CN102422150A - 用于识别容器中的材料的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于通过测量X射线频谱或伽马频谱并且推导出特定的衰减函数来识别容器(例如瓶子)中的均匀材料(例如液体)的方法。该方法包括：构造空容器、填充有各种液体材料的容器、以及被容纳液体材料本身的衰减函数的数据库(通过从填充容器衰减函数减去或去卷积空容器衰减函数)；记录容器中未知材料的频谱；以及将该频谱与数据库中的频谱进行比较。

Description

用于识别容器中的材料的方法

本发明涉及用于识别和检测特别是在容器内被容纳的材料比如液体和相似物的方法和装置。

本发明尤其是涉及包括被容纳材料的容器的物体，所述被容纳材料根据其特性预期具有单一的、一般均匀的成分，例如流体成分比如液体，包括混合物、溶液、乳状液、悬浮液等，例如可流动的成分比如凝胶、糊、膏、细粉以及相似物，气溶胶，等等。虽然这里作为例子提到在物体比如液体容器中所容纳的液体，应当认识到的是，本发明同样适用于在被容纳时具有这个必要的混合和一般均匀的特征的所有这样的液体、部分液体和其他可流动的材料。

本发明特别涉及使用高量辐射比如X射线或伽马射线来扫描物体的装置和方法，其中获取关于内容物和/或被容纳材料的成分的信息是合乎需要的。本发明还可涉及通过或结合材料图像的生成来操作但不限于这种成像的方法和装置。

期望在安全和海关检查点处扫描物体例如瓶子的内容物，以便在辐射与物体相互作用后基于在检测器上所接收的辐射获得关于内容物的信息，并且获得物体的内容物不构成对安全的威胁或者对海关规章的破坏的指示。为了其他目的比如质量控制、内容物验证、降解监控等，也期望扫描物体的内容物。

为了确保物体的内容物是他们宣称的东西，可能有用的是扫描物体和内容物，使得高能电离辐射波束穿过物体的截面。这有可能能够从对合成透射辐射波束的强度数据的数字分析获得材料成分的指示，并且将该分析的结果与关于已知成分的材料的参考数据集进行比较。

X射线穿过材料的透射可如下通过指数衰减法则来给出：

I/I_o＝exp[-(μ/ρ)ρt]    (1)

其中，μ/ρ＝质量衰减系数，作为材料的加权元素成分的特性的材料常数；

I是最终强度；

I_o是初始强度；

ρ是材料的密度；以及

t是材料的厚度。

因此，通过查看例如随着材料的厚度“t”而改变的X射线透射的变化，可作出关于质量衰减系数和材料密度的推断。这两个参数是不同材料的特性，因此材料的识别成为可能。

已经开发出了旨在非侵入性地识别密封容器内所保存的目标液体和类似材料(也就是说，始终具有类似地一般均匀的成分的材料)的装置。目标液体或类似材料例如可以是如果在飞机上携带会造成安全威胁的液体或类似材料、包含溶解的麻醉剂的液体或者需要质量控制的液体。根据在我们的共同未决的国际专利申请号PCT/GB2008/050711(公布号WO2009/024818)中所公开的技术，可使用一束X射线来辐射容器，并且使用诸如碲化镉或锗的能量选择性检测器来测量容器及其液体内容物的透射特性。

在各种容器中所保存的各种被容纳材料的透射特性可被记录并保存在数据库中。该数据库可随后被用于与容器和内容物的原位扫描比较，以便寻找匹配的透射特性，因此目标材料可被识别。这种系统的一个缺点在于，为了是有效的，所述数据库需要保存非常大量的、与各种液体或相似内容物以及各种容器的透射特性有关的数据。数据库的查询将是费时的，因此不适合于许多预期的用途，比如在时间常常极其重要的机场安全中。

当被扫描的物体是被容纳材料时，该材料根据其特性将预期具有单一的、一般均匀的成分，例如是液体成分，比如如上所述在容器中的液体，被容纳材料和容器本身都易受个别组成变量比如被容纳材料的类型、被容纳材料的成分或浓度、被容纳材料中高能电离辐射的路径长度、制造容器的材料以及容器壁的厚度的影响。

为了从来自容器及其内容物的扫描的合成透射辐射波束强度数据的数值分析提供更快且精确的数据匹配，将期望移除关于容器本身的数据的部分，从而导致仅关于内容物的数据，其接着与关于已知成分的内容物材料的参考数据集进行比较。

存在对用于非侵入性地识别被容纳材料比如容器中的液体的改进的分析工具的需要。

此外，存在对使用高能电离辐射来进行物体及其内容的扫描的改进的方法、系统和装置的需要，其中进行对内容物的识别和分析而没有来自物体本身的干扰。

按照本发明，在获得对于识别和检测被容纳材料比如液体的成分有用的辐射数据的方法的第一方面中，包括以下步骤：

a)提供辐射源和与其间隔开的辐射检测器系统，以限定在它们之间的扫描区域；检测器系统能够检测并且收集关于入射辐射的在光谱上可解析的信息；

b)从与所述容器相互作用之后例如透射过所述容器之后的在所述检测器系统处接收的辐射，收集关于在所述检测器系统处入射的辐射和因此关于没有任何内容物的具有已知材料成分和已知壁厚的容器在所述扫描区域中与入射辐射的相互作用的强度信息；

c)对于多个不同容器重复步骤b)，每个容器具有已知材料成分和已知壁厚，并且没有任何内容物；以便获得与已知材料成分的容器和穿过容器的已知路径长度有关的强度信息的数据集；

