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DE19954664B4 - Vorrichtung zur Bestimmung von kristallinen und polykristallinen Materialien eines Gegenstandes - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung von kristallinen und polykristallinen Materialien eines Gegenstandes Download PDF

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DE19954664B4 DE19954664A DE19954664A DE19954664B4 DE 19954664 B4 DE19954664 B4 DE 19954664B4 DE 19954664 A DE19954664 A DE 19954664A DE 19954664 A DE19954664 A DE 19954664A DE 19954664 B4 DE19954664 B4 DE 19954664B4
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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung von kristallinen und polykristallinen Materialien eines Gegenstandes in Objekten, vorzugsweise im Reisegepäck, aufweisend eine Beugungsvorrichtung, mit einer Kollimator- und Detektionsanordnung, mit wenigstens einem Kollimator und wenigstens einem Detektor, und einer darauf ausgerichteten Röntgenstrahlquelle, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) über Mittel (5) gegenüber der Röntgenstrahlquelle (12) höhenverstellbar und mit dieser synchron seitenverstellbar angeordnet ist, wozu die Röntgenstrahlquelle (12) über seitenverstellbare Mittel (6) geführt wird und die Mittel (5, 6) von einem Rechner gesteuert werden
– wobei die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) und die Röntgenstrahlquelle (12) in Betrieb der Vorrichtung zur Ermittlung eines Energiespektrums eines Gegenstandes (7, 8) in eine für diesen Gegenstand (7, 8) gültige Anfangsposition verfahren und danach die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) in der Höhe und gegebenenfalls seitlich synchron zur Röntgenstrahlquelle (12) geführt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von kristallinen und polykristallinen Materialien eines Gegenstandes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Um die Sicherheit beispielsweise des Luftverkehrs zu gewährleisten, ist es erforderlich, das Reisegepäck (Objekt) mit den Reisegepäckgegenständen (Gegenstände) durch den Einsatz modernster technischer Hilfsmittel insbesondere auf Explosiv- bzw. Sprengstoffe hin zu kontrollieren.
  • Insbesondere für die Suche nach Sprengstoffen kann das Verfahren der Röntgenbeugung verwendet werden, wobei eine an der Kristallstruktur gestreute Röntgenstrahlung gemessen und mit den charakteristischen Energiespektren beispielsweise der verschiedenen Sprengstoffe verglichen wird, so daß anhand dieser gemessenen Energien eine Aussage über das Vorhandensein eines Sprengstoffes sowie über das Sprengstoffmaterial im Objekt getroffen werden kann.
  • In der DE 195 10 168 A1 wird dazu eine Vorrichtung offenbart. Dabei wird an der Röntgenstrahlquelle mittels einer Blende ein Röntgenstrahlfächer erzeugt und auf einen Untersuchungsbereich eines zu untersuchenden Materials gestrahlt. Auf der der Röntgenstrahlquelle gegenüberliegenden Seite des Untersuchungsbereiches sind symmetrisch um die Achse des zentralen Röntgenstrahls in einer senkrecht zur Fächerebene des Röntgenstrahles verlaufenden Ebene schlitzförmige Kollimatoren angeordnet. Die Auswertung erfolgt über mehrere Detektoren über den gesamten durchstrahlten Untersuchungsbereich.
  • In der EP 0 354 045 A2 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren offenbart, bei dem gleichfalls ein Röntgenstrahlfächer erzeugt wird. Dieser durchstrahlt das zu untersuchende Objekt, wobei der Röntgenstrahlfächer an der Gitterstruktur des Objektes einer Beugung unterliegt, die als Energiespektrum von mehreren Detektoren aufgenommen werden.
  • Eine weitere Vorrichtung ist in der US 4,356,856 offenbart. Hierbei wird ein schmaler Röntgenstrahl (pencil beam) erzeugt und mittels einer rotierenden Rolle mit einem Spiralschlitz auf ein zu durchstrahlendes Objekt gegeben. Durch den Schlitz wandert der pencil beam quer über das zu untersuchende Objekt.
  • Die Nutzung eines Primärstrahls von geringem Querschnitt in einem Röntgengerät ist in der DE 41 01 544 A1 offenbart. Hierbei wird die aus dem Primärstrahl erzeugte Streustrahlung mit mehreren Detektoren und einer konzentrischen Kollimatoranordnung erfaßt.
  • In H. Strecker, „Automatische Gepäckkontrollen mit Röntgenstreustrahlung", Physik in unserer Zeit, 30. Jg. (1999) Nr. 1, S 31–34, ist das Prinzip der elastischen oder der kohärenten Streuung zur Detektion von Sprengstoffen und Schmuggelware offenbart. Hierbei wird, um ein zu untersuchendes Gepäckstück vollständig untersuchen zu können, das Gepäckstück auf einem Förderband mäanderförmig bewegt ist.
