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Die
Erfindung betrifft Anordnung zum Messen von in einem Untersuchungsbereich
elastisch gestreuten Röntgenquanten
mit
- – einem
Röntgenstrahler,
- – einer
zwischen dem Röntgenstrahler
und dem Untersuchungsbereich angeordneten Primärblendenanordnung zum Ausblenden
eines den Untersuchungsbereich auf der Mantelfläche eines Kegels durchsetzenden
Primärstrahlenbündels, von
dem die zu messenden, elastisch gestreuten Röntgenquanten ausgehen, und
zum Ausblenden eines vom Röntgenstrahler
ausgehenden und den Untersuchungsbereich durchsetzenden Referenzstrahlenbündels,
- – einer
Detektoranordnung zum Erfassen von Röntgenquanten aus dem Untersuchungsbereich,
die mehrere Detektorelemente zur Messung elastischer Streustrahlung
aus dem Untersuchungsbereich und wenigstens ein Referenz-Detektorelement
umfaßt,
das vom Referenzstrahlenbündel
getroffen wird.
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Eine
solche Anordnung ist aus der EP-OS 556 887 (= US-AP 015096) bekannt.
Die bekannte Anordnung dient zur Ermittlung des Impulsübertragsspektrums
von elastisch gestreuten Röntgenquanten.
Die den verschiedenen Schichten des Untersuchungsbereichs zugeordneten
Impulsübertragsspektren
enthalten Informationen über
die kristallographische Struktur des in diesen Schichten befindlichen
Materials. Sie können
daher wie ein Fingerabdruck zur Identifikation von im Untersuchungsbereich
befindlichen Stoffen benutzt werden.
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Untersuchung
von Reisegepäck,
z.B. nach Sprengstoff.
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Nachteilig
bei diesem System wirkt sich die Schwächung der Röntgenstrahlung sowohl vor als
auch nach dem jeweiligen Streuprozeß durch ein im Untersuchungsbereich
befindliches Objekt aus. Sie ist einerseits abhängig von der Energie der zu
erfassenden Röntgenstrahlung
und andererseits von der Art des schwächenden Materials im Untersuchungsbereich
und seiner Verteilung darin. Um diese Schwächung korrigieren zu können, wird
mit dem Referenzdetektorelement das Referenzstrahlenbündel erfaßt, das
in ähnlicher
Weise geschwächt
wird.
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Bei
der bekannten Anordnung wird die Referenzstrahlung von einem Nadelstrahl
erzeugt, dessen räumliche
Lage durch die Verbindungslinie zwischen dem Fokus des Röntgenstrahlers
und dem Zentrum der Detektoranordnung gegeben ist. Ungünstig dabei
ist, daß die
Intensität
dieses Nadelstrahls wesentlich höher ist
als die Intensität
der elastisch gestreuten Röntgenstrahlung,
die von der Detektoranordnung gemessen wird. Um zu vermeiden, daß das Referenzdetektorelement
durch die Referenzstrahlung bei einer Messung in die Sättigung
gerät,
muß entweder
der Querschnitt des Nadelstrahls sehr gering sein (nur wenige Quadratmikrometer)
oder der Nadelstrahl muß durch
einen Absorber erheblich geschwächt
werden, wobei sich die Schwächung
auf energiearme Röntgenquanten
stärker
auswirkt als auf energiereiche Röntgenquanten.
Ungünstig
bei der bekannten Anordnung ist weiterhin, daß der Nadelstrahl einen anderen
Teil des Untersuchungsbereiches durchsetzt als das kegelmantelförmige Primärstrahlenbündel und
die darin elastisch gestreuten Röntgenquanten.
Wenn das Material nicht hinreichend homogen im Untersuchungsbereich
verteilt ist, führt dies
zu Fehlern bei der Schwächungskorrektur.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten
Art mit einer verbesserten Erzeugung der Referenzstrahlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß zwischen
dem Untersuchungsbereich und dem Röntgenstrahler wenigstens ein
Streukörper
angeordnet ist, der die vom Röntgenstrahler
ausgehende Röntgenstrahlung
streut, und daß die
Referenzstrahlung von dem Teil dieser Streustrahlung gebildet wird,
der geradlinig durch den Untersuchungsbereich hindurch zum Referenz-Detektorelement
gelangt.
