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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Analyse sich bewegender Objekte mittels
Radiographie bzw. Röntgenographie.
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Sie findet Anwendung auf dem Gebiet der
zerstörungsfreien Kontrolle mittels Röntgenographie, insbesondere in der
Nahrungsmittelindustrie.
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Die Erfassung eines Röntgenbildes erfordert eine
minimale Belichtungszeit, um für jedes Pixel eine statistisch
signifikante Information zu integrieren.
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Die X-Photonen werden nämlich entsprechend einer
Poisson-Verteilung emittiert.
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Man weiß dann, wenn man während der Meßzeit
durchschnittlich N Photonen pro Pixel zählt, daß man bei dieser
Messung der Anzahl N eine statistische Fluktuation gleich der
Quadratwurzel von N hat.
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Die relative Genauigkeit der Messung ist um so besser,
je größer N ist.
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Diese Anzahl N hängt im wesentlichen von vier
Parametern ab:
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- der Leistung des benutzten Röntgenstrahlenerzeugers,
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- dem Abstand, mit dem man den Detektor in bezug auf diesen
Röntgenstrahlenerzeuger anordnet,
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- der Belichtungszeit T (wenn man pro Pixel und Zeiteinheit M
Photonen erhält, bekommt man während der Belichtungszeit T eine
Photonenzahl gleich MxT),
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- der Leistungsfähigkeit des benutzten Detektors, der die
detektierte Photonenzahl N in Abhängigkeit von der für das
betreffende Pixel disponiblen Photonenzahl bestimmt.
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Man kennt zwei Techniken zum Analysieren einer Folge
von Stücken.
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Nach einer ersten bekannten Technik benutzt man für
jedes Stück eine Belichtungszeit T und verliert daher für die
Erfassung die für den Stückwechsel erforderliche Zeit.
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Nach einer zweiten bekannten Technik erfolgt die
Erfassung der Informationen bezüglich eines Stücks während der
Translationsbewegung dieses letzteren.
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Dazu besteht eine erste bekannte Methode darin, eine
Elementardetektorenanordnung zu benutzen und die Abbildung des
Stücks Zeile für Zeile zu analysieren.
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Eine zweite bekannte Methode zur Erfassung der das
Stück betreffenden Informationen besteht darin, eine CCD-
Vorrichtung zu verwenden, deren Zeilen sich mit dem der
Verschiebungsgeschwindigkeit des Stücks entsprechenden Tempo
verstellen bzw. verschieben und so die Integration der empfangenen
Informationen simultan auf mehreren Zeilen ermöglichen.
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Diese zweite bekannte Methode, bekannt als
"Verschiebungsintegration durch Verzögerung" (integration avec
decalage par retard" oder TDI als Abkürzung für englisch: "Time
Delay and Integration").
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Bezüglich dieser beiden bekannten Methoden kann man
folgende Dokumente konsultieren:
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(1) Mitteilung von Ch. Favier, G. Thomas, Ch. Brebant
und R. Mogavero beim Ersten Kolloquium Bild, Verarbeitung,
Synthese, Technologie und Anwendungen, Biaritz (Frankreich),
"Systeme d'analyse automatique de defauts en imagerie X" ("System
zur automatischen Analyse von
Röntgenstrahlen-Bildherstellungsfehlern")
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(2) Artikel von B. Munier und D. King, veröffentlicht
in Vision und Voice Magazine, Bd. 3, Nr. 2, 1989, S. 133 bis 137,
"Solid-state linear X-ray detectors, High-resolution industrial
radiology made simple,
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(3) Artikel von D. W. Holdsworth et al., veröffentlicht
in Med. Phys. 17(5), Sept./Okt. 1990, S. 876 bis 886, "A
timedelayed integration charge-coupled device camera for slot-scanned
digital radiography",
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(4) Artikel von J. Groot et al., veröffentlicht in SPIE
Bd. 591, "Solid state imagers and their applications (1985), S. 24
bis 30, "X-ray image sensor based on an optical TDI-CCD imager".
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Diese beiden bekannten Methoden werden unten etwas mehr
im Detail dargestellt und ihre jeweiligen Vorteile und Nachteile
werden diskutiert.