d)评估与多个容器有关的数值关系以生成第一分析函数，其描述了关于辐射的在光谱上可解析的强度信息，该辐射在相对于穿过容器的路径长度与已知材料成分的容器相互作用之后在检测器系统处入射；

e)对现在容纳了材料比如已知成分的液体的相同容器重复步骤b)至c)，以便获得与已知材料成分的容器和内容物以及穿过容器和内容物的已知路径长度有关的强度信息的数据集；

f)使在步骤e)生成的数据从对空容器生成的例如在步骤b)至c)生成的等效数据去卷积，以便获得使已知材料成分的被容纳材料与穿过液体的已知路径长度相关的强度信息的数据集；

g)评估与已知的被容纳材料有关的数值关系以生成第二分析函数，其描述了关于辐射的在光谱上可解析的强度信息，该辐射在相对于穿过被容纳材料的路径长度与被容纳材料比如已知成分的液体相互作用之后在检测器系统处入射。

因此，按照本发明，空容器强度数据被收集并用于生成辐射与容器壁的相互作用的第一分析函数，其例如包括给出壁造成的衰减的厚度修正标志(signature)的线方程。对已知成分和多个已知壁厚的容器生成第一分析函数。可以例如正交于表面或在例如相应于波束路径方向的另一个适当的方向上测量壁厚。

重要的一点是，对于容器的一种或多种已知材料成分，对一系列路径长度生成使强度与穿过容器的路径长度相关的数据，所述路径长度是壁厚和波束方向的函数。该数据随后被用于生成第一分析函数，其对于给定容器成分使强度与穿过容器的路径长度相关。

该分析函数可按以下所陈述的各种方式例如代替类似容器的被测量数据用于例如使用虚拟瓶子数据来填充数据集。

更优选地，可对具有多种成分的变化的壁厚的容器重复步骤b)至d)。因此，可为多种容器成分生成多个第一分析函数。

这些数据或函数可被用于生成使强度与成分相关的另外的分析函数，尤其是在已知成分在一定范围上连续变化的情况下(例如在多组分容器材料具有一系列组成比例的情况下)。这种额外的分析函数可给与另外的功用，而不偏离本发明的原理。

现在容纳了一般均匀的材料比如已知成分的液体的相同容器的另外的强度数据被收集并用于生成代表辐射与容器壁和内容物的相互作用的结果的强度信息的数据集。此处可将这种容器称作为填充的容器。要理解的是，这仅仅是为了与空容器区别开。并不暗示这种容器被完全填充，仅仅是容器现在容纳有液体或类似材料。

已知材料成分的容器和内容物的数据因此提供了使强度与穿过容器和内容物的组合的已知路径长度相关的数据。再一次得到与作为关键的有效路径长度的关系，该路径长度可例如从具有已知波束方向的已知容器壁厚度和内部尺寸推导出来。

理论无内容物数据的数据集可随后通过使在测量填充的容器的步骤生成的数据从对空容器生成的适合数据中去卷积来生成。结果是使已知材料成分的内容物与仅穿过内容物的、理论上无容器的已知路径长度相关的强度信息的数据集。

从填充容器数据中减去空容器数据(其中相减在一般意义上被理解为移除容器的衰减效应，而不是狭义地理解为暗示在第一组数据和第二组数据之间有任何特定的算术关系)。特别地出于这一目的，可测量空容器数据。可从在上面所陈述的测量空容器的步骤记录的数据中提取数据。实际上，第一分析函数可用于生成空容器数据，其随后从填充容器数据中减去。在所有这样的情况下，结果是数据项的数据集，每个数据项都代表了被容纳材料的虚拟无容器样本。

这个去卷积的数据用于生成第二分析函数，其描述了关于辐射的在光谱上可解析的强度信息，该辐射在相对于仅穿过被容纳材料的路径长度与已知成分的被容纳材料相互作用之后在检测器系统处入射，容器实际上被移除。因此该数据用于生成第一分析函数，其仅对给定内容物成分使强度与穿过内容物的路径长度相关。辐射与内容物的相互作用的第二分析函数例如包括给出被容纳材料造成的衰减的路径长度修正标志的线方程，容器实际上被移除。

该分析函数可按以下所陈述的各种方法例如代替在容器的其他中间配置中的内容物的被测量数据用于例如使用虚拟内容物数据来填充数据集。

更优选地，可对具有多种成分的内容物重复该方法。因此，可对多种内容物成分生成多个第二分析函数。这些第二分析函数可用于生成使强度与成分相关的另外的分析函数，特别是在已知成分在一定范围内连续变化的情况下(例如在被容纳材料是具有一系列组成比例的液体混合物的情况下，在溶液具有变化的浓度的情况下，等等)。这种额外的分析函数可对本方法的产物给与另外的功用。

然而，最基本地，本发明的方法的产物是使强度与穿过容器壁的路径长度相关的第一分析函数(并且更加优选是对于多种材料的多个此类函数)以及使强度与穿过“自由”内容物的路径长度相关的第二分析函数(并且更加优选是对于多种内容物的多个此类函数)。

这些函数可按各种方式被用作在将来处理被容纳液体或类似材料时节省精力并且例如为了识别目的使测量数据与预测数据相匹配——没有限制地包括对于中间情况的额外数据的生成、虚拟容器/内容物的参考数据库的填充等——的手段。

