当你登上火车或者飞机之前
安检是一个必不可少的环节
不管你的行李箱中装的是家乡的特产
还是沉甸甸的知识
它们在通过安检机时
都将被工作人员看到
图源 | pixabay
安检机究竟是怎样工作的？本文试图介绍现有的 X 射线安检设备的工作原理，为旅途中的读者提供一个一边消磨时光，一边增长知识的机会。
01.单能 X 射线成像
首先，什么是 X 射线呢？
X 射线是一种高能电磁波，通常人们把频率位于 3×10¹⁶Hz~3×10¹⁹Hz (单光子能量约 100eV~100keV，频率越高单光子能量越高) 范围内的电磁波称为 X 射线。
X 射线由德国物理学家伦琴 (Wilhelm Conrad Röntgen) 于 1895 年发现，因此又被称为伦琴射线。
伦琴 | 图源 Wikipedia
X 射线照射到物体上会发生什么呢？
X 射线具有很强的穿透能力，当它穿透物质时，与物质中的原子尤其是电子发生相互作用并损失能量，强度随透射深度呈现指数衰减。
我们暂时不考虑 X 射线如何与物质中的原子发生相互作用，而是重点关注射线强度的指数衰减，这里射线的强度指的是单位时间穿过单位横截面积的射线的能量 (通俗地讲就是射线所含有的光子的密度)。
式中，I₀表示入射 X 射线强度，I 表示穿透物质后 X 射线的出射强度，x 为 X 射线在物体中行进的距离，μ 为线性衰减系数，上式表明 X 射线穿透物质时呈现指数衰减。
如何通过这个原理窥探我们的行李箱呢？
X 射线强度衰减可以用来成像。X 射线穿过被检测的行李箱时强度发生衰减，考虑到行李箱里的东西不是均匀分布的，因此从不同位置穿过行李箱的 X 射线的强度就会有所差异，探测透射 X 射线的强度分布并将其转化为灰度图像，就可以得到能够反映被检测物体内部结构的图像了。
X 射线穿过物质时强度呈现指数衰减，可以利用透射强度进行成像，展示物质的内部结构 | 图源 [2]
考虑到被检测物体并不是均匀的，所以线性衰减系数 μ 也是空间位置的函数，我们可以用 μ=μ(s) 来表示，那么
对上式取对数，并且定义对数透射信号 t (d) 为
透射 X 射线的强度图像其实就反映了不同位置 t (d) 的相对大小。
02.双能 X 射线成像
事情到了这里似乎很完美了，我们可以根据射线强度的衰减成像，这样我们就得到了行李内部结构的一个轮廓。
可问题是，我们没有办法知道被检测物体的元素组成。
为什么要知道元素组成？为什么只看到物体的形状不够？
我们知道安检的目的是保护列车或飞机及其乘客的安全，因此安检希望着重关注一些危险品，比如爆炸物等，获得被检测物体的元素组成可以很好地帮助爆炸物的检测。
那么什么技术可以帮助我们获得物质的元素组成的信息？
双能 X 射线成像同时探测一高一低两种能量的 X 射线穿过物体后的强度，进一步获得物体的元素组成的信息。
那么它的工作原理是什么？
单能量 X 射线成像决定于线性衰减系数 μ 和厚度 x 的乘积，通常原子序数大的物质 μ 大，具有大的原子序数的薄片可能和具有较小原子序数的厚的材料产生相同的效果，因此单能成像很难分辨物质的元素组成，如图所示
物质的线性衰减系数 μ 与材料的原子序数和 X 射线的光子能量有关，为了让分析更简单，我们暂时先考虑一个均匀的物质 A，A 的线性衰减系数可以表示成 α,β 两种参考物质线性组合
对于选定的参考物质，μα(E) 和 μβ(E) 是已知的，上式两边同时乘 Lᴀ就得到了对数透射信号 tᴀ(E)，它也是能量的函数
式中 Lα 和 Lβ 是线性组合系数和 Lᴀ的乘积，对于高能和低能射线分别测量 tᴀ(E)，并且解出 Lα 和 Lβ，可以根据比值 Lβ/Lα 确定图像上某一点的有效原子序数。
有效原子序数可以在一定程度上反映物质真实的原子序数，而我们知道，每种元素和该元素原子的原子序数是一一对应的，这样我们就确定了物质元素组成的信息。根据有效原子序数的数值给图像上色，就得到了假彩色的安检图像，如下图。
双能 X 射线成像给出的假彩色图像，图中金属、合金和硬塑料为蓝色，密度较低的物质展示为绿色或橙色 | 图源 [4]
下图展示了一种双能 X 射线安检设备的布局。X 射线管发射出连续谱 X 射线 (包含多种频率，即包含多个能量)。穿过物体后的射线首先被低能探测器接收，接着穿过一块薄的铜片，铜片可以吸收较低能的射线，于是只有能量较高的部分穿过铜片到达高能探测器。这样人们就分别获得了高能和低能射线的信号。
一种双能 X 射线安检设备的布局 | 图源 [3]
03.多视角 X 射线安检技术
通常我们的行李箱被塞得很满，在射线通过的路径上有不止一个物体，上面的方法对物体仅沿一个方向投影，很难分辨重叠的物体。
那么如何解决物体的重叠问题呢？
就像人的双眼可以从不同的视角观察一个物体一样，人们发展了多视角成像技术。人们可以根据被检测物体的不同视角的二维图像，部分地获得物体的三维信息，可以有效解决重叠问题。此外，多视角成像技术还可以提高双能安检设备对原子序数判别的准确性。
现有的多视角 X 射线安检设备包括单射线源多视角模型和垂直式多视角模型等。下图展示了这两种模型的结构。
