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Linatron Mi6，用于货物检查的 X 射线源
译者：许剑波
自2008 年发现以来，Linatron Mi6 一直是用于货物检查的标准 X 射线源。它能产生隔行双能量（6MV 和 3.5MV）的X 射线脉冲，可以在一次货物扫描中对材料进行辨别扫描。它的脉冲间隔更长期并且稳定性得到了改善。使用 Linatron Mi6 作为 X 射线源，现在可以实现更连续的材料判别量表，而不是仅将材料分为四类：有机材料，无机材料，金属和高原子金属。其他高级材料区分功能包括虚拟层剥离和信任等级。能量敏感成像探测器可以扩展薄物体区域内的材料辨别力。虽然我们的 Linatron Mi9 Linatron 9MV 和 6MV X 射线脉冲的隔行脉冲提供了更好的材料辨别性能以及更好的射线照相性能，但由于成像系统尺寸增加和安全屏蔽成本较高，因此并未得到广泛使用。
关键字：X 射线；货物检验；物质歧视
1.简介
尽管双能量 X 射线（30kV 至 175kV）长期用于行李扫描和医疗应用，在1990 年代才首次尝试在多种 MV 能量和大型物体上进行应用在最近的十年中发展[。在此能量范围内，材料签名不那么强。自瓦里安（Varian）于 2008 年 8 月交付其首个 Linatron Mi6 隔行脉冲双能量 X 射线源以来，这种 X 射线源的广泛采用提供了重要的好处。已启用一遍材料
鉴别，并在某种程度上进行物料识别和自动检测。几百个由Linatron Mi6 提供动力的货物检查设备已在全球范围内安装。我们上次报告了 X 射线货物的现状和趋势在CAARI 2008 上进行检查。趋势包括改善成像性能，各种平台，材料并扩展到安全应用程序中。
本文介绍了 Mi6 Linatron 及其在货物检验中的应用。Linatron Mi6 生产6MV 和 3.5MV X 射线的隔行扫描脉冲，提供了传统材料的单次通过材料辨别能力线性阵列检测器。Mi6 基于 M6 组件，具有创新的系统架构。输出范围从大约 10rad / min 到 800rad / min，以适合各种货物检查平台和应用环境。多年来，我们提高了 Linatron Mi6 的短期（脉冲到脉冲）稳定性，并提高了更长时间内（在扫描的时间范围内）稳定性。光谱过滤性和能量敏感探测器的使用性进一步改善物质鉴别性能。 Mi6 Linatrons 在货物成像系统中实现了一些先进的材料识别功能，例如分层剥离和信任等级。
2. LinatronMI6
Linatron Mi6 于 2008 年开发，它为我们现有的 Linatron M6 增加了隔行扫描功能，是货物检查中使用最广泛的 X 射线源。自第一台生产单元于 2008 年 8 月交付以来，它已经成为货物检验的标准。现在有数百台设备正在运行当中。
2.1.系统说明和规格
与Linatron M6 相似，Linatron Mi6 是由 2.6MW S 波段磁控管供电的 RF Linac。它使用直立侧面耦合腔的电子波结构，并具有不固定的电子枪。磁控管和电子喷枪都由单线型脉冲发生器驱动。它有一个自动频率控制单元来维持腔和磁控管之间的频率匹配。在端口 3（RF 处有水负载）的循环器将来自加速器的反射磁控管与加速器腔隔离开。
Linatron Mi6 的标称 X 射线能量通常设置为 6MV 和 3.5MV，具有交错的 X 射线脉冲。以通过改变 RF 功率加速腔和电子枪的功率来产生隔行脉冲。轴向流量率通常设置在 10rad / min 至 800rad / min 之间。最大脉冲重复率为400pps.这些可以满足各种货物扫描平台的要求。移动单位通常使用较低的剂量，固定货物扫描站点通常使用较高的剂量率，因此需要部署更多屏蔽元件。
2.2.稳定性控制
