检查设备、方法和系统的制作方法
检查设备、方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及基于相干X射线散射技术的检查系统，具体涉及一种确定被检查物体 中是否包含爆炸物或者危险品之类特定内容的检查设备、方法和系统。
【背景技术】
[0002] 对行李箱等物品中爆炸物、毒品的检测，受到了越来越多的重视。现有的一些常用 检测手段，例如CT检测技术，可以获得物品箱中各种物质的空间位置分布以及密度、质量、 有效原子序数等重要信息，用此来分辨不同物质的类别。当系统检测到可疑物质时，将报警 并交给下一级的检测装置检测或进行人工检测。
[0003] 但是，利用密度和原子序数等信息判断某物质是否为爆炸物的报错率依然比较 高。为了降低整体系统的报错率，减少人工检测的次数，以及提高系统可信度，提出了在CT 检测系统后串联上基于相干X射线散射的检测系统，可以较明显的降低系统的报错率。
[0004] 相干X射线散射（X射线衍射）技术检测物质（主要为晶体物质），主要基于布拉 格衍射公式：
[0006] 其中，n为衍射增强级别，在爆炸物检测中一般n= 1 ;A为入射射线的波长；d为 晶格间距，也为晶格常数；e为射线散射后的偏转角；h为普朗克常数；c为光速；E为入射 光子的能量。各个参数满足上述公式的时候，将发生相干加强，对应的散射为弹性散射，X光 子能量不变。
[0007]在基于能量分布的衍射图样中，固定探测器测量的角度e，即在固定的散射角度 测量散射X射线的能谱。满足上述公式的晶格常数d与入射光子能量成分E具有一对一的 关系。这样，根据能谱峰的位置Ei、E2、..En，可以确定晶体物质的指纹特征--晶格常数屯、 d2、...dn，从而可以鉴别不同的物质。例如，典型的爆炸物质主要是由不同的晶体物质组成 的，通过晶格常数分辨晶体类型，因此该方法是一种有效的爆炸物检测手段。
[0008] 同样也可以采用单能的X射线源，然后在不同散射角度下对X光子进行计数。通 过0与d的一一对应关系来获得晶体信息。这种方法对探测器的要求降低，但是对光源的 单色性要求提高。并且改变角度测量效率较低，在实验设备中有应用，但在实际设计与应用 中，采用的较少。
[0009] 专利文件1 (专利US6693988, 2004年2月17日）提出了一种倒扇束检测方法。倒 扇束的系统使用较少的探测器做到固定式的测量，但是失去了三维定位的能力，经过检测 平面内垂直于射束方向的、不同位置处物体的散射线将汇聚到探测器上的一点，使得两位 置处的物体的谱线叠加，影响信噪比，降低物质的分辨能力。
【发明内容】
[0010] 考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了一种基于相干射线散射技术的检查 设备、方法和系统，具备三维定位能力，并且具有较高分辨能力并降低了系统成本。
[0011] 根据本公开的一个方面，提出了一种检查设备，包括：分布式射线源，包括多个源 点，产生射线；光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生 的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束；散射准直器，配置为仅允许射线与被检查 物体的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过；至少一个探测器，设 置在所述散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，所述多个探测单元具备能量 分辨能力并且基本上设置在柱面上，以接收通过所述散射准直器的散射射线；以及处理装 置，基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0012] 优选地，所述处理装置还基于所述散射射线能谱信息中包含的峰位信息计算晶格 常数，将计算的晶格常数与预定值进行比较来判断该被检查物体中是否包含爆炸物或者危 险品。
[0013] 优选地，所述的检查设备还包括控制装置，根据输入的被检查物品中的感兴趣区 域的位置信息控制所述分布式射线源中的特定源点产生射线，对所述感兴趣区域进行检 查。
[0014] 优选地，所述分布式光源的多个源点按照如下方式分布：圆弧、直线、U型、倒U型、 L型或者倒L型。
[0015] 优选地，所述散射准直器包括底面和底面上的多个嵌套的柱面，所述多个嵌套的 柱面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着柱面的轴向方向开有缝隙。
[0016] 优选地，所述散射准直器包括底面和在底面上的多个嵌套的球面，所述多个嵌套 的球面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着底面的径线开有缝隙。
[0017] 优选地，所述散射准直器由对射线吸收材料制成。
[0018] 优选地，所述散射准直器具体为用射线吸收物质制作成多个列平行的共轴圆锥 面。
[0019] 优选地，所述散射准直器具体为多个平行的薄片。
[0020] 优选地，所述探测器具体为CZT探测器或者HPGe探测器。
[0021] 根据本公开的另一方面，提出了一种检查系统，包括：承载机构，承载被检查物体 直线运动；第一扫描级，包括透射成像装置或者CT成像装置，对被检查物体进行透射检查 或者CT检查；处理装置，接收第一扫描级产生的信号，并且基于该信号确定被检查物体中 的至少一个感兴趣区域，第二扫描级，沿着物体运动方向与所述第一扫描级间隔预定的距 离设置，所述第二扫描级包括：分布式射线源，包括多个源点，产生射线；光源准直器，设置 在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形 成倒扇形射线束；散射准直器，配置为仅允许散射射线与被检查物体的相互作用产生的具 有一个或多个特定散射角的散射射线通过；探测器，设置在所述散射准直器的下游，包括多 个探测单元，所述多个探测单元具备能量分辨能力，设置在柱面上并接收通过所述散射准 直器的散射射线；其中，所述处理装置指示所述第二扫描级针对所述至少一个感兴趣区域 进行检查，并且基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0022] 根据本公开的再一方面，提出了一种检查方法，包括：通过包括多个源点的分布式 射线源产生射线；将所述分布式射线源产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线 束；通过设置在探测器前端的散射准直器对射线进行准直，使得仅允许射线与被检查物体 的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过；由具备能量分辨能力并设 置在柱面上的探测器接收通过所述散射准直器的散射射线；以及基于所述探测器输出的信 号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0023] 优选地，所述的检查方法还包括步骤：基于所述散射射线能谱信息中包含的峰位 信息计算晶格常数，将计算的晶格常数与预定值进行比较来判断该被检查物体中是否包含 爆炸物或者危险品。
[0024] 优选地，所述的检查方法还包括步骤：根据输入的被检查物品中的感兴趣区域的 位置信息控制所述分布式射线源中的特定源点产生射线，对所述感兴趣区域进行检查。
[0025] 利用上述的技术方案，通过控制分布式光源中特定的几个光源点出束，来照射物 体的对应部分，进行针对性的检测。此外，由于使用了柱面探测器，能够获取某些位置的探 测单元的信号，从而具备了三维定位能力。
【附图说明】
[0026] 下面的附图有助于更好地理解接下来对本公开不同实施例的描述。这些附图并非 按照实际的特征、尺寸及比例绘制，而是示意性地示出了本公开一些实施方式的主要特征。 这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本公开的一些实施例。为简明起 见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
[0027] 图1为根据本发明实施例的检查设备的结构示意图；
[0028] 图2为根据本发明另一实施例的检查设备中的光源分布示意图以及探测区域示 意图；
[0029] 图3为根据本发明的实施例描述检查设备探测固定角度下散射射线的结构示意 图；
[0030] 图4描述了根据本发明一个实施例的散射线准直器的结构示意图；
[0031] 图5为根据本发明另一实施例的散射线准直器的结构示意图；
[0032] 图6示出了根据本发明一个实施例的检查设备的侧视图；
[0033] 图7示出了根据本发明另一实施例的检查设备的侧视图；
[0034] 图8示出了根据本发明又一实施例的检查设备的侧视图；
[0035] 图9示出了根据本发明一个实施例的检查设备中的光源的结构示意图；
[0036] 图10示出了根据本发明另一实施例的检查设备中的光源的结构示意图；
[0037] 图11示出了物体矩形截面（实际检测区）散射信息柱面探测器上的分布区域。
【具体实施方式】
