专利名称：确定物质原子序数的系统和方法
确定物质原子序数的系统和方法
背景技术：
本发明总体上涉及确定物质类型的系统和方法，更具体地涉及确定物 质原子序数的系统和方法。
2001年9月11日的事件激起更有效、严格筛检机场行李的紧迫性。安 保的紧迫性从对随身行李中刀具和枪支的检查扩展到对受检行李中各种危 险物特别是暗藏的爆炸物进行全面检查。x射线成像是目前广泛用于筛检 (screening)的一种技术。然而，目前设计用于探测爆炸物和非法物质的x射 线行李扫描设备，包括计算机图像处理层析摄影(computedtomography)(CT) 系统，不能够辨别密度在一定范围内的无害物质和类似塑性炸药的危险物 质。
与x射线行李扫描设备相比，基于多种x射线衍射(XRD)技术的多种判 定系统提供改善的材料辨别度。XRD判定系统测量物质中微晶的多个点阵 平面之间的多个d间距。
然而，用于爆炸物探测和行李扫描的XRD判定系统还未达到高度发达。 另外，衍射技术对于某些类型的物质存在错误警报的问题。存在某些类型 的爆炸物质，其中的爆炸成分不能够被XRD判定系统识别，识别力的缺失 导致高的错误警报率。
发明内容
一方面，本发明描述确定物质类型的方法。该方法包括根据衍射谱中 探测x射线散射光子数的测量比率确定物质的有效原子序数。
另一方面，本发明描述确定物质类型的处理器。配置该处理器以根据衍 射语中探测x射线散射光子数的测量比率确定物质的有效原子序数。
再一方面，本发明描述确定物质类型的系统。该系统包括x射线源， 其配置用于产生x射线；探测器，其配置用于探测x射线穿过物质之后的 一次散射和相干散射；处理器，其配置用于根据衍射镨中探测x射线散射 光子数的测量比率确定物质的有效原子序数。
图1为确定物质原子序数的系统的方框图。 图2为图1所示系统的实施方式的方框图。 图3为确定物质原子序数的方法的实施方式的流程图。
图4示出了图2所示系统的处理器生成的衍射语。
图5示出了图2所示系统的处理器生成的虚线和实线。
具体实施例方式
图1为确定物质原子序数的系统10的方框图。系统10包括x射线源 12、 一次准直器14、 二次准直器(Sec准直器)16和纟冢测器18。探测器18包 括用于探测一次辐射的中央探测元件20或中央探测器单元。探测器18还 包括多个用于探测相干散射的探测器单元或探测元件22、 24、 26、 28、 30、 32、34和36。探测器18包括任意数量例如256 1024(包括端值)个探测元件。 容器38放置在x射线源12和探测器18之间的支撑体40上。容器38的实 例包括袋、箱和航空货物容器。x射线源12的实例包括多色x射线管 (polychromatic x-ray tube)。容器38容纳物质42。物质42的实例包括有才几爆 炸物、结晶度小于25%的非晶物质、结晶度至少等于25%且小于50%的准 非晶物质、以及结晶度至少等于50%且小于100%的部分结晶物质。非晶、 准非晶和部分结晶物质的实例包括胶态爆炸物、浆状爆炸物、含有硝酸铵
的爆炸物和特种核材料。特种核材料的实例包括钚和铀。支撑体40的实例 包括平台和传送带。探测器18的实例包括由锗制成的分段探测器(segmented detector)。
x射线源12发射一定能量范围的x射线，该范围取决于电源向x射线 源12施加的电压。利用一次准直器14，使产生的x射线形成一次波束44， 例如笔形波束。 一次波束44穿过布置在支撑体40上的容器38,从而产生 散射辐射，例如多条散射射线46、 58和50。支撑体40下方布置有探测器 18，该探测器18测量一次波束44的强度和散射辐射的光子能量。探测器 18通过输出多个输出电信号以对能量敏感的方式测量x射线，所述输出电 信号与从一次波束44和散射辐射探测到的多种x射线量子能量成线性关 系。
几何布置探测元件20、 22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36，以使每个探测元件20、 22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36探测到的散射辐射的散 射角或入射角为常数。例如，散射射线46入射在探测元件30上的入射角 52等于散射射线48入射在探测元件34上的入射角54,并且入射角54等 于散射射线50入射在探测元件36上的入射角56。作为另一实例，散射射 线46平行于散射射线48和50。中央探测元件20测量一次波束44在其穿 过容器38之后的能量或强度。探测元件22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和 36分别探测从容器38接收的散射辐射。
