DE69624685T2

DE69624685T2 - Einrichtung zur roentgenstrahlenuntersuchung

Info

Publication number: DE69624685T2
Application number: DE69624685T
Authority: DE
Inventors: Peter Beevor
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: CA2212514A1; US6122344A; GB9502460D0; GB2297835A; DE69624685D1; EP0808468B1; CN1181133A; EP0808468A1; CN1099033C; WO1996024863A1; JPH10513265A

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Röntgenstrahl-Prüfsysteme und insbesondere solche Prüfsysteme, die kohärent gestreute Röntgenstrahlen verwenden, um das Vorhandensein von Sprengstoffen, brennbaren Materialien, verbotenen Drogen oder weiteren illegal transportierten Substanzen (die hier nachfolgend als "Zielmaterial" bezeichnet werden) in einem Behälter zu erfassen, um das Vorhandensein von Unregelmäßigkeiten oder Verunreinigungen in einem Material oder Objekt zu erfassen, oder die der zerstörungsfreien räumlich auflösenden chemischen Analyse eines Objekts dienen.
Da die nachfolgend in bezug auf bekannte Prüfsysteme erläuterten Probleme in gleicher Weise für Prüfsysteme für Behälter, Objekte und Materialien gelten, werden sie lediglich in bezug auf Behälterprüfsysteme erläutert. Der Term "Behälter" sollte nachfolgend so verstanden werden, daß er sowohl den Behälter als auch dessen Inhalt bezeichnet.
Viele Systeme, die Röntgenstrahlen verwenden, sind für die Prüfung von Behältern, wie etwa Gepäck und Pakete, entwickelt worden. Sie enthalten Dual-Energieübertragungs-Bilderzeugungseinrichtungen, Rückstreuungs-Bilderzeugungseinrichtungen und computergestützte Tomographie-Scanner, die im wesentlichen Informationen über die effektive Atomzahl und Atomdichte in zwei oder drei Dimensionen gewinnen. Diese Systeme sind jedoch inhärent chemisch unspezifisch und basieren in starkem Maße auf der Wachsamkeit und Interpretation des Operators während der visuellen Prüfung der räumlichen Verteilung des Inhaltes des Behälters sowie auf weiteren Anzeichen, etwa des Vorhandenseins von Zündeinrichtungen bei explosiven Zielmaterialien. Ein Problem besteht dabei darin, daß viele Arten von Zielmaterialien durch ihre Form schwer identifiziert werden können, da sie im Behälter einfach eingeschweißt oder in anderen Gegenstände verpackt sein können, um ihr Vorhandensein zu verschleiern. Ferner können Zündeinrichtungen im Behälter häufig durch angrenzende Störflecken verdeckt sein. Diese Materialien und insbesondere explosive Vorrichtungen sind deshalb unter Verwendung dieser Systeme schwer erfaßbar.
Ein bekanntes System, das dieses Problem bewältigt, ist im US- Patent Nr. 4.751.722 (EP 0 153 786) beschrieben. Es offenbart ein System, das die Intensitäten von Röntgenstrahlen analysiert, die unter unterschiedlichen, kleinen Winkel kohärent gestreut werden, wenn sie einen Behälter durchlaufen. Diese Informationen werden anschließend verwendet, um ein Streuwinkel-Röntgenstrahlspektrum zu erzeugen, das für die geordnete Molekularstruktur des für die Streuung verantwortlichen Materials charakteristisch ist. Das Röntgenstrahlspektrum kann anschließend zu einem Datenverarbeitungssystem geschickt werden, wo ein automatischer Vergleich mit gespeicherten Spektral-Charakteristiken des in Frage kommenden Zielmaterials erfolgt, um zu bestimmen, ob die Zielmaterialien im Behälter vorhanden sind oder nicht.
Eiei diesem System besteht jedoch das Problem, daß der Inhalt eines Behälters lediglich in den beiden Dimensionen des streuenden Voxels (oder Volumenelements) in der Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung der nicht gestreuten Röntgenstrahlen aufgelöst werden kann, wobei die dritte Dimension in Richtung des nicht gestreuten Strahls durch die Tiefe des Behälters ignoriert wird. Wenn entweder der Behälter oder das Zielmaterial eine dritte Dimension besitzt, die größer als einige wenige Zentimeter ist, ist eine Tiefenauflösung erforderlich, um das Vorhandensein eines Zielmaterials zufriedenstellend zu identifizieren. Das ist der Fall, da die kohärente Streuung über einen Bereich von Streuungswinkeln an Nicht-Zielmaterialien bei verschiedenen Tiefen in einem Behälter nicht von der Streuung unterschieden werden kann, die durch lokalisierte Zielmaterialien unter jedem gegebenen Winkel, der von Interesse ist, bewirkt wird, wodurch veranlaßt wird, daß das erzeugte Röntgenspektrum durcheinander kommt und die Identifizierung des Zielmaterials erschwert wird.
Ein weiteres Problem bei diesem früheren System besteht darin, daß der geringe Fluß von Röntgenstrahlen, der von gegenwärtig verfügbaren monochromatischen Quellen erzeugt wird, eine zu große Prüfzeit zur Folge hat, wodurch ihre Verwendung in Situationen unmöglich gemacht wird, bei denen eine große Anzahl von Objekten mit großen Ausmaßen schnell geprüft werden müssen, z. B. bei Behältern auf Flughäfen. Die Verwendung einer polychromatischen Quelle mit hoher Intensität würde jedoch die Materialunterscheidungsfähigkeit des Systems verschlechtern.
Das UK-Patent Nr. 1.463.054 schafft ein Mittel zum Überprüfen eines Körpers, z. B. ein menschlicher Schädel, bei dem der Körper zum Zweck der Bestimmung der Position von Streuungszentren im Körper in zwei Dimensionen einschließlich der vertikalen Dimension abgebildet wird. Während diese Ausrüstung über die Tiefe des geprüften Körpers abtasten kann, begrenzt ihre Verwendung von konischen Kollimatoren oder ringförmigen Detektoren die Flexibilität des Systems in einer Weise, die für die Zwecke der Materialerfassung außerordentlich nachteilig ist, da es nicht möglich ist, eine gleichzeitige Prüfung von mehr als einem nahe aneinanderliegenden Voxel unter Verwendung einer einzelnen Röntgenquelle zu gewährleisten.
Das Verfahren ist inhärent nicht in der Lage, die chemisch spezifischen Informationen zu liefern, die von einem Erfassungssystem des Typs erforderlich sind, mit dem sich die vorliegende Erfindung beschäftigt.
