一种基于X射线荧光分析技术的爆炸物综合检测系统及检测方法

摘要

本发明涉及一种基于X射线荧光分析技术的爆炸物综合检测系统及检测方法，该系统包括检测用封闭箱体、供物品通过的输送通道以及计算机和控制系统，在所述输送通道的上、下或两侧安装有至少一组能谱探测组件，用于对输送通道内运动或静止的物品中的元素种类及含量进行探测。本发明利用XRF分析技术原理对爆炸物等进行检测，适用于在线安全监控等领域。

说明书

技术领域：

本发明属于XRF分析技术应用领域，具体涉及一种采用X射线荧光（XRF）分析 技术的新型爆炸物综合检测系统，以及运用这种系统针对运动中或静止的大体积物品 中的爆炸物进行快速检测的方法。

背景技术：

X射线荧光光谱分析方法作为物质组成分析的必备方法之一，已经广泛应用于地 质、冶金、建材、石油化工、半导体工业、医药卫生、环境保护等领域，也是材料科 学、生命科学、环境科学等普遍采用的一种快速、准确而又经济的多元素分析方法。

现有的X射线荧光光谱仪，通常设计一个样品台，将待检样品置于台上进行检 测，只能针对体积较小的样品如电子元件、土壤、矿样、小型金属样品等进行检 测，很难应用于体积较大，例如包裹、行李等，且结构复杂的物品中低含量元素 的测定分析。

在现有的行李安检设备检查方式中，是用X射线成像原理，对包裹、行李的物品 进行扫描，根据不同材料属性的划定和颜色定义，从而对不同的物品进行定性分析。 但现有安检设备对诸如爆炸物等特殊物品并不能完全识别，还需要安检人员根据经验 初步判别并开包检查，这种半人工的判别方法对于隐蔽性较强的爆炸物漏检的可能性 极大，并且既浪费了大量的人力，又增加了安检人员的危险。

在二十世纪九十年代的国际民用航空组织关于注标塑性炸药以便探测的公约《蒙 特利尔公约》中提到，在炸药中添加标识物质，使之变为可探测性。基于以上公约， 如果在炸药中（以及爆炸物原料中）添加标识物质，对爆炸物（及爆炸物原料）的管 控，防止恐怖分子实施非法行为具有重要意义。

发明内容：

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种基于X射线荧光分析技术的爆炸 物综合检测系统及检测方法，对体积较大且结构复杂的行李及物品进行成像和能谱检 测，对物品中某些特定元素自动识别并进行定性及定量分析。

为达到上述目的，本发明所提供的一种基于XRF分析技术的爆炸物综合检测系统， 包括检测用封闭箱体、供物品通过的输送通道以及计算机和控制系统，在所述输送通 道的上、下或两侧安装有至少一组能谱探测组件，用于对输送通道内运动或静止的物 品中的元素种类及含量进行探测。

所述能谱探测组件为两组，分为上能谱探测组件和下能谱探测组件，错位分列于 所述输送通道的上方和下方。

所述输送通道包括水平安装在所述箱体内的两组皮带机，两组皮带机首尾顺承， 之间有狭小的缝隙，上能谱探测组件位于皮带机上部，下能谱探测组件位于皮带机下 部，且下能谱探测组件的X射线出口正对该缝隙，下能谱探测组件的探测头伸入该缝 隙。

所述能谱探测组件包括X光管组件、探测器组件和光闸组件，所述X光管组件的X 射线出口和探测器组件的探测头均朝向输送通道的空间。

所述X光管组件包括由管体、上盖板、膨胀器及膨胀器压盖组成的密封腔，在所 述密封腔中央由中间隔板隔成两个腔室，一侧腔室内放置高压插座，另一侧腔室内放 置管芯；所述管芯与高压插座由电线连接；在放置所述管芯的腔室中，设置有防X射 线泄露的防护腔，在所述防护腔的一侧开设有X射线出口，所述X射线出口外侧设置所 述光闸组件；所述管芯与一腔室外的散热块连接，所述膨胀器及膨胀器压盖安装在所 述管体上。

所述光闸组件包括电机安装座、电机、转盘、转动轴承、轴承转轴、带有长圆孔 的连接板、导向板和U形铅板，导向板和U形铅板组成一体安装在连接板上，导向板同 时安装在所述管体上的导槽内；转动轴承一端通过轴承转轴安装在转盘上，另一端安 装在连接板的长圆孔内。

