DE19622758A1 - Verfahren zur Detektion eines Körpers innerhalb eines Untersuchungsbereichs und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Detektion eines Körpers innerhalb eines Untersuchungsbereichs und Anordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Körpers innerhalb eines
Untersuchungsbereiches, wobei die mittleren Ordnungszahlen des Körpers einerseits
und des Untersuchungsbereiches andererseits voneinander abweichen - insbesondere
zur Detektion von Landminen im Boden, wobei der Untersuchungsbereich mit
Gammastrahlung bestrahlt und die dadurch erzeugte Vernichtungsstrahlung gemessen
und ausgewertet wird sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der EP-B 0 358 237 ist bereits ein Verfahren bekannt, mit dem u. a.
Sprengkörper im Boden detektiert werden können. Dabei wird der
Untersuchungsbereich (der Boden) mit Gammastrahlung in einem Bereich zwischen
10,6 MeV und 13,0 MeV bestrahlt. Diese Energie reicht aus, um aus den in dem
Sprengstoff der Landmine enthaltenen Stickstoff in ein radioaktives Isotop zu
überführen, nicht aber die übrigen im Boden normalerweise enthaltenen Stoffe. Die
Stickstoffisotope verfallen, wobei sie Positronen emittieren, die mit freien
Elektronen in Wechselwirkung treten und dabei Vernichtungsstrahlung (annihilation
radiatio) von 0,511 MeV erzeugen. Durch Messung der Vernichtungsstrahlung läßt
sich somit die Stickstoffkonzentration im Boden bestimmen. Eine erhöhte
Konzentration von Stickstoff deutet auf Sprengstoff im Boden hin.
Die Gammastrahlung wird von einer Bremsstrahlung emittierenden
Gammastrahlenquelle (z. B. einem Beschleuniger) erzeugt, die die Gammastrahlung
bekanntlich impulsweise aussendet. In den Impulspausen entsteht im Boden im
wesentlichen nur Vernichtungsstrahlung, so daß diese leicht erfaßt werden kann und
ein Sprengkörper auch dann noch detektiert werden kann, wenn er nur einen kleinen
Teil des bestrahlten Untersuchungsbereichs ausfüllt. Nachteilig bei dem bekannten
Verfahren ist, daß es eine Gammastrahlenquelle benötigt, die Quantenenergien von
mehr als 10 MeV liefert. Bei derartigen Energien ist eine wirksame Abschirmung
zum Schutz der Bedienungsperson sehr schwierig. Außerdem wird durch die
Bestrahlung der Untersuchungsbereich radioaktiv - zumindest wenn er Stickstoff
enthält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so auszugestalten, daß eine Detektion mit Gammastrahlung niedrigerer Energie
möglich wird, und zwar auch dann, wenn sich der Körper in unterschiedlicher Tiefe
des Untersuchungsbereichs befindet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
- a) die Energie der Gammastrahlung kleiner ist als 10 MeV,
- b) ein den Untersuchungsbereich durchsetzendes Gammastrahlenbündel ausgeblendet wird,
- c) zumindest die im Untersuchungsbereich erzeugte Vernichtungsstrahlung von mehreren Detektorelementen gemessen wird, die so angeordnet sind, daß sie jeweils nur die von einem der Abschnitte des Gammastrahlenbündels ausgehende Strahlung erfassen können.
Bei der Erfindung wird Gammastrahlung mit einer Energie von weniger als 10 MeV
verwendet. Der bestrahlte Untersuchungsbereich kann dabei nicht radioaktiv werden.
Durch die Bestrahlung werden jedoch Elektron-Positron-Paare erzeugt, die nach ca.
5 mm Weg im Untersuchungsbereich unter Aussendung von Vernichtungsstrahlung
rekombinieren. Die Intensität der Vernichtungsstrahlung hängt quadratisch von der
mittleren Ordnungszahl (mean atomic number) ab, so daß die in dem Körper
entstehende Vernichtungsstrahlung eine höhere oder eine niedrigere Intensität hat als
die im übrigen Untersuchungsbereich erzeugte Röntgenstrahlung - je nachdem, ob
die mittlere Ordnungszahl des Körpers größer oder kleiner ist. Zur Messung der als
Folge der Bestrahlung erzeugten Strahlung sind mehrere Detektorelemente
vorgesehen, die unterschiedliche Abschnitte des Gammastrahlenbündels "sehen"
können. Trifft das Gammastrahlenbündel in dem Untersuchungsbereich auf einen
(Spreng-) Körper, dann ist die von mindestens einem der Detektorelemente
gemessene Strahlung vollständig von der Zusammensetzung dieses Körpers
abhängig, während die von den anderen Detektorelementen gemessenen Signale
davon unabhängig sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dadurch die
Auffindung von Körpern in einer Tiefe des Untersuchungsbereichs (z. B. 50 cm), die
groß ist im Vergleich zu den Abmessungen des Körpers (z. B. 5 oder 10 cm).
Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß aus der DE-PS 30 47 824 ein Verfahren zur
quantitativen Bestimmung des Aschegehalts in Kohle bekannt ist, bei dem ebenfalls
die direkte Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren ausgenutzt wird. Dabei wird die
Kohleprobe von der Strahlung eines Radionuklids getroffen und die Messung der
dadurch hervorgerufenen Vernichtungsstrahlung mit einer Messung der Compton-
Streustrahlung kombiniert. Zu diesem Zweck wird ein Energie auflösend messender
Detektor verwendet.
Durch die Bestrahlung des Untersuchungsbereichs besteht darin nicht nur
Vernichtungsstrahlung, sondern auch Compton-Streustrahlung. Wenn man nur die
nach rückwärts - bezogen auf die Richtung des Gammastrahlenbündels - austretende
Strahlung erfaßt (was bei der Detektion eines Körpers im Boden ohnehin nicht
anders möglich ist), dann ist die Energie der Compton-Streustrahlung geringer als
die Energie der Vernichtungsstrahlung. Eine bevorzugte Weiterbildung der
Erfindung sieht daher vor, daß die Bewegungsrichtung der von den
Detektorelementen erfaßten Gammaquanten mit der Bewegungsrichtung der in den
Untersuchungsbereich eindringenden Gammaquanten eine Winkel zwischen 90° und
180° einschließt, vorzugsweise zwischen 120° und 160°. Bei einem Streuwinkel von
120° oder mehr ist die maximale Energie der Compton-Streustrahlung niedriger als
320 keV (im Vergleich zu 511 keV für die Vernichtungsstrahlung).
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Gammastrahlung von
einer ein Bremsstrahlungsspektrum emittierenden Gammastrahlenquelle erzeugt
wird. Dabei kann es sich um einen Linearbeschleuniger oder um ein Betatron
handeln, die Gammastrahlung mit wesentlich höherer Intensität erzeugen können als
ein Radionuklid, obwohl sie die Gammastrahlung nur pulsweise emittieren.
Wenn die Strahlung aus dem Untersuchungsbereich energieaufgelöst gemessen wird,
sind nur verhältnismäßig geringe Zählraten möglich, insbesondere wenn die
Gammastrahlung nur impulsweise emittiert wird. Mißt man hingegen nicht
energieaufgelöst, dann sind wesentlich höhere Zählraten möglich, so daß auch eine
Gammastrahlenquelle mit hoher Intensität verwendet werden kann. Um auch in
diesem Fall die Vernichtungsstrahlung weitgehend unabhängig von der Compton-
Streustrahlung messen zu können, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß
bei der Messung der aus dem Untersuchungsbereich emittierten Strahlung ein Filter
aus einem Material mit einer hohen Ordnungszahl benutzt wird, das so bemessen ist,
daß sich eine geringe Schwächung für die Vernichtungsstrahlung und eine erhebliche
Schwächung für die Compton-Streustrahlung ergibt. Ein 2 mm dickes Uranfilter
beispielsweise hat bei 255 keV eine Transmission von weniger als 5%, bei 511
KeV jedoch eine Transmission von 50%.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß eine
Messung mit Filter und eine zweite Messung ohne Filter durchgeführt wird und daß
die dabei gewonnenen Meßsignale ausgewertet werden. Kombiniert man die bei den
beiden Messungen erhaltenen Signale in geeigneter Weise, dann lassen sich die
Vernichtungsstrahlung und die Comptonstreustrahlung voneinander trennen.
Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
gekennzeichnet durch eine Bremsstrahlung mit einer maximalen Energie von 10
MeV emittierenden Gammastrahlenquelle,
einer Blendenanordnung zum Ausblenden eines Gammastrahlenbündels, einer mit der Gammastrahlenquelle verbundenen Detektoranordnung, die mehrere in Richtung senkrecht zum Untersuchungsbereich versetzte Detektorelemente aufweist und mit einer schlitzförmigen Öffnung versehen ist, durch die hindurch das einzelne Detektorelement die in einem Abschnitt des Gammastrahlenbündels erzeugte Vernichtungsstrahlung erfaßt.
einer Blendenanordnung zum Ausblenden eines Gammastrahlenbündels, einer mit der Gammastrahlenquelle verbundenen Detektoranordnung, die mehrere in Richtung senkrecht zum Untersuchungsbereich versetzte Detektorelemente aufweist und mit einer schlitzförmigen Öffnung versehen ist, durch die hindurch das einzelne Detektorelement die in einem Abschnitt des Gammastrahlenbündels erzeugte Vernichtungsstrahlung erfaßt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert, die in
schematischer Darstellung eine Anordnung zur Detektion von Sprengkörpern im
Erdboden 2 darstellt. Ein solcher Sprengkörper in Form einer Landmine ist in der
Zeichnung mit 1 bezeichnet. Die Anordnung umfaßt eine Gammastrahlenquelle 3,
die Bremsstrahlung mit einer Maximalenergie von 5 MeV erzeugen kann. Dabei
kann es sich um einen Linearbeschleuniger oder um ein Betratron handeln, die die
Gammastrahlung impulsweise emittieren. Das Target, von dem die Gammastrahlung
ausgeht, sollte dabei von dem Erdboden einen Abstand von etwa 2 m haben - wenn
ein hin- und hergehendes Gammastrahlenbündel erzeugt werden soll.
Durch eine Blendenanordnung 4 wird ein Gammastrahlenbündel ausgeblendet, von
dem in der Zeichnung nur der Zentralstrahl 5 dargestellt ist. Wenn das
Gammastrahlenbündel einen zu großen Querschnitt hat, so daß noch ein erhebliches
Volumen des Untersuchungsbereichs um den Sprengkörper herum bestrahlt wird,
machen sich Intensitätsunterschiede der Gammastrahlung kaum noch bemerkbar,
während bei einem sehr kleinen Querschnitt des Gammastrahlenbündels die Intensität
der erzeugten Vernichtungsstrahlung gering ist. Das Gammastrahlenbündel sollte
daher im Untersuchungsbereich einen Querschnitt aufweisen, der mit den
Abmessungen des Sprengkörpers vergleichbar ist, z. B. ca. 5 cm. Dieser ist
einerseits genügend groß, um Strahlung mit einer ausreichenden Intensität zu
erzeugen, andererseits aber auch ausreichend klein, um bei der Erfassung einer
Landmine Signale zu erhalten, die im wesentlichen von deren stofflicher
Zusammensetzung bestimmt sind. Der Zentralstrahl 5 dringt dabei unter einem
Winkel von ca. 20° mit der Vertikalen in den Erdboden ein.
Die Gammastrahlung wird dabei durch zwei Effekte geschwächt, nämlich durch die
Compton-Streuung und durch die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren. Durch
die Compton-Streuprozesse ändert sich die Energie der Gammaquanten entsprechend
dem Winkel, den die gestreuten Quanten mit der Richtung des sie erzeugenden
Gammaquants einschließen. Wenn dieser Streuwinkel klein ist, nimmt die Energie
der Gammaquanten nur geringfügig ab. Bei einem Streuwinkel von 1800 hingegen
haben die durch den Streuprozeß erzeugten Gammaquanten nur noch eine Energie
von weniger als 255 keV. - Diejenigen Gammaquanten in dem primären
Gammastrahlenbündel, die eine Energie von mehr als 1,022 MeV aufweisen, d. h.
von mehr als dem Zweifachen der Vernichtungsstrahlung, können auch Elektron-
Positron-Paare erzeugen, die die überschüssige Energie des erzeugenden
Gammaquants aufnehmen und nach einer mittleren Wegstrecke von ca. 5 mm
rekombinieren. Bei der Rekombination eines Positrons mit einem Elektron entstehen
zwei Gammaquanten mit einer Energie von je 511 keV, da bei dieser Rekombination
das Positron vernichtet wird, wird diese Strahlung als Vernichtungsstrahlung
bezeichnet.
Die Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung eines Positron-Elektron-Paares hängt vom
Quadrat der mittleren Ordnungszahl ab. Da Landminen meist mit Plastiksprengstoff
gefüllt sind, der reich an Stickstoff ist, ergibt sich dafür eine niedrigere mittlere
Ordnungszahl als für den umgebenden Erdboden (SiO₂). Trifft das
Gammastrahlenbündel daher auf eine Landmine, dann hat die davon ausgehende
Vernichtungsstrahlung eine geringere Intensität als die im Erdboden erzeugte
Vernichtungsstrahlung. Dieser Effekt kann zur Detektion von Landminen in
verdächtigen Bodenregionen benutzt werden.