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Bei
der Erfindung wird die Referenzstrahlung also nur durch die von
dem oder den Streukörper(n)
ausgehende Streustrahlung gebildet und nicht durch Röntgenstrahlung,
die das Referenz-Detektorelement vom Röntgenstrahler ausgehend auf
geradem Wege erreicht. Dadurch ist die Intensität der Referenzstrahlung der Intensität der elastisch
gestreuten Strahlung angenähert.
Außerdem
ist auch der Teil des Untersuchungsbereichs, der von der Referenzstrahlung
durchsetzt wird, dem von den zu messenden, elastisch gestreuten
Röntgenquanten
durchsetzten Teil besser angepaßt – insbesondere
dann, wenn der Streukörper
außerhalb
des Raumes angeordnet ist, der von dem kegelmantelförmigen Primärstrahlenbündel umschlossen
wird.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Streukörper aus
einem amorphen Material besteht, das im Energiebereich der von dem
Röntgenstrahler
emittierten Röntgenquanten
ein breitbandiges Streuspektrum aufweist. Dadurch werden die Diskontinuitäten im Streuspektrum
vermieden, die sich ergeben könnten, wenn
der Streukörper
aus einem Material mit einer kristallinen Struktur bestünde. Der
Streukörper
sollte die Röntgenstrahlung
nicht zu stark schwächen,
d.h. er sollte Atome mit einer Ordnungszahl größer als 13 nicht oder nur in
geringer räumlicher Konzentration
enthalten.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, daß der Streukörper aus
Polymethylmethacrylat (PMMA) besteht. PMMA, das unter dem Namen
Plexiglas bekannt ist, ist ein amorpher Streukörper mit geringer Absorption
der Röntgenstrahlung
und einem breitbandigen Spektrum.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Streukörper so
angeordnet ist, daß die
Röntgenquanten
in ihm überwiegend
elastisch zu dem Referenz-Detektorelement
gestreut werden. Auch die Referenzstrahlung besteht hierbei also üherwiegend
aus elastisch gestreuten Röntgenquanten.
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen,
daß der
mittlere Streuwinkel der vom Streukörper zu dem Referenz-Detektorelement
gestreuten Röntgenquanten
bei 0,05 rad liegt. Ein Plexiglas-Streukörper hat bei diesem mittleren
Streuwinkel einen breiten Streubereich von 30 bis 130 keV, wenn
die Röntgenstrahlung
von einer Röntgenröhre mit
einer Röhrenspannung
von 160 kV erzeugt wird, wobei die Streuung im Bereich von 35 bis
60 keV besonders intensiv ist. Dies ist insofern günstig, als
die Intensität
der Strahlung in diesem Energiebereich stärker geschwächt wird als in dem darüberliegenden
Energiebereich.
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Nach
einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, daß zwei Streukörper vorgesehen
sind, die bezüglich
einer den Röntgenstrahler
und die Detektoranordnung verbindenden Systemachse symmetrisch angeordnet
sind. Zwei in Richtung senkrecht zur Systemachse verhältnismäßig schmale
Streukörper
reichen aus, um die Referenzstrahlung mit der benötigten Intensität zu erzeugen,
und erlauben eine einfache Ausblendung dieser Strahlung. Zum Zwecke
der Ausblendung ist dabei in weiterer Ausgestaltung vorgese hen,
daß in
der Primärblendenanordnung
ein Schlitz vorgesehen ist, der sich parallel zu einer die Systemachse
und die Streukörper
enthaltenden Ebene erstreckt.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, daß Mittel zur Verschiebung eines
Untersuchungsobjektes und des Untersuchungsbereiches relativ zueinander
vorgesehen sind, und daß die
Richtung dieser Verschiebung senkrecht zu einer Ebene verläuft, in
der die Systemachse und die beiden Streukörper liegen. Dadurch wird erreicht,
daß bei
der Relativverschiebung die Referenzstrahlung im wesentlichen den
gleichen Teil des Untersuchungsbereichs durchsetzt wie die zu messende
elastisch gestreute Röntgenstrahlung.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Anordnung,
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2 einen
ersten Teil der dabei vorgesehenen Primärblendenanordnung und
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3 einen
zweiten Teil dieser Primärblendenanordnung.