在所述管体上与所述X射线出口对应位置，开槽安装有滤光片，所述光闸组件位 于所述X射线出口与所述滤光片之间。

在所述输送通道的两侧沿输送方向间隔安装有三组对射式光电开关，所述能谱探 测组件至少安装在第二组对射式光电开关之后。

还设置一成像系统组件，安装于所述输送通道的上、下或两侧，用于对输送通道 内运动或静止的物品进行X射线成像；所述成像系统组件包括X光机和L型探测器板， 位于至少是第二组光电开关之后，位于所述能谱探测组件之前或之后。

本发明还提供一种1安检中基于X射线荧光分析技术的爆炸物综合检测方法，利用 所述爆炸物综合检测系统，当所述成像系统组件位于所述能谱探测组件之前时，包括 如下步骤：

1)将被测物品放置于输送通道上运行；

2)使运行中的物品通过第一组对射式光电开关，控制系统将所述探测器组件移 动到适当的探测高度和位置；

3)使被测物品继续前行到达第二组对射式开关，控制系统控制成像系统组件工 作，将X光图像传送给外置计算机；

4)外置计算机识别X光图像，确认无可疑物品时，物品直接通过；识别有可疑物 品时，计算机在图像中的可疑区域加上红框标识，并将这一信息传送给控制系统；

5）控制系统控制能谱探测组件的光闸组件打开光闸，对传送带上的物品可疑区 域扫描，能谱探测组件将采集的X射线荧光信号传输给外置计算机进行Ｘ射线荧光分 析，对可疑物品是否含有标识物质进行定性和定量分析，得到检测结果。

当所述成像系统组件位于所述能谱探测组件之前时，包括以下步骤：

(1)将被测物品放置于输送通道上运行；

(2)使运行中的物品通过第一组对射式光电开关，控制系统将所述探测器组件移 动到适当的探测高度和位置；

(3)使被测物品继续前行到达第二组对射式开关，控制系统控制能谱探测组件的 光闸组件打开光闸，对传送带上的物品全面扫描，能谱探测组件将采集的X射线荧光 信号传输给外置计算机进行Ｘ射线荧光分析，对物品中的标识物质进行定性和定量分 析，得到检测结果输出给计算机；

(4)计算机将输出信号传送给控制系统，控制系统控制成像系统组件工作，得到X 光图像传送给外置计算机。

当爆炸物综合检测系统不设成像系统组件时，按步骤(1)-(3)实施。

采用上述技术方案，本发明的设计可以适用于大体积样品检测，可以对置于通道 内的物品进行全方位的测定分析，测量时间短，准确度高。经验证，该X射线综合安 检系统对大尺寸行包内含100g或以上爆炸物的漏报率在0.5%以内，对小尺寸包裹，内 含15g以上炸药均可以检测出。本发明对安检、在线质量监控等领域的检测特别适用。

附图说明

图1是本发明外观结构示意图；

图2是本发明中输送组件部分结构示意图；

图3是本发明内部各组件布置图（不含箱体外壳）；

图4是本发明中能谱上探测组件结构示意图；

图5是本发明中能谱下探测组件结构示意图；

图6是本发明中X光管组件的剖视图；

图7是本发明中X光管组件的轴测图；

图8是本发明中X光管组件的管体轴测图；

图9是本发明中光闸组件的轴测图；

图10是本发明中滑道组件的轴测图；

图11为本发明各部分信号连接图。

图中标号：10—箱体组件，20—输送组件，30—成像系统组件，40—能谱上探测 组件，50—能谱下探测组件，60—控制系统，70—散热系统；

11—箱体外壳，12—下探测器保护罩，13、14、15—对射式光电开关，16—工作 指示灯，17—风扇，18—滚轮；

21、22—皮带机，23—输送通道，24—铅橡胶帘；

31—X光机，32—L型高精度阵列探测器板；

41—X光管组件，42—探测器组件，43—光闸组件，44—滑动组件，45—高压电 源，46—高压供电电源，51—安装架；

411—管体，412—上盖板，413—膨胀器，414—膨胀器压盖，415—中间隔板， 416—管芯，417—散热块，418—高压插座，419—铅内衬；

410a—导向板，410b—U形铅板，411a—U形导槽，411b—导槽，412c—衬铅，415a —铅皮，415b—线缆管，416a—管芯绝缘筒，418a—高压绝缘筒，419a—X射线出口；

42a—探测器，42b—探测器固定架，42c—探测器保护套。

431—电机安装板，432—电机，433—转盘，434—转动轴承，435—轴承转轴， 436—连接板，410a—导向板，和410b—U形铅板。

441—电机、442—主动齿轮、443—被动齿轮、444—同步轮、445—同步带、446 —安装架、447—丝杠、448—螺母座，449—安装座。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术方案，现以一较佳实施例并配合附图说明如下。