[0038] 下面将详细说明本公开的一 些实施例。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如 实施例中的具体结构和部件的具体参数，都用于对本公开的实施例提供更好的理解。本技 术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况 下，本公开的实施例也可以被实现。
[0039] 在本公开的说明书中，提及"一个实施例"时均意指在该实施例中描述的具体特 征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本公开的一个实施例中。因而，在本公开的说明 书中，若采用了诸如"根据本公开的一个实施例"、"在一个实施例中"等用语并不用于特指 在同一个实施例中，若采用了诸如"在另外的实施例中"、"根据本公开的不同实施例"、"根 据本公开另外的实施例"等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实 施例中。本领域的技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的各 具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。另外，"一个"并不用于特指 单个，而是可以包括复数形式。"在……中"可以包括"在……中"和"在……上"的含义。除 非特别明确指出，"或"可以包括"或"、"和"及"或/和"的含义，并不用于特指只能选择几 个并列特征中的一个，而是意指可以选择其中的一个或几个或其中某几个特征的组合。本 领域的技术人员应该理解，以上罗列的对本公开中描述用语的解释仅仅是示例性的，并不 用于对各用语进行绝对的限定。
[0040] 为了克服现有技术中的问题，本公开的一些实施例提出了一种检查设备，包括：分 布式射线源、光源准直器、散射准直器、探测器和处理装置。分布式射线源包括多个源点，产 生射线。光源准直器设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线 沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束。散射准直器配置为仅允许射线与被检查物体的 相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过。至少一个探测器设置在所述 散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，所述多个探测单元具备能量分辨能力 并且基本上设置在柱面上，以接收通过所述散射准直器的散射射线。处理装置，基于所述探 测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。根据上述检查设备，能够较为准确 地获得被检查物体中特定部分的散射射线能谱信息，从而进一步对其进行识别或者判断是 否为危险品或者爆炸物。
[0041] 图1示出了根据本公开实施例的检查设备的结构示意图。如图1所示，示出的检 查设备对被检查物体130进行检查，它包括分布式光源110、在分布式光源前的光源准直器 120、散射准直器140和探测器150。如图所示，光源准直器120使得射线沿着扇束的径向汇 聚到坐标系原点。散射准直器140设置在X0Y平面上方，探测器150为柱面探测器，轴线为 Y轴，包括多个设置在柱面上的探测单元。
[0042] 根据一些实施例，通过光源准直器120的射线为一个扇形面（垂直于照射平面有 一定的小张角A0)，该平面包含了被检查物体130在X0Z平面内的一个矩形断面。当被检 查物体130沿传送带（例如沿着Y轴）通过时，被检查物体130被扫描。射线通过被检查 物体130时，发生散射，在X0Y平面上的散射准直器140限定仅在某确定角度下的散射线才 能够入射到探测器150上。诸如计算机之类的处理装置（未示出）然后基于探测器150输 出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0043] 根据一些实施例，散射准直器140由两部分组成：第一部分，由同轴的多个（两到 三个）圆柱面X射线吸收物质组成，在柱面上，相隔一定的距离开有一条圆形的细缝，允许 某个角度圆锥面上的射线通过；第二部分在X0Y平面上有一层X射线吸收物质，并在Y轴上 某一段上开有一条直缝。这两者的结合确定了入射探测器的射线角度，并根据所需的系统 角度分辨率以及空间分辨率来决定缝宽和相对距离。
[0044] 图2为根据本发明另一实施例的检查设备中的光源分布示意图以及探测区域示 意图。本实施例的检查设备采用的是分布式光源210,在光源准直器220的控制下得到倒扇 形的射束，汇聚于原点。在一些实施例中，光源分布可以有多种：第一种是分布于半径为R， 圆心在原点的圆弧205上，光源准直器分布在光源点前，径向分布；第二种是分布于直线段 上，如图2中粗黑线所示，光源210分布在直线段上，光源准直器220设置在源点的出束路 径上，经过准直的射线束沿着扇形的径向汇聚，穿透检查区域外圈260和检查区域内圈270 中的被检查物体230,发生散射（衍射）。控制装置（未示出）根据输入的被检查物品中的 感兴趣区域的位置信息控制分布式射线源210中的特定源点产生射线，对感兴趣区域进行 检查。例如，如图2所示，控制分布式光源210中的特定源点的出束，可以对被检查物体130 中的特定部分（ROI)进行检查。探测区域为如图2所示的检测区外圈260、检测区内圈270 圆弧以及光源两端射向原点的射线所包围起来的部分圆环区域。被检查物体280可以内接 圆环区域，沿传送带（未示出）垂直于纸面运动。假设被检查物体为立方体，且在图2中宽 为1，高为h。那么光源对原点的张角为：
[0046] 圆弧形的光源分布长度为：
[0048] 直线型的光源分布长度为：
[0050] 其中R为弧形光源的半径，札为物体底面距离坐标原点的距离。
[0051] -般情况下，在这段长度内可以分布多个光源点（间隔一定的角度），并可以在控 制系统的控制下，独立的出束，或者相邻的几个光源点组成一组，以组为单位独立的出束。 图2中区域280为感兴趣区域（R0I)，该区域可以为如级CT系统或者透射检查系统标定的 可疑物质区域。
[0052] 图3为根据本发明的实施例描述检查设备探测固定角度下散射射线的结构示意 图。如图3所示，分布式光源210通过光源准直器220产生的倒扇形光束的照射面内，在以 汇聚点（坐标原点）为圆心，不同半径的圆弧上，与入射线（半径）以一定角度散射的射线 可以汇聚与Y轴上的一点，这些射线都分布于：顶点在Y轴上，半锥角为
的圆锥面上， 其中9为散射角。处于圆锥面上的散射线在Y轴上不同点处汇聚后，将继续发散开来，同 时它们仍然分布在同顶点，同锥角，开口方向相反的圆锥面上，如图3所示，形成一个漏斗 状几何图形。通过在X0Y上放置特定的散射准直器限定散射线，可以使得只有满足上述描 述的散射射线可以沿着类似漏斗状的圆锥面射向探测器。
[0053] 如图3所示，在照射平面内（X0Z平面内），以原点为圆心半径较大的圆弧260对应 的圆锥顶点的Y坐标较大，通过汇聚的顶点发散后将投射到探测器250的底部圆弧处。在 照射平面内，以原点为圆心，半径较小的圆弧270对应的圆锥顶点靠近坐标系原点，散射射 线通过汇聚点发散后将投射到探测器250的顶端圆弧处。这样，在照射面内的不同位置处 发生的散射射线将投射到柱面探测器250的不同探测单元上，配合物体沿着Y轴的匀速运 动，该检查设备具有探测物体的三维定位能力，并且可以同时测量探测区域内多个R0I。
[0054] 本发明实施例中的探测器面积远小于现有技术中平行光束情况下的探测器面积， 减少了探测器的需求量。具体原因在于，射线具有一定的汇聚性能，故探测器可以根据系统 空间分辨率的要求调整尺寸。
[0055] 本发明实施例的检查设备的优点便在于利用了倒扇束光线汇聚的特点，并巧妙的 采用了漏斗式探测结构，这种结构可以根据系统的空间分辨率比例要求，控制所需探测器 的大小，在具有三维定位能力的系统设计中，本实施例的设备可以做到所需探测器面积最 小化。
[0056] 在一些实施例中，散射线分布在一系列共轴的圆锥面上。在一些实施例中，可以将 散射准直器设计为用X射线吸收物质制作成一系列平行的共轴圆锥面，这样可以很好的限 制散射线的角度，较为准确的接收所需的特定角度散射而来的散射线，但是这样对准直器 的要求会高一些。
[0057] 在其他的实施例中，可以用一些平行的薄片来限定散射线，但是由于散射线实际 上分布在有一定弧度的圆锥面上，这样平行的平板夹缝准直器，会带来一定的角度偏差。