可以简单地在逐个数据项的基础上从填充容器数据减去空容器数据，以便生成一组数据项，每个数据项都代表了虚拟无容器液体或其他被容纳材料样本。

在可选的情况下，填充容器数据可被用于生成第三分析函数，其描述了关于辐射的在光谱上解析的强度信息，该辐射在与具有已知材料成分和正交于容器材料的表面的已知厚度的容器相互作用后在检测器系统处入射，所述容器容纳了被容纳材料，比如已知成分的液体。该第三分析函数可用于生成去卷积的数据，并且例如在从第三分析函数中减去第一分析函数的去卷积步骤中生成第二分析函数以便提供描述关于辐射的在光谱上解析的强度信息的第二分析函数，所述辐射在通过扫描区域时在与被容纳材料比如已知成分的液体相互作用之后在检测器系统处入射。

第一分析函数从第三分析函数去卷积，以生成辐射与“自由”内容物的相互作用的第二分析函数，其例如包括给出被容纳材料比如被容纳液体造成的衰减的厚度修正标志的线方程。也就是说，如在第一分析函数中规定的可归因于壁的贡献从在第二分析函数中规定的可归因于组合物的贡献中去卷积或减去(其中相减在一般意义上被理解为从去卷积的函数中消除衰减效应，而不是狭义地理解为暗示在第一分析函数和第二分析函数之间有任何特定的算术关系)，以便产生关于辐射与内容物的相互作用的第三分析函数。

被容纳材料包括根据特性将预期具有在宏观规模上单一的、一般均匀的成分和因此对源的响应的材料，该响应一般实质上仅依赖于穿过被容纳材料的路径长度。示例性的被容纳材料可以是液体成分，比如液体，包括混合物、溶液、乳状液、悬浮液等，例如可流动的成分比如凝胶、糊、膏、细粉以及相似物，气溶胶，等等。

检测器系统能够检测和收集在光谱上解析的、关于入射辐射的信息，该信息在一定意义上适合于将入射辐射同时区分到跨越源频谱的多个有区别的能量带中。例如，检测器系统展示跨越源的频谱的至少一部分的在光谱上可变的响应，允许这样将入射辐射同时区别进入多个能量带。分析函数以这种区别为基础描述了关于在检测器系统处入射的辐射的在光谱上解析的强度信息。

优选地至少第二分析函数，并且更加优选地至少第一和第二分析函数被形成，以便描述关于对不同路径长度的多种排列在检测器系统处入射的跨越辐射源的频谱的辐射的强度信息。

例如，另一步骤可包括以下步骤：

生成描述关于辐射的强度信息的第四分析函数，对于不同容器路径长度的所有排列，跨越辐射源的全频谱，在已知成分的容器穿过扫描区域时，所述辐射与该容器相互作用之后在检测器系统处入射；和/或以下步骤：

生成描述关于辐射的强度信息的第五分析函数，对于穿过被容纳材料的不同路径长度的所有排列，跨越辐射源的全频谱，在已知成分的液体穿过扫描区域时，所述辐射在与已知成分的液体相互作用之后在检测器系统处入射。

在一系列容器和被容纳材料比如可能碰到的液体中重复该过程。以这种方法，可得出一分析函数库和/或可提供已知成分的液体的强度信息的数据库。这样的数据库可由被测量的数据项、经由分析函数生成的虚拟数据项、或者这二者的组合填充。该数据库提供了被容纳材料的参考信息，而没有容器特征，由此提供了目标液体的精确且快速的匹配过程。以这种方法，被扫描的液体或类似的被容纳材料可对照目标被容纳材料的特征的数据库来进行匹配，而没有来自容器的特征的干扰。可提供已知成分的瓶子的强度信息的数据库。这样的数据库提供了没有液体或被容纳材料的特征的瓶子的参考信息。此外或可选地，对为了这样的参考比较而填充数据库的用途而言，分析函数可被用作对被测量的强度数据的直接数字处理工具。

和关于与容器相互作用后在检测器系统处入射的辐射的强度信息相关的分析函数以及和关于与液体相互作用后在检测器系统处入射的辐射的去卷积的强度信息相关的分析函数包括了如以上定义的第一分析函数和第二分析函数，或者根据情况可以是第四分析函数和第五分析函数，并且例如相应地为壁和液体或类似内容物的厚度修正标志，可以组合以产生描述关于辐射的强度信息的输出，对于不同路径长度的多个排列，跨越辐射源的全频谱，当已知成分的被容纳材料通过扫描区域时，该辐射在与已知成分的被容纳材料相互作用之后在检测器系统处入射。

例如，在本方法的优选实施方式中，示出了一种能够在检查期间最小化运行计算的计算开销的实际解决方案，容器分析函数和内容物分析函数比如液体分析函数可以被组合，以使用不同辐射路径长度的多个排列的一系列虚拟的填充瓶子来填充数据库。

以这种方法，提供已知容器中的已知成分的被容纳液体或者其他类似材料的强度信息的数据库。该数据库提供了全范围的可能内容物/容器组合的参考信息，由此提供了目标内容物的精确且快速的匹配过程。以这种方法，被扫描的容器可对照特征数据库和所识别的目标被容纳材料比如目标被容纳液体来进行匹配。

因此，在优选的情况下，该方法是生成对预期情况的强度信息的数据库的方法，例如包括隔离的液体或其他类似材料和/或在已知容器中已知成分的被容纳液体或其他类似材料的强度信息的数据库。

在本发明的其他方面中，一种用于识别和检测被容纳材料比如被容纳液体的成分的方法包括：

执行以上所描述的步骤以生成所述分析函数并且在优选情况下生成隔离的被容纳材料比如液体和/或已知容器中的已知成分的被容纳材料比如液体的强度信息的数据库；

从与未识别的被容纳材料相互作用之后例如透射过未识别的被容纳材料之后的在检测器系统处所接收的辐射，收集关于在检测器系统处入射的辐射和因此关于未识别的被容纳材料的相互作用的强度信息；