在一个较佳实施例中，本检测系统包括了两组能谱探测组件和一组成像组件。

如图1～图3所示，本发明提供的检测系统，包括箱体组件10、输送组件20、成像 系统组件30、能谱上探测组件40、能谱下探测组件50、控制系统60、散热系统70等部 分，还包括一外置计算机。其中：

箱体组件10，包括箱体外壳11和置于其中的固定架（图中未显示出来）、对射式 光电开关13、14、15以及一些附件，这些附件包括设于箱体外壳11上安装的电源插孔 和数据传输孔（两者在图1中未显示），电源插孔可外接电源工作，数据传输孔可进 行数据与外置计算机之间的传输），附件还包括工作指示灯16、风扇17和滚轮18等， 工作指示灯16提示仪器是否正在工作，风扇17用于散热，滚轮18便于设备的搬运移动。

固定架固定于箱体外壳11的内部，用于安装、固定内部组件，图2所示是拆除掉 箱体后的展示图，其中输送组件20就是依赖于固定架而固定在箱体上的。输送组件20 包括在箱体中部水平安装的两组皮带机21、22，两组皮带机21、22首尾顺承但彼此独 立，它们之间具有狭小的缝隙作为能谱下探测组件50的光路通道，每组皮带机主要由 电机、电动滚筒、皮带、改向滚筒、调偏滚筒组成，皮带机可以在电机带动下正反转； 在箱体外壳11的前后两侧各留有输送口，一个作为进口，一个作为出口；皮带机21的 首部穿过进口，皮带机22的尾部穿越过出口，以此形成输送通道23。输送通道23周围 均覆上纯铅板，在输送口上安装铅橡胶帘24，可以有效的阻挡射线外漏。

参见图3，在箱体组件10内部两组皮带机21和22之间的接缝处装有保护罩12，用 于保护能谱下探测组件50在物品通过时不被损坏；输送通道23两侧的固定架上间隔装 有三组对射式光电开关13、14、15，可以测定待测样品的高度和位置；第一组光电开 关13感应被测物品是否进入箱体内部以及测定被测物品的高度，第二、三组光电开关 14、15测定被测物品到达的位置。

如图3所示，成像系统组件30为现有的成熟的X射线穿透成像技术（与现有行李安 检设备相同），安装在第一组光电开关13和第二组光电开关14之后，其主要由X光机 31和L型探测器板32组成。X光机31安装在皮带机21下方，用于发出需要的扇形X射线 面。L型高精度阵列探测器板32安装在皮带机21上并位于X光机31的正上方，主要功能 是接受X光机31发出的穿透被测物品的X射线信号，进行转换处理后传输到外置计算机 内进行图像处理。

本实施例设置两组能谱探测组件，包括能谱上探测组件40和能谱下探测组件50， 错位相对地分别安装在输送通道的上、下两侧，用于错位照射被测物品。本发明特别 设置两皮带机21和22，且能谱上探测组件40安装在相对靠前（本发明定义物品先通过 的位置为前，如图3中右为前）的皮带机21的上方，另一组能谱探测组件50安装在两 组皮带机之间缝隙下方且使其X射线出口419a（参见图6）正对该缝隙，其探测器42a （参见图5）伸入缝隙中。设置两组皮带机还出于能谱上探测组件40和能谱下探测组 件50的光路设计考虑，能谱上探测组件40和能谱下探测组件50分别位于输送通道的上 部和下部才能使两者上下距离尽量短，构造较短的光路，以利于增加荧光强度，探测 更为精准；如果使用一个皮带机，能谱下探测器组件就必须位于皮带的下面，由于皮 带厚度的影响会增加测器组件的探测难度。

能谱上探测组件40和能谱下探测组件50结构基本一样，以能谱上探测组件40为 例，如图4、图5所示，均包括X光管组件41、探测器组件42、光闸组件43、高压电源 45和48V电源46。X光管组件41提供X射线源，探测器组件42用于接收X射线荧光，光闸 组件43根据工作需要开启和关闭，光闸关闭时，X射线荧光完全被光闸遮挡，探测器 组件42无法接收到数据；高压电源45用于为光管提供管流管压，48V电源46用于为高 压电源45提供电源。此外，能谱上探测组件40还包括滑动组件44（参见图4），能谱 下探测组件50还包括安装架51（参见图5），均用于将能谱探测组件安装在固定架上， 每组能谱探测组件的X光管组件41、探测器组件42、光闸组件43、高压电源45和48V电 源46都做成集成块安装在相应的滑动组件44或安装架51上。