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Für die erste bekannte Methode wird Bezug genommen auf
die Fig. 1, in der man ein Röntgenstrahlenbündel 2 sieht, das aus
dem Brennpunkt F eines Röntgenstrahlengenerators (nicht
dargestellt) stammt.
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Ein Objekt 4, das man analysieren möchte, bewegt sich
dem Pfeil f entsprechend zwischen dem Strahlengenerator und einer
Elementardetektorenanordnung 6 (die man in Fig. 1 in der
Draufsicht sieht).
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Diese Anordnung 6 ermöglicht, das Objekt 4 Zeile für
Zeile zu analysieren.
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Wenn die analysierte Zeile mit Zeitintervallen T
gelesen wird und wenn während der Zeit T das Objekt 4 sich über
eine Distanz D bewegt hat, erfaßt man ein Bild mit Nc Spalten,
wenn die Anordnung 6 Nc Punkte hat, und Nl Zeilen, wenn die
Erfassung während einer Zeit gleich TxNl erfolgt.
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Um quadratische Pixel zu bekommen, wählt man D gleich
dem Abstand der Punkte der Anordnung 6.
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Diese erste bekannte Methode wird insbesondere bei den
Röntgenstrahl-Gepäckkontrollsystemen angewandt (System BAGAGIX -
Schutzmarke).
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Diese erste bekannte Methode weist Nachteile auf.
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Bei dieser ersten Methode wird der Röntgenstrahl
nämlich schlecht genutzt, da in der maximal verfügbaren Fläche
(die generell kreisförmig ist) nur eine Zeile berücksichtigt wird.
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So ist für jedes Pixel die Meßzeit (Integration der
Röntgenstrahlinformation) gleich T; von daher eine Begrenzung der
Analysegeschwindigkeit.
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Nach der zweiten bekannten Methode (Integration mit
Verschiebung durch Verzögerung) wird das Objekt, das sich
entsprechend dem Pfeil f (Fig. 2) parallelverschiebt, mit einer
Vorrichtung 8 des Typs CCD (Charge Coupled Device), die eine
Matrix mit M Spalten und N Zeilen bildet und in der die
Information von einer Zeile zur nächsten übertragen wird, so daß
man am Ausgang einer Spalte zum Zeitpunkt t eine Gesamtinformation
erhält, die der Summe der in derselben Spalte empfangenen
Informationen entspricht, nämlich
- vom Zeitpunkt t-T zum Zeitpunkt t in der letzten Spalte (Spalte
M),
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- vom Zeitpunkt t-2T zum Zeitpunkt t-T in der Spalte M-1,
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- vom Zeitpunkt t-3T zum Zeitpunkt t-2T in der Spalte M-2, ...,
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- vom Zeitpunkt t-M.t zum Zeitpunkt t-(M-1).T in der Spalte 1.
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Jeder Elementarpunkt des Objekts wird also während
einer Zeit MxT gemessen.
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Diese zweite bekannte Methode weist ebenfalls einen
Nachteil auf.
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Wenn nämlich das Objekt 10, das man in Fig. 3 sieht
und das man analysiert, eine bestimmte Dicke E hat, bewegt sich
die Projektion eines Punktes des Objekts 10, je nach dem, ob
dieser Punkt sich nahe bei einer Röntgenstrahlenquelle F befindet
oder weiter entfernt ist, nicht mit derselben Geschwindigkeit.
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Dies wird durch die Teile A, B und C der Fig. 3
illustriert, wo man das Objekt 10 sowie Punkte A, B und C dieses
Objekts und die jeweiligen Projektionen A1, B1 und C1 dieser
Punkte A, B und C sieht, für drei verschiedene Positionen, jeweils
den drei Teilen A, B und C der Fig. 3 entsprechend.
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Wenn man die Analyseperiode T für eine bestimmte Ebene
des Objekts 10 eingestellt hat (d. h. für einen bestimmten Abstand
zwischen dieser Ebene und dem Detektor 8), bekommt man für die
Punkte der anderen Ebenen eine Unschärfe, die umso größer wird, je
weiter diese anderen Punkte von der Fokussierungsebene entfernt
sind.
