表1
随着全世界对安全的越来越重视,近年来高能X射线双能成像物质识别技术得到了较大的发展[1, 2]。双能X射线成像技术是利用物质对高能和低能X射线吸收程度不同,可以测得物质的有效原子序数,从而实现物质识别。通过双能X射线的能谱特性和差异,可以较精确的进行物质识别。
笔者采用蒙特卡罗方法对高能X射线双能成像物质识别技术进行了模拟。利用MCNP4C程序,首先对高能电子打靶的轫致辐射进行了模拟,得到了6MeV和9MeV电子的轫致辐射X射线谱及角分布,然后利用所得的高、低能轫致辐射X射线谱,进行X射线物质扫描的模拟,得到了Pb(铅)、Fe(铁)、Al(铝)、KCl(氯化钾)、RDX(黑索今)、CH2(聚乙烯)等六种物质的识别曲线与其有效原子序数之间的关系,并对以上六种物质的康普顿散射(前向散射)进行了模拟研究,得到了前向散射光子数与密度的关系,增强了物质识别的准确性。
1 双能X射线物质识别的原理双能X射线成像物质识别系统,是通过不同能量的X射线在物质中的衰减值进行一定的计算(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有关),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),进行物质识别[3]。设P(EM,E)表示最高能量为EM(高(H)、低(L)能射线分别对应EH和EL)的X射线能谱分布;μ(E,Z)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[4]:
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(1) |
其中EM代表EH或者EL。再定义
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(2) |
根据每种物质的α曲线(αH, αL - αH)就可以进行物质识别。
2 双能 X 射线成像物质识别的蒙卡模拟 2.1 韧致辐射的模拟模拟双能X射线成像物质识别系统,可分为两步:第一步是X射线谱产生的模拟,利用高能电子(本文所用的高低能电子能量分别为9MeV和6MeV)轰击钨靶,通过轫致辐射产生X射线谱;第二步则是所得的轫致辐射X射线谱在介质中输运过程的模拟。
第一步中模拟6MeV/9MeV电子束轰击钨靶的轫致辐射过程,物理几何模型如图 1所示。
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图 1 源电子束钨靶及点探测器之间的几何关系 |
面源电子束直径为0.2cm[5],圆心坐标为(0,-1,0),钨靶是直径为1.5cm,厚度为0.2cm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°放置一个点探测器进行计数。利用MCNP4C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2.0×106。
2.2 物质识别曲线(α曲线)的模拟第二步对高能X射线双能成像物质识别系统进行模拟,物理几何模型如图 2所示。
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图 2 双能成像物质识别系统的几何模型 |
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,增加统计精度,在编写INP文件时,把第一步所得轫致辐射X射线谱进行微分,以直方图的形式输入。
本文对三种金属单质Pb(铅)、Fe(铁)、Al(铝);一种化合物KCl(氯化钾);两种有机物RDX(黑索今)和CH2(聚乙烯)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)。在选择样品厚度时,均使所得数据点均匀分布在样品射程之内。其中Pb(铅)样品的厚度分别为1.8cm~18cm,以1.8cm为间隔;Fe(铁)样品厚度分别为3cm~30cm,以3cm为间隔;Al(铝)样品厚度分别为6cm~60cm,以6cm为间隔;KCl(氯化钾)和RDX(黑索今)的样品厚度分别为8cm~80cm,以8cm为间隔;CH2(聚乙烯)的样品厚度分别为20cm~200cm,以20cm为间隔。NPS取5×106,选用F1卡(面流量计数卡)进行计数。
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表 1 材料参数表 |
为了更精确的物质识别,还对X射线的康普顿散射(前向散射)进行了蒙卡模拟研究,物理几何模型如图 3 所示。
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图 3 前向散射模型 |
源选取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(聚乙烯)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°放置一个点探测器,NPS取5×106。
3 数据处理及分析 3.1 6MeV/9MeV电子韧致辐射谱及角分布模拟得到6MeV/9MeV电子束轫致辐射谱如图 4、5 所示:
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图 4 6MeV电子韧致辐射谱(钨靶) |
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图 5 9MeV电子韧致辐射谱(钨靶) |
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。结果见图 6, 图 7。
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图 6 6MeV电子韧致辐射角分布 |
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图 7 9MeV电子韧致辐射角分布 |
显然,0°(透射情况)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关。
3.2 6种材料的物质识别曲线把第一步所得轫致辐射谱进行微分,之后扫描Pb(铅)、Fe(铁)、Al(铝)、KCl(氯化钾)、RDX(黑索今)和CH2(聚乙烯)六种样品,对所得数据进行处理得到各自的曲线如图8所示。
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图 8 不同材料 α 曲线对比 |
可以看出随着有效原子序数的增加,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(聚乙烯)差值为1.42,二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)、Al(铝)、KCl(氯化钾)、RDX(黑索今)、CH2(聚乙烯)等五种材料,记录了前向散射角从5°到41°的数据,结果如图 9 所示。
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图 9 不同材料前向散射光子数与散射角的关系 |
可以看出入射X射线谱一定(6MeV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增大而增大;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1.984、RDX1.86)非常接近,差值仅为0.124,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(图 7) 。
4 结论利用MonteCarlo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信息,提高了物质识别的精确度,进而提高安检系统的材料分辨能力,对社会安全有重要意义。
| [1] |
Novikov VL, Ogorodnikov SA, Petrunin VL. Dual Energy Method of Material Recognition in High Energy Introscopy Systems[J]. Problems of Atomic Science and Technology, 1994, 4(93): 1-3. |
| [2] |
Qiang Lu. The Utility of X - ray Dual - Energy Transmission and Scatter Technologies for Illicit Material Detection[Z] . Virginia Polytechnic Institute and State Universtiy,1999. https://www.researchgate.net/publication/234269855_The_utility_of_x-ray_dual-energy_transmission_and_scatter_technologies_for_illicit_material_detection
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| [3] |
孙丽娜, 原培新. 基于双能量 X 射线透射技术的物质分类 识别方法研究[J]. 机械与电子, 2008(3): 10-12. DOI:10.3969/j.issn.1001-2257.2008.03.003 |
| [4] |
李清华, 李荐民, 王学武. 重叠材料的高能 X 射线双能成像 识别技术[J]. 自然科学报, 2008, 28(4): 821-822. |
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张辉, 娄云, 李鹏宇. Monte Carlo 方法在靶尺寸分析中的应 用[J]. 自然科学报, 2007, 47(S1): 1. |