DE102007020984A1

DE102007020984A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus und Materialbestimmungssystem

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Publication number: DE102007020984A1
Application number: DE102007020984A
Authority: DE
Inventors: Yaohong Liu; Chuanxiang Tang; Zhiqiang Chen; Huaibi Chen; Jinsheng Liu; Jianjun Gao
Original assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2027-05-01
Also published as: WO2007134514A1; GB2444570B; AU2007252163A1; FR2901660B1; RU2340127C1; CN101076218A; FR2901660A1; DE102007020984B4; CN101076218B; US20070269013A1; GB2444570A; ITTO20070167A1; GB0709608D0; US7646851B2; AU2007252163B2

Abstract

Offenbart werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, sowie ein zugehöriges Materialbestimmungssystem. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Erzeugen einer ersten Impulsspannung, einer zweiten Impulsspannung, einer dritten Impulsspannung und einer vierten Impulsspannung, Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung aufweist, bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung, Erzeugen einer ersten Mikrowelle, die eine erste Leistung aufweist, bzw. einer zweiten Mikrowelle, die eine zweite Leistung aufweist, auf Grundlage der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung, Beschleunigen des ersten, bzw. des zweiten Elektronenstrahls unter Verwendung der ersten und zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den zweiten Elektronenstrahl zu erhalten, Beschießen eines Targets mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem zweiten Elektronenstrahl, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen. Die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erzeugten Röntgenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, können zur zerstörungsfreien Inspektion großer Frachtcontainer, in Bereichen, wie zum Beispiel beim Zoll, in Häfen und Flughäfen und zur Realisierung ...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen (electron linac) für die röntgenologische Bilderzeugung bei großen und mittleren Objekten, und insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen und ein zugehöriges Verfahren sowie ein Materialbestimmungssystem, mit dem das in großen und mittleren Objekten, zum Beispiel Fracht- oder Luftfrachtcontainern befindliche Material bestimmt werden kann.
AUSGANGSSITUATION DER ERFINDUNG
Bei dem auf röntgenologischer Bilderzeugung basierenden Frachtüberprüfungssystem nach dem Stand der Technik läßt man im Allgemeinen Strahlung eines einzigen Energieniveaus mit dem zu untersuchenden Objekt in Wechselwirkung treten, d.h. interagieren, anschließend wird die Strahlung erfaßt, die das zu untersuchende Objekt durchdrungen hat, um ein Bild zu erhalten. Obwohl ein derartiges System Veränderungen der Gestalt und der Massendicke des zu untersuchenden Objekts wiederspiegeln kann, ist es nicht in der Lage, die Materialeigenschaften des untersuchten Objekts zu bestimmen.
In dem Maße, wie die Bedeutung der globalen Terrorismusabwehr zunimmt, werden die Anforderungen an die Kontrolle auf gefährliche und verbotene Gegenstände verschärft, dabei wurden zahlreiche Erfassungsvorrichtungen vorgeschlagen, in denen ein Materialbestimmungsverfahren, das die bilderzeugende Durchstrahlungsprüfung mittels dualenergetischer Röntgenstrahlen anwendet, womit die Unterscheidung zwischen den effektiven Ordnungszahlen der Substanz erreicht werden kann, im Niedrigenergiebereich (< 450keV) in breitem Maße eingesetzt wird. Wie allgemein bekannt ist, herrschen photoelektrische Absorption und Compton-Streueffekte vor, wenn Röntgenstrahlen im Niedrigenergiebereich mit der Substanz interagieren. Weil die Beziehung zwischen dem Dämpfungsindex, korrespondierend mit dem photoelektrischen Absorptionseffekt und der Ordnungszahl, gleich μ_photo ∝ Z⁴ ist, ist das dualenergetische Verfahren sehr gut geeignet, die Differenz zwischen zahlreichen Ordnungszahlen zu unterscheiden.
Wenn jedoch Röntgenstrahlen im Hochenergiebereich (> 1 MeV) mit der Substanz interagieren, herrschen Elektronenpaarbildung und Compton-Streueffekte vor, und die Beziehung zwischen dem Dämpfungsindex, der mit der Elektronenpaarbildung und der Ordnungszahl korrespondiert, ist: μ_pair ∝ Z, was zur Folge hat, daß die Empfindlichkeit des dualenergetischen Verfahrens beim Unterscheiden der Ordnungszahlen im Hochenergiebereich nur gering ist. Deshalb sind die Anforderungen an die Erfassungsgenauigkeit des Systems sehr hoch. Das US-Patent Nr. 6069936 und die internationale Anmeldung WO 0043760 offenbaren beide den Einsatz einer einzigen Röntgenstrahlenquelle hoher Energie und zweier Röntgenstrahlenbündel mit unterschiedlichen Energiespektren, die man durch die Absorption in spezifischem Material erhält. Weil jedoch ein einzelner Röntgenstrahl hoher Energie nur ein originäres Energiespektrum erzeugt, werden die Energiespektren der beiden Strahlenbündel, die man nach der Absorption in spezifischem Material erhält, nahezu identisch, nachdem die beiden, unterschiedliche Energiespektren aufweisenden Strahlenbündel durch das untersuchte Objekt großer Massendicke hindurch gegangen sind und werden dementsprechend abgeschwächt. Zu diesem Zeitpunkt ist es unmöglich, die effektive Ordnungszahl der Substanz zu unterscheiden. Wenn zwei Bündel von Röntgenstrahlen hoher Energie, die unterschiedliche originäre Energieniveaus und Spektren aufweisen, unter Verwendung von zwei Strahlungsquellen niedriger Energie erzeugt werden, um Material zu bestimmen, wird das System zu komplex und kostenaufwendig.