Ein weiteres bekanntes Röntgenstrahl-Erfassungssystem ist in den Fig. 1 bis 4 des US-Patents Nr. 4.956.856 gezeigt. Es verwendet lange dünne Röntgenstrahldetektoren, die länger als der zu prüfende Körper sein müssen, um die Streuungsspektren von allen kleinen Volumina in einem Objekt dreidimensional zu messen. Dieses Patent räumt ein, daß derartige lange Detektoren für die Prüfung von Gepäck eine unzulängliche räumliche Auflösung für die Bestimmung von Streuungsspektren besitzen würden. Dies würde zu einer geringen Materialunterscheidung führen. Ähnliche Ergebnisse würden erreicht bei Verwendung dieser Detektoren für die Prüfung eines Objekts mit mittlerem Durchmesser und sogar für Objekte mit Durchmessern, die bedeutend kleiner sind als typische Gepäckstücke. Eine solche Ausrüstung könnte darüber hinaus nicht mit einer guten Materialunterscheidung bei Verwendung einer polychromatischen Röntgenstrahlquelle, wie etwa eine Röntgenstrahlröhre, betrieben werden, da die Energieauflösung der verwendeten scintillatorgestützten Röntgenstrahldetektoren unzureichend ist. Für eine gute Unterscheidung bei ähnlichen Folgerungen für Prüfzeiten, die für das obengenannte US-Patent 4.751.722 angemerkt wurden, wäre eine monochromatische Quelle erforderlich.
Die in den Fig. 5 bis 7 des US-Patents 4.956.856 dargestellte Ausführungsform verwendet einen Röntgenstrahldetektor auf Grundlage einer Gamma-Kamera (oder Anger-Kamera), der nicht mit einer ausreichenden Photonenenergieauflösung für eine gute Materialunterscheidung implementiert werden kann, da dieser Detektor gleichfalls scintillatorgestützt ist. Bei dieser Erfindung ist es außerdem notwendig, das zu prüfende Objekt (oder alternativ die Quelle, das Kollimatorsystem und den Detektor) längs zweier senkrechter Achsen zu verschieben, oder das Objekt längs einer Achse und die Quelle, das Kollimationssystem und den Detektor längs einer anderen senkrechten Achse zu verschieben, um eine vollständige dreidimensionale Prüfung des Objekts auszuführen. Dies ist mechanisch komplex und zeitaufwendig. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Anzahl der Bereiche des Wegs des ungestreuten Röntgenstrahls durch das Objekt, das unabhängig geprüft werden kann, durch den Durchmesser und die räumliche Auflösung der Gamma-Kamera begrenzt wird.
Das US-Patent Nr. 5.007.072 (EP 0 354 045) beschreibt ein weiteres Röntgenstrahl-Prüfsystem, das wiederum ein Objekt in lediglich zwei Dimensionen mit den oben für US 4.751.722 dargestellten Nachteilen prüft sowie ferner eine Erfassung lediglich unter einem eingestellten Winkel ausführt und das Wellenlängenspektrum der unter diesem Winkel gestreuten Strahlung mißt. Dazu ist außerdem die Verwendung von teuren und komplexen Anordnungen aus Festkörper- Germanium- oder Siliciumdetektoren erforderlich, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten. Der im US-Patent 5.265.144 offenbarte Detektor basiert gleichfalls auf der Messung der Energie der unter einem festen Streuungswinkel gestreuten Strahlung. Dieser Detektor ist darüber hinaus auf einen kleinen Bereich in dem zu prüfenden Objekt fokussiert und kann lediglich Voxel, die in einer Dimension durch das Objekt angeordnet sind, prüfen, indem die relativen Positionen der Detektor- und Kollimatorsysteme und des Objekts verschoben werden. Eine volle dreidimensionale Prüfung mit diesem System würde die Verschiebung des Objekts oder der Quellen-, Detektor- und Kollimatorsysteme insgesamt in zwei weiteren senkrechten Dimensionen erfordern. Dies würde im Kontext eines Gepäckprüfsystems keine ausführbare Ausrüstung schaffen.
Schließlich offenbart ein weiteres US-Patent Nr. 4.754.469 eine Erfassungsausrüstung, die eine monochromatische Röntgenstrahlquelle verwendet, mit folglich langen Prüfperioden oder teuren und komplexen kryogen gekühlten Anordnungen aus Festkörper-Germanium- oder Silicium-Halbleiterdetektoren für eine gute Materialunterscheidung. Für eine zweidimensionale Analyse ist außerdem eine gemeinsame Verschiebung des Prüfobjekts oder der Röntgenstrahlquelle, der Kollimationssystems und der Detektoranordnung in einer kombinierten Gesamtheit von zwei zueinander senkrechten Achsen erforderlich. Eine dreidimensionale Prüfung könnte lediglich durch das zusätzliche Verschieben der relativen Positionen des Objekts oder des kegelstumpfartigen Detektorkollimators erreicht werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Röntgenstrahl- Prüfsystem zu schaffen, das wenigstens einige der obenerwähnten Probleme vermindert.
Es ist wohlbekannt, daß Röntgenstrahlen, die in kristallinen Materialien auftreffen, vom Kristallgitter kohärent gestreut werden können. Der Winkel 2Θ, der in bezug auf eine Achse durch die Quelle und das Streuungszentrum, an dem die Röntgenstrahlen kohärent gestreut werden, gemessen wird, ist von der Wellenlänge λ der auftreffenden Röntgenstrahlen und von Kristallgitterabstand d abhängig und erfüllt die Gleichung:
nλ = 2dsinΘ (1)
wobei n eine positive ganze Zahl ist. Deswegen kann durch das Erfassen des Vorhandenseins von auftreffenden Röntgenstrahlen einer bekannten Wellenlänge λ (oder eines Vielfachen davon), die unter bekannten Winkeln 2Θ, die die obige Gleichung 1 erfüllen, kohärent gestreut wurden, das kristalline Zielmaterial, das für die Streuung verantwortlich ist, identifiziert werden.
Es ist jedoch außerdem aus veröffentlichten Arbeiten bekannt, wie etwa aus der von Harding und Kosanetzky (J Opt Soc Am A, Bd. 4, Nr. 5, S. 933 bis 944, Mai 1987) bekannt, daß diese Technik nicht auf die Unterscheidung und Analyse von rein kristallinen Materialien beschränkt ist, sondern außerdem auf nicht kristalline oder schwach ausgerichtete Materialien, wie etwa Polymere oder organische Materialien, angewendet werden kann. In ähnlicher Weise kann der weite Bereich von Sprengstoffen, die Mischungen von kristallinen, gewöhnlich energetisch explosiven Komponenten und nicht kristallinen, gewöhnlich nicht explosiven Materialien sind, identifiziert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 1 geschaffen.
Der hier verwendete Term "Fächerstrahl" sollte so verstanden werden, daß er Strahlen enthält, die entweder in der Form eines kontinuierlichen Fächers oder eines diskontinuierlichen Fächers sind, d. h. der zuletzt genannte Fall ist ein ansonsten kontinuierlicher Fächer mit einem oder mehreren kleinen Bögen, die vollständig gedämpft sind. Ein solcher diskontinuierlicher Strahl wird hier als unterbrochener "Fächerstrahl" bezeichnet.
Die Kollimationsmittel schaffen eine Tiefenauflösung in Richtung des Röntgenstrahls, was den Vorteil hat, daß die Unterscheidung zwischen der Streuung vom Ziel und von anderem Material verbessert ist, da lediglich eine begrenzte Tiefe des Objekts geprüft wird im Gegensatz zur Unterscheidung zwischen der Streuung unter verschiedenen Winkeln aus unterschiedlichen Tiefen des Zielmaterials.
