專利名稱：箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)屬于核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及到箱包或行李的輻射成像檢測技術(shù)領(lǐng)域。
這種新型箱包檢測系統(tǒng)仍然使用X射線機做輻射源，其中CT檢測系統(tǒng)的X射線機還必須圍繞箱包快速旋轉(zhuǎn)。這種X射線機檢測系統(tǒng)的主要缺陷是1.X射線平均能量低上述檢測系統(tǒng)的X射線機高壓為100～200kV，所產(chǎn)生X射線的平均能量僅為30～70keV。如此低的X射線能量導(dǎo)致檢測系統(tǒng)的穿透本領(lǐng)差，對于較重箱包的檢測效果不佳。2.X射線機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重在CT檢測系統(tǒng)部分，X射線機的主要部件，包括X射線管裝置與高壓電源，都要同陣列探測器一起圍繞客體快速旋轉(zhuǎn)(例如，720°/s)以提高通過率。笨重、復(fù)雜的X射線管裝置與高壓電源給實現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)速度帶來很大困難。3.工作壽命短CT檢測裝置X射線管的工作壽命是按所完成的總斷層掃描次數(shù)來計量的。因此，通過率(單位時間內(nèi)檢查的箱包數(shù))越高，X射線管的持續(xù)工作時間越短。例如，一般CT檢測裝置的X射線管可完成十萬次左右斷層掃描。如果按照每小時檢查360個箱包的通過率以及對每個箱包進(jìn)行3個斷層掃描來估計，X射線管的工作壽命將只有大約92小時。按每天工作8小時計算，經(jīng)過12天左右，X射線管就需要更換了。這大大增加了此種X射線檢測系統(tǒng)的運行成本與維護(hù)工作量。4.X射線照射野小由X射線產(chǎn)生機制決定，它的空間分布是不均勻的，帶有前沖性。一般100～200kVX射線機的照射野張角為42°左右。為使X射線照射野包容被檢客體，CT裝置的規(guī)模尺寸必須足夠大，將導(dǎo)致設(shè)備占地與重量的增加。5.價格昂貴能夠隨同旋轉(zhuǎn)機架快速運動的緊湊型高壓電源及X射線管裝置的價格十分昂貴。加上其它部件，美國此種帶CT檢測系統(tǒng)的箱包檢測裝置的總價格高達(dá)百萬美元左右。這將嚴(yán)重地限制此種檢測裝備的推廣應(yīng)用。
本發(fā)明所提出的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，包括以平移掃描獲取行李投影圖像的DR子系統(tǒng)和以旋轉(zhuǎn)掃描獲取行李斷層影像的CT子系統(tǒng)，所述DR子系統(tǒng)含有固定式機架，拖動機構(gòu)，以及固定在固定式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；所述CT子系統(tǒng)含有旋轉(zhuǎn)式機架、拖動機構(gòu)，以及固定在旋轉(zhuǎn)式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；其特征在于所述CT子系統(tǒng)的射線源是高比活度192Ir放射性同位素γ射線源，所述γ射線源裝在一個開有出射口的屏蔽容器中，該屏蔽容器固定在所述旋轉(zhuǎn)式機架上，所述陣列探測器是適于探測192Ir放射性同位素的γ射線的陣列探測器；所述DR子系統(tǒng)的射線源是高比活度192Ir放射性同位素γ射線源，所述γ射線源裝在一個開有出射口的屏蔽容器中，該屏蔽容器固定在所述固定式機架上，所述陣列探測器是適于探測192Ir放射性同位素的γ射線的陣列探測器。
其特征還在于，所述CT子系統(tǒng)和DR子系統(tǒng)中192Ir放射性同位素γ射線源的活度均低于11TBq。所述CT子系統(tǒng)中的陣列探測器是充氣陣列電離室、多絲正比室、蓋格計數(shù)管陣列、閃爍探測器或半導(dǎo)體陣列探測器之一種。所DR子系統(tǒng)中的陣列探測器是閃爍體-光二極管陣列探測器或充氣陣列電離室中的一種。所述CT子系統(tǒng)和DR子系統(tǒng)中γ射線源屏蔽容器的照射野張角均大于40°。