Folglich gilt es bis heute als nicht praktikabel, die Untersuchung großer Objekte und die Materialbestimmung mit Hilfe des dualenergetischen Verfahrens im Hochenergiebereich zu implementieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Probleme des Standes der Technik zu lösen. Es ist ein Anliegen der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus und ein zugehöriges Verfahren sowie ein Materialbestimmungssystem bereitzustellen, mit denen alternierend Elektronenstrahlen erzeugt werden können, die unterschiedliche Energiespektren aufweisen, deren Energieniveaus sich voneinander unterscheiden, und durch Beschuß eines Targets mit einem Elektronenstrahl alternierend Röntgenstrahlen zu erzeugen, die unterschiedliche Energiespektren aufweisen. Indem man Röntgenstrahlen, die zwei Energieniveaus aufweisen, mit der Substanz interagieren läßt, ist es möglich, große und mittelgroße Objekte zerstörungsfrei zu inspizieren und das darin enthaltene Material zu identifizieren.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen bereitgestellt, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, umfassend: einen Impulsmodulator zum Erzeugen einer ersten Impulsspannung, einer zweiten Impulsspannung, einer dritten Impulsspannung und einer vierten Impulsspannung; einen Elektronenstrahlerzeuger zum Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung, bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung; einen Mikrowellengenerator zum Erzeugen einer ersten Mikrowelle mit einer ersten Leistung, bzw. einer zweiten Mikrowelle mit einer zweiten Leistung, auf Grundlage der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung; einen Elektronenstrahlbeschleuniger zum Beschleunigen des ersten Elektronenstrahls, bzw. des zweiten Elektronenstrahls unter Verwendung der ersten Mikrowelle und der zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den beschleunigten zweiten Elektronenstrahl zu erhalten; und ein Target, das mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem beschleunigten zweiten Elektronenstrahl beschossen wird, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt der Elektronenstrahlerzeuger eine gittergesteuerte Elektronen-Kanone, und der Impulsmodulator umfaßt eine Stromversorgung, deren Gitterimpulsamplituden alternieren.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die erste Strahlbelastung größer als die zweite Strahlbelastung, und die erste Leistung ist kleiner als die zweite Leistung.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die erste Strahlbelastung kleiner als die zweite Strahlbelastung, und die erste Leistung ist größer als die zweite Leistung.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ändert der Mikrowellengenerator alternierend die Intensität des magnetischen Feldes, synchron mit der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung, um die erste Mikrowelle und die zweite Mikrowelle zu erzeugen.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Mikrowellengenerator ein Magnetron oder ein Klystron.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Elektronenstrahlbeschleuniger eine Lauffeld-Beschleunigungsröhre oder eine Stehwellen-Beschleunigungsröhre.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Materialbestimmungssystem bereitgestellt, umfassend: die oben beschriebene Vorrichtung; eine Synchronisationssteuerung zum Erzeugen eines Synchronisationssteuerungssignals; eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von Röntgenstrahlen, nachdem der erste Röntgenstrahl und der zweite Röntgenstrahl, die von der Vorrichtung erzeugt wurden, mit dem untersuchten Objekt interagieren, auf Grundlage des Synchronisationssteuerungssignals, das von der Synchronisationssteuerung erzeugt wurde, um digitale Signale zu erzeugen; und eine Bildverarbeitungs- und Materialbestimmungsvorrichtung, um die digitalen Signale für das untersuchte Objekt mit einer vordefinierten Kalibrierungskurve zu klassifizieren, um das Material des untersuchten Objekts zu bestimmen.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen bereitgestellt, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, umfassend: einen Impulsmodulator zum Erzeugen einer ersten Impulsspannung und einer zweiten Impulsspannung; einen Elektronenstrahlerzeuger zum Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung aufweist, bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung; einen Mikrowellengenerator, um die Intensität des magnetischen Feldes synchron mit der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung zu ändern, um eine erste Mikrowelle mit einer ersten Leistung und eine zweite Mikrowelle mit einer zweiten Leistung zu erzeugen; einen Elektronenstrahlbeschleuniger zum Beschleunigen des ersten Elektronenstrahls, bzw. des zweiten Elektronenstrahls, unter Verwendung der ersten Mikrowelle und der zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den zweiten Elektronenstrahl zu erhalten; und ein Target, das mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem beschleunigten zweiten Elektronenstrahl beschossen wird, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus bereitgestellt, das folgende Schritte umfaßt: Erzeugen einer ersten Impulsspannung, einer zweiten Impulsspannung, einer dritten Impulsspannung und einer vierten Impulsspannung; Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung aufweist, bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung; Erzeugen einer ersten Mikrowelle, mit einer ersten Leistung, bzw. einer zweiten Mikrowelle, mit einer zweiten Leistung, auf Grundlage der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung; Beschleunigen des ersten Elektronenstrahls, bzw. des zweiten Elektronenstrahls unter Verwendung der ersten Mikrowelle und der zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den zweiten Elektronenstrahl zu erhalten; und Beschießen eines Targets mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem beschleunigten zweiten Elektronenstrahl, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
