CN104067112B - 扫描方法和扫描设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开适于扫描管道或加工容器的扫描方法和设备，其中，从源发射的一束伽马辐射穿过要被成阵列的检测器检测的容器，检测器均是准直的以检测相对于发射的辐射束的宽度在小角度范围内的辐射。

Description

扫描方法和扫描设备
技术领域
本发明涉及扫描一结构的方法，以便通过利用辐射检测器来检测辐射源所发射的辐射从而检测密度变化。
背景技术
通过X射线断层照相术和正电子发射断层照相术对物体和动物进行成像的方法是众所周知的，尤其是在用于诊断用途的医学成像领域。US4338521描述了一种用于计算机断层照相的X射线扫描仪，其具有包括成阵列的检测器模块(包括多个二极管和多个闪烁晶体以及向闪烁晶体引导准直的辐射的辐射束准直器)的检测器。来自x射线源的扇形束的x射线被引导通过被检测器检测的患者。源和检测器围绕患者旋转以提供可构成断层照相图像的数据。在正电子发射断层照相术(PET)中，由放射性核素衰减发射的正电子在与合适的电子接触时消灭，从而导致发射沿相反方向的两个511keV的伽马光子。检测伽马光子的方向能够估计消灭发生的位置并由此估计患者体内的放射性核素的位置。因此，PET扫描仪包括能够检测位于患者身体周围的伽马光子的成阵列的检测器。可根据每个检测器检测到的光子数量构造关于体内放射性核素的相对浓度的图像。
尽管这些扫描方法发展完善并且常用于医学扫描，但是在扫描诸如管道的致密结构时存在困难，因为管道材料的密度使得必须利用伽马辐射进行断层照相扫描，伽马辐射具有充足的能量以穿入和穿过结构，从而使得在束已经穿过结构之后能检测到至少一些辐射。诸如蒸馏塔的结构的伽马扫描是用于测量结构的不同部分处的密度变化的标准工业诊断方法，例如用以确定塔板或塔内其它内部结构的位置和完整性。通常，利用邻近塔放置的发射一束通过塔的辐射的单个伽马源和位于塔的相反部分上以便与已经横穿源和检测器之间的塔的辐射相交并测量该辐射的辐射检测器，来执行这类扫描。源和检测器通常被移动，从而能扫描塔的不同部分。使用许多不同的位置和多于一个源或检测器能提供用于产生经扫描的结构的密度图或断层图的充足数据，但是分辨率通常相当低。为了产生较高分辨率的密度图，相比当前利用常规塔扫描方法获得的信息，必须使用来自通过结构的更多辐射路径的信息。
检查管道以发现诸如壁脱落、裂缝或侵蚀点的缺陷是需要使用辐射扫描的应用。油气生产工业的已知问题是检查位于水下尤其是海床上的管道。利用清管器检查管道内部不总是可行的，例如当管道具有变化的直径时。可通过超声法执行从外侧检查管，但是这不适于具有隔离件或涂层的管道。伽马扫描能产生关于穿过管剖面的密度的有用信息。为了产生关于管的壁厚的分辨率足够高的信息，以识别可能存在于管壁中的小缺陷，需要经过管的大量辐射路径被扫描。此外，如果使用扇形辐射束扫描管，则辐射路径中的许多路径穿过管剖面的弦并因此穿过相对大量的管道壁材料，从而需要能量相对高的伽马源。为了检测已经穿过结构的伽马辐射，需要使用尺寸和密度足够大的检测器以阻拦伽马光子，使得伽马光子不会穿过检测器而未被检测到。为了保持高分辨率，检测器的准直度必须足够，以显著减少检测到从除指向特定检测器的直接路径之外的路径散射的伽马光子。检测器需要足够小以提供良好的空间分辨率。需要大量检测器以实现合理的测量时间。在大量检测器上使用沉重的准直装置必然使扫描设备很重，并且因此设备以受控的且精确的方式围绕大型管道旋转变得很难。当管道水平时，必须在管周围挖沟，以便允许有移动扫描设备的充足空间，因此使用大型设备变得昂贵，尤其是当管道位于海底时。所有这些考虑都为应用高分辨率x射线断层照相法以便利用高能伽马辐射扫描管道或其它大型结构带来了特定的问题。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种方法，但是本发明的方法可用于扫描除管道之外的结构并在包括干燥位置和海底位置的位置使用。
本发明涉及扫描一结构以检测其物理性质的方法。具体地，本发明涉及扫描细长结构(诸如管道)的扫描方法，以检测可指示由侵蚀或腐蚀导致的壁厚变化的其材料密度变化，或推断出关于管道内容物的信息，诸如管道内的沉积物积累或流体流动性质。通常，所述方法和设备涉及通过经由辐射检测器来检测辐射源所发射的辐射从而测量结构的密度。
根据本发明，提供一种扫描方法，其扫描一结构以检测结构的不同部分之间的密度变化，所述方法包括步骤：
a)提供至少一个伽马辐射源和能够检测所述伽马辐射的多个检测器单元，
每个所述检测器单元包括：
i.包括闪烁体的辐射检测器，闪烁体包括闪烁材料并具有由其厚度t和高度h限定的检测表面，其中在检测表面处t≤h并且具有至少为2t的垂直于检测表面的深度d，以及
ii.用于响应于伽马辐射检测闪烁体发射的光的光电检测器，以及
iii.位于闪烁体和辐射源之间的准直器；
b)使所述源单元沿朝向所述检测器沿着预定辐射路径发射伽马辐射，其中，所述路径穿过所述结构的至少一部分；
c)测量所述检测器中的每个检测到的伽马辐射的光子数量；
d)根据与各个路径相关的检测器检测到的光子的测量结果计算每个路径的密度值。
根据本发明，提供一种扫描设备，其扫描一结构以检测结构的不同部分之间的密度变化，所述设备包括：
至少一个源单元，其包括伽马辐射源和被布置用以限制从源单元发射伽马辐射的屏蔽材料；能够检测所述伽马辐射的多个检测器单元，每个所述检测器单元包括：
