北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心 NED’2018 推扫型X射线背散射成像技术初步研究 肖雄 中国科学院高能物理研究所 北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心 2018年10月16日 湖南 衡阳
报告提纲 X射线背散射成像技术背景 推扫型背散射成像系统设计 成像结果与讨论 研究展望
成像原理 康普顿散射+物质衰减 图像灰度 d 不同材料的背散射图像 钛 碳 镁 铝 铁 铜 锌 锡 钨 铅 白聚甲醛 黑聚甲醛 聚碳酸脂 透明丙烯酸 尼龙 填充尼龙 ABS 聚乙烯 聚氯乙烯 不同材料的背散射图像 Proc. of SPIE Vol. 6945, 694516-1, (2008) 入射X射线 d 背散射X射线 电子 荧光X射线 透射X射线 前向散射X射线 康普顿散射+物质衰减 图像灰度
应用领域：安检、无损检测、扫雷、考古研究 成像特点及应用领域 技术成熟 图像分辨率高 伪彩色区分物质 低原子系数物质易漏检 透射成像 背散射成像 对低原子系数有机物敏感 对低密度材料中密度变化敏感 具有单侧成像能力 图像分辨率较差 应用领域：安检、无损检测、扫雷、考古研究 "X-ray backscatter imaging,"Proc. of SPIE Vol. 6945, 694516-1, (2008)
成像方法 扇束准直结构简单 图像分辨率高 入射射线利用率高 探测器简单 图像分辨率一般 笔束准直结构复杂 系统稳定性高 系统稳定性低 点扫描 点扫描原理示意图 线扫描 线扫描原理示意图 扇束准直结构简单 入射射线利用率高 图像分辨率一般 系统稳定性高 适合高速成像 图像分辨率高 探测器简单 笔束准直结构复杂 系统稳定性低
报告提纲 X射线背散射成像技术背景 推扫型背散射成像系统设计 探测器设计 模拟电子学设计 成像系统 成像结果与讨论 研究展望
探测器设计 光电转换器件选型和闪烁体材料选择 SiPM 选择4mm厚Ce:YSO晶体 结构紧凑，尺寸小 增益高(~106)且均匀性好 量子效率高，41%@420nm 工作电压低 易于拼装成阵列 SiPM 常见闪烁体的主要特性参数 选择4mm厚Ce:YSO晶体 1）波长匹配,420nm 2）探测效率>90%@100keV 3）加工性好 闪烁体 密度(g/cm3) 光产额(ph/MeV) 发光衰减 时间(ns) 发光波长(nm) 潮解性 自发辐射 NaI(Tl) 3.67 41,000 230 410 极易 无 CsI(Tl) 4.51 66,000 900 550 轻微 Ce:LYSO 7.15 27,000 38 420 不 有 Ce:YSO 4.53 10,000 37
探测器设计 探测器结构 晶体与SiPM一对一耦合 像素大小4.1mm 有效探测长度262.4mm 8像素SiPM线阵列 8像素探测器模块 PCB SiPM 8像素探测器模块 8像素YSO晶体线阵列 0.1mm 4mm 16mm 晶体与SiPM一对一耦合 像素大小4.1mm 有效探测长度262.4mm 64像素线阵列探测器
模拟电子学设计 信号独立引出 信号加权引出 信噪比高 高计数率 方案一 无需高密度数字电子学 方案二 多像素 放大 成形 差分输出 加权电路 Anode Anode 加权电路 8路SiPM阳极信号 投影图 方案二 信号加权引出 无需高密度数字电子学 多像素
探测器性能测试结果 64像素线阵列探测器 241Am能谱图 241Am@59.6keV的能量分辨率分布 差分输出信号: 241Am@59.6KeV，400mV,500ns，S/N＞30 241Am@59.6keV的能量分辨率分布
成像系统 4mm准直缝 X 射线源 运动机构 数字电子学系统 探测器 散射角度130° 扫描层厚4mm 本征空间分辨4.1mm
成像系统归一化 聚四氟乙烯IHEP字模 X射线源出射光扇角 64像素计数分布 归一化前64像素灰度值 归一化后64像素灰度值
报告提纲 X射线背散射成像技术背景 推扫型背散射成像系统设计 成像结果与讨论 研究展望
背散射图像&透射图像 行李箱 透射图像 背散射图像 背散射图像对有机物和液体高亮显示 透射图像中液体与有机物几乎淹没在背景中
穿透能力测试 3mm 6mm 10mm 160KV高压，不同厚度铝板阻挡 聚四氟乙烯字模 0.5mA 1mm厚钢板阻挡 1mA 9mm 值 铝板 10mm 钢板 1mm 混凝土 6mm
实际物品成像 应用场景 行李安检 特殊检查 物料余量成像检测 手提箱中物品成像 密闭容器物料余量成像 轮胎藏匿物成像
成像结果讨论 线阵列探测器 柱状物体成像畸变 解决方案 图像畸变原因分析 扫描方向 X射线扇束 散射体素 入射射线 散射射线 探测器 散射射线被部分衰减 扫描方向 图像畸变原因分析
研究展望 研究散射能谱，获取更多信息 研究新型探测器准直方式
谢谢