CN101198860A - 能量鉴别散射成像系统 - Google Patents

Abstract

样品检测系统包括沿传输路径输出光子的光子源和把样品完全传送通过传输路径的传送器。辐射探测器相对于传输路径错位放置，用以检测响应于与从传输路径中通过的样品的相互作用而从传输路径中散射出的光子。控制器通过检测到的散射光子确定存在于样品中的第一物质。

Description

能量鉴别散射成像系统

本申请要求于2005年6月16日提交的美国临时专利申请No.60/691,045的优先权，其内容通过引用并入此文。

技术领域

本发明涉及样品检测系统，以及更具体地，涉及能鉴别有相似密度的物质的样品检测系统。

背景技术

食品检测工业当前利用基于X射线的系统，该系统采用闪烁器/光电二极管线性阵列来检验各部分和填充高度、检验食品和包装质量、检验食品杂质和/或提供过程控制。这些系统取决于检测食品、包装以及存在的杂质对X射线透射差异的能力。这些系统在检验食品产品、包装或杂质之间密度明显不同的产品时非常有效。然而，当杂质和/或包装的密度与被检测食品的密度非常相似时，系统检测差异的精度被降低了。

因此，需要一种用于食品检测工业的X射线系统和方法，其可以检测在被检测的食品、和食品和/或食品包装中存在的任何杂质之间的差异，特别是当杂质和/或包装与被检测食品有相似的密度时的差异。

在下列文章中可以找到利用X射线检测在一种物体中两种或更多组成成分之间的差异的例子：N.J.B.McFarlane，C.R.Bull，R.D.Tillett，R.D.Speller，G.J.Royle和K.R.A.Johnson所著的“The Potential for Compton scattered X-rays in Food Inspection：The Effect of Multiple Scatter and Sample Inhomogeneity”，J.argic.Engng Res.(2000)75，265-274；G.Harding，M.Newton和J.kosanetaky所著的“Energy-dispersive x-ray diffractiontomography”，Phys，Med.Biol.，1990，Vol.35，No 1，33-41；N.J.B.McFarlane，C.R.Bull，R.D.Tillett，R.D.Speller，和G.J.Royle所著的“Time Constraints on Glass Detection in FoodMaterials  using Compton Scattered X-rays”，J.argic.  Engng，Res.(2001)79(4)，407-418；以及Surrey大学的Physics RadiationImaging系的“Energy Dispersive X-ray Scatter for measurementof oil/water ratios”，

http://www.ph.surrey.ac.uk/rmm/imaging/xray_scatter/index.html.

发明内容

本发明是一种样品检测系统。该系统包括用以沿传输路径输出光子的装置以及把样品完全传送通过传输路径的装置。用以检测响应于与从传输路径中通过的样品的相互作用而从传输路径中散射出的光子的装置相对于传输路径错位布置。最后，系统包括用以通过检测到的散射光子确定第一物质存在于样品中的装置。样品包含多种物质，其中，包括第一物质的最少两种物质以大致相同的程度阻碍光子在传输路径中的通过，在这种情况下，防止了基于从传输路径上的样品中逸出的光子来对所述的至少两种物质间进行鉴别。检测到的散射光子是响应于和第一物质的相互作用而被散射的。

该系统还可以包括布置在传输路径上以检测从传输路径上的样品中逸出的光子的装置。

多种物质可以包括第二物质，该第二物质相比第一物质在更大的程度上阻碍光子在传输路径中的通过。确定装置可以从检测到的从传输路径上的样品中逸出的光子确定第二种物质存在于样品中。

输出光子装置可以是一个X射线源。第一物质可以是塑料，第二物质可以是金属。

检测装置可以检测相干散射光子和康普顿散射光子中的至少一种。

检测装置可以包括相对于传输路径以第一角度布置的第一光子探测器。检测装置还可以包括相对于传输路径以第二角度布置的第二光子探测器。第一和第二探测器可以被布置以分别检测相干光子和康普顿散射光子。

检测装置可以包括一个可在室温下操作的光子探测器线性阵列。该光子探测器线性阵列可以包括响应于与入射光子的相互作用而产生电子空穴对的芯材(core material)、布置在所述的芯材一个表面的第一电极以及布置在所述的芯材与所述第一电极相对的另一个表面的多个第二电极。