i.包括闪烁体的辐射检测器，闪烁体包括闪烁材料并具有由其厚度t和高度h限定的检测表面，其中在检测表面处t≤h并且具有至少为2t的垂直于检测表面的深度d，以及
ii.用于响应于伽马辐射检测闪烁体发射的光的光电检测器，以及
iii.位于闪烁体和辐射源之间的准直器；
以及数据处理装置，其用于根据与各个路径相关的检测器检测到的光子的测量结果计算每个路径的密度值。
本发明的设备适于用于本发明的扫描方法，其中，扫描目标结构以通过使辐射源发射的辐射穿过结构并检测已经穿过结构之后的辐射来检测结构的形状或组成的变化。所述方法基于众所周知的原理，即，被物体衰减或散射的辐射量与辐射所穿过的材料的质量相关。经由测量穿过目标结构的通过每个选定路径而检测到的辐射量，能计算和/或比较沿一个辐射路径的结构密度与沿不同的辐射路径的结构密度。“密度值”指的是处于从源到特定检测器的特定路径上的结构的实际或相对密度。密度值可呈伽马光子计数数量或标准化的、平滑的或相对的伽马光子计数数量的形式。替代性地，密度值可以是根据伽马光子的计数数量计算出的值。可以用图表表示密度值，包括图像或其一部分。本发明的辐射检测器的闪烁体的相对大小允许多个闪烁体紧邻放置，以便获得被检测辐射的高空间分辨率，从而以高精度检测结构的小部分的特征。所述方法对扫描诸如管的规则结构尤其有用，但是该方法和设备可用于扫描其它类型的结构。在本发明的特定实施例中，扫描方法是检测管道壁的密度变化的方法。使用此方法能够检测出空隙、裂缝、剥落、气体水合物或变薄等缺陷。可以检测到相对于管壁的相邻部分或相对于根据模型管道产生的参考值或计算值的密度变化。
在本发明的方法中，成阵列的检测器单元与至少一个伽马辐射源相对地安装，以便辐射沿检测表面方向发射。待扫描的目标结构能够插置在源和检测器单元之间，以便源发射的辐射能够沿多个路径穿过结构的一部分并撞击在检测表面上。源和检测器单元可相对于目标结构移动(反之亦然)，以便扫描结构的不同部分。利用成阵列的检测器的主要益处在于可同时扫描通过结构的不同路径。每个路径具有截锥形状，源在顶端并且检测器的检测表面在底部处。阵列中的每个检测器限定通过结构的不同路径，以便可同时扫描的路径的数量等于阵列中检测器的数量。根据扫描方法被使用的应用，检测器阵列中的检测器的数量可从少于10个变化到多于100个，例如，多达150个。实际上，屏蔽和使大量检测器准直所需的屏蔽材料的质量可为能够使用的数量提供实际上限。
源单元和检测器单元可被以彼此固定的关系安装在支撑件上，或者检测器单元可相对于源单元移动。非常优选的是，当设备正在操作时源单元和检测器单元被安装为成固定关系。这使得本发明的设备能够提供源和检测器单元的精确固定对准，以便由检测器所测量的计数的调节仅归因于源和辐射路径所通过的检测器之间的材料。以此方式，能检测到这类材料的很小的密度差异，允许检测到管道壁的厚度的变化或小的缺陷或厚的小的变化。源和检测器单元优选被安装为使得每个检测器的检测表面与以源为其原点的圆弧相切。多个检测器单元彼此紧邻布置。优选的是，成阵列的检测器单元被布置为圆弧形式，该圆弧的半径以待扫描的物体或结构的中心为圆心。检测器单元的设计优选使经过每个检测器单元的的每个检测路径上的总距离最小化，以使得该阵列检测器单元尽可能紧凑，同时保持准直装置和检测器的足够大的深度，以便有效地检测每个路径上的伽马光子。
在本发明的优选形式中，源单元和检测器单元被安装在支撑件上，支撑件为待扫描的结构或其一部分提供了被放置在源单元和检测器单元之间的装置。支撑件以分隔开的固定关系保持源单元和检测器单元。因此，支撑件包括用于安装至少一个源单元的装置和用于将多个检测器单元安装在支撑件上的装置。支撑件可包括具有相对的第一和第二端的细长部分或“臂”，所述检测器单元和支撑单元可安装或接合到相对的第一和第二端。用于安装检测器单元的装置包括与支撑件接合的检测器外壳。支撑件、源单元和/或检测器外壳可形成为单个部件或形成为接合在一起的分开的部件。支撑件必须足够坚固以能够在不变形的情况下支撑和移动检测器和源单元，并且具有足够刚性以保持源单元和检测器外壳(包括容纳在其中的任何检测器单元)之间的精确固定关系。支撑件的一种合适的材料包括铝合金，其可经已知方法机加工以形成支撑件所需的形状。
检测器外壳被成形为容纳一个或多个检测器单元并紧固这些单元，以便它们不会在设备操作期间意外移动。优选设备的一个重要特征是在在扫描方法中被使用期间检测器单元能以固定关系被保持到源。检测器外壳可具有同时容纳若干个检测器单元(例如2-100个单元)的尺寸和形状。检测器外壳可包括将检测器单元容纳在外壳内的多于一个位置处的装置。该装置可仅包括检测器外壳，该检测器外壳具有将检测器单元容纳在外壳内的多于一个位置处的足够空间。如引导轨道或马达的装置也可被包括，以将一个或多个检测器单元从外壳内的第一位置移动到外壳内的第二位置。对利用成阵列的检测器的扫描方法的分辨率的实际限制是各个检测器之间的间隔必须足够大以允许最小需要量的屏蔽，从而确保适当地屏蔽每个检测器，防止光子撞击到相邻检测器上。即使当高密度的合金被用于屏蔽检测器时，也发现了检测器间隔的实际限制是约1°的圆弧。在设备的一个实施例中，检测器外壳具有这样的尺寸，即，允许检测器被容纳在至少两个位置处，彼此偏移一距离，该距离是检测器之间的距离的一部分。当该部分是检测器间隔距离的0.5倍(0.5s)时，通过当检测器阵列处于外壳中的第一位置时执行第一扫描，然后当检测器阵列处于外壳中的与第一位置偏移0.5s的第二位置时重复扫描可使设备分辨率加倍。如果设置额外的位置，和或它们之间的角距离减小，则额外的扫描能提供额外的数据以提高扫描分辨率。例如通过操作经由螺线管进行操作的动力开关，检测器可以在至少两个位置中的任何位置之间移动。非常优选的是提供在扫描时将检测器阵列牢固地锁定在单个位置的装置。这种装置可包括与每个期望位置中的分度孔接合的弹簧销或凸台。
