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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19097(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

X선 컴퓨터 단층촬영(CT)은 승객 수하물과 같은 대형 물체를 이미징하기 위해 상업적으로 확립된 방식입니다. CT는 양성 플라스틱, 유리 또는 경금속과 유사한 구성을 가질 수 있기 때문에 폭발물, 마약과 같은 위협을 식별하는 데 항상 충분하지 않은 밀도와 유효 원자 번호를 제공할 수 있습니다. 이러한 경우 X선 회절(XRD)이 위협을 식별하는 데 더 적합할 수 있습니다. 불행하게도 회절된 광자 플럭스는 일반적으로 투과된 광자 플럭스보다 훨씬 약합니다. 따라서 품질 XRD 데이터의 측정은 CT에 비해 느리며 이는 공항과 같은 잠재 고객에게 경제적 과제입니다. 이 기사에서는 CT 및 XRD 신호를 동시에 캡처하고 최소한의 시준을 사용하여 플럭스를 최대화하는 새로운 저가형 스캐너 설계를 수치적으로 분석합니다. 현실적인 장비를 시뮬레이션하기 위해 우리는 다색 스펙트럼, 검출기 및 모든 유한 크기 기하학적 요소의 해상도 제한 효과를 포함하는 순방향 모델을 제안합니다. 그런 다음 여러 개의 회절 물체가 있는 대형 팬텀에서 XRD 패턴을 재구성하는 방법을 보여줍니다. 우리는 합리적인 양의 광자 계수 노이즈(푸아송 통계)와 측정 편향(비일관적 산란)을 포함합니다. 우리의 XRD 재구성은 비록 낮은 해상도이기는 하지만 기존 CT 이미지에 재료별 정보를 추가하여 위협 탐지를 향상시킵니다. 우리의 이론적 모델은 보안, 의료 및 제조 품질 관리 분야의 애플리케이션을 위한 스캐너 설계를 더욱 최적화하는 데 사용할 수 있는 GPU(그래픽 처리 장치) 가속 소프트웨어에서 구현됩니다.

X선 컴퓨터 단층촬영(CT)은 넓은 관심 영역(예: 공항 보안 검색대의 여행가방)에 대한 X선 투과 측정을 기반으로 합니다. 여러 각도에서 이 측정을 수행한 후 물체의 3D 밀도를 수학적으로 재구성할 수 있습니다. 다중 에너지 CT를 사용하면 평균 조성(유효 원자 번호)을 3차원으로 추론할 수도 있습니다. 불행하게도 보안 응용 분야의 경우 위협 물질(마약, 폭발물)의 밀도와 원자 번호는 무해한 금속, 세라믹 및 플라스틱의 밀도와 원자 번호와 매우 유사할 수 있습니다. X선 회절(XRD)을 사용하면 훨씬 더 구체적인 재료 지문을 측정할 수 있습니다. 이는 수천 가지의 서로 다른 물질에 걸쳐 매우 뚜렷한 원자의 공간 배열에 매우 민감합니다. XRD는 결정의 주기적인 구조가 매우 날카로운 회절 피크를 발생시키기 때문에 결정을 식별하는 데 특히 적합합니다. 많은 위협이 실제로 결정체, 결정성 분말 또는 반결정성 화합물 물질(결정성 메스암페타민, 코카인 및 TNT 및 RDX와 같은 일반 폭발물)이기 때문에 이는 보안 검색에 유리합니다.

물질을 식별하는 능력은 재구성된 회절 패턴의 분해능에 따라 달라집니다. 공간적으로나 X선 에너지 스펙트럼 측면에서 긴밀한 시준을 통해 해상도를 높일 수 있습니다. 시준의 단점은 광자 플럭스1의 손실이며, 이를 보상하기 위해 긴 측정 시간이 필요하다는 것입니다. 따라서 해상도와 플럭스 간의 합리적인 균형은 경제적으로 실행 가능한 스캐너의 핵심입니다. 공간 해상도에 대한 고려 사항도 있지만 폭발물이나 마약이 담긴 여행 가방과 같은 가장 심각한 위협을 탐지하는 것이 목표인 보안 애플리케이션에서는 덜 중요합니다. 소량의 위협 또는 동일한 여행 가방에 들어 있는 다양한 작은 위협은 이 연구의 범위를 벗어납니다. 따라서 달리 명시적으로 언급하지 않는 한 공간 해상도보다는 회절 패턴의 해상도에 주의를 집중합니다.

실제 공항 보안 환경에서 얻은 좋은 해결 방법의 예는 Ref.2에 설명되어 있습니다. 그들의 작업 흐름은 두 대의 기계로 구성됩니다. 첫 번째는 잠재적인 위협 물체를 표시하기 위한 CT(컴퓨터 단층 촬영) 스캔과 두 번째는 X선 회절계를 통과하여 보다 구체적인 물질 특성을 제공하는 것입니다. 고해상도에서 물체의 XRD 패턴을 측정하기 위해 저자는 X선 빔 조리개를 얇은 연필 모양으로 제한했을 뿐만 아니라 좁은 범위의 산란 각도만 허용하도록 검출기 앞에 콜리메이터를 추가했습니다. 저자는 1.6kW에서 작동하는 X선관을 사용하여 53일 동안 4,182개의 승객 수하물 품목, 즉 시간당 3~4개의 품목을 스캔했습니다. 유사한 2단계 시스템인 XRD 3500이 여러 공항에 상업적으로 배포되었습니다3. 또한 콘빔 소스를 사용하는 또 다른 디자인이 Halo 기술에 의해 특허를 받았습니다4. 이러한 초기 성공 사례에도 불구하고 XRD 단층촬영이 상업용 항공에 광범위하게 채택되려면 속도, 비용 및 정확성의 추가 개선이 필요합니다.