DE19603000A1

DE19603000A1 - Verfahren zum Kalibrieren einer Anordnung zur Ermittlung des Impulsübertragsspektrums und Kalibriereinheit zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19603000A1
Application number: DE1996103000
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Martens; Rolf Erich Linde; Helmut Rudorf Otto Dr Strecker
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1996-01-27
Filing date: 1996-01-27
Publication date: 1997-07-31

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Anordnung zur Bestimmung des Impulsübertragsspektrums von in einem Untersuchungsbereich (5) elastisch gestreuten Röntgenquanten, wobei die Anordnung versehen ist mit

- einer polychromatischen Strahlenquelle zur Erzeugung von in dem Untersuchungsbereich elastisch gestreuten Röntgenquanten,
- einer Anzahl von Detektorelementen zur Erfassung der in dem Untersuchungsbereich elastisch gestreuten Röntgenquanten, die Signale mit von der Energie der Röntgenquanten abhängiger Amplitude liefern,
- einer zwischen dem Untersuchungsbereich und den Detektorelementen befindlichen Blendenanordnung, die Röntgenquanten zu den Detektorelementen unter bestimmten Streuwinkeln durchläßt, den Detektorelementen nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten zur Bestimmung des Energiespektrums der Röntgenquanten aus den Signalen des zugehörigen Detektorelements und zur Ermittlung des Impulsübertragsspektrums aus dem Energiespektrum und dem Streuwinkel.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Kalibriereinheit sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art zur Bestimmung des Impulsübertragsspektrums ist aus der EP-OS 556 887 (US-Appl. 08-015,096) bekannt. Dabei erfassen die Detektorelemente Streustrahlung aus in unterschiedlicher Tiefe des Untersuchungsbereichs liegenden Schichten. Die den verschiedenen Schichten zugeordneten Impulsübertragsspektren enthalten Informationen über die kristallografische Struktur des in diesen Schichten befindlichen Materials. Sie können daher wie ein Fingerabdruck zur Identifikation von im Untersuchungsbereich befindlichen Stoffen benutzt werden, beispielsweise bei der Detektion von Sprengstoff in Reisegepäck.

Zwischen dem Impulsübertrag X und der Energie E der von den Detektorelementen erfaßten, elastisch gestreuten Röntgenstrahlen besteht die Beziehung

X = E sin(β/2)/(hc₀) (1).

Dabei ist β der Streuwinkel (das ist der Winkel, um den die Röntgenquanten bei einem Streuprozeß aus ihrer Richtung abgelenkt werden), h das Planck′sche Wirkungsquantum und c₀ die Lichtgeschwindigkeit. Das Impulsübertragsspektrum wird also aus dem Energiespektrum der Röntgenquanten und dem Streuwinkel β ermittelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kalibrieren einer solchen Anordnung anzugeben, das es gestattet, das Impulsübertragsspektrum genau und unabhängig von der Lage der Schicht im Untersuchungsbereich zu bestimmen, aus der die gemessene Streustrahlung stammt. Das Impulsübertragsspektrum soll auch unabhängig von den Eigenschaften der Detektorelemente und der nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:

a) Erzeugung von Streustrahlung mit einem wenigstens zwei definierte Fluoreszenzlinien enthaltenden Spektrum, von denen wenigstens eine von einer im Strahlengang angeordneten Kalibriereinheit herrührt
b) Bestimmung des Energiespektrums der gestreuten Röntgenquanten mit den Detektorelementen und den nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten Berechnung von zwei Korrekturparametern aus der Lage der Fluoreszenzlinien im Energiespektrum und aus der diesen Fluoreszenzlinien zugeordneten Energie für jedes Detektorelement
d) Speicherung der Korrekturparameter
e) Korrektur der Energiespektren, die bei nachfolgenden Untersuchungen von im Untersuchungsbereich befindlichen Untersuchungsobjekten gewonnen werden in Abhängigkeit von den gespeicherten Korrekturparametern.

Die Erfindung basiert auf folgenden Überlegungen. Die Detektorelemente - vorzugsweise Germaniumdetektoren - haben in der Regel einen linearen Zusammenhang zwischen der Energie eines gemessenen Röntgenquants und der Amplitude des bei der Messung erzeugten Ausgangssignals. Wenn man Röntgenquanten mit zwei verschiedenen, genau definierten Energien erzeugt und die Lage dieser Energien in den von den Verarbeitungseinheiten ermittelten Energiespektren bestimmt, dann kann man für jedes Detektorelement bzw. für jede Verarbeitungseinheit zwei Korrekturparameter berechnen, mit denen sich das von der jeweiligen Verarbeitungseinheit gelieferte Energiespektrum korrigieren läßt. Diese Korrekturparameter werden gespeichert und zur Korrektur der Energiespektren bei nachfolgenden Untersuchungen von im Untersuchungsbereich befindlichen Untersuchungsobjekten benutzt. Röntgenquanten mit zwei verschiedenen, genau definierten Energien lassen sich mit Hilfe von Stoffen erzeugen, die genau definierte Fluoreszenzlinien aufweisen. Zu diesem Zweck ist im Untersuchungsbereich eine Kalibriereinheit vorgesehen, die einen solchen Stoff mit wenigstens einer Fluoreszenzlinie enthält. Die Kalibriereinheit muß lediglich eine Fluoreszenzlinie emittieren, wenn die polychromatische Strahlenquelle schon in ihrem Emissionsspektrum eine Fluoreszenzlinie aufweist, beispielsweise die K_α-Linie von Wolfram, was der Fall ist, wenn eine Röntgenröhre mit einer Wolframanode als polychromatische Strahlenquelle eingesetzt wird.

