CN1756951A - 基于扫描检测电离辐射 - Google Patents
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Abstract
用于记录对象图像的基于扫描的辐射检测装置包括：1D检测器单元(41)，它暴露于在与对象相互作用后的扇形电离辐射束之下；装置(87－89，91)，用于相对于对象移动所述检测器单元(41)和所述扇形射束，同时进行反复检测，从而创建对象的二维图像；以及控制装置，用于控制这些反复检测。一维检测器单元(41)具有电离辐射敏感厚度(dt)，所述厚度大于扇形射束照射到一维检测器单元上时的厚度。为获得每个一维图像的短的曝光时间但在二维图像中仍有高空间分辨率，在每第n个长度单位记录扇形射束的一维图像，其中n在所述长度单位中不低于扇形射束厚度的大致一半，但低于在所述长度单位中一维检测器单元(41)的电离辐射敏感厚度(dt)。
Description
发明领域
本发明一般涉及基于扫描检测辐射的装置和方法。
发明背景和相关技术
业界已知用于检测电离辐射的各种线检测器。虽然这种检测器可以提供瞬时的一维成像，但二维成像只能利用在与一维成像检测器阵列交叉的方向上扫描线检测器或任选地扫描辐射源的方法进行。通常每当记录一维图像，线检测器(以及任选地辐射源)就被移动了对应于线检测器辐射敏感区宽度的距离。
如果要对大的区域成像，这种基于扫描的检测既费时又不实际。被检查的对象在扫描时会移动，这严重降低了所获得的图像质量。所以扫描要进行得尽可能快。但是仍然必须这样选择曝光，使得图像具有高信噪比和高动态范围。
此外，空间分辨率常常是重要的参数。在许多检查中，需要获得优于100微米的空间分辨率，例如50微米。这对使用的检测器提出了非常高的要求：既要有狭窄的辐射敏感区，又要有很小的读出元件或像素。或者，或另外，对辐射源以及为产生非常薄的平面电离辐射束而采用的任何准直器也提出了非常高的要求。例如，要产生厚度为50微米，强度中等的高质量平面X射线束，即便可能，也极其困难。
发明概述
本发明的一个主要目的是提供一种基于扫描的电离辐射检测装置和方法，它可以进行极高空间分辨率的测量，但对检测器和辐射源的要求却并不太高。
在这方面本发明的具体目的是提供这样一种装置和方法，它们既不复杂又能产生具有优异的信噪比、动态范围和图像对比度的高质量二维图像。
本发明的又一目的是提供这样一种装置和方法，它们能够快速扫描被检查的对象。
本发明还有另一目的是提供这样一种装置和方法，它们可靠、准确而且便宜。
这些目的，以及其它目的，是通过如权利要求书中所述的装置和方法来达到的。
发明人发现：通过提供一维检测器单元，其电离辐射敏感厚度大于对检测器单元曝光的扇形电离辐射束的厚度，并通过控制所述一维检测器单元的扫描，在扫描的每第n个长度单位获得扇形电离辐射束的一维图像(其中n不低于所述长度单位下扇形射束厚度的大致一半，但低于在同一长度单位下扇形射束厚度)，来实现在记录的二维图像中具有高空间分辨率的基于扫描的检测，而不必提供特别薄的发射束或极度狭窄的检测器。
扫描步长n最好显著低于扇形射束的厚度，更优选的是基本上是扇形射束的一半厚度。
如果扇形射束的厚度大于一维检测器单元的辐射敏感厚度，则将扫描步长设定为小于一维检测器单元辐射敏感厚度的数值，但不要小于一维检测器单元辐射敏感厚度的一半。
一维检测器单元最好(但不限于)是基于气体的平行板检测器单元。可以使用包括二极管阵列、基于闪烁器的阵列、CCD阵列、基于TFT和CMOS的检测器、液体检测器、以及固态检测器(例如具有边缘，近边缘或垂直入射x射线的一维PIN二极管阵列)的其它检测器单元。
从以下对本发明优选实施例的详细说明以及附图1-4中，就可清楚了解本发明的其它特征和优点，附图仅是以说明方式给出，而不是限制本发明。
附图简要说明
图1以侧视图的形式示意地说明按照本发明优选实施例的用于基于扫描的x射线成像的装置。
