核技术在安检领域的应用

暴恐事件的频发严重影响了国际社会的安全和秩序，给客运、货运安全带来了前所未有的挑战。有效打击恐怖活动，保障人身、财产安全，是国内乃至全球公共安全领域的重要诉求。因此，如何通过高技术手段提升安全检查能力，成为人们关注的重要问题和研究热点。随着具有穿透能力的核探测技术的飞速发展，使用核射线对藏匿于货物、行李及人体内外的爆炸物及违禁品进行检查,日益成为目前行之有效的技术手段。特别是近几十年来,利用X射线、中子等所具有的多种与物质相互作用机制,研究和发展出多种查验技术，为公共安全提供了重要保障，表现出极其广泛的应用前景。

核检测技术是指用放射性元素如钴、铯和氢的同位素氕氘氚等做放射源，产生X、γ、α和中子等高能射线，利用这些射线与物质的相互作用来探测物质的原子结构等，从而确定物质种类。目前常用的核探测技术如下图所示。

核检测技术一览

1、X射线安全检查技术

X射线安全检查技术主要包括X射线透视成像技术、X-CT成像技术和衍射XRD技术等，这些技术跟计算机、微电子和网络技术相结合表现出广阔的应用前景。

X射线透视成像技术是利用X射线和物质相互作用的物理机制，可以有效实现对违禁品的不开箱检查。X射线穿过物体时主要发生瑞利散射、康普顿散射、光电效应和电子对效应等相互作用，造成射线强度的衰减。衰减程度随着被穿透物质的成分和穿透路径长度的不同而变化。根据穿透前后X射线的不同强度可得出物体的内部结构。

X射线透视成像原理图

X射线透视成像技术在货物以及旅客行李物品安全检查中都有着广泛的应用。一个典型的成像装置由射线源、探测器阵列、待检物体及传送装置、计算机控制和成像设备等组成。

集装箱X射线透视成像系统示意图

其中，单能X射线成像技术是最早应用于安全检查的技术之一，但是对于材料分辨能力的缺失使其难以实现固、液态炸药等危险物质的查验。随着透视成像技术的进步，逐渐发展出双能透视成像、多视角成像等新技术，极大地提升了材料分辨及爆炸物的检出能力，因此得到了迅速普及。清华大学康克军等在国际上首次提出了基于能谱整形及图像相似性聚类的高能双能成像及材料识别方法，实现了无机物、有机物、轻金属及重金属四类物质的有效区分，为新一代大型货物内特异物质的检测提供了新思路，并成功研制了世界首套具备特殊材料识别功能的集装箱/车辆检查系统。

移动式集装箱/车辆检查系统(a)及其双能X射线成像图像(b)

由于X射线透视检查设备存在物品影像重叠图像失真的问题，难以清晰展现复杂行包中的物品结构信息。后来，人们发明了X射线计算机断层成像(CT)技术，如下图所示。

X射线CT成像系统示意图(a)和CT三维重建图像(b)

X-CT技术通过对目标物体进行全方位的三维扫描，利用计算机重建获得被检物体内部三维结构信息，有效提升了违禁品识别率和查验效率。X射线CT技术在成像模式扫描速度和可靠性等方面的突出优势，被公认是传统X射线透视成像的替代技术，成为目前机场海关等用于行包检查的新手段。

结合双能技术是CT应用于安检的一个突出优势。不同于双能透视成像，双能CT可以对被检物的成分进行准确的定量分析，其技术的关键在于结合双能分解和CT重建技术获得物质等效原子序数和电子密度的空间分布。

电子密度与原子序数关系图

由于大部分的物品的电子密度和原子序数是确定的，并且爆炸物、毒品等违禁品明显的处于和常见物品不同的位置，结合其空间形状信息，双能CT可以准确地发现并定位行李中隐藏的违禁品，实现自动分析及报警功能，这是除了三维结构成像以外，CT技术替代传统透视技术的另一个重要因素。下为同方威视研制的CT型行李安全检查设备的双能CT重建三维结果及切片图像，设备同时具有嫌疑物自动报警功能，对可疑物体用红框予以标记。

双能CT重建图像. (a) 三维重建结果; (b) 断层结果及自动标识和报警

X射线衍射探测技术(XRD)测量的是物质的相干散射信息，为毒品、炸药、液体危险品等违禁品的检测提供了一种全新的技术手段，可进一步提高现有X射线安检系统的识别准确率。该技术大致分为角度色散方式和能量色散方式，角度色散方式多用于实验研究;能量色散方式利用能谱探测器测量某一固定角下不同能量的散射射线强度,以获得待检测物体的特征图谱。具有体积小、系统稳定、射线穿透能力强、测量效率高等优点, 更适用于安检等应用领域。

能量色散XRD系统(a)及其测量的乙醇、水及氯化钠粉末的谱线(b)

目前，Halo，SmithDetection，Morpho等国外安检厂商已经推出了基于能量色散的XRD安检产品，这类新型安检设备能够提供传送带连续扫包检查功能，在降低误报率同时也保证了高效的检测率。

基于以上几种探测原理的安检设备具有广阔的用途，各国在这方面的研发也都不遗余力，典型的成果有美国是Analogic公司的ConneCT和L3公司的ClearScan。

ConneCT安全检查设备是Analogic公司研发的最新一代违禁品自动探测CT设备，该设备采用了先进的三维CT成像技术，创新性的爆炸物自动探测算法，同时在软件中结合了模块化和可互操作的网络架构设计。

