DE4445679B4

DE4445679B4 - Anordnung zum Messen des Impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten

Info

Publication number: DE4445679B4
Application number: DE4445679A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Martens
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips GmbH
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2014-12-22
Also published as: DE4445679A1

Abstract

Untersuchungsanordnung zum Messen des Impulsübertragsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten mit
– einem polychromatischen Röntgenstrahler (20)
– einer zwischen dem Röntgenstrahler (20) und einem von der Röntgenstrahlung durchsetzten Untersuchungsbereich (U) angeordneten Primärblendenanordnung (21) zum Ausblenden eines den Untersuchungsbereich (U) auf der Mantelfläche eines Kegels durchsetzenden Primärstrahlenbündels (23)
– einer aus mehreren Detektorelementen (1...4) bestehenden Detektoranordnung (D) zum Erfassen von im Untersuchungsbereich (U) gestreuter Streustrahlung
– einer Sekundärblendenanordnung (29), die derart zwischen dem Untersuchungsbereich (U) und der Detektoranordnung (D) angeordnet ist, dass die Detektorelemente (1...4) Streustrahlung erfassen, die von im Bereich einer jeweils zugeordneten Abbildungsebene (33, 37, 38, 39) liegenden Punkten gestreut wird, und
– einer Vorrichtung zur Relativverschiebung zwischen einem im Untersuchungsbereich (U) befindlichen Untersuchungsobjekt (25) und der Untersuchungsanordnung, wobei die Vorrichtung derart angeordnet ist, dass die Richtung (31, 31') der Relativverschiebung gegenüber der Abbildungsebene (33, 37, 38, 39) unter einem Neigungswinkel geneigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des Impulsübertragsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten.

Eine solche, aus der DE-A 42 22 227 bekannte Anordnung kann beispielsweise in einem Gepäckstück bestimmte Stoffe, insbesondere kristalline Stoffe (Sprengstoffe) anhand ihres Impulsübertragsspektrums identifizieren. Die von dem Röntgenstrahler erzeugte polychromatische Röntgenstrahlung wird dabei mit Hilfe einer Schlitzöffnung in einer ebenen Primärblendenplatte zu einem kegelförmigen Primärstrahl gebündelt. Die im Untersuchungsbereich gestreute Strahlung wird durch Abbildungsschlitze der Sekundärblendenanordnung, die aus einer oder mehreren Blendenplatten bestehen kann, auf eine aus mehreren Detektorelementen bestehende Detektoranordnung abgebildet. Jedes Detektorelement erfaßt Streustrahlung aus Punkten, welche im wesentlichen in einer zur Abtastrichtung parallelen Abbildungsebene liegen. Mit Hilfe einer Bewegungsvorrichtung wird das Untersuchungsobjekt relativ gegenüber der Untersuchungsanordnung verschoben in Abtastrichtung.

Eine andere Vorrichtung zur Erfassung von Streustrahlung ist beispielsweise aus der Druckschrift EP0271723 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird eine senkrecht zur Transportrichtung verlaufenden Ebene des Gepäckstücks mit einem fächerförmigen Bündel aus Röntgenstrahlen durchsetzt. Die dabei entstehende Streustrahlung wird von Detektoren erfasst, die seitlich der durchstrahlten Ebene angeordnet sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß das Untersuchungsobjekt besser abgetastet und eine erhöhte Meßgenauigkeit erreicht wird.

Gemäß Anspruch 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Richtung der Relativverschiebung zwischen dem Untersuchungsobjekt und der Untersuchungsanordnung gegenüber den Abbildungsebenen unter einem Neigungswinkel geneigt ist.