图2是沿线A-A截取的图1的装置的一些部件的示意的放大的截面图。
图3是按照本发明另一优选实施例的检测器装置的类似部件的示意的放大的截面图。
图4是按照本发明又一优选实施例的检测器装置的类似部件的示意的放大的截面图。
优选实施例说明
图1的装置从上到下包括x射线源11、滤波器装置12、扇形射束准直器13、对象工作台或支座15和一维检测器单元16。
x射线源11是传统x射线管，它具有用以发射电子的阴极和随着被电子轰击而发射x射线的阳极，其中，所述x射线管具有工作电压(即阳极和阴极之间的电压降)、管电流(即阳极和阴极之间的电流)和焦点尺寸(即在发射的x射线方向上电子冲击其上的阳极的投影面积(未明示)。典型的焦点尺寸为0.1-1mm。从这种x射线源很难产生厚度为大约50微米的高质量平面辐射束。
滤波器装置12位于x射线管11的正下方，滤波器装置12通常包括用作滤波器的薄金属箔，用以吸收最低能量(有时也吸收最高能量)的光子，这些光子对图像质量的影响不大。滤波器装置可以具有可变光谱透射特性。
扇形射束准直器13可以是例如薄的钨箔，其上刻蚀出辐射透明狭缝。所述狭缝和检测器单元16上相应的线形敏感区或入射缝对准，使通过扇形射束准直器13狭缝的x射线能到达检测器单元16上的线形敏感区或入射缝。狭缝宽度在图2中以bt1表示。由于扇形射束是发散的，所以其厚度在到达检测器单元16时就较大(再参阅图2)。如果从x射线管11到扇形射束准直器13的距离为大约45cm、从x射线管11到检测器单元16的距离为大约65cm、焦点尺寸为300μm以及准直器缝隙宽度bt1为大约70微米，则在检测器单元16上的射束厚度将为大约100微米。这样适配缝隙的长度，使得射束到达检测器单元16时具有适当大小的射束宽度，例如30-50mm。
检测器单元16更详细地示于图2并且这样取向，使得平面或扇形x射线束24能侧向进入基本上是平面的阴极和阳极结构之间。每个电极结构包括导电电极层25和27，它们由各自的介质衬底26、28支撑，其中，这些电极结构这样取向，使得导电的阴极层25和阳极层27互相面对。在检测器单元的前端设置辐射透明窗口30，以便形成扇形射束24到检测器单元16的入口。
最好，介质衬底26、28和窗口30与后端壁30和未示出的侧壁一起，限定一个能够填充可电离气体或气体混合物的气密范围。或者，将电极结构设置在外部的气密外壳中(未示出)。可电离气体或气体混合物包括例如氪和二氧化碳或氙和二氧化碳。
检测器单元16还包括读出结构，后者包括各单独读出元件的一维阵列(未明示)，用于记录扇形射束24的一维图像。通常将读出结构和阳极结构结合在一起。检测器单元16还可以包括电子雪崩放大能力，以便记录非常低通量的x射线，或以高效率检测单一x射线。
当使用雪崩放大时，一维检测器单元16具有最大电离辐射敏感厚度或高度dt，即辐射束的最大厚度，这显著地影响检测器单元16所检测的信号，所述厚度或高度通常小于导电电极层25、27之间的距离(与扇形射束到达检测器单元16时的厚度bt2无关)。所以，如果扇形射束到达检测器单元16时的厚度bt2小于厚度dt，则检测器单元16感受到的射束辐射敏感厚度为bt2，而如果扇形射束到达检测器单元16时的厚度bt2大于厚度dt，则检测器单元16感受到的射束辐射敏感厚度为dt。
在检测器的示范实施例中，各电极之间的距离为200-2000微米，辐射敏感厚度dt为100-1500微米，检测器的深度(即在辐射束24方向上的长度)为10-100mm，检测器的厚度(即垂直于图2平面的长度)为20-200mm。
在图1装置的另一方案中，检测器单元用以下这种检测器结构来代替：所述结构包括多个一维检测器单元，它们分布在一维或二维阵列中。扇形射束准直器13则由具有多个辐射透明狭缝(每个检测器单元一个狭缝)的准直器来代替。狭缝具有这样的尺寸和取向，使得每个检测器单元暴露在各自的扇形x射线束之下。利用这种方案，扫描距离和时间可以显著缩短。