二次准直器16位于支撑体40和探测器18之间。二次准直器16包括大 量准直元件例如薄片(sheet)、狭缝(slit)或者叠片(lamination),以保证到达才罙 测器18的散射辐射具有相对于一次波束44恒定的散射角，并保证探测器 18的位置允许确定容器38中产生散射辐射的深度。所设置的准直元件的凄丈 量等于或大于探测元件20、 22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36的数量，
元件22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36其中一个之上。准直元件由吸收 辐射的材料如铜合金或银合金制成。在一种实施方式中，采用几何形状为 扇形的波束，由沿着第一方向直线排列的探测元件22、 24、 26和28以及 沿着与第一方向相反且平行的第二方向直线排列的探测元件30、 32、 34和 36，探测容器38内散射辐射的多个产生位置。恒定散射角度值的实例包括 范围在0.1度(对于高能量设备如辐射能量为1兆电子伏特(MeV)的x射线光 子的x射线管)至4度(对于低能系统如辐射能量为150千电子伏特(keV)的x 射线光子的x射线管)的数值。探测器18探测散射辐射以生成多个输出电信 号。在替换性实施方式中，系统10不包括一次和二次准直器14、 16。
图2为用于确定物质42原子序数的系统100的实施方式的方框图。系 统100包括中央探测元件20;探测元件22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和 36;多个脉沖高度整形放大器(PHSA)102、 104、 106、 108、 110、 112、 114、 116和118;多个模拟-数字(A-D)转换器120、 122、 124、 126、 128、 130、 132、 134和136;允许获取脉沖高度谱的多个波谱存储电路(SMC)138、 140、 142、 144、 146、 148、 150、 152和154;多个校正装置(CD)156、 158、 160、 162、 164、 166、 168和170;处理器190;输入装置192;显示器194;以 及存储装置195。如本申请所用，术语处理器不仅限于那些本领域称作处理 器的集成电路，而是泛指计算机、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和任意其它可编程电路。计算机可包括如软盘驱动器
或CD-ROM驱动器等装置，以用于从计算机可读介质如软盘、只读盘 (CD-ROM)、磁光盘(MOD)或数字多功能盘(DVD)中读取包含物质原子序数 确定方法的数据。在另一种实施方式中，处理器190执行存储于固件中的 指令。显示器194的实例包括液晶显示器(LCD)和阴极射线管(CRT)。输入 装置192的实例包括鼠标和键盘。存储装置195的实例包括随机存取存储 器(RAM)和只读存储器(ROM)。校正装置156、 158、 160、 162、 164、 166、 168和170中每一个的实例包括分压电路(divider circuit)。波谱存储电路138、 140、 142、 144、 146、 148、 150、 152和154中的每一个包括加法器和存储 装置，例如RAM或者ROM。
中央探测元件20连接在脉沖高度整形放大器102上，4冢测元件22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36分别连接在脉沖高度整形放大器104、 106、 108、 110、 112、 114、 116和118上。中央探测元件20通过探测一次波束44生 成输出电信号196，才笨测元件22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36通过一笨测 散射辐射生成输出电信号198、 200、 202、 204、 206、 208、 210和212。例 如，探测元件22生成相应于入射在探测元件22上每个散射x射线光子的 输出电信号198。每个脉冲高度整形放大器放大从探测元件接收的输出电信 号。例如，脉冲高度整形放大器102放大输出电信号196,脉冲高度整形放 大器104放大输出电信号198。脉沖高度整形放大器102、 104、 106、 108、 110、 112、 114、 116和118具有由处理器190决定的增益系数。
从探测元件输出的输出电信号的幅度与由探测元件探测生成输出电信 号的x射线量子积分强度成正比。例如，输出电信号196的幅度与由探测 元件20探测的一次波束44的x射线量子积分强度成正比。另一方面，输 出电信号198的幅度与由探测元件22探测的散射辐射的x射线量子积分强 度成正比。