Da die in mehrere Elemente segmentierte Detektoranordnung zwischen den "aktiven Zonen" unvermeidliche "Totzonen" aufweist, in denen keine Streustrahlung detektiert werden kann, und da die Breite der Abbildungsschlitze der Sekundärblendenanordnung möglichst klein sein muss, erzeugt Streustrahlung aus einer Abbildungsebene in einem Detektorelement ein deutlich stärkeres Signal als Streustrahlung aus einem Bereich zwischen zwei Abbildungsebenen. Der Bereich um eine Abbildungsebene herum, aus dem ein der Abbildungsebene zugeordnetes Detektorelement während eines Abtastvorgangs Streustrahlung erfaßt, wird im folgenden mit Untersuchungsschicht bezeichnet. Die Breite einer Untersuchungsschicht in Strahlrichtung gesehen hängt von der Breite des Detektorelements und der Breite der Abbildungsschlitze ab. Da bei der bekannten Anordnung die Abbildungsebenen parallel zur Abtastrichtung liegen, wird das Objekt mit unterschiedlicher Detektorempfindlichkeit untersucht. Zwischen Abbildungsebenen in den sogenannten Abbildungslücken liegendes Material liefert deutlich geringere Streusignale als genau in Abbildungsebenen liegendes Material.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung dagegen werden die Abbildungslücken je nach Neigungswinkel der Abbildungsebenen zur Abtastrichtung verkleinert bzw. völlig vermieden dadurch, daß die Untersuchungsschichten verbreitert werden und sich überlappen. Der Detektor kann aus allen Bereichen des Objektes ein annähernd gleich starkes Maximalsignal liefern, wodurch die Zuverlässigkeit der Untersuchung deutlich verbessert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Neigungswinkel 1° bis 30°, vorzugsweise 5° bis 20° beträgt. Bei zu großem Neigungswinkel wird während des Abtastvorgangs von einem Detektorelement Streustrahlung aus Punkten erfaßt, aus denen zu einem anderen Zeitpunkt bereits Streustrahlung von einem anderen Detektorelement erfaßt wurde, da sich die Untersuchungsschichten zu weit überlappen. Dadurch wird jedoch die Untersuchung ineffektiv, weil Streusignale aus einem bestimmten Untersuchungsbereich zu verschiedenen Impulsübertragsspektren einen Beitrag leisten. Um dies zu vermeiden, eignet sich je nach Anzahl der Abbildungsebenen und der Abmessungen der Untersuchungsanordnung ein Neigungswinkel zwischen 5° und 20°.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß eine zentral im Primärstrahlenbündel verlaufende Strahlachse im wesentlichen parallel zu einer senkrecht durch den Detektor-Mittelpunkt verlaufenden Detektorachse in einem Abstand in Abtastrichtung versetzt verläuft. Durch diesen Parallelversatz wird mit geringem Aufwand eine Neigung der Abbildungsebenen zur Abtastrichtung erreicht unter Beibehaltung der erforderlichen Streuwinkelauflösung (vgl. DE-A 42 22 227). Abweichungen von der exakten Parallelität müssen so gering sein, daß einerseits eine gewünschte Neigung der Abbildungsebenen erreicht wird und daß andererseits die Streuwinkelauflösung dabei nicht unzulässig beeinträchtigt wird.