Die Kalibriereinheit kann so gestaltet sein, daß sie bei jeder Kalibration in den Untersuchungsbereich eingeführt wird und dort Röntgenstrahlung mit wenigstens einer Fluoreszenzlinie erzeugt. Die Kalibriereinheit kann aber auch durch eine dünne Schicht eines Stoffes gebildet werden, der jenseits des Untersuchungsbereiches, z. B. unmittelbar vor den Detektorelementen, angeordnet ist, wenn im Untersuchungsbereich gleichzeitig ein Streukörper vorhanden ist mit genau definierten Streueigenschaften. Die erwähnte vor den Detektorelementen befindliche Schicht kann dort verbleiben, wenn die durch sie bewirkte Beeinflussung des Energiespektrums bei nachfolgenden Messungen berücksichtigt wird.

Wie bereits erwähnt, hängt der Impulsübertrag nicht nur von der Energie der Röntgenquanten, sondern auch von dem Streuwinkel ab. Dieser Streuwinkel ist zwar durch die Geometrie der Meßanordnung vorgegeben, doch kann es zweckmäßig sein, auch ihn bei dem Kalibrierverfahren zu bestimmen. Eine dafür geeignete Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Kalibriereinheit einen Stoff enthält, der wenigstens ein Beugungsreflex bei einem definierten Impulsübertrag aufweist, daß aus der Lage dieses Beugungsreflexes im Energiespektrum und dem Impulsübertrag ein Kalibrationsfaktor bestimmt und gespeichert wird, und daß bei nachfolgenden Untersuchungen für jedes Detektorelement aus dem zugeordneten Energiespektrum in Abhängigkeit von dem Kalibrationsfaktor ein Impulsübertragsspektrum bestimmt wird. Die Beugungsreflexe können dabei in den Kristallgittern eines kristallinen Stoffes erzeugt werden, und der Kalibrationsfaktor läßt sich aus dem (bekannten) Impulsübertrag dieses Stoffes und der Lage des Beugungsreflexes im (korrigierten) Energiespektrum bestimmen.

Eine Kalibriereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen ersten Kalibrierkörper mit einem Stoff, der wenigstens eine Fluoreszenzlinie aufweist und der in weiterer Ausgestaltung Silber oder Zinn enthält. Die Fluoreszenzlinien von Silber bzw. Zinn liegen bei 22, 163 keV bzw. bei 25,271 keV, so daß in Verbindung mit der Wolfram-K_α-Linie (bei 59,318 keV) der Strahlenquelle ein ausreichend großer Abstand zwischen den Fluoreszenzlinien bzw. den zugehörigen Energien gegeben und eine genaue Bestimmung der Korrekturparameter möglich ist. Außerdem liegen die Energien der Silber- und Zinn-Fluoreszenzlinien unterhalb des für die Bestimmung des Impulsübertragsspektrums herangezogenen Energiebereichs, so daß sie dieses Spektrum nicht beeinflussen. Die Kalibriereinheit wird zur Durchführung des Kalibrierverfahrens in den Untersuchungsbereich eingeführt.

In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der erste Kalibrierkörper einen Stoff enthält, der wenigstens ein Beugungsreflex bei einem definierten Impulsübertrag aufweist, wobei der erste Kalibrierkörper vorzugsweise Kochsalz oder Silberfluorid enthält. Diese Ausgestaltung erlaubt eine Bestimmung des Streuwinkels. Zur Bestimmung des Streuwinkels ist es erforderlich, daß jedes Detektorelement von Beugungsreflexen aus der gesamten Tiefe der diesem Detektorelement im Untersuchungsbereich zugeordneten Schicht getroffen werden kann. Dies könnte dadurch erreicht werden, daß der Kalibrierkörper mit dem die Beugungsreflexe erzeugenden Stoff eine Dicke hat, die zumindest der Dicke einer solchen Schicht entspricht. Durch eine derart dicke Schicht ergibt sich aber eine relativ starke Schwächung der Streustrahlung. Um dieses zu vermeiden, sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, daß der erste Kalibrierkörper den Stoff in einer Schicht enthält derart, daß sich in Richtung parallel zur Schicht eine homogene Verteilung des Stoffes ergibt und daß der Kalibrierkörper so an einem Gehäuseteil der Kalibriereinheit befestigt ist, daß die Schicht in der Gebrauchslage der Kalibriereinheit schräg zur Vertikalen verläuft. In diesem Fall kann die Schicht dünner sein, wenn die Kalibriereinheit während der Kalibriermessung durch den Untersuchungsbereich bewegt wird.

Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art wird das Spektrum der Röntgenstrahlung, die im Untersuchungsbereich gestreut wird, durch das Bremskontinuum einer Röntgenröhre bestimmt und durch deren charakteristische Fluoreszenzstrahlung. Diese überlagern sich multiplikativ den Spektren der Streustrahlung und verfälschen dadurch die gemessenen Spektren. Eine diesbezügliche Korrektur ermöglicht eine Kalibriereinheit, die versehen ist mit einem zweiten Kalibrierkörper, der einen Stoff enthält, der weitgehend Röntgenquanten energieunabhängig streut, wobei in weiterer Ausgestaltung vorgesehen ist, daß der zweite Kalibrierkörper Plexiglas und Wasser enthält.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung, mit der die Erfindung ausführbar ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Verarbeitungseinheiten,

Fig. 3 ein Energiespektrum, das sich bei der Durchführung des Kalibrierverfahrens ergibt,

Fig. 4 eine Kalibriereinheit in einer Seitenansicht,

Fig. 5 die Kalibriereinheit in einer Draufsicht,

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Signalverarbeitung,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform der Kalibriereinheit in einer Seitenansicht und

Fig. 8 die gleiche Kalibriereinheit in einer Draufsicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist nicht maßstäblich dargestellt. Die Abmessungen in horizontaler Richtung sind im Vergleich zu den Abmessungen in vertikaler Richtung vergrößert dargestellt. Die Anordnung umfaßt einen Röntgenstrahler 1, vorzugsweise mit einer Wolframanode, eine Primärblendenanordnung 2 und ein Gehäuse 3, in dem sich wenigstens eine Blendenplatte 4 befindet, und eine Detektoranordnung, die eine Anzahl von ringförmigen, konzentrisch zueinander angeordneten Detektorelementen D₁ . . . D_n umfaßt, in deren Zentrum sich ein zentraler Detektor D₀ befindet. Zwischen der Primärblendenanordnung 2 und dem Gehäuse 3 befindet sich der Untersuchungsbereich 5. Innerhalb des Untersuchungsbereiches kann ein nicht näher dargestelltes Untersuchungsobjekt auf einem ebenfalls nicht näher dargestellten Transportband in horizontaler Richtung verschoben werden, das in Stufen in der dazu senkrechten Richtung verschiebbar ist, so daß alle Teile des Untersuchungsobjekts nacheinander durch eine mäanderförmige Verschiebung des Untersuchungsobjekts untersucht werden können.

Der Primärkollimator 2 blendet von der Röntgenstrahlung des Röntgenstrahlers 1 ein kegelförmiges Strahlenbündel 6 aus, das den Untersuchungsbereich durchsetzt und in ihm Streustrahlung erzeugt, wenn sich darin ein Untersuchungsobjekt befindet. Die Streustrahlung gelangt durch eine kreisförmige Öffnung in der Blendenplatte 4 zu den Detektorelementen D₁ . . . D_n, wobei jedes Detektorelement die Streustrahlung aus einer anderen Schicht erfaßt. Beispielsweise erfaßt das Detektorelement D₃ die Streustrahlung aus der durch eine horizontale Gerade 51 angedeuteten Schicht, während das Detektorelement D₂ die Streustrahlung aus der Schicht 52 erfaßt. Die Schichten sind zwar durch Geraden angedeutet, jedoch haben sie alle eine endliche Dicke, so daß sie den gesamten Untersuchungsbereich bedecken. Die Streuwinkel β₁ und β₂, unter denen die Detektorelemente D₃ und D₂ die Streustrahlung aus den Schichten 51 und 52 erfassen, sind dabei so klein, daß überwiegend elastische Streustrahlung erfaßt wird. Das zentrale Detektorelement D₀ erfaßt die Röntgenstrahlung, die im Untersuchungsbereich nicht gestreut wird. Mit seiner Hilfe kann man in bekannter Weise die Schwächung korrigieren, die die Streustrahlung im Untersuchungsbereich erfährt. Anstelle einer konzentrischen Öffnung kann die Blendenplatte mehrere konzentrische Öffnungen enthalten, und es können mehrere Blendenplatten vorgesehen sein, wie in der EP-OS 556 887 beschrieben.

Die den Detektorelementen nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten ermitteln die Energiespektren der von den Detektorelementen erfaßten Röntgenquanten, wobei eine Impulshöhenanalyse vorgenommen wird. Zu diesem Zweck ist den Detektorelementen D₀, D₁ . . . D_n ein Verstärker V₀, V₁ . . . V_n mit einstellbarer Verstärkung nachgeschaltet ist. Das Ausgangssignal jedes Verstärkers wird je einem Analog-Digitalwandler A₀, A₁ . . . A_n mit einstellbarem Offset zugeführt. Wenn ein Detektorelement ein Röntgenquant erfaßt, erzeugt es einen Impuls, dessen Amplitude linear von der Energie des Röntgenquants abhängig ist. Wenn die Verstärkung der Verstärker V₀, V₁ . . . V_n und der Offset der Analog-Digitalwandler A₀, A₁ . . . A_n richtig eingestellt ist, liefert der Analog-Digitalwandler einen linear von der Energie des Röntgenquants abhängigen Digitalwert. Jeder Digitalwert entspricht einem Energiekanal der Breite dE, die sich aus dem Quotienten der maximalen Quantenenergie (z. B. 150 keV) und der Zahl der Quantisierungsstufen des Analog-Digitalwandlers (z. B. 2048) ergibt. Numeriert man diesen Energiekanäle nach aufsteigenden Energien, dann ergeben sich Kanalnummern k, die ein lineares Maß für die Energie E der diesen Energiekanälen zugeordneten Röntgenquanten darstellen. Zwischen der Energie E und der Kanalnummer k gilt somit die Beziehung:

E = ak+b, (2)

wobei a und b dem jeweiligen Detektorelement zugeordnete Parameter sind, deren Bedeutung noch erläutert wird.