本發(fā)明所提出的另一種箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，包括以平移掃描獲取行李投影圖像的DR子系統(tǒng)和以旋轉(zhuǎn)掃描獲取斷層影像的CT子系統(tǒng)，所述DR子系統(tǒng)含有固定式機架，拖動機構(gòu)，以及固定在固定式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；所述CT子系統(tǒng)含有旋轉(zhuǎn)式機架、拖動機構(gòu)，以及固定在旋轉(zhuǎn)式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；其特征在于所述CT子系統(tǒng)的射線源是高比活度192Ir放射性同位素γ射線源，所述γ射線源裝在一個開有出射口的屏蔽容器中，該屏蔽容器固定在所述旋轉(zhuǎn)式機架上，所述陣列探測器是適于探測192Ir放射性同位素的γ射線的陣列探測器；所述DR子系統(tǒng)的射線源是x射線源。
其特征還在于，所述CT子系統(tǒng)中192Ir放射性同位素γ射線源的活度低于11TBq。所述CT子系統(tǒng)的陣列探測器是充氣陣列電離室、多絲正比室、蓋格計數(shù)管陣列、閃爍探測器或半導(dǎo)體陣列探測器之一種。所述CT子系統(tǒng)中γ射線源屏蔽容器的照射野張角大于40°。
試驗證明，本發(fā)明所提出的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其輻射能量高，穿透力強，價格低廉，使用壽命長，體積小，尤其有利于CT子系統(tǒng)提高旋轉(zhuǎn)掃描速度，實現(xiàn)高通過率。
先介紹一下箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作方式。
如

圖1、圖2、圖3和圖4，本發(fā)明的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)也是由DR子系統(tǒng)1和CT子系統(tǒng)2串聯(lián)組成。DR子系統(tǒng)1通過輻射掃描平移的被檢測物3來獲取其投影圖像，CT子系統(tǒng)2通過旋轉(zhuǎn)掃描獲取被測物3的有關(guān)部位的斷層影像，并通過密度判斷被測物3內(nèi)是否包含易燃易爆、毒品等違禁物品。DR子系統(tǒng)主要包括固定式機架1-6、平移拖動機構(gòu)1-7，和固定在機架上的內(nèi)部裝有192Ir射線源1-1的屏蔽容器1-2、前準(zhǔn)直器1-3，后準(zhǔn)直器1-4、陣列探測器1-5；CT子系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)機架2-6，能連續(xù)或“步進(jìn)”地拖動箱包的平移拖動機構(gòu)2-7，以及固定安裝在旋轉(zhuǎn)式機架2-5上的內(nèi)部裝有192Ir射線源2-1的屏蔽容器2-2、前準(zhǔn)直器2-3、后準(zhǔn)直器2-4、陣列探測器2-5。前、后準(zhǔn)直器由鉛、鐵等金屬或合金制成，用于將射線準(zhǔn)直為片狀，同時去除散射線的影響。圖中2-8是CT子系統(tǒng)的機座。
本發(fā)明的檢測系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)的DR-CT檢測系統(tǒng)的工作方式是相同的。在檢測過程中，被測物3(箱包或行李)先平移通過DR子檢測系統(tǒng)，射線經(jīng)過前準(zhǔn)直器1-3形成片狀輻射區(qū)，對被測物3進(jìn)行平移掃描后，出射的射線經(jīng)過后準(zhǔn)直器1-4再一次準(zhǔn)直后，由陣列探測器1-5接收，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為投影圖像。檢查員可以根據(jù)投影圖像中的輪廓及灰度初步確定要對哪些部位進(jìn)行材質(zhì)判斷(CT掃描)。在對被測物3進(jìn)行CT掃描過程中，被測物3的相關(guān)部位被拖動機構(gòu)2-7移至旋轉(zhuǎn)機架2-6的射線源照射野內(nèi)，射線源2-1、前準(zhǔn)直器2-3、后準(zhǔn)直器2-4和陣列探測器2-5在旋轉(zhuǎn)機架2-6的帶動下，圍繞被測物3進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)掃描(旋轉(zhuǎn)速度可高達(dá)360°/s，甚至720°/s)，陣列探測器2-5將探測到的射線經(jīng)過轉(zhuǎn)換并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)重建生成該被檢部位的斷層影像，如此檢查員可依據(jù)影像灰度所代表的物質(zhì)密度來判斷材質(zhì)，從而斷定該部位是否是違禁物品。
