對(duì)通過(guò)重要出入口的人員所攜帶的行李物品進(jìn)行安全檢查已成為國(guó)際上廣泛采用的安全措施。近年來(lái)，受航空安全等需要的驅(qū)使，X射線安全檢查技術(shù)得到迅速發(fā)展，并已成為國(guó)際上廣泛采用的安檢技術(shù)。本文闡述了X射線安全檢查技術(shù)的基本原理，以及目前常用的X射線安檢方法。

    近年來(lái)，在世界范圍內(nèi)各種形式的恐怖事件頻發(fā)，公共安全成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。為對(duì)付日益猖獗的恐怖活動(dòng)，各國(guó)政府紛紛出臺(tái)相應(yīng)政策，包括加強(qiáng)對(duì)機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭等公共場(chǎng)所的安檢措施，并重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)爆炸物、毒品等違禁品的檢查力度。但是，由于爆炸物種類繁多，且物質(zhì)形態(tài)千差萬(wàn)別，要準(zhǔn)確、快速地檢查出爆炸物等違禁品，無(wú)疑提高了對(duì)安檢設(shè)備的技術(shù)要求。

    目前，國(guó)際上對(duì)爆炸物等違禁品的檢測(cè)技術(shù)研究，主要集中在X 射線檢測(cè)技術(shù)、中子檢測(cè)技術(shù)、電磁測(cè)量技術(shù)及蒸氣微粒探測(cè)技術(shù)等。其中X 射線檢測(cè)技術(shù)是相對(duì)成熟且應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，主要包括X 射線透射法、雙能X 射線檢測(cè)法、X 射線散射法、X 射線CT等。這些技術(shù)通過(guò)提取被檢物的特征物理量信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)違禁物的檢查。所提取的被檢物的特征物理量，主要是被檢物的密度（ρ）和有效原子序數(shù)（Zeff）信息。理論上，已知物質(zhì)的密度和有效原子序數(shù)就可以準(zhǔn)確確定物質(zhì)的類型。但是，目前現(xiàn)有的各種安全檢查方法都存在著不同程度的不足與缺陷，將各種安檢方法相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)多級(jí)檢查是目前安檢中常用的手段。本文詳細(xì)闡述X射線安全檢查技術(shù)的基本原理，并介紹目前常用的X射線安檢方法。

原理
    X射線是一種高能的電磁輻射，是由高能電子在物質(zhì)中作減速運(yùn)動(dòng)或由原子內(nèi)層軌道電子的躍遷所產(chǎn)生，因其穿透性強(qiáng)，可以穿透包裹、行李等物品，被用來(lái)作為安全檢查的射線源。

    X射線產(chǎn)生后，通過(guò)準(zhǔn)直器形成平面的扇形射線束照射被檢物，經(jīng)過(guò)與被檢物的相互作用，該扇形射線束的一部分能量被物質(zhì)吸收，一部分能量被物質(zhì)散射，由于不同種類的材料對(duì)X射線的吸收、散射能力不同，所以透射的X射線束到達(dá)探測(cè)器時(shí)的能量也不同。探測(cè)器把探測(cè)到的X射線能量轉(zhuǎn)化為載流子，并將微小尺寸范圍內(nèi)X射線能量的變化分辨出來(lái)，經(jīng)過(guò)處理，探測(cè)器接收的能量大小以灰度級(jí)圖像顯示。再經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)處理后可使行李包裹中危險(xiǎn)品和違禁品能被檢查出來(lái)。

    X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，其衰減存在以下規(guī)律：


    （1）式中，I0為X射線的入射強(qiáng)度；t為被檢物的厚度；μ為被檢物總衰減系數(shù)； I為出射的X射線強(qiáng)度。根據(jù)X射線與物質(zhì)的相互作用，按其作用原理可分為光電效應(yīng)、康普頓散射效應(yīng)、瑞利散射效應(yīng)和正負(fù)電子對(duì)效應(yīng)。X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，其總衰減系數(shù)μ為： [nextpage]
    （2）式中，Σ為宏觀界面；N為單位體積原子核數(shù)；σ為總衰減截面；σph為光電吸收截面；σc為康普頓散射截面；σr為瑞利散射截面；σK為電子對(duì)截面； A為原子質(zhì)量數(shù)； NA為阿伏加德羅常數(shù)；ρ為物質(zhì)密度。對(duì)于原子序數(shù)小的物質(zhì)（如：大部分的爆炸物、毒品）可近似認(rèn)為：σph為原子序數(shù)Z和入射X光子能量hν的函數(shù)，σc僅為hν的函數(shù)，σr為Z與hν的函數(shù)，當(dāng)入射光子能量達(dá)到兆電子伏時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)，一般安全檢查設(shè)備所用X光子能量在千電子伏量級(jí)，不會(huì)產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)，σK項(xiàng)可忽略。因此總衰減系數(shù)μ是Z、ρ、hν函數(shù)。