有关用于本发明的不同种类的基于气体的检测器单元的详情，可参阅Tom Francke等人的转让给瑞典Xcounter AB的以下美国专利：No.6,118,125；No.6,373,065；No.6,373,482；No.6,385,282；No.6,414,317；No.6,476,397；和No.6,477,223，这些专利已作为参考包括在本文内。
X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16都固定在共用的E臂17上，而E臂17又利用轴19在大约X射线管11的高度处可旋转地安装到垂直机架18上。这样，X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16可以以共同旋转运动的形式相对于设置在对象工作台15上的检测对象运动，以便扫描对象并产生其二维图像。旋转运动用箭头23示意。
对象工作台15牢固地固定在支架20上，支架20又牢固地固定在垂直机架18上。为此，E臂17上设置有凹入部分等(以虚线表示)。扫描时，对象保持静止不动。
应理解，可以这样修改和设置图1的检测器装置，以便X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16相对于被检查对象做线性运动。这种线性扫描运动在图2中以箭头23a示意。或者，扇形射束准直器13和检测器单元16可以相对于被检查对象在水平平面上旋转，如在图2中箭头23b所示意。这种基于旋转的扫描在美国专利No.6,067,342(Gordon)和No.5,025,376(Bova等)中已公开，这些专利的内容已作为参考包括在本文内。
还应理解，可以这样修改图1的装置，使得扫描时对象移动，而X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16则保持静止不动。
此外，检测器装置包括：配备有适用软件的微处理器或计算机21，用于控制所述装置并读出和后处理来自线检测器单元16的信号；以及电源22，用于向检测器单元和微处理器或计算机21提供电源，并且用于驱动设置在垂直机架18内用来驱动主轴19从而驱动E-臂17的步进电机等。
工作时，x射线从X射线管11发射出来并通过滤波器装置12。只有通过扇形射束准直器13狭缝的x射线经过对象。在对象中，x射线光子可以被透射，吸收或散射。透射的x射线离开对象进入检测器单元16并被检测。根据所述检测来形成对象的一维图像。
扫描时，固定X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16的E-臂17做旋转运动，使检测器单元在基本上平行于对象工作台15的方向上扫描对象。在规律的移动间期，即在移动距离ss处，读出检测信号并存储在微处理器21的存储器内。当X射线源以及扫描停止时，对象的许多一维图像由微处理器21形成并组合在一起，创建成对象的二维图像。
在另一种扫描技术中，E-臂17相对于对象做分段运动，一维检测器单元16进行检测，而在各分段运动之间静止不动。
每次扫描具有步长ss，如图2中箭头23所示。在如图2所示的情况下，此时一维检测器单元16具有的电离辐射敏感厚度dt大于电离辐射扇形射束24的厚度bt2，按照本发明，将微处理器21适合于在扫描时控制一维检测器单元16的检测，以便在移动的每第n个长度单位ss获得电离辐射扇形射束24的一维图像，其中n是所述长度单位中不低于厚度bt2的一半，但低于在所述同一长度单位中的厚度bt2。换句话说，扫描步长ss可以定义为：
～0.5bt2≤ss＜bt2 (1)
假定bt2＜dt (2)
这样可以保证二维图像中的高空间分辨率。
最好扫描步长ss显著低于在所述长度单位中电离辐射扇形射束24的厚度bt2，以改进由扫描所形成的多个一维图像所创建的二维图像的空间分辨率。如果扫描步长ss基本上是电离辐射扇形射束24的厚度bt2的一半，就可获得最佳空间分辨率。