Die Kollimationsmittel und das Objekt können entweder einzeln oder beide so hergestellt werden, daß sie sich in der Richtung des (ungestreuten) Röntgenstrahls relativ zueinander bewegen können, um die Position des Voxels über die Tiefe des Objekts zu ändern. Auf diese Weise kann im wesentlichen die gesamte Tiefe des Objekts geprüft werden. Für eine einfache Konstruktion ist vorzuziehen, daß sich lediglich die Kollimationsmittel in dieser Weise bewegen. Wenn die Kollimationsmittel beweglich sind, kann es jedoch vorteilhafter sein, Erfassungsmittel zu schaffen, die sich gemeinsam mit den Kollimationsmitteln bewegen können, um den Relativabstand zwischen ihnen beizubehalten. Dies besitzt den Vorteil, daß die Streuung unter einem gegebenen Winkel unabhängig von der Position des Voxels über die Tiefe des Objekts im wesentlichen bei derselben Position an den Erfassungsmitteln erfaßt wird.
Die Kollimationsmittel können mehrere Lagen aus röntgenstrahldämpfendem Material enthalten, die sich längs unterschiedlicher Kreisradien erstrecken, die Mittelpunkte besitzen, die mit dem Zentrum eines vorgegebenen zweidimensionalen Voxels zusammenfallen, wobei sowohl jeder Kreis als auch das entsprechende Voxel in einer Ebene liegen, die zur Ebene des Fächerstrahls, von dem eine Streuung erfaßt werden kann, senkrecht verläuft. Jede Lage ist vorteilhaft von benachbarten Lagen um einen kleinen Winkel von typischerweise 0,5 Grad beabstandet, der dem Mittelpunkt des obenerwähnten Kreises gegenüberliegt. Die Mittelpunkte mehrerer paralleler, nahe beieinanderliegender zweidimensionaler streuender Voxel über einen begrenzten Bogen des Fächerstrahls sind vorzugsweise längs einer Linie kollinear, die zu einer Ebene senkrecht verläuft, die wiederum zur Ebene des Fächerstrahls senkrecht verläuft. Wenn diese kleine räumliche Trennung konstant bleibt, schaffen die Kollimationsmittel eine kleine Tiefe des streuenden Voxels in der Richtung des ungestreuten Röntgenstrahls, wobei die Tiefe vom Streuungswinkel abhängig ist.
An Stelle des beschriebenen konstanten Lagenabstands sollte in einer zweiten Ausführungsform des Kollimators, der unabhängig vom Streuungswinkel 20 für eine konstante Voxeltiefe beschaffen sein soll, der radiale Abstand s der Lagen gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:
s = (C · tan (2Θ)) + w (2)
wobei C eine Konstante ist, die sowohl von der geforderten Voxeltiefe als auch von den Geräteabmessungen abhängig ist, und w von den Geräteabmessungen und der Lagenbreite abhängig ist.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Kollimators mit konstantem oder veränderlichen Lagenabstand tritt eine periodische Totaldämpfung des gestreuten Röntgenstrahls gegenüber dem Winkel auf, wenn ein Streuungsmuster unter Verwendung eines feststehenden Kollimators erfaßt wird. Die Totaldämpfung bei diskreten Streuungswinkeln kann für diese Ausführungsformen verhindert werden, indem die Kollimationsmittel während der Erfassung des Streuungsprofils um einen kleinen Winkel (der typischerweise gleich dem Winkelabstand der Lagen ist) um den Mittelpunkt des entsprechenden zweidimensionalen Voxels in einer Ebene senkrecht zum Fächerstrahl, jedoch koplanar zum zweidimensionalen streuenden Voxel gedreht werden. Die Periode der Drehbewegung kann klein sein im Vergleich zur Periode der Erfassung des Streuungsprofils oder kann im wesentlichen dieselbe Dauer besitzen.
Eine bevorzugte dritte Ausführungsform des Kollimators vermeidet jedoch die Totaldämpfung des gestreuten Röntgenstrahls bei jedem Streuungswinkel ohne die Forderung nach einer Drehbewegung des Kollimators. Diese Ausführungsform ist konzeptionell den ersten beiden Ausführungsformen gleich und kann wie oben verwendet werden, wobei die Kollimatorlagen bei Bedarf mit konstanten Winkelabständen oder in einem Bereich von Winkelabständen angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die Lagen über einen kleinen Bogen des Fächerstrahls, der zum Mittelpunkt des Strahls mittig angeordnet ist, nicht wie oben beschrieben wurde längs der Ebenen der Radien von den mittig angeordneten kollinearen parallelen zweidimensionalen Voxelmittelpunkten angeordnet, sondern von dieser Position um einen Winkel, der für Lagen mit einem konstanten Abstand typischerweise im Bereich von 5 bis 25 Grad liegt und genauer etwa 15 Grad beträgt, um eine Achse gedreht, die vom Mittelpunkt des zweidimensionalen Voxels zum Mittelpunkt des kleinen Bogens verläuft. Dadurch kann die Dämpfung des gestreuten Röntgenstrahls bei einer geeigneten Wahl des Drehwinkels jeder einzelnen Lage klein und · bei allen Streuungswinkeln nahezu gleich gemacht werden, wenn das summierte Signal, das von allen beteiligten mittig kollinearen parallelen zweidimensionalen streuenden Voxeln innerhalb des kleinen Bogens über den betrachteten Fächerstrahl durch den Kollimator läuft, akkumuliert wird.
Der Drehwinkel jeder Lage um eine Achse vom Mittelpunkt des zweidimensionalen streuenden Voxels, der zum Hauptradius des kleinen Bogens über den betrachteten Fächerstrahl koplanar ist, zum Mittelpunkt desselben kleinen Bogens kann sich vorteilhaft mit dem Abstand vom Zentrum des streuenden Voxels längs dieser Achse ändern. Am meisten bevorzugt ist ein Drehwinkel, der zum Abstand vom Zentrum des streuenden Voxels linear proportional ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Röntgenstrahlquelle einen polychromatischen Röntgenstrahlgenerator und ein abgestimmtes Filtersystem, das mit diesem zusammenwirken kann. Dies besitzt den Vorteil, daß die Prüfzeit für ein Objekt vermindert werden kann im Vergleich zur Prüfzeit bei einer Röntgenstrahlquelle mit monochromatischem Röntgenstrahlgenerator. Der polychromatische Generator schafft eine verhältnismäßig großen Strahlfluß, der die schnelle Prüfung von Objekten ermöglicht, während das abgestimmte Filtersystem, das gemäß dem Verfahren von Cooper u. a. (J. Phys E, 1985, Bd. 18, S. 354a verwendet wird, ein effektives Bandpaß-Röntgenstrahl-Photonenenergiefilter schafft und die Erzeugung eines offensichtlich winkeldispersiven Röntgenstrahlspektrums ermöglicht, das im wesentlichen dem Spektrum gleichwertig ist, das bei Verwendung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlquelle erzeugt werden würde. Ferner wird dadurch, daß jedes Filter automatisch im Strahlweg angeordnet wird, die Notwendigkeit eines Operatoreingriffs beseitigt.