Die im Boden erzeugte Strahlung wird von einer Detektoranordnung 6 gemessen,
die mit der Gammastrahlenquelle 3 verbunden ist und mehrere Detektorelemente 61,
62, 6i umfaßt, die durch einen Schlitz 7 hindurch, der sich senkrecht zur
Zeichenebene erstreckt, nur die Strahlung erfassen können, die in einem bestimmten
Abschnitt des Gammastrahlenbündels 5 innerhalb des Erdbodens erzeugt wird. Dabei
erfaßt das Detektorelement 61 die Strahlung, die im obersten Bereich des Erdbodens
erzeugt wird, während das Detektorelement 6n die Strahlung aus der tiefsten Schicht
erfaßt, in der Landminen entdeckt werden sollen - z. B. aus 50 cm Tiefe. Dabei ist
es zweckmäßig, wenn die Strahlung aus diesem Bereich zu dem Detektorelement 6n
senkrecht verläuft, weil sie dann am wenigstens durch den Erdboden geschwächt
wird. Die Detektorelemente 61 . . . 6i, 6n sind dabei so angeordnet, daß die von
ihnen erfaßten Gammaquanten auf ihrem Weg zum Detektorelement einen Weg
nehmen, der mit der Richtung des Gammastrahlenbündels 5 einen Winkel zwischen
etwa 120° und 160° einschließen. Das hat zur Folge, daß die Compton-
Streustrahlung, die ebenfalls zu den Detektorelementen gelangt, eine
Maximalenergie von weniger als 320 keV aufweist, so daß sie auf dem Weg im
Erdboden wesentlich starker geschwächt wird als die 511 keV
Vernichtungsstrahlung.
Zur zusätzlichen Schwächung kann im Strahlengang der zu messenden Strahlen z. B.
vor oder hinter der schlitzförmigen Öffnung 7 ein Filter 8 aus einem Material mit
einer hohen Ordnungszahl angeordnet werden, so daß der durch den Photoeffekt
bewirkte Schwächungsanteil besonders hoch ist. Ein geeignetes Material ist
beispielsweise ein 2 mm dickes Filter aus Uran, das für Strahlung mit einer Energie
von 255 keV eine Transmission von weniger als 5%, jedoch für Strahlung von 511
keV (Vernichtungsstrahlung) eine Transmission von mehr als 50% aufweist. Mit
diesem Filter läßt sich die Compton-Streustrahlung weitgehend unterdrücken.
Es ist aber auch möglich, zwei Messungen durchzuführen, eine mit Filter und eine
ohne Filter. Dieses Detektorelement liefert dabei zwei Signale S₁ bzw. S₂, aus denen
durch eine geeignete Linearkombination die einzelnen Strahlungsanteile getrennt
erfaßt werden können. Sinn der Differenzmessung ist es, die Intensität der
Vernichtungsstrahlung ohne die Verfälschung durch Compton-Streustrahlung zu
messen. Die Signale S₁ (mit Filter) und S₂ genügen den folgenden Bedingungen:
S₁ = c (a Ic + b Ia) (1)
und
S₂=c(Ic+ Ia) 2).
S₁ = c (a Ic + b Ia) (1)
und
S₂=c(Ic+ Ia) 2).
Dabei ist c ein Proportionalitätsfaktor, und a bzw. b sind die Schwächungs
koeffizienten des Filters für die Comptonstrahlung Ic bzw. Vernichtungsstrahlung Ia,
wobei a klein ist im Vergleich zu b. Die Werte a und b können für jedes
Detektorelement bestimmt werden durch Kalibrationsmessungen an bekannten
Objekten. Die (für jedes Detektorelement gemessenen) Werte der Signale Signale S₁
bzw. S₂ werden dann in die Gleichungen (1) und (2) eingesetzt um die Intensität
Ia der Vernichtungsstrahlung zu ermitteln.
Die Detektorelemente können zur Zeichenebene senkrechte Streifen aus geeignetem
Szintilator-Material sein, das einen Querschnitt von z. B. 5 × 5 cm hat. Diese
Detektorelemente sind so geschaltet, daß das Detektorausgangssignal ein Maß für
die Zahl der pro Zeiteinheit gemessenen Gammaquanten ist (nicht aber für die
Energie einzelner Gammaquanten). Für den vorliegenden Zweck geeignete
Detektorelemente können ähnliche Eigenschaften haben wir die Detektoren, die für
die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) benutzt werden.