如图6～图8所示，X光管组件41包括一长方形管体411、上盖板412、膨胀器413、 膨胀器压盖414、中间隔板415、管芯416、散热块417、高压插座418、铅内衬419和光 闸410等组成。其中，由管体411、上盖板412、膨胀器413及膨胀器压盖414组成一个 密封腔，密封腔由中间隔板415隔成两个腔室，一侧放置高压插座418，另一侧放置管 芯416；膨胀器413及膨胀器压盖414安装在管体411底部的一个圆孔中。膨胀器是一橡 胶件，其作用就是使光管的内腔体积随温度的变化而变化，防止因腔内高压绝缘油的 热胀将管芯挤碎。

管芯416与高压插座418由穿过管芯绝缘筒416a、高压绝缘筒418a和中间隔板415 上线缆管415b的电线连接在一起。高压插座418通过高压线缆与高压电源45相连。在 放置管芯416的腔室的上、下和侧面均装有铅内衬419，上盖板412上的衬铅412c与中 间隔板上的铅皮415a、铅内衬419一起组成防护腔，用于管芯416的射线防护，以防止 射线外漏。在铅内衬419的侧面根据需要开设X射线出口419a，根据需要可以开成不同 形状。

光管组件41的X射线出口419a和探测器组件42的探测头均朝向输送通道23空间， 充分利用探测器的最佳探测区域，可同时探测通道内所有区域X射线信号。

能谱上探测组件40中，如图4、图5所示，探测器组件42包括探测器42a、探测器 固定架42b、探测器保护套42c。探测器42a为主要探测装置，用已有的探测器，其前 端具有一圆柱状的探测头；探测器固定架42b用以固定探测器42a；探测器保护套42c 套于探测器42a的探测头外以保护探测器探头不受外界干扰或碰撞。

光闸组件43（参见图4和图5）装在X光管组件41的X射线出口419a外侧的管体411 上。如图9所示，光闸组件43包括电机安装座431、电机432、转盘433、转动轴承434、 轴承转轴435、带有长圆孔的连接板436、导向板410a和U形铅板410b410b。导向板410a 和U形铅板410b410b组成一体安装在连接板436上，导向板410a同时安装在管体411上 的导槽411b内；转动轴承434的内圈通过轴承转轴435安装在转盘433上，转动轴承434 的外圈安装在连接板436的长圆孔内；电机432带动转盘433旋转，转动轴承434在长圆 孔内运动，同时通过连接板436带动导向板410a和U形铅板410b在导槽411b内运动，U 形铅板410b的上下移动起到遮挡X射线出口419a的目的。

进一步讲，在与X射线出口419a位置相对应的管体411上开设有一U形槽411a，U形 槽411a内安装滤光片。滤光片的作用是消除或减弱干扰分析线的靶材特征谱线、杂质 线、连续谱线的散射背景等引起的干扰，提高元素检出限。U形铅板410b在X射线出口 419a与滤光片外侧前后滑动（图6、图7中方向为上下）遮挡射线。

在管芯416的外部连接散热块417，散热块417与水泵和散热器相连，对靶芯进行 冷却。管芯416和散热块417通过螺栓连接成为一体后，与高压插座418分别通过螺栓 安装在上盖板412上。

滑动组件44结构，如图10所示，包括电机441、主动齿轮442、被动齿轮443、同 步轮444、同步带445、安装架446、丝杠447、螺母座448和安装座449。电机441、主 动齿轮442、被动齿轮443、同步轮444、同步带445丝杠447都安装在安装架446上，安 装架446再安装在机架上，丝杠上套设螺母座448和安装座449，光管组件41和探测器 组件42。电机441通过主动齿轮442、被动齿轮443、同步轮444和同步带445使丝杠447 同时转动，丝杠带动螺母座448和安装座449上下移动，从而带动能谱上探测组件40上 下移动。

本实施例中，对于能谱上探测组件40来讲，探测器组件42与光管组件41装配成一 体安装在滑道组件44上，根据被测物品高度的不同，滑道组件可以将光管组件和探测 器组件根据箱包高度上、下移动到适当位置。对于能谱下探测组件50来讲，探测器组 件42与光管组件41装配成一体安装在安装架51上，固定在箱体组件10的固定架上。

本发明中，成像系统、高压电源、X光管、探测器、风扇、光电开关、工作指示 灯等电器件均以常规方式连接。控制系统60包括通用的反馈模块与控制模块，以通常 方式装配连接，其中反馈模块包括反馈通道，用于接收对射式光电开关13、14、15反 馈的信号数据后传输给外置计算机，其中控制模块包括光闸控制通道、滑动组件控制 通道和指示灯控制通道，分别用于控制光闸组件43的开与关、滑动组件44的移动和工 作指示灯16的开与关等。各探测器(探测器组件42，L型高精度阵列探测器板32)的数 据线汇集在一起与外置计算机连接，由计算机直接控制开与关以及接收采集到的谱图 数据。参见图11。

