值探測器。當帶電離子在透明介質中的速度超過光在該介質的速度時，就會發生切倫科夫福射，即有切倫科夫光產生，米用光電轉換器件將切倫科夫光轉換為電信號，就得到了表不投射被檢查物體的X射線的強度的探測值。總的來說，能量越高的X射線在康普頓效應中產生的次級電子電子能量也就越高。當次級電子的速度高于必要的閾值時，就會發生切倫科夫輻射。這樣也就對入射的X射線有了閾值要求。選取合適折射率的材料(例如石英)作為輻射體，使較低能量(如0.5MeV) X射線基本不能夠在輻射體內發生切倫科夫輻射。這樣，采用這樣的切倫科夫探測器和雙能X射線源相結合就可以實現物質有效原子序數識別，不必對X射線源的能量組成結構進行干預。圖1是本發明一個實施例的采用切倫科夫探測器測量物體的有效原子序數的設備的示意性結構圖，是圖2的A-A向剖視圖。如圖1和2所示，本發明實施例的采用切倫科夫探測器的高能雙能X射線識別物質有效原子序數的設備包括雙能電子加速器1、切倫科夫探測器2、和與切倫科夫探測器2連接的輔助電路，例如數據轉換電路及數據處理裝置(未示出)。切倫科夫探測器2和雙能電子加速器I相對設置，雙能電子加速器I產生交替的高、低能X射線束。X射線束經過準直器3后照射到被檢物體4，切倫科夫探測器2接收透射被檢物體4的X射線束。高能X射線束入射到切倫科夫探測器2，在其中生成第一電信號，例如第一探測值。低能X射線束入射到切倫科夫探測器2，在其中生成第二電信號，例如第二探測值。數據處理裝置根據所述第一電信號和第二電信號，計算得到獲取所述被檢物體的有效原子序數。根據本發明的一個實施例，電子加速器I產生不同能量的電子束，轟擊靶產生所述低能和高能X射線束。圖3示出了根據本發明一個實施例的切倫科夫探測器的示意圖。如圖3所示的切倫科夫探測器2包括輻射體22和光電探測元件21。在輻射體22的表面上覆蓋了發射膜24和屏蔽層24。光電探測元件21設置在輻射體22的一端，X射線束從輻射體22的另一端入射，經過輻射體22產生切倫科夫光，光電探測元件21的接收切倫科夫光的那個表面與入射X射線束垂直，將接收到的切倫科夫光轉換成電信號。在如圖3所示的切倫科夫探測器中，光電探測單元容易受到核計數效應的影響。核計數效應指的是射線直接在光敏器件中產生的信號，而不是來自于探測器靈敏體積內的閃爍光或切倫科夫光，其信號的產生方式與輻射探測用的半導體探測器基本相同。例如，X射線或其產生的次級電子在光電二極管靈敏區直接產生電子-空穴對，而非來自于由閃爍光和切倫科夫光。這種事件的性質可以用“小概率，大事件”來描述:由于在硅半導體中，產生一個電子-空穴對僅需3.6eV的能量沉積。該信號將疊加在切倫科夫福射產生的信號，屬于干擾信號。根據本發明的另一實施例，為了去除核計數效應，提出了如圖4所示的切倫科夫探測器。如圖4所示，切倫科夫探測器是一個長方體形狀的探測器，包括輻射體42、反射膜43和屏蔽層44。經過準直器3后的X射線沿著探測器的長度方向入射，諸如光電二極管之類的光電探測單元41遠離射線入射設置。光電轉換元件41接收切倫科夫光的那個表面大致平行于X射線的入射方向。根據本發明的另一實施例，該切倫科夫探測器是長板形的，長度方向上是X射線的入射方向，例如大約250mm長，寬度大約50mm，高大約10mm。在這樣的結構中，可以大大衰減核計數效應。根據本發明的另一實施例，輻射體為長方體，在一個端面接收入射的X射線束，在垂直于該端面的至少一個側面上設置光電轉換器件，接收切倫科夫光。根據本發明的再一實施例，光電轉換器件接收所述切倫科夫光的那個面可以圍繞福射體，從而提聞光收集效率。根據本發明的再一實施例，輻射體包括耦接在一起的第一部分和與所述第一部分垂直的第二部分，所述光電轉換器件設置在第一部分的一端，X射線束大致平行于所述第二部分入射到該第二部分中。根據本發明的再一實施例，輻射體42為柱體，在柱體的一個端面接收入射的X射線束，在柱體的側面上設置光電轉換器件41，接收切倫科夫光。或者優選地，光電轉換器件41接收所述切倫科夫光的那個面圍繞輻射體，從而提高光收集效率。圖5示出了根據本發明又一實施例的切倫科夫探測器的示意圖。如圖4所示，該切倫科夫探測器形狀為“L”形。光電轉換器件51設置在“L”形輻射體52的一個分支的一端，X射線束大致平行于“L”形輻射體52的另一分支入射。如圖5所示，X射線束從“L”形輻射體的一個端面入射，而光電探測元件設置在“L”形輻射體的另一個端面。光電轉換器件的接收切倫科夫光的那個表面大致平行于X射線束的入射方向。圖6示出了如圖5所示的切倫科夫探測器的另一種應用方式的示意圖。如圖6所示，X射線束與“L”形輻射體的一個端面相反的方向入射，而光電探測元件設置在“L”形輻射體的另一個端面。光電轉換器件的接收切倫科夫光的那個表面大致平行于X射線束的入射方向。