In einer davon ausgehenden weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Abstand 0,05 mm bis 5 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 1 mm beträgt. Der Abstand zwischen Strahlachse und Detektorachse steht in linearem Zusammenhang mit dem Neigungswinkel der Abbildungsebenen, so daß abhängig vom erforderlichen Neigungswinkel der Abstand gewählt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
2 ein Empfindlichkeitsprofil einer Detektoranordnung bei der erfindungsgemäßen Anordnung und
3 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Bei den in 1 und 3 dargestellten Ausführungsformen sind die Abmessungen in horizontaler Richtung im Vergleich zu den Abmessungen in vertikaler Richtung der Verdeutlichung halber stark vergrößert.
Mit 20 ist in 1 ein polychromatischer Röntgenstrahler bezeichnet. Die Röntgenstrahlung fällt auf eine ebene Primärblendenplatte 21, die aus einem solchen Material besteht und/oder so dick ist, daß sie die Röntgenstrahlung praktisch vollständig absorbieren kann. Die Primärblendenplatte 21 ist mit einer ringförmigen Schlitzöffnung 22 versehen, so daß hinter der Primärblendenplatte 21 ein Primärstrahlenbündel 23 ausgeblendet wird, das die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes hat. Die Schlitzöffnung 22 ist symmetrisch um eine durch den Röntgenstrahler 20 verlaufende Strahlachse 24, die auch die Zentralachse des Primärstrahlenbündels 23 bildet, angeordnet. Der halbe Öffnungswinkel des Primärstrahlenbündels 23 beträgt im Bogenmaß 0,0309 rad bei einem Abstand zwischen Röntgenstrahler 20 und Primärblendenplatte 21 von 1187 mm. Der Untersuchungsbereich, in dem sich das zu untersuchende Objekt 25 befindet, beispielsweise ein Koffer, wird durch die Primärblendenplatte 21 und eine für Röntgenstrahlung transparente Platte 26 begrenzt. Zur Erfassung der durch das Primärstrahlenbündel 23 im Objekt 25 erzeugten Streustrahlung ist eine Detektoranordnung D mit einer Anzahl von zur Strahlachse 24 konzentrischen, ringförmigen Detektorelementen 1...4 in der Detektorebene 27 vorgesehen, die in der Lage sind, die Anzahl der auf sie auftreffenden Röntgenquanten energieaufgelöst zu messen. Die Detektoranordnung D befindet sich im Innern eines rohrförmigen, mit einer Bodenplatte versehenen Gehäuses 28, das die Primärstrahlung und die Streustrahlung absorbieren kann, die die Begrenzungsplatte 26 durchsetzt und die Detektoranordnung D nicht erreicht. Im Innern des Gehäuses ist außerdem eine Sekundärblendenanordnung 29 vorgesehen, die aus einer ebenen kreisförmigen Platte aus einem die Röntgenstrahlung absorbierenden Material besteht. Diese weist einen symmetrisch um die Strahlachse 24 angeordneten ringförmigen Abbildungsschlitz 30 auf zum Abbilden der im Untersuchungsbereich gestreuten Streustrahlung auf die Detektoranordnung D.
Mittels einer nicht dargestellten Bewegungsvorrichtung wird das Untersuchungsobjekt 25 während des Abtastvorgangs in Abtastrichtung 31 verschoben. Jedes Detektorelement 1...4 erfaßt dabei Streustrahlung aus zugeordneten Punkten im Untersuchungsbereich 25, die je eine zugeordnete Untersuchungsschicht bilden.
Eine Untersuchungsschicht ergibt sich aus der Lage einer einem Detektorelement zugeordneten Abbildungsebene und einem Bereich um diese Abbildungsebene herum während eines Abtastvorgangs. In 1 ist die Situation zu einem bestimmten Zeitpunkt als Schnitt durch die rotationssymmetrische Untersuchungsanordnung gezeigt. Das Detektorelement 3 erfaßt im wesentlichen Streustrahlung 32, die in der Abbildungsebene 33 an den Streuungspunkten 34 und 35 gestreut wurde. Das benachbarte Detektorelement 2 erfaßt im wesentlichen Streustrahlung 36 aus der Abbildungsebene 37 und einem Bereich darum. Während des Abtastvorgangs wird das Untersuchungsobjekt 25 in Abtastrichtung 31 verschoben, so daß die Abbildungsebenen quasi den Untersuchungsbereich "durchwandern". Insgesamt erfaßt dann das Detektorelement 3 Streustrahlung aus einer Untersuchungsschicht U. Ebenso ergeben sich für die anderen Detektorelemente nicht dargestellte Untersuchungsschichten um die zugeordnete Abbildungsebene herum.
Die Abbildungsebenen 33 und 37 sind bei der gezeigten Ausführungsform um einen Winkel von etwa 12° geneigt zur Abtastrichtung 31 dadurch, daß die Begrenzungsplatte 26, auf der das Untersuchungsobjekt 25 bewegbar angeordnet ist, zur Strahlachse 24 in einem Winkel von etwa 90° – 12° = 78° angeordnet ist. Die Untersuchungsschichten werden dadurch gegenüber der bekannten Anordnung deutlich in Streustrahlrichtung gesehen verbreitert. Insgesamt wird von einem Detektorelement Streustrahlung aus einer deut lich größeren Untersuchungsschicht erfaßt, wodurch Abbildungslücken vermieden und Aussagen über die kristalline Struktur des Untersuchungsobjekts mit größerer Zuverlässigkeit getroffen werden können.