Die Ausgänge der Analog-Digitalwandler A₀, A₁ . . . A_n sind mit einem Rechner 7 verbunden, der mit einem Speicher 71 gekoppelt ist. Der Rechner zählt die Zahl I der Impulse bzw. Röntgenquanten, die die gleiche Energie aufweisen bzw. in den gleichen Kanal fallen, und speichert diese - für alle Detektorelemente und alle Kanäle getrennt - in dem Speicher 71. Die für jedes Detektorelement auf diese Weise gespeicherten Zahlen I in Abhängigkeit von der Kanalnummer k stellen das Energiespektrum I(k) der von dem zugehörigen Detektorelement erfaßten Röntgenquanten dar.

Die weitere Auswertung dieser Spektren erfordert die Normierung eines Spektrums durch ein anderes Spektrum, wobei die Zahl der Röntgenquanten einer bestimmten Energie E in dem einen Spektrum durch die Zahl der Röntgenquanten mit derselben Energie dividiert wird. Da die Spektren die Energie E aber nur mittelbar - über die Kanalnummern k enthalten - müßte in allen Energiespektren der gleichen Kanalnummer dieselbe Energie zugeordnet sein. Dies setzt eine identische Einstellung aller Verarbeitungseinheiten voraus, die in der Praxis kaum erreichbar ist und sich ändern kann.

Der Rechner 7, der über die Auswertung der Spektren hinaus die Abläufe der gesamten Anordnung steuert, kann daher außer in dem normalen Untersuchungsmodus auch in einem Kalibriermodus arbeiten. Im Kalibriermodus wird die Anordnung mit dem in Fig. 3 dargestellten Kalibrierspektrum kalibriert. Das Kalibrierspektrum enthält eine erste Fluoreszenzlinie AgKa, die der K_α-Linie von Silber entspricht. Außerdem enthält das Spektrum nach Fig. 3 eine zweite Fluoreszenzlinie WKa, die der K_α-Linie von Wolfram entspricht. Diese Fluoreszenzlinie stammt aus dem Emissionsspektrum des Röntgenstrahlers 1. An sich enthält das Emissionsspektrum des Röntgenstrahlers 1 noch weitere Fluoreszenzlinien, z. B. die K_α-Linie von Wolfram, doch liegt diese so dicht bei der Wolfram-K_α-Linie, daß diese beiden Linien zum Kalibrieren ungeeignet sind.

Die Kanalnummern, bei denen die Fluoreszenzlinien auftreten, lassen sich verhältnismäßig einfach automatisch bestimmen, indem nach Maxima in der Umgebung der Kanalnummern gesucht wird, bei denen die Fluoreszenzlinien auftreten müßten. Aus den Kanalnummern der Fluoreszenzlinien und den Energien, die diesen beiden Fluoreszenzlinien zugeordnet sind (22,163 keV und 59,318 keV), ergeben sich durch Einsetzen der beiden Energiewerte E und der zugehörigen Kanalnummern k in Gleichung (2) zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten a und b, aus denen diese sich errechnen lassen. Die Parameter a und b werden dazu benutzt, das jeweilige Energiespektrum I(k) in ein korrigiertes Energiespektrum I(k′) umzurechnen, bei dem die korrigierten Kanalnummern k′ proportional zur Energie sind und wobei jede Kanalnummer einem definierten Energiewert zugeordnet ist. Bei dieser Korrektur wird jeder neuen Kanalnummer k′ eine alte Kanalnummer k im Energiespektrum zugeordnet. Für diese Zuordnung gilt:

k = (k′-b/dE′)/(a/dE′) (3)

Dabei stellt dE′ die Breite des Energiebereichs dar. Sie kann von dE abweichen, und sie ergibt sich aus dem Quotienten der maximalen Energie (z. B. 150 keV) und der zugehörigen Kanalnummer (z. B. 1500). Mithin dienen die Parameter a und b der Korrektur des Energiespektrums, weshalb sie im folgenden als Korrekturparameter bezeichnet werden. Diese Korrekturparameter werden - für jedes Detektorelement getrennt - gespeichert, damit die bei nachfolgenden Untersuchungen gemessenen Energiespektren dadurch korrigiert werden können. Bei der Berechnung nach Gleichung (3) können sich auch nicht ganzzahlige Werte k ergeben. In diesem Fall ordnet man der Kanalnummer k′ eine Zahl von Röntgenquanten zu, die sich durch Interpolation zwischen den Zahlen I ergibt, die den Kanalnummern k zugeordnet sind, die zu dem nach Gleichung (3) berechneten k-Wert benachbart sind.

Das Kalibrierspektrum (Fig 3) wird von einer Kalibriereinheit erzeugt, die in Fig. 4 in einer Seitenansicht und in Fig. 5 in einer Draufsicht dargestellt ist. Dabei verläuft die in den Figuren angegebene Koordinatenrichtung z parallel zu der (vertikalen) Symmetrielinie in Fig. 1, während x parallel zu der Richtung verläuft, in der das erwähnte Transportband ein Untersuchungsobjekt kontinuierlich transportieren kann. Die Kalibriereinheit 8 umfaßt ein rechteckiges Gehäuse 81 aus einem die Röntgenstrahlung nur geringfügig absorbierenden Material, dessen Kanten mit der x-, y- bzw. z-Richtung zusammenfallen. In diesem Gehäuse ist ein plattenförmiger erster Kalibrierkörper 82 schräg zur x- und z-Richtung angeordnet.

