核技術(shù)在安檢領(lǐng)域的應(yīng)用

????????警用裝備網(wǎng)訊：?導(dǎo)讀：暴恐事件的頻發(fā)嚴重影響了國際社會的安全和秩序，給客運、貨運安全帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。有效打擊恐怖活動，保障人身、財產(chǎn)安全，是國內(nèi)乃至全球公共安全領(lǐng)域的重要訴求。因此，如何通過高技術(shù)手段提升安全檢查能力，成為人們關(guān)注的重要問題和研究熱點。隨著具有穿透能力的核探測技術(shù)的飛速發(fā)展，使用核射線對藏匿于貨物、行李及人體內(nèi)外的爆炸物及違禁品進行檢查,日益成為目前行之有效的技術(shù)手段。特別是近幾十年來,利用X射線、中子等所具有的多種與物質(zhì)相互作用機制,研究和發(fā)展出多種查驗技術(shù)，為公共安全提供了重要保障，表現(xiàn)出極其廣泛的應(yīng)用前景。

　　核檢測技術(shù)是指用放射性元素如鈷、銫和氫的同位素氕氘氚等做放射源，產(chǎn)生X、γ、α和中子等高能射線，利用這些射線與物質(zhì)的相互作用來探測物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)等，從而確定物質(zhì)種類。目前常用的核探測技術(shù)如下圖所示。

　　核檢測技術(shù)一覽

　　1、X射線安全檢查技術(shù)

　　X射線安全檢查技術(shù)主要包括X射線透視成像技術(shù)、X-CT成像技術(shù)和衍射XRD技術(shù)等，這些技術(shù)跟計算機、微電子和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

　　X射線透視成像技術(shù)是利用X射線和物質(zhì)相互作用的物理機制，可以有效實現(xiàn)對違禁品的不開箱檢查。X射線穿過物體時主要發(fā)生瑞利散射、康普頓散射、光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)等相互作用，造成射線強度的衰減。衰減程度隨著被穿透物質(zhì)的成分和穿透路徑長度的不同而變化。根據(jù)穿透前后X射線的不同強度可得出物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　X射線透視成像原理圖

　?。厣渚€透視成像技術(shù)在貨物以及旅客行李物品安全檢查中都有著廣泛的應(yīng)用。一個典型的成像裝置由射線源、探測器陣列、待檢物體及傳送裝置、計算機控制和成像設(shè)備等組成。

　　集裝箱X射線透視成像系統(tǒng)示意圖

　　其中，單能Ｘ射線成像技術(shù)是最早應(yīng)用于安全檢查的技術(shù)之一，但是對于材料分辨能力的缺失使其難以實現(xiàn)固、液態(tài)炸藥等危險物質(zhì)的查驗。隨著透視成像技術(shù)的進步，逐漸發(fā)展出雙能透視成像、多視角成像等新技術(shù)，極大地提升了材料分辨及爆炸物的檢出能力，因此得到了迅速普及。清華大學(xué)康克軍等在國際上首次提出了基于能譜整形及圖像相似性聚類的高能雙能成像及材料識別方法，實現(xiàn)了無機物、有機物、輕金屬及重金屬四類物質(zhì)的有效區(qū)分，為新一代大型貨物內(nèi)特異物質(zhì)的檢測提供了新思路，并成功研制了世界首套具備特殊材料識別功能的集裝箱／車輛檢查系統(tǒng)。

　　移動式集裝箱/車輛檢查系統(tǒng)(a)及其雙能X射線成像圖像(b)

　　由于X射線透視檢查設(shè)備存在物品影像重疊圖像失真的問題，難以清晰展現(xiàn)復(fù)雜行包中的物品結(jié)構(gòu)信息。后來，人們發(fā)明了X射線計算機斷層成像(CT)技術(shù)，如下圖所示。

　　X射線CT成像系統(tǒng)示意圖(a)和CT三維重建圖像(b)

　　X-CT技術(shù)通過對目標(biāo)物體進行全方位的三維掃描，利用計算機重建獲得被檢物體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)信息，有效提升了違禁品識別率和查驗效率。X射線CT技術(shù)在成像模式掃描速度和可靠性等方面的突出優(yōu)勢，被公認是傳統(tǒng)X射線透視成像的替代技術(shù)，成為目前機場海關(guān)等用于行包檢查的新手段。

　　結(jié)合雙能技術(shù)是CT應(yīng)用于安檢的一個突出優(yōu)勢。不同于雙能透視成像，雙能CT可以對被檢物的成分進行準(zhǔn)確的定量分析，其技術(shù)的關(guān)鍵在于結(jié)合雙能分解和CT重建技術(shù)獲得物質(zhì)等效原子序數(shù)和電子密度的空間分布。

