DE102004060608B4 - Method for correcting the attenuation of Compton scattering quanta - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Korrektur der Schwächung
der Compton-Streuquanten
(6) in einer Anordnung zum Messen von Compton-Streuquanten (6) und
von Transmissionsquanten (14), die durch ein Objekt hindurchtreten,
wobei ein Röntgenstrahler
verwendet wird, der einen linear ausgedehnten Fokus hat und dessen
inversen Fächerstrahl
(3) auf einen einzigen Fokalpunkt (4) konvergiert; wobei ein Compton-Streukollimator zwischen
dem Objekt und einem Compton-Detektor
(7) angeordnet ist, der einem Streuvoxel (5) im Objekt, das eine
bestimmte Tiefe hat, eine zugeordnete Position am zweidimensionalen
Compton-Detektor (7) zuweist; und wobei ein Transmissionsdetektor
(16) zwischen dem Fokalpunkt (4) und dem Objekt auf der X-Achse
angeordnet ist und sich über
den inversen Fächerstrahl
(3) in Y-Richtung erstreckt,
mit folgenden Schritten:
– Zerlegen
der aktuell untersuchten Scheibe des Objekts in eine zweidimensionale
Matrix an Streuvoxeln (5) mit jeweils einem zugeordneten Streukoeffizienten;
– Berechnung
des Schwächungsfaktors
für den
Primärstrahl
(13), der bis zum Streuvoxel (5) auftritt;
– Berechnung des...A method for correcting the attenuation of the Compton scattering quanta (6) in an arrangement for measuring Compton scattering quanta (6) and transmission quanta (14) passing through an object using an X-ray emitter having a linearly extended focus and whose inverse fan beam (3) converges to a single focal point (4); wherein a Compton scatter collimator is disposed between the object and a Compton detector (7) that assigns an associated position to the two-dimensional Compton detector (7) to a scatter voxel (5) in the object having a certain depth; and wherein a transmission detector (16) is arranged between the focal point (4) and the object on the X axis and extends over the inverse fan beam (3) in the Y direction,
with the following steps:
- decomposing the currently examined slice of the object into a two-dimensional matrix of scatter voxels (5), each having an associated scattering coefficient;
- calculation of the attenuation factor for the primary beam (13), which occurs up to the scatter voxel (5);
- Calculation of the ...
Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Korrektur der Schwächung der Compton-Streuquanten in einer Anordnung zum Messen von Compton-Streuquanten.The Invention concerned with a method for correcting the attenuation of Compton scattering quanta in an arrangement for measuring Compton scattering quanta.
Es sind Anordnungen bekannt, bei denen ein Röntgenstrahler verwendet wird, der einen linear ausgedehnten Fokus hat und dessen fächerförmige Strahlung auf einen einzigen Fokalpunkt konvergiert. Außerdem ist ein Compton-Streukollimator zwischen dem Objekt und dem Compton-Detektor angeordnet, der einem Streuvoxel im Objekt, das eine bestimmte Tiefe hat, eine Position am zweidimensionalen Compton-Detektor zuweist.It arrangements are known in which an X-ray source is used, which has a linearly extended focus and its fan-shaped radiation converges to a single focal point. There is also a Compton scatter collimator disposed between the object and the Compton detector, the one Streuvoxel in the object, which has a certain depth, a position at the two-dimensional Compton detector assigns.
Aus dem Stand der Technik sind auch Anordnungen bekannt, die in zwei aufeinander folgenden Schritten – meist in unterschiedlichen Anordnungen – ein Gepäckstück auf gefährliche Inhaltsstoffe, insbesondere Sprengstoffe, untersuchen. In der einen Anordnung wird dabei die Dichteinformation innerhalb des Gepäckstücks mittels Compton-Streuung ermittelt und in der anderen Anordnung die Beugungsinformationen mittels kohärenter Streuung. Bei der Messung der jeweiligen Dichte- bzw. Beugungsinformationen treten jedoch Fehlalarme auf, da die bekannten Messverfahren und Detektionsverfahren Annahmen machen, die zu unkorrigierten Ergebnissen führen. Eine Korrektur ist jedoch dringend nötig, da der jeweils durch ein Gepäckstück hindurchtretende Röntgenstrahl einer Eigenschwächung im Material unterliegt, ohne deren Berücksichtigung es zu Verfälschungen des Messergebnisses kommt.Out The prior art also arrangements are known in two successive steps - usually in different Arrangements - a Baggage on dangerous Ingredients, especially explosives, examine. In the one Arrangement is doing the density information within the bag by means of Compton scattering is determined and in the other arrangement the diffraction information by means of coherent Scattering. When measuring the respective density or diffraction information However, false alarms occur because the known measuring methods and Detection methods make assumptions that lead to uncorrected results. A Correction is urgently needed since each passing through a piece of luggage X-ray a self-weakening in the material subject, without their consideration it to falsifications the result of the measurement comes.