Ein Detektor mit mittlerer Röntgenstrahl-Photonenenergieunterscheidung, der im wesentlichen lediglich auf jene Röntgenstrahlenergien empfindlich ist, die nahe am Bandpaßbereich des abgestimmten Filtersystems liegen, z. B. kann ein Detektor mit einer positionsempfindlichen Photoverstärkerröhre, die an ein Röntgenstrahl-Scintillatormaterial gekoppelt ist, vorteilhaft in Verbindung mit dem polychromatischen Röntgenstrahlgenerator und dem abgestimmten Filtersystem verwendet werden, um einen großen Anteil der Bremsstrahlung zu vermindern, die außerhalb des interessierenden Bereichs der Röntgenstrahl-Photonenenergie erzeugt wird. Dadurch wird der Störabstand des erzeugten Spektrums vergrößert, wodurch eine weitere Verkürzung der Prüfzeit ermöglicht wird.
Die Erfassungsmittel können gleichzeitig Röntgenstrahlen erfassen, die über einen Winkelbereich gestreut werden, der die interessierenden Winkel enthält, z. B. durch Verwendung eines abbildenden Detektorsystems oder mehrerer diskreter Detektorelemente, die jeweils so beschaffen sind, daß sie bei unterschiedlichen diskreten Winkeln oder schmalen Winkelspannen erfassen, um ein winkeldispersives Röntgenstrahlspektrum zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, daß die Prüfzeit für jedes Objekt vermindert ist, da Daten für den gesamten Bereich der interessierenden Streuungswinkel parallel gesammelt werden können.
Die Erfassungsmittel und die Kollimationsmittel sind vorzugsweise so beschaffen, daß sie Röntgenstrahlen über den Fächerstrahl von kleinen Bögen des Fächerstrahls, die typischerweise weniger als 1 Grad betragen, unabhängig erfassen. Dies dient weiter dazu, die Prüfzeit für jedes Objekt zu reduzieren und schafft eine Auflösung der Materialien längs der längsten Achse des Fächerstrahls.
Es wird außerdem äußerst vorteilhaft ein Mittel geschaffen, wie etwa ein Förderband, um das zu prüfende Objekt durch den Fächerstrahl zu transportieren.
Die Fördereinrichtung dient dazu, eine Verschiebung der zweidimensionalen Prüfscheibe, die durch die obenbeschriebene Bewegung des Kollimators und die Höhe des Fächerstrahls und der Kollimations- und Erfassungsmittel geschaffen wird, durch die volle Länge des Objekts zu ermöglichen. Die Bewegung des Objekts auf der Fördereinrichtung während der Signalerfassung kann außerdem vorteilhaft verwendet werden, um die Dämpfungseffekte von Materialien, die außerhalb des streuenden Voxels, jedoch innerhalb des Bogens der gestreuten Strahlung liegen, über einen weiten Winkelstreuungsbereich zu verteilen, die andernfalls das Streuungsmuster verzerren können, das vom Inhalt des streuenden Voxels gewonnen wird. Dies wird implementiert, indem ein Streuungsmuster über eine Periode erfaßt wird, während der sich das Objekt auf der Fördereinrichtung um eine wesentliche Strecke durch den Fächerstrahl bewegt. Die Verschiebung des Objekts während dieser Periode sollte jedoch kleiner sein als die Breite des Volumens des zu prüfenden Zielmaterials in der Bewegungsrichtung der Fördereinrichtung oder Streuungsbeiträge von Bereichen, die andere Materialien als das Zielmaterial enthalten, können das kombinierte Streuungsmuster dominieren und die Musterübereinstimmung stören, wobei sich daraus ein Verlust der Materialunterscheidung ergibt.
Das Röntgenstrahl-Prüfsystem kann am vorteilhaftesten zusätzlich eine Alarmeinrichtung enthalten, die betriebsfähig an die Analysemittel angeschlossen ist, zum Erzeugen eines akustischen, optischen oder akusto-optischen Alarmsignals, wenn das Vorhandensein von gestreuten Röntgenstrahlen mit bestimmten relativen Intensitäten unter einem oder mehreren vorgegebenen Winkeln bestimmt wurde. Dies schafft eine Warnung an einen Operator, daß ein Zielmaterial oder dergleichen in einem Objekt erfaßt wurde.
Um den Störabstand und dadurch die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern, ist es vorzuziehen, daß die Analysemittel ferner so beschaffen sind, daß sie ein Signal, das von mehreren Voxels gebildet wird, so verarbeiten, daß es eine Darstellung des Gesamtsignals von einem lokalisierten Bereich des zu überprüfenden Objekts ist, um das Vorhandensein von gestreuten Röntgenstrahlen mit bestimmten relativen Intensitäten unter einem oder mehreren vorgegebenen Winkeln in diesem Bereich zu bestimmen.
Werden die beschränkten Prüfraten, die für die Prüfung von großen Objekten wie Gepäck durch kohärente Streuung von Röntgenstrahlen vorhergesagt werden, die wahrscheinlichen Kosten dieser Ausrüstung und die Möglichkeiten der vorhandenen Ausrüstung wie etwa Ausrüstungen für die. Dualenergie-Röntgenstrahlübertragung und CAT- Röntgenstrahlprüfung vorgegeben, wird eine Anpassung der obigen Erfindung vorgeschlagen, bei der die Prüfung auf einen Bruchteil des vollen Volumens des Objekts beschränkt ist und in der Prüfrichtung eine vorläufige, weniger unterscheidungsfähige aber schnellere Technik folgt, wie etwa die zuvor erwähnten Verfahren des Standes der Technik, um ein lokalisiertes Volumen zu prüfen, bei dem im Fall von Flugzeuggepäck vermutet wird, daß es das gefährliche Material enthält, oder bei dem sich eine weitere Analyse allgemeinerer Art lohnt. Bei Flugzeuggepäck würde eine derartige Ausrüstung der kohärenten Streuung der zweiten Stufe die Dichte, die mittlere Atomzahl und die räumlichen Informationen, die von den Ausrüstungen der ersten Stufe gewonnen werden, ergänzen, indem sie eine vierte unabhängige Information liefert, die die kristallographische oder chemische Struktur des Zielmaterials beschreibt. Dies würde jedoch nur dann verwendet, wenn die Gefährdung von einem Material in einem vorgegebenen Volumen der Tasche nach der Analyse unter Verwendung der Informationen der ersten Stufe ungeklärt bleibt.
Eine derartige Ausrüstung der gerichteten kohärenten Streuung von Röntgenstrahlen könnte unter Verwendung der hier beschriebenen Erfindung implementiert werden und würde einen Bruchteil der Meßgeräteausrüstung erfordern, die für die vollständige Gepäckprüfung notwendig ist. Es könnte z. B. ein begrenzter Fächerstrahl von Röntgenstrahlen, der eine Höhe von etwa 10 cm überdeckt, mit einem Sechstel des Kollimations- und Erfassungssystems, das für die Prüfung eines Koffers mit normaler Größe mit einer Höhe von 60 cm und einer Länge von 90 cm erforderlich ist, verwendet werden, um die volle Tiefe des Koffers in einem Bereich von 10 · 10 cm in einem Neuntel der Prüfzeit für den gesamten Koffer abzufragen.