Im Ergebnis kann man die beschleunigten Elektronenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus erhalten, indem die Strahlbelastungsintensität des Beschleunigers synchron geändert wird. Dabei kann die Energieniveaudifferenz zwischen zwei beschleunigten Elektronenstrahlen weiter vergrößert werden, indem die in die Beschleunigungsröhre eingekoppelte Mikrowellenleistung synchron geändert wird. Die Röntgenstrahlen, die aus dem Beschuß durch die beiden Elektronenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus resultieren, weisen zwischen den Energieniveaus eine große Differenz auf, dies bedeutet, zwischen den Energiespektren der beiden Röntgenstrahlenbündel besteht ein großer Unterschied.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch Verändern der entsprechenden, voreingestellten Parameter, die Impulsspannungen der Elektronenkanone und die Mikrowellenleistung zu verändern, so daß man Elektronenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus erhalten kann und somit Röntgenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen. Das erfordert keine strukturelle Änderung im Beschleuniger und erfüllt die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen.
Darüber hinaus ist es möglich, mit Hilfe der alternierend erzeugten, hochenergetischen Röntgenstrahlen großer Energiedifferenz, für große Objekte und Objekte mittlerer Größe die Materialbestimmung mit einer größeren Genauigkeit zu implementieren.
Weiterhin wird mit der vorliegenden Erfindung durch die Schaltungsauslegung ein schnelles Umschalten zwischen zwei unterschiedliche Energieniveaus realisiert, wodurch die Beschränkungen der herkömmlichen, mechanischen Leistungsschalter überwunden werden, das heißt, mechanische Schalter sind für schnelles Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Energieniveaus nicht besonders geeignet und sie weisen eine geringe Lebensdauer auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt die Elektronenemissionskennlinie einer Elektronenkanone;
1B ist eine Prinzipdarstellung der Energie der beschleunigten Elektronen, die mit der Strahlbelastung variiert;
1C ist eine Prinzipdarstellung der Energie der beschleunigten Elektronen, die mit der eingespeisten Mikrowellenleistung variiert;
2 ist eine Prinzipdarstellung der Beziehung der Parameter zwischen den jeweiligen Hauptsystemen des Beschleunigers, beim alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus, nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Prinzipdarstellung der Energieschwankung der beschleunigten Elektronen, wenn gleichzeitig die Strahlbelastung und die zugeführte Mikrowellenleistung verändert werden;
4A ist eine Prinzipdarstellung der Struktur der Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen, nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4B ist eine Prinzipdarstellung, auf der die Energieversorgung einer bipolaren Elektronenkanone auf Zeitmultiplexbasis mit Hilfe von zwei hart wirkenden Begrenzern kleiner Abmessung gezeigt ist, die den Impulsmodulator 401 bilden, wie er auf 4A dargestellt ist und der unterschiedliche Spannungen abgibt;
5 ist eine Prinzipdarstellung der Differenz der Energiespektren zwischen Röntgenstrahlen, die zwei unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, die von der Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt werden; und
6 ist eine Prinzipdarstellung eines Bestimmungssystems, das eine zerstörungsfreie Inspektion der Fracht von Containern durchführt und durch Verwendung der Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Materialbestimmung implementiert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
1A zeigt die Elektronenemissionskennlinie einer Elektronenkanone. 1B ist eine Prinzipdarstellung der Energie der beschleunigten Elektronen, die mit der Strahlbelastung variiert. 1C ist eine Prinzipdarstellung der Energie der beschleunigten Elektronen, die mit der eingespeisten Mikrowellenleistung variiert. 2 ist eine Prinzipdarstellung der Beziehung der Parameter zwischen den jeweiligen Hauptsystemen des Beschleunigers, beim alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus, nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie dies auf 1A dargestellt ist, weist die Elektronenkanone unterschiedliche Elektronemissionsvermögen bei unterschiedlichen Spannungsamplituden auf. Der Impulsmodulator zum Ansteuern der Elektronenkanone erzeugt hohe Spannungen mit zwei unterschiedlichen Amplituden, welche die Elektronenkanone veranlassen, Elektronenstrahlen zu emittieren, die unterschiedliche Stromstärken aufweisen, das heißt, die erhaltenen Elektronenstrahlen haben unterschiedliche Strahlbelastungen, wie dies auf 2 dargestellt ist.