Aus
der
Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Korrekturverfahren vorzustellen, welches die Schwächung sowohl des Primärstrahls – vor dem Auftreffen auf das Streuvoxel – als auch die Sekundärschwächung des Streuquants bestimmt, so dass eine Korrektur der gewonnenen Messwerte vorgenommen werden kann, die zu einer Reduzierung der Fehlalarme führt.task The invention is therefore to present a correction method, which the weakening both of the primary beam - before Impact on the Streuvoxel - as also the secondary weakening of the Scatter quantum determined, allowing a correction of the measured values obtained can be made, which leads to a reduction of false alarms leads.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Schwächung des detektierten Röntgenquants innerhalb des zu untersuchenden Objekts kann am besten anhand der von der Dichte abhängigen Compton-Streuung ermittelt werden. Deswegen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einer Anordnung, in der sowohl die Compton-Streuquanten als auch die elastisch gestreuten Streuquanten detektiert werden, die Korrektur anhand der Daten für die Compton-Streuquanten erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt dabei eine Zerlegung der Scheibe, die durch den inversen fächerförmigen Röntgenstrahl durchsetzt wird, in eine zweidimensionale Matrix an Streuvoxeln. Compton-Streuquanten, die aus der Obersten Schicht, d. h. der detektornahen Schicht, des Objekts stammen, haben keine Sekundärschwächung erfahren, sondern lediglich eine Primärschwächung. Zur Berechnung der Streukoeffizienten wird die Information aus dem Transmissionsdetektor verwendet. Nachdem für sämtliche Streuvoxel der obersten Rei he die jeweiligen Streukoeffizienten bestimmt wurden, werden diese für die darunter liegende zweite Reihe von Streuvoxeln unter Berücksichtigung der Sekundärschwächung durch die darüber liegende Reihe an Streuvoxeln bestimmt. Nachdem auch in der zweiten Reihe vollständig die korrigierten Streukoeffizienten bestimmt wurden, wird zur nächsten Reihe fortgeschritten und die Korrektur wiederholt. Dies setzt sich fort, bis man zur untersten Reihe an Streuvoxeln, die der Röntgenquelle am nächsten liegenden, kommt. Nachdem auch diese korrigiert wurden, liegt die gesamte Matrix an korrigierten Streukoeffizienten für die gerade untersuchte Scheibe vor, so dass eine gesamte Korrektur für alle gemessenen Streuquanten erfolgen kann, wobei dies nicht nur für die Compton-Streuquanten gilt, sondern ebenfalls durch eventuell in derselben Anordnung gleichzeitig gemessene kohärente Streuquanten. Durch die so erfolgte Korrektur lässt sich die Fehlalarmrate drücken, da die erhaltenen Informationen nicht fälschlicherweise auf einen anderen Inhalt des Objekts rückschließen lassen, als er tatsächlich vorliegt.The The object is achieved by a method having the features of the patent claim 1 solved. The weakening of the detected X-ray quantum within the object to be examined can best be determined by the dependent on the density Compton scattering can be determined. Therefore, according to the invention, that in an arrangement in which both the Compton scattering quanta and also the elastically scattered scattering quanta can be detected, the Correction based on the data for the Compton scattering quantum occurs. According to the invention, a decomposition takes place the disk, which is interspersed by the inverse fan-shaped x-ray beam, into a two-dimensional matrix of scatter voxels. Compton scattering quanta those from the uppermost layer, d. H. the detector-near layer, the Object, have not experienced secondary attenuation, but merely a primary weakening. For calculating the scattering coefficient becomes the information from the transmission detector used. After for all Streuvoxel of the highest Rei hey the respective scattering coefficients are determined, these are for taking into account the underlying second set of scatter voxels secondary attenuation by the above lying row of Streuvoxeln determined. After in the second Complete series the corrected scattering coefficients have been determined, becomes the next row advanced and the correction repeated. This continues until you reach the bottom row of Streuvoxeln, the X-ray source the next lying, comes. After these have been corrected, is the entire matrix of corrected scattering coefficients for the straight examined slice before, so that a total correction for all measured scattering quanta and not only for the Compton scattering quanta applies, but also by possibly in the same order measured simultaneously coherent Scatter quanta. By the correction thus made, the false alarm rate can be to press, because the information received is not mistaken for another Close the content of the object, when he actually did is present.