使用分析函数，例如通过将未识别的被容纳材料的被测量的强度数据与所述强度信息的数据库进行比较，来识别被容纳材料。

在优选的实施方式中，可应用厚度过滤器，其丢弃在实际的/被测量的瓶子厚度范围以外的任何可能的数据库匹配。

因此，按照本发明的一般原理，通过使其经受入射高能辐射的源，并且通过在辐射与物体及其内容物相互作用之后检测在检测器系统处的辐射，并且在特别优选的情况下至少通过检测透射过物体及其内容物的辐射来扫描受测试的物体。正如所熟知的，当辐射透射过物体时，其衰减可给出关于物体的结构和关于物体的成分且因此在当前情况中关于物体的结构和其内容物的成分的有用信息。本方法因此方便地包括在每个扫描步骤期间确定在扫描区域中的物体所造成的入射辐射的衰减。

本发明特别包括在辐射透射过受测试的物体和内容物之后收集和分析辐射。本发明特别包括确定辐射相对于初始入射强度的衰减。众所周知的是，由材料造成的透射辐射的衰减是特定的材料特性，其可在特征上与源辐射的某些物理参数有联系，并且在功能上与源辐射的某些物理参数相关，所述源辐射的某些物理参数比如是入射强度、入射能量等。

该技术在本质上是一种比较技术，因为它涉及在辐射通过受测试的物体之后寻找标志中的改变。本发明不受比较器的限制。例如技术人员可选择使用I0测量、参考/校准标准、或者甚至从系统的谨慎且可再生的配置中得到的虚拟标准来作为比较器。

例如，经由校准步骤来测量入射强度，其中系统进行操作而在扫描区域中没有物体，并且关于在检测器系统处入射的辐射的强度信息被用来生成用于以上分析的入射强度数据集。

在本方法的优选的可能实施方式中，至少包括将在扫描步骤期间所收集的强度信息的强度数据对照使透射强度与入射强度相关的适当函数关系而被数字地分析，并且将结果与适当数据的库进行比较以提供材料内容物的指示。例如，确定入射和透射强度的比率，并且该比率被用于确定质量衰减的系数，其可随后关联到预期目标或组成材料的等效系数数据的库，以便获得关于在扫描下的物体和内容物的可能成分的信息。然而，本方法的优势在于——特别是在生成被容纳材料或虚拟瓶子标志的数据库的优选情况下，这样的数字分析可能是不必要的，并且代替地通过比较被测量的透射数据与这样的数据库来进行识别。

可根据应用对在垂直或水平的平面内的运动来定位被扫描的物体。为了在瓶子中的液体的安全或海关筛查，设想瓶子将被安装在支持器中，并且因为水平地安装瓶子可能导致有害材料的溢出，所以瓶子穿过一般垂直的平面移动。安装物体比如瓶子以进行垂直运动将需要某种类型的紧固来在扫描移动期间将物体保持在适当的位置上，因此物体优选地安装在与垂直线成1°与80°之间的角度处，优选地在与垂直线成5°与45°之间的角度处，并且更加优选地在与垂直线成5°与30°之间的角度处。

许多物体比如容器以及例如液体的瓶子或箱子具有规则的形状，该形状限定了全厚度(through thickness)方向，一般可在整个这个方向上对它们进行扫描。例如这样的厚度可通过物体的平行侧来限定，或者通过在物体表面上的直径相对的点来限定。辐射波束可布置成使得它垂直于这样的物体的表面入射。也就是说，辐射波束正交于物体的表面并在这样的全厚度方向上通过物体。如果辐射波束布置成以非垂直的角度通过物体，那么波束穿过物体内容物的增加的厚度，这可改进波束吸收并由此改进对物体内容物的分析。例如，辐射波束优选地布置成以与表面的法线成0°与80°之间、优选地在5°与45°之间、并且更加优选地在5°与30°之间的角度通过物体。如果物体如上面所描述的被安装在1°与80°之间、优选地在5°与45°之间、并且更加优选地在5°与30°之间的角度处，那么使用一般水平的波束布置将给出在穿过物体内容物的波束路径长度的期望增加。

辐射源优选地包括发出高能辐射比如电离辐射例如高能电磁辐射比如X射线和/或伽马射线的源，并且检测系统相应地适合于检测在该频谱中的辐射。辐射源例如是宽带源，比如能够在大范围能量上产生宽谱发射的宽带X射线源或伽马射线源。检测器系统优选地展示跨越源频谱的至少一部分的在光谱上可变的响应，允许获取光谱信息并且允许在跨越源频谱的多个有区别的能量带处检测强度信息。

对于每个“扫描事件”(也就是说，对于经由入射到物体上并且例如在给定位置上通过物体/物体及内容物的给定辐射路径对强度的测量)，收集代表跨越源能量谱的至少一部分的在检测器系统处入射的所收集的强度的“强度数据集”。优选地，按照本发明的方法，每个这样的强度数据集在跨越源频谱的至少两个分离的能量带上、并且更加优选地在跨越源频谱的至少三个分离的能量带上被解析。强度数据集因此构成关于频率/能量的强度信息的数据集，其可被解析到这样的多个带中，以便产生关于给定扫描事件因此关于通过经受测试的物体和内容物的给定透射路径的相应的多个透射强度数据测量。