  • Nachteilig bei den vorgenannten Vorrichtungen ist, daß stets das gesamte Reisegepäckstück abgetastet bzw. abgescannt wird, um alle unzulässigen Reisegepäckgegenstände zu ermitteln.
  • Aus der DE 41 30 039 A1 ist eine Anordnung zur Erzeugung eines ausgedehnten Röntgenstrahlbündels bekannt. Hierzu ist ein Kollimator bekannt, der aus zwei rotationssymetrischen Begrenzungskörpern besteht. Der innere Begrenzungskörper hat dabei die Form eines Kegelstumpfes, dessen durch die Verlängerung seiner Mantelfläche gebildete Spitze auf einen Fokus zeigt. Der zweite Begrenzungskörper umschließt den ersten Begrenzungskörper, wobei seine Innenfläche die Form des Mantels eines Kegelstumpfes aufweist. Diese Anordnung dient u.a. zur Vergrößerung der von der Röntgenstrahlung getroffenen Fläche.
  • Aus der DE 197 45 669 A1 ist eine Justiervorrichtung bekannt, bei der zur Justage einer Neutronenquelle und eines Detektors diese zum Objekt ausgerichtet und dazu entlang mehrerer Achsen verschoben werden können. Bei unterschiedlichen Objekten erfolgt die Justage von Hand stets neu.
  • Die DE 39 09 147 A1 offenbart eine Beugungsvorrichtung, bei der hinter einem Kollimator eine Detektoranordnung angebracht ist. Der Kollimator besteht dabei aus mehreren Kollimatorkörpern, die Detektoranordnung aus mehreren kreis- bzw. ringförmigen Detektoren.
  • Die US 4 986 273 publiziert ein Röntgengerät zur Messung der Knochendichte. Hierbei sind eine Strahlungsquelle und ein Detektor durch einen Träger oder Arm starr zueinander ausgerichtet. Der Detektor ist an einem zusammenschiebbaren Mechanismus angebracht. Im Betrieb der Vorrichtung sind beide jedoch nur in einer Schwenkachse miteinander verstellbar.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art aufzuzeigen, mit der eine schnelle Bestimmung der kristallinen und polykristallinen Materialien für einen Gegenstand ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, eine Beugungsvorrichtung, bestehend aus einer Kollimator- und Detektionsanordnung und einer darauf ausgerichteten Röntgenstrahlquelle, höhen- und querverstellbar in einer Untersuchungsstufe einer Röntgenanlage anzubringen, wodurch unter Ausnutzung der Röntgenbeugung das Material eines Gegenstandes in einem vorab ermittelten Ort ermittelt wird. Dazu sind die Kollimator- und Detektionsanordnung und die Röntgenstrahlquelle miteinander synchron verstellbar ausgeführt, wobei die Kollimator- und Detektionsanordnung zur Röntgenstrahlquelle höhenverstellbar angebracht ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei Kenntnis von nur zwei Koordinaten eines vorab ermittelten Ortes (z.B. Bandposition und Winkel) wird mit Hilfe der verstellbaren Beugungseinheit die fehlende dritte Koordinate in einer Meßfahrt kontinuierlich gescannt. Dadurch können die auf dieser Linie liegenden Materialien ortsabhängig gemessen und bestimmt werden. Bei Kenntnis der drei Koordinaten des vorab ermittelten Ortes erfolgt eine zielgerichtete Einstellung der Beugungsvorrichtung in diesen Punkt, in dem dann die Materialart ermittelt wird.
  • Die dabei höhenverstellbare Kollimator- und Detektionsanordnung besteht vorzugsweise aus einem justierbaren Rundschlitzkollimator in der Form eines Kegelstumpfmantels mit einem dahinter befindlichen Detektor.
  • In einem weiteren Schritt kann mit Kenntnis des Beugungsspektrums und der aus der mittleren Kernladungszahl zusätzlich ermittelten Materialart eine Zusatzinformation zur Materialbestimmung erhalten werden. Dazu weist der Rundschlitzkollimator eine zentrale zum Detektor hin abgeschlossene Öffnung auf, in der zwei unterschiedliche Detektoreinrichtungen örtlich voneinander getrennt und hintereinander angeordnet sind und durch die in bekannter Art und Weise die mittlere Kernladungszahl des im Primärstrahl liegenden Gegenstandes bestimmt wird.
    •
  • Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Vorrichtung mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert werden.
  • Es zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung
  • 2 eine Darstellung der Beugungsvorrichtung aus 1,
  • 3 eine weitere Darstellung der Kollimator- und Detektionsanordnung aus 2.
