當(dāng)你登上火車或者飛機(jī)之前
安檢是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)
不管你的行李箱中裝的是家鄉(xiāng)的特產(chǎn)
還是沉甸甸的知識(shí)
它們?cè)谕ㄟ^(guò)安檢機(jī)時(shí)
都將被工作人員看到
圖源 | pixabay
安檢機(jī)究竟是怎樣工作的？本文試圖介紹現(xiàn)有的 X 射線安檢設(shè)備的工作原理，為旅途中的讀者提供一個(gè)一邊消磨時(shí)光，一邊增長(zhǎng)知識(shí)的機(jī)會(huì)。
01.單能 X 射線成像
首先，什么是 X 射線呢？
X 射線是一種高能電磁波，通常人們把頻率位于 3×101?Hz~3×101?Hz (單光子能量約 100eV~100keV，頻率越高單光子能量越高) 范圍內(nèi)的電磁波稱為 X 射線。
X 射線由德國(guó)物理學(xué)家倫琴 (Wilhelm Conrad R?ntgen) 于 1895 年發(fā)現(xiàn)，因此又被稱為倫琴射線。
倫琴 | 圖源 Wikipedia
X 射線照射到物體上會(huì)發(fā)生什么呢？
X 射線具有很強(qiáng)的穿透能力，當(dāng)它穿透物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)中的原子尤其是電子發(fā)生相互作用并損失能量，強(qiáng)度隨透射深度呈現(xiàn)指數(shù)衰減。
我們暫時(shí)不考慮 X 射線如何與物質(zhì)中的原子發(fā)生相互作用，而是重點(diǎn)關(guān)注射線強(qiáng)度的指數(shù)衰減，這里射線的強(qiáng)度指的是單位時(shí)間穿過(guò)單位橫截面積的射線的能量 (通俗地講就是射線所含有的光子的密度)。
式中，I?表示入射 X 射線強(qiáng)度，I 表示穿透物質(zhì)后 X 射線的出射強(qiáng)度，x 為 X 射線在物體中行進(jìn)的距離，μ 為線性衰減系數(shù)，上式表明 X 射線穿透物質(zhì)時(shí)呈現(xiàn)指數(shù)衰減。
如何通過(guò)這個(gè)原理窺探我們的行李箱呢？
X 射線強(qiáng)度衰減可以用來(lái)成像。X 射線穿過(guò)被檢測(cè)的行李箱時(shí)強(qiáng)度發(fā)生衰減，考慮到行李箱里的東西不是均勻分布的，因此從不同位置穿過(guò)行李箱的 X 射線的強(qiáng)度就會(huì)有所差異，探測(cè)透射 X 射線的強(qiáng)度分布并將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像，就可以得到能夠反映被檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像了。
X 射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)衰減，可以利用透射強(qiáng)度進(jìn)行成像，展示物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) | 圖源 [2]
考慮到被檢測(cè)物體并不是均勻的，所以線性衰減系數(shù) μ 也是空間位置的函數(shù)，我們可以用 μ=μ(s) 來(lái)表示，那么
對(duì)上式取對(duì)數(shù)，并且定義對(duì)數(shù)透射信號(hào) t (d) 為
透射 X 射線的強(qiáng)度圖像其實(shí)就反映了不同位置 t (d) 的相對(duì)大小。
02.雙能 X 射線成像
事情到了這里似乎很完美了，我們可以根據(jù)射線強(qiáng)度的衰減成像，這樣我們就得到了行李內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個(gè)輪廓。
可問(wèn)題是，我們沒(méi)有辦法知道被檢測(cè)物體的元素組成。
為什么要知道元素組成？為什么只看到物體的形狀不夠？
我們知道安檢的目的是保護(hù)列車或飛機(jī)及其乘客的安全，因此安檢希望著重關(guān)注一些危險(xiǎn)品，比如爆炸物等，獲得被檢測(cè)物體的元素組成可以很好地幫助爆炸物的檢測(cè)。
那么什么技術(shù)可以幫助我們獲得物質(zhì)的元素組成的信息？
雙能 X 射線成像同時(shí)探測(cè)一高一低兩種能量的 X 射線穿過(guò)物體后的強(qiáng)度，進(jìn)一步獲得物體的元素組成的信息。
那么它的工作原理是什么？
單能量 X 射線成像決定于線性衰減系數(shù) μ 和厚度 x 的乘積，通常原子序數(shù)大的物質(zhì) μ 大，具有大的原子序數(shù)的薄片可能和具有較小原子序數(shù)的厚的材料產(chǎn)生相同的效果，因此單能成像很難分辨物質(zhì)的元素組成，如圖所示
物質(zhì)的線性衰減系數(shù) μ 與材料的原子序數(shù)和 X 射線的光子能量有關(guān)，為了讓分析更簡(jiǎn)單，我們暫時(shí)先考慮一個(gè)均勻的物質(zhì) A，A 的線性衰減系數(shù)可以表示成 α,β 兩種參考物質(zhì)線性組合
對(duì)于選定的參考物質(zhì)，μα(E) 和 μβ(E) 是已知的，上式兩邊同時(shí)乘 L?就得到了對(duì)數(shù)透射信號(hào) t?(E)，它也是能量的函數(shù)
式中 Lα 和 Lβ 是線性組合系數(shù)和 L?的乘積，對(duì)于高能和低能射線分別測(cè)量 t?(E)，并且解出 Lα 和 Lβ，可以根據(jù)比值 Lβ/Lα 確定圖像上某一點(diǎn)的有效原子序數(shù)。
有效原子序數(shù)可以在一定程度上反映物質(zhì)真實(shí)的原子序數(shù)，而我們知道，每種元素和該元素原子的原子序數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的，這樣我們就確定了物質(zhì)元素組成的信息。根據(jù)有效原子序數(shù)的數(shù)值給圖像上色，就得到了假彩色的安檢圖像，如下圖。
雙能 X 射線成像給出的假彩色圖像，圖中金屬、合金和硬塑料為藍(lán)色，密度較低的物質(zhì)展示為綠色或橙色 | 圖源 [4]
下圖展示了一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局。X 射線管發(fā)射出連續(xù)譜 X 射線 (包含多種頻率，即包含多個(gè)能量)。穿過(guò)物體后的射線首先被低能探測(cè)器接收，接著穿過(guò)一塊薄的銅片，銅片可以吸收較低能的射線，于是只有能量較高的部分穿過(guò)銅片到達(dá)高能探測(cè)器。這樣人們就分別獲得了高能和低能射線的信號(hào)。
一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局 | 圖源 [3]
03.多視角 X 射線安檢技術(shù)
通常我們的行李箱被塞得很滿，在射線通過(guò)的路徑上有不止一個(gè)物體，上面的方法對(duì)物體僅沿一個(gè)方向投影，很難分辨重疊的物體。
那么如何解決物體的重疊問(wèn)題呢？
就像人的雙眼可以從不同的視角觀察一個(gè)物體一樣，人們發(fā)展了多視角成像技術(shù)。人們可以根據(jù)被檢測(cè)物體的不同視角的二維圖像，部分地獲得物體的三維信息，可以有效解決重疊問(wèn)題。此外，多視角成像技術(shù)還可以提高雙能安檢設(shè)備對(duì)原子序數(shù)判別的準(zhǔn)確性。
現(xiàn)有的多視角 X 射線安檢設(shè)備包括單射線源多視角模型和垂直式多視角模型等。下圖展示了這兩種模型的結(jié)構(gòu)。