　　電子密度與原子序數(shù)關(guān)系圖

　　由于大部分的物品的電子密度和原子序數(shù)是確定的，并且爆炸物、毒品等違禁品明顯的處于和常見物品不同的位置，結(jié)合其空間形狀信息，雙能CT可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并定位行李中隱藏的違禁品，實現(xiàn)自動分析及報警功能，這是除了三維結(jié)構(gòu)成像以外，CT技術(shù)替代傳統(tǒng)透視技術(shù)的另一個重要因素。下為同方威視研制的CT型行李安全檢查設(shè)備的雙能CT重建三維結(jié)果及切片圖像，設(shè)備同時具有嫌疑物自動報警功能，對可疑物體用紅框予以標(biāo)記。

　　雙能CT重建圖像. (a) 三維重建結(jié)果; (b) 斷層結(jié)果及自動標(biāo)識和報警

　　X射線衍射探測技術(shù)(XRD)測量的是物質(zhì)的相干散射信息，為毒品、炸藥、液體危險品等違禁品的檢測提供了一種全新的技術(shù)手段，可進一步提高現(xiàn)有X射線安檢系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率。該技術(shù)大致分為角度色散方式和能量色散方式，角度色散方式多用于實驗研究；能量色散方式利用能譜探測器測量某一固定角下不同能量的散射射線強度,以獲得待檢測物體的特征圖譜。具有體積小、系統(tǒng)穩(wěn)定、射線穿透能力強、測量效率高等優(yōu)點, 更適用于安檢等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　能量色散XRD系統(tǒng)（a）及其測量的乙醇、水及氯化鈉粉末的譜線（b）

　　目前，Halo，SmithDetection，Morpho等國外安檢廠商已經(jīng)推出了基于能量色散的XRD安檢產(chǎn)品，這類新型安檢設(shè)備能夠提供傳送帶連續(xù)掃包檢查功能，在降低誤報率同時也保證了高效的檢測率。

　　基于以上幾種探測原理的安檢設(shè)備具有廣闊的用途，各國在這方面的研發(fā)也都不遺余力，典型的成果有美國是Analogic公司的ConneCT和L3公司的ClearScan。

　　ConneCT安全檢查設(shè)備是Analogic公司研發(fā)的最新一代違禁品自動探測CT設(shè)備，該設(shè)備采用了先進的三維CT成像技術(shù)，創(chuàng)新性的爆炸物自動探測算法，同時在軟件中結(jié)合了模塊化和可互操作的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計。

　　ConneCT安檢設(shè)備

　　ClearScan安全檢查設(shè)備是L3公司研發(fā)的新一代違禁品自動探測CT設(shè)備，主要用于檢查客艙行李，該設(shè)備結(jié)合了雙能量CT技術(shù)和先進的爆炸物探測算法，可對行李進行360度掃描。

　　ClearScan安檢設(shè)備

　　2、中子探測技術(shù)

　　中子探測技術(shù)是運用中子照射被檢測物，通過元素衰變，輻射出具有元素特征屬性的中子或者γ射線，從而判斷被檢測物中C、H、O、N元素含量的比值和含量，以確定是否是爆炸物。主要技術(shù)是研制出高精度的中子源、中子探測器和γ射線探測器。國外主要中子探測系統(tǒng)有歐洲的EURITRACK 項目、美國的PELAN 系統(tǒng)和俄羅斯的SENNA 系統(tǒng)等。所用的中子探測系統(tǒng)如下表所示。

　　圖表：國外典型中子安檢探測系統(tǒng)

　　其中以歐洲的EURITRACK項目最為著名，EURITRACK項目包含一個移動式氘氚中子發(fā)生器，該發(fā)生器由α位置敏感器，快速中子和γ射線探測器，執(zhí)行光譜測量的前端電子系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)采集、處理和分析的軟件管理系統(tǒng)組成。

　　EURITRACK項目示意圖

　　在快速中子誘導(dǎo)反應(yīng)中產(chǎn)生的伽馬射線具有碳、氧和氮的特征，它們是炸藥或麻醉品的主要組成部分。該裝置利用D+T聚變反應(yīng)產(chǎn)生一個14mev中子和一個α粒子，這兩個粒子幾乎是背靠背發(fā)射的。然后通過測量相關(guān)聯(lián)的α粒子推斷出中子的方向和飛行時間，用20多塊直徑5英寸的Nal晶體與閃爍液體作探測器，可測出集裝箱中各部位的碳、氫、氧、氮成分比例，從而判定有否炸藥或毒品。

　　3、放射性物質(zhì)的探測

　　對于由放射性物質(zhì)與炸藥組成的臟彈類武器，測量其γ放射性是最直接的方法。由于自然環(huán)境中存在天然放射性本底，因此檢查儀器應(yīng)迅速排除周圍物質(zhì)的天然放射性貢獻。對于鈾和钚，可測量其自身發(fā)射的中子，或用中子源激發(fā)產(chǎn)生的次生中子或γ射線。