Vorteilhafterweise lautet die Beziehung zwischen einem Streukoeffizienten und dem dazugehörigen Streusignal: Advantageously, the relationship between a scattering coefficient and the associated scatter signal is:
Hierbei sind FS(i,j) der Schwächungskoeffizient des Sekundärstrahls und FP(i,j) der Schwächungskoeffizient des Primärstrahls für das jeweils zugeordnete Streuvoxel. K ist eine Systemkonstante und M gibt die Mehrfachstreuung an. Als Primärstrahl werden die Röntgenquanten bis zu ihrer Streuung am jeweiligen Streuvoxel bezeichnet. Als Sekundärstrahl werden die Compton-Streuquanten bezeichnet, die vom jeweiligen Streuvoxel ausgehen.Here, F s (i, j) are the attenuation coefficient of the secondary beam and F P (i, j) is the attenuation coefficient of the primary beam for the respectively associated scatter voxel. K is a system constant and M indicates multiple scattering. The primary ray is the X-ray quantum until it is scattered at the respective scatter voxel. As a secondary beam Compton scattering quanta are called, emanating from the respective Streuvoxel.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass für die Streuvoxel in der obersten Reihe der Schwächungskoeffizient FP des Primärstrahls gleich dem Wert TR1 ist, der jeweils im Transmissionsdetektor erhalten wird und der Schwächungskoeffizient des Sekundärstrahls FS gleich 1 gesetzt wird. Dies stellt eine sehr gute Näherung als Grundlage für die erste Reihe von Streuvoxeln dar, so dass die darauf aufbauende Bestimmung der weiteren Schwächungskoeffizienten in den darunter liegenden Reihen von Streuvoxeln einen möglichst kleinen Fehler aufweist. Bevorzugt wird dabei, dass für die Streuvoxel in der zweiten Reihe der zugeordnete Schwächungskoeffizient der ersten Reihe mit exp(σlP) multipliziert wird, wobei σ der zugeordnete Streukoeffizient des jeweiligen Streuvoxels der ersten Reihe und lP die Weglänge des Primärstrahls in dem zugeordneten Streuvoxel der ersten Reihe ist und gleichzeitig eine Multiplikation des Schwächungskoeffizienten des Sekundärstrahls mit exp(–σ'lS) erfolgt, wobei lS die Weglänge des Sekundärstrahls im zugeordneten Streuvoxel der ersten Reihe und σ' der Compton-Streukoeffizient bei einer durchschnittlichen Energie der Compton-Streuquanten ist.A further advantageous development of the method provides that for the scatter voxel in the uppermost row, the attenuation coefficient F P of the primary beam is equal to the value T R1 obtained in the transmission detector and the attenuation coefficient of the secondary beam F S is set equal to 1. This represents a very good approximation as the basis for the first series of scatter voxels, so that the subsequent determination of the further attenuation coefficients in the underlying rows of scatter voxels has the smallest possible error. It is preferred that for the scatter voxels in the second row the associated attenuation coefficient of the first row is multiplied by exp (σl P ), where σ is the associated scattering coefficient of the respective scatter voxel of the first row and l P is the path length of the primary beam in the associated scatter voxel and multiplication of the attenuation coefficient of the secondary beam with exp (-σ'l S ), where l S is the path length of the secondary beam in the associated scatter voxel of the first row and σ 'is the Compton scattering coefficient at an average energy of the Compton scattering quanta is.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass gleichzeitig die kohärente Streustrahlung mit einem kohärenten Streudetektor gemessen wird, indem zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt ein weiterer Streukollimator angeordnet ist, der nur kohärente Streustrahlung von einem in den Untersuchungsbereich einbringbaren Objekt durchlässt, die unter einem festen Streuwinkel emittiert wird. Durch die Kombination der Messung des Impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten mit der Messung des Dichteprofils (dem Bild der Elektronendichte) mittels Compton-Streuung werden für jedes Streuvoxel zwei materialspezifische Parameter gleichzeitig bestimmt werden. Selbst wenn einer der beiden Parameter eine Unsicherheit des Materials im Streuvoxel beinhalten würde, kann auf Grund des anderen Parameters in fast allen Fällen auf die tatsächliche Natur des