假定射束厚度bt2为大约100微米，扫描步长ss应低于100微米，最好显著低于100微米，但不应低于大约50微米。扫描步长ss为50微米时获得最佳空间分辨率。
但如果所用的一维检测器单元16具有的电离辐射敏感厚度dt小于电离辐射扇形射束24的厚度bt2(未示出)，按照本发明，微处理器21适合于在扫描时控制一维检测器单元16的检测，以便在移动的每第i个长度单位ss获得电离辐射扇形射束24的一维图像，其中i在所述长度单位中不低于一维检测器单元16的电离辐射敏感厚度dt的一半，但低于在所述同一长度单位中的电离辐射敏感厚度dt。换句话说，扫描步长ss可以定义为：
～0.5dt≤ss＜dt (3)
假定bt2＞dt (4)
扫描步长最好显著低于电离辐射敏感厚度dt，更优选的是基本上为电离辐射敏感厚度dt的一半。
在本发明的优选方案中，扫描步长ss是在厚度bt2或厚度/高度/宽度dt之中最小者的0.5到0.8倍之间，优选的是0.5到0.7倍之间，更优选的是0.5到0.6倍之间，最优选的是0.5倍。
当扫描步长ss减小到低于厚度bt2或厚度/高度/宽度dt之中最小者，空间分辨率逐渐得到改进(代价是扫描时间较长)，直到扫描步长ss等于厚度bt2或厚度/高度/宽度dt之中最小者的一半。如果扫描步长继续减小，空间分辨率不会再有改进。
应理解，虽然在以上的描述中已经以基于气体的检测器单元的形式说明了检测器单元，其中自由电子在基本上垂直于入射电离的方向上漂移，但本发明并不限于这一种检测器。事实上，任何种类的检测器都可用于本发明，只要它是一维检测器，能够记录它所接收的电离辐射的一维图像即可。这种检测器的实例包括基于闪烁器的检测器、PIN二极管阵列，TFT(薄膜晶体管)阵列、CCD(电荷耦合器件)阵列、CMOS电路以及任何其它类型的半导体器件。
图3是类似于图2的截面视图的放大的截面示意图，但该图解说明基于线性半导体阵列16’的检测器装置。半导体阵列的辐射敏感厚度或宽度，即与阵列延伸成正交的尺寸，用dt表示。应当指出，该图说明以下情况：在PIN二极管阵列入口处，平面辐射束24的厚度bt2大于线性半导体阵列宽度dt。
图4是类似于图2-3的截面视图的放大的截面示意图，但该图说明基于PIN二极管阵列16”的检测器装置。所述检测器包括掺杂的硅板31，其在一个表面上携带均匀的金属层25”，而在相对的表面上携带金属多带层27”。检测器装置相对于入射辐射束倾斜，所以辐射束以锐角照射到检测器装置的均匀金属层25”上。在硅板31中，入射辐射与其相互作用，造成电子和空穴。在金属层25”、27”上加适当的电压，电子和空穴被驱向硅板31的相反表面，在金属多带状层27”上检测电子或空穴并对其进行空间分辨。
应当指出，图4图解说明以下情况：在PIN二极管阵列入口处，平面辐射束24的厚度bt 2小于有源PIN二极管阵列宽度dt，而所述宽度取决于PIN二极管阵列的深度和倾斜角。
也可以选择将又一准直器设置在检测器之前(即，待成像的对象的下游)，这样可以限定电离辐射敏感厚度dt。
还应理解，本发明同样适用于记录从对象散射的，而不是对象透射的辐射二维图像。
Claims (19)
1.一种用于记录对象的二维图像的基于扫描的辐射检测器装置，它包括：
-一维检测器单元(16)，它暴露于从所述对象透射或散射的电离辐射扇形射束(24)之下，且设置成对所述电离辐射扇形射束进行反复的一维成像操作，所述电离辐射扇形射束(24)在照射到所述一维检测器单元(16)上时具有厚度(bt2)；以及
-装置(17-19，21-22)，用于相对于所述对象移动所述一维检测器单元(16)和所述电离辐射扇形射束(24)，所述一维检测器单元(16)设置成反复地检测，从而创建所述对象的二维图像，
其特征在于：
-所述一维检测器单元(16)具有电离辐射敏感厚度(dt)，所述厚度大于所述电离辐射扇形射束(24)的厚度(bt2)；以及
