一、简介

        X射线背散射成像（Backscatter X-ray Imaging）是一种利用X射线与物体相互作用的反射来生成图像的技术。X射线背散射成像利用X射线的反射特性，通过反射光强和散射角度来重建物体表面的图像。这种成像方式与传统的透射成像不同，后者主要依赖X射线穿透物体后的变化。背散射成像特别适用于表面检查和检测密度较低或不透明的物质。

二、背景

        它相较于传统的透射X射线成像（即X射线穿透物体后被探测器接收）有以下几个显著优点具有以下优势：

1. 无需透过物体：背散射成像不依赖于X射线透过物体，因此可以用于检查较为密集的物体或者不透明的物质，如金属或厚重的物体。
2. 适用于表面和外部结构检查：背散射成像主要用于检测物体表面的信息，能够很好地揭示物体外部的缺陷、裂纹、结构异常等。
3. 减少对操作环境的限制：相比传统X射线成像，背散射成像对被检测物体的厚度和密度的要求较低，因此在一些特殊环境下（如密闭的空间或者强电磁干扰区域）具有更好的适应性。
4. 较低的辐射剂量：由于是通过反射而非穿透，因此背散射成像在某些情况下比传统X射线成像需要的辐射剂量更低，减少了对被检测物体及操作人员的辐射暴露。
5. 便于集成到便携设备：背散射X射线成像设备通常比较紧凑，可以集成到便携设备中，这对于安检等应用非常有利，特别是在检查一些较为复杂的物品时，操作起来更加灵活。
6. 适合异物检测：背散射成像可以有效地检测隐藏在物体内部或接近物体表面的异物，特别是在安检领域中用于发现隐藏的危险物品或非法物品。
7. 高灵敏度对密度差异的响应：有机爆炸物通常具有较低的密度，这使得它们在X射线背散射成像中与周围材料（如金属外壳或包装）有明显的对比度差异。背散射成像技术能够通过探测到的反射信号差异，区分有机物爆炸物、毒品和其他常见物品。

三、基本原理

X射线背散射成像与X射线透射成像对比：

        X射线透射成像通过射线穿透物体后，在物体背面形成图像。不同材料对X射线的吸收程度不同，成像设备根据X射线的衰减量来重建图像。

        X射线背散射成像依赖于X射线与物体表面相互作用后反射回来（散射）的一部分信号。通过检测这些散射的X射线，可以获得物体表面或浅层区域的信息。常用于探测物体的表面特征或物体较小部分的结构。

        透射成像成像清晰：可以提供物体内部结构的详细信息。适用于较大或较厚的物体：特别是在需要查看物体内部结构时非常有效；对于高密度或厚度较大的物体，X射线可能无法完全穿透。

        X射线背散射成像：不需要对物体进行穿透，可以获取表面和接近表面的信息。适用于密封或不透明的物体：即使物体无法被X射线完全穿透，背散射成像仍然可以提供有用的成像信息。信息较少：只能获取表面或接近表面的信息，无法提供物体深层的详细数据。分辨率有限：通常无法提供透射成像那么高的分辨率。

        透射成像适合用于需要获得物体内部细节和结构的场景，尤其是在医学、材料科学等领域应用广泛。背散射成像则更多应用于表面分析和安检等场景，特别适合需要快速、非侵入性检查的情况。

        左图为双能透射安检机的成像，可以看到细节非常清楚，但是通过右边的背散成像后，显示到了手枪和水等穿透式设备忽略的图像。

X射线背散射成像的基本原理：

        X射线进入物体后，可以与物质中的电子、原子核发生相互作用，主要的相互作用类型包括：

        光电效应：X射线与原子中的电子碰撞并将其从原子中击出，导致X射线的完全吸收。康普顿散射（Compton Scattering）：X射线与物质中的电子碰撞，部分能量被转移给电子，X射线的方向和能量发生变化，造成散射。康普顿散射是背散射成像的主要基础。对产生（Pair Production）：在极高能量下，X射线与物质的原子核相互作用，生成电子和正电子对（在典型的X射线成像中不常见）。在背散射成像中，康普顿散射是最主要的相互作用形式。故我们讨论背散成像的基本原理时，仅讨论康普顿散射。

        康普顿首先将光子作为一种粒子来看待，以为它看起来就像粒子碰撞。被照射物体的外层电子与光子发生弹性碰撞（弹性碰撞产生的非弹性散射），电子获得光子的一部分能量而反弹，失去部分能量的光子则从另一方向飞出，整个过程中总动量守恒。在成像过程中通常反冲电子会被材料吸收，散射光子可能逃离材料被探测器捕获到。

        如下图所示，X射线从探测器的缝中射向物体的时候，会发生康普顿背向散射，将背散回来的X射线通过两块闪烁体进行接受，即可通过获取闪烁体的能量信号来测量背散回来的X射线能量，此时能够获取这个照射点的背散信号强弱（康普顿散射检测来自反方向（130° - 230°）物体的散射粒子）。

        由于康普顿效应取决于电⼦密度（康普顿效应的概率取决于吸收材料中每克电子的数量），低密度材料容易出现 X 射线背散射，⽽重⾦属（如 Fe、Cu、Pb、Ta、W）等⾼密度物质则不会出现背散射，这是在高密度物质中，光电效应占主导地位，X射线被吸收了很少被反射。这就是为什么背散成像对一些有机物和水比较敏感的原因。因此可以在成像中与穿透式成像形成查验的互补，或者无须X射线穿透检测，即可实现单面查验的方式。是辨别有机物质（如爆炸物、毒品、香烟和人体）的有效方法。

        如上图对车辆进行组合成像，使用背散射 X 射线成像突出显示隐藏的有机物威胁，使用透射 X 射线突出显示隐藏的武器。