Die Wirkung der Strahlbelastung wird durch die Formel E = √AP – BI, repräsentiert, wobei E die Energie des beschleunigten Elektrons, I die Strahlintensität des beschleunigten Elektrons, P die Mikrowellenleistung, die in den Beschleunigungsabschnitt eingespeist wird, und A und B voreingestellte Konstanten sind. In Übereinstimmung mit der Wirkung der Strahlbelastung werden unterschiedliche Elektronenstrahlen beschleunigt, um hochenergetische Elektronenstrahlen zu erhalten, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
1B ist eine Prinzipdarstellung, auf der die Wirkung der Strahlbelastung gezeigt wird. Wie dies mit Kurve 2 von 1B gezeigt wird, gilt, je größer die Intensität der Strahlbelastung ist, desto geringer wird die Energie, die man durch das Beschleunigen des Strahls in der Beschleunigungsröhre erhält. Wenn die Intensität des Elektronenstrahlimpulses hoch ist, das heißt, die Intensität der Strahlbelastung groß ist, wird nur eine kleine Mikrowellenleistung in die Beschleunigungsröhre eingespeist, wodurch man einen Elektronenstrahl mit einem relativ niedrigem Energieniveau erhält. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Intensität der Strahlbelastung des Elektronenstrahls gering ist, eine hohe Mikrowellenleistung eingespeist, wodurch man einen Elektronenstrahl mit einem relativ hohem Energieniveau erhält.
3 ist eine Prinzipdarstellung der Energieschwankung der beschleunigten Elektronen, wenn gleichzeitig die Strahlbelastung und die zugeführte Mikrowellenleistung verändert werden. Wie auf 3 dargestellt, wird, wenn die eingespeiste Mikrowellenleistung synchron mit dem Wechsel in der Strahlbelastung verändert wird, die letztendlich durch Beschleunigen der Elektronenstrahlen erhaltene Energie weiter variieren, was einen größeren Energieunterschied zwischen den beschleunigten Elektronenstrahlen zur Folge hat, die zwei unterschiedliche Strahlbelastungen aufweisen.
Auf diese Art erhält man, wenn die ersten und die zweiten Elektronenstrahlen, welche die Strahlbelastungen 10a, bzw. 11a aufweisen, unter vollkommen identischen Bedingungen beschleunigt werden, zwei Elektronenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus. In der Zwischenzeit wird die in die Beschleunigungsröhre eingespeiste Mikrowellenleistung geändert, um die ersten und die zweiten Mikrowellen zu erzeugen, welche die Mikrowellenleistungen 10b, bzw. 11b aufweisen. Wie dies auf 2 dargestellt ist, ist die Leistung der ersten Mikrowelle größer als die der zweiten.
Kurve 3 von 1C zeigt die Kennlinie der Strahlbeschleunigung durch die Beschleunigungsröhre, die mit unterschiedlichen Mikrowellenleistungen versorgt wird. Wie aus 1C zu erkennen ist, gilt bei konstanter Strahlbelastung, daß die Energie, die man durch Beschleunigen des Strahls erhält, um so größer ist, je größer die eingespeiste Mikrowellenleistung ist. Wenn das System im ersten Betriebsmodus, d.h. im Hochenergiemodus arbeitet, wird der erste Elektronenstrahl, der die Strahlbelastung 10a aufweist, durch die erste Mikrowelle, welche die Mikrowellenleistung 10b aufweist, beschleunigt, um einen hochenergetischen Elektronenstrahl zu erhalten, der die Elektronenstrahlenergie 10c hat. Anschließend läßt man den hochenergetischen Elektronenstrahl auf ein Target auftreffen, um einen Röntgenstrahl hoher Energie zu erzeugen, mit einer Energie gleich 10d.
Wenn das System im zweiten Betriebsmodus, das heißt, im Niedrigenergiemodus arbeitet, wird die zweite Mikrowelle mit der Leistung 11b, deren Amplitude kleiner als die Leistung 10b der ersten Mikrowelle ist, in die Beschleunigungsröhre eingespeist. Der zweite Elektronenstrahl, der die Strahlbelastung 11a hat, wird beschleunigt, um einen niedrigenergetischen Elektronenstrahl mit der Elektronenstrahlenergie 11c zu erhalten. Anschließend läßt man den niedrigenergetischen Elektronenstrahl auf ein Target auftreffen, um einen Röntgenstrahl niedriger Energie zu erzeugen, mit einer Energie gleich 11d. Auf diese Art und Weise wechselt das System alternierend zwischen dem Hochenergiemodus und dem Niedrigenergiemodus, so daß Röntgenstrahlen erzeugt werden, deren Energieniveaus alternierend wechseln.