在特别优选的形式中，包括支撑件、检测器外壳(包括其中的任何检测器单元)和源单元的设备可相对于结构横向地和/或旋转地移动，并且提供实现这种移动的装置。优选地，源单元和检测器单元可围绕结构旋转，以便旋转半径的原点在结构内，例如，原点可近似位于结构在旋转平面中的几何中心处。用于所述移动的装置可包括机动或手动的推进和引导装置，诸如轨道、轨部件、引导通道或定位指示器，以引导旋转路径。优选地，设备设置有被成形为符合待扫描结构的至少一部分的至少一个轨部件或轨道。对于管道扫描，例如，可设置一个或多个弧形轨部件，以便设备可以例如通过涡轮驱动器或步进电机转动花键驱动轮、齿轮或嵌齿轮而沿轨部件移动，以围绕结构的圆周旋转检测器外壳和源。在优选形式中，引导装置是分度的(indexed)，例如，通过提供驱动嵌齿轮的齿可接合到其中的缺口，以使扫描设备移动。提供分度的移动可提供在围绕结构的已知角位置处的预定数量的扫描位置。优选地，提供使检测器单元和源围绕待扫描的结构的圆周旋转的装置。对于圆柱形物体，诸如管道，检测器单元和源围绕管道的圆周旋转。在围绕结构的多个径向偏移位置处执行扫描方法，从而可获得穿过结构的各个角度处的密度数据。
引导装置，例如轨部件，可部分地或完整地围绕管道延伸。优选围绕结构连续地移动源和检测器单元，以便避免与使设备相继地加速和制动相关的诸如设备损坏或扫描系统滑动的问题。可要求进行多于一次的扫描以搜集足够多的数据来确定结构性质，但是扫描数量和扫描时间取决于从源前进到检测器单元的辐射必须通过的材料的密度和质量。优选地，在扫描操作期间，保持以相对低的rpm，例如约1至约20rpm，尤其是1-10rpm，围绕结构连续旋转运动。因此，在优选设备中，设置诸如连续轨部件的装置以能够进行这种移动。引导装置可以设置在多于一个部分中，遵循设备的布置，引导装置被放在一起并选择性地接合，以形成用于扫描的期望长度的轨部件。源单元、检测器单元、支撑和引导装置可全部容纳在能够包围结构的至少一部分的封装件内。封装件可具有打开位置和闭合位置，在打开位置，封装件可定位成围绕结构，在闭合位置能够扫描结构。封装件可采用铰接的一对或成组的卡爪的形式，卡爪可被夹紧到待扫描的结构。
可利用发电机或类似装置从设备的移动重新获得电力，然后该电力可用于帮助为检测器或设备的其它操作系统提供动力。
设备的移动还可涉及手动地或通过机械装置，例如通过遥控操作装置(ROV)，使设备升降和/或滑动。当设备被布置在远程或水下位置时，ROV可是优选的以便布置设备和使设备移动。例如平行于管道或容器的轴线的线性移动可通过履带机构或利用轨部件或轨道或替代性地通过诸如升降设备或ROV的外部装置来实现。移动装置可包括例如以特定的角间距进行分度(indexing)，以便提供在围绕结构的已知位置处的预定数量的扫描位置。对于诸如扫描管道的应用，可通过经编程的电子控制单元控制该移动，例如执行源和检测器单元相对于管道的预定定时的移动或成组的移动。移动可以是围绕管道的圆周旋转扫描和/或沿管道轴向的横向移动。
设备可包括在待扫描结构附近支撑设备的装置。这种装置可包括夹持件，其能够与结构接合并将扫描设备支撑在结构上的一个或多个位置。可手动操作夹持件，但优选机械地操作夹持件。
根据待检测的辐射的性质和布置检测器的环境选择闪烁材料。原则上，可选择任何合适的闪烁材料，并且许多材料是已知的且以检测辐射用途被售卖。在指定体积下，密度高的材料提供更好的拦截辐射的能力，并因此闪烁体能形成为小于较低密度材料的可能情形。小的闪烁体更稳定，例如，它不太可能在晶体的不同部分之间具有温差。较小的晶体更有效地传输光，从而需要使用低功耗光电检测器。对于本应用重要的是，小的闪烁体能具有小的检测表面并因此能检测到沿窄路径行进的辐射，而不存在来自背景的大量入射辐射或来自相同或不同路径的散射辐射。对于检测伽马辐射，优选使用致密的无机材料，从而可利用尽可能小的检测器拦截入射光子。密度＞5且具有高Z序数(原子序数)的闪烁材料是优选的。闪烁体优选具有能够拦截能量为662keV的伽马光子的80％的深度和密度。为了在需要抵抗环境条件，尤其是湿气的应用中使用，应该选择不吸潮的晶体闪烁体。用于伽马辐射的尤其优选的检测器包括BGO(锗酸铋)、CdWO4、LaBr3(Ce)、LYSO(硅酸钇镥，掺杂铈)、LSO(硅酸镥，掺杂铈)和CeF3(氟化铈)。当需要机械强度高的检测器时，优选使用不具有解理面的晶体，以便增加其对随后的热或机械冲击的破碎的抵抗性。
每个闪烁体具有检测表面，检测表明在使用时被布置为与辐射路径交叉，以便辐射撞击在检测表面上。未被布置作为检测表面的检测器的其它表面将被称作非检测表面。尽管通常闪烁体的任何部分都能够检测光子，但在本说明书中检测表面和非检测表面的指定涉及在用于检测来自源的辐射的检测器单元中闪烁体的布置。闪烁体还具有一表面，闪烁体响应于撞击在检测表面上的光子而产生的光通过该表面离开闪烁体。此表面在本文中被称作收集表面。收集表面被布置为与光电检测器光通信。收集表面能接触光电检测器或可通过一个或多个光发射器与光电检测器分开，光发射器是由将闪烁体产生的光传输到光电检测器的材料制成的呈窗口、透镜、光纤、光管或光学联接材料等的形式。检测器的收集表面可具有与光电检测器窗口类似的横截面和形状，或者可以不同。检测器自身可用作光导，以使闪烁体中产生的光中的相当大比例传输到光电检测器。在此上下文中，短语“相当大比例”的使用表示闪烁体中产生的所有光都传输到光电检测器，除了由于光传输效率小于100％而无意中损失的一部分光。