im untersuchten Streuvoxel enthaltenen Materials geschlossen werden. Dadurch wird die Fehlalarm-Rate deutlich gesenkt, ohne dass die Bestimmung der beiden Parameter in unterschiedlichen Verfahrensschritten oder sogar in räumlich voneinander getrennten Geräten vorgenommen werden müsste, wodurch erheblich Zeit gespart wird.A Another advantageous embodiment of the method provides that at the same time the coherent scattered radiation with a coherent Scattering detector is measured by passing between the examination area and the focal point another scatter collimator is arranged, the only coherent scattered radiation from an insertable into the examination area object, the is emitted at a fixed scattering angle. By the combination the measurement of the pulse transmission spectrum of elastically scattered X-ray quanta the measurement of the density profile (the image of the electron density) by means of Compton scattering will be for each scatter voxel has two material-specific parameters simultaneously be determined. Even if one of the two parameters is an uncertainty of the material in the streuvoxel may be due to the other Parameters in almost all cases the actual Nature of the material contained in the investigated Streuvoxel closed become. This significantly reduces the false alarm rate without the determination of the two parameters in different process steps or even spatially made separate equipment would have to which saves considerable time.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine vorteilhafte Ausgestaltung wird anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:Further advantageous developments of the method are the subject of Dependent claims. A advantageous embodiment will be described with reference to the figures embodiment explained in more detail. in this connection demonstrate:
In
Von
der momentan gescannten dünnen Scheibe
ist in
Der
vom Streuvoxel
Die
Information aus dem Transmissionsdetektor
Neben
den Transmissionsquanten
Der
Compton-Detektor
Die
Compton-Streuquanten
Sowohl
der Compton-Detektor
Anhand
von
Die
untersuchte Scheibe des Objekts wird in eine zweidimensionale Matrix
von Streuvoxeln
Je
nach Lage des Streuvoxels
Dabei
wird so vorgegangen, dass die oberste Reihe an Streukoeffizienten σ1j zuerst
bestimmt wird. Hierfür
kann die im Objekt erfolgte Schwächung
sehr einfach bestimmt werden. Da die Compton-Streuquanten
Aus der oben schon ausgeführten Gleichung erhält man die korrigierten Streukoeffizienten σ1j, indem man für FP das Transmissionssignal einsetzt und für FS den Wert 1, da keine Sekundärschwächung vorliegt. Die beiden Konstanten M für die Mehrfachstreuung sowie K als Systemkonstante sind aus Referenzmessungen bestimmt worden.From the above equation one obtains the corrected scattering coefficients σ 1j by using the transmission signal for F P and the value 1 for F S , since there is no secondary attenuation. The two constants M for the multiple scattering and K as the system constant have been determined from reference measurements.
Wenn
man von diesen korrigierten Compton-Streukoeffizienten σ1j der
ersten Reihe ausgeht, kann man die Compton-Streukoeffizienten σ2j der zweiten
Reihe berechnen. Da in der zweiten Reihe der Primärstrahl
Allerdings
bleibt festzuhalten, dass es sich hierbei um eine Näherung handelt,
für die
angenommen wird, dass sich der Streukoeffizient in Richtung der
Z-Achse entlang der Trajektorie des Compton-Streuquants
Nachdem
die ganzen Compton-Streukoeffizienten σ2j der
zweiten Reihe korrigiert wurden, werden diese wieder als Ausgangspunkt
für die
Korrektur der Compton-Streukoeffizienten σ3j der
darunter liegenden Reihe verwendet. Dieses iterative Verfahren wird
solange fortgesetzt, bis die Compton-Streukoeffizienten der untersten Reihe
von Streuvoxeln
Das Verfahren kann sogar dahin erweitert werden, dass die Systemkonstante K variabel gemacht wird und von einer uneinheitlichen Verteilung der Mehrfachstreuung M ausgegangen wird. Dadurch erhält man noch bessere Korrekturen und noch geringere Fehlalarmraten.The The process can even be extended to the system constant K is made variable and by an uneven distribution of Multiple scattering M is assumed. This gives you even better corrections and even lower false alarm rates.
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