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Dies ist um so ausgeprägter, da die verwendete CCD-
Vorrichtung zahlreiche Spalten hat und man daher einen offeneren
Röntgenstrahlenbündelwinkel benutzen kann.
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Man sucht einen Kompromiß zwischen der Spaltenzahl und
der Dicke des Objekts für eine bestimmte Unschärfe.
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Die für diesen Anwendungstyp speziell bestimmten CCD-
Vorrichtungen werden z. B. durch die kanadische Firma DALSA Inc.
hergestellt und vertrieben.
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Diese Vorrichtungen haben sehr viel mehr Zeilen als
Spalten und decken daher nur einen relativ kleinen Winkelteil des
Röntgenstrahlgenerators ab.
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Es wird Bezug genommen auf die Dokumentation der Firma
DALSA Inc., in der man z. B. die unter der Marke Quietsensor
vertriebenen Vorrichtungen mit den Referenzen IL-E1-0512, IL-E1-
1024, IL-E1-2048, IT-E1-1536, IT-E1-2048 und IT-F2-2048 findet.
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Die vorliegende Erfindung löst das Problem der
Röntgenkontrolle sich vorbeibewegender Objekte, indem der
Austrittswinkel des Röntgenstrahlgenerators bestmöglich genutzt
wird.
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Um dieses Problem zu lösen, werden die zu
analysierenden Objekte bewegt, indem man sie um die
Röntgenstrahlenquelle umrunden läßt.
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Infolgedessen verändert man nicht die relativen
Dispositionen der jedes zu analysierende Objekt bildenden Punkte.
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Die Projektionen dieser Punkte auf dem Detektor sind
nicht deformiert.
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Es ist dann möglich, dieses Objekt mit einem Detektor
des Typs "Verschiebungsintegration" zu analysieren, der wie die
CCDs aber kreisrund ist und z. B. gebildet wird durch:
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- mehrere lineare Anordnungen, die einen Kreis bilden,
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- oder mehrere elementare CCD-Anordnungen von geringer Breite
(indem man wie vorhergehend einen Kompromiß zwischen der Dicke
des Objekts, der zulässigen Unschärfe und der Breite einer
elementaren CCD-Anordnung sucht).
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Es wäre ebenfalls möglich, das Objekt mit einem
kreisrunden Spezialdetektor zu analysieren. Jedoch sind solche
Einrichtungen zu teuer.
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Daher wird das erfindungsgemäße Verfahren zur
Röntgenanalyse sich vorbeibewegender Objekte nach Anspruch 1
gewählt.
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Das Dokument US-A-4989225 beschreibt ein Verfahren und
eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und
2.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine
Vorrichtung zur Röntgenanalyse sich vorbeibewegender Objekte,
wobei diese Vorrichtung Anspruch 2 entspricht.
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Nach einer ersten speziellen Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Detektionseinrichtungen
außerdem Umwandlungseinrichtungen der Röntgenstrahlung, nachdem
sie das Objekt durchquert hat, in ein Bild des sichtbaren
Spektrums, und der Detektor ist ein matrixförmiger Detektor, auf
den dieses sichtbare Bild des Objekts projiziert wird und dessen
Teilung proportional an 1/cos²θ angepaßt ist, wo θ den
Prüfungswinkel des Objekts darstellt.
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Nach einer zweiten speziellen Ausführungsart der
Erfindung umfassen die Detektionseinrichtungen außerdem
Umwandlungseinrichtungen der Röntgenstrahlung, nachdem sie das
Objekt durchquert hat, in ein Bild des sichtbaren Spektrums, und
der Detektor ist ein mit einem Integrationsspeicher ausgestatteter
Vidicon-Detektor, auf den dieses sichtbare Bild des Objekts
projiziert wird, wobei die Abtastgeschwindigkeit der Zeilen oder
der Spalten des Vidicon-Detektors proportional zu 1/cos²θ
moduliert bzw. angepaßt ist, wo θ den Prüfungswinkel des Objekts
darstellt und die sukzessiv erzeugten Bilder in dem Speicher
integriert werden und dieser letztere kontinuierlich abgefragt
wird.