[0058] 在图4的实施例中示出了另外的散射探测器构成。如图4所示，散射探测器由两 部分组成，第一部分是以Y轴为轴线的同轴的相互嵌套的两个半圆柱面420和430(实际 上只在X0Y平面上方存在半个圆柱面），第二部分是放置在X0Y平面上的平板，这是由本设 计采用了漏斗型几何模型有关的。由于X射线通过物体时，发生0角散射的部分射线将 沿着不同的圆锥面汇聚到Y轴上，它们与圆柱形的准直器的交线为分布在圆柱面上的一个 个圆弧。根据系统的几何关系以及角度分辨率的要求，在两圆柱面上对应的位置处开一系 列的窄缝，就可以确定让一定角度入射的圆锥面上的散射射线通过了。放置在圆柱面准直 器下方的X0Y 平面上的平板准直器410在Y轴上开有一段直线缝隙405,这进一步确定了， 仅在Y轴上汇聚的散射射线可以通过并照射在探测器相应部位。通过图4所示的散射准 直器的设计，就可以保证固定角度的散射射线可以按照图3所描述的漏斗状几何关系被探 测器探测了。在一些实施例中，拥有能量分辨能力的探测器（如CZT(CdZnTe)探测器或者 HPGe(High-PurityGe)探测器）测量到来自不同R0I的固定角度的X散射射线，可以得到 对应物质的按能量分布的相干散射图像（或者衍射图样），通过分析谱峰的位置，可以得到 物质的晶格常数信息，通过在处理装置中与数据库中各种物质（如爆炸物）的参考谱线相 比较，可以分辨出该物质的种类。
[0059]图5为根据本发明另一实施例的散射线准直器的结构示意图。如图5所示，散射 准直器由两部分组成，位于X0Y平面上方的结构是由套叠的球面（球心在Y轴上，此处Y轴 垂直于纸面向里）组成，以固定角度射来的散射线所分布的圆锥面的顶点位于虚拟球体的 同一条直径上（Y轴），这样圆锥面与球面的交线为球面上的圆弧。通过套叠的结构，多道细 缝525就限定了散射线的准确入射方向了，放置在球面准直器520下方的X0Y平面上的平 板准直器在Y轴上开有一段直线缝隙。这进一步确定了，仅在Y轴上汇聚的散射射线可以 通过并照射在探测器相应部位。
[0060] 本发明实施例中提出的散射准直器由两部分组成，共同确定了只有在分布在一定 顶角的圆锥面上的散射线才可射入探测器。采用漏斗状几何结构，将探测器放置在光线汇 聚之后的部分，也就是漏斗状的下部（见图3)，在理论上可以使用较为准确的散射准直器 设计，降低系统的角度误差，如果放置在光线汇聚之前，则无法通过细缝准直器限定散射线 了，在采用二维探测器的时候可能会带来X轴方向的"串道"，使得误差变大。
[0061] 图6示出了根据本发明一个实施例的检查设备的侧视图。本发明实施例的设备基 于相干X射线散射技术，作为爆炸物检测的后级检测装置，前级可与CT检测系统串联使用， 并从CT检测装置处获得可疑物质在被检查物体630中的定位信息。图6描述了整个系统各 个部分的相对位置，光机610垂直于纸面放置在最上端，被检查物体630在传送带660的带 动下水平向右方匀速运动，散射射线经过传送带下方的散射准直器640投射到探测器650 上。整个过程中，通过PC或者其他处理系统控制分布式光机的出束，以及对应部位探测器 的信息记录与处理，探测器650与光机610无需机械运动，传送带660也无需停止，这样提 高了整个系统检测的效率。
[0062] 图7示出了根据本发明另一实施例的检查设备的侧视图，与图6结构的区别是， 该系统在照射平面两边不同的散射角度处分别设置了一组散射准直器740和探测器751、 752。光机710垂直于纸面放置在最上端，被检查物体730在传送带760的带动下水平向右 方匀速运动，散射射线经过传送带下方的散射准直器740投射到探测器751和752上。这 样可以同时测量两个固定角度下的散射射线信息。这样设计的考虑是根据公式（1)，X射线 能量E-般分布在20~lOOkeV，晶格常数在KT1%量级，因此典型的散射角度很小，所以上 述公式可以近似为：
[0064] 其中n取1。根据公式（2)，可以发现，在对某确定物体进行相干散射测量的时候， 9角度越大，对应得到的能谱峰位就会向左（即减小）偏移，即：特征峰对应的X射线能量 变小；当0变小时，谱峰将向右偏移。对于探测器而言，对高能部分的能量分辨率较高，但 是此时对应较小的角度e，因此对应的系统角度分辨率
将变差。根据系统设计与实验， 相干X射线散射系统对于角度分辨率更敏感，因此，在较小角度下测量时，整体分辨率会下 降，得到的谱线质量会变差。但是考虑以下情况：在物品箱中，在散射线路径上存在强的X 射线吸收物质的时候，或者物体较厚，此时多色的X射线低能部分将受到较强的吸收，谱线 将受到射线硬化的影响。在这种情况下，在较大9角度下测量将受到硬化影响较大。因此 对于不同的物品箱情况，不同角度下给出的结构有一定差别，会存在较适合的角度。因此图 7设计了两个角度同时测量的结构，0i< 02(如，02~5° )。因此可以根据 前级CT系统得到的物质密度与位置信息判断何种角度下更适合测量，或者联合两个角度 下的谱线，同样可以提高信噪比，提高判断的准确度，降低误判率。
[0065] 图8示出了根据本发明又一实施例的检查设备的侧视图。该模式允许系统同时 在四个角度下测量X散射射线能谱图，得到四个谱图，可以联合起来（得到四个角度的角 度-能力联合分布），提高待处理数据的信噪比。与图6结构的区别是，该系统在照射平面 两边不同的散射角度处分别设置了两组散射准直器840和探测器851、852、853、854。光机 810垂直于纸面放置在最上端，被检查物体830在传送带860的带动下水平向右方匀速运 动，散射射线经过传送带下方的散射准直器840投射到探测器851和852以及探测器853 和854上。这样可以同时测量两个固定角度下的散射射线信息。如图8所示，在照射平面 的同一侧将两组散射线在准直器上的照射范围分开，防止相互干扰。两个角度下的射线分 别照射在两个柱面探测器上。得到四组能谱曲线之后，首先可以选定效果最好的一组来进 行判定，或者对于不同角度下的，将四条曲线联合起来，可以提高曲线的信噪比。
[0066]图9与图10示出了更加高效的结构示意图，主要的目的是减小整个系统设备的尺 寸。针对圆弧或者直线段光源分布范围过大，系统整体尺寸过大的缺点进行了改进。
[0067]图9所示为U型（或倒U型）式设计，该设计的特点是系统左右对称，对于被检测 的立方体物体（矩形的截面）来讲，照射射线并没有区别。对于图9的模式，倒U型分布式 光源910和光源准直器930设置在分布式光源模拟圆轨道半径/检测区最外圈半径960和 检测区内圈半径970之间的检测区域中。U型式的设计使得分布式光源垂直于传送带运输 方向的尺寸减小，光源几乎是贴着矩形的检测区域，另外这种设计使得检测区内圈半径大 大减小成为可能，同时也减少了整个系统的高度。
[0068]在该实施例中，由于光源是分布式的，每间隔一定的角度布置一个光源点，因此存 在采样间隔的问题。为了保持角度分辨率，每个光源点射出的射线的张角△Y要足够小， 如图9所示。由于每条射线的张角所引起的角度分辨率的变化分析如下，假设经过光源准 直器后，每条射线的张角AY~〇. 4°，那么射线1的边缘射线1-1与射线2相交与A点，它 们在A点均可与物体发生散射沿着相同的轨迹进入探测器，而这时它们的散射角度就会产 生差别。当散射准直器限定散射角为3°时，由于AY引起的角度误差约为
此处没有考虑实际散射准直器引起的角度误差。假设散射准直器能够准确的限定射入探 测器的角度，将散射准直器限定的角度改为2.91°，那么由于AY引起的误差，实际射入 探测器的散射线可能的散射角范围是：2.91°~3.09°，平均角度仍为3°，而最大误差
。而在保证了角度分辨率的情况下射线便无法覆盖整个物体截面。为了避免或 降低因非全覆盖式的测量导致的漏检率，需要保证两条射线之间的间隔足够小，这个间隔 要根据实际检测的目标对象尺寸范围而定，本实施例提出在检测区域最外圈圆弧上，相邻 两条射线的间距不得超过12mm，就图9以及上面的参数，取每0. 6°布置一个光源点，共需 227个光源点。那么射线之间最大的间隔为AX = 10. 79mm。由于射线是汇聚的，且实际的 检测区域为矩形，在最外圈圆弧的内侧，所以在检测区域内，这个标准是可以满足要求的。 [0069]另外，如图3所示，探测器记录的区域为检测平面内部分圆环区域的信息，而实际 的监测区域仅仅为内接于该圆环区域的一个矩形。因此在上面所述的柱面探测器上，将有 一部分区域是没有有用信息的如图11所示中的区域I、II、III、IV，有意义区域仅为矩形区 域经过漏斗型锥面投射到柱面探测器上的一部分，如图11所示中的区域v(对称式结构情 况）。
[0070] 图10为L型设计模式，该系统设计是非对称形式的，但是基本原理和测量方式是 一致的。对于图10的模式，倒L型分布式光源1010和光源准直器1030设置在分布式光源 模拟圆轨道半径/检测区最外圈半径1060和检测区内圈半径1070之间的检测区域中。此 实施例中探测器将在物体的右下侧，呈现出非对称的形式，矩形区域散射线在探测器上的 分布如图11中框内区域1120所示（L型结构）。
[0071] 图10的设计相对于图9而言，所需的探测器尺寸相当，均远小于平行束模式，由 于采用分布式光源，采样点最大间隔（射线之间的最大间隔）均可以做到小于12_。由于 R2的增加，由AY引起的角度误差增大，设AY=0 . 4°，散射准直器限定的散射角度为 2.85°，散射线的平均散射角为3°，那么角度误差约为
，相对U型设计要略差 一些，故对光源准直器的要求更高，可能需要减小AY的大小，但AY也不宜过小，否则会 显著降低计数率。从形态上，L型减少了U型的一条臂，图9的非对称设计所需的光源点更 少。无论是U型分布还是L型分布，这两种方式的设计均能减小整个系统的尺寸。
[0072]本发明的实施例提出了采用二维的圆柱面探测器，使得系统在基本保持优点的基 础上，拥有了三维定位能力。相比平行束的方法需要的探测器面积更小。同时，在该设计的 另一种系统结构中，还可以同时测量两个不同角度下的散射射线的能量分布曲线。因此可 以根据具体的情况使用或者联合两个角度下得到的信息，提高系统的物质分辨能力。
