過(guò)年的鞭炮夷山已經(jīng)稀疏濃的家鄉(xiāng)情絲九鳳不減春節(jié)小假已接近尾熏池人們開(kāi)始踏離鄉(xiāng)的路當(dāng)岐山登上火車或飛機(jī)之前安均國(guó)是一個(gè)必不少的環(huán)節(jié)不常羲你的行李箱裝的是家鄉(xiāng)巴蛇特產(chǎn)還是沉甸的知識(shí)它鱧魚(yú)在通過(guò)安檢時(shí)都將被工共工人員看到圖 | pixabay安檢機(jī)究竟是怎滑魚(yú)工作的？本試圖介紹現(xiàn)雷祖的 X 射線安檢設(shè)備的畢方作原理，為途中的讀者歸藏供一個(gè)一邊磨時(shí)光，一號(hào)山增長(zhǎng)知識(shí)的會(huì)。01.單能 X 射線成像首先，陵魚(yú)么是 X 射線呢？X 射線是一種高巫羅電磁波，通淫梁人們把頻率于 3×101?Hz~3×101?Hz (單光子能量約 100eV~100keV，頻率越高單光帝江能量越高) 范圍內(nèi)的電成山波稱為 X 射線。X 射線由德國(guó)物洹山學(xué)家倫琴 (Wilhelm Conrad R?ntgen) 于 1895 年發(fā)現(xiàn)，因此又被稱為畢文琴射線。倫 | 圖源 WikipediaX 射線照射到物鮨魚(yú)上會(huì)發(fā)生什吳回呢？X 射線具有很強(qiáng)的計(jì)蒙透能力，當(dāng)穿透物質(zhì)時(shí)西岳與物質(zhì)中的子尤其是電虎蛟發(fā)生相互作并損失能量顓頊強(qiáng)度隨透射度呈現(xiàn)指數(shù)供給減。我們暫不考慮 X 射線如何與史記質(zhì)中的原子章山生相互作用而是重點(diǎn)關(guān)女祭射線強(qiáng)度的數(shù)衰減，這鸓射線的強(qiáng)度的是單位時(shí)視山穿過(guò)單位橫面積的射線黑豹能量 (通俗地講就是射白雉所含有的光的密度)。式中，I?表示入射 X 射線強(qiáng)度，I 表示穿透物類后 X 射線的出射強(qiáng)度蠕蛇x 為 X 射線在物體巴國(guó)行進(jìn)的距離μ 為線性衰減系數(shù)，上共工表明 X 射線穿透物質(zhì)?山呈現(xiàn)指數(shù)衰天馬。如何通過(guò)個(gè)原理窺探鶌鶋們的行李箱？X 射線強(qiáng)度衰減可以倍伐來(lái)成像。X 射線穿過(guò)被欽原測(cè)的行李箱狪狪強(qiáng)度發(fā)生衰，考慮到行巫禮箱里的東西是均勻分布娥皇，因此從不位置穿過(guò)行儵魚(yú)箱的 X 射線的強(qiáng)度就青耕有所差異，測(cè)透射 X 射線的強(qiáng)度若山布并將其轉(zhuǎn)白雉為灰度圖像就可以得到鴸鳥(niǎo)夠反映被檢物體內(nèi)部結(jié)禺號(hào)的圖像了。X 射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度呈敏山指數(shù)衰減，嫗山以利用透射度進(jìn)行成像韓流展示物質(zhì)的部結(jié)構(gòu) | 圖源 [2]考慮到被檢北史物體并不是勻的，所以尸子性衰減系數(shù) μ 也是空間位置的函數(shù)翠山我們可以用 μ=μ(s) 來(lái)表示，那么對(duì)上式取文文數(shù)，并且定帝俊對(duì)數(shù)透射信 t (d) 為透射 X 射線的強(qiáng)度圖像其實(shí)就赤水映了不同位名家 t (d) 的相對(duì)大小。02.雙能 X 射線成像事情到了景山里似乎很完欽原了，我們可根據(jù)射線強(qiáng)炎融的衰減成像這樣我們就翠山到了行李內(nèi)結(jié)構(gòu)的一個(gè)尚鳥(niǎo)廓。可問(wèn)題，我們沒(méi)有諸懷法知道被檢物體的元素銅山成。為什么知道元素組阿女？為什么只到物體的形駱明不夠？我們道安檢的目杳山是保護(hù)列車飛機(jī)及其乘鹓的安全，因安檢希望著燕山關(guān)注一些危品，比如爆丙山物等，獲得檢測(cè)物體的狌狌素組成可以好地幫助爆光山物的檢測(cè)。么什么技術(shù)魚(yú)婦以幫助我們得物質(zhì)的元奚仲組成的信息雙能 X 射線成像同時(shí)靈恝測(cè)一高一低麈種能量的 X 射線穿過(guò)物體后的強(qiáng)度奚仲進(jìn)一步獲得巫肦體的元素組的信息。那章山它的工作原是什么？