Das Röntgenstrahlsystem dieser Erfindung ist bevorzugt für Gepäck und bei vielen weiteren Szenarien der Behälterprüfung für ein Röntgenstrahl-Prüfsystem, bei dem die vollständige kreisförmige Erfassung von gestreuten Photonen von einem einzelnen Voxel verwendet wird. Bei der zuletzt genannten Ausrüstungskonfiguration ist es nicht machbar, Detektorgruppierungen so anzuordnen, daß weniger als die vollständige Manipulation des Gepäcks und/oder des Kollimationssystems in drei Dimensionen möglich ist. Es ist ferner nicht vorteilhaft, die mechanische Komplexität der dreidimensionalen Manipulation zu akzeptieren, da die Signalzählrate von einem einzelnen Voxel bei einem dreidimensionalen System auf Basis einer ringförmigen Erfassung mit der hier beschriebenen Anordnung mit zweidimensionaler Manipulation und Fächerstrahl vergleichbar bleibt. Dies ist der Fall, da die Breite des Primärphotonenstrahls zur Aufrechterhaltung der Spektralauflösung längs der Achse der spektralen Messung klein, typischerweise auf 1 mm gehalten werden muß. Bei dieser Erfindung wird dies realisiert, es ist jedoch außerdem möglich, die Primärstrahlhöhe, über die die Streuung von einem einzelnen Voxel aufgezeichnet wird, und die Höhe des Erfassungsbereichs, von dem die Streuung von einem einzelnen Voxel aufgezeichnet wird, ohne die spektrale Auflösung bedeutend zu verschlechtern auf einen größeren Wert als diese Strecke, die typischerweise 10 mm beträgt, zu vergrößern, um ein größeres Signal zu erhalten.
Eiei einem Röntgenstrahl-Prüfsystem mit ringförmiger Erfassung muß die Höhe des Primärstrahls, von dem eine Streuung von einem einzelnen Voxel aufgezeichnet wird, so groß wie die Breite bleiben (d. h. ein kreisförmiger Querschnitt des Primärstrahls könnte prinzipiell verwendet werden), andernfalls ist die spektrale Auflösung längs der Höhenachse schlechter und dieser Beitrag wird die Auflösung des gesamten Streuungsmusters verschlechtern. Dieselben Betrachtungen gelten für die maximalen Abmessungen des Brennpunkts der Röntgenstrahlröhre, die ohne Verschlechterung der spektralen Auflösung verwendet werden können. Bei einem Röntgenstrahl- Prüfsystem mit ringförmiger Erfassung und in ähnlicher Weise bei der Strahlbreite sollte der Brennpunkt kreisförmig mit einem solcher Durchmesser sein, der die spektrale Auflösung längs einer beliebigen Signalmeßachse nicht wesentlich verschlechtert. Dieselbe Einschränkung gilt längs der Meßachse in dieser Erfindung, jedoch nicht längs der senkrechten Achse, bei der der Punkt viel größer sein kann, wodurch sich eine größere Signalzählrate bei einem vernachlässigbaren Verlust der spektralen Auflösung ergibt. Bei dieser Erfindung beträgt ein Brennpunkt des Röntgenstrahlrohrs typischerweise 1 · 3 mm.
Eine volle dreidimensionale Abbildung der Dämpfung eines Objekts in bezug auf die Röntgenstrahl-Photonenenergie, mit anderen Worten tomographische Informationen, könnten vorteilhafter verwendet werden, um Dämpfungseffekte der Material sowohl im ungestreuten Primärstrahl als auch im Bogen der gestreuten Photonen zu korrigieren. Bei der monochromatischen Röntgenstrahlbeugung unter Verwendung abgestimmter Filter könnten die Dämpfungsinformationen in dem betrachteten kleinen Bandpaßbereich des Röntgenstrahlenergie, d. h. von 57,49 bis 59,38 keV, gewonnen werden. Diese Informationen können unter Verwendung bekannter tomographischer Verfahren, wie etwa dem im US-Patent Nr. 4.730.350 beschriebenen, gewonnen werden.
Es werden nun Ausführungsformen des Röntgenstrahl-Prüfsystems gemäß der vorliegenden Erfindung bei ihrer Verwendung zur Prüfung von Behältern mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht eines Röntgenstrahl- Prüfsystems ist;
Fig. 2A eine Seitenansicht desselben Systems ist, die den Fächerstrahl zeigt;
Fig. 2B eine Seitenansicht desselben Systems ist, bei der der Röntgenstrahl jedoch ein unterbrochener Fächerstrahl ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Analysatormittel ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Analysatormittel ist;
Fig. 5 (A) ein typisches Streuungsbild und (B) ein Streuungsprofil mit vermindertem Informationsgehalt zeigt, das aus diesem Bild erzeugt wird;
Fig. 6 beispielhafte Streuungsprofile zeigt, die unter Verwendung verschiedener Sprengstoffe gewonnen wurden;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer von der zuvor gezeigten Ausführungsform verschiedene Ausführungsform des Kollimators ist, die aus der Richtung der Quelle betrachtet wird und so angeordnet ist, daß sie senkrecht zur Ebene des Fächerstrahls liegt; und
Fig. 8 ein Verfahren zum Implementieren einer tomographischen Dämpfungskorrektur bei geringer Auflösung darstellt.
In den Fig. 1 und 2A, die zueinander senkrechte Ansichten derselben Ausführungsform der Erfindung sind, werden Röntgenstrahlen von der polychromatischen Röntgenstrahlquelle 1 durch die Schlitzkollimatoren 2 zu einem schmalen kontinuierlichen oder unterbrochenen Fächerstrahl ausgerichtet. Dieser Fächerstrahl (der in Fig. 2A deutlicher zu sehen ist) geht durch ein Filter im abgestimmten Filtersystem 3, bevor er auf einem Behälter 4 auftrifft, der sich auf einem Förderband 5 befindet, das sich bei einer konstanten Geschwindigkeit in die Richtung 22 bewegt. Das abgestimmte Filtersystem besitzt zwei Filter, die im Gebrauch nacheinander jeweils als ein einzelnes Bandpaßfilter mit schmalem Photonenenergiebereich wirken. Das erste Filter ist aus Thulium und das zweite Filter ist aus Erbium aufgebaut, die zusammen K Absorptionskanten aufweisen, die die Kα1- und Kα2-Fluoreszenzlinien von Wolfram einer Röntgenstrahlquelle mit Wolframanode einschließen.
Röntgenstrahlen, die diesen Behälter 4 durchlaufen und die durch das Zielmaterial im Behälter 4 über einen Winkelbereich 20 elastisch gestreut werden, werden in der Ebene von Fig. 1 durch eine Anordnung aus Metallfolienlagen 23 (typischerweise 0,3 mm Stahllagen) ausgerichtet, die senkrecht zur Ebene der Figur und längs der Radien eines Kreises mit dem Mittelpunkt P im Behälter 4 angeordnet sind, so daß die Streuung aus lediglich einer begrenzten Voxeltiefe (typischerweise 2 bis 3 cm), die um P mittig angeordnet ist, für den interessierenden Winkelbereich (typischerweise 1 bis 10 Grad) erfaßt werden kann.
Der radiale Abstand benachbarter Lagen kann unter Verwendung von Gleichung (2) berechnet werden, wobei für eine konstante Voxeltiefe von 2 cm, einen Abstand zwischen dem Punkt P und den nächsten Kanten der Lagen von 0,25 cm, eine Lagenlänge von 25 cm und einen Wert für w von 0,12 bei einer Lagenbreite von 0,3 mm bei diesen Abmessungen ein Wert von C = 2,08 erreicht wird.
Um die volle Tiefe des Behälters 4 zu prüfen, sind die Lagen 23 (wie durch den Pfeil 27 angegeben ist) gemeinsam längs der Richtung des ungestreuten Röntgenstrahls beweglich (wie durch die unterbrochene Linie in Fig. 1 dargestellt ist), damit das Prüfzentrum P um denselben Betrag bewegt wird, wenn die Lagen 23 bewegt werden.