[0073]本公开的其他实施例公开了一个采用倒扇形束分布式光源的相干X射线散射系 统，利用具有能量分辨能力的探测器，在固定角度下测量散射X射线的能量分布，获得物质 晶格常数，从而分辨物质的种类。
[0074] 分布式光源分布在圆弧上或者直线上，在光源准直器的限制下，射线沿着径向通 过物体汇聚于坐标系原点。通过光源处理系统，接收来自前级CT对可疑物质的定位信息， 可以有目的的控制对应位置的几个光源点出束，照射对应部分，进行针对性的检测。
[0075] 探测器为柱面结构，配合着精确设计的准直器。检测平面上不同位置处的散射射 线将照射在探测器的不同位置，通过数据获取系统，接收前级的CT对可疑物质的定位信 息，可以有目的的获取其中某些位置探测单元的信号。
[0076] 整个系统的准直器分为两部分：光源准直器与散射线准直器（又：探测器准直 器）。光源准直器的目的是，限定不同位置处光源点放射出的射线的方向，使得透过准直器 的射线形成倒扇形束的状态，穿透检测区域汇聚于坐标系原点。散射线准直器控制射入探 测器面的散射射线的角度，仅允许固定角度9且处于某圆锥面上的散射线通过并被探测 器记录。
[0077] 在整个检测过程中，物体在传送带的带动下连续地通过检测区域。X光源与探测器 都不需要运动。当获得了可疑物质的散射射线能谱曲线之后，根据峰位Ei与其他固定参数， 可计算出晶格常数屯，并将曲线与系统数据中各种物质的谱线对照、识别，最终判断物质的 种类，决定该物质是否为爆炸物。
[0078] 在一些实施例中，结合倒扇束设计方案和分布式光源设计，光源具有汇聚的趋势， 相比平行束模式，探测器面积大大减少，在一些实施例中，检查设备中探测器的尺寸仅为平 行束模式所需探测器面积的15%左右，降低了系统的成本。
[0079] 此外，在一些实施例中采用特殊设计的探测器准直器和二维探测器，使得本发明 在检测物品箱的过程中无需探测器和光源的运动，降低了系统的机械复杂度，提高了系统 的检测速度、稳定性和精度。同时本发明检测手段可以同时测量多个R0I，相比原本倒扇束 模式，更多了三维定位能力，可以对物品箱中任何一个部位的物品进行单独的检测。
[0080] 在其他实施例中，采用了U型和L型的光源分布方式，减少了整个系统的尺寸。
[0081] 因此，上述本公开的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本公开实施例的检 查设备、方法和系统进行了说明，并不用于限定本公开的范围。对于公开的实施例进行变化 和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术 领域的普通技术人员所了解。本公开所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本公开的 精神和保护范围。
【主权项】
1. 一种检查设备，包括： 分布式射线源，包括多个源点，产生射线； 光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线沿 着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束； 散射准直器，配置为仅允许射线与被检查物体的相互作用产生的具有一个或多个特定 散射角的散射射线通过； 至少一个探测器，设置在所述散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，所述 多个探测单元具备能量分辨能力并且基本上设置在柱面上，以接收通过所述散射准直器的 散射射线；以及 处理装置，基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。2. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述处理装置还基于所述散射射线能谱信息中 包含的峰位信息计算晶格常数，将计算的晶格常数与预定值进行比较来判断该被检查物体 中是否包含爆炸物或者危险品。3. 如权利要求1所述的检查设备，还包括控制装置，根据输入的被检查物品中的感兴 趣区域的位置信息控制所述分布式射线源中的特定源点产生射线，对所述感兴趣区域进行 检查。4. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述分布式光源的多个源点按照如下方式分 布：圆弧、直线、U型、倒U型、L型或者倒L型。5. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器包括底面和底面上的多个嵌套 的柱面，所述多个嵌套的柱面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着柱面 的轴向方向开有缝隙。6. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器包括底面和在底面上的多个嵌 套的球面，所述多个嵌套的球面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着底 面的径线开有缝隙。7. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器由对射线吸收材料制成。8. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器具体为用射线吸收物质制作成 多个列平行的共轴圆锥面。9. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器具体为多个平行的薄片。10. 如权利要求1所述的检查设备，所述探测器具体为CZT探测器或者HPGe探测器。11. 一种检查系统，包括： 承载机构，承载被检查物体直线运动； 第一扫描级，包括透射成像装置或者CT成像装置，对被检查物体进行透射检查或者CT检查； 处理装置，接收第一扫描级产生的信号，并且基于该信号确定被检查物体中的至少一 个感兴趣区域， 第二扫描级，沿着物体运动方向与所述第一扫描级间隔预定的距离设置，所述第二扫 描级包括： 分布式射线源，包括多个源点，产生射线； 光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线沿 着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束； 散射准直器，配置为仅允许散射射线与被检查物体的相互作用产生的具有一个或多个 特定散射角的散射射线通过； 探测器，设置在所述散射准直器的下游，包括多个探测单元，所述多个探测单元具备能 量分辨能力，设置在柱面上并接收通过所述散射准直器的散射射线； 其中，所述处理装置指示所述第二扫描级针对所述至少一个感兴趣区域进行检查，并 且基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。12. -种检查方法，包括： 通过包括多个源点的分布式射线源产生射线； 将所述分布式射线源产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束； 通过设置在探测器前端的散射准直器对射线进行准直，使得仅允许射线与被检查物体 的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过； 由具备能量分辨能力并设置在柱面上的探测器接收通过所述散射准直器的散射射线； 以及 基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。13. 如权利要求12所述的检查方法，还包括步骤： 基于所述散射射线能谱信息中包含的峰位信息计算晶格常数，将计算的晶格常数与预 定值进行比较来判断该被检查物体中是否包含爆炸物或者危险品。14. 如权利要求12所述的检查方法，还包括步骤： 根据输入的被检查物品中的感兴趣区域的位置信息控制所述分布式射线源中的特定 源点产生射线，对所述感兴趣区域进行检查。
【专利摘要】公开了一种检查设备、方法和系统。该设备包括：分布式射线源，包括多个源点；光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将其产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束；散射准直器，配置为仅允许射线与被检查物体的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过；至少一个探测器，设置在散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，该多个探测单元具备能量分辨能力并且基本上设置在柱面上，以接收通过散射准直器的散射射线；以及处理装置，基于探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。上述设备利用具有能量分辨能力的探测器，在固定角度下测量散射X射线的能量分布，获得物质晶格常数，从而分辨物质的种类。
【IPC分类】G01N23/10
【公开号】CN104897703
【申请号】CN201410075765
【发明人】陈志强, 张丽, 杨戴天杙, 黄清萍