圖7示出了根據本發明再一實施例的切倫科夫探測器的示意圖。如圖7所示，輻射體72為“U”形，第一光電轉換器件711和第二光電轉換器件712設置在“U”形輻射體72的兩端，X射線束大致垂直于“U”形輻射體的兩個分支入射到“U”形輻射體的底部。利用該實施例，能夠提高光收集效率。根據上述的實施例的切倫科夫探測器能夠屏蔽核計數效應，并且無論入射X射線在探測器靈敏體積內在哪里發生作用，所產生的切倫科夫光收集情況基本相同。另外，為了進一步消除散射對光電轉換器件的影響，用鋁板把切倫科夫輻射體包圍起來，以將超出輻射體寬度的X射線束和從輻射體散射出來的X射線吸收，從而減弱光電二極管附近的散射場強度。同時，將光電二極管用鋁板包圍起來。由于鋁材料的原子序數與光電二極管的材料硅相近，且小于硅，可以很好的將硅材料敏感的X射線屏蔽掉。根據本發明的實施例，還可以與切倫科夫探測器平行設置能量沉積型探測器，用于常規的X射線探測。如本領域的技術人員能夠意識到的那樣，上述方案包含了直接透射探測X射線檢查系統和CT探測以及雙能CT探測等技術在內。雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種測量物體的有效原子序數的設備，包括: 射線源，產生第一能量的第一 X射線束和第二能量的第二 X射線束； 切倫科夫探測器，接收透射被檢查物體的第一 X射線束和第二 X射線束，產生第一探測值和第二探測值； 數據處理裝置，基于第一探測值和第二探測值得到被檢查物體的有效原子序數。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述射線源包括:電子加速器和靶，所述電子加速器產生不同能量的電子束，轟擊所述靶產生所述第一 X射線束和所述第二 X射線束。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述切倫科夫探測器包括輻射體、光電轉換器件和輔助電路，所述輻射體接收入射的X射線束，產生切倫科夫光，所述光電轉換器件探測所述切倫科夫光，產生電信號，所述輔助電路基于所述電信號產生所述第一探測值和所述第二探測值。
4.如權利要求3所述的設備，其中，所述光電轉換器件為光電二極管。
5.如權利要求3所述的設備，其中，所述光電轉換器件接收切倫科夫光的那個表面大致平行于X射線束的入射方向。
6.如權利要求3所述的設備，其中，所述輻射體包括耦接在一起的第一部分和與所述第一部分垂直的第二部分，所述光電轉換器件設置在第一部分的一端，X射線束大致平行于所述第二部分入射到第二部分中。
7.如權利要求3所述的設備，其中，所述輻射體為“L”形，所述光電轉換器件設置在“L”形輻射體的一個分支的一端，X射線束大致平行于“L”形輻射體的另一分支入射到該另一分支。
8.如權利要求3所述的設備，其中，所述輻射體為“U”形，所述光電轉換器件設置在“U”形輻射體的兩端，X射線束大致垂直于“U”形輻射體的兩個分支入射到“U”形輻射體的底部。
9.如權利要求3所述的設備，其中，所述輻射體為長方體，在一個端面接收入射的X射線束，在垂直于所述端面的至少一個面上設置所述光電轉換器件，接收所述切倫科夫光。
10.如權利要求9所述的設備，其中，所述光電轉換器件接收所述切倫科夫光的那個面圍繞所述輻射體。
11.如權利要求3所述的設備，其中，所述輻射體為柱體，所述柱體的一個端面接收入射的X射線束，在所述柱體的側面上設置所述光電轉換器件，接收所述切倫科夫光。
12.如權利要求11所述的設備，其中，所述光電轉換器件接收所述切倫科夫光的那個面圍繞所述輻射體。
13.—種測量物體的有效原子序數的方法，包括步驟: 產生第一能量的第一 X射線束和第二能量的第二 X射線束； 利用切倫科夫探測器接收透射被檢查物體的第一 X射線束和第二 X射線束，產生第一探測值和第二探測值； 基于第一探測值和第二探測值得到被檢查物體的有效原子序數。
全文摘要
公開了一種測量物體的有效原子序數的方法和設備。該設備包括射線源，產生第一能量的第一X射線束和第二能量的第二X射線束；切倫科夫探測器，接收透射被檢查物體的第一X射線束和第二X射線束，產生第一探測值和第二探測值；數據處理裝置，基于第一探測值和第二探測值得到被檢查物體的有效原子序數。由于切倫科夫探測器能夠消除特定閾值下的X射線束的影響，所以提高了物質識別的準確度。
文檔編號G01N23/087GK103185734SQ20111045715
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者李樹偉, 陳志強, 李元景, 趙自然, 劉以農, 張清軍, 朱維斌, 王 義, 趙書清, 張文劍 申請人:同方威視技術股份有限公司, 清華大學