【摘要】 在本文中，我们提出了一个经济前景的XRD层析成像机场安全设计。

在本文中，我们提出了一个经济前景的XRD层析成像机场安全设计。一个关键的要求是减少XRD扫描时间，以便与已经广泛使用的CT扫描方式保持一致，同时将任何新的硬件成本保持在最低限度。由于这些实际的限制，XRD数据的分辨率将是有限的，但仍然比单独的CT信息更丰富。通过多能成像，CT最多可以提供每种材料的两个数字，例如密度和有效原子序数。如果X射线衍射模式能够为每种材料提供至少一个额外参数，它将已经导致威胁探测能力的显著改善。在这里，我们不关心计算速度，因为计算机硬件如GPU(图形处理单元)和云服务的价格继续下降，而X射线成像组件如源和检测器的价格是相对固定的。换句话说，我们打算严重依赖计算，而不是昂贵的高质量成像硬件。

 

借鉴以前的一些设计，我们将使用多色扇形光束和二维能量分辨探测器。一个关键的新颖之处是，我们的探测器将不会有任何分界线，可以是准直器或编码孔径。据我们所知，这是XRD层析成像可达到的最高通量。尽管如此，衍射光子计数仍将非常低，我们将通过对重建的CT数据进行图像分割处理来解决这个问题(这些数据自然具有更高的计数)。分割的目的是通过将手提箱细分为少量不同的材料，减少XRD重建的未知数我们去掉了编码孔径，使用了更多的视图，并安装了更多的探测器像素。

 

一个手提箱将被照亮一片一片(在2D)，因为它在传送带通过成像平面旅行。计算工作流程如下:

 

第一步:传输(最先进的)

使用x射线传输数据进行多能量X射线计算机断层成像(MECT)重建。这个步骤在机场被广泛使用，并且是实时的，参见参考文献。

 

步骤2:细分(最先进的)

应用图像分割识别有意义的物体。如果同一个手提箱中的多个物体具有相同的密度和原子序数，我们可以假设它们是由相同的材料制成的，从而进一步减少了用于XRD重建的未知数。未知数是分割图像中每种独特材料的衍射图案。

 

步骤3:转发模型(本文)

利用MECT的空间分辨X射线衰减，以及对扫描器几何形状和光谱特性的充分了解，建立了预期XRD信号的正演模型。此步骤是本文的关键重点，将在下一节中介绍。

 

步骤4:重建(最先进的技术)

重建XRD图像，即找到与观测数据最一致的每种材料的衍射图样。

 

步骤5:指纹识别(待完成，细节可能是专有的和保密的)

将重建的衍射图样与已知威胁和良性材料的数据库进行比较。有几个数据库可用于广泛的材料，包括国际衍射数据中心(ICDD)，无机晶体结构数据库，和晶体学开放数据库(COD)。如果重建的衍射图案与任何已知的威胁材料相符手提箱会被标记以便进行全面检查比如手动搜查。除了XRD以外，还可以提供其他信息(例如物体的大小和形状)，以及安全操作员可以获得的关于乘客、航班等的任何其他信息。

 

大纲

本文的新颖之处在于详细的XRD图像形成正演模型，这是整个成像工作流程的第3步。我们假设传输(步骤1)和分段(步骤2)已经实现。此外，我们假设所有相关的仪器参数(几何，源光谱，探测器响应等)是已知的。在本文中，所有输入都是确切已知的，而使用真正的扫描仪会有一些缺陷，导致XRD质量下降。通常的做法是应用各种校正(基于软件和硬件)，以及校准程序，以减轻不完善之处。评估所有这些影响如何影响XRD重建质量超出了本文的范围。

 

重建和指纹识别(步骤4和步骤5)也是我们的威胁检测工作流程中的关键阶段，需要进一步的工作，最显著的是收集在手提箱中发现的材料的大型数据库，以及可能的威胁。在本文中，我们只是简单地触及这两个主题，只是足以说明用我们的设计检测威胁在原则上是可能的。在后处理领域需要更多的努力来增加扫描仪的商业吸引力。

 

我们的XRD正演模型的起点如图1所示。这个例子中的空间分辨率是像素(实际上是可变的，取决于MECT功能)。源和探测器围绕这个感兴趣区域(ROI)旋转，如图2所示，虽然更复杂的安排，如MFXS也可以适应。在本文中，我们只使用一个2D切片(在将来的开发中，应该将多个切片组合在一起，以增加每种材料的光子计数)。切片是由被照亮的楔形物的厚度定义的(见图3)，它是非零的，因此2D“像素”从此将被称为体素，即使它们只有一层。

 

图一，XRD层析成像原型。我们展示了一个手提箱模型的二维切片，我们假设(1)用MECT重建，(2)分割成有意义的物体，(3)分组成不同的材料。利用这些信息和模拟的噪声XRD信号，我们重建了每种未知材料的衍射图样，并将它们指纹输入已知材料的数据库。因此，XRD断层扫描图像在几何学上与MECT相同，但是具有更丰富的图例，为每个对象分配特定的材料，如下面的颜色条所示。XRD增强图像比标准MECT提供的密度和有效原子序数更能提供信息。

 

 

 

在这项工作中，我们已经展示了如何识别多种材料从一个大的模型使用XRD层析成像。该设置基本上与风扇束MECT相同，但在风扇的一侧(或两侧)增加了一个探测器。只有衍射光子才能到达这些区域，如果没有探测器，它们携带的信息就会丢失。在这种设计中，除了扇束MECT所需的准直器外，没有其他的准直器，从而产生了尽可能高的XRD光子通量。单独使用透射，MECT只能产生每个体素两个数字(光电系数和康普顿系数)。我们的重建，虽然远离质量的小样本实验室XRD，提供了更多的信息，而不仅仅是两个数字。

 

总之，在现有的CT扫描仪上安装一个XRD成像附件是可行的，并且能够以低成本安装一两个额外的探测器和开发合适的重建软件来提供独特的、特定材料的信息。

 

1.Korolkovas, A. Fast X-ray diffraction (XRD) tomography for enhanced identification of materials. Sci Rep 12, 19097 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23396-2.

 

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