【申请人】清华大学, 同方威视技术股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
【公告号】WO2015131802A1
【技术领域】
[0001] 本公开涉及基于相干X射线散射技术的检查系统，具体涉及一种确定被检查物体 中是否包含爆炸物或者危险品之类特定内容的检查设备、方法和系统。
【背景技术】
[0002] 对行李箱等物品中爆炸物、毒品的检测，受到了越来越多的重视。现有的一些常用 检测手段，例如CT检测技术，可以获得物品箱中各种物质的空间位置分布以及密度、质量、 有效原子序数等重要信息，用此来分辨不同物质的类别。当系统检测到可疑物质时，将报警 并交给下一级的检测装置检测或进行人工检测。
[0003] 但是，利用密度和原子序数等信息判断某物质是否为爆炸物的报错率依然比较 高。为了降低整体系统的报错率，减少人工检测的次数，以及提高系统可信度，提出了在CT 检测系统后串联上基于相干X射线散射的检测系统，可以较明显的降低系统的报错率。
[0004] 相干X射线散射（X射线衍射）技术检测物质（主要为晶体物质），主要基于布拉 格衍射公式：
[0006] 其中，n为衍射增强级别，在爆炸物检测中一般n= 1 ;A为入射射线的波长；d为 晶格间距，也为晶格常数；e为射线散射后的偏转角；h为普朗克常数；c为光速；E为入射 光子的能量。各个参数满足上述公式的时候，将发生相干加强，对应的散射为弹性散射，X光 子能量不变。
[0007]在基于能量分布的衍射图样中，固定探测器测量的角度e，即在固定的散射角度 测量散射X射线的能谱。满足上述公式的晶格常数d与入射光子能量成分E具有一对一的 关系。这样，根据能谱峰的位置Ei、E2、..En，可以确定晶体物质的指纹特征--晶格常数屯、 d2、...dn，从而可以鉴别不同的物质。例如，典型的爆炸物质主要是由不同的晶体物质组成 的，通过晶格常数分辨晶体类型，因此该方法是一种有效的爆炸物检测手段。
[0008] 同样也可以采用单能的X射线源，然后在不同散射角度下对X光子进行计数。通 过0与d的一一对应关系来获得晶体信息。这种方法对探测器的要求降低，但是对光源的 单色性要求提高。并且改变角度测量效率较低，在实验设备中有应用，但在实际设计与应用 中，采用的较少。
[0009] 专利文件1 (专利US6693988, 2004年2月17日）提出了一种倒扇束检测方法。倒 扇束的系统使用较少的探测器做到固定式的测量，但是失去了三维定位的能力，经过检测 平面内垂直于射束方向的、不同位置处物体的散射线将汇聚到探测器上的一点，使得两位 置处的物体的谱线叠加，影响信噪比，降低物质的分辨能力。
【发明内容】
[0010] 考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了一种基于相干射线散射技术的检查 设备、方法和系统，具备三维定位能力，并且具有较高分辨能力并降低了系统成本。
[0011] 根据本公开的一个方面，提出了一种检查设备，包括：分布式射线源，包括多个源 点，产生射线；光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生 的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束；散射准直器，配置为仅允许射线与被检查 物体的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过；至少一个探测器，设 置在所述散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，所述多个探测单元具备能量 分辨能力并且基本上设置在柱面上，以接收通过所述散射准直器的散射射线；以及处理装 置，基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0012] 优选地，所述处理装置还基于所述散射射线能谱信息中包含的峰位信息计算晶格 常数，将计算的晶格常数与预定值进行比较来判断该被检查物体中是否包含爆炸物或者危 险品。
[0013] 优选地，所述的检查设备还包括控制装置，根据输入的被检查物品中的感兴趣区 域的位置信息控制所述分布式射线源中的特定源点产生射线，对所述感兴趣区域进行检 查。
[0014] 优选地，所述分布式光源的多个源点按照如下方式分布：圆弧、直线、U型、倒U型、 L型或者倒L型。
[0015] 优选地，所述散射准直器包括底面和底面上的多个嵌套的柱面，所述多个嵌套的 柱面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着柱面的轴向方向开有缝隙。
[0016] 优选地，所述散射准直器包括底面和在底面上的多个嵌套的球面，所述多个嵌套 的球面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着底面的径线开有缝隙。
[0017] 优选地，所述散射准直器由对射线吸收材料制成。
[0018] 优选地，所述散射准直器具体为用射线吸收物质制作成多个列平行的共轴圆锥 面。
[0019] 优选地，所述散射准直器具体为多个平行的薄片。
[0020] 优选地，所述探测器具体为CZT探测器或者HPGe探测器。
[0021] 根据本公开的另一方面，提出了一种检查系统，包括：承载机构，承载被检查物体 直线运动；第一扫描级，包括透射成像装置或者CT成像装置，对被检查物体进行透射检查 或者CT检查；处理装置，接收第一扫描级产生的信号，并且基于该信号确定被检查物体中 的至少一个感兴趣区域，第二扫描级，沿着物体运动方向与所述第一扫描级间隔预定的距 离设置，所述第二扫描级包括：分布式射线源，包括多个源点，产生射线；光源准直器，设置 在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形 成倒扇形射线束；散射准直器，配置为仅允许散射射线与被检查物体的相互作用产生的具 有一个或多个特定散射角的散射射线通过；探测器，设置在所述散射准直器的下游，包括多 个探测单元，所述多个探测单元具备能量分辨能力，设置在柱面上并接收通过所述散射准 直器的散射射线；其中，所述处理装置指示所述第二扫描级针对所述至少一个感兴趣区域 进行检查，并且基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0022] 根据本公开的再一方面，提出了一种检查方法，包括：通过包括多个源点的分布式 射线源产生射线；将所述分布式射线源产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线 束；通过设置在探测器前端的散射准直器对射线进行准直，使得仅允许射线与被检查物体 的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过；由具备能量分辨能力并设 置在柱面上的探测器接收通过所述散射准直器的散射射线；以及基于所述探测器输出的信 号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0023] 优选地，所述的检查方法还包括步骤：基于所述散射射线能谱信息中包含的峰位 信息计算晶格常数，将计算的晶格常数与预定值进行比较来判断该被检查物体中是否包含 爆炸物或者危险品。
[0024] 优选地，所述的检查方法还包括步骤：根据输入的被检查物品中的感兴趣区域的 位置信息控制所述分布式射线源中的特定源点产生射线，对所述感兴趣区域进行检查。
[0025] 利用上述的技术方案，通过控制分布式光源中特定的几个光源点出束，来照射物 体的对应部分，进行针对性的检测。此外，由于使用了柱面探测器，能够获取某些位置的探 测单元的信号，从而具备了三维定位能力。
【附图说明】
[0026] 下面的附图有助于更好地理解接下来对本公开不同实施例的描述。这些附图并非 按照实际的特征、尺寸及比例绘制，而是示意性地示出了本公开一些实施方式的主要特征。 这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本公开的一些实施例。为简明起 见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
[0027] 图1为根据本发明实施例的检查设备的结构示意图；
[0028] 图2为根据本发明另一实施例的检查设备中的光源分布示意图以及探测区域示 意图；
[0029] 图3为根据本发明的实施例描述检查设备探测固定角度下散射射线的结构示意 图；
[0030] 图4描述了根据本发明一个实施例的散射线准直器的结构示意图；
[0031] 图5为根据本发明另一实施例的散射线准直器的结构示意图；
[0032] 图6示出了根据本发明一个实施例的检查设备的侧视图；
[0033] 图7示出了根据本发明另一实施例的检查设备的侧视图；
[0034] 图8示出了根据本发明又一实施例的检查设备的侧视图；
[0035] 图9示出了根据本发明一个实施例的检查设备中的光源的结构示意图；
[0036] 图10示出了根据本发明另一实施例的检查设备中的光源的结构示意图；
[0037] 图11示出了物体矩形截面（实际检测区）散射信息柱面探测器上的分布区域。