-所述装置包括控制装置(21)，用于控制所述一维检测器单元(16)的反复检测，以便在所述移动的每第n个长度单位(ss)获得所述电离辐射扇形射束的一维图像，其中n在所述长度单位中不低于所述电离辐射扇形射束的厚度(bt2)的大致一半，但低于在所述长度单位中所述电离辐射扇形射束的厚度(bt2)。
2.如权利要求1所述的装置，其中n在所述长度单位中显著低于所述电离辐射扇形射束(24)的厚度。
3.如权利要求1所述的装置，其中n在所述长度单位中基本上是所述电离辐射扇形射束(24)厚度的一半。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述一维检测器单元包括：基本上平面的阴极(25)和阳极(27)，在它们之间充有可电离气体；以及读出结构(27)，它包括各读出元件的一维阵列，其中，所述阴极和阳极这样取向，使得所述电离辐射扇形射束(24)能够在所述阴极和所述阳极之间并且基本上与所述阴极和所述阳极平行地侧向进入所述一维检测器单元，以电离所述可电离气体。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述一维检测器单元(16)包括电子雪崩放大器。
6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中还包括多个一维检测器单元，每个检测器单元暴露于从所述对象透射或散射的相应的电离辐射扇形射束(24)之下并设置成对它暴露于其下的相应的电离辐射扇形射束进行反复的一维成像，其中，
-所述多个一维检测器单元分布在共用支架上的二维阵列中；
-所述移动装置适合于相对于所述对象移动所述多个一维检测器单元和所述多个电离辐射扇形射束；以及
-所述控制装置适合于控制所述多个一维检测器单元的反复检测操作，以便在所述移动的每第n个长度单位从所述多个一维检测器单元中的每一个获得一维图像。
7.一种用于记录对象的二维图像的基于扫描的辐射检测方法，所述方法包括：
-将一维检测器单元(16)暴露于从所述对象透射或散射的电离辐射扇形射束(24)之下，所述电离辐射扇形射束(24)在照射到所述一维检测器单元(16)上时具有厚度(bt2)；以及
-相对于所述对象移动所述一维检测器单元(16)和所述电离辐射扇形射束(24)，同时所述一维检测器单元(16)反复进行检测，从而创建所述对象的二维图像，
其特征在于以下步骤：
-选择具有电离辐射敏感厚度(dt)的所述一维检测器单元(16)，所述厚度大于所述电离辐射扇形射束(24)的厚度(bt2)；以及
-控制所述一维检测器单元的反复检测操作，以便在所述移动的每第n个长度单位(ss)获得所述电离辐射扇形射束的一维图像，其中n在所述长度单位中不低于所述电离辐射扇形射束的厚度(bt2)的大致一半，但低于在所述长度单位中所述电离辐射扇形射束(24)的厚度(bt2)。
8.如权利要求7所述的方法，其中n在所述长度单位中显著低于所述电离辐射扇形射束(24)的厚度。
9.如权利要求7所述的方法，其中n在所述长度单位中基本上是所述电离辐射扇形射束(24)厚度的一半。
10.一种用于记录对象的二维图像的基于扫描的辐射检测器装置，它包括：
-一维检测器单元(16)，它暴露于从所述对象透射或散射的电离辐射扇形射束(24)之下，且设置成对所述电离辐射扇形射束进行反复的一维成像，所述电离辐射扇形射束(24)在照射到所述一维检测器单元(16)上时具有厚度(bt2)；以及
-装置(17-19，21-22)，用于相对于所述对象移动所述一维检测器单元(16)和所述电离辐射扇形射束(24)，所述一维检测器单元(16)设置成反复地检测，从而创建所述对象的二维图像，
其特征在于：
-所述一维检测器单元(16)具有电离辐射敏感厚度(dt)，所述厚度小于所述电离辐射扇形射束(24)的厚度(bt2)；以及
-所述装置包括控制装置(21)，用于控制所述一维检测器单元的反复检测操作，以便在所述移动的每第n个长度单位(ss)获得所述电离辐射扇形射束的一维图像，其中n在所述长度单位中不低于所述一维检测器单元(16)的电离辐射敏感厚度(dt)的大致一半，但低于在所述长度单位中所述一维检测器单元(16)的电离辐射敏感厚度(dt)。