散热系统70包括冷却风扇、散热器和水泵等，通过冷却水的循环带走X光管产生 的热量，使光管处于正常工作的安全温度范围内。

输送组件20、成像系统组件30、能谱上探测组件40、能谱下探测组件50、控制系 统60和散热系统70按上述介绍组装后（参见图3）再固定在箱体组件10的箱体外壳11 内，则形成本发明多探测器及多光管设计的X射线综合安检系统（参见图1）的最佳实 施方式。

利用以上所述系统的检测方法：

1)将待测物品放置于皮带机21上，启动皮带机21运行；

2)运行中的物品通过第一组对射式光电开关13，该光电开关13检测进入通道的物 品高度，将检测信号传送给外置计算机，控制系统60控制滑动组件44将X光管组件41 （处于光闸关闭待测状态）和上、下两组探测器组件42移动到相应的探测高度位置（可 有效增加测量精度）。

3)被测物品继续前行，到达第二组对射式开关14位置，该光电开关14检测到物品 信号后传送，控制系统60控制成像系统组件30打开X光机31，工作指示灯16亮起，X光 机31产生的扇形X射线穿过传送带上的物品，L型高精度阵列探测器板32接收通过被测 物品后的透射X射线信号传送给外置计算机以图像形式显示出来。

4)针对成像系统组件30对物品进行扫描生成的X光图像，外置计算机识别无可疑 物品时，物品直接通过；如果识别有可疑物品时，计算机自动（或操作人员手动）在 图像中的可疑区域加上红框标识，并将这一信息传送给控制系统60，由控制系统60控 制能谱上探测组件40和能谱下探测组件50的光闸组件43打开光闸，X光管组件41产生 的原级X射线经过滤光片后成为一定厚度和宽度的射线束穿过传送带上的可疑物品 （重点探测已加上红框的可疑区域）；探测器组件42接收被测可疑物品反射回来的X 射线荧光，将采集到的数据传输给外置计算机进行Ｘ射线荧光分析，从而对可疑物品 是否含有标识物质进行定性和定量分析，得到检测结果。

5)被测物品由皮带机22带动通过第三组对射式光电开关15时，该光电开关15传送 信号至控制系统60，控制系统控制能谱上探测组件40和能谱下探测组件50的的光闸组 件43关闭，被测物品通过出口铅橡胶帘24，检测结束。

检测实例：针对物品中是否存在爆炸物进行检测。将待检物品放在皮带机上，开 启系统，在外置计算机操作界面上点击“开始测量”按钮，待检物品通过皮带机，数 十秒后测量结束，外置计算机屏幕上显示测量结果，包括图像文字或声音(分为“安 全”、“警报”及“重测”等分级)提示，也可以显示定量检测数值。该方法检测速 度快，经测试，本发明系统可检测内藏100g或以上爆炸物的大尺寸行包（尺寸550mm ×400mm×300mm），漏报率在0.5%以内；针对小尺寸包裹（尺寸:200mm×200mm ×100mm），内含15g以上炸药均可以检测出，对于爆炸物检测有很好的效果。

采用上述设计的X射线综合检测系统，本实例中的通道尺寸为500mm×310mm（可 根据实际情况扩展至1000mm×1000mm），X光管组件有4个，探测器组件有6个，足够 扫描使用。

另外，由前述最佳实施方式，本发明还可以进行以下变化：

变化一、省略成像系统组件30。该方式直接以能谱探测组件对整包进行扫描和检 测，适于无需获得X射线图像、直接针对标识物质定性定量检测的情形，用于防爆安 检领域。

变化二、将能谱探测组件设置在成像系统组件30之前，第二组光电开关14之后。 该方式适于先对标识物质定性定量检测，后形成X射线图像的情形。

变化三、本发明利用XRF分析技术原理，可仅装设一组能谱探测组件，安装在通 道上或下或侧面均可。

变化四、本发明利用XRF分析技术原理，可装设两组以上能谱探测组件，安装在 通道上或下或侧面均可。

由上述说明可知，本发明将复杂的构件进行组合模块化设计，更便于安装和维修。 另外，箱体组件10以及输送组件20、成像系统组件30、能谱上探测组件40、能谱下探 测组件50的相应设计，使本发明系统能进一步扩展适用于大体积物品的检测。