X射線背散射電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)與研究

摘" 要：X射線背散射成像儀是一種基于康普頓散射效應(yīng)，采用射線探測(cè)與成像技術(shù)的輻射成像檢查儀器。在X射線背散射成像儀的研制中，一套可以準(zhǔn)確獲取散射射線信息的電信號(hào)采集電路是背散射成像儀獲得高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵。為了設(shè)計(jì)出更加適合X射線背散射成像儀使用的電信號(hào)采集電路，該文針對(duì)X射線背散射成像儀中康普頓散射射線特征，提出電信號(hào)采集電路的2種設(shè)計(jì)方案，一種是采用脈沖計(jì)數(shù)模式，另一種是采用電荷積分模式。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，該文分析不同采集電路設(shè)計(jì)方案的影響因素，并將2種方案分別進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、硬件參數(shù)優(yōu)化調(diào)整和電信號(hào)采集對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，電荷積分模式信號(hào)采集方案可以有效提升采集電路輻射信號(hào)采集率，提升X射線背散射成像儀的關(guān)鍵指標(biāo)和成像質(zhì)量，更加適用于背散射成像儀，從而實(shí)現(xiàn)X射線背散射成像儀電信號(hào)采集電路優(yōu)化設(shè)計(jì)與模塊化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：X射線背散射成像儀；電路設(shè)計(jì)；計(jì)數(shù)模式；積分模式；理論分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TL81" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）25-0129-04

Abstract： X-ray backscatter imaging device is a kind of radiation imaging instrument based on Compton scattering effect and using X-ray detection and imaging technology. In the development of X-ray backscatter imaging device， a set of electrical signal acquisition circuit which can accurately obtain scattered ray information is the key for backscatter imager to obtain high quality images. In order to design an electrical signal acquisition circuit which is more suitable for X-ray backscatter imaging device， according to the characteristics of Compton scattered rays in X-ray backscatter imaging device， two design schemes of electrical signal acquisition circuit are proposed in this paper. One is pulse counting mode， the other is charge integration mode. According to the design scheme， this paper analyzes the influence factors of different acquisition circuit design schemes， and carries on the circuit design， hardware parameter optimization adjustment and electrical signal acquisition contrast test experiments of the two schemes. The comparative test results show that the charge integration mode signal acquisition scheme can effectively improve the radiation signal acquisition rate of the acquisition circuit， improve the key index and imaging quality of the X-ray backscatter imaging device， and is more suitable for the backscatter imager. Thus， the optimal design and modular application of the electrical signal acquisition circuit of X-ray backscatter are realized.

Keywords： X-ray backscatter imaging device; circuit design; counting mode; integral mode; theoretical analysis

近年來(lái)，國(guó)際局勢(shì)動(dòng)蕩不安，俄烏沖突、巴以沖突造成世界多個(gè)地區(qū)安全局勢(shì)愈發(fā)緊張，突發(fā)公共安全事件日益增多，恐怖襲擊不斷發(fā)生。2024年3月22日，俄羅斯莫斯科近郊“克羅庫(kù)斯城”音樂(lè)廳發(fā)生槍擊事件，截至4月7日，該起事件導(dǎo)致145人死亡。人們對(duì)社會(huì)安全的關(guān)切愈加強(qiáng)烈。如何有效打擊恐怖襲擊、防范突發(fā)公共安全事件成為當(dāng)前各國(guó)面臨的重大安全挑戰(zhàn)。

通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效的安全檢查是有效防范突發(fā)公共安全事件，保障社會(huì)安全穩(wěn)定的重要手段。X射線背散射成像儀是一種基于康普頓散射效應(yīng)，采用射線探測(cè)與成像技術(shù)的輻射成像檢查儀器。X射線背散射成像儀不僅可以穿透被檢物品表面實(shí)現(xiàn)物品內(nèi)部成像，還可以對(duì)毒品、爆炸物等低原子序數(shù)、高電子密度的材料實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)靈敏度，具有很好的成像顯示效果，同時(shí)兼具低輻射泄露等優(yōu)點(diǎn)。因此，X射線背散射成像儀成為安檢領(lǐng)域重要的安全檢查儀器，尤其適合反恐、緝毒檢查等應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)毒品、爆炸物等違禁品的快速檢測(cè)。