In Fig. 2A werden die gerichteten Röntgenstrahlen gleichzeitig über den gesamten Winkelbereich 2Θ durch einen Detektor aus einer Anordnung von Detektoren 6a, ..., n erfaßt, die über die Breite des Fächerstrahls angeordnet sind. Jeder der Detektoren 6a, ..., n enthält eine großformatige Photonenzählkamera, z. B. eine Kombination aus Röntgenbild-Verstärkerröhre und rauscharmer Kamera oder einen Scintillator und eine verstärkte CCD-Kamera mit einer spektralen Auflösung in der Größenordnung von hundert Mikrometern und einem empfindlichen Kamerabereich von mehreren Quadratzentimetern oder mehr, über den die auftreffenden Röntgenstrahlen erfaßt werden können. Die einzelnen Detektoren 6a, ..., n sind so angeordnet, daß sie einen Ausgang erzeugen, der eine Darstellung der Intensitäten und der Positionen der auf dem Detektor auftreffenden gestreuten Röntgenstrahlen ist. Jeder Detektor ist außerdem in einer Ebene senkrecht zum Fächerstrahl ausgerichtet, wie in Fig. 2A gezeigt ist, so daß jeder Detektor lediglich die Streuung von einem begrenzten Bogen des Fächerstrahls registriert.
Fig. 2B besitzt dieselbe grundsätzliche Anordnung wie die Fig. 1 und 2A, mit der Ausnahme, daß der zweite der beiden Primärstrahlkollimatoren 2 der vorherigen Anordnung durch eine Kollimatorlage 24- ersetzt ist, bei der der einzelne durchgehende Schlitz, der zuvor verwendet wurde, um einen kontinuierlichen Fächerstrahl zu erzeugen, in mehrere kurze Schlitze unterteilt ist. Demzufolge wird ein diskontinuierlicher (oder "unterbrochener") Primärfächerstrahl erzeugt. Ein solcher Strahl besitzt eine ausrichtende Wirkung, die zusätzlich zu oder unabhängig von der ausrichtenden Wirkung verwendet werden kann, die in der Ebene erreicht wird, die senkrecht zu der Ebene des Fächerstrahls verläuft, so daß jeder Detektor lediglich Streuung von einem begrenzten Boden des Fächerstrahls registriert, wie zuvor beschrieben wurde.
In Fig. 3 wird das Ausgangssignal von jedem der Detektoren 6a, ..., n zu den in unterbrochenen Linien dargestellten Analysemitteln 8 geleitet, die eine Anordnung aus Differenzbild-Berechnungseinrichtungen 9a, ..., n, eine für jeden Detektor 6a, ..., n; eine Anordnung aus Streuungsprofilgeneratoren 10a, ..., n, einen für jede Berechnungseinrichtung 9a, ..., n; einen Spektrumkennzeichengenerator 11 und einen Spektrumkennzeichenkomparator 12 umfaßt.
Die Ausgangssignale von jedem Detektor 6a, ..., n werden in einer zugehörigen Differenzbild-Berechnungseinrichtung 9a,..., n erfaßt, um ein Streuungsbild zu erzeugen. Jedes Bild wird anschließend durch einen zugehörigen Streuungsprofilgenerator 10a, ..., n verarbeitet, um die Datenmenge zu vermindern, die zum Spektrumkennzeichengenerator 11 geleitet wird, indem durch die Gleichung (1) Informationen in denjenigen Teilen des Bilds verworfen werden, die Bereichen des Datenelementes zugehörig sind, die Streuungsstellen entsprechen, an denen keine Röntgenstrahlen erwartet werden, damit eine kohärente Streuung durch ein interessierendes Zielmaterial erfolgt. Die Informationen in diesen verbleibenden Bereichen, die eine Darstellung eines bestimmten Streuungswinkels sind, werden anschließend gemittelt, um die Datenmenge, die zum Spektrumkennzeichengenerator 11 geleitet wird, weiter zu verringern. Dieses Streuungsprofil mit vermindertem Informationsgehalt wird anschließend zum Spektrumkennzeichengenerator 11 geleitet, wo die Winkelpositionen und die Intensitäten der relevanten Streuungsmerkmale in dem Profil bestimmt werden. Die in jedem Profil gemessenen Kennzeichen werden anschließend zum Spektrumkennzeichenkomparator 12 geleitet, wo eine Bestimmung über das Vorhandensein eines Zielmaterials im Behälter 4 erfolgt, indem diese Kennzeichen mit den im Komparator 12 gespeicherten Kennzeichen verglichen werden. Wenn bestimmt wird, daß Zielmaterial vorhanden ist, wird ein Aktivierungssignal vom Komparator 12 zur Alarmeinrichtung 13 gesendet, das dazu dient, den Operator auf das Vorhandensein des Zielmaterials aufmerksam zu machen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Analysemittel den obenbeschriebenen ähnlich mit der Ausnahme, daß eine Profil-Additionseinrichtung 20 zwischen den Profilgeneratoren 10a, ..., n und dem Spektrumkennzeichengenerator 11 eingeschoben ist. Entweder routinemäßig oder dann, wenn, wie oben beschrieben wurde, das Vorhandensein von Zielmaterial aus einem einzelnen Profil bestimmt wurde, wird ein erstes Aktivierungssignal vom Komparator 12 zur Additionseinrichtung 20 übertragen, die dann betrieben wird, um die Profile von einer kleinen Anzahl von Profilgeneratoren 10a, ..., n zu summieren, um ein einzelnes Profil zu erzeugen, das eine Darstellung der Röntgenstrahlen ist, die von einem lokalisierten Bereich des Behälters elastisch gestreut werden. Dieses einzelne Profil wird dann zum Spektrumkennzeichengenerator 11 geleitet und in der zuvor beschriebenen Weise verarbeitet. Falls der Komparator 12 das Vorhandensein von Zielmaterial aus diesem summierten Profil bestimmt, wird ein zweites Aktivierungssignal vom Komparator 12 zur Alarmeinrichtung 13 übertragen. Dies erfordert einen gewissen Schutz gegen eine falsche Bestimmung des Vorhandenseins von Zielmaterial in einem Profil, da der Störabstand für dieses Profil größer ist als für die Profile der einzelnen Komponenten. Alternativ kann eine Koinzidenzlösung so angepaßt sein, daß ein Alarm lediglich dann ausgelöst wird, wenn bestimmt wird, daß ein oder mehrere benachbarte Volumina mit einem vorgegebenen Zielmaterial gefüllt sind.
Es ist für Fachmänner leicht erkennbar, daß die Funktionen aller obenbeschriebenen Komponenten der Analysemittel durch einen in geeigneter Weise programmierten Computer ausgeführt werden können.