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Die
in 1 dargestellte Ausführungsform ist nicht maßstäblich dargestellt.
Die Abmessungen in horizontaler Richtung sind im Vergleich zu den
Abmessungen in horizontaler Richtung ungefähr um einen Faktor 10 vergrößert. Die
Anordnung umfaßt
einen Röntgenstrahler 1,
eine Primärblendenanordnung 2 und
ein Gehäuse 3,
in dem sich eine Sekundärblendenanordnung 4 und
eine Detektoranordnung D befinden. Zwischen der Primärblendenanordnung 2 und
dem Gehäuse 3 befindet
sich ein Transportband 5, das in der Lage ist, ein Untersuchungsobjekt 6,
z.B. ein Gepäckstück, in Richtung
senkrecht zur Zeichenebene der 1 zu verschieben.
Außerdem
können
die Untersuchungsanordnung und das Objekt 6 relativ zueinander
in horizontaler Richtung verschoben werden, so daß alle Teile
des in 1 nur ausschnittsweise dargestellten Objekts nacheinander
durch eine mäanderförmige Abtastbewegung
untersucht werden können.
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Die
Untersuchungsanordnung ist im wesentlichen rotationssymmetrisch
bezüglich
einer Systemachse 7 aufgebaut, die das Zentrum der kreisförmigen Detektoranordnung
D mit dem Fokus des Röntgenstrahlers 1 verbindet,
von dem die Röntgenstrahlung
ausgeht. Der Röntgenstrahler
wird vorzugsweise durch eine Röntgenröhre gebildet,
in deren Fokus durch Elektronenbeschuß polychromatische Röntgenstrahlung
(Bremsstrahlung) erzeugt wird. Bei einer Röhrenspannung von z.B. 150 kV
kann eine solche Röntgenröhre zumindest im
Energiebereich zwischen 30 kV und 120 keV Röntgenquanten mit hoher Intensität emittieren.
Die Röntgenstrahlung
durchsetzt zunächst
die Primärblendenanordnung 2,
die auf ihrer dem Röntgenstrahler 1 zugewandten
Seite eine erste Blendenplatte 21 und auf ihrer vom Röntgenstrahler
abgewandten Seite eine zweite Blendenplatte 22 aufweist.
Die Blendenplatten 21 und 22 verlaufen senkrecht
und konzentrisch zur Systemachse 7.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die Blendenplatte 21. Sie enthält zwei
zur Systemachse konzentrische halbringförmige Schlitze 210 und 211.
Die in 3 dargestellte Blendenplatte 22 enthält ebenfalls
zwei halbringförmige,
zur Systemachse 7 konzentrische Schlitze 220 und 221,
die jedoch einen größeren Durchmesser aufweisen,
so daß durch
die Schlitze 210, 211 und 220, 221 in
den Blendenplatten 21 und 22 aus der vom Röntgenstrahler 1 erzeugten
Röntgenstrahlung
ein in 1 gestrichelt angedeutetes Primär strahlenbündel 8 ausgeblendet
wird, das den Untersuchungsbereich auf der Mantelfläche eines
Kegels – vorzugsweise
eines Kegels mit kreisförmigem
Querschnitt – durchsetzt.
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In
einem durch den Zwischenraum zwischen der Blendenplatte 22 und
dem Transportband 5 definierten Untersuchungsbereich, in
dem sich das Untersuchungsobjekt 6 befindet, können die
Röntgenquanten
des Primärstrahlenbündels 8 gestreut
werden. Die gestreuten Röntgenquanten
werden von der Detektoranordnung D erfaßt, das neben einem zentralen
Detektorelement D0 weitere Detektorelemente
D1...D12 enthält, die das
zentrale Detektorelement D0 in Form von
Ringen bzw. in Form von Segmenten solcher Ringe umschließen. Aufgrund
der vorgegebenen Geometrie der Untersuchungsanordnung gelangen nur
solche Röntgenquanten zur
Detektoranordnung, die im Untersuchungsbereich unter einem Streuwinkel
(das ist der Winkel, um den ein Röntgenquant bei einem Streuprozeß aus einer
Richtung abgelenkt wird) von maximal 4° (0,07 rad) gestreut werden.