光束不稳定性是 X 射线剂量输出的变化，通常与光束能量的变化有关。而剂量变化本身可以通过参考检测器进行校准，相关的能量变化会导致更多明显的成像伪影。特别重要的是，它可能导致不一致的物质区分结果。因此能量变化更难实时测量，我们在下面使用相关的剂量变化讨论。
能量和剂量的长期不稳定性（趋势变化）可追溯到 RF 组件和加速器腔体。温度升高会降低磁控管的输出并增加射频的插入损耗循环器。自动频率控制可以在很大程度上消除所有加速器腔体温度变化的影响。但是，当型腔具有不同的加热水平时，它并没有太大帮助。电子枪脉冲变压器也可能对温度敏感。短期不稳定（脉冲间变化）是可追溯的电噪声。触发脉冲时，有几种机制会导致 PFN 电压不一致。稳定性控制可将长期剂量趋势变化（下降）降低至 2-3％，并将短期剂量变化降低至小于 1％（1 个标准偏差）。这些稳定性提高了材料辨别性能，并使得材料辨别先进实用。
图1 显示了没有和有稳定性控制的 Mi6 装置的剂量下降与时间的关系。它以循环光束运行运行 2 分钟，每秒 279 个脉冲，关闭 1 分钟。剂量下垂从大约 8％提高到低于 3％。图 2 显示了短期剂量变化的改善。在这个例子中，低能量的剂量变化隔行扫描操作中的脉冲从 2.63％降低到 0.45％（1 个标准差）
图1。剂量随时间下降（a）没有稳定性控制；（二）具有稳定控制能力。
图2短期变化（a）和（b）6MV 脉冲，无和有稳定控制；（c）和（d）3.5MV 脉冲，不带有和带有稳定性控制
3.先进的材料辨别功能
在过去的十多年中开发了材料识别算法。我们的观察结果是，Linatron Mi6 的交错特性和光束稳定性水平为算法执行提供了必要的信息。在货物用料检验行业中，通常分为四类材料：有机材料，无机材料，金属和高原子序数金属。我们已经开发了一些更高级的材料区分功能。
3.1.连续与离散材料鉴别量表
材料区分使用双重能量签名来区分不同的材料。通常，材料鉴别结果使用伪彩色显示，色相表示材料类型.透射值代表强度强度，例如在数字射线照相中。业内常用的方法是分立材料识别，将所有材料归为少数几类，通常为 2-4 级。它通过排序工作将每个像素划分为适当的材质类。另一种方法是持续的物质识别，所有材料都以连续的比例放置。通过估算每个材料的连续物料编号来工作像素。
图3 显示了塑料，铝，钢和铅的 13 种不同组合的示例。每行是一个不同的物质识别模式。值得注意的是，在离散比例尺图像中，存在许多模糊的混合物–例如，检查员无法区分纯塑料还是带有一点点塑料的叠加铝。相反，在连续比例图像中，所有 13 个块均以连续比例着色。我们也显示连续刻度的三种形式。“自然”模式使用与数字广播相同的强度颜色和少量可察觉的色相。反之，“饱和”模式使用高度饱和的颜色，但会丢失一些强度信息。不幸的是，由于人类感知能力的限制和电子显示技术，目前无法显示完全饱和的色彩而不会损失强度信息。我们的“优化”模式是两者之间的一种很好的折衷之举，可以在实现很好的材料差异的同时仍在很大程度上保留结构信息的显示。同时它允许分层剥离。
图3离散与连续物质识别量表。
3.2.虚拟层剥离
混合判别在杂乱的货物中尤为重要，因为在这种情况下，两种材料会叠加在一起。
比如考虑图 4（a），该图显示了隐藏在钢屏蔽层后面的三块砖。由于屏蔽层比
隐藏的砖块更厚，所以这材料（砖块加上屏蔽层的混合物）主要都是钢，因此，根据设计，离散的材料鉴别将每种混合物归类为钢，检查员无法通过信息来判断是否有非钢材料隐藏在钢屏蔽后面。相反，连续的材料辨别能力能正确指示第一块砖比钢轻，第二块砖比钢重。另外，我们已经实施了一种虚拟剥离方法，其中将钢屏蔽层剥离以露出材料隐藏的对象。图 4（b）显示了货物杂乱的层剥落，包括一些钢质屏蔽层和托盘的水瓶，后面藏有各种砖块。虚拟层剥离能够揭示正确的每个隐藏块的材料。结构信息同时仍被保留。
a b
图4虚拟层剥离（a）具有均匀的背景对象；（b）具有复杂背景的物体
3.3.信任度