脉冲高度整形放大器通过放大探测元件生成的输出电信号生成放大输 出信号。例如，脉沖高度整形放大器102通过放大输出电信号196生成放 大输出信号214,脉沖高度整形放大器104通过放大输出电信号198生成放 大输出信号216。类似地，生成多个放大输出信号218、 220、 222、 224、 226、 228和230。模拟-数字转换器将放大输出信号从模拟形式转换为数字 形式，从而生成数字输出信号。例如，模拟-数字转换器120将放大输出信号214从模拟形式转换为数字形式，从而生成数字输出信号232。类似地， 分别通过冲莫拟-数字转换器122、 124、 126、 128、 130、 132、 134和136， 生成多个数字输出信号234、 236、 238、 240、 242、 244、 246和248。由模 拟-数字转换器生成的数字输出信号的数值表示能量幅值或者放大输出信号 的脉冲强度幅值。由x射线量子如x射线光子生成每个脉沖。例如，模拟-数字转换器122输出的数字输出信号234的数值为放大输出信号216的脉 沖幅值。
波谱存储电路的加法器加和数字输出信号的大量脉沖。例如，当模拟-数字转换器122将放大输出信号216的脉沖转换为数字输出信号234以确 定放大输出信号216的脉冲幅值时，波语存储电路140中的加法器将波镨 存储电路140的存储装置内的值加一。因而，在物质42的x射线检测结束 时，波谱存储电路内的存储装置存储大量由探测元件探测的x射线量子。 例如，波i普存储电路142内的存储装置存储大量由探测元件24探测的x射 线光子，并且每个x射线光子具有由模拟-数字转换器124确定的能量幅值 或强度幅值。
校正装置接收具有一定能量范围的x射线量子的数量，存储于波谱存储 电路140、 142、 144、 146、 148、 150、 152和154其中之一的存储装置内， 并使该数量除以从波谱存储电路138的存储装置接收的具有一定能量范围 的x射线量子的数量。例如，校正装置156从波谱存储电路140的存储装 置接收具有一定能量范围的x射线光子的数量，并使该数量除以从波谱存 储电路138的存储装置接收的具有一定能量范围的x射线量子的数量。各 校正装置输出校正输出信号，该校正输出信号表示由探测元件接收的x射 线量子的能量范围。例如，校正装置156输出校正输出信号280,该校正输 出信号280表示由探测元件22探测的x射线量子的能i昝或强度语。作为另 一实例，校正装置158输出校正输出信号282,该校正输出信号282表示由 探测元件24探测的x射线量子的能语。类似地，分别通过校正装置160、 162、 164、 166、 168和170生成多个校正输出信号284、 286、 288、 290、 292和294。
处理器190接收校正输出信号280、 282、 284、 286、 288、 290、 292 和294,从而根据由探测器18探测的散射辐射的x射线量子能量E的能谱 r(E)生成以纳米的倒数(nm")计测得的动量传递值x。处理器190利用下式生成动量传递值x:
x = (E/hc) sin (0/2) (1)
其中c为光速，h为普朗克常数，e表示由探测器18探测的散射辐射的
x射线量子的恒定散射角。处理器190通过式(l)使能量E与动量传递系数x 相关联。二次准直器16的机械尺寸限定散射角9。 二次准直器16限制不具
备角e的散射辐射。处理器i卯接收使用者经由输入装置192输入的散射 角e。
应当注意的是，脉沖高度整形方文大器102、 104、 106、 108、 110、 112、 114、 116和118的数量随探测元件20、 22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36 的数量变化。例如，五个脉冲高度整形放大器用于放大从五个探测元件接 收的信号。作为另一实例，四个脉沖高度整形放大器用于放大从四个探测 元件接收的信号。类似地，模拟-数字转换器120、 122、 124、 126、 128、 130、 132、 134和136的数量随4笨测元件20、 22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36的数量变化，波谱存储电路138、 140、 142、 144、 146、 148、 150、 152和154的数量随探测元件20、 22、 24、 26、 28、 30、 32、 34和36的数 量变化。
图3为物质原子序数确定方法的实施方式的流程图，图4示出了由处理 器190生成401的曲线图400或衍射谱D(x)。曲线图400是在动量传递值x
的多个动量传递值例如X" X2和X3处具有多个强度值的直方图。作为实例，