4A ist eine Prinzipdarstellung der Struktur der Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie dies auf 4A dargestellt ist, ist die Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen 400 der Erfindung eine Vorrichtung, die alternierend dualenergetische Röntgenstrahlen erzeugt. Die Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen 400 enthält einen Signalgenerator 403, einen ersten und einen zweiten Impulsmodulator 401 und 404, die mit dem Signalgenerator 403 verbunden sind, eine Elektronenkanone 402, die mit dem ersten Impulsmodulator 401 verbunden ist, ein Magnetron 405, das mit dem zweiten Impulsmodulator 404 verbunden ist, eine Beschleunigungsröhre 406, die mit der Elektronenkanone 402 und dem Magnetron 405 verbunden ist, und ein Target 407, auf das die mit Hilfe der Beschleunigungsröhre 406 erzeugten Strahlen auftreffen.
Der Signalgenerator 403 ist in der Lage, Hochpegelsignale und Niederpegelsignale konstanter Frequenz zu erzeugen, die von vordefinierten Parametern abhängt. Der erste Impulsmodulator 401 und der zweite Impulsmodulator 404 erzeugen hohe Spannungen unterschiedlicher Amplitude, zum Beispiel eine erste Hochspannung, mit der ersten Amplitude und eine zweite Hochspannung, mit der zweiten Amplitude, auf Grundlage der Signale, die mit Hilfe des Signalgenerators 403 erzeugt werden. Abhängig von den unterschiedlichen Systemen können die Funktionen des ersten Impulsmodulators 401 und des zweiten Impulsmodulators 404 durch einen einzigen Impulsmodulator bereitgestellt werden. Wie auf 4A dargestellt, gibt der erste Impulsmodulator 401 an die Elektronenkanone 402 die Spannungen HV1 oder LV1 aus, die unterschiedliche Amplituden haben, und der zweite Impulsmodulator 401 gibt an das Magnetron 405 die Spannungen HV2 oder LV2 aus, die unterschiedliche Amplituden haben, jede auf Grundlage eines Synchronisierungssignals. Hier können im Falle einer gittergesteuerten Elektronenkanone der erste Impulsmodulator 401 und der zweite Impulsmodulator 404 unter Verwendung einer gittergesteuerten Elektronenkanonen-Stromversorgung mit alternierender Gitterimpulsamplitude, Leistung für die Elektronenkanone liefern, oder in dem Falle, daß die Elektronenkanone 402 eine bipolare Elektronenkanone ist, wird die Leistung auf Zeitmultiplexbasis mit Hilfe von zwei Hochvakuumröhren-Impulsmodulatoren kleiner Abmessung (hart wirkende Begrenzer) geliefert, die unterschiedliche Spannungen ausgeben. Die Pulsabstände der durch den ersten und den zweiten Impulsmodulator erzeugten Impulse kann entweder gleich sein oder voneinander verschieden.
4B ist eine Prinzipdarstellung, auf der die Energieversorgung einer bipolaren Elektronenkanone auf Zeitmultiplexbasis mit Hilfe von zwei Hochvakuumröhren-Impulsmodulatoren kleiner Abmessung (hart wirkende Begrenzer) gezeigt ist, die den Impulsmodulator 401 bilden, wie er auf 4A dargestellt ist, der unterschiedliche Spannungen abgibt. Wie dies auf 4B dargestellt ist, sind die Ausgänge der Hochspannungsversorgungen 1 und 2 mit der Ansteuerschaltung der Elektronenkanone verbunden, die mit einer Impulssynchronisierungs- und Umschaltsteuerungsschaltung verbunden ist. Auf Basis der externen Synchronisierungssignale 1 und 2 steuert die Impulssynchronisierungs- und Umschaltsteuerungsschaltung das Modul 401a und das Modul 401b, damit diese eine Hochspannung HV1 bzw. eine relativ niedrige Spannung LV1 abgeben. Bei gegebenen unterschiedlichen Spannungsamplituden emittiert die Elektronenkanone 402 Elektronenstrahlen, wobei die Strahlbelastung 10a oder 11a ist. Der zweite Impulsmodulator 404, der die Spannung für das Magnetron bereitstellt, ist ähnlich aufgebaut wie der erste Impulsmodulator 401 und enthält zwei Module (nicht dargestellt), aus denen die Spannungen HV2, bzw. LV2, die unterschiedliche Amplituden aufweisen, erhalten werden. Das heißt, die Hochspannungsversorgungen 1 und 2 sind mit ihren Ausgängen an die Impulssynchronisierungs- und Umschaltsteuerungsschaltung angeschlossen, um sie so zu steuern, daß sie auf Zeitmultiplexbasis Energie für das Magnetron liefern.