    因此，當(dāng)X光子能量確定時(shí)，若只是簡(jiǎn)單測(cè)量入射的X射線能量I0和出射的X射線能量I，則只能得到μt乘積的值，也就是關(guān)于Z，ρ，t三個(gè)變量的函數(shù)f（Z，ρ，t），是無(wú)法提取到被檢物的單個(gè)特征物理量的。為了把Z值從f（Z，ρ，t）中分離出來(lái)，需要再引入條件，構(gòu)建另一獨(dú)立的方程。為此引入具有另一能量的X射線束，通過(guò)公式1和公式2可以推導(dǎo)出，物質(zhì)對(duì)高能X射線衰減與對(duì)低能X射線衰減的比值K只與物質(zhì)的原子序數(shù)Z有關(guān)，而與ρ，t無(wú)關(guān)，即可以把Z值分離出來(lái)。對(duì)常見(jiàn)的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物而言，Z值與K值是單調(diào)變化的，因此通過(guò)對(duì)K值的測(cè)量可以得到Z的信息。對(duì)于化合物和混合物而言，我們使用有效原子序數(shù)Zeff代替Z，兩者的關(guān)系為：

    （3）式中，Zeff為有效原子序數(shù)；Z為元素原子序數(shù)；a為元素原子個(gè)數(shù)與總原子個(gè)數(shù)的比值。一般而言，金屬的有效原子序數(shù)大于18，無(wú)機(jī)物的有效原子序數(shù)在10與18之間，而有機(jī)物的有效原子序數(shù)往往小于10。

    為獲取被檢物更加豐富的信息，對(duì)進(jìn)入被檢物后被同相散射的X光子特征進(jìn)行研究。這種背散射信號(hào)包括物質(zhì)吸收、散射幾率和散射后的衰減三部分，如下式所示：

    （4）式中，I為射線強(qiáng)度衰減；I0為X射線的初始強(qiáng)度；μ(E) 為吸收系數(shù)；ρ為物質(zhì)密度； t為經(jīng)過(guò)厚度；σs為散射截面；θ為散射角。

    當(dāng)入射光子能量范圍在0.3MeV至10MeV之間，入射光子與多數(shù)物質(zhì)發(fā)生的作用以康普頓散射為主。康普頓散射的概率與電子的密度Ne成正比例，電子密度Ne與質(zhì)量密度有關(guān)，因此康普頓散射信號(hào)隨著質(zhì)量密度的增大而增強(qiáng)。對(duì)于高原子序數(shù)的物質(zhì)，康普頓散射會(huì)被光電效應(yīng)所抑制。

    如果物質(zhì)的Zeff越低以及探測(cè)器到包裹表面的距離越小，那么康普頓散射信號(hào)就越強(qiáng)，反之亦然。這意味著來(lái)自淺層區(qū)材料的Z 信息比透射雙能量系統(tǒng)中的信息豐富、靈敏。大多數(shù)爆炸品，尤其是可塑炸藥有較低的Zeff和較高的密度。因此對(duì)背散射信號(hào)的探測(cè)能給包裹表面的低原子序數(shù)的物質(zhì)提供更多的信息，對(duì)探測(cè)靠近行李表層的爆炸物具有特別重要的意義。

常用的X射線安全檢查技術(shù)
單能X射線法
    X射線透射法是根據(jù)不同物質(zhì)對(duì)X射線的衰減系數(shù)不同進(jìn)行分辨，簡(jiǎn)單測(cè)量入射的X射線能量I0和出射的X射線能量I，得到μt的乘積。使用這種方法對(duì)有效原子序數(shù)大的物質(zhì)（如金屬等）可清晰的成像，檢查效果較好，但對(duì)于隱藏在吸收系數(shù)大的物質(zhì)后面的違禁品（如炸藥）則不能探測(cè)到，因此檢測(cè)能力十分有限。