  • Wie in 1 dargestellt, befindet sich ein zu durchleuchtendes Objekt 1 in einem Röntgentunnel 2 einer Röntgenprüfanlage 3. Innerhalb des Röntgentunnels 2 befindet sich eine verstellbar angebrachte Beugungsvorrichtung 10. Die Beugungsvorrichtung 10 besteht hierbei aus einer Kollimator- und Detektionsanordnung 11 und einer Röntgenstrahlquelle 12. Die Kollimator- und Detektionsanordnung 11 ist auf einen Röntgenstrahl FX', vorzugsweise einen Primärstrahl als 'pencil beam' dieser Röntgenstrahlquelle 12 ausgerichtet, die vorzugsweise unterhalb einer Transporteinrichtung 4 im Röntgentunnel 2 angeordnet ist. Die Kollimator- und Detektionsanordnung 11 ist über hier nicht näher dargestellte Mittel 5 gleichzeitig höhen- und seitenverstellbar angebracht (in Z- und in Y-Richtung). Parallel dazu ist die Röntgenstrahlquelle 12 auf Mittel 6 befestigt und gleichfalls seitenverstellbar in Y-Richtung angeordnet. Die Kollimator- und Detektionsanordnung 11 und die Röntgenstrahlquelle 12 werden synchron geführt, wozu die Mittel 5 und 6, beispielsweise Linearführungen mit Spindelantrieb, zentral angesteuert werden. Dieses kann durch einen nicht näher dargestellten Rechner koordiniert werden. Das zu durchleuchtende Objekt 1 mit seinen Gegenständen 7, 8, befindet sich auf der Transporteinrichtung 4.
  • In 2 ist die Beugungsvorrichtung 10 näher dargestellt.
  • Der Kollimator 13 besitzt einen Rundschlitz 15 in der Form eines Kegelstumpfmantels, derart, daß aus der vom untersuchten Punkt GM7 des Gegenstandes 7 im Objekt ausgehenden Streustrahlung nur die Anteile zugelassen werden, die in einen bestimmten Winkel θM fallen. Der hinter dem Kollimator 13 befindliche Detektor 14 erfaßt mit seiner energiesensiven Oberfläche 14.1 somit die Streustrahlung FX'' unter dem Streuwinkel θM. Zur Erzielung eines Primärstrahles FX' ist eine Blendenanordnung 16, beispielsweise eine Lochblendenanordnung, vor der Röntgenstrahlquelle 12 angebracht.
  • Trifft der Primärstrahl FX' auf ein Material, wird dieser Primärstrahl FX' an der Kristallgitterstruktur des Materials bekanntlich als Streustrahlung FX'' teilweise abgelenkt (Bragg'sches Gesetz). Entsprechend läßt sich aus dem mit dem energiesensitiven Detektor 14 gewonnenen Energiespektrum die Kristallstruktur und damit das Material bestimmen. Insbesondere lassen sich damit auch Sprengstoffe erkennen und unterscheiden.
  • Sind die Positionsinformationen einer niedrigeren Untersuchungsstufe beispielsweise für die Gegenstände 7 und 8 in zwei Raumkoordinaten bekannt (z.B. Transporteinrichtungsposition und Winkel), so muß jeweils die fehlende Koordinate mit Hilfe einer Meßfahrt kontinuierlich abgescannt werden. Dafür werden Transporteinrichtung 4 und Kollimator- und Detektionsanordnung 11 an eine jeweils für den Gegenstand 7 gültige Anfangsposition verfahren. Von dort aus wird die Meßfahrt in der Art gestartet, daß die Anordnung 11 in der Höhe und ggf. seitlich synchron zur Röntgenstrahlquelle 12 in Richtung der fehlenden Koordinate verfahren wird. Die während einer Meßfahrt vom Detektor aufgenommenen energieselektiven Signale werden in einem oder mehreren Energiespektren gespeichert und in bekannter Art und Weise im Rechner mit bekannten Energiespektren verglichen. Über den Vergleich kann somit das Material, insbesondere das Sprengstoffmaterial bestimmt werden.
  • Sind die vorab ermittelten Punkte GM7 und GM8 in drei Raumkoordinaten bekannt, werden die Kollimator- und Detektionsanordnung 11 und die Röntgenstrahlquelle 12 der Beugungsvorrichtung 10 nacheinander in die Punkte GM7 und GM8 verschoben. Die am Kristallgitter der Gegenstände 7 oder 8 abgelenkte Streustrahlung FX'' der Röngtenstrahlquelle 12 wird durch den Rundschlitz 15 des Kollimators 13 aufgefangen. Ein weiteres Verstellen der Kollimator- und Detektionsanordnung 11 ist während der jeweiligen Messung nicht notwendig.
  • Es ist auch möglich, die Koordinateninformationen aus der niederen Untersuchungsstufe und die zusätzlichen räumlichen Informationen aus der höheren Stufe, ggf. erweitert durch mehrere Meßfahrten, zu kombinieren und damit das Volumen und die genaue räumliche Position, z.B. vom Gegenstand 8 im Objekt 1 zu bestimmen.