【具体实施方式】
[0038] 下面将详细说明本公开的一 些实施例。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如 实施例中的具体结构和部件的具体参数，都用于对本公开的实施例提供更好的理解。本技 术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况 下，本公开的实施例也可以被实现。
[0039] 在本公开的说明书中，提及"一个实施例"时均意指在该实施例中描述的具体特 征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本公开的一个实施例中。因而，在本公开的说明 书中，若采用了诸如"根据本公开的一个实施例"、"在一个实施例中"等用语并不用于特指 在同一个实施例中，若采用了诸如"在另外的实施例中"、"根据本公开的不同实施例"、"根 据本公开另外的实施例"等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实 施例中。本领域的技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的各 具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。另外，"一个"并不用于特指 单个，而是可以包括复数形式。"在……中"可以包括"在……中"和"在……上"的含义。除 非特别明确指出，"或"可以包括"或"、"和"及"或/和"的含义，并不用于特指只能选择几 个并列特征中的一个，而是意指可以选择其中的一个或几个或其中某几个特征的组合。本 领域的技术人员应该理解，以上罗列的对本公开中描述用语的解释仅仅是示例性的，并不 用于对各用语进行绝对的限定。
[0040] 为了克服现有技术中的问题，本公开的一些实施例提出了一种检查设备，包括：分 布式射线源、光源准直器、散射准直器、探测器和处理装置。分布式射线源包括多个源点，产 生射线。光源准直器设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线 沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束。散射准直器配置为仅允许射线与被检查物体的 相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过。至少一个探测器设置在所述 散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，所述多个探测单元具备能量分辨能力 并且基本上设置在柱面上，以接收通过所述散射准直器的散射射线。处理装置，基于所述探 测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。根据上述检查设备，能够较为准确 地获得被检查物体中特定部分的散射射线能谱信息，从而进一步对其进行识别或者判断是 否为危险品或者爆炸物。
[0041] 图1示出了根据本公开实施例的检查设备的结构示意图。如图1所示，示出的检 查设备对被检查物体130进行检查，它包括分布式光源110、在分布式光源前的光源准直器 120、散射准直器140和探测器150。如图所示，光源准直器120使得射线沿着扇束的径向汇 聚到坐标系原点。散射准直器140设置在X0Y平面上方，探测器150为柱面探测器，轴线为 Y轴，包括多个设置在柱面上的探测单元。
[0042] 根据一些实施例，通过光源准直器120的射线为一个扇形面（垂直于照射平面有 一定的小张角A0)，该平面包含了被检查物体130在X0Z平面内的一个矩形断面。当被检 查物体130沿传送带（例如沿着Y轴）通过时，被检查物体130被扫描。射线通过被检查 物体130时，发生散射，在X0Y平面上的散射准直器140限定仅在某确定角度下的散射线才 能够入射到探测器150上。诸如计算机之类的处理装置（未示出）然后基于探测器150输 出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。
[0043] 根据一些实施例，散射准直器140由两部分组成：第一部分，由同轴的多个（两到 三个）圆柱面X射线吸收物质组成，在柱面上，相隔一定的距离开有一条圆形的细缝，允许 某个角度圆锥面上的射线通过；第二部分在X0Y平面上有一层X射线吸收物质，并在Y轴上 某一段上开有一条直缝。这两者的结合确定了入射探测器的射线角度，并根据所需的系统 角度分辨率以及空间分辨率来决定缝宽和相对距离。
[0044] 图2为根据本发明另一实施例的检查设备中的光源分布示意图以及探测区域示 意图。本实施例的检查设备采用的是分布式光源210,在光源准直器220的控制下得到倒扇 形的射束，汇聚于原点。在一些实施例中，光源分布可以有多种：第一种是分布于半径为R， 圆心在原点的圆弧205上，光源准直器分布在光源点前，径向分布；第二种是分布于直线段 上，如图2中粗黑线所示，光源210分布在直线段上，光源准直器220设置在源点的出束路 径上，经过准直的射线束沿着扇形的径向汇聚，穿透检查区域外圈260和检查区域内圈270 中的被检查物体230,发生散射（衍射）。控制装置（未示出）根据输入的被检查物品中的 感兴趣区域的位置信息控制分布式射线源210中的特定源点产生射线，对感兴趣区域进行 检查。例如，如图2所示，控制分布式光源210中的特定源点的出束，可以对被检查物体130 中的特定部分（ROI)进行检查。探测区域为如图2所示的检测区外圈260、检测区内圈270 圆弧以及光源两端射向原点的射线所包围起来的部分圆环区域。被检查物体280可以内接 圆环区域，沿传送带（未示出）垂直于纸面运动。假设被检查物体为立方体，且在图2中宽 为1，高为h。那么光源对原点的张角为：
[0046] 圆弧形的光源分布长度为：
[0048] 直线型的光源分布长度为：
[0050] 其中R为弧形光源的半径，札为物体底面距离坐标原点的距离。
[0051] -般情况下，在这段长度内可以分布多个光源点（间隔一定的角度），并可以在控 制系统的控制下，独立的出束，或者相邻的几个光源点组成一组，以组为单位独立的出束。 图2中区域280为感兴趣区域（R0I)，该区域可以为如级CT系统或者透射检查系统标定的 可疑物质区域。
[0052] 图3为根据本发明的实施例描述检查设备探测固定角度下散射射线的结构示意 图。如图3所示，分布式光源210通过光源准直器220产生的倒扇形光束的照射面内，在以 汇聚点（坐标原点）为圆心，不同半径的圆弧上，与入射线（半径）以一定角度散射的射线 可以汇聚与Y轴上的一点，这些射线都分布于：顶点在Y轴上，半锥角为
的圆锥面上， 其中9为散射角。处于圆锥面上的散射线在Y轴上不同点处汇聚后，将继续发散开来，同 时它们仍然分布在同顶点，同锥角，开口方向相反的圆锥面上，如图3所示，形成一个漏斗 状几何图形。通过在X0Y上放置特定的散射准直器限定散射线，可以使得只有满足上述描 述的散射射线可以沿着类似漏斗状的圆锥面射向探测器。
[0053] 如图3所示，在照射平面内（X0Z平面内），以原点为圆心半径较大的圆弧260对应 的圆锥顶点的Y坐标较大，通过汇聚的顶点发散后将投射到探测器250的底部圆弧处。在 照射平面内，以原点为圆心，半径较小的圆弧270对应的圆锥顶点靠近坐标系原点，散射射 线通过汇聚点发散后将投射到探测器250的顶端圆弧处。这样，在照射面内的不同位置处 发生的散射射线将投射到柱面探测器250的不同探测单元上，配合物体沿着Y轴的匀速运 动，该检查设备具有探测物体的三维定位能力，并且可以同时测量探测区域内多个R0I。
[0054] 本发明实施例中的探测器面积远小于现有技术中平行光束情况下的探测器面积， 减少了探测器的需求量。具体原因在于，射线具有一定的汇聚性能，故探测器可以根据系统 空间分辨率的要求调整尺寸。
[0055] 本发明实施例的检查设备的优点便在于利用了倒扇束光线汇聚的特点，并巧妙的 采用了漏斗式探测结构，这种结构可以根据系统的空间分辨率比例要求，控制所需探测器 的大小，在具有三维定位能力的系统设计中，本实施例的设备可以做到所需探测器面积最 小化。
[0056] 在一些实施例中，散射线分布在一系列共轴的圆锥面上。在一些实施例中，可以将 散射准直器设计为用X射线吸收物质制作成一系列平行的共轴圆锥面，这样可以很好的限 制散射线的角度，较为准确的接收所需的特定角度散射而来的散射线，但是这样对准直器 的要求会高一些。
[0057] 在其他的实施例中，可以用一些平行的薄片来限定散射线，但是由于散射线实际 上分布在有一定弧度的圆锥面上，这样平行的平板夹缝准直器，会带来一定的角度偏差。