当x射线源12的工作电压为160千伏时，处理器190通过式1计算得到能 量E的能量值E,为160 keV,通过式1计算得到能量E的能量值E2为140 keV，通过式1计算得到能量E的能量值E3为光子能量120keV。在该实例 中，光子能量值Ep E2和E3通过式1分别对应4nm—1的x,、 3.5nm"的X2、 3 nm"的X3。曲线图400表示探测器18探测到的x射线光子数随x射线光 子的动量传递值x变化的直方图。探测器18探测到的x射线光子数沿纵坐 标402绘制，动量传递值x沿横坐标404绘制。作为实例，横坐标404从 Onm"(包括0 nm")延伸至最大10 nm—1。沿纵坐标402绘制的x射线光子数 的数位总数的实例介于64和1024之间。探测器18每次检测探测到的x射 线光子数的实例介于1000和100,000之间。
x> 3 nm"的衍射谱由源于物质42的自由原子的相干散射控制。在端部 区域，即在图400中从x!延伸至X3，散射辐射的强度与物质42的密度如平均密度和物质42内多种物质的平均原子序数的例如2.5-3.5次幂的乘积成正 比。
动量传递值介于x,和X2之间的被散射x射线光子的累计数量表示在曲 线图400下方的语带408内。处理器190通过累加一黄坐标404上动量传递 值介于Xl和X2之间的x射线光子数确定i普带408内x射线光子的累计数量。 动量传递值介于X2和X3之间的被散射x射线光子的累计数量位于曲线图 400下方的谱带410内。处理器190通过累加横坐标404上动量传递值介于
X2和X3之间的X射线光子数确定谱带410内x射线光子的累计数量。
图5示出了由处理器190生成的虛线450和实线452。实线452表示总 散射截面或累积散射截面比率和原子序数Z之间的理论关系。作为实例， 处理器190根据Hubbell， J.H., Veigele, W.J., Briggs, E.A., Brown, R.T" Cromer, D.T" Howerton, R丄,Atomic Form Factors, Incoherent Scattering Functions and Photon Scattering Cross-sections, Journal of Physics and Chemical Reference Data, Volume 4， page 471 (1975), Erratum: Atomic Form Factors, Incoherent Scattering Functions, and Photon Scattering Cross-sections, Journal of Physics and Chemical Reference Data, Volume 6, page 615 (1977)中提及的理论关系的 实例绘出实线452。作为另一实例，理论关系包括氧的原子序数值8，该值 相应于针对氧计算得到的总散射截面比率0.68。作为又一实例，理论关系 包括碳的原子序数值6,该值相应于针对碳计算得到的总散射截面比率 0.73。作为又一实例，处理器190计算动量传递值为X3时氢的总散射截面 与动量传递值为x2时氬的总散射截面的比率，并在实线452上绘出该比率。 作为另一实例，处理器190计算动量传递值为X2时氟的总散射截面与动量 传递值为x,时氟的总散射截面的比率，并在实线452上绘出该比率。作为 又一实例，处理器190计算动量传递值为X2时碳的总散射截面与动量传递 值为x,时碳的总散射截面的比率，并在实线452上绘出该比率。处理器190 生成虛线450作为对理论关系的线性拟合或线性回归。
沿纵坐标454绘制多个总散射截面比率，沿横坐标456测量多个原子序 数Z。例如，虚线450上多个原子序数值是从氲的原子序数1至氟的原子序 数9，并计算动量传递值在谱带408和410第一组区域内时的总散射截面与 动量传递值在语带408和410第二组区域内时的总散射截面的多个比率。
处理器190计算语带408与410内x射线光子累计数量的比率。例如，处理器190确定R,为谱带408内x射线光子累计数量与谱带410内x射线 光子累计数量的比率。处理器190利用实线452确定458有效原子序数 Z有效，该有效原子序数Z有效相应于谱带408内x射线光子累计数量与谱带 410内x射线光子累计数量的比率。作为实例，处理器190从比率R,垂直 延伸出 一条水平线与实线452相交于交点460，并从该交点460延伸出 一条 直线与横坐标456垂直相交于有效原子序数值Z核。或者，处理器190利 用虚线450确定有效原子序数Z辆，该有效原子序数Z有效相应于谱带408 内x射线光子累计数量与谱带410内x射线光子累计数量的比率。作为实 例，处理器190从比率R，垂直延伸出一条水平线与虚线450相交于交点， 并从该交点延伸出 一条直线与横坐标456垂直相交于有效原子序数值Z有效。
处理器190基于根据x射线光子累计数量比率确定的有效原子序数 Z有效例如Z有效！确定物质42的类型或种类，例如铀、碳、氧或钚。例如， 当确定有效原子序数值6相应于探测器18探测到的x射线光子累计数量比 率0.73时，处理器l卯确定物质42为碳。或者，处理器l卯基于根据x射 线光子累计数量比率确定的有效原子序数值Z有效2确定物质42的类型或种 类，例如铀、碳、氧或钚。