本發(fā)明用放射性同位素(192Ir)替代X射線源，放射性同位素(192Ir)能夠放射多種能量的γ射線，其主要能量為300keV左右，明顯高于X射線的輻射能量，穿透力強，用于輻射掃描能夠獲得高質(zhì)量的影像。但放射性同位素(192Ir)與X射線相比，其輻射水平較低，192Ir放射源在相距1m處的劑量率為0.683cGy/min，而X射線機在同樣距離的輻射水平要高出數(shù)倍至數(shù)十倍。但結(jié)合DR子系統(tǒng)和CT子系統(tǒng)的功能需求，本發(fā)明對相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行合理的設(shè)計，完全可以避免由于γ射線輻射水平低造成的不利影響。
對于整個檢測系統(tǒng)來說，DR子系統(tǒng)和CT子系統(tǒng)的功能不同，它們對于放射源的要求也有所不同。DR子系統(tǒng)的功能是獲得高空間分辨率的投影圖像，由于保證通過率所需要的平移掃描速度并不高，因而即使采用小探測器像素尺寸，對于輻射水平的要求也不高。對于CT子系統(tǒng)，由于保證通過率需要很高的旋轉(zhuǎn)掃描速度，因而如采用小探測器像素尺寸，則需要相當(dāng)高的輻射水平。但是，按照本發(fā)明的功能定位，CT子系統(tǒng)的功能在于判斷被檢部位的材質(zhì)，因而主要應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)良的密度分辨率。鑒于即使是危險品，也需要有一定的總量(一定的體積)才能構(gòu)成威脅，因而不需要CT子系統(tǒng)具有大的分辨率。例如，0.7克的汽油，體積只有1cm3，不會有什么危險。因此，本發(fā)明中的CT子系統(tǒng)可采用較大的探測器像素尺寸(如5×5～10×10mm2)，從而大大降低了對輻射水平的要求。
克服192Ir放射性同位素輻射源輻射水平低弱點的又一途徑是通過增大照射野張角而縮短射線源與探測器的距離。與X射線機發(fā)出的軔致輻射不同，192Ir放射性同位素輻射源所發(fā)出的γ射線是基本各像同性的，因而能選擇遠(yuǎn)超過前者的大照射野張角。例如，前者的照射野張角一般僅42°，而后者卻可大到70°～90°。鑒于輻射強度與距離平方成反比關(guān)系，射線源-探測器距離的縮短將明顯提高探測器處的輻射水平。
根據(jù)DR子系統(tǒng)和CT子系統(tǒng)的不同功能要求，開發(fā)了兩種行李檢測系統(tǒng)，一種是DR子系統(tǒng)和CT子系統(tǒng)均以γ射線的放射性同位素(192Ir)作為射線源；另一種是DR子系統(tǒng)仍沿用X射線源，而CT子系統(tǒng)采用γ射線的放射性同位素(192Ir)作為射線源。
下面分別介紹本發(fā)明的兩種行李檢測系統(tǒng)。一、DR子系統(tǒng)和CT子系統(tǒng)均以γ射線的放射性同位素(192Ir)作為射線源放射性同位素(192Ir)的γ射線的輻射水平較低，主要影響CT子系統(tǒng)中快速旋轉(zhuǎn)掃描獲取并重建的斷層影像的質(zhì)量。這一缺陷可以通過擴大照射野張角來縮短射線源-探測器距離以提高探測器處的輻射水平以及增大探測器像素尺寸來克服。
在CT子系統(tǒng)中，γ射線的放射性同位素(192Ir)放在屏蔽容器2-2中，該屏蔽容器固定在旋轉(zhuǎn)式機架2-6上，在檢測過程中隨旋轉(zhuǎn)式機架2-6圍繞被測物3旋轉(zhuǎn)。192Ir射線源不需要電源，加上其屏蔽容器的總重量較輕，對于旋轉(zhuǎn)掃描是非常合適的。該屏蔽容器由鎢、鉛等重金屬制成，具有足夠厚度，使得射線源發(fā)出的γ射線除經(jīng)過出射口B射出的有用輻射外，其它方向的輻射均被屏蔽到輻射安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值以下，符合各項輻射安全要求。192Ir探傷源(射線源)活性區(qū)為mm量級，具有雙層不銹鋼密封包殼，十分安全可靠。屏蔽容器除了用于屏蔽射線外，還將192Ir探傷源固定牢固。見圖5a，5b，5c，在屏蔽容器上有圓柱形旋轉(zhuǎn)屏蔽閥A，受控制系統(tǒng)的控制而開啟和關(guān)閉射線源，屏蔽容器的下方開有出射口B，由此出射的γ射線經(jīng)過前準(zhǔn)直器2-3準(zhǔn)直后成為片狀，穿透被測物，經(jīng)過后準(zhǔn)直器2-4再一次準(zhǔn)直，入射到γ射線陣列探測器2-5上。屏蔽容器2-2的屏蔽閥A出口的角度決定了照射野張角θ的大小。為了克服輻射水平低的缺陷，本發(fā)明充分發(fā)揮192Ir放射性同位素源輻射分布基本各向同性的特點，選擇大照射野張角(40°～90°)，這樣既可以完全覆蓋被測物3，又可以縮短射線源-探測器距離，提高探測器處的輻射水平。位于固定式機架下方的陣列探測器2-6可以選用適合于接收γ射線的陣列探測器，但最好采用高壓充氣陣列電離室、閃爍探測器、半導(dǎo)體探測器、多絲正比室或蓋格計數(shù)管陣列等高探測效率與高靈敏度的陣列探測器。前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器的弧長應(yīng)與γ射線的照射野張角相適應(yīng)。