在一个可能的实施方式中，可使用单个宽谱源。在这个实施方式中，本发明的方法可涉及使用宽谱检测器或检测器阵列和/或单个窄谱检测器以检测单色入射辐射。可选地，入射辐射可以使用单个宽谱源来在光谱上被解析，该宽谱源入射在适合于使用检测器的固有特性来解析跨越源频谱的信息的检测器或检测器阵列上和/或入射在具有窄带响应的多个检测器阵列上。在优选的情况下，跨越源频谱内的至少三个并且更加优选地至少五个能量带在光谱上解析入射辐射。这可产生能容许比单色数据更加有力的操纵的数据。因此，在这种优选的情况下，检测器系统适合于至少在解析至少三个能量带并且优选地至少五个能量带的程度上生成关于入射辐射并且尤其是透射辐射的光谱信息。优选地，检测器展示跨越辐射源的频谱的至少相当大部分的在光谱上可变的响应，允许获取详细的光谱信息。

类似地，源可以是单个宽谱源，可识别跨越该宽谱源的多个带宽或单个能量。可选地或额外地，可提供具有窄带宽或以一个或多个离散能量生成入射辐射的源，以便提供一些能量用于按照本发明的方法进行比较。在这种情况下，辐射源是多重源，其包括在不同能量处的源的组合，以便提供必要的总频谱扩展以允许通过检测器跨越多个能量/能带来进行解析。

例如，多重源包括：X射线源，其具有相对较低的能量谱，例如在60keV以下并且例如在10至50keV处操作；以及，一个或多个放射性同位素源，其生成在较高能量处例如在100keV以上的辐射。

该源优选地能够生成辐射的足够宽的谱，以实现对于本发明的性能是必要的频谱分辨率。优选地，该源生成跨越20keV至1MeV范围的至少一个或多个部分并且更加优选地跨越20keV至160keV范围的至少一个部分并且例如大部分的辐射。例如，该源生成在给定范围内的至少20keV的至少一个带宽范围内变动的辐射。例如，频谱使得至少3个10keV带可在上述范围内被解析。

优选的是，使检测器系统能够以通过数据处理装置在光谱上解析的方式来检测辐射。优选地，检测器系统或者构成多元件系统的一些或所有离散的检测器元件可以适合于产生光谱分辨率，因为它展示直接的光谱响应。特别是，系统或元件由被选择成作为直接的材料特性内在地展示对源频谱的不同部分的直接可变的电响应和例如光电响应的材料制成。例如，检测器系统或元件包括一种或多种半导体材料，其优选地形成为块状晶体并且例如为块状的单晶体(其中在该上下文中，块状晶体指示至少500μm的厚度，并且优选为至少1mm的厚度)。构成半导体的材料优选地从碲化镉、碲锌镉(CZT)、碲锰镉(CMT)、锗、溴化镧、溴化钍中选择。第II-VI族半导体特别是所列出的那些半导体在这方面是特别优选的。构成半导体的材料优选地从碲化镉、碲锌镉(CZT)、碲锰镉(CMT)及其合金中选择，并且例如包括结晶Cd_1-(a+b)Mn_aZn_bTe，其中a+b＜1并且a和/或b可以为零。

可考虑这些材料以及任何其他此类材料的组合，其给出了光谱检测，而不仅仅检测在辐射与物体和内容物相互作用之后的振幅。

优选地，特定几何形状的波束比如笔形几何形状的波束或者扇形或帘状波束被用来垂直于物体的移动方向而对准。

在优选的实施方式中，可以结合简单的单像素检测器或线性阵列检测器提供简单的笔形波束。可选地，可使波束准直以具有在至少一个维度上的扩展，例如结合一个或多个线性检测器。如果使用了笔形几何形状的波束，则对于检测器仅需要一个像素。使用笔形波束的线阵列或面阵列可提供检测这样的散射辐射的额外信息的能力。如果使用扇形几何形状的波束，则线性检测器优选地布置成垂直于物体的移动方向并且在波束的区域内。方便地，线性检测器可包括多个单独检测器元件的线阵列。

辐射源适合于发射这样的波束。优选地，在源与受测试的物体之间，例如在源附近提供准直器，以便产生来自源的适当几何形状的发射波束。特别是，使源波束准直以产生笔形波束。

额外地或可选地，可以在波束与物体和受测试的内容物相互作用之后，例如在检测器附近使波束准直，以允许透射辐射传递到检测器但是例如禁止任何散射辐射到达检测器。

以最简单的形式，本发明可简单地包括用于例如通过计算透射路径中的物体的质量衰减系数并且进行适当的库比较来在单个或多个光谱带处从强度数据提取在透射路径中材料成分的指示的方法。不需要生成图像。

然而，并不排除本发明可形成扫描成像系统的部分。按照这种可能的实施方式，关于在检测器或者在另一成像检测器处入射的辐射的信息，特别是在第一次物体扫描期间所收集的信息的数据集被用于生成在扫描区域内的物体的图像。

优选地，该方法包括收集关于在辐射与扫描区域中的物体相互作用之后透射辐射的强度的数据，以及关于如上所述在检测器上数字地处理的透射辐射的强度的数据，并且产生一个或多个图像，例如当物体穿过扫描区域移动时的一连串图像。

为了澄清，应当理解的是，此处所使用的对图像的生成的提及是对例如以适当存储和可操纵的数据文件的形式的信息数据集的创建的提及，从这些数据文件中可产生在研究下的物体的基本结构的视觉表示，并且对显示这个图像的提及是对例如在适当的显示装置上以可视觉地访问的形式来显示从这样的数据集生成的图像的提及。