一般来说，对于薄材料，从双源能量获得的材料特征往往太弱，无法得到准确的材料识别结果；对于厚材料，可能没有足够好的光子统计数据来获得精确的材料识别结果。因此，一般来说，有一个有限的衰减范围，在这个范围内，物质识别可以适当地起作用。一个解决方案是我们称之为信任评级trade; 图像处理，它自动估计每一个材质判别结果的置信度，只对高置信像素进行着色。图5显示了一个示例。在图5b中，所有像素都是不加区分地着色的，因此图像包含一些有用的信息，但也包含许多随机和误导性的着色。在图5c中，应用信任等级的图像处理，并且仅对高置信像素进行着色。与持续的物质识别一起使用，这将得到准确、可重复和可信的物质识别结果。
图5信任度（a）数字射线照相；（b）初级的物质识别；（c）信任评级的物质识别
3.4.能量敏感探测器
对于某些安全应用来说，图5c所示的材料辨别性能就足够了，可穿透且大到足以引起兴趣的物体（如武器或走私货物）被适当着色。但是在其他情况下，识别更小的物体也很重要。
我们已经开发出能量敏感探测器，能产生额外的信息，以获得更精确的材料鉴别结果。图6显示了车辆上常规和能量敏感探测器的比较、故意装上了轻的东西。在图6a中，许多内容太薄，无法用Linatron Mi6和传统探测器进行精确的材料识别，因此图像处理是可信的，
选择不给这些内容上色。相反，使用能量敏感探测器，即使是最薄的物体也能正确识别，如图6b所示
图6 Mi6 （a）和传统探测器的材料鉴别；（b）具有能量敏感探测器。
我们的能量敏感探测器提供光谱信息有限，但它们仍然以集成模式工作，但不是光谱探测器。
4能量范围对检测性能的影响– Linatron Mi6 与 Mi9
最后，我们注意到，一般来说，所选择的光谱在很大程度上影响了材料辨别的性能。最常见的两种选择是Mi6和Mi9，它们分别产生交错的6/3.5MV和9/6MV x射线脉冲。Mi9具有对薄材料产生更强的材料特征和对较厚材料产生更好的穿透力的优点，因此在总体上给出了更好的材料识别结果。然而，由于具有更高的峰值光束、更高的光子能量和中子产额，基于Mi9的成像系统通常具有更大的占地面积和更高的屏蔽成本。因此，出于实际原因，军情六处受到青睐。图7显示了基于军情六处和军情九处的系统的类似货物扫描图像的比较，每个系统都使用传统的探测器。在漫长的道路上，军情九处是优势所在。在短路径（卡车驾驶室和货箱）上，Mi9优于传统探测器的Mi6，但不如带能量敏感探测器的Mi6。
图7（a）使用 Linatron Mi6 的货物识别；（b）使用 Linatron Mi9。
5总结
自2008年推出以来，Linatron Mi6一直是货物检验的标准x射线源。对于交错的6/3.5MV x射线脉冲，双源光谱为单通材料提供了良好的信息辨别扫描。开发了先进的材料鉴别功能，如剥落层、信任度和能量敏感探测器。层剥离利用射线照片中的结构信息来解决不太复杂情况下的重叠项。信任评级同时提供了重要的信息和可信度。能量敏感型探测器利用双源能量进一步增加光谱信息，提高材料识别性能。
6未来的工作
随着 MeV X 射线源和检测器技术的不断发展，有几个活跃的研究和开发领域需要继续以支持货物检查。基于 QMXS 的 NII 系统的清晰操作概念将有助于找出该技术中有待解决的空白。评估组合 QMXS 和 PDE 系统来识别威胁的潜力可能是有益的。例如，对于特别密集的负载， QMXS 可能更像是一种辅助筛选技术，它可以避免手动拆开集装箱来解决潜在威胁的费用。附加的蒙特卡洛输运分析将提供散射和噪声对两种源模型的影响的更完整比较。此类模型应通过经验测量进行验证。需要解决的另一个问题是，在密度较小的货物应用中，PDE 光谱中的低能光子是否会比 QMXS 为低 Z 材料（如药物和炸药）提供更高的对比度。
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