Auf seiner Unterseite ist dieser Körper mit einer Silberfolie 83 versehen, die eine solche Dicke hat, daß ein lotrechter Strahl durch diese Folie einen Weg von ca. 100µ zurücklegt. Wenn die Folie wesentlich dünner wäre, wäre die Intensität der in ihr erzeugten Fluoreszenzstrahlung schwächer, während bei einer wesentlich dickeren Folie diese einen Teil ihrer eigenen Fluoreszenzstrahlung und der Strahlung aus dem übrigen Teil des ersten Kalibrierkörpers 82 absorbieren würde. Die Silberfolie liefert in dem in Fig. 3 dargestellten Spektrum die Fluoreszenzlinie AgKa.

Oberhalb der Silberfolie besteht der Kalibrierkörper 82 aus einer Schicht, die Kristalle aus Kochsalz enthält. Kochsalz absorbiert Röntgenstrahlung relativ stark, weshalb es zweckmäßig sein kann das Kochsalz innerhalb der Schicht zu "verdünnen". Dies kann dadurch erfolgen daß Papierblätter mit einer Kochsalzlösung von definierter Konzentration getränkt und anschließend getrocknet werden. Es bilden sich dabei fein verteilte Kochsalzkristallite, die fest mit dem Papier verbunden sind. Durch einer regelmäßige Abfolge von Blättern dieses "Salzpapiers" und Blättern aus unbehandeltem Papier läßt sich schichtweise ein verdünnter Volumenstreuer mit hoher Röntgentransmission aufbauen. Es ist aber auch möglich, das Kochsalz mit einem Pulver zu mischen, das aus Atomen niedriger Ordnungszahl besteht und nichtkristallin ist, so daß sich eine entsprechende Verdünnung ergibt.

Während der Kalibriermessung wird die Kalibriereinheit 8 in x-Richtung durch den Untersuchungsbereich 5 verschoben. Dadurch wird in Verbindung mit der schrägen Anordnung des Kalibrierkörpers 82 erreicht, daß die die Beugungsreflexe erzeugenden Kristalle im Laufe der Kalibriermessung den Untersuchungsbereich auf seiner gesamten Tiefe durchsetzen - und zwar auch dann, wenn der Kalibrierkörper dünner ist als die Dicke einer Schicht, deren Streustrahlung von einem der Detektorelemente erfaßt wird. Anderenfalls müßte der Kalibrierkörper mindestens so dick sein wie eine Schicht (wenn er horizontal angeordnet wäre und in vertikaler Richtung verschoben würde) oder gar die Dicke des gesamten Untersuchungsbereiches. Dadurch ergäbe sich jedoch eine sehr starke Schwächung der in dem Kalibrierkörper erzeugten Streustrahlung.

In dem in Fig. 3 dargestellten Spektrum resultieren drei Maxima von den Kochsalz-Beugungsreflexen, und zwar die in der Zeichnung mit NaCl <111<, NaCl <200< und NaCl <220<. Die in < < enthaltenen Ziffern definieren dabei in bekannter Weise die Kristallflächen, von denen die Beugungsreflexe ausgehen. Der Impulsübertrag X dieser Beugungsreflexe ist bekannt. Gemäß Gleichung (1) gilt für den Impulsübertrag X

X = cE (4),

wobei c eine vom Streuwinkel abhängige Konstante für das jeweilige Detektorelement ist und wobei sich die Konstanten in der Regel von Detektorelement zu Detektorelement unterscheiden, weil die zugehörigen Streuwinkel unterschiedlich sind. Die Konstante c läßt sich dabei aus der Gleichung bestimmen

c = X_b/(ak_b + b) (5).

Dabei ist X_b der (bekannte) Impulsübertrag und k_b die Kanalnummer, bei der das zugehörige Maximum auftritt. a und b sind die Korrekturparameter.

Anstelle von Kochsalz kann in dem Kalibrierkörper auch Silbersalz z. B. (AgF) verwendet werden, die in Wasser löslich sind, so daß eine verdünnte Schicht aus Silbersalz herstellbar ist, wie das zuvor in Verbindung mit Kochsalz erläutert wurde. In diesem Fall kann auf eine separate Silberfolie 83 verzichtet werden, weil die Silberatome des Silbersalzes bereits die gewünschte Fluoreszenzlinie aussenden. Allerdings sollte dann die Verdünnung so eingestellt werden, daß der reine Silberanteil des Kalibrierkörpers einer Schichtdicke von 30µm bis ca. 100µm entspricht.

Nach der Bestimmung der Werte a, b, c aus dem bei dem Kalibrierverfahren resultierenden Energiespektrum gemäß Fig. 3 läßt sich mit den Korrekturparametern a, b und der Konstanten c für jedes Detektorelement aus den bei nachfolgenden Messungen erhaltenen Energiespektren das Impulsübertragspektrum genau bestimmen.