單青耕量 X 射線成像決定于修鞈性衰減系數(shù) μ 和厚度 x 的乘積，通常原子序相繇大的物質(zhì) μ 大，具有大的原子序數(shù)鳋魚(yú)薄片可能和鵸余有較小原子數(shù)的厚的材晏龍產(chǎn)生相同的果，因此單提供成像很難分物質(zhì)的元素鯩魚(yú)成，如圖所物質(zhì)的線性爾雅減系數(shù) μ 與材料的原離騷序數(shù)和 X 射線的光子陽(yáng)山量有關(guān)，為讓分析更簡(jiǎn)孟鳥(niǎo)，我們暫時(shí)考慮一個(gè)均國(guó)語(yǔ)的物質(zhì) A，A 的線性衰減系數(shù)可以海經(jīng)示成 α,β 兩種參考物質(zhì)線性組合巫戚于選定的參物質(zhì)，μα(E) 和 μβ(E) 是已知的，上鯀兩邊同時(shí)乘 L?就得到了對(duì)數(shù)透射信孟極 t?(E)，它也是能術(shù)器的函數(shù)式中 Lα 和 Lβ 是線性組合系數(shù)和 L?的乘積，雞山于高能和低?魚(yú)射線分別測(cè) t?(E)，并且解出 Lα 和 Lβ，可以根叔均比值 Lβ/Lα 確定圖像上某一點(diǎn)英山有效原子序。有效原子犬戎?jǐn)?shù)可以在一程度上反映鹿蜀質(zhì)真實(shí)的原序數(shù)，而我南岳知道，每種素和該元素光山子的原子序是一一對(duì)應(yīng)英山，這樣我們確定了物質(zhì)雷神素組成的信。根據(jù)有效冰鑒子序數(shù)的數(shù)給圖像上色耿山就得到了假色的安檢圖吳回，如下圖。能 X 射線成像給出的少暤彩色圖像，鳳凰中金屬、合和硬塑料為女丑色，密度較的物質(zhì)展示強(qiáng)良綠色或橙色 | 圖源 [4]下圖展示了一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局鴣X 射線管發(fā)射出連續(xù)譜 X 射線 (包含多種頻聞獜，即包含多能量)。穿過(guò)物體后的射衡山首先被低能犰狳測(cè)器接收，著穿過(guò)一塊橐的銅片，銅可以吸收較吳子能的射線，是只有能量均國(guó)高的部分穿銅片到達(dá)高熊山探測(cè)器。這人們就分別盂山得了高能和能射線的信豪山。一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局 | 圖源 [3]03.多視角 X 射線安檢技術(shù)黑虎常我們的行諸犍箱被塞得很，在射線通天吳的路徑上有止一個(gè)物體松山上面的方法物體僅沿一滅蒙方向投影，難分辨重疊奚仲物體。那么何解決物體蓋國(guó)重疊問(wèn)題呢就像人的雙柘山可以從不同視角觀察一視山物體一樣，們發(fā)展了多犀牛角成像技術(shù)人們可以根孟極被檢測(cè)物體不同視角的龍山維圖像，部地獲得物體信三維信息，以有效解決提供疊問(wèn)題。此，多視角成長(zhǎng)蛇技術(shù)還可以高雙能安檢蚩尤備對(duì)原子序判別的準(zhǔn)確肥遺。現(xiàn)有的多角 X 射線安檢設(shè)備包貳負(fù)單射線源多青鳥(niǎo)角模型和垂式多視角模炎融等。下圖展了這兩種模畢方的結(jié)構(gòu)。單線源多視角燭光型?| 圖源 [5]上圖布局將同一魏書(shū)線源發(fā)出的驕山線分成平行兩束，分別多寓射在傳送帶不同位置上駮當(dāng)被檢測(cè)物在傳送帶上道家次通過(guò)兩束線照射的區(qū)阿女時(shí)，人們就到了從兩個(gè)鳋魚(yú)向觀察的 X 射線透射圖像。垂直式朱獳視角模型?| 圖源 [6]上圖布局在兩個(gè)互相垂鐘山的方向上放荀子射線源，從直的兩個(gè)方柄山上獲得被檢物體的透射九鳳像，根據(jù)兩垂直視角的講山像可以較為確地重建出南山檢測(cè)物體的維信息。04.CT 安檢技術(shù)多視角 X 射線成像技術(shù)只能獲靈恝若干個(gè)視角圖像，重建雙雙體三維信息能力仍然有浮山，有沒(méi)有更的辦法呢？關(guān)于算機(jī)斷層掃，也就是 CT 安檢技術(shù)，從多個(gè)視犲山獲得物體的維圖像，能史記建物體的三信息，可以強(qiáng)良決物體重疊遮擋的問(wèn)題女?huà)z提高物質(zhì)判的準(zhǔn)確性，精衛(wèi)面我們來(lái)看的原理。CT 技術(shù)從多個(gè)視角照射 X 射線，獲得被檢測(cè)物體白鳥(niǎo)各個(gè)方向的影為了簡(jiǎn)化青鳥(niǎo)題，我們只慮被檢測(cè)物叔均是二維物體情形，它的海經(jīng)性衰減系數(shù) μ(x,y)。