芯材可以包括碲化镉或碲锌镉。

本发明还是一种样品检测方法，其包括步骤(a)沿传输路径输出光子；(b)把样品完全传送通过传输路径；(c)检测响应于与从传输路径中通过的样品的相互作用而从传输路径中散射出的光子；以及(d)通过检测到的散射光子确定第一物质存在于样品中。样品包含至少两种材料，这两种材料以大致相同的程度阻碍光子在传输路径中的通过，在这种情况下，防止了基于从传输路径上的样品中逸出的光子来对所述的至少两种物质间进行鉴别。检测到的散射光子是响应于和所述的至少两种物质中的第一物质的相互作用而被散射的。

该方法还可以包括检测从传输路径上的样品中逸出的光子、以及从传输路径上的样品中逸出的光子来确定所述的至少两种物质中的第二物质存在于样品中，该第二物质相比第一物质在更大的程度上阻碍光子在传输路径中的通过。

步骤(c)可以包括检测相干散射光子和/或康普顿散射光子。

最后，本发明是一个样品检测系统。该系统包括组合辐射源、沿扇形传输路径输出光子的瞄准装置、以及相对于传输路径错位布置用以检测响应于与由传输路径限定的或完全放置在传输路径中的样品切片的相互作用而从传输路径中散射出的光子的光子探测器。提供用以通过检测到的散射光子确定样品中包含第一物质的装置，该样品包含第一物质和第二物质，这两种物质以大致相同的程度阻碍光子在传输路径中的通过，在这种情况下，防止了基于传输路径上的样品中逸出的光子来鉴别第一物质和第二物质。检测到的散射光子是响应于与第一物质的相互作用而被散射的。

另一个光子探测器可以放置在传输路径上以检测从传输路径上的样品中逸出的光子。

第二物质相比第一物质在更大的程度上阻碍光子在传输路径上的通过，确定装置从检测到的从传输路径上的样品中逸出的光子来确定第二物质存在于样品中。

相对于传输路径在第一角度布置光子探测器以检测相干散射光子和康普顿散射光子中的至少一种。该系统还可以包括相对于传输路径以第二角度布置的另一个光子探测器。

附图说明

图1是按照本发明的样品检测系统的侧面示意图；

图2是图1沿剖面线II-II的截面图；

图3是图1和图2中示出的示例性探测器阵列的阳极侧的平面图；以及

图4是耦接到电路框图的示例性探测器阵列的侧面图，该电路用以偏置该探测器阵列并且检测和存储对与探测器阵列的芯材相互作用的光子的能级计数。

具体实施方式

参照附图描述本发明，在这些图中，相同的标号对应相同的组件。

参照图1，本发明是一个包括传送带4的样品检测系统2，该传送带传送诸如包装或未包装的食品产品6之类的样品通过检测点8。参照作为食品产品6的样品对本发明进行描述。然而，这不能解释为对本发明的限制。

参照图2并继续参照图1，检测点8包括但不限于诸如X射线源之类的一个高能光子源10，以及位于传送带4相对侧的至少一个线性光子探测器阵列12。在图1中显示光子源10和探测器阵列12分别位于传送带4的上面和下面。然而，如果需要，光子源10和探测器阵列12的位置可以互换，因此，这不能解释为对本发明的限制。

理想地是，探测器阵列12位于光子源10输出的光子的传输路径14中。出于食品检测的目的，传输路径14理想地是扇形的(图2中很好地显示了出来)，在这种情况下，在食品产品6的检测期间，由传送带4传送的食品产品6的每一部分完全通过传输路径14。更具体地说，传输路径14和被传送通过其中的食品产品6的每一部分的相互作用限定了被测食品产品6的切片。应该理解的是，食品产品6完全通过传输路径14地连续传输限定了被测食品产品6的一系列连续切片。食品产品6可以是如图1所示的以一个或多个食品产品6离散块的形式，也可以是以食品产品6连续块的形式出现在传送带4上。

为了符合传输路径并对准传输路径，检测点8可以包括一个位于光子源10和传送带4之间的瞄准装置16，以在用于检测传送带4上的食品产品6之前瞄准传输路径14。

瞄准装置16可以呈现为任何合适的或期望的形式。例如，瞄准装置16可以包括一个或多个完全瞄准器(full collimator)，一个或多个完全瞄准器和一个或多个半瞄准器(half collimator)的组合等等。选择一个或多个瞄准器形成瞄准装置16可以由本领域普通技术人员基于要求的瞄准的理想精度进行。

取决于应用，线性探测器阵列12有2英寸至10英寸的长度D。然而，线性探测器阵列12的长度D可由本领域普通技术人员针对应用选择为任何合适的和/或理想的长度，因此，这不能解释为对本发明的限制。

在食品产品6中特别难以检测到的杂质18是塑料。例如，基于光子沿传输路径14传播并被探测器阵列12接收，特别难以检测到大量食品产品6例如肉类中的一片塑料杂质18。然而，光子散射可以作为检测食品产品6中的杂质1的基本原理。

