一种基于能量色散X射线衍射的检测装置的制作方法

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。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于能量色散X射线衍射的检测装置，涉及用于安检领域违禁品快速检测和识别的螺旋式能量色散X射线衍射光学结构及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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，所述的控制器分别与X射线发射模块、位移机构及衍射检测模块电连接；

所述的控制器用于控制系统各个部件的工作及信号采集，并对采集回的衍射信号进行算法识别，实现对物质的检测。

所述的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，所述的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。

进一步地，以入射光束所在直线为主光轴，多个衍射检测单元绕主光轴由内至外呈螺旋分布。

进一步地，多个衍射检测单元绕主光轴均匀布设，任意的相邻两个衍射检测单元与主光轴连线的夹角相等。

进一步地，所述的衍射光束与主光轴的夹角为θ，满足布拉格定律，所述的衍射检测单元包括能谱探测器，所述的能谱探测器内设有宽度为D的晶体，每个衍射检测单元在主光轴方向的检测范围为h＝D/sinθ；为了最大化利用每个衍射检测单元的检测范围，使相邻两个检测单元的检测范围在主光轴方向上紧密相连，沿螺旋方向相邻的两个衍射检测单元在主光轴方向上的检测范围的中心距离为h，并且沿螺旋方向相邻的两个衍射检测单元与主光轴的垂直距离差为D/cosθ。

每个能谱探测器及其限定的衍射光束为一个衍射单元。多个绕主光轴呈螺旋分布的衍射检测单元与入射光束构成了该螺旋式能量色散X射线衍射的光学结构。

每个衍射检测单元在主光轴方向的检测范围h为D/sinθ，则N个衍射检测单元在主光轴方向的检测范围为ND/sinθ，当能谱探测器内晶体宽度为5mm，衍射角度为5°时，衍射检测单元的数量为5时，检测厚度达到近30cm，相对于扇形阵列方式，大幅度提高了在厚度方向的检测范围，并通过增加衍射检测单元，可以进一步提高检测范围。

相邻能谱探测器5距主光轴的垂直距离差的计算方法为D/sinθ*tanθ＝D/cosθ，使得所有衍射检测单元的检测范围h连续分布，以尽可能覆盖整个待测物厚度方向的全部检测范围。

进一步地，所述的衍射检测单元还包括索拉狭缝，所述的衍射光束经索拉狭缝准直后进入能谱探测器。

所述的索拉狭缝由一组等间距相互平行的薄金属片组成，用于限制衍射X射线的角度发散，并充分利用能谱探测器的晶体宽度，增大探测区域。

作为优选的技术方案，所述的能谱探测器为市面上常见的晶体探测器，如CdTe晶体探测器和CZT晶体探测器，可在常温下工作，且在工作能段有较好的能量分辨率。

进一步地，所述的衍射检测模块还包括螺旋底座，所述的螺旋底座呈不规则棱柱形，上下两个底面为不规则的多边形，棱柱的侧面数与衍射检测单元数量一致，任意两侧面距主光轴垂直距离差与侧面上设置的衍射检测单元的距离差相一致，所述的衍射检测单元设置于螺旋底座上。利用螺旋底座保证衍射检测单元距主光轴的距离。

进一步地，所述的螺旋底座的侧面设有连接件，所述的衍射检测单元通过连接件固定于螺旋底座上。

进一步地，所述的连接件包括固定于螺旋底座侧面的连接板以及与连接板的下端固定连接的固定板，所述的连接座与固定板之间的夹角为θ，所述的衍射检测单元设置于固定板上。衍射检测单元与主光轴之间的夹角由连接件确定，利用连接件保证安装于其上的衍射检测单元与主光轴的夹角与衍射角θ一致。

进一步地，所述的X射线发射模块包括X射线光源及设置于X射线光源与位移机构之间的入射准直器。所述的入射准直器包含多个准直圆孔，用于对入射光束进行准直，以得到一束细光束。

进一步地，所述的位移机构包括横移平台、设置于横移平台上的纵移平台及设置于纵移平台上的升降平台。位移机构可将搭载于其上的待测物移动到工作空间内任意位置，也可通过位移实现对待测物的扫描工作。

作为优选的技术方案，所述的位移机构还包括光电对准模块，用于配合控制器实现待测物准确到达预定检测位置。

本发明具有X射线衍射系统所特有的物质识别能力，同时新型光学结构及检测装置实现了对样品厚度方向的大范围检测，且无需依赖大面元的像素式高纯锗探测器，检测效率高、结构简单且性价比高。本发明可以实现对行李箱、邮包内可疑物品的自动、快速检测和识别，在安检领域违禁品检测方面具有重要的应用前景。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明采用X射线衍射技术，解决了传统X射线透视成像技术无法区分日常有机物和毒品的问题，能够对毒品、炸药等物质实现准确识别。