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Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich
durch die Lektüre der nachfolgenden, erläuternden und keinesfalls
einschränkenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bezogen
auf die beigefügten Zeichnungen:
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- die Fig. 1, schon beschrieben, zeigt schematisch die
Röntgenanalyse von Objekten mittels einer Anordnung elementarer
Detektoren,
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- die Fig. 2, schon beschrieben, zeigt schematisch die Analyse
von Objekten mittels eines matrixförmigen Detektors durch eine
bekannte Methode der Verschiebungsintegration mittels
Verzögerung (integration avec decalage par retard),
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- die Fig. 3, schon beschrieben, zeigt schematisch die Tatsache,
daß die Projektion eines Punktes des Objekts auf dem Detektor
der Fig. 2 - je nach dem, ob dieser Punkt sich nahe bei der
benutzten Röntgenstrahlenquelle befindet oder weiter entfernt
ist -, sich nicht mit derselben Geschwindigkeit bewegt,
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- die Fig. 4 zeigt schematisch das Prinzip des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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- die Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer speziellen
Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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- die Fig. 6 zeigt schematisch und partiell eine andere
erfindungsgemäße Vorrichtung,
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- die Fig. 7 ist eine schematische und partielle Ansicht eines
matrixförmigen Halbleiterdetektors des CCD-Typs, und
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- die Fig. 8 ist eine schematische Ansicht einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der Behälter kontrolliert werden
können.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren benutzt einen Detektor
des Typs Integration mit Verschiebung, bei dem der
Verschiebungsschritt angepaßt wird, um der Projektion eines zu
analysierenden Objekts, das sich um die Röntgenstrahlenquelle F
herum dreht, mit der richtigen Phase zu folgen (Fig. 4).
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Ein Punkt des Objekts nimmt nacheinander die Positionen
A, P und Q ein, wie man in Fig. 4 sieht.
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Die Projektionen der Punkte A, P und Q auf dem Detektor
des Verschiebungsintegrationstyps tragen jeweils die Bezugszeichen
A1, P1 und Q1.
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Folgende Bezeichnungen werden benutzt:
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a: Rotationswinkelgeschwindigkeit des Objekts,
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d: Abstand zwischen dem Brennpunkt F und dem Detektor 12,
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θ: Winkel, unter dem der Punkt F gesehen wird.
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Zum Zeitpunkt t = 0 ist der Winkel θ = 0.
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Die Winkelbewegung ist: θ = a. t.
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Die Bewegung x des projizierten Punkts ist so, daß:
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x = d.tgθ = d.tg(a.t).
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Die Geschwindigkeit V des projizierten Punkts ist
folglich so, daß:
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V = dx/dt = a.d.(cos²(a.t))&supmin;¹ = a.d.(cos²θ)&supmin;¹,
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Indem man also den M Spalten umfassenden Detektor mit
dieser Geschwindigkeit entsprechenden Abständen abtastet und indem
man die Informationen eines "Strichs" ("cran") bei jeder Abtastung
verschiebt (mit Integration), bekommt man am Ausgang, nach jenen
den M Spalten des Detektors 12 entsprechenden M Verschiebungen,
das Bild der Punkte, die soeben die Analysezone verlassen haben.
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Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
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Eine erste Vorgehensweise besteht darin,
Lineardetektionsanordnungen, die richtig voneinander beabstandet sind,
mit adäquaten Verzögerungen, zu verbinden.
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Eine zweite Vorgehensweise besteht darin, Sensoren des
Typs "Verzögerung-Integration" zu verwenden, deren Teilung für
einen bestimmten Prüfwinkel proportional an 1/cos²θ angepaßt ist.
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Eine dritte Vorgehensweise besteht darin, eine
Umwandlungsstufe von Röntenstrahlung in sichtbares Licht zu
verwenden, dann das erhaltene sichtbare Bild (eventuell nach
Verstärkung dieses Bildes) mittels einer geeigneten optischen
Einrichtung auf einen Detektor sichtbarer Bilder des CCD-Typs oder
des Typs Vidicon zu projizieren.
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Dieser Detektor ist angepaßt an die Anwendung der
Erfindung, um die Bilder der projizierten Durchleuchtungen mit
Integration und einer angepaßten Geschwindigkeit zu analysieren.