本发明的方法还方便地提供了显示这样生成的一个或多个图像的额外步骤，并且在多个图像的情况下可能涉及同时或顺序地显示这样的图像。

每个被收集的图像可以跨越多个带在光谱上被解析，其中每个带旨在生成跨越全频谱的一部分的图像，使得这些带一起允许生成能量有区别的合成图像或者一连串图像。

现在将参考附图作为例子来描述本发明，其中：

图1是本发明的装置的示意图；

图2是包括了图1的装置的实现本发明的可能装置的一般示意图；

图3示出了典型的辐射源频谱，并且结合成像操作示出了它如何被划分以实现本发明；以及

图4和5示出了用于在瓶子扫描器上的顶级数据收集、用于产生数据库的代表性规程，其中可以对相对于入射波束的瓶子倾斜来校正数据。

在图1中示出的本发明的装置中，显示了实现本发明的可能装置的实施方式，该装置包括使用X射线辐射来扫描瓶子或类似物体中的液体的瓶子扫描器。虽然此处作为例子提到被容纳液体，但是应认识到，当容纳比如液体混合物、溶液、乳状液、悬浮液等、例如可流动的成分比如凝胶、糊、膏、细粉以及相似物、气溶胶等的时候，本发明可被类似地应用于具有这种基本的混合和通常至少在宏观上均匀的特征的所有成分材料。

瓶子扫描器10设置有用于移动瓶子支持器12的线性滑动轴11，所述瓶子支持器12被固定地连接到线性滑动轴11用于随着其移动。线性滑动轴11能够在两个方向上移动瓶子支持器12。

瓶子支持器12包括：背部构件13，瓶子16倚靠着该背部构件13搁置；以及，具有顶表面15的基部构件14，该顶表面15上放置瓶子16。借助于支持器和以角度α倾斜的线性滑动轴，瓶子16靠着瓶子支持器12套入并进入瓶子支持器12。在该例子中，角度α可以是与垂直方向成15°的角度。对于瓶子，在5°与30°之间的角度可能是方便的。其他形状的物体或容器可以保持在不同的最佳角度处。

瓶子支持器背部构件13优选地设置有开口(未显示)，以允许有让X射线波束从瓶子传递到检测器的畅通路径。背部构件13中的开口可以是槽状孔，其从背部构件的顶部延伸到背部构件的底部。该槽状孔可以是窄槽，其提供了一些波束准直，这些波束准直具有足以允许光束无障碍地通过但又窄到足以禁止任何散射辐射到达检测器22的宽度。在透射侧上可提供额外的或其他可选的波束准直。

瓶子支持器12与瓶子16沿着线性滑动轴11的移动由电力供电的步进马达23的旋转导致。该马达使滑轮24旋转，该滑轮24驱动皮带25，而该皮带25又驱动滑轮26旋转。滑轮26的旋转运动被转换成线性滑动轴11中的适当驱动装置比如螺杆驱动装置(未示出)的旋转，该驱动装置造成了瓶子支持器12的线性运动。

马达能够在任一方向上旋转，并且通过控制马达的旋转方向，瓶子支持器12和瓶子16的移动方向可被确定。

当瓶子沿着线性滑动轴的方向移动时，会导致有X射线波束19通过。入射波束19由源18、优选地钨源生成，使得在波束中存在能量的宽谱。

X射线波束19被水平地对准。当瓶子以和垂直方向成一角度α倾斜时，波束不会垂直于瓶子的表面射到瓶子上。当波束穿过瓶子及其内容物时，这种优选的布置给出了增加的吸收路径。

入射波束19通过瓶子16和瓶子的内容物17，在透射波束22从瓶子射出并且由检测器20检测到之前，在瓶子和瓶子的内容物中沿着波束路径21将发生吸收和散射。

X射线束优选地由设置有孔43并且被定位成靠近源18的初级准直器41准直，并且波束优选地是具有一维几何形状的笔形波束。

透射X射线波束20优选地在其到达检测器22之前通过次级准直器42中的合适的孔44被准直。

检测器22优选地是与准直的X射线波束对准的单个像素。该检测器生成了表示与来自透射X射线波束20的光子的相互作用的强度和能量的信号。这些信号随后如下面在图2中详细说明的被处理。在该实施方式中，检测器包括能够在光谱上解析入射的X射线的材料，并且在特定的例子中包括碲化镉(CdTe)，虽然应认识到，可使用可选的材料。

通过使用用于检测已经在向前和/或向后的方向上散射的X射线波束的那些部分的额外检测器，可提供额外的分析能力。透射波束20和向前散射的X射线波束可通过使用线阵列或面阵列来检测。

在图2的一般示意图中，为了简单起见仅显示了单个射线路径。X射线源18和侧向间隔开的检测器装置组件22一起限定在它们之间的扫描区域Z。在使用时，待扫描的瓶子通过被放置在瓶子支持器比如在图1中所示的瓶子支持器中并且通过在结构比如图1中所描述的机构穿过扫描区域在方向X上移动而被带到X射线波束路径中，使得X射线波束沿着其轴线通过瓶子。

在所示出的例子中，瓶子安放在扫描区域Z中。来自X射线源的入射波束19被示出。在这个简单的示意图中，入射波束由线19代表。透射波束20入射到单个检测器22上。

检测器22与处理器32数据通信。按照本发明的原理，检测器中的材料的固有频谱分辨率允许处理器32通过参考在数据寄存器33中存储的能量带边界跨越多个预设的频率/能量带来区分地解析该图像。