Wie bereits erwähnt, benötigt man das Spektrum eines möglichst energieunabhängig streuenden Körpers, um die spektrale Verteilung des vom Röntgenstrahler emittierten Emissionsspektrums korrigieren zu können. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 5 neben dem Kalibrierkörper 82 ein Kalibrierkörper 84 angeordnet, der die gleiche Form hat wie der Kalibrierkörper 82 und in der gleichen Lage angeordnet ist wie dieser (so daß ihn in der Darstellung der Fig. 4 der Kalibrierkörper 82 verdeckt) und der ein breites Streuspektrum aufweist. Dieser Kalibrierkörper setzt sich aus Plexiglas und Wasser zusammen. Wasser hat ein breites Streuspektrum im mittleren Energiebereich, jedoch ist das Streuvermögen im niederenergetischen Bereich zu gering. Plexiglas (Polymethylmethakrilat - PMMA) hat demgegenüber im niederenergetischen Bereich ein breitbandiges ausgeprägtes Streuvermögen und absorbiert die Röntgenstrahlung nicht allzu sehr. Ein Gemisch aus zwei Volumenteilen Wasser und einem Volumenteil Plexiglas hat daher im nieder- und mittelenergetischen Bereich ein nahezu konstantes Streuvermögen. Ein entsprechender Kalibrierkörper läßt sich dadurch herstellen, daß der Kalibrierkörper 84 auf seiner Ober- und Unterseite Plexiglaswände aufweist, zwischen denen eine Wasserschicht eingeschlossen ist, die viermal so dick ist wie die Plexiglaswand auf der Ober- oder Unterseite.

Außer den beiden Kalibrierkörpern 82 und 84 enthält das Gehäuse 81 noch Absorptionskörper 85 aus einem Material, das die Röntgenstrahlung stark absorbiert, z. B. Blei. Dadurch wird erreicht, daß nur die Röntgenstrahlung von den Detektorelementen registriert werden kann, die einen der beiden Kalibrierkörper 82 oder 84 durchsetzt hat.

Nachfolgend wird anhand eines an Fig. 6 dargestellten Ablaufdiagramms erläutert, wie der Kalibriermodus durchgeführt wird und wie die dabei gewonnenen Werte bei einem nachfolgenden Untersuchungsmodus benutzt werden.

Nach der Initialisierung (Block 100) wird die Kalibriereinheit 8 dargestellt in Fig. 7 in den Strahlengang eingeführt, und zwar derart, daß zunächst der erste Kalibrierkörper 82 durchstrahlt wird, während er langsam in x-Richtung durch den Untersuchungsbereich 5 (Fig. 1) transportiert wird (Block 101). Die Detektorelemente D₀, D₁ . . . D_n erfassen die dabei erzeugten Röntgenquanten, und die nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten liefern für jedes Detektorelement ein Energiespektrum analog zu Fig. 3. Aus der Lage der Fluoreszenzlinien in diesem Energiespektrum werden mit Hilfe von Gleichung (2) die Korrekturparameter a und b berechnet, und der vom Streuwinkel abhängige Kalibrationsfaktor c wird daraus gemäß Gleichung (5) bestimmt (Block 102). Diese Faktoren bzw. Parameter werden für jedes Detektorelement getrennt gespeichert.

Anschließend wird die Kalibriereinheit 8 in y-Richtung verschoben, um danach wieder in x-Richtung zurücktransportiert zu werden, so daß dann der zweite Kalibrierkörper 84 sich durch den Strahlengang bewegt (Block 103), und die dabei gemessenen Spektren werden mit den Korrekturparametern a, b korrigiert und gespeichert. - Die Kalibrierung kann in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt werden, z. B. einmal täglich.

In einem nachfolgenden Untersuchungsmodus wird ein Untersuchungsobjekt mit unbekanntem Inhalt, z. B. ein Koffer, in den Untersuchungsbereich eingeführt (Block 201). Die dabei gemessenen Energiespektren werden mit den im Block 102 berechneten Korrekturparametern a und b gemäß Gleichung (3) korrigiert (Block 202). Schließlich werden im Block 203 die korrigierten Energiespektren aufeinander normiert, um die Einflüsse des Emissionsspektrums des Röntgenstrahlers und der Schwächung der Röntgenstrahlung durch den Untersuchungskörper zu beseitigen.

Dazu sei angenommen, daß eines der die Streustrahlung erfassenden Detektorelemente D₁ . . . D_n ein korrigiertes Energiespektrum I(k′) liefert, d. h. eine Zahlenfolge, die für jede Stützstelle bzw. Kanalnummer k′ die Zahl I der auf das Detektorelement auftreffenden Röntgenquanten angibt. Das von dem gleichen Detektorelement (im Block 103) bei Vorhandensein des Kalibrierkörpers 84 im Strahlengang gemessene Spektrum sei mit I′(k′) bezeichnet. Die beiden Spektren werden dann durcheinander dividiert, so daß sich ein normiertes Spektrum u(k′) ergibt gemäß der Beziehung

u(k′) = I(k′)/I′(k′) (6)

u(k′) ist dabei ebenfalls eine Zahlenfolge, deren einzelne Zahlenwerte sich dadurch ergeben, daß die Zahl der bei der Kalibrierung und der nachfolgenden Untersuchung für das betreffende Detektorelement für dieselbe Kanalnummer k′ registrierten Röntgenquanten durcheinander dividiert wird. In der Regel ist die Meßdauer während der Kalibrierung länger als während der Untersuchung. In diesem Fall muß der Quotient in Gleichung (6) noch mit einem Faktor multipliziert werden, der dem Verhältnis der Meßzeiten entspricht. Die gewonnene Zahlenfolge u(k′) stellt ein normiertes Energiespektrum dar, das von der Emissionscharakteristik des Röntgenstrahlers unabhängig ist.