每个检测器包括闪烁体，闪烁体通常被支撑在合适的位置，以便检测表面在距辐射源特定距离和与辐射源成特定角度的位置处与源发射的辐射的路径交叉。本发明的一个特别的特征是，检测器能显著减少检测到散射的辐射并增加检测到源发射的沿特定直线路径的辐射的精确度。在检测表面处设置t≤h，更优选地＜0.5h，的细长形状的检测器使得检测器可以紧邻放置，以便每个检测器的空间分辨率高。检测器的深度有助于检测器的拦截效率，因此优选使用具有垂直于检测表面的至少为2t(更优选至少5t，特别是＞10t)的深度d的检测器，以便拦截和测量高能光子。
闪烁体的检测表面的最小尺寸优选在约1mm和约10mm之间。最小尺寸被定义为材料的厚度t。更优选地，1mm≤t≤5mm，并且在优选实施例中，t为约5mm。优选地，检测表面是大体矩形的，以便表面的面积被定义为t×h，其中，h在5-100mm的范围内。更优选地，10mm≤h≤50mm，并且在优选实施例中，h为约25-40mm。闪烁体的深度d在10-100mm的范围内。更优选地，25mm≤d≤75mm，并且在优选实施例中，d为约40-60mm。
辐射不可透过的材料可覆盖闪烁体的检测表面的一部分，以界定辐射可撞击在其上的检测表面部分。准直器可重叠和覆盖晶体的一个或多个边缘至约5mm。
优选通过防止可检测的辐射撞击在非检测表面的检测器表面上来进一步减少检测到散射光子。这通常可通过用防止辐射传输到非检测表面上的材料覆盖除与光电检测器光通信的收集表面部分之外的非检测表面来实现。在优选实施例中，检测器被屏蔽材料围绕，从而保护除与光电检测器光通信的收集表面部分之外全部非检测表面不受辐射。屏蔽材料指的是高度衰减检测器将检测到的辐射的材料。通常，用于阻止诸如伽马辐射的电磁辐射的屏蔽材料包括铅和重金属合金。这类材料是设计辐射检测器和核仪器领域的技术人员众所周知的。
当闪烁体薄时，由于伽马光子与闪烁材料的相互作用而产生的闪烁光在进入光电检测器之前可能进行了若干次内部反射。由于每次反射的效率小于100％，因此多次反射的能力提供了多次光损失机会并因此降低检测器的检测效率。因此，优选为非检测表面设置使得光在检测器内部反射的装置。优选地，非检测表面涂覆有超反射涂层，能够反射闪烁体内至少95％的光，更优选地，至少98％的光。
当检测器单元包括多于一个检测器时，被布置为成阵列的检测器的形式，本发明的优选实施例包括一块屏蔽材料(“检测器挡块”)，屏蔽材料具有从挡块表面向内延伸的开口，每个开口包含检测器，挡块外侧的辐射可接近检测表面。检测表面的一部分可被覆盖以屏蔽材料，以便界定检测表面区域或机械地将检测器保留在开口内。检测器的非检测表面可选择性地被部分地或整个地封装在开口内并覆盖以屏蔽材料。检测器挡块包括使闪烁体的收集表面可与光电检测器或光发射器接触的装置。这类装置可采取闪烁体可延伸通过的开口通路的形式，以便收集表面可接近光电检测器或光发射器。
通过提供用于限制辐射可行进到检测表面所沿的路径的准直装置提高检测器的精确度。准直装置包括准直器，准直器由屏蔽材料形成并且被布置为使得从选定方向朝向检测表面前进的辐射可与检测表面接触，而来自非选定方向的辐射被排除在检测表面之外。以此方式，仅沿选定方向从辐射源前进到检测器的辐射可被检测到。准直器可被布置为使得来自一个或多个选定辐射源的辐射被检测到。准直器的合适的设计能显著减少检测到通常从源发射的光子所沿的路径偏离的散射光子。替代性地，准直器可被设计为使得优先检测到散射光子和其它二次辐射。在优选实施例中，准直装置包括一块屏蔽材料，使得通道，优选是多个通道，延伸通过该屏蔽材料。准直器挡块包括多个通道，每个通常形成为通过挡块并且位置对应于所述阵列中的检测器之一。每个通道被成形为限定将被每个闪烁体检测到的辐射的路径。每个通道在接近闪烁体的端部处具有开口，开口优选安装在闪烁体的检测表面之上，以便检测表面或其一部分位于通道的开口内。远离闪烁体的通道端部是开放的，以允许辐射进入通道并前进到闪烁体。开口优选位于与以源为原点的圆的切线的平面上。远端开口的面积限定辐射能通过其到达检测表面的最大有用面积。通道壁通常是平直的。根据检测器的要求和源发射的辐射的能量确定通道的长度。相比较短的通道，较长的通道更多地减少检测到散射或反射的辐射，因此对特定路径的辐射的检测分辨率更高。本领域技术人员可根据待校准的辐射类型根据已知的物理原理确定准直通道的长度。一般而言，对于来自铯源(其是在本发明的方法和设备中使用的优选源)的准直辐射，应该使用至少50mm的准直深度。钴源需要更高的准直性并且通常应该使用至少75-80mm的深度。镅发射较少能量的伽马辐射并且仅需要约20mm的准直深度。镅可用于一些应用，但不适合用于扫描钢管道，其是优选应用。准直器通道的深度d优选在30-150mm的范围内。更优选地，50≤d≤150，并且当与适于扫描大型管道的铯源一起使用时，d最优选为约80-120mm。