在示例性的实施方式中，使用了钨X射线源。在图3中示出了典型的频谱，比如可以通过钨生成的初始强度相对于波长的频谱。

图3的主要目的是示出频谱可以按照可能的实施方式被解析的两种可能方式。在每种情况下，频谱被显示为跨越5个频带被解析。

该示意图示出了频谱可被解析的两种方式。在图3a中，所生成的频谱的主要部分在5个相对宽的能量带b1至b5之间分配。在图3b中，可甚至近似为单独能量的5个相对窄的带被定义为c1至c5。这两种备选方案都不与本发明的原理相矛盾，并且任意组合可用来生成有用的结果，用于本发明的数字分析而且在优选的实施方式中用于在光谱上解析的成像以给出关于在研究下的物体和内容物的其他信息。

在示例性实施方式中，相同的原理可用来生成一系列瓶子和内容物的一般的、代表性的函数，并且例如填充虚拟的瓶子和内容物的数据库，并且特征化和识别在研究下的未知瓶子的材料内容物。在示例性实施方式中，数字地分析数据。处理器32还关于一系列被识别的频带例如在图3a或3b中示出的那些频带起作用，并且在这个功能中，使用数据来生成在每个带中的透射强度的代表性量化，例如平均值的代表性量化，该量化随后被传送至强度数据项寄存器34用于存储。

计算装置35评估在沿着瓶子的线扫描的点处的数据，并且尝试按照本发明的方法使该数据拟合一关系。

为了实现瓶子的扫描测试以分析瓶子的内容物，将待研究的瓶子装载到瓶子支持器中。X射线波束开始并且瓶子被移动至用于扫描的位置，例如移动至最大化X射线波束所通过的内容物的厚度的位置。

本方法的实施方式需要跨越受测试的频谱的源的I₀参考数据集，该I₀参考数据集在通过操作没有物体的系统进行扫描之前的校正步骤中方便地生成。

在优选实施方式中，随后通过扫描并且确定一系列已知液体/容器的衰减来生成已知容器中的已知成分的被容纳液体的强度信息的数据库。该数据库提供了全范围的可能液体/容器组合的参考信息，由此提供了目标液体的精确且快速的匹配过程。以这种方法，被扫描的容器可对照特征数据库和所识别的目标液体来匹配。下面更详细地描述了填充这样的库的方法。

随后可以扫描包括未知的被容纳液体的、受测试的物体。例如，在可能的方法中，执行第一移动扫描，其中在该扫描期间I₀值被取为常数，并且通过在透射强度I中的反常倾向数据来识别反常。

移动扫描识别第二静态扫描的目标位置，以材料识别为目的对第二静态扫描执行更加综合的分析。例如，至少在每个带处的衰减(I/I₀)被计算。在可能的另一方法中，计算装置还评估在连续的强度数据项之间的比率(例如，其中数据项是关于能量带c1至c5的所收集的I1至I5，并且计算装置评估商I1/I2、I2/I3、I3/I4、I4/I5)。这样的商的计算能够在原则上将不随着入射辐射能量而变化的变量比如密度和厚度移除而不予考虑，并因此通过拟合到如上所描述的关系来提供在函数上与能量相关的数值指示以及因此提供指示主要能量相关变量、质量衰减系数的数值指示。

比较器36将由此穿过瓶子的深度产生的数据与数据库37比较。该数据库包括具有类似的特性或者至少数字上可比较的特性的预存储的数据，其关于或者依赖于透射强度的预期衰减，例如包括一系列材料并且特别是具体指定的目标材料的质量衰减常数。对于不同路径长度的多种排列，跨越辐射源频谱，该数据库包括在已知容器中的已知成分的被容纳液体的强度信息。该数据库可以是人工或自动编址的数据库。数据可被预加载，或者可以使用已知材料通过操作装置随着时间的过去而生成或添加。继续到图5中的图4是用于瓶子扫描器上的顶级数据收集的代表性规程，其用于按照本发明的一般原理生成这样的数据库。图5示出图4中所示的瓶子扫描的规程的继续，其中可对相对于入射波束的瓶子倾斜来校正数据。

借助于这种比较，可以得出关于透射路径中可能的材料内容物的推论。该推论可以显示在显示装置38上，或者该显示可被优选地延迟，直到如下面所描述的扫描周期完成为止。

在可能的实施方式中，在静止位置上扫描瓶子。这样的静态扫描可在一个选定的点上实现，或者可选地，可选择用于静态扫描的一系列点，并且获取并分析一系列数据记录以识别或验证材料特征。

如果例如瓶子的内容看起来具有分层的成分或者看起来是具有不同成分的多个区域，则可执行一系列静态扫描。

一个或多个静态扫描位置可由与比较器结合的自动系统确定或者由监控测试的操作员确定。

静态扫描的一个位置可以被选择在瓶颈中的液体的水平面以上，以便得到瓶子材料的X射线波束的背景吸收。

Claims (22)