[0058] 在图4的实施例中示出了另外的散射探测器构成。如图4所示，散射探测器由两 部分组成，第一部分是以Y轴为轴线的同轴的相互嵌套的两个半圆柱面420和430(实际 上只在X0Y平面上方存在半个圆柱面），第二部分是放置在X0Y平面上的平板，这是由本设 计采用了漏斗型几何模型有关的。由于X射线通过物体时，发生0角散射的部分射线将 沿着不同的圆锥面汇聚到Y轴上，它们与圆柱形的准直器的交线为分布在圆柱面上的一个 个圆弧。根据系统的几何关系以及角度分辨率的要求，在两圆柱面上对应的位置处开一系 列的窄缝，就可以确定让一定角度入射的圆锥面上的散射射线通过了。放置在圆柱面准直 器下方的X0Y 平面上的平板准直器410在Y轴上开有一段直线缝隙405,这进一步确定了， 仅在Y轴上汇聚的散射射线可以通过并照射在探测器相应部位。通过图4所示的散射准 直器的设计，就可以保证固定角度的散射射线可以按照图3所描述的漏斗状几何关系被探 测器探测了。在一些实施例中，拥有能量分辨能力的探测器（如CZT(CdZnTe)探测器或者 HPGe(High-PurityGe)探测器）测量到来自不同R0I的固定角度的X散射射线，可以得到 对应物质的按能量分布的相干散射图像（或者衍射图样），通过分析谱峰的位置，可以得到 物质的晶格常数信息，通过在处理装置中与数据库中各种物质（如爆炸物）的参考谱线相 比较，可以分辨出该物质的种类。
[0059]图5为根据本发明另一实施例的散射线准直器的结构示意图。如图5所示，散射 准直器由两部分组成，位于X0Y平面上方的结构是由套叠的球面（球心在Y轴上，此处Y轴 垂直于纸面向里）组成，以固定角度射来的散射线所分布的圆锥面的顶点位于虚拟球体的 同一条直径上（Y轴），这样圆锥面与球面的交线为球面上的圆弧。通过套叠的结构，多道细 缝525就限定了散射线的准确入射方向了，放置在球面准直器520下方的X0Y平面上的平 板准直器在Y轴上开有一段直线缝隙。这进一步确定了，仅在Y轴上汇聚的散射射线可以 通过并照射在探测器相应部位。
[0060] 本发明实施例中提出的散射准直器由两部分组成，共同确定了只有在分布在一定 顶角的圆锥面上的散射线才可射入探测器。采用漏斗状几何结构，将探测器放置在光线汇 聚之后的部分，也就是漏斗状的下部（见图3)，在理论上可以使用较为准确的散射准直器 设计，降低系统的角度误差，如果放置在光线汇聚之前，则无法通过细缝准直器限定散射线 了，在采用二维探测器的时候可能会带来X轴方向的"串道"，使得误差变大。
[0061] 图6示出了根据本发明一个实施例的检查设备的侧视图。本发明实施例的设备基 于相干X射线散射技术，作为爆炸物检测的后级检测装置，前级可与CT检测系统串联使用， 并从CT检测装置处获得可疑物质在被检查物体630中的定位信息。图6描述了整个系统各 个部分的相对位置，光机610垂直于纸面放置在最上端，被检查物体630在传送带660的带 动下水平向右方匀速运动，散射射线经过传送带下方的散射准直器640投射到探测器650 上。整个过程中，通过PC或者其他处理系统控制分布式光机的出束，以及对应部位探测器 的信息记录与处理，探测器650与光机610无需机械运动，传送带660也无需停止，这样提 高了整个系统检测的效率。
[0062] 图7示出了根据本发明另一实施例的检查设备的侧视图，与图6结构的区别是， 该系统在照射平面两边不同的散射角度处分别设置了一组散射准直器740和探测器751、 752。光机710垂直于纸面放置在最上端，被检查物体730在传送带760的带动下水平向右 方匀速运动，散射射线经过传送带下方的散射准直器740投射到探测器751和752上。这 样可以同时测量两个固定角度下的散射射线信息。这样设计的考虑是根据公式（1)，X射线 能量E-般分布在20~lOOkeV，晶格常数在KT1%量级，因此典型的散射角度很小，所以上 述公式可以近似为：
[0064] 其中n取1。根据公式（2)，可以发现，在对某确定物体进行相干散射测量的时候， 9角度越大，对应得到的能谱峰位就会向左（即减小）偏移，即：特征峰对应的X射线能量 变小；当0变小时，谱峰将向右偏移。对于探测器而言，对高能部分的能量分辨率较高，但 是此时对应较小的角度e，因此对应的系统角度分辨率
将变差。根据系统设计与实验， 相干X射线散射系统对于角度分辨率更敏感，因此，在较小角度下测量时，整体分辨率会下 降，得到的谱线质量会变差。但是考虑以下情况：在物品箱中，在散射线路径上存在强的X 射线吸收物质的时候，或者物体较厚，此时多色的X射线低能部分将受到较强的吸收，谱线 将受到射线硬化的影响。在这种情况下，在较大9角度下测量将受到硬化影响较大。因此 对于不同的物品箱情况，不同角度下给出的结构有一定差别，会存在较适合的角度。因此图 7设计了两个角度同时测量的结构，0i< 02(如，02~5° )。因此可以根据 前级CT系统得到的物质密度与位置信息判断何种角度下更适合测量，或者联合两个角度 下的谱线，同样可以提高信噪比，提高判断的准确度，降低误判率。
[0065] 图8示出了根据本发明又一实施例的检查设备的侧视图。该模式允许系统同时 在四个角度下测量X散射射线能谱图，得到四个谱图，可以联合起来（得到四个角度的角 度-能力联合分布），提高待处理数据的信噪比。与图6结构的区别是，该系统在照射平面 两边不同的散射角度处分别设置了两组散射准直器840和探测器851、852、853、854。光机 810垂直于纸面放置在最上端，被检查物体830在传送带860的带动下水平向右方匀速运 动，散射射线经过传送带下方的散射准直器840投射到探测器851和852以及探测器853 和854上。这样可以同时测量两个固定角度下的散射射线信息。如图8所示，在照射平面 的同一侧将两组散射线在准直器上的照射范围分开，防止相互干扰。两个角度下的射线分 别照射在两个柱面探测器上。得到四组能谱曲线之后，首先可以选定效果最好的一组来进 行判定，或者对于不同角度下的，将四条曲线联合起来，可以提高曲线的信噪比。
[0066]图9与图10示出了更加高效的结构示意图，主要的目的是减小整个系统设备的尺 寸。针对圆弧或者直线段光源分布范围过大，系统整体尺寸过大的缺点进行了改进。
[0067]图9所示为U型（或倒U型）式设计，该设计的特点是系统左右对称，对于被检测 的立方体物体（矩形的截面）来讲，照射射线并没有区别。对于图9的模式，倒U型分布式 光源910和光源准直器930设置在分布式光源模拟圆轨道半径/检测区最外圈半径960和 检测区内圈半径970之间的检测区域中。U型式的设计使得分布式光源垂直于传送带运输 方向的尺寸减小，光源几乎是贴着矩形的检测区域，另外这种设计使得检测区内圈半径大 大减小成为可能，同时也减少了整个系统的高度。
[0068]在该实施例中，由于光源是分布式的，每间隔一定的角度布置一个光源点，因此存 在采样间隔的问题。为了保持角度分辨率，每个光源点射出的射线的张角△Y要足够小， 如图9所示。由于每条射线的张角所引起的角度分辨率的变化分析如下，假设经过光源准 直器后，每条射线的张角AY~〇. 4°，那么射线1的边缘射线1-1与射线2相交与A点，它 们在A点均可与物体发生散射沿着相同的轨迹进入探测器，而这时它们的散射角度就会产 生差别。当散射准直器限定散射角为3°时，由于AY引起的角度误差约为
此处没有考虑实际散射准直器引起的角度误差。假设散射准直器能够准确的限定射入探 测器的角度，将散射准直器限定的角度改为2.91°，那么由于AY引起的误差，实际射入 探测器的散射线可能的散射角范围是：2.91°~3.09°，平均角度仍为3°，而最大误差
。而在保证了角度分辨率的情况下射线便无法覆盖整个物体截面。为了避免或 降低因非全覆盖式的测量导致的漏检率，需要保证两条射线之间的间隔足够小，这个间隔 要根据实际检测的目标对象尺寸范围而定，本实施例提出在检测区域最外圈圆弧上，相邻 两条射线的间距不得超过12mm，就图9以及上面的参数，取每0. 6°布置一个光源点，共需 227个光源点。那么射线之间最大的间隔为AX = 10. 79mm。由于射线是汇聚的，且实际的 检测区域为矩形，在最外圈圆弧的内侧，所以在检测区域内，这个标准是可以满足要求的。 [0069]另外，如图3所示，探测器记录的区域为检测平面内部分圆环区域的信息，而实际 的监测区域仅仅为内接于该圆环区域的一个矩形。因此在上面所述的柱面探测器上，将有 一部分区域是没有有用信息的如图11所示中的区域I、II、III、IV，有意义区域仅为矩形区 域经过漏斗型锥面投射到柱面探测器上的一部分，如图11所示中的区域v(对称式结构情 况）。
[0070] 图10为L型设计模式，该系统设计是非对称形式的，但是基本原理和测量方式是 一致的。对于图10的模式，倒L型分布式光源1010和光源准直器1030设置在分布式光源 模拟圆轨道半径/检测区最外圈半径1060和检测区内圈半径1070之间的检测区域中。此 实施例中探测器将在物体的右下侧，呈现出非对称的形式，矩形区域散射线在探测器上的 分布如图11中框内区域1120所示（L型结构）。
[0071] 图10的设计相对于图9而言，所需的探测器尺寸相当，均远小于平行束模式，由 于采用分布式光源，采样点最大间隔（射线之间的最大间隔）均可以做到小于12_。由于 R2的增加，由AY引起的角度误差增大，设AY=0 . 4°，散射准直器限定的散射角度为 2.85°，散射线的平均散射角为3°，那么角度误差约为
，相对U型设计要略差 一些，故对光源准直器的要求更高，可能需要减小AY的大小，但AY也不宜过小，否则会 显著降低计数率。从形态上，L型减少了U型的一条臂，图9的非对称设计所需的光源点更 少。无论是U型分布还是L型分布，这两种方式的设计均能减小整个系统的尺寸。
[0072]本发明的实施例提出了采用二维的圆柱面探测器，使得系统在基本保持优点的基 础上，拥有了三维定位能力。相比平行束的方法需要的探测器面积更小。同时，在该设计的 另一种系统结构中，还可以同时测量两个不同角度下的散射射线的能量分布曲线。因此可 以根据具体的情况使用或者联合两个角度下得到的信息，提高系统的物质分辨能力。