X射線背散射成像儀的前端電信號(hào)采集電路對(duì)背散射成像儀的成像質(zhì)量有著決定性作用。一套低噪聲、高采集效率的電信號(hào)采集電路可實(shí)現(xiàn)輻射信息的準(zhǔn)確獲取，進(jìn)一步提升X射線背散射成像儀的成像質(zhì)量。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，背散射成像儀的前端電信號(hào)采集電路屬于核電子學(xué)研究范疇，是一套將輻射探測(cè)器輸出的小信號(hào)進(jìn)行放大、測(cè)量的電路。在核電子學(xué)中，輻射探測(cè)器前端電信號(hào)采集主要有2種電路可供選擇，一種是脈沖計(jì)數(shù)型電路，一種是電荷積分型電路。本文在對(duì)這2種采集電路進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)電路設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、信號(hào)采集與背散射成像測(cè)試，進(jìn)一步對(duì)比分析了2種采集電路在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣，優(yōu)選了電荷積分型電路作為電信號(hào)采集電路，應(yīng)用于X射線背散射成像儀，取得了更高質(zhì)量的成像效果。

1" 理論分析與電路設(shè)計(jì)

背散射成像技術(shù)所依據(jù)的基本原理是康普頓散射效應(yīng)。射線和物質(zhì)相互作用包括了3種作用效應(yīng)，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和形成電子對(duì)效應(yīng)。其中在康普頓效應(yīng)中，輻射光子與原子的外層電子發(fā)生碰撞，一部分能量傳給電子使它脫離原子射出而成為“反沖電子”，同時(shí)光子損失能量并改變方向而成為“散射光子”。圖1為康普頓效應(yīng)示意圖。圖中hv及hv2為入射與散射光子能量，θ為散射光子與入射光子間夾角，稱(chēng)作“散射角”，γ是反沖電子與入射光子的夾角，稱(chēng)作“反沖角”。

根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)入射光子hv能量一定時(shí)，隨著散射角θ的不同，散射光子能量也不同。而對(duì)不同入射光子能量，180°反散射光子能量變化不大，如果入射光子能量為200 keV，通過(guò)計(jì)算可得散射光子能量集中在100 keV左右。而本次測(cè)試所用射線源高壓為220 kV，所發(fā)出的X射線平均能量更低，對(duì)應(yīng)散射光子能量主要集中在40～100 keV。對(duì)于如此低的散射射線能量，需有一套適于低能量射線采集的電信號(hào)采集電路來(lái)完成散射射線光電轉(zhuǎn)換后的微弱電信號(hào)的準(zhǔn)確采集，即要求采集電路必須具有良好的信噪比和輻射強(qiáng)度準(zhǔn)確反映的特性。

如前所述，與輻射探測(cè)器適配的信號(hào)放大與采集電路主要有2種。一種是脈沖計(jì)數(shù)型電路，一種是電荷積分型電路。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，脈沖計(jì)數(shù)型電路可以實(shí)時(shí)反映和測(cè)量輻射脈沖信號(hào)的時(shí)間特性和脈沖特性，同時(shí)由于計(jì)數(shù)型電路脈沖寬度可以調(diào)制到很窄，從而實(shí)現(xiàn)高計(jì)數(shù)率情況下的輻射強(qiáng)度測(cè)量，具有快速采集和高計(jì)數(shù)率輻射強(qiáng)度測(cè)量等方面的優(yōu)勢(shì)。而電荷積分型放大電路，由于其輸出信號(hào)幅度幾乎正比于輸入電流對(duì)時(shí)間的積分，可以更加真實(shí)反映輻射的計(jì)量特性，同時(shí)還兼具有良好的信噪比。對(duì)比來(lái)看，如果采用脈沖計(jì)數(shù)型采集電路，則可以實(shí)現(xiàn)高計(jì)數(shù)率采樣，保障采樣充分性，而電荷積分型電路則在不考慮時(shí)間與脈沖特性的情況下，采樣充分性和信噪比都可以得到保障。X射線背散射輻射信號(hào)兼具高計(jì)數(shù)率、低能量等特征，不僅需要快速充分地采樣，還需要更好的信噪比。因此，選用電荷積分型電路預(yù)計(jì)會(huì)有更好的表現(xiàn)。