1.一种用于获得对被容纳材料的成分的识别和检测有用的辐射数据的方法，包括以下步骤：

a)提供辐射源和与其间隔开的辐射检测器系统，以限定在它们之间的扫描区域；所述检测器系统能够检测并且收集关于入射辐射的在光谱上可解析的信息；

b)从与在所述扫描区域中的没有任何内容物的具有已知材料成分和已知壁厚的容器相互作用之后例如透射过所述容器之后的在所述检测器系统处接收的辐射，收集关于在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息并因此收集关于所述容器与入射辐射的相互作用的强度信息；

c)对于多个不同容器重复步骤b)，每个容器具有已知材料成分和已知壁厚，并且没有任何内容物；以便获得与已知材料成分的容器和穿过所述容器的已知路径长度有关的强度信息的数据集；

d)评估与所述多个容器有关的数值关系以生成第一分析函数，所述第一分析函数描述关于在相对于穿过已知材料成分的容器的路径长度与所述容器相互作用之后在所述检测器系统处入射的辐射的在光谱上可解析的强度信息；

e)对现在容纳已知成分的被容纳材料的相同容器重复步骤b)至c)，以便获得与已知材料成分的容器和内容物以及穿过所述容器和内容物的已知路径长度有关的强度信息的数据集；

f)使在步骤e)生成的数据从对空容器生成的等效数据去卷积，以便获得使已知材料成分的被容纳材料与穿过所述被容纳材料的已知路径长度相关的强度信息的数据集；

g)评估与已知液体有关的数值关系以生成第二分析函数，所述第二分析函数描述关于在相对于穿过所述被容纳材料的所述路径长度与已知成分的液体相互作用之后在所述检测器系统处入射的辐射的在光谱上可解析的强度信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中对具有多种成分的具有变化的壁厚的容器重复步骤b)至d)。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中对具有多种成分的内容物重复步骤e)至g)。

4.如任一前述权利要求所述的方法，其中在步骤e)生成的数据在以下步骤中被使用：

a)评估与容纳已知材料成分的被容纳材料的所述多个容器相关的数值关系以生成第三分析函数，所述第三分析函数描述关于在与具有已知材料成分和正交于容器的材料的表面的已知厚度的所述容器相互作用后在所述检测器系统处入射的辐射的在光谱上可解析的强度信息，所述容器容纳已知成分的被容纳材料；

b)从所述第三分析函数减去所述第一分析函数以提供所述第二分析函数。

5.如任一前述权利要求所述的方法，其中至少所述第一分析函数和所述第二分析函数被形成以便针对不同路径长度的多种排列、跨越所述辐射源的频谱描述关于在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息。

6.如权利要求5所述的方法，包括以下另外的步骤：

生成针对不同容器路径长度的所有排列、跨越所述辐射源的全频谱描述关于在已知成分的容器穿过所述扫描区域时与该容器相互作用之后在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息的第四分析函数，和/或以下步骤：

生成针对已知成分的被容纳材料的不同路径长度的所有排列、跨越所述辐射源的全频谱描述关于在所述被容纳材料穿过所述扫描区域时与该被容纳材料相互作用之后在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息的第五分析函数。

7.如任一前述权利要求所述的方法，其中将和关于与容器相互作用后在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息相关的分析函数以及和关于与被容纳材料相互作用后在所述检测器系统处入射的辐射的去卷积的强度信息相关的分析函数组合以产生输出，该输出针对不同路径长度的多个排列、跨越所述辐射源的频谱描述关于在已知成分的被容纳材料穿过所述扫描区域时与该已知成分的被容纳材料相互作用之后在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述容器分析函数和所述被容纳材料分析函数可以组合，以使用不同辐射路径长度的多个排列的一系列虚拟填充瓶子来填充数据库。

9.如任一前述权利要求所述的方法，其中收集关于在与容器和/或其内容物相互作用之后在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息的步骤包括至少检测透射过所述容器和/或其内容物的辐射。

10.如权利要求9所述的方法，包括在扫描步骤期间确定在所述扫描区域中的容器和/或其内容物所造成的入射辐射的衰减的特定步骤。

11.如任一前述权利要求所述的方法，其中经由校准步骤来测量入射强度，在所述校准步骤中所述系统进行操作而在所述扫描区域中没有物体，并且关于在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息被用来生成入射强度数据集。

12.如任一前述权利要求所述的方法，其中待扫描的物体是在瓶子中的被容纳材料，并且所述瓶子安装在支持器中，并且穿过以与垂直方向成5°与30°之间的角度的平面移动。

13.如任一前述权利要求所述的方法，其中待扫描的物体相对于辐射波束定向成使得所述辐射波束被布置成以与表面的法线成0°与30°之间的角度穿过所述物体。

14.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述辐射源包括发出高能电离辐射的源。

15.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述辐射源波束被准直以产生笔形波束。

16.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述辐射波束在与受测试的容器和/或其内容物相互作用之后被准直，以允许透射辐射传递到所述检测器但禁止任何散射辐射到达所述检测器。

17.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述检测器系统展示跨越源频谱的至少一部分的在光谱上变化的响应，并且所述方法包括获取在跨越所述源频谱的多个有区别的能量带处在光谱上解析的强度信息。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述检测器包括由半导体材料或被选择成内在地作为直接材料特性展示对源辐射的直接可变光电响应的材料制成的检测器元件。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述检测器包括半导体材料或形成为块状单晶体的材料，包括第II-VI族半导体材料。

20.如权利要求18或19中任一项所述的方法，其中所述检测器包括从碲化镉、碲锌镉(CZT)、碲锰镉(CMT)及其合金中选择的半导体材料。

21.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述被容纳材料是液体。

22.一种用于识别和检测被容纳材料的成分的方法，包括以下步骤：

执行根据任一前述权利要求的步骤以生成所述分析函数，并且优选地生成隔离的被容纳材料和/或已知容器中的已知成分的被容纳液体的强度信息的数据库；

从与未识别的被容纳材料相互作用之后例如透射过所述未识别的被容纳材料之后在所述检测器系统处所接收的辐射，收集关于在所述检测器系统处入射的辐射的强度信息并因此收集关于辐射与所述未识别的被容纳材料的相互作用的强度信息；

使用所述分析函数，例如通过将所述未识别的被容纳材料的所测量的强度数据与所述强度信息的数据库进行比较，来识别所述被容纳材料。

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