Bei der zuvor genannten Energie der Röntgenquanten finden sich in
diesem Winkelbereich vorwiegend elastisch gestreute Röntgenquanten.
Das Impulsübertragsspektrum
von elastisch gestreuten Röntgenquanten – d.h. die
Zahl der Röntgenquanten
als Funktion des Impulsübertrages – enthält Informationen über die
Struktur des streuenden Materials im Untersuchungsbereich und kann
daher wie ein Fingerabdruck zu Idenfikation des im Untersuchungsobjekt 6 befindlichen
Materials benutzt werden.
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Der
Impulsübertrag
ist zumindestens näherungsweise
dem Produkt aus der Energie der elastisch (ohne Energieverlust)
gestreuten Röntgenquanten
und dem Streuwinkel proportional. Die Energie der Röntgenquanten
kann durch die Detektoranordnung D gemessen werden. Der Streuwinkel
muß durch
die Sekundärblendenanordnung 4 so
vorgegeben werden, daß jedes
der Detektorelemente D1...D12 Streustrahlung
nur aus einer bestimmten Schicht des Untersuchungsbereiches und
nur unter einem bestimmten Streuwinkel bzw. aus einem kleinen Bereich
um diesen Streuwinkel herum empfangen kann. Zu diesem Zweck enthält die Blendenanordnung 4 mindestens
eine ebene Blendenplatte, die mehrere ringförmige – in der Zeichnung nicht dargestellte – Blendenöffnungen
enthält.
Jedes Detektorelement D1...D12 kann
durch eine dieser Öffnungen
hindurch einen Abschnitt des vom Primärstrahlenbündel 8 durchsetzten
Untersuchungsbereiches "sehen".
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Insoweit
als bisher beschrieben ist die Untersuchungsanordnung aus der EP-OS
556 887 (= US-AP 15 096) bekannt, worauf hinsichtlich weiterer Einzelheiten
ausdrücklich
Bezug genommen wird.
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Die
von den Detektorelementen D1...D12 gemessenen Signale sind nicht nur vom
Impulsübertragsspektrum
des streuenden Materials abhängig,
sondern auch von der Schwächung
des Primärstrahlenbündels und
der Streustrahlung im Untersuchungsbereich sowie von der Intensität der von
dem Röntgenstrahler
emittierten Röntgenstrahlung.
Um diese Einflüsse
auszuschalten, wird bei der bekannten Untersuchungsanordnung mit
einem weiteren Detektorelement ein Referenzstrahlenbündel gemessen,
das ebenfalls von der Schwächung
im Untersuchungsbereich und von der Intensität des Röntgenstrahlers abhängig ist,
nicht aber vom Impulsübertragsspektrum
der streuenden Materie. Bei der bekannten Anordnung wird dieses
Referenzstrahlenbündel
durch einen Primärstrahl
gebildet, dessen Lage mit der Systemachse 7 zusammenfällt, woraus sich
die eingangs geschilderten Nachteile ergeben.
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Bei
der Erfindung wird die Referenzstrahlung aus der vom Röntgenstrahler
emittierten Röntgenstrahlung
mittels wenigstens eines Streukörpers
abgeleitet, der sich zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Röntgenstrahler
befindet, vorzugsweise innerhalb der Primärblendenanordnung. Der Streukörper kann
rotationssymmetrisch bezüglich
der Systemachse 7 geformt sein. Da davon aber nur einzelne
Segmente benötigt werden,
ist es vorteilhaft, zwei zur Systemachse 7 symmetrisch
angeordnete Streukörper 91 und 92 zu
verwenden, die in Richtung senkrecht zur Zeichenebene eine geringe
Dicke von einigen Millimetern aufweisen. Die Streukörper 91 und 92 befinden
sich außerhalb.
des vom Primärstrahlenbündel 8 umschlossenen
Volumens und definieren eine Ebene (bzw. eine Schicht – wegen
ihrer Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene), die zur Transportrichtung
des Bandes 5 senkrecht steht.