光子散射通常可以被分为的两种类型，也就是(1)相干或弹性散射以及(2)康普顿或无弹性散射。相对于传输路径14的方向，以10-40keV的能量和杂质18相互作用的光子的相干散射典型地发生在角度20相对于传输路径14小于等于10°的情况下。相反地，能量为10-40keV的康普顿散射典型地发生在角度20相对于传输路径14大于40°的情况下。角度20相对于传输路径14大于10°小于40°的光子散射被认为是相干散射和康普顿散射的组合。由于每个散射的光子被散射的角度取决于光子的入射能量，前述的角度不能被解释为对本发明的限制。

按照本发明，通过一个或多个类似线性探测器阵列12的线性检测阵列24可以检测到食品产品6中出现杂质18，该线性检测阵列24位于相对于传输路径14在一个或多个不同的角度20上，以检测相干散射、康普顿散射和/或它们的组合，这些散射是由在传输路径14上传播的光子与食品产品6中的杂质18之间的相互作用产生的。

例如，除了探测器阵列12之外，可以放置另一个单个探测器阵列24来检测相干散射或康普顿散射。可替换地，取代一个单个探测器阵列24，可提供一个探测器阵列24对，放置所述的探测器阵列24对中的一个来检测相干散射，放置所述的探测器阵列24对中的另一个来检测康普顿散射。可替换地，可以提供多于两个的探测器阵列24以检测相干散射、康普顿散射、和/或相干散射/康普顿散射的任意组合。

单个探测器阵列24或多个探测器阵列24中的每一个相对于传输路径14放置的角度20可以针对特定类型的待测杂质18或光子能量而被优化。例如，在光子能量为10-40keV时，单个探测器阵列24可以以相对于传输路径14为1°-20°，理想角度为5°-10°的角度20放置，以检测相干散射，可以以相对于传输路径14为40°-60°，理想角度为45°-55°的角度放置以检测康普顿散射，或者可以以相对于传输路径14为20°-40°，理想角度为25°-30°的角度放置以检测康普顿散射和相干散射的组合。可替换地，第一个探测器阵列24可以以相对于传输路径14为1°-20°，理想角度为5°-10°的角度20放置，以检测相干散射，而第二个探测器阵列24可以以相对于传输路径14为40°-60°，理想角度为45°-55°的角度20放置以检测康普顿散射。另外地，如果需要，第三个探测器阵列24可以以相对于传输路径14为20°-40°，理想角度为25°-30°的角度20放置以检测康普顿散射和相干散射的组合。

基于要检测的杂质18和/或由光子源10在传输路径14上产生的光子的光子能量，可以对探测器阵列的数目和每一个探测器阵列相对于传输路径14放置的角度20进行选择以满足检测食品产品6中的杂质18的需要。因此，上文所述的探测器阵列的数目和每一个探测器阵列以合适的角度20放置不能解释为对本发明的限制。

参照图3和图4，每一个探测器阵列12和24是理想的室温半导体线性阵列。每一个探测器阵列12和24包括由诸如碲化镉(CT)或碲锌镉(CZT)之类的材料形成的芯材26，其响应于高能光子与其中的晶格结构的相互作用产生电子空穴对。每一个探测器阵列12和24在其中的光子射入侧包括一个连续的阴极28和在芯材26相对于阴极28的一侧包括多个分段阳极30。阴极28耦接至电压源32，该电压源32以相对于阳极30合适的电压偏置阴极28，于是，在芯材26中产生的空穴被吸引至阴极28以及在芯材26中产生的电子36被吸引向一个或多个阳极30。

图3包括示例性探测器阵列12或24的尺寸。然而，在图3中出现的尺寸并不能解释为对本发明的限制。

每一个阳极30代表一个探测器阵列12或2 4的图像元件(或像素)。每一个阳极30连接到电荷敏感放大器38。每一个放大器38的输出是一个准高斯型信号，其信号高度与入射光子能量成正比。每一个放大器38的输出连接到一个或多个比较器，每个比较器有一个用以确定入射光子能量的预设阈值。每一个比较器的输出耦接至控制器42，该控制器42可操作地对每一个比较器40的输出进行采样并从中确定入射光子的能量。