2)与扇形阵列方式相比，扇形阵列能谱探测器比较适合检测较薄的物品(厚度约50mm)，对于常规行李箱(厚度约200mm)，需要多次来回扫描检测，耗时很长。而本发明提出的螺旋式能谱探测器光学结构，增大了对物体Z轴方向上的检测范围，在单次检测中即可以覆盖检测厚度超200mm的行李、包裹等。

3)现有技术中的像素式高纯锗探测器制作困难价格昂贵，且需要液氮冷却，整体系统体积庞大，与这种环形阵列方式相比，本发明提出的螺旋式能谱探测器光学结构，使用的是常规的能谱探测器如碲化镉晶体探测器，价格远低于高纯锗探测器，并且无需冷却系统可以在常温下使用，整体系统体积小。

4)本发明对物体可疑区域进行精确检测，大幅提高检测效率，缩短检测时间。

附图说明

图1为实施例1中的一种基于能量色散X射线衍射的检测装置的结构示意图；

图2为实施例1中的一种基于能量色散X射线衍射的检测装置的竖直剖面图；

图3为实施例1中的衍射检测单元的螺旋分布结构示意图；

图4为实施例1中的一种基于能量色散X射线衍射的检测装置的立体结构示意图；

图5为实施例1中的螺旋底座的结构示意图；

图6为现有技术中扇形阵列能谱探测器能量色散X射线衍射装置的结构示意图；

图7为现有技术中像素式高纯锗探测器能量色散X射线衍射装置的示意图；

图8为衍射角为5°、衍射单元数为5(N＝5)时装置检测范围内采集到的扑热息痛衍射谱图；

图9为衍射角为5°时标准数据库中扑热息痛能量色散衍射谱图。

图中标记说明：

1—X射线光源、2—入射光束、3—衍射光束、4—索拉狭缝、5—能谱探测器、6—衍射检测单元、7—控制器、8—待测物、9—传送带、10—高纯锗探测器、11—入射准直器、12—位移机构、13—螺旋底座、14—连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种新型的螺旋式能量色散X射线衍射光学结构及系统，如图1及图4所示，该光学结构的入射光束2为准直的细光束X射线，以入射光束2的轴线为主光轴，衍射光束3与主光轴的夹角均固定为θ＝5°，满足布拉格定律。如图2所示的X射线衍射光束3由能谱探测器5采集，每个能谱探测器5及其对应的索拉狭缝4限定的衍射光束3为一个衍射检测单元6。如图3所示的5个绕主光轴呈螺旋分布的衍射检测单元6与入射光束2构成了该螺旋式能量色散X射线衍射的光学结构，衍射检测单元6的角度分布均匀，之间夹角为72°。每个衍射检测单元6在光轴方向的检测范围h(即对应的待测物8厚度范围)依次相邻排开，单个衍射单元的检测范围h为D/sinθ(D为晶体尺寸，约3～5mm)，整体光学结构的检测范围为ND/sinθ，当晶体尺寸取5mm时，检测范围大致为30cm，相较于如图6所示的扇形阵列能谱探测器能量色散X射线衍射装置(检测范围50mm)，大幅度提高了在深度方向的检测范围，按顺序排列的相邻能谱探测器5距主光轴的垂直距离差为D/sinθ*tanθ＝D/cosθ。

如图2所示，索拉狭缝4、能谱探测器5、连接件14和螺旋底座13组成衍射检测模块。系统能够自动对准待测区域进行检测，对样品厚度(Z方向)的有效检测范围可达30cm(N＝5)。通过增加衍射单元，例如N＝6、7、8、……，可以进一步提高检测的范围。X射线光源1发出具有连续能量的韧致辐射X射线，经由入射准直器11后得到一束细光束照射到待测物8上。根据待测物8内可疑物质所在区域(由传统X射线透视图像来判断)，通过控制器7控制位移机构12自动将可疑区域对准到入射光束2所在位置，X射线与可疑物质发生衍射作用产生的衍射信号被衍射检测单元6接收，将采集的信号反馈给控制器7，经过识别算法处理后确定可疑物质的具体种类，从而实现对物质的精确识别。