11.如权利要求10所述的装置，其中n在所述长度单位中显著低于所述一维检测器单元(16)的电离辐射敏感厚度(dt)。
12.如权利要求10所述的装置，其中n在所述长度单位中基本上是所述一维检测器单元(16)的电离辐射敏感厚度(dt)的一半。
13.如权利要求10-12中任一项所述的装置，其中所述一维检测器单元包括：各自基本上平面的阴极(25)和阳极(27)，在它们之间充有可电离气体；以及读出结构(27)，它包括各单独的读出元件的一维阵列，其中，所述阴极和阳极这样取向，使得所述电离辐射扇形射束(24)能够在所述阴极和所述阳极之间并且基本上与所述阴极和所述阳极平行地侧向进入所述一维检测器单元，以电离所述可电离气体。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述一维检测器单元(16)包括电子雪崩放大器。
15.如权利要求10-14中任一项所述的装置，其中还包括多个一维检测器单元，每个一维检测器单元暴露于从所述对象透射或散射的相应的电离辐射扇形射束(24)之下并设置成对它暴露于其下的相应的电离辐射扇形射束进行反复的一维成像，其中，
-所述多个一维检测器单元分布在共用支架上的二维阵列中；
-所述移动装置适合于相对于所述对象移动所述多个一维检测器单元和所述多个电离辐射扇形射束；以及
-所述控制装置适合于控制所述多个一维检测器单元的反复检测操作，以便在所述移动的每第n个长度单位从所述多个一维检测器单元中的每一个获得一维图像。
16.一种用于记录对象的二维图像的基于扫描的辐射检测方法，所述方法包括：
-将一维检测器单元(16)暴露于从所述对象透射或散射的电离辐射扇形射束(24)之下，所述电离辐射扇形射束(24)在照射到所述一维检测器单元(16)上时具有厚度(bt2)；以及
-相对于所述对象移动所述一维检测器单元(16)和所述电离辐射扇形射束(24)，同时所述一维检测器单元(16)反复地进行检测，从而创建所述对象的二维图像，
其特征在于以下步骤：
-选择具有电离辐射敏感厚度(dt)的所述一维检测器单元(16)，所述厚度小于所述电离辐射扇形射束(24)的厚度(bt2)；以及
-控制所述一维检测器单元的反复检测操作，以便在所述移动的每第n个长度单位(ss)获得所述电离辐射扇形射束的一维图像，其中n在所述长度单位中不低于所述一维检测器单元的电离辐射敏感厚度(dt)的大致一半，但低于在所述长度单位中所述一维检测器单元(16)的电离辐射敏感厚度(dt)。
17.如权利要求16所述的方法，其中n在所述长度单位中显著低于所述一维检测器单元(16)的电离辐射敏感厚度(dt)。
18.如权利要求16所述的方法，其中n在所述长度单位中基本上是所述一维检测器单元(16)的电离辐射敏感厚度(dt)的一半。
19.一种辐射检测器装置，它包括：线检测器(16)；以及装置(17-19，21-22)，用于在暴露于电离辐射扇形射束(24)时扫描所述线检测器(16)，从而记录所述对象的多个线图像，这些图像可以合在一起形成所述对象的二维图像，其特征在于：
假定所述扇形射束(24)进入所述线检测器(16)时的厚度(bt2)小于或等于所述线检测器(16)的辐射敏感厚度(dt)，那么，线图像的两次相继的记录之间的扫描距离是所述扇形射束(24)进入所述线检测器(16)时的厚度(bt2)的0.5倍到1倍之间；以及
假定所述扇形射束(24)进入所述线检测器(16)时的厚度(bt2)小于或等于所述线检测器(16)的辐射敏感厚度(dt)，那么，在线图像的两次相继的记录之间的所述扫描距离是所述线检测器(16)的辐射敏感厚度(dt)的0.5倍到1倍之间。
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