在操作中，当光子44和芯材26相互作用时，产生多个电子空穴对，电子空穴对的数量与所述的光子44的能量成正比。在响应于由电压源32在阴极28和每一阳极30之间施加的合适的电偏置而在芯材26中产生的电场46的影响下，电子36和空穴34分别向阳极30和阴极28迁移。到达每个阳极30的电子被相应的放大器38放大以产生准高斯型信号。该信号被输入一个或多个比较器40，每一个比较器都有一个不同的预设阈值48。每个比较器被配置以输出一个信号，该信号的持续时间对应于由对应的放大器38输出的准高斯信号超过对应阈值48的时间。在适当的时刻，控制器42对每一个比较器40的输出采样，并以本技术领域已知的方式从中确定入射光子的能量。

控制器42可以可操作地累加多个不同能级的入射光子的计数。这样，例如，如果每个放大器38的输出耦接至多个比较器40的输入，每个比较器有对应于入射光子不同能级的不同阈值，那么响应于检测到由放大器38之一的输出信号超过第一阈值但不超过第二阈值，控制器42可以增加与第一阈值相关的作为入射光子能级记录的计数。这样，如果三个比较器有它们各自的被设定以检测超过对应的15keV、30keV和40keV光子能级的信号幅度的阈值，控制器42可以增加每一个信号幅度的计数，该计数作为它表示的光子能级的函数。例如，如果一个信号超过了对应于15keV的阈值48，但并没有超过对应于30keV的阈值48，则控制器42增加这样的计数器值，即，被确立以保持超过对应于15keV的阈值48但并没有超过对应于30keV的阈值48的信号幅度的计数的第一计数器值。相似地，超过对应于30keV的阈值48的每一信号幅度导致控制器42只增加这样的计数器值，即，被确立以保持超过对应于30keV的阈值48但并没有超过对应于40keV的阈值48的信号幅度的计数的计数器值。当信号幅度超过了对应于30keV的阈值48，控制器42可操作地不增加这样的计数器值，即，被确立以保持超过对应于15keV的阈值48的信号幅度的计数的计数器值，即使对应的比较器40的输出显示它对应的阈值48已经被超过了。最后，对于每一个超过对应于40keV的阈值48的信号幅度，控制器42只增加这样的计数器值，即，被确立以保持超过对应于40keV的阈值48的信号幅度的数目计数的计数器值。当一个信号幅度超过了对应于40keV的阈值48时，控制器42可操作地不增加这样的计数器值，即，被确立以保持超过对应于15keV和30keV的阈值48的信号幅度的计数的计数器值，即使对应的比较器40的输出显示它们对应的阈值48已经被超过了。

显然，如果期望更高的分辨率，可以提供一个或多个额外的有不同阈值48的比较器40。

一旦累积到对合适持续时间的合适计数数目，控制器42可以向图像处理系统(未显示)输出这些计数以便以本领域已知的方式进行处理。

重要地是，按照本发明，可以执行对光子和散射光子的能量重新分级，这些光子在传输路径14中传播并被探测器阵列12检测到，散射光子被一个或多个探测器阵列24检测到，每一个探测器阵列以相对于传输路径14的合适角度20被布置。

对与探测器阵列24的芯材相互作用的散射光子能量分级的能力，可以使对食品产品6中包含一种或多种杂质18的准确鉴定变得更加容易。

可以看到，通过以相对于传输路径14的合适角度20正确地放置探测器阵列24，所述的探测器阵列24可以检测到在食品产品中存在一种或多种杂质。作用在所述的探测器阵列24上的散射光子的能量可以被确定并被放入存储器(bin)中，这些可以被用以进一步促进对在食品产品中存在一种或多种杂质的鉴定。多个探测器阵列24还可以被用以检测在食品产品中存在一种或多种杂质，每个探测器以相对于传输路径14不同的角度20被放置。

每一探测器阵列24可以和布置在传输路径14中的探测器阵列12联合使用。然而，由于探测器阵列12可以被省略，一个或多个探测器阵列24可以以上文讨论的方式布置来探测散射光子，所以，这不能被解释为对本发明的限制。

参照优选实施例对本发明进行了描述。对于读懂和理解前面详细描述的人员来讲，本发明可以发生明显的修改和变化。意图将本发明解释为包含所有这些修改和变化，只要这些修改和变化来自所附的权利要求或其等价物的范围内。

Claims (20)

1.一种样品检测系统，包括：

沿传输路径输出光子的装置；

把样品完全传送通过所述传输路径的装置；

检测装置，其相对于所述传输路径错位放置，该检测装置用于检测响应于与从所述传输路径中通过的样品的相互作用而从所述传输路径散射的光子；以及

确定装置，通过检测到的散射光子确定样品中存在第一物质，其中：

所述样品包含多种物质；

所述多种物质中的包括第一物质的至少两种物质以大致相同的程度阻碍光子在传输路径中的通过，在这种情况下，防止了基于从所述传输路径上的样品中逸出的光子来对所述至少两种物质进行鉴别；以及

