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炉中铜

 
 
 

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男,贫下中农出身,根红苗正。初,学计算机于南京,后北伐,改学粒子物理。因导师收留,从事核成像伟大事业,本着物尽其才,人尽其用的原则,端茶倒水,保安保洁,偶尔也写写重建算法,稍稍知道点发射正电子成像。 空闲时喜欢乱看书,现在感兴趣的是计算机算法、图形学、并行等方面。也看点山海经之类的杂书。

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神奇的X射线——从北京安检说起  

2009-10-10 22:15:36|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、安检设备

这两年北京好事一桩接着一桩:去年北京奥运会世界瞩目,今年举国欢庆60年华诞。来自全国各地以及世界各国的人民蜂拥而至,共襄盛举,见证历史。虽然说我国正全面建设和谐社会,但人多了难免鱼龙混杂,总有那么一些不和谐的分子试图破坏社会主义建设事业。鉴于国外地铁恐怖袭击事件时有发生,保障公共交通安全甚为重要。

为此,政府在火车站和地铁口部署大量的安检设施来检测乘客的行李。大家带着行李进站的时候,都要放在那安检仪给过一下,然后在旁边连着的电脑上就看到你行李里面有什么凶器、暗器以及唐门毒药。当然大家都是守法公民,不会随身携带这些东西。

神奇的X射线——从北京安检说起 - 炉中铜 - 炉中铜

在海关也有类似的产品——集装箱检测设备,只是他们的功能更为强大:在不拆开巨大的集装箱的情况下,能够对集装箱做一个透视,将里面的物品尤其是非法走私物品看的清清楚楚。

这些安检设备好就好在可以不要拆封行李或者集装箱的情况下,知道里面的东西,专业的说法叫无损检测。要实现无损检测当然要计算机、电子学、机械、自动化等一大堆东西通力协助,不过本文要介绍的是这其中起核心作用的伦琴射线或者叫X射线。

二、伦琴和伦琴射线

伦琴是一个人,他是世界上第一个获得诺贝尔物理学奖的科学家。当然,他获奖的原因就是发现了伦琴射线,也就是本文的主角。神奇的X射线——从北京安检说起 - 炉中铜 - 炉中铜

故事是这样的,1895年11月8日,德国物理学家伦琴在做实验的时候(阴极射线实验,因不是本文重点,不做详述),发现荧光屏上发出微光。武侠小说里这种暗暗发光的肯定是什么宝物,倚天剑屠龙刀九阳真经之类的。不过伦琴先生是科学家,他想法自然不一样,他断定这是一种射线打在荧光屏上产生的,而且这是一种未知的射线,所以他把这种未知的射线取名为“X射线”,“X”我们都知道,方程里的未知数嘛。

伦琴先生自然紧抓不放,发了好几篇paper,请注意,这些是真材实料的paper,没有涉嫌抄袭和学术腐败。最重要的是他拿自己夫人的手用X射线拍了个照片,如下图所示。这张照片乍一看像是谁练了九阴白骨爪达到了最高境界,其实是是伦琴夫人的手完整的骨骼结构,貌似连无名指上的戒指都给拍出来了,暴露了她的婚姻状况。

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这个照片跟现在那些胸透什么的片子原理是完全一样的。伦琴同学也因此获得了这种射线的冠名权,拿到了世界上第一个诺贝尔物理奖,功成名就。最重要的是他的研究发现极大的影响了整个世界。科学家的荣耀莫过于此。

那么,伦琴射线到底是什么呢?X射线也是一种光线,只是这种特殊的光线不能被人的眼睛所能看见。众所周知,人眼所能看到的光分为七种::红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫(大家没事可以去看看彩虹,深刻感受一下,还可以拉个mm对着彩虹浪漫一下什么的)。还有很多光是眼睛看不到的,但是他们是客观存在的,(马克思说过:客观存在),比如X射线,如下图所示:

神奇的X射线——从北京安检说起 - 炉中铜 - 炉中铜

X射线,红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫什么的光相比最大的不同是光子能量高,所以它的一些性质也跟可见光不一样。比如,可以穿透一些可见光不能穿过的东西(当然,也有的光可见光能穿过而X射线不行)。一般的光弄个窗帘黑布可以挡住,更不用说人的身体,所以我们在太阳底下走的时候都有影子,就是这个道理(如果您在太阳底下走没影子,请赶紧联系网易探索频道)。X射线就不一样,人体一般的什么皮糙肉厚根本挡不住它,嗖嗖的就穿过去了;碰上了骨头、金属什么的密度大的东西才能把它给挡住。所以伦琴那张X射线的照片上看不到那些皮啊肉啊的,只能看到骨头和戒指。