Die von dem zweiten Impulsmodulator 404 alternierend abgegebenen Spannungen HV2 und LV2, die hohe und niedrige Amplituden aufweisen, haben zur Folge, daß der Betriebsstrom des Magnetrons 405 alterniert, so daß man alternierende Mikrowellen unterschiedlicher Leistung erhält, zum Beispiel die erste Mikrowelle mit der Amplitude 10b und die zweite Mikrowelle mit der Amplitude 11b. Darüber hinaus kann in einem anderen Ausführungsbeispiel das Magnetron 405 so gesteuert werden, daß die Intensität seines magnetischen Feldes zwischen einem hohen und einem niedrigen Wert synchron mit seinem Betriebsstromimpuls wechselt, damit man Mikrowellen erhält, die unterschiedliche Leistungen aufweisen.
Demgemäß lassen sich Mikrowellen, die unterschiedliche Leistungen haben, mit Hilfe von zwei Verfahren wie folgt einspeisen.

1. Der Impulsmodulator erzeugt Impulse mit hohen und niedrigen Spannungsamplituden und man führt diese dem Magnetron alternierend zu, so daß der Betriebsstrom des Magnetrons zwischen hohen und niedrigen Werten wechselt;
2. Die Magnetfeldstärke des Magnetrons wechselt zwischen hohen und niedrigen Werten synchron mit dessen Betriebsstromimpulsen.

Durch Wahl beider oder eines der obigen Verfahren kann für die vom Magnetron abgegebenen Mikrowelle der Wechsel der Impulsleistung realisiert werden.
Auf Grundlage des Synchronisierungssignals speist das Magnetron 405 Mikrowellen unterschiedlicher Leistung, zum Beispiel die erste oder zweite Mikrowelle mit den Mikrowellenleistungen 10b oder 11b, in die Beschleunigungsröhre 406 ein, zum Beispiel in eine Lauffeld-Beschleunigungsröhre oder eine Stehwellen-Beschleunigungsröhre, um den ersten oder den zweiten Elektronenstrahl, mit der Strahlbelastung 10a oder 10b, zu beschleunigen. Mit der Methode der synchronisierten Beschleunigung gemäß 2 wird der erste oder der zweite Elektronenstrahl im Inneren der Beschleunigungsröhre 406 beschleunigt, um beschleunigte Elektronenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus zu erhalten, zum Beispiel den ersten und den zweiten beschleunigten Elektronenstrahl, mit der Energie 10c, bzw. 11c. Anschließend werden die beschleunigten Elektronenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, verwendet, um alternierend das leistungsfähige Target 407 zu beschießen, um Röntgenstrahlenbündel zu erzeugen, die abwechselnd hohe und niedrige Energieniveaus aufweisen, so wie die ersten und zweiten Röntgenstrahlenbündel, welche die Energie 10d und 11d aufweisen.
Im Ergebnis ist es möglich, die beschleunigten Elektronenstrahlenbündel mit unterschiedlichen Energieniveaus zu erhalten, indem die Strahlbelastungsintensität des Beschleunigers verändert wird. Dabei kann die Differenz der Energieniveaus zwischen zwei beschleunigten Elektronenstrahlen noch mehr verbreitert werden, indem die in die Beschleunigungsröhre eingespeiste Mikrowellenleistung synchron verändert wird. Die Röntgenstrahlen, die aus dem Beschuß durch die zwei Elektronenstrahlen mit unterschiedlichen Energieniveaus resultieren, weisen zwischen den Energieniveaus eine große Differenz auf. Es existiert ein großer Unterschied zwischen den Energiespektren der beiden Röntgenstrahlenbündel. 5 zeigt Energiespektren von Röntgenstrahlen, wenn Röntgenstrahlen mit der hohen Energie von 9MeV und der niedrigen Energie von 6MeV von dem dualenergetischen Beschleuniger abgegeben werden, der gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert wurde. Kurve 51 zeigt das Energiespektrum für die niedrige Energie von 6MeV, und Kurve 52 zeigt das Energiespektrum für die hohe Energie von 9MeV. Auf 5 ist zu erkennen, daß sich die Energieniveaus der zwei kontinuierlichen Spektren stark voneinander unterscheiden.
6 ist eine Prinzipdarstellung eines Inspektionssystems, das eine zerstörungsfreie Inspektion der Fracht von Containern durchführt und durch Verwendung der Vorrichtung zur linearen Beschleunigung von Elektronen, gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Materialbestimmung implementiert. Wie auf 6 dargestellt, ist die Synchronisationssteuerung 605 mit dem Beschleuniger 400 und dem Detektor 603 verbunden und versorgt diese mit den Hochpegel- und Niederpegelsignalen 600, die auf Grundlage der voreingestellten Parameter erzeugt werden. Auf Grundlage des Synchronisierungssignals erzeugt der Beschleuniger 400 abwechselnd Röntgenstrahlenbündel 606 mit hohen und niedrigen Energieniveaus, die fächerförmige Röntgenstrahlenbündel ergeben, nachdem sie den Kollimator 601 passiert haben.