In 2 ist das Empfindlichkeitsprofil einer Detektoranordnung mit vier Detektorelementen bei der erfindungsgemäßen Anordnung sowie bei einer aus der DE-A 42 22 227 bekannten Anordnung dargestellt. Mit x ist der Abstand eines Streuungsortes von der Detektoranordnung bezeichnet, mit E_x die Empfindlichkeit des Detektors für am Ort mit dem Abstand x gestreute Strahlung. E_ges bezeichnet das maximale Signal, das für ein homogenes Untersuchungsobjekt mit an allen Stellen gleichen Streuungseigenschaften bei der bekannten Anordnung erreichbar ist. Erkennbar ist, daß sich dieser Empfindlichkeitsverlauf E_ges aus den vier einzelnen Empfindlichkeitsverläufen E₁...E₄ der vier Detektorelemente für jeweils eine Untersuchungsschicht zusammensetzt. Streustrahlung aus einer Untersuchungsschicht wird dabei mit etwa gaußförmiger Empfindlichkeit von einem Detektorelement erfaßt. Streustrahlung aus einem Bereich, in dem sich zwei Untersuchungsschichten überlappen, d.h. wo sich auch zwei Empfindlichkeitsverläufe benachbarter Detektorelemente überschneiden, beispielsweise E₁ und E₂, kann ein deutlich geringeres maximales Streusignal liefern als in der Mitte einer Untersuchungsschicht (in der Abbildungsebene) gestreute Streustrahlung. Eine Detektoranordnung bei einer erfindungsgemäßen Anordnung kann dagegen maximal ein mit E_v bezeichnetes Signal liefern, da jedes der vier Detektorelemente Streustrahlung aus einem in x-Richtung gesehen breiteren Bereich, d.h. einer breiteren Untersuchungsschicht erfaßt. Das Signal E_v ist wesentlich gleichverteilter, d.h., der Untersuchungsbereich wird mit annähernd gleicher Empfindlichkeit der Detektoranordnung untersucht, was sich aufgrund einer Verbreiterung der gaußförmigen Empfindlichkeitsverläufe der einzelnen Detektorelemente ergibt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung. Eine Neigung der Abbildungsebenen 38 und 39 zur Abtastrichtung 31' wird hier dadurch erreicht, daß die durch den Röntgenstrahler 20 und senkrecht durch die Primärblendenplatte 21 verlaufende Strahlachse 24' parallel in einem Abstand versetzt ist zur Detektorachse 40, die senkrecht durch den Mittelpunkt 41 der Detektoranordnung D und den Mittelpunkt 42 der Sekundärblendenplatte 29 verläuft. Die Begrenzungsplatte 26' ist parallel zur Abtastrichtung 31' angeordnet.
Zur Einstellung der Parallelität von Strahlachse 24' und Detektorachse 40 ist eine Justiervorrichtung, bestehend aus zwei seitlich am Gehäuse 28 in Abtastrichtung 31' angreifenden Justierschrauben 43a und 43b, vorgesehen. Mit Hilfe einer in Abtastrichtung 31' bewegbaren Platte 44, auf der das Gehäuse 28 angebracht ist, kann der Abstand zwischen den Achsen 24' und 40 variiert werden, um dadurch den Neigungswinkel der Abbildungsebenen 38 und 39 zu verändern. Je geringer der Abstand ist, desto geringer ist der Neigungswinkel und desto näher liegen die Abbildungsebenen 38 und 39 an den mit 45 und 46 bezeichneten Positionen, die ohne Abstand erreicht werden und der bekannten Anordnung entsprächen.
Bei einer Anordnung der in 3 dargestellten Art mit einer aus zehn (anstelle von – wie dargestellt – vier) Detektorelementen bestehenden Detektoranordnung wird bei einem Parallelversatz von 0,25 mm zwischen Strahlachse 24' und Detektorachse 40 ein Höhenversatz der Schnittpunkte 47 und 48 einer Abbildungsebene 38 mit dem Primärstrahlenbündel 23 von 10 mm erreicht, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Abbildungsebenen 38 und 39 etwa 50 mm beträgt. Ideal ist ein Abstand der Achsen 24' und 40 derart, daß sich ein Höhenversatz der Schnittpunkte einer Abbildungsebene mit dem Primärstrahlenbündel 23 ergibt, der in etwa der Hälfte des Abstandes zwischen zwei Abbildungsebenen beträgt. Da der Abstand der Achsen 24' und 40 und der Höhenversatz miteinander in linearem Zusammenhang stehen, ist für einen Höhenversatz von 25 mm bei dieser Anordnung mit zehn Detektorelementen ein Abstand von 0,625 mm zwischen Strahlachse 24' und Detektorachse 40 erforderlich. Der Abstand hängt jedoch stark von den gesamten Abmessungen und von der Zahl der Detektorelemente ab.
Um bei der in 3 gezeigten Ausführungsform eine Neigung der Abbildungsebenen zu erreichen, kommt es nicht auf die exakte Parallelität von Strahlachse 24' und Detektorachse 40 an, geringe Abweichungen von der Parallelität führen ebenfalls zu geneigten Abbildungsebenen. Abweichungen über die Einstellgenauigkeit von 0,1 mrad als Winkel zwischen Strahlachse 24' und Detektorachse 40 hinaus beeinträchtigen zwar die Streuwinkelauflösung, dies kann jedoch bis zu Abweichungen von etwa 1 mrad toleriert werden.
Die Abbildungsebenen sollten nicht zu stark zur Abtastrichtung geneigt sein, da sich sonst einerseits die Untersuchungsschichten zu weit überlappen. Andererseits wird bei einer ringförmigen Ausgestaltung der Schlitzöffnungen der Primär- und der Sekundärblendenanordnung sowie der Detektorelemente im Zentrum der Abbildungsebenen aus einem Bereich um die Strahlachse herum keine Streustrahlung erfaßt. Der Neigungswinkel sollte deshalb einen Wert von etwa 30° nicht überschreiten.
Nicht dargestellt in den 1 und 3 ist eine aus der DE-A 42 22 227 bekannte Kollimatoranordnung zwischen dem Untersuchungsbereich und der Detektoranordnung. Außerdem kann die Primär- und/oder Sekundärblendenanordnung auch aus mehreren Blendenplatten mit mehreren Schlitzöffnungen bestehen.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen ist eine Rotationssymmetrie gegeben. Grundsätzlich ist jedoch eine Rotationssymmetrie nicht erforderlich. Es kann beispielsweise auch mit einem Primärstrahlenbündel mit halbkreisförmigem Querschnitt gearbeitet werden, wenn der bzw. die Schlitze in den Blendenanordnungen und die Detektorelemente ebenfalls Halbkreisform haben. Ebenso ist es nicht erforderlich, daß der Querschnitt des Primärstrahlenbündels, die Schlitze und die Detektorelemente Kreisform haben. Allgemein gilt, daß das Primärstrahlenbündel sich im Untersuchungsbereich auf der Mantelfläche des Kegels (oder auf einem Sektor einer solchen Mantelfläche) ausbreiten muß.