 X射线跟可见光一样,能让那些相机的胶片感光。前文中所提到的手骨照片,就是X射线透射人手打在胶片上所成的像。

除了让胶片感光以外,X射线的光子可以为核物理学里面常用的一些探测器材料——如半导体、闪烁体材料或者钼靶——捕捉到,然后转变可见光信号,再经过一些光电转换的技术,变成了可以供集成电路和计算机处理的电信号,最后在计算机端处理形成数字图像。这是现在常见的X射线成像设备的重要依据之一。

常年接收X射线的照射会对身体造成一定的危害。当然,对于大多数人来说,每年接收的辐射量是在一个很安全的范围内的。

三、X射线成像设备工作原理

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X射线成像的这些东东都是利用X射线的穿透力来检查那些东西。基本上就以下这几个部分组成的,如下图所示:

X射线源:放出X射线来照被测物。

被测物:行李、集装箱、患者什么的,不同部位物质不一样,密度不一样,穿过的X射线强度也不一样

探测器:一个阵列的晶体或其他什么东西,用来探测穿过被测物的X射线的强度,

计算机和显示器:用来收集探测器上的信号,探测器不同位置接收到的X射线强度不一样,在计算机上用不同的灰度或者颜色来显示,呈现出透射后的图像,如下图所示:

神奇的X射线——从北京安检说起 - 炉中铜 - 炉中铜

不同的灰度对应不同的强度

但是,这样得到的图片只是一个二维的图片,而很多时候,我们更希望能够得到一个立体的图像,可以知道被测物体不同深度的信息。熟悉三维建模的朋友都知道,要制作一个三维模型需要多个角度的图像才能显示出立体效果(如下图所示):

 神奇的X射线——从北京安检说起 - 炉中铜 - 炉中铜神奇的X射线——从北京安检说起 - 炉中铜 - 炉中铜


 

同样,要想X射线成像设备能够获得3D的效果,也需要在多个角度透射来获取不同角度下的图像数据,如下图所示:

神奇的X射线——从北京安检说起 - 炉中铜 - 炉中铜

这样得到各个角度的图像数据再经过计算机上的一些重组和处理,最后就得到了3D的体数据。当然,这么做这机器就复杂了,检查的时间也久了。用来做CT可以,做地铁安检就不能这样了,时间也来不及了。

四、X射线成像设备在安检中的应用

说了这么多,可能大家知道了利用X射线超强的穿透性可以对一些物体成像。但还是会有一些读者有疑问,到底安检设备如何利用这些成像来识别那些危险品,比如传说中的“三品”的呢?

首先,正如前面所提到的,不同的物质对于X射线的阻挡作用是不一样的,比如皮肤和肌肉对X射线阻挡作用小,骨骼就能很容易的挡住X射线。这种不同的阻挡能力通常用更专业的名词叫“衰减系数”。不同的材料对于X射线的衰减系数是不一样的,而同一种材料对于X射线的衰减系数基本上是一个常数,而且可以事先通过实验获得。看到这里,大家就知道该怎么做了:利用安检设备可以大概知道被测物的衰减系数,就可以知道被测物是什么材料了。这门技术就是传说中的材料识别。我一个师姐正在某著名企业做这样的工作。

其次,危险物品如管制刀具、枪支弹药,都有固定的形状。利用安检设备看到被测物的轮廓,如果行李里面有AK47什么的,肯定能够清楚的看出来的。当然,如果犯罪分子一定要把AK47弄得变形成个变形金刚的话,可能安检人员也未必能识别出来。

现在的安检设备利用X射线可以检测各种各样的危险品、走私品、违禁物等。比如犯罪分子带着枪支过安检那一定是自投罗网的;带着毒品过安检那也是轻松查获;那带点汽油上地铁火车呢?现在的安检设备里都有液体检测的功能,可以识别出汽油的成分,然后那漂亮的安检mm一定会亲切地拦住你的。

当然,X射线成像设备不光用在安检,在医学、凝聚态物理、建筑、电子、考古、重工业乃至于航天都有很广泛的应用。限于篇幅,本文就不再介绍了。

五、向伦琴老先生致敬

总之,X射线成像设备的广泛应用,极大的影响了现代世界。发现X射线的伦琴如果能看到今天的情况,一定会大感欣慰。伦琴老先生已经含笑九泉,而X射线成像设备的应用空间依然很大,同志们还要继续努力啊。作为一种非常有效的通用检测手段,X射线成像技术将像电子电气、计算机等技术一样,为各行各业提供强大的支持。

 

 

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