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Die
vom Röntgenstrahler 1 erzeugte
Röntgenstrahlung
trifft durch spiegelbildlich zur Systemachse 7 angeordnete
Schlitze 212 und 213 (2) in der
Blendenplatte 21 hindurch auf die Streukörper 91 und 92 und erzeugt
darin Streustrahlung. Diese Streustrahlung tritt durch einen langgestreckten,
zur Zeichenebene parallelen Schlitz 222 (vergl. 3)
in der Blendenplatte 22 hindurch und bildet ein Referenzstrahlenbündel, das nach
dem Durchsetzen des Untersuchungsbereichs auf das zentrale Detektorelement
D0 trifft, wobei von diesem Detektorelement
nur ein zum Schlitz 222 paralleler Streifen getroffen wird.
Vor und hinter dem Referenzstrahlenbündel 90 befindliche
Blendenplatten 31, 32 und 33 in dem Gehäuse 3 sorgen
dafür,
daß das
Referenzstrahlenbündel
sich nicht senkrecht zur Zeichenebene aufweitet, und durch nicht
näher dargestellte
streifenförmige
Abdeckungen der Detektorelemente D1...D12 kann verhindert werden, daß diese
vom Referenzstrahlenbündel
getroffen werden. Ein Schlitz 41 in der Sekundärblendenanordnung 4 läßt das Referenzstrahlenbündel durch
diese hindurchtreten, wobei die zuvor erwähnten ringförmigen Abbildungsschlitze gegebenenfalls
durch den Schlitz 41 unterbrochen werden.
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Das
Energiespektrum der in den Streukörpern 91 und 92 gestreuten
Röntgenquanten
hängt außer von dem
Energiespektrum des Röntgenstrahlers
von der Energieabhängigkeit
des Streuquerschnitts des Materials ab, aus dem die Streukörper bestehen,
sowie von dem Streuwinkel, unter dem die Röntgenquanten in den Streukörpern 91, 92 gestreut
werden. Der mittlere Streuwinkel beträgt ca. 0,05 rad, was zur, Folge
hat, daß das
Referenzstrahlenbündel überwiegend
elastisch gestreute Röntgenstrahlung
enthält.
Bei elastischer Streustrahlung könnten
sich aber stark ausgeprägte
Spitzen (Peaks) der Energieabhängigkeit
des Streuquerschnitts ergeben, wenn die Streukörper eine kristalline Struktur
hätten.
Die Streukörper
sollten daher aus einem amorphen Material bestehen, das im Energiebereich
der von dem Röntgenstrahler
emittierten Röntgenquanten
und für
den vorgegebenen Streuwinkel ein breitbandiges Streuspektrum aufweist,
d.h. eine monoton verlaufende Energieabhängigkeit des Streuquerschnitts.
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Wasser
wäre ein
geeignetes Material, doch läßt sich
daraus nicht ohne weiteres ein Streukörper herstellen, es sei denn
in Form einer wasserhaltigen Gelantine, die auf der Oberfläche eines
Trägerkörpers aufgebracht
wird, oder ähnliches.
Unter den Kunststoffen ist PVC absolut amorph und streut ebenfalls
breitbandig wie Wasser, hat jedoch den Nachteil, daß durch
den Chloranteil im Material die Transparenz des PVC für die Röntgenstrahlung
zu wünschen übrig läßt.
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Als
besonders geeignetes Material für
die Streukörper
hat sich Plexiglas (Polymethylmethacrylat – PMMA) erwiesen. Die darin
bei einem Streuwinkel von 0,05 rad elastisch gestreuten Röntgenquanten
werden ebenfalls in einem breiten Energiebereich gestreut, wobei
der Streuquerschnitt im Energiebereich von 35 bis 60 keV ein Maximum
hat und jedoch zu hohen Quantenenergien hin deutlich abfällt. Dies
ist ein Vorteil, weil Röntgenquanten
in diesem Energiebereich im Vergleich zu Röntgenquanten mit höherer Energie
stark von dem Material im Untersuchungsbereich absorbiert werden.