為在滿足功能定位前提下進(jìn)一步降低對輻射水平的要求，采用較大的探測器像素尺寸，例如5×5～10×10mm2。在大像素條件下，充氣陣列電離室能更好地適應(yīng)既具有高探測效率與靈敏度又保持極低暗電流(噪聲水平)的要求，因而是首選的探測器類型。
DR子系統(tǒng)，采用的也是放射性同位素(192Ir)作為射線源，對于屏蔽容器、照射野張角的設(shè)計均與CT子系統(tǒng)相同。不同點在于屏蔽容器1-1安裝在固定式機架的上。DR子系統(tǒng)的功能定位在于獲得被測物的清晰投影圖像，需要高空間分辨率(選用小探測器像素尺寸)，但其工作模式是平移掃描，對輻射水平要求并不高，因而使用192Ir放射性同位素射線源，并沒有困難。DR子系統(tǒng)所用的陣列探測器采用小像素尺寸(例如2×2或3×3mm2)，最好采用閃爍體-光二極管陣列探測器或充氣陣列電離室。二、DR子系統(tǒng)采用X射線源，CT子系統(tǒng)以γ射線的放射性同位素(192Ir)作為射線源這種設(shè)計考慮到DR子系統(tǒng)是從垂直方向掃描檢測平放的箱包或行李，穿透客體的距離短，對穿透本領(lǐng)的要求不高，因而100～200kV的X射線機也能滿足要求。此外，由于DR子系統(tǒng)對于輻射水平要求不高，用X射線機作為輻射源時，不需要很大的管電流，因而能有較長的工作壽命。CT子系統(tǒng)的設(shè)計與第一個方案中的CT子系統(tǒng)的設(shè)計是完全相同的。
192Ir的半衰期為74天，一般工業(yè)192Ir探傷源的使用期約為120天。在此期間，該射線源可每天24小時連續(xù)工作。因而，采用192Ir射線源的檢測系統(tǒng)對于機場那種要求檢查通過率很高的場合是十分合適的。
下面是本發(fā)明的一個具體的實施例DR子系統(tǒng)采1采用γ射線源，由安裝在固定式機架1-6上的192Ir探傷源(射線源)1-1及其屏蔽容器1-2、前準(zhǔn)直器1-3、后準(zhǔn)直器1-4、陣列探測器1-5及拖動機構(gòu)1-7組成。所用192Ir探傷源1-1的活度為1.95TBq(50居里)。屏蔽容器(帶屏蔽閥)1-2主要由鎢制成，而前后準(zhǔn)直器則為鋼鐵制造。陣列探測器1-5選用高空間分辨率的充氣陣列電離室，其像素大小為3×3mm2，對192Irγ射線的探測效率高于40％。該電離室入射窗與射線源的距離為0.95m，照射野張角是72°。所用拖動機構(gòu)1-7是傳輸皮帶，其拖動箱包的速度可調(diào)，最高為12m/min(相當(dāng)于720個箱包/小時)。
CT子系統(tǒng)2采用γ射線源，由安裝在旋轉(zhuǎn)式機架2-6上的192Ir探傷源(射線源)2-1及其屏蔽容器2-2、前準(zhǔn)直器2-3、后準(zhǔn)直器2-4、陣列探測器2-5以及機座2-8與拖動機構(gòu)2-7組成。所用192Ir探傷源2-1的活度為3.7TBq(100居里)。屏蔽容器(帶屏蔽閥)2-2主要由鎢制成，而前、后準(zhǔn)直器則為鋼鐵制造。陣列探測器2-5選用充氣陣列電離室，其像素大小為10×10mm2，對192Irγ射線的探測效率高于40％。該電離室入射窗與射線源的距離為1.1m，照射野張角也是72°。環(huán)型機架的旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，最高為720°/s。拖動機構(gòu)2-7選用滾輪式，其傳輸速度或工作模式均可調(diào)控，兩個子檢測系統(tǒng)的拖動機構(gòu)相互串接，但彼此獨立運轉(zhuǎn)。整套檢測裝置具有同一設(shè)備外殼，該外殼兼有射線防護(hù)的作用。
權(quán)利要求