本申请所述的用于确定物质原子序数的系统和方法的技术效果包括确 定物质42的有效原子序数Z有效以判别物质42的类型。其它技术效果包括 确定物质42是否引起危险警报以及确定物质42是否为特种核材料。当物 质42包含高吸收性材料例如金属时，发出危险警报。当物质42包含高吸 收性材料时，低能x射线量子难以穿过物质42来对物质42进行衍射谱分 析。其它技术效果包括利用高吸收区域内的能量区域412判别浆状爆炸物 或胶态爆炸物并降低错误警报率。
尽管针对多种具体实施方式
对本发明进行了描述，但本领域技术人员应 当理解的是，可在作出落入权利要求构思和范围内的改变的情况下，实现 本发明。
权利要求
1. 一种确定物质类型的方法，所述方法包括根据衍射谱中探测x射线散射光子数的测量比率确定物质的有效原子序数。
2. 权利要求1的方法，其中所述物质包括非晶物质、准非晶物质和部分结晶物质中的一种。
3. 权利要求1的方法，其中所述衍射谱绘出光子累计数量随多个动量 传递值的变化，并且其中所述多个动量传递值为0.5 nm" 10nnf1。
4. 权利要求1的方法，其中所述衍射谱绘出光子累计数量随多个动量 传递值的变化，并且其中所述多个动量传递值为3nm-' 4nm人
5. 权利要求1的方法，还包括生成绘出多个原子序数随多个总散射截面比率变化的理论关系曲线； 获得所述探测x射线散射光子数的测量比率；和 根据所述理论关系曲线确定相应于所述测量比率的有效原子序数。
6. 权利要求1的方法，还包括作出描绘多个原子序数随多个总散射截面比率变化的理论关系曲线的 拟合线；获得所述探测x射线散射光子数的测量比率；和 根据所述拟合线确定相应于所述测量比率的有效原子序数。
7. 权利要求l的方法，还包括通过接收从所述物质散射出的多种辐射 能量生成所述衍射i普。
8. —种确定物质类型的处理器，配置所述处理器以根据衍射谱中探测 x射线散射光子数的测量比率确定物质的有效原子序数。
9. 权利要求8的处理器，其中所述物质包括非晶物质、准非晶物质和 部分结晶物质中的一种。
10. 权利要求8的处理器，进一步配置所述处理器以通过绘出光子累计 数量随多个动量传递值的变化来生成所述衍射语，其中所述多个动量传递 值为0.5 nm-1~10 nm-1。
11. 权利要求8的处理器，进一步配置所述处理器以通过绘出光子累计 数量随多个动量传递值的变化来生成所述衍射谱，并且其中所述多个动量 传递值为3 nm-1 4 nm-1。
12. 权利要求8的处理器，进一步配置所述处理器以接收绘出多个原子序数随多个总散射截面比率变化的理论关系曲线； 计算所述探测x射线散射光子数的测量比率；和 根据所述理-论关系曲线确定相应于所述测量比率的有效原子序数。
13. 权利要求8的处理器，进一步配置所述处理器以作出描绘多个原子序数随多个总散射截面比率变化的理论关系曲线的 拟合线；计算所述探测x射线散射光子数的测量比率；和根据所述拟合线确定相应于所述测量比率的有效原子序数。
14. 权利要求8的处理器，进一步配置所述处理器以通过接收从所述物 质散射出的多种辐射能量生成所述衍射谱。
15. —种确定物质类型的系统，所述系统包括 x射线源，其配置用于产生x射线；探测器，其配置用于探测x射线穿过所述物质之后的一次散射和相干 散射；和处理器，其配置用于根据衍射谱中探测x射线散射光子数的测量比率 确定所述物质的有效原子序数。
16. 权利要求15的系统，其中所述物质包括非晶物质、准非晶物质和 部分结晶物质中的一种。
17. 权利要求15的系统，其中进一步配置所述处理器以通过绘出光子 累计数量随多个动量传递值的变化生成所述衍射i普，其中所述多个动量传 递值为0.5腿-1~10 nm人
18. 权利要求15的系统，其中进一步配置所述处理器以通过绘出光子 累计数量随多个动量传递值的变化生成所述衍射谱，并且其中所述多个动 量传递值为3 nm-1~4 nm-1。
19. 权利要求15的系统，其中进一步配置所述处理器以 接收绘出多个原子序数随多个总散射截面比率变化的理论关系曲线； 计算所述探测x射线散射光子数的测量比率；和 根据所述理论关系曲线确定相应于所述测量比率的有效原子序数。
20. 权利要求15的系统，其中进一步配置所述处理器以作出描绘多个原子序数随多个总散射截面比率变化的理论关系曲线的拟合线；计算所述探测x射线散射光子数的测量比率；和根据所述拟合线确定相应于所述测量比率的有效原子序数。
全文摘要
本发明描述确定物质类型的方法和处理器。该方法包括根据衍射谱中探测x射线散射光子数的测量比率确定物质的有效原子序数。该方法特别用于机场行李的筛检，例如用于发现爆炸物。
文档编号G01N23/20GK101443655SQ200780017040
公开日2009年5月27日 申请日期2007年4月18日 优先权日2006年5月15日
发明者杰弗里·哈丁 申请人:通用电气公司