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Es
kann zweckmäßig sein,
den oberen Teil der Streukörper
um ihren Fußpunkt
kippbar zu lagern, so daß der
Abstand des zum Röntgenstrahler
nächsten
Bereichs der Streukörper
von der Systemachse 7 einstellbar ist. Dazu kann dieser
Bereich entsprechend dem Pfeil 93 verschiebbar sein – z.B. mittels
einer Mikrometerschraube. Je weiter dieser Bereich nach innen verlegt
wird, desto weniger Röntgenstrahlung
trifft den Streukörper
und desto geringer ist die Intensität der in ihm erzeugten Streustrahlung.
Andererseits verändert
sich bei einer solchen Verstellung auch der mittlere Streuwinkel,
so daß mit
einer solchen Verstellung auch eine Änderung der spektralen Verteilung
der Referenzstrahlung einhergeht. Dieser Bereich sollte daher so
eingestellt werden, da sich ein Kompromiß zwischen der Intensität der Streustrahlung
und der gewünschten
spektralen Verteilung einstellt.
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Wie
man aus den von der Detektoranordnung gewonnenen Signalen das Impulsübertragsspektrum bestimmen
kann, ist in der EP-OS 496 454 (gleich US-PS 52 65 144) näher beschrieben.
In ähnlicher
Weise könnte
man auch bei der Erfindung verfahren. Noch bessere Ergebnisse erhält man jedoch,
wenn man die mit den Detektorelementen D0 sowie D1...D12 erhaltenen Meßergebnisse auf die Meßergebnisse
bezieht, die man mit denselben Detektorelementen erzielt, wenn man
anstelle des zu untersuchenden Objekts ein Kalibrationsobjekt in
den Strahlengang bringt, dessen Streueigenschaften genau bekannt
sind. Die Messungen an dem Untersuchungsobjekt müssen dann auf die Messungen
an dem Kalibrationsobjekt bezogen werden.
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Zur
Erläuterung
sei angenommen, daß ein
Detektorelement, z.B. D
12, bei Vorhandensein
des Kalibrationsobjektes ein Signal mißt, das nach der in der EP-OS
496 445 erläuterten
Verarbeitung durch einen Impulshöhenanalysator
eine Zahlenfolge I'(E)
ergibt, die an einer Anzahl von Stützstellen die Zahl der auf
das Detektorelement auftreffenden Röntgenquanten als Funktion der
Energie angibt. Die von dem gleichen Detektorelement in Verbindung
mit der nachgeschalteten Elektronik bei Vorhandensein des Untersuchungsobjektes
6 im
Untersuchungsbereich gelieferte Zahlenfolge möge mit I(E) bezeichnet sein.
Dann ergibt sich ein Quotienten a(E) wie folgt:
a(E) ist dabei ebenfalls
eine Zahlenfolge, deren einzelne Zahlenwerte sich dadurch ergeben,
daß die
Zahl der Röntgenquanten,
die das betreffende Detektorelement bei Vorhandensein des Untersuchungsobjekts
6 im
Untersuchungsbereich für
einen bestimmten Energiebereich z. B. 50 keV bis 50,1 keV detektiert
hat, durch die Zahl der Röntgenquanten
diviert wird, die dasselbe Detektorelement in demselben Energiebereich
detektiert, wenn das Kalibrationsobjekt im Untersuchungsbereich
ist.
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Analog
dazu liefert bei den beiden Messungen auch das Detektorelement D
0, das das Referenzstrahlenbündel erfaßt, bei
den beiden Messungen entsprechende Zahlenfolgen, die mit R(E) und
R'(E) bezeichnet werden.
Daraus läßt sich
eine Zahlenfolge b(E) gemäß
ermitteln.
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Aus
den Werten a(E) und b(E) läßt sich
der Streuquerschnitt S(E) des Materials berechnen, das in demjenigen
Teil des Untersuchungskörpers
liegt, aus dem Streustrahlung auf das betreffende Detektorelement treffen
kann. Dafür
gilt die Beziehung
S'(E) ist dabei der Streuquerschnitt des
Materials, aus dem der Kalibrationskörper besteht.
