[发明专利]一种基于能量色散X射线衍射的检测装置

说明书

本发明涉及一种基于能量色散X射线衍射的检测装置，包括X射线发射模块、位移机构、衍射检测模块及控制器，控制器分别与X射线发射模块、位移机构及衍射检测模块电连接，用于控制各个部件工作及信号采集；X射线发射模块发射出入射光束，穿过设置于位移机构上的待测物不同厚度处，产生多个衍射光束，衍射检测模块包括多个衍射检测单元，每个衍射检测单元设置于相应的衍射光束的光路上。与现有技术相比，本发明采用X射线衍射技术，能够对毒品、炸药等物质实现准确识别，并增大物体厚度方向上的检测范围，缩短检测时间，提高检测效率，装置成本较低，可以在常温下使用，整体系统体积小，在安检领域违禁品检测方面具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于X射线安检技术领域，涉及一种基于能量色散X射线衍射的检测装置。

背景技术

目前，重要的安检场所，例如机场、物流和火车站等，主要采用X射线透视成像技术来查缉违禁品，安检人员通过待测包裹或行李透视像的形状、亮度信息来进行判断。X射线透视成像技术能够获得物质的有效原子序数和密度信息，对高原子序数的金属物质探测效果较好，而对低原子序数物质如日常有机物、毒品和塑胶炸药等的检测效果很差，并且无法有效区分日常有机物、毒品和炸药，所以对该类违禁品的查缉准确率极低。采用X射线衍射技术能从分子或晶体层面解决这个问题，X射线衍射技术能得到物质内部的晶体结构信息，根据得到的物质衍射谱中衍射峰的强度和位置关系，能够对不同的晶体物质进行有效区分。毒品和爆炸物的分子均为晶体结构，所以X射线衍射技术能够实现对毒品、塑胶炸药的精确识别及物质鉴定。

从光学结构上，X射线衍射技术分为两种，分别是能量色散衍射和角度色散衍射。其中角度色散衍射由于需要使用角度扫描装置，且使用的是经单色晶体选能后的单能光(例如CuKα线辐射)，单次检测时间较长(可达数分钟)且光路对准十分困难，需要专业的操作人员，所以常用于实验室内对物质进行成分分析。能量色散衍射的入射X射线为宽光谱X射线，采用具有能量分辨功能的能谱探测器来采集经晶体衍射的射线信号。该衍射技术的射线强度高且无需扫描装置，检测效率高，一般单次检测的时间小于20s。能量色散X射线衍射技术已成为安检领域最有潜力的违禁品精密检测和识别手段，未来在机场、火车站、物流行业等重要安检场所具有重要的应用。目前，对于该技术而言，限制其广泛应用的主要原因是检测的速度和效率依然达不到安检的需求，即在保证检测精度的前提下，如何大幅提高检测的效率，这也是国际上研究的重点。

为了提高检测效率，可以通过增大X射线光源的功率和提高能谱探测器的灵敏度及晶体尺寸来解决，但是这会大幅增大技术难度、设备体积及成本，不能作为提高检测效率的主要手段。另外，可以通过研究新型的衍射光路结构(例如阵列多个探测器)来增加检测的范围、面积来提高效率，同时可以借助新的查缉方法或模式来提高检测效率。目前，国际上主要的阵列式衍射光路结构包括两种：1)扇形阵列方式，如图6。设定物体的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，厚度方向为Z 轴，该型阵列方式是将能谱探测器5在Y轴方向作线性阵列，与X射线光源1的连线形成一个扇形，扇形方向平行于Z轴方向，在Y轴方向形成扫描线。当待测物8在传送带9的带动下沿X轴运动时，探测器阵列对待测物8的XY面进行扫描，而Z轴上的检测范围只取决于单个探测器能覆盖的探测深度，一般为50mm(当探测器晶体宽度为5mm，衍射角度为5°时)。该结构主要是为了实现全扫描检测，比较适合检测较薄的待测物8，对于常规行李箱(厚度约200mm)，需要多次来回扫描检测，耗时较长。2)环形阵列方式，如图7。该阵列方式是基于大面积的像素式高纯锗探测器10，将一块大的高纯锗晶体(约100mm)分割成多个同心环，每一个环对应是一个独立的探测器，每个独立的探测单元接收扫描区域内特定深度的衍射信号。通过增大高纯锗晶体的面积及像素阵列结构实现了大探测深度及衍射角度限制，提高了检测效率。但是，大面积像素式高纯锗探测器10制作非常困难，仅国外少数几家单位可以研制(美国Ortec公司、Canberra公司)，并且价格极其昂贵(数百万元)。另外，高纯锗探测器10需要在低温下使用，必须配备液氮冷却系统，导致系统整体非常庞大。以上两点决定了该环形阵列方式的衍射技术无法在未来获得实际的应用。

发明内容