Claims

Untersuchungsanordnung zum Messen des Impulsübertragsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten mit – einem polychromatischen Röntgenstrahler (20) – einer zwischen dem Röntgenstrahler (20) und einem von der Röntgenstrahlung durchsetzten Untersuchungsbereich (U) angeordneten Primärblendenanordnung (21) zum Ausblenden eines den Untersuchungsbereich (U) auf der Mantelfläche eines Kegels durchsetzenden Primärstrahlenbündels (23) – einer aus mehreren Detektorelementen (1...4) bestehenden Detektoranordnung (D) zum Erfassen von im Untersuchungsbereich (U) gestreuter Streustrahlung – einer Sekundärblendenanordnung (29), die derart zwischen dem Untersuchungsbereich (U) und der Detektoranordnung (D) angeordnet ist, dass die Detektorelemente (1...4) Streustrahlung erfassen, die von im Bereich einer jeweils zugeordneten Abbildungsebene (33, 37, 38, 39) liegenden Punkten gestreut wird, und – einer Vorrichtung zur Relativverschiebung zwischen einem im Untersuchungsbereich (U) befindlichen Untersuchungsobjekt (25) und der Untersuchungsanordnung, wobei die Vorrichtung derart angeordnet ist, dass die Richtung (31, 31') der Relativverschiebung gegenüber der Abbildungsebene (33, 37, 38, 39) unter einem Neigungswinkel geneigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel maximal 30° beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentral im Primärstrahlenbündel verlaufende Strahlenachse (24') im wesentlichen parallel zu einer senkrecht durch den Detektor-Mittelpunkt (41) verlaufenden Detektorachse (40) in einem Abstand versetzt in Richtung (31') der Relativverschiebung verläuft.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand 0,05 mm bis 5 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 1 mm beträgt.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Justiervorrichtung (43a, 43b) zur Einstellung der Parallelität und/oder des Abstandes von Strahlenachse (24, 24') und Detektorachse (40) vorgesehen ist.