ConneCT安检设备

ClearScan安全检查设备是L3公司研发的新一代违禁品自动探测CT设备，主要用于检查客舱行李，该设备结合了双能量CT技术和先进的爆炸物探测算法，可对行李进行360度扫描。

ClearScan安检设备

2、中子探测技术

中子探测技术是运用中子照射被检测物，通过元素衰变，辐射出具有元素特征属性的中子或者γ射线，从而判断被检测物中C、H、O、N元素含量的比值和含量，以确定是否是爆炸物。主要技术是研制出高精度的中子源、中子探测器和γ射线探测器。国外主要中子探测系统有欧洲的EURITRACK 项目、美国的PELAN 系统和俄罗斯的SENNA 系统等。所用的中子探测系统如下表所示。

图表：国外典型中子安检探测系统

其中以欧洲的EURITRACK项目最为着名，EURITRACK项目包含一个移动式氘氚中子发生器，该发生器由α位置敏感器，快速中子和γ射线探测器，执行光谱测量的前端电子系统，用于数据采集、处理和分析的软件管理系统组成。

EURITRACK项目示意图

在快速中子诱导反应中产生的伽马射线具有碳、氧和氮的特征，它们是炸药或麻醉品的主要组成部分。该装置利用D+T聚变反应产生一个14mev中子和一个α粒子，这两个粒子几乎是背靠背发射的。然后通过测量相关联的α粒子推断出中子的方向和飞行时间，用20多块直径5英寸的Nal晶体与闪烁液体作探测器，可测出集装箱中各部位的碳、氢、氧、氮成分比例，从而判定有否炸药或毒品。

3、放射性物质的探测

对于由放射性物质与炸药组成的脏弹类武器，测量其γ放射性是最直接的方法。由于自然环境中存在天然放射性本底，因此检查仪器应迅速排除周围物质的天然放射性贡献。对于铀和钚，可测量其自身发射的中子，或用中子源激发产生的次生中子或γ射线。

国外对辐射探测技术的新发展主要体现在探测设备的便携性、隐蔽性、和分辨率上，代表性产品有美国的RadEyeSPRD-GN和MP-100。

RadEyeSPRD-GN是美国赛默飞世尔公司(Thermo Fisher Scientific)2016年11月推出的一款新型手持高灵敏度辐射探测器，能同时探测伽玛射线和中子，响应速度快，两秒内即可报警，产品采用了新型探测材料氯化铯锂钇(CLYC)，集成脉冲分析技术，很容易区分人工放射性和天然放射性，可将背景中真正的中子与其他高能粒子分开。

RadEyeSPRD-GN(左)和MP-100(右)

MP-100是美国Rapiscan公司2016年2月研发的一款背包辐射探测设备，重量轻，隐蔽性强，整套设备封装在小型商务背包中，可同时检测放射性物质和核材料，伽马探测和中子探测切换使用，探测性能好，电池寿命长，可作为一个独立的辐射监测器使用，独立报警。

化生放核(CBRN)是恐怖主义背景下人类面临的一个共同威胁，其多样性和复杂性对CBRN威胁态势感知提出了新的挑战。为此，美国积极探索能够早期发现和感知CBRN的新技术路径，发展实时掌控国家重点地区乃至全国CBRN威胁态势的能力。在此背景下，2013年，美国国防高级研究计划局(DARPA)国防科学办公室(DOS)首次提出开展“西格玛”(SIGMA)项目，以应对美国当前面临的最大的国内安全威胁——核与放射性“脏弹”。

SIGMA项目计划

SIGMA项目研究的重要目标之一就是开发低成本、高效且可大范围部署的核探测装置。在2016年10月的一次测试中，使用了由日本Kromek公司开发的仅为智能手机大小的新型辐射探测器D3S，该探测器综合采用了两种先进探测技术，一是非氦-3紧凑型热中子闪烁探测器和掺铊的碘化铯晶体，二是硅光电倍增器的伽马探测器。探测器满足了SIGMA项目对低成本、携带方便、高灵敏度和使用寿命长等设计预期。试验还展示了D3S探测器实时检测伽马辐射和中子辐射能力，且初步建立了传感器网络，并实现了与手机网络的互联。

D3S探测器

SIGMA+是拓展SIGMA项目的增项计划，它以SIGMA项目为基础，将发展可用于整个城市化生放核爆(CBRNE)威胁的全谱、实时、持久、早期探测系统。根据2018年4月DARPA发布的公告(BAA)，SIGMA+项目共提出传感器、网络与分析、测试与评估三个重点发展内容，分成两个实施阶段。第一阶段重点是研究传感器、组网架构和自动分析功能;第二阶段重点是监测网络的整体集成。整个项目期间将贯穿进行系统模拟、试验和评价。其中，网络与分析任务分为两期实施计划：A期从2019财年第四季度(FY19Q4)到2021财年第四季度(FY21Q4)，共27个月;B期从2022财年(FY22)到2023财年(FY23)，为期24个月。

SIGMA+项目计划

总结：随着恐怖主义在世界范围内愈演愈烈，在公共场所对危险品进行有效检测已经成为各国政府的重要工作目标。本文介绍了几种常用的危险品核检测方法，在检测技术和设备应用方面进行了初步探讨。X射线检测是目前最成熟也是应用最多的危险品检测方法，中子和γ射线检测技术正在受到越来越多的重视，是未来核检测技术的发展方向。美欧在核检测技术方面走在世界前列，美国为了应对核生化威胁，提出了着名的SIGMA计划，在全国范围内检测放射性物质。