[0073]本公开的其他实施例公开了一个采用倒扇形束分布式光源的相干X射线散射系 统，利用具有能量分辨能力的探测器，在固定角度下测量散射X射线的能量分布，获得物质 晶格常数，从而分辨物质的种类。
[0074] 分布式光源分布在圆弧上或者直线上，在光源准直器的限制下，射线沿着径向通 过物体汇聚于坐标系原点。通过光源处理系统，接收来自前级CT对可疑物质的定位信息， 可以有目的的控制对应位置的几个光源点出束，照射对应部分，进行针对性的检测。
[0075] 探测器为柱面结构，配合着精确设计的准直器。检测平面上不同位置处的散射射 线将照射在探测器的不同位置，通过数据获取系统，接收前级的CT对可疑物质的定位信 息，可以有目的的获取其中某些位置探测单元的信号。
[0076] 整个系统的准直器分为两部分：光源准直器与散射线准直器（又：探测器准直 器）。光源准直器的目的是，限定不同位置处光源点放射出的射线的方向，使得透过准直器 的射线形成倒扇形束的状态，穿透检测区域汇聚于坐标系原点。散射线准直器控制射入探 测器面的散射射线的角度，仅允许固定角度9且处于某圆锥面上的散射线通过并被探测 器记录。
[0077] 在整个检测过程中，物体在传送带的带动下连续地通过检测区域。X光源与探测器 都不需要运动。当获得了可疑物质的散射射线能谱曲线之后，根据峰位Ei与其他固定参数， 可计算出晶格常数屯，并将曲线与系统数据中各种物质的谱线对照、识别，最终判断物质的 种类，决定该物质是否为爆炸物。
[0078] 在一些实施例中，结合倒扇束设计方案和分布式光源设计，光源具有汇聚的趋势， 相比平行束模式，探测器面积大大减少，在一些实施例中，检查设备中探测器的尺寸仅为平 行束模式所需探测器面积的15%左右，降低了系统的成本。
[0079] 此外，在一些实施例中采用特殊设计的探测器准直器和二维探测器，使得本发明 在检测物品箱的过程中无需探测器和光源的运动，降低了系统的机械复杂度，提高了系统 的检测速度、稳定性和精度。同时本发明检测手段可以同时测量多个R0I，相比原本倒扇束 模式，更多了三维定位能力，可以对物品箱中任何一个部位的物品进行单独的检测。
[0080] 在其他实施例中，采用了U型和L型的光源分布方式，减少了整个系统的尺寸。
[0081] 因此，上述本公开的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本公开实施例的检 查设备、方法和系统进行了说明，并不用于限定本公开的范围。对于公开的实施例进行变化 和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术 领域的普通技术人员所了解。本公开所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本公开的 精神和保护范围。
【主权项】
1. 一种检查设备，包括： 分布式射线源，包括多个源点，产生射线； 光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线沿 着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束； 散射准直器，配置为仅允许射线与被检查物体的相互作用产生的具有一个或多个特定 散射角的散射射线通过； 至少一个探测器，设置在所述散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，所述 多个探测单元具备能量分辨能力并且基本上设置在柱面上，以接收通过所述散射准直器的 散射射线；以及 处理装置，基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。2. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述处理装置还基于所述散射射线能谱信息中 包含的峰位信息计算晶格常数，将计算的晶格常数与预定值进行比较来判断该被检查物体 中是否包含爆炸物或者危险品。3. 如权利要求1所述的检查设备，还包括控制装置，根据输入的被检查物品中的感兴 趣区域的位置信息控制所述分布式射线源中的特定源点产生射线，对所述感兴趣区域进行 检查。4. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述分布式光源的多个源点按照如下方式分 布：圆弧、直线、U型、倒U型、L型或者倒L型。5. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器包括底面和底面上的多个嵌套 的柱面，所述多个嵌套的柱面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着柱面 的轴向方向开有缝隙。6. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器包括底面和在底面上的多个嵌 套的球面，所述多个嵌套的球面上相隔预定的距离开有圆形缝隙，并且所述底面上沿着底 面的径线开有缝隙。7. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器由对射线吸收材料制成。8. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器具体为用射线吸收物质制作成 多个列平行的共轴圆锥面。9. 如权利要求1所述的检查设备，其中所述散射准直器具体为多个平行的薄片。10. 如权利要求1所述的检查设备，所述探测器具体为CZT探测器或者HPGe探测器。11. 一种检查系统，包括： 承载机构，承载被检查物体直线运动； 第一扫描级，包括透射成像装置或者CT成像装置，对被检查物体进行透射检查或者CT检查； 处理装置，接收第一扫描级产生的信号，并且基于该信号确定被检查物体中的至少一 个感兴趣区域， 第二扫描级，沿着物体运动方向与所述第一扫描级间隔预定的距离设置，所述第二扫 描级包括： 分布式射线源，包括多个源点，产生射线； 光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将所述分布式射线源产生的射线沿 着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束； 散射准直器，配置为仅允许散射射线与被检查物体的相互作用产生的具有一个或多个 特定散射角的散射射线通过； 探测器，设置在所述散射准直器的下游，包括多个探测单元，所述多个探测单元具备能 量分辨能力，设置在柱面上并接收通过所述散射准直器的散射射线； 其中，所述处理装置指示所述第二扫描级针对所述至少一个感兴趣区域进行检查，并 且基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。12. -种检查方法，包括： 通过包括多个源点的分布式射线源产生射线； 将所述分布式射线源产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束； 通过设置在探测器前端的散射准直器对射线进行准直，使得仅允许射线与被检查物体 的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过； 由具备能量分辨能力并设置在柱面上的探测器接收通过所述散射准直器的散射射线； 以及 基于所述探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。13. 如权利要求12所述的检查方法，还包括步骤： 基于所述散射射线能谱信息中包含的峰位信息计算晶格常数，将计算的晶格常数与预 定值进行比较来判断该被检查物体中是否包含爆炸物或者危险品。14. 如权利要求12所述的检查方法，还包括步骤： 根据输入的被检查物品中的感兴趣区域的位置信息控制所述分布式射线源中的特定 源点产生射线，对所述感兴趣区域进行检查。
【专利摘要】公开了一种检查设备、方法和系统。该设备包括：分布式射线源，包括多个源点；光源准直器，设置在分布式射线源的射线出束端，将其产生的射线沿着扇形的径线汇聚，形成倒扇形射线束；散射准直器，配置为仅允许射线与被检查物体的相互作用产生的具有一个或多个特定散射角的散射射线通过；至少一个探测器，设置在散射准直器的下游，每个探测器包括多个探测单元，该多个探测单元具备能量分辨能力并且基本上设置在柱面上，以接收通过散射准直器的散射射线；以及处理装置，基于探测器输出的信号计算被检查物体的散射射线能谱信息。上述设备利用具有能量分辨能力的探测器，在固定角度下测量散射X射线的能量分布，获得物质晶格常数，从而分辨物质的种类。
【IPC分类】G01N23/10
【公开号】CN104897703
【申请号】CN201410075765
【发明人】陈志强, 张丽, 杨戴天杙, 黄清萍
【申请人】清华大学, 同方威视技术股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
【公告号】WO2015131802A1
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