1.箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，包括以平移掃描獲取行李投影圖像的DR子系統(tǒng)和以旋轉(zhuǎn)掃描獲取行李斷層影像的CT子系統(tǒng)，所述DR子系統(tǒng)含有固定式機架，拖動機構(gòu)，以及固定在固定式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；所述CT子系統(tǒng)含有旋轉(zhuǎn)式機架、拖動機構(gòu)，以及固定在旋轉(zhuǎn)式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；其特征在于所述CT子系統(tǒng)的射線源是高比活度192Ir放射性同位素γ射線源，所述γ射線源裝在一個開有出射口的屏蔽容器中，該屏蔽容器固定在所述旋轉(zhuǎn)式機架上，所述陣列探測器是適于探測192Ir放射性同位素的γ射線的陣列探測器；所述DR子系統(tǒng)的射線源是高比活度192Ir放射性同位素γ射線源，所述γ射線源裝在一個開有出射口的屏蔽容器中，該屏蔽容器固定在所述固定式機架上，所述陣列探測器是適于探測192Ir放射性同位素的γ射線的陣列探測器。
2.如權(quán)利要求1所述的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述CT子系統(tǒng)和DR子系統(tǒng)中192Ir放射性同位素γ射線源的活度均低于11TBq。
3.如權(quán)利要求1所述的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述CT子系統(tǒng)中的陣列探測器是充氣陣列電離室、多絲正比室、蓋格計數(shù)管陣列、閃爍探測器或半導(dǎo)體陣列探測器之一種。
4.如權(quán)利要求1所述的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所DR子系統(tǒng)中的陣列探測器是閃爍體-光二極管陣列探測器或充氣陣列電離室中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述CT子系統(tǒng)和DR子系統(tǒng)中γ射線源屏蔽容器的照射野張角均大于40°。
6.箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，包括以平移掃描獲取行李投影圖像的DR子系統(tǒng)和以旋轉(zhuǎn)掃描獲取斷層影像的CT子系統(tǒng)，所述DR子系統(tǒng)含有固定式機架，拖動機構(gòu)，以及固定在固定式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；所述CT子系統(tǒng)含有旋轉(zhuǎn)式機架、拖動機構(gòu)，以及固定在旋轉(zhuǎn)式機架上的射線源，前、后準(zhǔn)直器和陣列探測器；其特征在于所述CT子系統(tǒng)的射線源是高比活度192Ir放射性同位素γ射線源，所述γ射線源裝在一個開有出射口的屏蔽容器中，該屏蔽容器固定在所述旋轉(zhuǎn)式機架上，所述陣列探測器是適于探測192Ir放射性同位素的γ射線的陣列探測器；所述DR子系統(tǒng)的射線源是x射線源。
7.如權(quán)利要求6所述的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述CT子系統(tǒng)中192Ir放射性同位素γ射線源的活度低于11TBq。
8.如權(quán)利要求6所述的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述CT子系統(tǒng)的陣列探測器是充氣陣列電離室、多絲正比室、蓋格計數(shù)管陣列、閃爍探測器或半導(dǎo)體陣列探測器之一種。
9.如權(quán)利要求6所述的箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述CT子系統(tǒng)中γ射線源屏蔽容器的照射野張角大于40°。
全文摘要
箱包或行李的γ輻射成像無損檢測系統(tǒng)屬于核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及到箱包或行李的輻射成像檢測技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，DR子系統(tǒng)和CT子系統(tǒng)均采用高比活度
文檔編號G01T1/00GK1460849SQ0314787
公開日2003年12月10日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者安繼剛, 劉以思, 向新程, 鄔海峰, 吳志芳, 王立強 申請人:清華大學(xué)