通道的剖面可具有任何方便的形状，但是通道优选具有与检测表面相同的形状和取向。通常，通道具有大体矩形剖面。通道剖面的形状和/或尺寸可沿通道的长度改变，或者它们可保持基本恒定。在优选实施例中，至少一个准直器通道具有中少一个壁，所述至少一个壁限定与以源为原点的圆的半径对准的通道。优选地，通道的每个壁都与所述圆的不同半径对准，以便通道的开口对准为直接面向源。优选地，在这种布置中，远离闪烁体的准直器的端部具有位于以源作为原点的圆的切线的平面上的开口。以此方式，对于检测器表面的任何给定面积可最大化光子的检测，所述光子沿直线从源通过目标结构沿准直通道前进到检测器。更优选地，所有准直器通道的至少一个壁，优选它们的所有壁，与以源为原点的圆的半径对准。在这种布置中，准直器通道的壁互相不平行，并且所有通道都面对源方向。当采用准直器通道的这种对准方式并且成阵列的检测器单元被布置为不以源为原点的圆弧时，准直器通道中的至少一些不沿垂于该圆弧的切线的方向延伸。对于扫描诸如管道的圆柱结构这是优选的布置。为了生产具有此优选对准方式的准直器通道，优选通过机加工方法在一块屏蔽材料中形成每个通道。为此，不优选使用在x射线断层照相设备(例如在US-A-4338521中所述的)的检测器单元中出现的那类屏蔽材料板，例如，钢板。
在本发明的设备的一个实施例中，检测器单元包括准直器挡块和检测器挡块，它们接合在一起，以便每个通道的近端与检测器的检测表面对准。准直器挡块和检测器挡块接合在一起，以便它们之间的连接不允许未前进通过与检测表面对准的通道的辐射撞击在检测器的检测表面上。可利用单片屏蔽材料形成检测器挡块和准直器挡块，但通常更容易的是，单独地制造它们，然后将它们接合在一起。
准直器挡块可由诸如铅或重金属合金的衰减伽马辐射的致密屏蔽材料形成。替代性地，准直器挡块可至少部分地由不那么致密的材料形成，例如钢，其提供较少的屏蔽，但是不像诸如铅或重合金的更致密屏蔽材料那样重。在这种准直器的一个类型中，准直器通道由诸如钢的第一材料形成，并且屏蔽能力大于第一材料的诸如重合金的第二材料层位于检测器单元的至少一个外表面之上。以此方式，可更好地保护检测器单元不受来自选定方向而非来自其它方向的散射辐射的影响。实际上，能通过计算和/或模拟来确定从特定角度散射的伽马辐射将撞击在检测器单元上的可能性。然后，此信息可用于对散射的伽马光子更可能接触检测单元的那些检测单元表面提供更多的屏蔽。可通过使用更致密的材料或通过增加屏蔽材料的厚度来提供更多的屏蔽。在检测器单元的不同部分处提供不同的屏蔽或用不同材料形成检测器单元的一个优点是，能降低检测器单元的重量，同时基本保持检测器的屏蔽和准直。如果材料具有大于传统致密屏蔽材料(诸如铅或重合金)的结构强度使得必须使用更少的结构支撑件来支撑准直器挡块，则可获得利用诸如钢的材料形成准直器的至少一部分的另一个优点。
光电检测器可以是光电二极管、光电倍增管(PMT)或其它合适的光检测装置。目前，PMT是优选的光电二极管，因为它们对相当低水平的光更敏感，但是随着技术发展其它光电检测器(诸如，硅光电倍增器或雪崩光电二极管)的使用可能会变得更优选。光电检测器响应于通过光学窗口进入其中的光产生电信号。光电检测器检测到的波长应该尽可能匹配闪烁体产生的波长，以使检测效率最大化。通常，为每个闪烁体设置光电检测器，以便每个闪烁体检测的辐射量可与其它闪烁体相独立地被测量。
光电检测器通过诸如夹持件或底座的附接装置被保持就位。当存在多于一个光电检测器时，它们可以被安装在底座挡块内的固定位置处。底座挡块由不可透过光且不可透过可能影响光电检测器产生的信号的任何其它辐射的材料形成。光电检测器被安装为其光学窗口光学地联接到闪烁体的收集表面。可利用光学联接粘合剂联接光电检测器。选择合适的光学联接材料，诸如具有一些弹性的粘合剂，能使检测器单元具有对振动或冲击振动的影响的抗性。通常，光电检测器与闪烁体相邻，但是如果设置将光从闪烁体传输到光电检测器的光传输装置的话，则光电检测器可以与闪烁体在物理上分离。在该情形中，重要的是光传输效率越高越好。
光电检测器可以与其相应的闪烁体和准直器成同轴关系。替代性地，光电检测器可被安装为与准直器和闪烁体的轴线成角度，例如，与该轴线成在约45和100度之间的角度，尤其是约90°。与闪烁体和准直器的轴线成角度地安装光电检测器的一个优点是，与其中同轴地安装光电检测器的检测单元相比可减小检测器单元的总深度。减小检测器单元的深度有助于使在目标结构周围执行扫描所需的空间最小化，并且这能允许在受限的空间中进行扫描和/或使在扫描之前在管道周围挖槽的需要最小化。
在本发明的优选实施例中，提供成阵列的n个检测器单元，包括成阵列的n个辐射检测器，其包括：
n个闪烁体，
n个光电检测器，每个光电检测器与相应的闪烁体光学联接，由高度衰减材料制成的检测器挡块包含通过检测器挡块从第一表面延伸到第二表面的n个通道，每个通道的大小形成为容纳单个闪烁体，以及
闪烁体挡块，其包括具有贯穿其延伸的n个通道的一块屏蔽材料，并且其中，闪烁体挡块接合到检测器挡块，使得每个通道与闪烁体对准。
其中，每个闪烁体位于检测器挡块中的通道内，
其中，n＝2-150范围内的整数。
每个检测表面优选形成以辐射源作为原点的圆弧的切线。在一个实施例中，每个检测器表面形成以辐射源为原点的部分球面的切线。
源单元包括贯穿辐射源、源支架和准直器。准直器和源支架可结合。准直器由高度衰减源发射的辐射的材料形成，并且通常由已知类型的常用于屏蔽合适能量和类型的辐射的重合金材料形成。准直器被布置且适于将源单元发射的辐射限制为预定的束形状和方向。优选地，辐射束通过准直器被成形为以形成扇形、锥形、截锥形或扇区，在每种情形中都以源为原点(origin)。优选的束形状是圆柱形扇区，即，具有厚度而非平面的扇区。优选地，使束准直以在检测器位置处提供总体形状和面积与该阵列检测器的组合的检测表面相同的束区域。在设备的优选形式中，源单元被安装在支撑件上，优选在细长支撑件的端部区域中。