  • Eine vorteilhafte Ausführung des Ringschlitzkollimators 13 ist in 3 dargestellt. Im Kollimator 13 ist dabei vorzugsweise eine zentrische sacklochartige Öffnung 17 integriert, wodurch die Öffnung 17 gegenüber dem dahinter befindlichen Detektor 14 verschlossen ist. In der Öffnung 17 sind eine erste Detektionseinrichtung 21 und dahinter in einem definierten Abstand dazu eine zweite Detektionseinrichtung 22 angeordnet. Die erste Detektionseinrichtung 21 ist als Detektor für niedrigere und die zweite Detektionseinrichtung 22 als Detektor für höhere Röntgenenergien ausgeführt. Mit diesem Kollimator 13 kann dann beispielsweise zusätzlich eine herkömmliche Materialdetektion durch Ermittlung der mittleren Kernladungszahl des Materials des Gegenstandes 7 oder 8 erfolgen. In Kombination dieser Kernladungszahl und dem ermittelten Energiespektrum kann eine verbesserte Identifizierung des Materials des Gegenstandes 7 oder 8 erreicht werden. Dies ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn der Gegenstand 7 oder 8 ein stark absorbierendes Material aufweist. So werden häufig niedere Energien des Primärstrahls FX' bereits im Material absorbiert, so daß die entsprechenden Beugungslinien im gemessenen Energiespektrum fehlen. Dieses Fehlen kann mit der zusätzlichen Materialbestimmung dem Rechner zur Kenntnis gegeben werden, so daß dieses in der Auswertung beim Vergleich berücksichtigt wird.
  • Mit Hilfe der Detektionseinrichtungen 21, 22, die beispielsweise auch aus Quadrantendetektoren bestehen können, kann zudem eine genaue räumliche Ausrichtung (Justage) der Kollimator- und Detektionsanordnung 11 auf die Röntgenstrahlquelle 12 vorgenommen werden. Die Justage selbst erfolgt dabei ohne ein zwischen der Kollimator- und Detektionsanordnung 11 und der Röntgenstrahlquelle 12 befindliches Objekt 1. Dazu weist der in der 2 beschriebene Kollimator 13 diese zusätzliche Öffnung 17 mit den Detektionseinrichtungen auf, was der Übersichtlichkeit wegen in 2 nicht näher dargestellt wurde.
  • Bei der Vorrichtung können auch andere Beugungsvorrichtungen 10 verwendet werden, wie sie beispielsweise im Stand der Technik beschrieben sind, wobei eine Verstellbarkeit der Beugungsvorrichtung 10 möglich sein muß.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung von kristallinen und polykristallinen Materialien eines Gegenstandes in Objekten, vorzugsweise im Reisegepäck, aufweisend eine Beugungsvorrichtung, mit einer Kollimator- und Detektionsanordnung, mit wenigstens einem Kollimator und wenigstens einem Detektor, und einer darauf ausgerichteten Röntgenstrahlquelle, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) über Mittel (5) gegenüber der Röntgenstrahlquelle (12) höhenverstellbar und mit dieser synchron seitenverstellbar angeordnet ist, wozu die Röntgenstrahlquelle (12) über seitenverstellbare Mittel (6) geführt wird und die Mittel (5, 6) von einem Rechner gesteuert werden – wobei die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) und die Röntgenstrahlquelle (12) in Betrieb der Vorrichtung zur Ermittlung eines Energiespektrums eines Gegenstandes (7, 8) in eine für diesen Gegenstand (7, 8) gültige Anfangsposition verfahren und danach die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) in der Höhe und gegebenenfalls seitlich synchron zur Röntgenstrahlquelle (12) geführt werden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) und die Röntgenstrahlquelle (12) zur Ermittlung eines Energiespektrums eines Gegenstandes (7, 8) in einem vorab ermittelten Punkt (GM7, GM8) direkt verstellt werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) aus einem Kollimator (13) und einem dahinter befindlichen Detektor (14) besteht, – der Kollimator (13) einen konisch auseinandergehenden Rundschlitz (15) aufweist, der einen vorgegebenen Winkel (θM) nachbildet und – zum Detektor (14) ausgerichtet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kollimator (13) eine zentrische sacklochartige, zum Detektor (14) hin geschlossene Öffnung (17) aufweist, in der zwei voneinander beabstandete, hintereinander angeordnete Detektionseinrichtungen (21, 22) angebracht sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Detektionseinrichtung (21) als Detektor für niedrigere und die zweite Detektionseinrichtung (22) als Detektor für höhere Röntgenenergien ausgeführt sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimator- und Detektionsanordnung (11) über die Öffnung (17) auf den Primärstrahl (FX') der Röntgenstrahlquelle (12) ausgerichtet ist.
  7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Röntgenprüfanlage (3).
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