Um einen größeren Bereich innerhalb des Erdbodens untersuchen zu können, ist es
zweckmäßig, das Gammastrahlenbündel senkrecht zur Zeichenebene (und damit
parallel zur schlitzförmigen Öffnung 7) abzulenken. Dies kann mit Hilfe einer
Blendenanordnung mit in dieser Richtung bewegter Öffnung erfolgen, z. B. einer Art
Nipkow-Scheibe. Dabei muß allerdings in Betracht gezogen werden, daß bei einer
Bremsstrahlung von 5 MeV die hohen Photonenenergien auf einen Kegel mit einem
halben Öffnungswinkel von etwa 10° beschränkt sind, so daß das Target der
Gammastrahlenquelle 3 sich etwa 2,5 m über dem Boden befinden muß, wenn durch
den hin- und hergehenden Gammastrahl ein Streifen von etwa 1 m Breite erfaßt
werden soll. Nach der Erfassung jeweils eines Streifens kann die gesamte
Anordnung mittels eines nicht näher dargestellten Fahrwerks in horizontaler
Richtung verschoben werden. Die Verschiebung kann kontinuierlich mit einer von
der Ablenkgeschwindigkeit des Abtaststrahlenbündels abhängigen Geschwindigkeit
erfolgen.
Claims (6)
1. Verfahren zur Detektion eines Körpers innerhalb eines Untersuchungsbereiches,
wobei die mittleren Ordnungszahlen des Körpers einerseits und des
Untersuchungsbereiches andererseits voneinander abweichen - insbesondere zur
Detektion von Landminen im Boden, wobei der Untersuchungsbereich mit
Gammastrahlung bestrahlt und die dadurch erzeugte Vernichtungsstrahlung gemessen
und ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Energie der Gammastrahlung kleiner ist als 10 MeV,
- b) ein den Untersuchungsbereich durchsetzendes Gammastrahlenbündel ausgeblendet wird,
- c) zumindest die im Untersuchungsbereich erzeugte Vernichtungsstrahlung von mehreren Detektorelementen gemessen wird, die so angeordnet sind, daß sie jeweils nur die von einem der Abschnitte des Gammastrahlenbündels ausgehende Strahlung erfassen können.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung der von den Detektorelementen
erfaßten Gammaquanten mit der Bewegungsrichtung der in den
Untersuchungsbereich eindringenden Gammaquanten eine Winkel zwischen 90° und
180° einschließt, vorzugsweise zwischen 120° und 160°.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlung von einer ein
Bremsstrahlungsspektrum emittierenden Gammastrahlenquelle erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der aus dem Untersuchungsbereich
emittierten Strahlung ein Filter aus einem Material mit einer hohen Ordnungszahl
benutzt wird, das so bemessen ist, daß sich eine geringe Schwächung für die
Vernichtungsstrahlung und eine erhebliche Schwächung für die Compton-
Streustrahlung ergibt.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Messung mit Filter und eine zweite Messung ohne
Filter durchgeführt wird und daß die dabei gewonnenen Meßsignale ausgewertet
werden.
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine Bremsstrahlung mit einer maximalen Energie von 10 MeV emittierenden Gammastrahlenquelle,
einer Blendenanordnung zum Ausblenden eines Gammastrahlenbündels,
einer mit der Gammastrahlenquelle verbundenen Detektoranordnung, die mehrere in Richtung senkrecht zum Untersuchungsbereich versetzte Detektorelemente aufweist und mit einer schlitzförmigen Öffnung versehen ist, durch die hindurch das einzelne Detektorelement die in einem Abschnitt des Gammastrahlenbündels erzeugte Vernichtungsstrahlung erfaßt
eine Bremsstrahlung mit einer maximalen Energie von 10 MeV emittierenden Gammastrahlenquelle,
einer Blendenanordnung zum Ausblenden eines Gammastrahlenbündels,
einer mit der Gammastrahlenquelle verbundenen Detektoranordnung, die mehrere in Richtung senkrecht zum Untersuchungsbereich versetzte Detektorelemente aufweist und mit einer schlitzförmigen Öffnung versehen ist, durch die hindurch das einzelne Detektorelement die in einem Abschnitt des Gammastrahlenbündels erzeugte Vernichtungsstrahlung erfaßt
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19622758A DE19622758A1 (de) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | Verfahren zur Detektion eines Körpers innerhalb eines Untersuchungsbereichs und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens |
| US08/868,230 US5986257A (en) | 1996-06-07 | 1997-06-03 | Method of detecting an object in an examination zone, and device for carrying out the method |
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|---|---|
| DE19622758A1 true DE19622758A1 (de) | 1997-12-11 |
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|---|---|---|---|
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