通过被测量材料(例如，容器和/或其内容物)对辐射的透明度(即，介质的衰减系数)以及合适的源和检测器的实用性来选择辐射源。为了扫描大型实心结构，诸如加工容器和管道，合适的伽马源包括60Co和37Cs、33Ba、24Am、24Na和82Ta，但是能使用穿透能量足够的任何伽马发射同位素，并且许多这种伽马发射同位素已经常规地用于密度计，诸如用作液位测量装置的那些。通常，所使用的放射性同位素的半衰期为至少2年，并最好为至少10年。上述放射性同位素的半衰期为：37Cs伽马射线30年、33Ba约10年以及24Am约430年。合适的源通常发射能量在约40和1500keV之间的辐射。
源单元可包括一个或多于一个源。扫描方法可根据需要采用多于一个源。
设备进一步包括用于根据来自检测器单元中的检测器的电信号进行操作的信号/数据处理器和控制设备的操作的控制器。代表闪烁体检测到的光子计数的信号被数据处理器处理。信号可进行滤波或稳定算法、求平均或根据标准实践进行其它操作。数据处理器可基于来自辐射检测器或来自信号处理器(如果存在的话)的信号进行计算。数据处理器可输出关于在一段时间间隔内测量的辐射量的信息，或者它可进一步计算被扫描结构的派生特性，通常是在通过结构的辐射路径之间的体积密度或体积密度变化的形式。在围绕结构的多个径向偏移位置处执行扫描方法，从而在通过结构的多个角度处获得密度数据，并且断层照相算法可用于提供关于通过结构的不同路径处的密度变化的信息。在优选形式中，通过数据处理单元利用断层照相算法操作来自检测器的数据，以便产生沿不同路径的结构的密度或组成的图示。数据处理器可包含关于辐射源的标度或信息。数据处理器输出可连接到显示器或(可选地，无线的)传输装置，从而能将信号从设备发送到远程位置。替代性地，可发送包括来自辐射检测器自身的数据的信号，以便在远程位置处进行处理。提供电源以向光电检测器、数据处理器和控制电子元件提供动力并且还向用于使设备移动的马达提供动力。
在本发明的扫描方法的应用时，设备被布置为使得源单元和检测器单元被布置为与待扫描结构相关，以便从源到检测器单元中的检测器的一个或多个辐射路径穿过结构的期望部分。通过布置在设备中的每个检测器单元中的检测器来测量计数形式的辐射量。在围绕结构的多个径向偏移位置处执行扫描方法，从而可以在通过结构的多个角度处获得密度数据。然后，可将设备移动到相对于结构的不同位置或取向处，并且重复测量。以此方式，对通过每个穿过结构的辐射路径的辐射的衰减的记录被搜集并用于计算变化的位置或用于建立结构及其内容物的表现。例如可突出结构内的缺陷或其它特征的密度的变化的信息能利用已知用于断层照相法的数据分析工具从检测器收集的数据获得。
对于水下操作，优选通过浮力块增加设备的浮力。如果使用，则浮力块可通过弹性附接件附接到设备，以便在移动设备期间能使产生的浮力平衡。额外地或替代性地，设备内的空间可包含泡沫材料，以向设备提供正浮力。设备的一部分可涂覆有弹性泡沫材料，同样是为了提供浮力并保护设备不会受到物理损坏，诸如碰撞损坏以及环境诱发的损坏，诸如侵蚀。
附图说明
将参照附图进一步描述本发明，附图为：
图1是适合用于本发明的扫描方法和设备的闪烁体的示意图。
图1A是从方向A观看的图1的闪烁体的视图。
图1B是适合用于本发明的扫描方法和设备的替代性闪烁体的示意图。
图2是经过检测器单元的剖面的示意图。
图3是经过检测器单元的纵向剖面的示意图。
图4是根据本发明的形成辐射检测器的一部分的检测器挡块的示意图。
图5是根据本发明的形成辐射检测器的一部分的光电倍增器安装挡块的示意图。
图6是根据本发明的形成辐射检测器的一部分的准直器挡块的示意图。
图5是根据本发明的辐射检测器的示意性剖视图。
图7是经过替代性检测器单元的剖面的示意图。
图8是图7的检测器单元的正视图。
图9是设备的优选布置的示意图。
图10是根据本发明的用于设备的成阵列的检测器单元的示意图。
图11是根据本发明的设备的一部分的示意图。
图12是根据本发明的设备示意性正视图。
图13是图12中所示的设备的示意性立体图。
图14是根据本发明的设备的示意性正视图，以及
图15是根据本发明的设备的示意性正视图。
具体实施方式
图1和1A示出厚度t为5mm、高度h为30mm且深度d为75mm的BGO闪烁晶体10。检测表面12与收集表面14相反。除了检测和收集表面之外，晶体的所有表面都涂覆有高度反射涂层。图1B示出替代性的闪烁晶体。
图2示出经过检测器单元30的横向剖面，包括高度衰减辐射的重合金挡块16，该重合金挡块16是用作伽马辐射屏蔽材料类型的重合金。该挡块具有从挡块的正面延伸到相反的背面的准直通道18。在使用时，闪烁晶体10被挡块容纳，使得晶体的检测表面位于挡块的正面处，并且收集表面24光学地连接到PMT20。PMT20A连接到相邻的晶体10(未示出)，并且被示出表示PMT封装在检测器单元内。检测器单元包括十九个检测器，每个检测器包括晶体10和PMT20，并且被安装为与检测器单元挡块中的准直通道18对齐。
图3示出经过包括准直挡块40、检测器挡块20和PMT安装挡块30(分别在图4-6中示出)的组装的辐射检测器的纵剖面。挡块被安装在一起，从而使得通道46、36和26都对齐，一起形成从准直器挡块的正面延伸到PMT安装挡块的背面的通道。闪烁体10被容纳在通道26内，并且PMT50被容纳在通道36内。PMT可通过能从通道36的后面接近的连接器连接到电子数据处理和控制设备。用虚线轮廓示出通道46a、36a和26a和闪烁体10a和PMT50a，因为它们与实线轮廓的各个通道和部件不在同一平面内。在所示实施例中，通道的纵向轴线与挡块20、30和40的纵向轴线51形成在1°和2°之间的角度。