　　國外對輻射探測技術(shù)的新發(fā)展主要體現(xiàn)在探測設(shè)備的便攜性、隱蔽性、和分辨率上，代表性產(chǎn)品有美國的RadEyeSPRD-GN和MP-100。

　　RadEyeSPRD-GN是美國賽默飛世爾公司（Thermo Fisher Scientific）2016年11月推出的一款新型手持高靈敏度輻射探測器，能同時探測伽瑪射線和中子，響應(yīng)速度快，兩秒內(nèi)即可報警，產(chǎn)品采用了新型探測材料氯化銫鋰釔（CLYC），集成脈沖分析技術(shù)，很容易區(qū)分人工放射性和天然放射性，可將背景中真正的中子與其他高能粒子分開。

　　RadEyeSPRD-GN（左）和MP-100（右）

　　MP-100是美國Rapiscan公司2016年2月研發(fā)的一款背包輻射探測設(shè)備，重量輕，隱蔽性強，整套設(shè)備封裝在小型商務(wù)背包中，可同時檢測放射性物質(zhì)和核材料，伽馬探測和中子探測切換使用，探測性能好，電池壽命長，可作為一個獨立的輻射監(jiān)測器使用，獨立報警。

　　化生放核（CBRN）是恐怖主義背景下人類面臨的一個共同威脅，其多樣性和復(fù)雜性對CBRN威脅態(tài)勢感知提出了新的挑戰(zhàn)。為此，美國積極探索能夠早期發(fā)現(xiàn)和感知CBRN的新技術(shù)路徑，發(fā)展實時掌控國家重點地區(qū)乃至全國CBRN威脅態(tài)勢的能力。在此背景下，2013年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）國防科學(xué)辦公室（DOS）首次提出開展“西格瑪”（SIGMA）項目，以應(yīng)對美國當(dāng)前面臨的最大的國內(nèi)安全威脅——核與放射性“臟彈”。

　　SIGMA項目計劃

　　SIGMA項目研究的重要目標(biāo)之一就是開發(fā)低成本、高效且可大范圍部署的核探測裝置。在2016年10月的一次測試中，使用了由日本Kromek公司開發(fā)的僅為智能手機大小的新型輻射探測器D3S，該探測器綜合采用了兩種先進探測技術(shù)，一是非氦-3緊湊型熱中子閃爍探測器和摻鉈的碘化銫晶體，二是硅光電倍增器的伽馬探測器。探測器滿足了SIGMA項目對低成本、攜帶方便、高靈敏度和使用壽命長等設(shè)計預(yù)期。試驗還展示了D3S探測器實時檢測伽馬輻射和中子輻射能力，且初步建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)了與手機網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

　　D3S探測器

　　SIGMA+是拓展SIGMA項目的增項計劃，它以SIGMA項目為基礎(chǔ)，將發(fā)展可用于整個城市化生放核爆（CBRNE）威脅的全譜、實時、持久、早期探測系統(tǒng)。根據(jù)2018年4月DARPA發(fā)布的公告（BAA），SIGMA+項目共提出傳感器、網(wǎng)絡(luò)與分析、測試與評估三個重點發(fā)展內(nèi)容，分成兩個實施階段。第一階段重點是研究傳感器、組網(wǎng)架構(gòu)和自動分析功能；第二階段重點是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體集成。整個項目期間將貫穿進行系統(tǒng)模擬、試驗和評價。其中，網(wǎng)絡(luò)與分析任務(wù)分為兩期實施計劃：A期從2019財年第四季度（FY19Q4）到2021財年第四季度（FY21Q4），共27個月；B期從2022財年（FY22）到2023財年（FY23），為期24個月。

　　SIGMA+項目計劃

　　總結(jié)：隨著恐怖主義在世界范圍內(nèi)愈演愈烈，在公共場所對危險品進行有效檢測已經(jīng)成為各國政府的重要工作目標(biāo)。本文介紹了幾種常用的危險品核檢測方法，在檢測技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用方面進行了初步探討。X射線檢測是目前最成熟也是應(yīng)用最多的危險品檢測方法，中子和γ射線檢測技術(shù)正在受到越來越多的重視，是未來核檢測技術(shù)的發(fā)展方向。美歐在核檢測技術(shù)方面走在世界前列，美國為了應(yīng)對核生化威脅，提出了著名的SIGMA計劃，在全國范圍內(nèi)檢測放射性物質(zhì)。

  新聞稿件歡迎直接聯(lián)系：QQ 34004818 微信公眾號：cpsjyzb

相關(guān)閱讀

• 筑牢人工智能安全防火墻
• 美軍補給無人機簡述
• 楊金才：低空經(jīng)濟萬億市場開啟，無
• 情緒識別，安檢的下一個風(fēng)口？
• 無人裝備朝著主戰(zhàn)化加速演進
• 俄烏沖突中的反無人機作戰(zhàn)方式

0 條評論

• 還沒有人評論過，趕快搶沙發(fā)吧！