检测到的散射光子是响应于与所述第一物质的相互作用而被散射的。

2.按照权利要求1所述的系统，此外还包括布置在所述传输路径中以检测从在所述传输路径上的样品中逸出的光子的装置。

3.按照权利要求2所述的系统，其中：

所述多种物质包括第二物质，该第二物质相比所述第一物质在更大的程度上阻碍光子在所述传输路径中的通过；以及

所述确定装置从检测到的从传输路径上的样品中逸出的光子确定在样品中存在所述第二物质。

4.按照权利要求3所述的系统，其中：

所述输出光子的装置是一个X射线源；

所述第一物质是塑料；以及

所述第二物质是金属。

5.按照权利要求1所述的系统，其中，所述检测装置检测相干散射光子和康普顿散射光子中的至少一种。

6.按照权利要求1所述的系统，其中，所述检测装置包括以相对于所述传输路径的第一角度布置的第一光子探测器。

7.按照权利要求6所述的系统，其中，所述检测装置包括以相对于所述传输路径的第二角度布置的第二光子探测器。

8.按照权利要求7所述的系统，其中，布置所述第一探测器和所述第二探测器以分别检测相干散射光子和康普顿散射光子。

9.按照权利要求1所述的系统，其中，所述检测装置包括一个可在室温下操作的光子探测器线性阵列。

10.按照权利要求9所述的系统，其中，所述光子探测器线性阵列包括：

芯材，响应于与入射光子的相互作用而产生电子空穴对；

第一电极，布置在所述芯材的一个表面上；以及

多个第二电极，布置在所述芯材的与所述第一电极相对的另一个表面上。

11.按照权利要求10所述的系统，其中，所述芯材包括碲化镉或碲锌镉。

12.一种样品检测方法，包括步骤：

(a)沿传输路径输出光子；

(b)把样品完全传送通过所述传输路径；

(c)检测响应于与从所述传输路径中通过的样品的相互作用而从所述传输路径散射的光子；

(d)通过检测到的散射光子确定第一物质存在于样品中，其中：

所述样品包含多种物质；

所述多种物质中的包括第一物质的至少两种物质以大致相同的程度阻碍光子在所述传输路径中的通过，在这种情况下，防止了基于从所述传输路径上的样品中逸出的光子来对所述至少两种物质进行鉴别；以及

检测到的散射光子是响应于与所述第一物质的相互作用而被散射的。

13.按照权利要求12所述的方法，此外还包括：检测从所述传输路径上的样品中逸出的光子。

14.按照权利要求13所述的方法，其中，还包括：从检测到的从所述传输路径上的样品中逸出的光子确定在样品中存在第二物质，该第二物质相比所述第一物质在更大的程度上阻碍光子在所述传输路径中的通过。

15.按照权利要求12所述的方法，其中，步骤(c)包括：检测相干散射光子和/或康普顿散射光子。

16.一种样品检测系统，包括：

组合辐射源和瞄准装置，用以沿扇形传输路径输出光子；

光子探测器，其相对于所述传输路径错位布置，该光子探测器检测响应于与样品切片的相互作用而从所述传输路径中被散射的光子，该样品切片被所述传输路径限定并被完全放置在所述传输路径中；以及

确定装置，通过检测到的散射光子确定样品中存在第一物质，其中：

所述样品包括所述第一物质和第二物质，这两种物质以大致相同的程度阻碍光子在所述传输路径中的通过，在这种情况下，防止了基于从所述传输路径上的样品中逸出的光子来对所述第一物质和所述第二物质进行鉴别；以及

检测到的散射光子是响应于与所述第一物质的相互作用而被散射的。

17.按照权利要求16所述的系统，此外还包括另一个光子探测器，该光子探测器布置在所述传输路径中用以检测从所述传输路径上的样品中逸出光子。

18.按照权利要求17所述的系统，其中：

所述第二物质相比所述第一物质在更大的程度上阻碍光子在所述传输路径中的通过；以及

所述确定装置通过检测到的从所述传输路径上的样品中逸出的光子来确定所述第二物质存在于样品中。

19.按照权利要求16所述的系统，其中，所述光子探测器检测相干散射光子和康普顿散射光子中的至少一种。

20.按照权利要求16所述的系统，其中，

所述光子探测器以相对于所述传输路径的第一角度被布置；以及

所述系统包括另一个光子探测器，该光子探测器以相对于所述传输路径的第二角度被布置。

Images