图4示出包括高度衰减辐射的矩形重合金挡块21的检测器挡块，该重合金挡块21是用作伽马辐射屏蔽材料类型的重合金。该挡块具有从挡块的正面22延伸到相反的背面24的通道26。盲孔插槽(blind socket)28被设置成用于放置和安装准直器挡块。通道26的尺寸被设置为容纳闪烁晶体。在使用时，闪烁晶体被容纳在每个通道26中，使得晶体的检测表面在挡块的正面26处并且收集表面在背面24处。图5示出光电倍增器安装挡块30，其包括诸如polytetrafluoroethane的白色塑料材料的矩形挡块。通道36从挡块的正面32延伸到相反的背面34。通道均具有合适的尺寸以容纳小的光电倍增管。通道被布置在挡块中，使得当检测器挡块的背面24放置为靠着PMT安装挡块的正面32时，在挡块30的正面处的每个开口抵靠安装在相邻检测器挡块中的闪烁晶体的收集表面14。盲孔插座38被设置成用于放置和安装检测器挡块。图6示出包括矩形重合金挡块40的准直器挡块，重合金挡块高度衰减辐射并且是用作伽马辐射屏蔽材料类型的重合金。挡块具有从挡块的正面42延伸到相反的背面44的通道46。盲孔插头48被设置成用于放置和安装检测器挡块。通道46的宽度和高度略小于检测器挡块中的闪烁体容纳通道的宽度和高度。在组装的辐射检测器中，准直器挡块40的背面44被安装位靠着检测器挡块20的正面22，从而使得通道46与通道26对齐。在图10中，示出了由19个准直器通道、闪烁体和PMT构成的检测器单元，其中，准直器通道形成到单个挡块中，彼此分隔开并成弧形上约1度的角度。
图7和8示出检测器单元的替代性布置。在图7中，形成准直器62并保持准直器64和PMT66的挡块60由不锈钢形成。PMT被安装为不与辐射方向对准，以便减小检测器单元的总深度。辐射方向由箭头指示。图8示出从箭头方向观看的正视图。由致密的重合金屏蔽材料形成的层68和69被定位在钢挡块60的上方或下方。此材料为检测器提供额外的屏蔽，防止散射辐射撞击在检测器单元上。
图11示出在一端处刚性接合到大体弧形的检测器外壳72上的支撑件70，支撑件70完全由铝合金形成，并且其另一端接合到源单元74。图9示出了源和检测器单元的布置。图示了三个准直器通道的方向，以便示出它们与源方向对准而非与结构的半径Rt对准。源和检测器的外壳被布置为围绕结构上在具有半径Rt的路径上的中心点旋转。源单元包括被重合金屏蔽材料76包围的伽马辐射铯源78，重合金屏蔽材料76包括朝向检测器外壳将辐射准直为扇形束80的狭槽。检测器外壳包括铝合金架，并且在所示实施例中，包含两个弧形阵列的检测器单元30，每端一个。检测器外壳包括轨道，沿该轨道检测器单元可移动到外壳内的不同位置。如果需要，所示外壳可容纳一个或多个额外的检测器单元阵列。
图12和13示出用于扫描内径为约234mm且壁厚为约43mm的钢管82的设备，以检测壁的变化和缺陷。管壁被隔离材料层84围绕。支撑构件86通过经由臂90液压操作的夹持件88夹持到管道。支撑构件还支撑轨道92，轨道92支撑支撑件70、检测器外壳72和源单元74。安装在检测器外壳上的马达94沿轨道可操作以移动检测器外壳和源单元并由此围绕管道旋转源的位置和检测器。在每个位置处，源朝向两个检测器单元中的每个检测器发射的辐射形成通过管壁和隔离件的数量等于检测器的数量的多个辐射路径，在本情形中为(19×2)＝38个能同时被扫描的单个路径。当设备沿轨道旋转到不同的位置时，能扫描另外38个路径。通过容纳在外壳96中被布置为朝向支撑件的顶部的数据处理器处理和存储被检测器检测到的数的形式的数据。检测器单元在所示多个位置中的布置尤其适于扫描管道壁和隔离件，以检测管中不同位置之间的缺陷和变化。
在所示的检测器外壳中，在外壳的中心部分具有用于放置一个或多个检测器单元的空间。在该位置，检测器单元将检测穿过管的内腔及其内容物的辐射。因此，在这种位置处使用检测器单元适于对管和内容物进行断层照相扫描。
图14-15示出根据本发明的扫描设备的另一实施例。该设备包括两部分式铰接外壳102，它们一起形成具有卡爪的夹持件，卡爪能通过液压缸98的操作围绕管82打开(图14)和闭合(图15)。当闭合时，铰接外壳围绕管但与管的表面分隔开。滚子100接触管的表面并维持管外壳与管的间隔。外壳102覆盖和包含如上所述的用于一个或多个阵列的检测器单元和源单元的检测器外壳。源和检测器单元被安装为彼此成固定关系并且被布置为沿卡爪内的轨道移动，从而围绕管道的圆周旋转。可调节的夹具104存在于管的每侧，通过液压缸108夹具104可操作成夹紧管并使管处于卡爪和管之间的空间的中心处。当铰接外壳借助夹具104围绕管闭合并集中时，源单元和检测器外壳围绕管旋转，从而使得处于围绕管的多个角位置处的检测器能获得密度信息。然后处理数据以产生在围绕扫描操作路径的不同位置处的管的断层照相图像或管的一个或多个特性的指示。当获得了足够的数据时，外壳被打开并沿管道移动到不同的位置处以获得新的扫描数据。

Claims (19)

1.一种扫描方法，其扫描海底管道以检测管道的不同部分之间的密度变化或者推断出关于管道内容物的信息，所述方法包括以下步骤：
a)提供至少一个伽马辐射源和多个检测器单元，所述检测器单元被布置为彼此紧邻的圆弧形式并且能够检测所述伽马辐射，该圆弧具有以待扫描结构的中心为圆心的半径，每个所述检测器单元包括：
i.包括闪烁体的辐射检测器，闪烁体包括闪烁材料并具有检测表面，所述检测表面与以伽马辐射源为其原点的圆弧相切并且由其厚度t和高度h限定，其中在检测表面处t≤h并且具有至少为2t的垂直于检测表面的深度d，以及