索拉狭缝4由一组等间距相互平行的薄金属片组成，用于限制衍射X射线的角度发散，并充分利用能谱探测器5的晶体宽度，增大探测区域。能谱探测器5为晶体探测器，如CdTe晶体探测器和CZT晶体探测器，能在常温下工作，且在工作能段有较好的能量分辨率，相较于如图7所示的像素式高纯锗探测器能量色散X射线衍射装置(必须配备液氮冷却系统)，其应用范围更加广泛。螺旋底座13为不规则棱柱，棱柱的侧面数为N，上下两个底面为不规则的多边形，多边形与螺旋线相切。连接件14是角度为θ的尖劈，安装在螺旋底座的每个侧面上，能谱探测器5再安装在连接件14上，能谱探测器5与主光轴之间的夹角由连接件14确定。

衍射角θ＝5°，采用该装置检测检测扑热息痛，所得衍射图谱如图8所示，图9为标准数据库中扑热息痛的理论能量色散衍射谱，利用数据库与该装置所得衍射图谱对比，可以判定检测到的物质为扑热息痛。

实施例2：

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12、衍射检测模块及控制器7，控制器7分别与X射线发射模块、位移机构12及衍射检测模块电连接；

控制器7用于控制系统各个部件的工作及信号采集，并对采集回的衍射信号进行算法识别，实现对物质的检测。

X射线发射模块发射出入射光束2，穿过设置于位移机构12上的待测物8不同厚度处，产生多个衍射光束3，衍射检测模块包括多个衍射检测单元6，每个衍射检测单元6设置于相应的衍射光束3的光路上。

以入射光束2所在直线为主光轴，多个衍射检测单元6绕主光轴由内至外呈螺旋分布。

多个衍射检测单元6绕主光轴均匀布设，任意的相邻两个衍射检测单元6与主光轴连线的夹角相等。

衍射光束3与主光轴的夹角为θ，满足布拉格定律，衍射检测单元6包括能谱探测器5，能谱探测器5内设有宽度为D的晶体，沿螺旋方向相邻的两个衍射检测单元6与主光轴的垂直距离差为D/cosθ。

每个衍射检测单元6在主光轴方向的检测范围h为D/sinθ，则N个衍射检测单元6在主光轴方向的检测范围为ND/sinθ，当能谱探测器5内晶体宽度为5mm，衍射角度为5°时，衍射检测单元6的数量为5时，检测厚度达到近30cm，相对于扇形阵列方式，大幅度提高了在厚度方向的检测范围，并通过增加衍射检测单元6，可以进一步提高检测范围。

相邻能谱探测器5距主光轴的垂直距离差的计算方法为D/sinθ*tanθ＝D/cosθ，使得所有衍射检测单元6的检测范围h连续分布，以尽可能覆盖整个待测物厚度方向的全部检测范围。

衍射检测单元6还包括索拉狭缝4，衍射光束3经索拉狭缝4准直后进入能谱探测器5。

索拉狭缝4由一组等间距相互平行的薄金属片组成，用于限制衍射X射线的角度发散，并充分利用能谱探测器5的晶体宽度，增大探测区域。

能谱探测器5为市面上常见的晶体探测器，如CdTe晶体探测器和CZT晶体探测器，可在常温下工作，且在工作能段有较好的能量分辨率。

衍射检测模块还包括如图5所示的螺旋底座13，螺旋底座13呈不规则棱柱形，上下两个底面为不规则的多边形，棱柱的侧面数与衍射检测单元6数量一致，任意两侧面距主光轴垂直距离差与侧面上设置的衍射检测单元6的距离差相一致，衍射检测单元6设置于螺旋底座13上。利用螺旋底座13保证衍射检测单元6距主光轴的距离。

螺旋底座13的侧面设有连接件14，衍射检测单元6通过连接件14固定于螺旋底座13上。

连接件14包括固定于螺旋底座13侧面的连接板以及与连接板的下端固定连接的固定板，连接板与固定板之间的夹角为θ，衍射检测单元6设置于固定板上。衍射检测单元6与主光轴之间的夹角由连接件14确定，利用连接件14保证安装于其上的衍射检测单元6与主光轴的夹角与衍射角θ一致。

X射线发射模块包括X射线光源1及设置于X射线光源1与位移机构12之间的入射准直器11。入射准直器11包含多个准直圆孔，用于对入射光束2进行准直，以得到一束细光束。

位移机构12包括横移平台、设置于横移平台上的纵移平台及设置于纵移平台上的升降平台。位移机构12可将搭载于其上的待测物8移动到工作空间内任意位置，也可通过位移实现对待测物8的扫描工作。

位移机构12还包括光电对准器。用于配合控制器7实现待测物准确到达预定检测位置。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。