在理論分析的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證、對(duì)比2種不同采集電路的差異和適用性，優(yōu)選出更加適合X射線背散射成像儀的電信號(hào)采集電路，分別設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了脈沖計(jì)數(shù)型和電荷積分型2種采集電路，并分別接入背散射成像儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行了背散射成像實(shí)驗(yàn)與成像性能測(cè)試。

脈沖計(jì)數(shù)型電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

如圖2所示，N3為運(yùn)算放大器，和R8、R11構(gòu)成反向電壓信號(hào)放大電路，將光電倍增管負(fù)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成正脈沖信號(hào)。再經(jīng)過(guò)C9將信號(hào)耦合到第二級(jí)反向放大電路，和R10、R12構(gòu)成反向電壓信號(hào)放大，輸出負(fù)脈沖信號(hào)。再經(jīng)過(guò)第三級(jí)反向放大，輸出正脈沖信號(hào)。N8為比較器，R2、R5構(gòu)成信號(hào)比較閾值。經(jīng)過(guò)R23的脈沖信號(hào)大于該閾值時(shí)，比較器輸出負(fù)脈沖信號(hào)。

電荷積分型電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

如圖3所示，C13為電容積分器，U5為電荷積分運(yùn)算放大器，U3為放電開(kāi)關(guān)，U1為ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。光電倍增管輸出電流信號(hào)時(shí)，放電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)電荷信號(hào)被存儲(chǔ)在積分器里。電荷積分運(yùn)算放大器將積分器里的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。ADC轉(zhuǎn)換器將運(yùn)放輸出的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成位寬為16位的數(shù)字信號(hào)。

2" 電路測(cè)試與對(duì)比分析

設(shè)計(jì)好的2個(gè)版本電路原理圖進(jìn)行PCB布局布線、焊接加工、板卡調(diào)試后，分別接入背散射成像儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行掃描成像測(cè)試，并對(duì)比分析采用2種采集電路的掃描成像質(zhì)量和成像性能指標(biāo)。

2.1" 計(jì)數(shù)型采集電路測(cè)試

將計(jì)數(shù)型電路接入背散射成像儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，射線源工作參數(shù)設(shè)置為220 kV@10 mA，將采集電路比較器信號(hào)閾值設(shè)置為318 mV，進(jìn)行掃描成像測(cè)試，測(cè)試體采用GB 15208.5—2018《微劑量X射線安全檢查設(shè)備 第5部分：背散射物品安全檢查設(shè)備》中推薦使用的測(cè)試體。掃描圖如圖4所示。

在掃描圖中分別查看背散射空間分辨力、背散射穿透力等指標(biāo)和掃描圖像噪聲水平?？梢园l(fā)現(xiàn)背散射空間分辨力可基本分辨直徑為14 mm和12 mm寬聚乙烯線對(duì)，背散射穿透力在穿透6 mm鋼板后效果較差，掃描圖像噪聲水平明顯。

考慮到采集電路比較器信號(hào)閾值對(duì)圖像質(zhì)量和噪聲水平有一定影響，將該閾值逐步調(diào)降后，延用原測(cè)試體進(jìn)行掃描成像測(cè)試，在掃描圖像中發(fā)現(xiàn)背散射空間分辨力和背散射穿透力沒(méi)有明顯的變化，掃描圖像噪聲水平有所降低，被掃描車(chē)輛的輪廓更加清晰，圖像看起來(lái)也更加細(xì)膩。采集電路比較器信號(hào)閾值經(jīng)過(guò)精細(xì)化調(diào)節(jié)確定為98 mV，此時(shí)獲得了相對(duì)更好的圖像質(zhì)量。掃描圖如圖5所示。

2.2" 電荷積分型電路測(cè)試

將電荷積分型電路接入背散射成像儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，射線源工作參數(shù)設(shè)置為220 kV@10 mA，通過(guò)替換并選擇合適的積分電容C13，進(jìn)行掃描成像測(cè)試，測(cè)試體采用GB 15208.5—2018中推薦使用的測(cè)試體。掃描圖如圖6所示。

在掃描圖中分別查看背散射空間分辨力、背散射穿透力等指標(biāo)和掃描圖像噪聲水平?？梢园l(fā)現(xiàn)背散射空間分辨力可清晰分辨最小直徑為9 mm寬聚乙烯線對(duì)，背散射穿透力在穿透6 mm鋼板后聚乙烯測(cè)試卡輪廓清晰可見(jiàn)，掃描圖像噪聲水平較低。