Daran anschließend interagieren die fächerförmigen Röntgenstrahlenbündel, die hohe und niedrige Energieniveaus aufweisen, mit dem untersuchten Objekt nahezu an der selben Position und werden anschließend vom Detektor 603 aufgenommen, der mit dem Bildverarbeitungs- und Materialbestimmungssystem 604 verbunden ist, und an diese die digitalen Signale ausgibt. An dieser Stelle bewegt sich das untersuchte Objekt mit einer bestimmten Geschwindigkeit in die auf 6 gezeigte Richtung, um sicherzustellen, daß die Differenz zwischen den Positionen, an denen die Röntgenstrahlenbündel, die hohe bzw. niedrige Energieniveaus aufweisen, mit dem untersuchten Objekt interagieren, zulässig ist, das heißt, sie interagieren nahezu an der selben Position. Deshalb kann das Bildverarbeitungs- und Materialbestimmungssystem 604 die Erfassungssignalwerte D1 und D2 für hohe und niedrige Energieniveaus nach der Interaktion mit dem untersuchten Objekt 602 an der selben Position erhalten.
Dann werden auf Grundlage der Kalibrierkurvenbeziehung In(D1/D1₀) – In(D2/D2₀) = f(D1), (wobei D1₀ und D2₀ die Null-Lastwerte des hochenergetischen, bzw. des niedrigenergetischen- Röntgenstrahlenbündels sind), die man durch Abtasten der Substanz mit bekannten Materialeigenschaften erhalten hat, die digitalen Signale, die nach der Interaktion zwischen dem untersuchten Objekt und dem dualenergetischen Röntgenstrahlenbündel erfaßt wurden, klassifiziert, um schließlich die Materialeigenschaften des untersuchten Objekts zu bestimmen, zum Beispiel organische Stoffe, Leichtmetall, anorganische Stoffe, Schwermetall, usw.
Das Obenerwähnte stellt lediglich bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Jede Modifikation oder Substitution, die für den Fachmann auf dem in der vorliegenden Erfindung offenbarten technischen Gebiet sofort ersichtlich ist, fällt in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, der folglich von den nachfolgenden Ansprüchen bestimmt wird.

Claims

Vorrichtung zum alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, umfassend: einen Impulsmodulator zum Erzeugen einer ersten Impulsspannung, einer zweiten Impulsspannung, einer dritten Impulsspannung und einer vierten Impulsspannung; einen Elektronenstrahlerzeuger zum Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung aufweist, bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung; einen Mikrowellengenerator zum Erzeugen einer ersten Mikrowelle mit einer ersten Leistung, bzw. einer zweiten Mikrowelle mit einer zweiten Leistung, auf Grundlage der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung; einen Elektronenstrahlbeschleuniger zum Beschleunigen des ersten Elektronenstrahls, bzw. des zweiten Elektronenstrahls unter Verwendung der ersten Mikrowelle und der zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den beschleunigten zweiten Elektronenstrahl zu erhalten; und ein Target, das mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem beschleunigten zweiten Elektronenstrahl beschossen wird, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Elektronenstrahlerzeuger eine gittergesteuerte Elektronenkanone, und der Impulsmodulator eine Stromversorgung umfaßt, deren Gitterimpulsamplituden alternieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Strahlbelastung größer als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung kleiner als die zweite Leistung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Strahlbelastung kleiner als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung größer als die zweite Leistung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mikrowellengenerator alternierend die Intensität des magnetischen Feldes synchron mit der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung ändert, um die erste Mikrowelle und die zweite Mikrowelle zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mikrowellengenerator ein Magnetron oder ein Klystron ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Elektronenstrahlbeschleuniger eine Lauffeld-Beschleunigungsröhre oder eine Stehwellen-Beschleunigungsröhre ist.
Materialbestimmungssystem, umfassend: die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7; eine Synchronisationssteuerung zum Erzeugen eines Synchronisationssteuerungssignals; eine Erfassungsvorrichtung, um Röntgenstrahlen zu erfassen, nachdem der erste Röntgenstrahl und der zweite Röntgenstrahl, die mit Hilfe der Vorrichtung erzeugt wurden, mit dem untersuchten Objekt interagiert haben, auf Grundlage des Synchronisationssteuerungssignals, das von der Synchronisationssteuerung erzeugt wurde, um digitale Signale zu erzeugen; und eine Bildverarbeitungs- und Materialbestimmungsvorrichtung, um die digitalen Signale für das untersuchte Objekt mit einer vordefinierten Kalibrierungskurve zu klassifizieren, um das Material des untersuchten Objekts zu bestimmen.
