EDXRD安檢系統衍射譜數據庫的仿真研究

王麗曉 陳異凡 徐捷 王新 穆寶忠

文章編號： 1005-5630（2018）06-0029-07

摘要： 能量色散X射線衍射（EDXRD）系統在安檢領域具有重要的應用前景?；谀芰可射線衍射原理，以ICDDJCPDS數據作為初始能譜信息，分析了X射線光源、系統結構、探測器分辨率及物質衰減效應對衍射能譜的影響，建立了與系統特性相對應的衍射譜仿真模型。利用該模型，仿真了不同結構參數EDXRD系統的衍射譜，仿真譜和實際測量結果吻合。在此基礎上，仿真了海洛因和NH4NO3在不同晶體結構下的衍射能譜，為EDXRD安檢系統的識別數據庫提供了一種有效的構建方法。

關鍵詞：

能量色散X射線衍射; 數據庫; 仿真; 能譜分辨率; 安檢

中圖分類號： O 434.13文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.005

引言

毒品、爆炸物等違禁品嚴重危害人類健康和社會安全，高效、精確的檢測技術是查緝此類違禁品的關鍵。傳統的X射線雙能透視方法依賴物質的有效原子序數和密度進行查緝，很難區分毒品、炸藥等違禁品和其他日用品。常見的毒品和炸藥，例如海洛因、可卡因、冰毒、TNT、C4塑膠炸藥等[1-3]，其分子為多晶體結構，而日用品的分子多為無定形結構。因此，通過測量X射線衍射譜能夠從分子結構上實現對違禁品和日用品的精確識別[4-5]。能量色散X射線衍射（energy dispersive X-ray diffraction，EDXRD）采用寬光譜X射線作為入射光，結合半導體能譜探測器測量衍射能譜，相對于角度色散X射線衍射而言，EDXRD具有集光效率高、入射單元及探測單元位置固定、儀器構造簡單等優勢，是對毒品、爆炸物等精確檢測和識別的有效手段。

對于EDXRD技術，衍射能譜是物質識別的“指紋”[6]，每種特定晶體結構的物質均具有唯一的衍射能譜，大量物質的衍射能譜組成識別數據庫。實際應用中，某種物質的實測能譜與數據庫中的能譜進行比對達到識別的目的[7]，因此，構建精確的、完整的數據庫是決定能否識別和識別精度的關鍵。目前常見的數據庫構建方法主要有兩種：1） ICDD（International Center for Diffraction Data）JCPDS（The Joint Committee on Powder Diffraction Standard）數據庫。該數據庫是基于傳統的角度色散X射線衍射（ADXRD）測量得到[1]，數據庫包含了大量物質的衍射數據，數據完整且方便獲取。但是，由于ADXRD和EDXRD原理及結構的不同，ICDD-JCPDS數據無法反映EDXRD系統結構、光源輻射譜分布、探測器分辨率等因素對衍射能譜的影響[8]，與實測結果差距較大。2） 實測能譜構成數據庫[9]。實驗數據彌補了ICDDJCPDS構建數據庫的不足，但是，由于毒品和爆炸物等違禁品多為人工合成品，種類繁多且均具有不同的化學組分和晶體結構。因此，依靠實驗獲取大量違禁品的衍射能譜十分困難，這導致建立的數據庫不完整，從而影響了檢測的準確率。

因此，本文提出了基于仿真的EDXRD安檢系統衍射譜數據庫構建方法?；谀芰可射線衍射原理，建立了與EDXRD系統特性相對應的衍射譜仿真模型，對SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進行了計算，并通過衍射實驗對仿真結果進行了檢驗。在此基礎上，計算了典型違禁品海洛因和NH4NO3在不同晶體結構下的衍射能譜。通過該仿真模型可以構建精確、完整的衍射能譜數據庫，這對于提高違禁品檢測的準確性，豐富查緝物質的種類具有重要的意義。

2模型實驗檢驗

2.1實驗裝置

實驗采用鎢靶X射線光管（Varian，NDI22522）產生高能寬光譜X射線，工作電壓和電流分別是80 kV和10 mA。采用高原子序數鎢鋼合金準直X射線從而產生細光束。探測器為高分辨率CdTe能譜探測器（AMPTEK，XR100TCdTe），晶體面積為25 mm2，在60 keV時能量分辨率為0.6 keV。在實驗過程中，對衍射信號的采集時間為60 s。本文采用了兩組實驗參量對SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進行測量，驗證仿真模型的精度，具體實驗參數如表1所示，實測的X射線光管輻射譜如圖4所示。

2.2結果及討論

實驗參數如表1所示，選取SiO2作為檢測樣品。ICDD-JCPDS數據、模型仿真衍射能譜及兩組系統結構的實驗結果分別如圖5和圖6所示。

圖5和圖6顯示，SiO2的仿真能譜和實測能譜的能量分辨率（ΔE/E）分別是0.032 1和0.035 9。對同一種樣品而言，相同厚度情況下，仿真能譜和實驗能譜的衍射峰對應的能量、峰峰間距以及衍射峰的強度、展寬基本一致。

為了進一步驗證模型對于多晶結構物質衍射能譜仿真的精確度，采用撲熱息痛藥品作為實驗樣品進行了衍射實驗。實驗參數如表1所示。ICDDJCPDS數據、模型仿真衍射能譜及兩組系統結構的實驗結果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，撲熱息痛的仿真能譜和實測能譜的能量分辨率（ΔE/E）分別是0.041 2和0.037 6。在高能段，例如42 keV，仿真數據和實測能譜的強度一致，但是與ICDDJCPDS能譜的強度差異較大，這是由于鎢靶X射線源在高能段輻射強度降低造成的。上述結果顯示，通過該仿真模型所得到的衍射能譜可以用來構建EDXRD系統物質識別的能譜數據庫。

基于仿真模型，計算了典型違禁品（海洛因、NH4NO3）在表1結構參數時的衍射能譜，如圖9和圖10所示。其中取最常見的毒品海洛因作為樣品，由于存在不同的空間群，在ICDD-JCPDS中存在著不同的衍射數據，圖9給出的是海洛因的兩種空間群的仿真譜，圖中空間群1是P212121[19]，空間群2是P21/n[14]。同理，取常見的爆炸物NH4NO3作為樣品，仿真結果如圖10所示，圖中空間群1是Pccn[56]，空間群2是Pbnm[62]。根據仿真結果可以看出，諸如海洛因、NH4NO3等違禁品，雖然為同一種物質，但是由于晶體結構上的差異，衍射能譜會有很大的區別。因此，對于大量的違禁品，完全通過實驗實測衍射能譜的方法來構建數據庫是很困難的，而仿真的方法可以構建精確、完整的識別數據庫。

3結論

本文針對傳統的數據庫構建方法的不足，提出了基于仿真的能量色散X射線衍射數據庫構建方法?；谘苌湓?，建立了系統仿真模型，對SiO2和撲熱息痛的衍射能譜進行了計算，并通過衍射實驗對仿真結果進行了檢驗。在此基礎上，計算了典型違禁品海洛因和NH4NO3在不同晶體結構下的衍射能譜，為數據庫的構建提供了必要的數據。仿真和實驗結果顯示：仿真能譜與實驗結果在能譜展寬和強度分布兩個關鍵參數方面基本一致。通過仿真的方法可以構建精確、完整的衍射能譜數據庫，這對于提高違禁品檢測的準確性、豐富查緝物質的種類具有重要的意義。

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（編輯：劉鐵英）