Während der Erfassung des gestreuten Strahls von einem bestimmten Voxel können alle Lagen 23 um einen kleinen Winkel, der typischerweise der kleinste Abstand der Lagen 23 ist, um P aus der Ebene des Fächerstrahls gedreht werden. Dies verschiebt mit der Zeit die radiale Position der Lagen und verhindert einen Informationsverlust infolge Totaldämpfung der gestreuten Röntgenstrahlen bei den diskreten Streuungswinkeln, unter denen die Lagen ausgerichtet sind, wenn sie feststehend sind. Die Lagen können in ihre ursprünglichen Positionen zurückgebracht werden und dieselbe Verschiebung kann für jedes Voxel, das geprüft wird, wiederholt werden, oder die Lagen können alternativ für andere Voxel um denselben Betrag in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist (die ein Element der Kollimationsmittel darstellt, das einen kleinen Bogen des Fächerstrahls abfängt und senkrecht zu dessen Ebene liegt), verhindert andererseits eine bevorzugte dritte Ausführungsform des Kollimators 23 die Totaldämpfung des gestreuten Röntgenstrahls bei jedem Streuungswinkel ohne die Forderung nach einer Drehbewegung des Kollimators. In dieser Ausführungsform kann der Kollimator 23 entweder mit den Kollimatorlagen bei konstanten Winkelabständen oder bei einem Bereich von Winkelabständen in der Ebene von Fig. 1 verwendet werden, wie durch Gleichung (2) angegeben ist. Die Lagen werden jedoch um einen kleinen Bogen des Fächerstrahls, dessen Mittelpunkt auf der Ebene von Fig. 1 liegt (und der typischerweise eine maximale Abmessung am zu prüfenden Objekt von etwa 1 cm aufweist), von einer Richtung senkrecht zur Ebene von Fig. 1 um einen Winkel, der typischerweise im Bereich von 5 bis 25 Grad liegt und insbesondere etwa 15 Grad beträgt, um eine Achse gedreht, die mit dem Radius eines Kreises mit dem Mittelpunkt bei P zusammenfällt und in der Ebene von Fig. 1 liegt. Dadurch wird die Dämpfung des gestreuten Röntgenstrahls klein gemacht und ist bei allen Streuungswinkeln nahezu gleich, wenn das summierte Signal, das vom betrachteten gesamten Zielvolumen, das von dem kleinen Bogen des Fächerstrahls bestrahlt wird, durch den Kollimator geht, akkumuliert wird.
Die Winkelposition jeder Lage ist vorzugsweise derart, daß dann, wenn sie von der vorderen oder hinteren Fläche des Kollimators betrachtet wird, die nächste Fläche jeder Lage sich zwischen den Punkten erstreckt, an denen die nächste Fläche benachbarter Lagen auf die Begrenzung des kleinen Bogens des betrachteten Fächerstrahls in der Ebene der vorderen oder hinteren Fläche des Kollimators auftrifft, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Mit dem Bezugszeichen 28 ist allgemein eine Unterstützungsstruktur gezeigt, die verwendet wird, um die Kollimatorlagen auszurichten und anzuordnen.
Infolge der Divergenz der Kollimatorlagen 23 in der Richtung weg von der Quelle und zum Detektor, ändert sich der obenerwähnte Drehwinkel jeder Lage in einem kleinen Bogen des Fächerstrahls, der einen Mittelpunkt auf der Ebene von Fig. 1 besitzt, um eine Achse von P in der Ebene von Fig. 1 vorteilhaft mit dem Abstand von P längs dieser Achse, mit anderen Worten, die Lagen werden tatsächlich über ihre Länge verdreht. Der am meisten bevorzugte Drehwinkel an einem vorgegebenen Punkt auf jeder Lage ist zum Abstand dieses Punkts vom Mittelpunkt des streuenden Voxels linear proportional.
Das Streuungsbild, das durch die Differenzbild-Berechnungseinrichtungen 9a, ..., n erzeugt wird, ist in. Fig. 5A gezeigt, wobei die Streuungsbänder 14 einem Teil der konzentrischen Ringe von Röntgenstrahlphotonen entsprechen, die durch das Zielvoxel kohärent gestreut wurden. Der Bereich eines Detektors 6a, ..., n, der durch ungestreute Röntgenstrahlen bestrahlt wird, ist durch das Bezugszeichen 16 gekennzeichnet und der Bereich, der verwendet wird, um das Streuungsprofil mit vermindertem Informationsgehalt von Fig. 5B zu erzeugen, ist durch die unterbrochenen Linien 17 dargestellt. Wie aus Fig. 5B erkannt werden kann, entsprechen Peaks der Intensität der gestreuten Röntgenstrahlen den Streuungsbändern 14.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die zuvor beschriebene Ausrüstung durch zwei oder mehr Röntgenstrahldetektoren 25 mit linearer Anordnung und eine gleiche Anzahl vom Ausrichtungsschlitzen 26 ergänzt ist. Jede der linearen Detektoranordnungen 25 wird verwendet, um den Durchgang eines schmalen Fächerstrahls durch das zu prüfende Objekt längs im wesentlichen unterschiedlicher Wege bei im wesentlichen unterschiedlichen Winkeln zum Objekt zu messen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede lineare Detektoranordnung parallel zu einer Sehne zwischen den äußersten Enden des längsten Bogens des Fächerstrahls, der verwendet wird, um kohärente Röntgenstrahl-Streuungsspektren zu messen, und der deswegen senkrecht zur Ebene von Fig. 8 verläuft. Jede lineare Detektoranordnung registriert ein Projektionsbild mit zweidimensionalem Durchgang bei voller Linienabtastung des gesamten zu prüfenden Objekts, wenn das Objekt auf der Fördereinrichtung den zugehörigen Fächerstrahl durchläuft. Die Linienabtastungsbilder von der Vielzahl dieser linearen Detektoranordnungen können dann verwendet werden, um ein Modell der dreidimensionalen Dämpfung des zu prüfenden Objekts unter Verwendung bekannter tomographischer Verfahren, wie etwa das im US-Patent Nr. 4.730.350 hervorgehobene Verfahren, zu rekonstruieren. Diese Informationen werden vorzugsweise unter Verwendung der obenbeschriebenen Technik mit abgestimmten Thulium- und Erbiumiiltern und somit über einem kleinen Bereich der Röntgenstrahl-Photonenenergien gewonnen, der im wesentlichen der gleiche Bereich ist wie derjenige, der verwendet wird, um die kohärenten Röntgenstrahl- Streuungsspektren desselben Objekts zu bestimmen. Das dreidimensionale Dämpfungsmodell des Objekts kann dann verwendet werden, um winkeldispersive Streuungsspektren zu korrigieren und um Dämpfungseffekte von Materialien außerhalb des streuenden Voxels im ungestreuten Primärstrahl und dem Bogen des gestreuten Photonenstrahls zu entfernen.
In der Praxis könnten lediglich tomographische Bilder mit geringer räumlicher Auflösung für den Zweck der Dämpfungskorrektur der kohärenten Röntgenstrahl-Streuungsspektren erforderlich sein und deswegen würde eine Geräteausstattung verwendet werden, die lediglich verhältnismäßig wenige Röntgenstrahl-Durchgangsmessungen über eine kleine Anzahl von Bahnen durch die Tasche unter verschiedenen Winkeln ausführt. Dies wäre insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform der Fall, bei der die Bewegung des Koffers auf der Fördereinrichtung während der Signalerfassung die effektive Dimension des streuenden Voxels und aller Elemente in dem zu prüfenden Objekt längs der Bewegungsrichtung vergrößern würde.
Fig. 6 zeigt die Streuungsprofile, die unter Verwendung der Ausführungsformen d Sprengstoff;
(b) Plastiksprengstoff er Fig. 1 und 2 von folgenden Proben mit einer Dicke von 13 mm gewonnen wurden:
(a) HMX- auf Basis RDX;
(c) Lagensprengstoff auf Basis PETN;
(d) Schießpulver;
(e) Mischung aus Ammoniumnitrat/Kraftstoff.