Vorrichtung zum alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, umfassend: einen Impulsmodulator zum Erzeugen einer ersten Impulsspannung und einer zweiten Impulsspannung; einen Elektronenstrahlerzeuger zum Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung aufweist, bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung; einen Mikrowellengenerator zum Wechseln der Intensität des magnetischen Feldes, synchron mit der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung, um eine erste Mikrowelle mit einer ersten Leistung und eine zweite Mikrowelle mit einer zweiten Leistung zu erzeugen; einen Elektronenstrahlbeschleuniger zum Beschleunigen des ersten Elektronenstrahls, bzw. des zweiten Elektronenstrahls, unter Verwendung der ersten Mikrowelle und der zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den zweiten Elektronenstrahl zu erhalten; und ein Target, das mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem beschleunigten zweiten Elektronenstrahl beschossen wird, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Elektronenstrahlerzeuger eine bipolare Elektronenkanone umfaßt, und der Impulsmodulator zwei Hochvakuumröhren-Impulsmodulatoren kleiner Abmessung (hart wirkende Begrenzer) umfaßt, die in der Lage sind, Spannung mit unterschiedlichen Amplituden auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Strahlbelastung größer als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung kleiner als die zweite Leistung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Strahlbelastung kleiner als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung größer als die zweite Leistung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Mikrowellengenerator ein Magnetron oder ein Klystron ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Elektronenstrahlbeschleuniger eine Lauffeld-Beschleunigungsröhre oder eine Stehwellen-Beschleunigungsröhre ist.
Materialbestimmungssystem, umfassend: die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14; eine Synchronisationssteuerung zum Erzeugen eines Synchronisationssteuerungssignals; eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von Röntgenstrahlen, nachdem der erste Röntgenstrahl und der zweite Röntgenstrahl, die mit Hilfe der Vorrichtung erzeugt wurden, mit dem untersuchten Objekt interagiert haben, auf Grundlage der Synchronisationssteuerungssignale, die von der Synchronisationssteuerung erzeugt wurden, um digitale Signale zu erzeugen; und eine Bildverarbeitungs- und Materialbestimmungsvorrichtung, um die digitalen Signale für das untersuchte Objekt mit einer vordefinierten Kalibrierungskurve zu klassifizieren, um das Material des untersuchten Objekts zu bestimmen.
Verfahren zum alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, umfassend folgende Schritte: Erzeugen einer ersten Impulsspannung, einer zweiten Impulsspannung, einer dritten Impulsspannung und einer vierten Impulsspannung; Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung; Erzeugen einer ersten Mikrowelle, die eine erste Leistung aufweist, bzw. einer zweiten Mikrowelle, die eine zweite Leistung aufweist, auf Grundlage der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung; Beschleunigen des ersten Elektronenstrahls, bzw. des zweiten Elektronenstrahls unter Verwendung der ersten Mikrowelle und der zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den zweiten Elektronenstrahl zu erhalten; und Beschießen eines Targets mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem beschleunigten zweiten Elektronenstrahl, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Strahlbelastung größer als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung kleiner als die zweite Leistung ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Strahlbelastung kleiner als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung größer als die zweite Leistung ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Intensität des magnetischen Feldes alternierend, synchron mit der dritten Impulsspannung und der vierten Impulsspannung verändert wird, um die erste Mikrowelle und die zweite Mikrowelle zu erzeugen.
Verfahren zum alternierenden Erzeugen von Röntgenstrahlen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen, umfassend folgende Schritte: Erzeugen einer ersten Impulsspannung und einer zweiten Impulsspannung; Erzeugen eines ersten Elektronenstrahls, der eine erste Strahlbelastung aufweist, bzw. eines zweiten Elektronenstrahls, der eine zweite Strahlbelastung aufweist, auf Grundlage der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung; Verändern der Intensität des magnetischen Feldes synchron mit der ersten Impulsspannung und der zweiten Impulsspannung, um eine erste Mikrowelle, die eine erste Leistung aufweist und eine zweite Mikrowelle, die eine zweite Leistung aufweist, zu erzeugen; Beschleunigen des ersten, bzw. zweiten Elektronenstrahls unter Verwendung der ersten Mikrowelle und der zweiten Mikrowelle, um den beschleunigten ersten Elektronenstrahl und den beschleunigten zweiten Elektronenstrahl zu erhalten; und Beschießen eines Targets mit dem beschleunigten ersten Elektronenstrahl und dem beschleunigten zweiten Elektronenstrahl, um einen ersten Röntgenstrahl und einen zweiten Röntgenstrahl zu erzeugen, die unterschiedliche Energieniveaus aufweisen.
Verfahren Nach Anspruch 20, wobei die erste Strahlbelastung größer als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung kleiner als die zweite Leistung ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die erste Strahlbelastung kleiner als die zweite Strahlbelastung und die erste Leistung größer als die zweite Leistung ist.