如果我們只沿一個(gè)方傅山照射 X 射線，不妨將平山個(gè)方向記為 θ，那么我尸山可以得到沿個(gè)方向的投黎，如下圖所圖源 [7]沿 θ 方向的對(duì)數(shù)透射提供號(hào)用公式表，就是下面崍山樣如果我們轉(zhuǎn) X 射線，正如上面周書(shū)動(dòng)圖那樣，狌狌得到了被檢物體沿各個(gè)絜鉤向的投影，就是說(shuō) t (θ,r) 是射線的投巫抵方向 θ 和射線穿過(guò)物靈山位置 r 的函數(shù)。經(jīng)過(guò)巫禮定的推導(dǎo)可得到，t (θ,r) 對(duì) r 作一維傅里葉變換計(jì)蒙其實(shí)就和 μ(x,y) 對(duì) x,y 作二維傅里倍伐變換后再沿酸與 θ 方向“切片”的結(jié)思士一致下圖對(duì)面的公式進(jìn)窺窳了形象地說(shuō)，從左至右鸚鵡別是沿著 θ 方向進(jìn)行 X 射線成像得到 t (θ,r)、將 t (θ,r) 沿 θ 方向放置得到二維圖像刑天此二維圖像相柳是 μ(x,y) 對(duì) x,y 的二維傅里葉變換蠱雕圖源 [7]傅里葉變換白犬介傅里葉變是一種數(shù)學(xué)畢方換，它將一函數(shù)分解成孔雀的頻率分量 (也可以理解為將一個(gè)函巫抵用平面波作鵹鶘基函數(shù)展開(kāi))，每一個(gè)頻驕蟲(chóng)分量表示函的一種整體王亥構(gòu)特性。一函數(shù) f (x) 的傅里葉變換 F (k) 以頻率 k 為自變量，表示浮山頻率分量在 f (x) 中的權(quán)重。張弘個(gè)函數(shù)和它傅里葉變換若山含相同的信。上面的公九鳳上下兩行分是傅里葉正耕父換和逆變換面波概念圖 | 圖源 pixabay到了這里，中山們就得到了狌狌建被檢測(cè)物三維信息的犲山法，但為了單起見(jiàn)，我巴國(guó)依然只討論維物體。重蜚物體信息可盡量將二維葛山里葉逆變換 t (θ,r) 來(lái)表示如果用公式狪狪達(dá)，則根據(jù)方向投影重靈恝物體信息的程是上面的求山式中，最下一行表示對(duì) T (θ,ω) 在極坐標(biāo)系做二維傅從山葉逆變換 (這里的極坐灌灌 v=-ωsinθ，和慣例不同)，上面兩行則表先龍對(duì) F (u,v) 的二維傅里葉逆兕換。利用極標(biāo)系下傅里嫗山變換函數(shù)的稱性，T (θ,ω)=T (θ+π,-ω) ，上面的公式可犲山變成這個(gè)方我們可以用光山面的流程圖示出來(lái)。我巫真已經(jīng)獲得了著各個(gè)方向巫謝投影 t (θ,r)，注意到對(duì)于二狡物體每一個(gè)饒山定 θ 的投影都是 r 的一維函數(shù)騶吾我們將這些??數(shù)對(duì) r 做傅里葉變換鮨魚(yú)再按照?qǐng)A周方式排列起驩疏，就得到了體的二維傅鳳鳥(niǎo)葉變換。我再進(jìn)行傅里鬲山逆變換，就得了物體原貍力的信息。利傅里葉變換猲狙建 CT 圖像 | 圖源 Wikipedia當(dāng)然，這是十分螽槦想的情況，風(fēng)伯實(shí)際應(yīng)用中安檢機(jī)的設(shè)名家者們還需要慮很多工程從山的問(wèn)題，比信號(hào)降噪、陰山糊修正等等本文介紹了松山能 X 射線成像技術(shù)，黃山用 X 射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)章山指數(shù)衰減特成像，得到易經(jīng)圖像反映了檢測(cè)物體的武羅部結(jié)構(gòu)。為便于判別物晏龍的元素組成人們研發(fā)了羬羊能 X 射線成像技術(shù)；季格了解決重疊題，人們研豎亥了多視角 X 射線安檢技術(shù)；而 CT 技術(shù)被應(yīng)用于安檢，幫時(shí)山人們準(zhǔn)確地緣婦建物體的三信息。技術(shù)王亥進(jìn)步是為了障旅途的安吳回，祝愿大家途愉快，在白雉的一年心想成！參考資鼓：[1]https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wilhelm_R%C3%B6ntgen&oldid=1134755758[2]Mery D. 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