2.3" 測(cè)試結(jié)果分析

從單個(gè)電路來(lái)看，脈沖計(jì)數(shù)型電路主要受電路電源噪聲、脈沖信號(hào)寬度、比較器信號(hào)閾值等因素影響。如果電路電源噪聲過(guò)大，導(dǎo)致低能量電信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的充分采集。如果脈沖信號(hào)寬度過(guò)寬，導(dǎo)致死時(shí)間變長(zhǎng)、脈沖信號(hào)堆積，難以實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確采集。比較器信號(hào)閾值則同樣會(huì)影響脈沖信號(hào)收集的完整性和準(zhǔn)確性，如果信號(hào)閾值太低，噪聲信號(hào)同樣會(huì)被收集，如果信號(hào)閾值太高，脈沖信號(hào)收集便不完整。本次對(duì)脈沖計(jì)數(shù)型電路的測(cè)試，重點(diǎn)通過(guò)調(diào)節(jié)比較器信號(hào)閾值優(yōu)化了圖像質(zhì)量。而電荷積分型電路主要需考慮積分電容的選取、積分時(shí)間的匹配等影響因素。積分電容的選取，如果電容值太小，則采樣信號(hào)容易飽和，無(wú)法準(zhǔn)確采集對(duì)應(yīng)輻射水平，導(dǎo)致背散射圖像質(zhì)量下降，如果電容值太大，則采樣信號(hào)沒(méi)有很好的區(qū)分度，同樣不利于成像質(zhì)量的提升。積分時(shí)間則同樣會(huì)影響采樣速率，從而影響設(shè)備的檢查效率。本次對(duì)電荷積分電路的測(cè)試重點(diǎn)通過(guò)調(diào)節(jié)積分電容優(yōu)化圖像質(zhì)量。本次對(duì)2個(gè)版本電路的測(cè)試主要通過(guò)對(duì)電路硬件參數(shù)的調(diào)節(jié)、替換與優(yōu)選，最終獲得了基于2種電路的較高質(zhì)量圖像。

在不考慮電路中硬件參數(shù)影響的情況下，對(duì)比分析了2種電路應(yīng)用于背散射掃描儀的成像效果。從測(cè)試體掃描成像效果來(lái)看，電荷積分型電路相比于計(jì)數(shù)型電路，其對(duì)應(yīng)的背散射空間分辨力和背散射穿透力等指標(biāo)均有明顯的提升。從圖像質(zhì)量來(lái)看，電荷積分型電路相比于計(jì)數(shù)型電路，掃描圖像噪聲水平明顯降低，圖像更加細(xì)膩，被掃描車(chē)輛的輪廓在圖像中更加清晰，圖像質(zhì)量明顯提升，測(cè)試結(jié)果符合理論分析預(yù)期。

3" 結(jié)束語(yǔ)

X射線背散射成像儀由于其對(duì)毒品、爆炸物等物質(zhì)具有良好的成像效果，被廣泛應(yīng)用于反恐、緝毒等多種安檢應(yīng)用場(chǎng)景。一套低噪聲、高采集效率的前端電信號(hào)采集電路對(duì)X射線背散射成像儀的成像質(zhì)量有著決定性作用。為此，本文首先提出了脈沖計(jì)數(shù)型和電荷積分型2種可用的X射線背散射電信號(hào)采集電路，并對(duì)這2種背散射電信號(hào)采集電路做了深入的理論分析，論述了脈沖計(jì)數(shù)型電路的電源噪聲、脈沖寬度、比較器信號(hào)閾值大小對(duì)成像質(zhì)量的影響。為了提高背散成像關(guān)鍵指標(biāo)性能和成像質(zhì)量，本文深入研究了積分型電信號(hào)采集電路方案，論述了積分電容的選取和積分時(shí)間對(duì)背散射成像質(zhì)量的影響。在此基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)并應(yīng)用脈沖計(jì)數(shù)型和電荷積分型采集電路進(jìn)行X射線背散射掃描成像測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：使用優(yōu)化硬件參數(shù)的積分型采集電路可以有效提升采集電路輻射信號(hào)采集率，進(jìn)而提升X射線背散射成像儀的關(guān)鍵指標(biāo)性能和成像質(zhì)量，具有明顯的實(shí)用價(jià)值。

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