Analog dazu werden die von dem zentralen Detektorelement D₀ im Kalibriermodus und im Untersuchungsmodus erhaltenen Spektren durcheinander dividiert, wobei das Ergebnis dieser Division v(k′) wiederum ein normiertes Spektrum darstellt. Dividiert man die Werte u(k′) und v(k′) durcheinander, so erhält man eine Zahlenfolge w(k′) (= u(k′)/v(k′)), die ein zweifach normiertes Energiespektrum darstellt, das einerseits von der Emissionscharakteristik des Röntgenstrahlers unabhängig ist und andererseits auch unabhängig von der Schwächung der detektierten Röntgenstrahlung (=Schwächungskorrektur für primären Pfad und Streupfad).

Aus dem zweifach normierten Energiespektrum w(k′) läßt sich das Impulsübertragsspektrum unter Heranziehung des Kalibrationsfaktors c bestimmen. Für das Impulsübertragsspektrum werden zu diesem Zweck neue Stützstellen k′′ eingeführt, denen die Zahl I der Röntgenquanten für einen Kanalnummer k′ zugeordnet wird, die sich berechnet nach der Gleichung

k′ = k′′ dX/(c dE′) (7)

Dabei ist dX der Abstand der Stützstellen bzw. die Kanalbreite auf der Impulsübertragsskala.

Mit der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Kalibriereinheit 8 müssen die Spektren für die Kalibrierkörper 82 und 84 nacheinander gemessen werden. Eine nahezu gleichzeitige Messung ist hingegen möglich, wenn die beiden Kalibrierkörper 82 und 84 in dem Gehäuse 81 so angeordnet werden, wie dies in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Sie sind dort ebenfalls schräg im Gehäuse angeordnet, aber nicht in y-Richtung gegeneinander versetzt, sondern in der x-Richtung bzw. in der Richtung, in der die Kalibriereinheit durch den Untersuchungsbereich transportiert wird. Der Abstand zwischen den beiden Kalibrierkörpern ist dabei so bemessen, daß jedes der Detektorelemente D₁ . . . D_n Streustrahlung nur aus einem der beiden Kalibrierkörper empfangen kann.

Nachteilig ist bei dieser Ausführungsform der Kalibriereinheit allerdings, daß in diesem Fall in einem Teilbereich beide Kalibrierkörper die Röntgenstrahlung schwächen. Dies ist für das aus dem Kalibrierkörper 82 abgeleitete Spektrum nicht von Bedeutung, weil es dabei nur auf die Lage der Fluoreszenzlinien bzw. Beugungsreflexe im Energiespektrum ankommt. Hingegen wird das Energiespektrum des Kalibrierkörpers 84 durch die Schwächung verfälscht, so daß eine Korrektur dieses Spektrums in Abhängigkeit von dem Absorptionsspektrum des Kalibrierkörpers 82 erforderlich wird.

Bei dem vorstehenden Kalibrierverfahren befindet sich die Silberfolie 83 in einer Kalibriereinheit, die nur während der Kalibrierung in den Untersuchungsbereich eingeführt wird. Es ist aber auch möglich die Silberfolie direkt vor den Detektorelementen anzuordnen, wenn bei der Kalibrierung irgendein Körper im Untersuchungsbereich angeordnet wird, der hinreichend intensive elastische Streustrahlung erzeugt, z. B: der Kalibrierkörper 84. Die Folie muß dann nur ca. 1-2 µm dick sein, und sie kann ständig im Strahlengang verbleiben, wenn die durch sie bewirkte Schwächung der Röntgenstrahlung berücksichtigt wird, wie in Verbindung mit Block 203 erläutert.

Claims

1. Verfahren zum Kalibrieren einer Anordnung zur Bestimmung des Impulsübertragsspektrums von in einem Untersuchungsbereich (5) elastisch ge streuten Röntgenquanten, wobei die Anordnung versehen ist mit

- einer polychromatischen Strahlenquelle (1) zur Erzeugung von in dem Untersuchungsbereich elastisch gestreuten Röntgenquanten,
- einer Anzahl von Detektorelementen (D₁ . . . D_n; D₀) zur Erfassung der in dem Untersuchungsbereich (5) elastisch gestreuten Röntgenquanten, die Signale mit von der Energie (E) der Röntgenquanten abhängiger Amplitude liefern,
- einer zwischen dem Untersuchungsbereich (5) und den Detektorelementen (D₁ . . . D_n) befindlichen Blendenanordnung (4), die Röntgenquanten zu den Detektorelementen unter bestimmten Streuwinkeln (β₁, β₂) durchläßt,
- den Detektorelementen (D₁ . . . D_n)) nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten (V₁, A₁ . . . V_n),A_n)) zur Bestimmung des Energiespektrums (I(k)) der Röntgenquanten aus den Signalen des zugehörigen Detektorelements und zur Ermittlung des Impulsübertragsspektrums (I(k′′)) aus dem Energiespektrum und dem Streuwinkel,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