ii.用于响应于伽马辐射检测闪烁体发射的光的光电检测器，以及
iii.准直器通道，所述准直器通道位于闪烁体和伽马辐射源之间并且被成形为限定将由检测器检测到的辐射路径；
b)使伽马辐射源和检测器单元围绕待扫描结构旋转，旋转半径的原点在管道内；
c)使所述伽马辐射源朝向所述检测器沿着所限定的辐射路径发射伽马辐射，其中，所述辐射路径穿过所述管道的至少一部分；
d)测量所述检测器中的每个检测器检测到的伽马辐射的光子数量；以及
e)根据与各个路径相关的检测器检测到的光子的测量结果计算每个路径的密度值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，伽马辐射源和检测器单元被间隔开地安装在支撑件上，该支撑件提供了使得待扫描结构的至少一部分位于伽马辐射源和检测器单元之间的装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，提供引导装置以沿预定路径引导所述旋转。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述引导装置是分度的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，1mm≤t≤5mm、10mm≤h≤50mm并且25mm≤d≤75mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，每个检测器单元的准直器通道的深度在50-150mm的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，远离闪烁体的准直器通道的端部具有开口，该开口位于与以伽马辐射源作为其原点的圆相切的平面上。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个准直器通道具有限定通道的至少一个壁，该通道与以伽马辐射源作为其原点的圆的半径对准。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通道的每个壁与所述圆的不同半径对准并且通道的开口对准为直接面向伽马辐射源。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光电检测器被安装为与准直器和闪烁体的轴线成一角度，所述角度在45度到100度之间。
11.一种扫描设备，其扫描海底管道以检测管道的不同部分之间的密度变化或者推断出关于管道内容物的信息，所述设备包括：
至少一个源单元，其包括伽马辐射源和被布置用以限制从源单元发射伽马辐射的屏蔽材料；
多个检测器单元，所述检测器单元被布置为彼此紧邻的圆弧形式并且能够检测所述伽马辐射，该圆弧的圆心位于源单元和检测器单元之间，每个所述检测器单元包括：
i.包括闪烁体的辐射检测器，闪烁体包括闪烁材料并具有检测表面，所述检测表面与以伽马辐射源为其圆心的圆弧相切并且由其厚度t和高度h限定，其中在检测表面处t≤h并且具有至少为2t的垂直于检测表面的深度d，以及
ii.用于响应于伽马辐射检测闪烁体发射的光的光电检测器，以及
iii.位于闪烁体和辐射源之间的准直器，
其中，所述源单元和所述检测器单元以固定间隔分开的关系被安装在支撑件上，该支撑件具有用于围绕圆弧旋转源单元和检测器单元的装置，该圆弧的圆心位于源单元和检测器单元之间；
以及数据处理装置，其用于根据与各个路径相关的检测器检测到的光子的测量结果计算每个路径的密度值，
其中，准直器被包括在准直器挡块中，准直器挡块包括与伽马辐射源对准的多个通道，每个通道形成为通过准直器挡块并且位置对应于成阵列的检测器中的一个。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，用于围绕圆弧旋转源单元和检测器单元的所述装置包括用于沿预定路径引导旋转的引导装置。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述引导装置包括能够移动以形成连续的引导装置的多于一个部分。
14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述准直器挡块至少部分地由具有屏蔽伽马辐射的第一屏蔽能力的第一材料形成，并且屏蔽能力大于第一材料的第二材料层位于准直器挡块的至少一个外表面上。
15.根据权利要求11所述的设备，其中，1mm≤t≤5mm、10mm≤h≤50mm并且25mm≤d≤75mm，并且每个检测器单元的准直器的深度在50-150mm的范围内。
16.根据权利要求11所述的设备，其中，远离闪烁体的准直器的端部具有开口，该开口位于与以伽马辐射源作为其圆心的圆相切的平面上。
17.根据权利要求11所述的设备，其中，至少一个通道具有限定通道的至少一个壁，该通道与以伽马辐射源作为其圆心的圆的半径对准。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，通道的每个壁与所述圆的不同半径对准并且通道的开口对准为直接面向伽马辐射源。
19.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光电检测器被安装为与准直器和闪烁体的轴线成一角度，所述角度在45度到100度之间。
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