雙能X射線法
    進(jìn)而發(fā)展了雙能X 射線檢測(cè)技術(shù)，該方法可得到被檢物的有效原子序數(shù)信息，可以將有機(jī)物從無(wú)機(jī)物中分離出來(lái)。

    利用高能和低能X射線照射物質(zhì)，測(cè)量物質(zhì)對(duì)高能X射線衰減與對(duì)低能X射線衰減的比值K，從而提取出被檢物的有效原子序數(shù)Zeff。雙能X射線檢測(cè)法可得到被檢物的有效原子序數(shù)信息，可以將有機(jī)物從無(wú)機(jī)物中分離出來(lái)，如將行李中常見(jiàn)的玻璃等無(wú)機(jī)物分離出，從而大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確率，且檢測(cè)速度快、成本較低，成為安檢設(shè)備的主流產(chǎn)品。但雙能X 射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)行李中允許攜帶的有機(jī)物（如食品、塑料、織物等生活有機(jī)物）和違禁有機(jī)物（如TNT、C4、海洛因、可卡因等）的區(qū)分仍有困難。[nextpage]

X射線背散射法
    針對(duì)違禁物品多是被隱藏在行李外層的夾層和暗格中的特點(diǎn)，發(fā)展了X射線背散射技術(shù)。它是一項(xiàng)較新的X射線安檢技術(shù)，主要探測(cè)物質(zhì)對(duì)X光子的康普頓散射信號(hào)，因此對(duì)Zeff低、密度高且放在行李外層的物品有較好的檢查效果。與雙能量X射線檢查法相比，X射線背散射法獲取的行李外層的信息更豐富、靈敏，從而可進(jìn)一步提高檢查準(zhǔn)確率，尤其是對(duì)有較低Zeff和較高密度的塑性炸藥等效果很好。

    近年來(lái)，X射線背散射技術(shù)也應(yīng)用在大型物品的安全檢查中。利用車輛偷運(yùn)炸藥、毒品和人員偷渡等往往是對(duì)車輛進(jìn)行改造，制造厚鐵的暗格、夾層等，因?yàn)殍F板對(duì)X射線的吸收較強(qiáng)，隱藏于厚重鐵板后的炸藥、毒品等有機(jī)物在傳統(tǒng)的X射線檢查中被遮擋，難以發(fā)現(xiàn)。但有效原子序數(shù)低的有機(jī)物（毒品和爆炸物等）對(duì)X射線的散射效應(yīng)強(qiáng)，利用X射線背散射方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子序數(shù)低的有機(jī)物（毒品和爆炸物等）的探測(cè)，特別是對(duì)位于被檢物淺層區(qū)（夾層等）的有機(jī)物探測(cè)其散射信號(hào)很強(qiáng)。圖1為被檢車輛的多視角X射線背散射圖像，可以清晰的看到隱藏在汽車前、后夾層中的違禁品及隱藏在車頂夾層中的偷渡人員。但是，X射線背散射法仍無(wú)法同時(shí)獲取有效原子序數(shù)和密度信息，對(duì)行李內(nèi)部和部分塑性炸藥也無(wú)法檢查。

    在安檢中，由于包裹行李中存在被檢物品繁雜且相互重疊、遮擋、混放的現(xiàn)象，為安全檢查帶來(lái)困難。目前，將X射線雙能量和背散射技術(shù)結(jié)合，可提供安檢員更多的信息，以提高檢查準(zhǔn)確率，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，降低誤報(bào)率。現(xiàn)已應(yīng)用在集裝箱檢查、車輛檢查、包裹行李檢查、人體檢查等安全檢查方面。

結(jié)論
    目前，多種X射線探測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于安全檢查的各個(gè)領(lǐng)域，但還沒(méi)有出現(xiàn)能單獨(dú)提供物質(zhì)的有效原子序數(shù)和密度信息的安檢產(chǎn)品。每種探測(cè)技術(shù)都有一定的優(yōu)勢(shì)和局限性及針對(duì)性?？傊?，多種技術(shù)融合及多級(jí)檢查是安檢設(shè)備發(fā)展的方向之一。