Claims

1. Röntgenstrahl-Prüfsystem, mit:

einer Quelle (1, 2, 3) für ausgerichtete Röntgenstrahlen, die so angeordnet ist, daß sie einen Röntgenstrahl in Form eines Fächerstrahls erzeugt;

Kollimationsmitteln (23), die so beschaffen sind, daß sie Röntgenstrahlen durchlassen, die von einem Volumenelement in einer bestimmten Tiefe in einem zu untersuchenden Objekt gestreut werden;

einer Anordnung aus positionsempfindlichen Detektoren (6a, ..., 6n), die über die Breite des Fächerstrahls angeordnet sind;

Kollimationsmitteln, die so beschaffen sind, daß sie zu jedem positionsempfindlichen Detektor Röntgenstrahlen von einem begrenzten Bogen des Fächerstrahls durchlassen; und

Analysemitteln (9, 10, 11), die funktional an jeden Detektor angeschlossen sind, um dessen Ausgangssignale zu verarbeiten, um das Vorhandensein von Röntgenstrahlen, die unter einem oder mehreren vorgegebenen Winkeln kohärent gestreut wurden, zu bestimmen;

dadurch gekennzeichnet, daß

jeder Detektor (6a, ..., 6n) in der Anordnung senkrecht zu der Ebene des Fächerstrahls angeordnet ist, um Röntgenstrahlen, die unter einem Winkelbereich gestreut werden, gleichzeitig zu erfassen;

die Quelle (1, 2, 3) für ausgerichtete Röntgenstrahlen so beschaffen ist, daß sie das Objekt (4), das mit dem Fächerstrahl zu prüfen ist, untersucht; und

die Kollimationsmittel (23) eine Anordnung aus Lagen aus röntgenstrahldämpfendem Material enthalten, die längs Ebenen liegen, die sich längs einer Linie schneiden, die durch die Ebene des Fächerstrahls und das zu prüfende Objekt verläuft, und von dieser Linie zu den Detektoren divergieren.

2. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Anordnung aus fokussierenden Kollimationsmitteln (23, 38) und eine entsprechende Anordnung aus Erfassungsmitteln (6a, ..., n) enthält, wobei alle Elemente der Anordnung aus Kollimationsmitteln (23, 38) in einer Richtung parallel zur Ebene des Fächerstrahls gestapelt sind, damit jedem Element Röntgenstrahlen, die von entsprechenden begrenzten Bögen des Fächerstrahls gestreut werden, zugeführt werden.

3. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jedes Kollimationsmittel mehrere Lagen aus röntgenstrahldämpfendem Material (23) enthalten, wobei sich die Lagen so erstrecken, daß jede Lage eine Streuungsebene in einer geraden Linie schneidet, die mittig durch das Volumenelement verläuft, von dem eine Streuung erfaßt werden kann, wobei die Streuungsebene durch eine Ebene senkrecht zur Ebene des beleuchtenden Röntgenfächerstrahls definiert ist und durch die Quelle sowie mittig durch das streuende Volumenelement verläuft.

Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Lagen (23) untereinander um denselben kleinen Winkel beabstandet sind.

5. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand zwischen aufeinanderfolgenden Lagen unterschiedlich ist, wobei der Abstand derart ist, daß die Lagen eine Streuung von einem Volumenelement in definierter Tiefe unabhängig vom Streuungswinkel der Röntgenstrahlen, die durch die oder jedes Kollimationsmittel (23, 38) übertragen werden, einlassen.

6. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lagen (23) vollständig in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht zur Streuungsebene verläuft, die den Fächerstrahl halbiert.

7. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lagen (23) nicht im wesentlichen senkrecht zur Streuungsebene verläuft, jedoch von dieser Position um einen Winkel, der im wesentlichen nicht größer als 25º ist, um eine Achse gedreht ist, die den Fächerstrahl halbiert.

8. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel im Bereich von 5º bis 25º liegt.

9. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel etwa 15º beträgt.

10. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Drehwinkel einer Oberfläche, längs der eine Lage (23) liegt, längs der Drehachse mit dem Abstand vom Zentrum des streuenden Volumenelements ändert.

11. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel an jeder Position auf einer Oberfläche, längs der eine Lage (23) liegt, zum Abstand dieser Position vom Zentrum des streuenden Volumenelements linear proportional ist.

12. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das System außerdem Drehmittel enthält, wodurch die oder jedes Kollimationsmittel (23, 38) um das Zentrum des streuenden Volumenelements in einer Ebene, die im wesentlichen parallel zur Streuungsebene verläuft, um einen Winkel gedreht werden kann, der in der Größenordnung des Winkelabstands der Lagen liegt.

13. Röntgenstrahl-Prüfsystem ach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmittel die oder jedes Kollimationsmittel (23, 38) um den Winkel in einer Zeit drehen kann, die nicht länger als jene ist, die von den Kollimationsmitteln oder jedem Kollimationsmittel benötigt wird, um ein Streuungsprofil zu erzeugen.

14. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jedes Kollimationsmittel (23, 38) relativ zum Objekt (4), das in der Richtung des ungestreuten Röntgenstrahls (27) geprüft werden soll, bewegt werden kann, um auf Volumenelemente in unterschiedlichen Tiefen im Objekt zu fokussieren.

15. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder positionsempfindliche Detektor (6a, ..., n) so beschaffen ist, daß er sich mit einem entsprechenden Kollimationsmittel (28) bewegt.

16. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlquelle einen polychromatischen Röntgenstrahlgenerator (1) und ein damit zusammenwirkendes abgestimmtes Filtersystem (3) enthält.

17. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindlichen Detektoren so beschaffen sind, daß sie im wesentlichen lediglich auf die Röntgenstrahlenergie im Bandpaßbereich des abgestimmten Filtersystems (3) empfindlich sind.

18. Röntgenstrahl-Prüfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Röntgenfächerstrahl ein begrenzter Fächerstrahl ist, der so beschaffen ist, daß er einen lokalisierten Bereich des zu prüfenden Objekts bestrahlt, und die Kollimationsmittel (23, 38) und die Erfassungsmittel (6a, .., n) so beschaffen sind, daß sie die Streuung von diesem lokalisierten Bereich erfassen.