a) Erzeugung von Streustrahlung mit einem wenigstens zwei definierte Fluoreszenzlinien enthaltenden Spektrum, von denen wenigstens eine von einer im Strahlengang angeordneten Kalibriereinheit (8) herrührt
b) Bestimmung des Energiespektrums (I(k)) der gestreuten Röntgenquanten mit den Detektorelementen (D₁ . . . D_n)) und den nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten (V₁, A₁ . . . V_n),A_n))
c) Berechnung von zwei Korrekturparametern (a, b) aus der Lage der Fluoreszenzlinien im Energiespektrum und aus der diesen Fluoreszenzlinien zugeordneten Energie für jedes Detektorelement
d) Speicherung der Korrekturparameter (a, b)
e) Korrektur der Energiespektren, die bei nachfolgenden Untersuchungen von im Untersuchungsbereich befindlichen Untersuchungsobjekten gewonnen werden, in Abhängigkeit von den gespeicherten Korrekturparametern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriereinheit einen Stoff enthält, der wenigstens ein Beugungsreflex bei einem definierten Impulsübertrag aufweist, daß aus der Lage dieses Beugungsreflexes im Energiespektrum und dem Impulsübertrag ein Kalibrationsfaktor (C) bestimmt und gespeichert wird, und daß bei nachfolgenden Untersuchungen für jedes Detektorelement aus dem zugeordneten Energiespektrum in Abhängigkeit von dem Kalibrationsfaktor ein Impulsübertragsspektrum bestimmt wird.

3. Kalibriereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Kalibrierkörper (82, 83) mit einem Stoff, der wenigstens eine Fluoreszenzlinie aufweist.

4. Kalibriereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kalibrierkörper Silber oder Zinn erhält.

5. Kalibriereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kalibrierkörper einen Stoff enthält, der wenigstens ein Beugungsreflex bei einem definierten Impulsübertrag aufweist.

6. Kalibriereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kalibrierkörper Kochsalz oder Silbersalze enthält.

7. Kalibriereinheit nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kalibrierkörper (82, 83) den Stoff in ein Schicht enthält derart, daß sich in Richtung parallel zur Schicht eine homogene Verteilung des Stoffes ergibt und daß der Kalibrierkörper (82, 83) so an einem Gehäuseteil (81) der Kalibriereinheit (8) befestigt ist, daß die Schicht in der Gebrauchslage der Kalibriereinheit schräg zur Vertikalen verläuft.

8. Kalibriereinheit nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zweiten Kalibrierkörper (84), der einen Stoff enthält zur weitgehend energieunabhängigen Streuung von Röntgenquanten.

9. Kalibriereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kalibrierkörper Plexiglas und Wasser enthält.

10. Kalibriereinheit nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kalibrierkörper den Stoff in einer Schicht enthält derart, daß sich in Richtung parallel zur Schicht eine homogene Verteilung des Stoffes ergibt und daß der zweite Kalibrierkörper so an einem Gehäuseteil der Kalibriereinheit befestigt ist, daß die Schicht in der Gebrauchslage der Kalibriereinheit schräg zur Vertikalen und in seitlichem und oder vertikalen Abstand zu der Schicht des zweiten Kalibrierkörpers verläuft.

11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit

- einer polychromatischen Strahlenquelle (1) zur Erzeugung von in dem Untersuchungsbereich elastisch gestreuten Röntgenquanten,
- einer Anzahl von Detektorelementen (D₁ . . . D_n); D₀) zur Erfassung der in dem Untersuchungsbereich (5) elastisch gestreuten Röntgenquanten, die Signale mit von der Energie (E) der Röntgenquanten abhängiger Amplitude liefern,
- einer zwischen dem Untersuchungsbereich (5) und den Detektorelementen (D₁ . . . D_n)) befindlichen Blendenanordnung (4), die Röntgenquanten zu den Detektorelementen unter bestimmten Streuwinkeln (β₁, β₂) durchläßt
- den Detektorelementen (D₁ . . . D_n)) nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten (V₁ ,A₁ . . . V_n),A_n)) zur Bestimmung des Energiespektrums (I(k)) der Röntgenquanten aus den Signalen des zugehörigen Detektorelements und zur Ermittlung des Impulsübertragsspektrums (I(k′′)) aus dem Energiespektrum und dem Streuwinkel
- einem Rechner zur Steuerung der Anordnung und der Verarbeitungseinheiten (V₁,A₁ . . . V_n),A_n)),

dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner so programmiert ist, daß in einem Kalibriermodus die folgenden Schritte durchgeführt werden:

a) Erzeugung von Streustrahlung mit einem wenigstens zwei definierten Fluoreszenzlinien enthaltenden Spektrum, von denen wenigstens eine von einer im Strahlengang angeordneten Kalibriereinheit (8) herrührt
b) Bestimmung des Energiespektrums (I(k)) der gestreuten Röntgenquanten mit den Detektorelementen (D₁ . . . D_n)) und den nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten (V₁,A₁ . . . V_n),A_n))
c) Berechnung von zwei Korrekturparametern (a, b) aus der Lage der Fluoreszenzlinien im Energiespektrum und aus der diesen Fluoreszenzlinien zugeordneten Energie für jedes Detektorelement
d) Speicherung der Korrekturparameter (a, b)
e) Korrektur der Energiespektren, die in einem nachfolgenden Untersuchungsmodus von im Untersuchungsbereich befindlichen Untersuchungsobjekten gewonnen werden in Abhängigkeit von den gespeicherten Korrekturparametern.