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Um dies zu tun, kann man
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- entweder einen matrixförmigen CCD-Detektor verwenden,
dessen Teilung proportional an 1/cos²θ angepaßt ist
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- oder einen Detektor des Typs Vidicon verwenden, indem
man die Auswertungsgeschwindigkeit der Zeilen und der Spalten (je
nach gewählter Vorbeilaufrichtung der Objekte) durch die Vidicon-
Röhre proportional an 1/cos²θ anpaßt und die aufeinanderfolgenden
Bilder in einem Video-Kumulationsspeicher integriert, der
kontinuierlich ausgelesen bzw. abgefragt wird (scroll).
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Die Zeilen oder Spalten (je nach Vorbeilaufrichtung des
Objekts), die den Speicher verlassen, bilden das endgültige Bild
des analysierten Objekts.
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Anschließend wird eine spezielle Ausführungsart der
Erfindung detailliert, indem man einen Vidicon-Detektor mit
angepaßter Abtastung und Integration verwendet.
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Im Handel gibt es Systeme, die einen Bilddetektor des
Typs Vidicon, einen Analog-Digital-Wandler und einen
Integrationsspeicher umfassen.
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In der Folge werden die bei solchen Systemen
vorzunehmenden Veränderungen beschrieben, um sie an die
vorliegende Erfindung anzupassen.
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Es eignet sich eine Verschiebung um eine Zeile (Zeile
oder Spalte - je nach der für die Objekte gewählten
Vorbeilaufrichtung) bei jedem Raster bzw. Teilbild, um ein vorbeilaufendes
Bild zu integrieren.
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Ein solches Verfahren ist an sich bekannt (Abtastung im
Vorbeilauf- oder "Scroll"-Betrieb).
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Es genügt, dieses Verfahren in dem Integrationsspeicher
anzuwenden und als endgültiges Bild die Zeilen oder die Spalten
(je nach gewählter Vorbeilaufrichtung) erhalten, die diesen
Speicher verlassen.
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Geeignet ist auch eine Anpassung der
Abtastgeschwindigkeit (der Zeilen oder der Spalten - je nach
gewählter Vorbeilaufrichtung) an die Vorbeilaufgeschwindigkeit der
Projektion der Röntgenbilder.
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Dies ist möglich, indem man z. B. als Abtastspannung den
Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers nimmt oder indem man den
Ausgang eines solchen Digital-Analog-Wandlers benutzt, um die
normale Abtastspannung zu modifizieren.
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In diesem Fall wird der Digital-Analog-Wandler
gesteuert durch einen Speicher, vorher geladen aufgrund von
Berechnungen einer erwünschten Abtastanpassung oder aufgrund von
Messungen, durchgeführt an der nicht angepaßten oder schlecht
angepaßten Analysevorrichtung.
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Aufgrund des für eine Anordnung erhaltenen Bildes (eine
oder mehrere Spalten oder eine oder mehrere Zeilen betreffend - je
nach gewählter Vorbeilaufrichtung), kann man die Mängel der
Anpassung der Abtastgeschwindigkeit bewerten und die nötigen
Korrekturen vornehmen.
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Man sieht in Fig. 5 einen Röntgenstrahlgenerator 14,
dessen Brennpunkt mit F bezeichnet ist und der ein
Röntgenstrahlenbündel abstrahlt, dessen Achse das Bezugszeichen Z
trägt.
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Der Öffnungswinkel des Generators 14, d. h. der
Öffnungswinkel des Röntgenstrahlenbündels 16, ist mit 2θ m
bezeichnet.
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Das Röntgenstrahlenbündel ist also enthalten zwischen
-θm und +θm, wenn der Nullpunkt der Winkel auf der Achse Z liegt.
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Die erfindungskonforme Vorrichtung, die in Fig. 5
schematisch dargestellt ist, umfaßt ebenfalls einen
Umwandlungsschirm 18 der aus dem Generator stammenden Röntgenstrahlung in
sichtbares Licht.
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Die zu analysierenden Objekte wie das Objekt 20 werden
mittels Einrichtungen, die der gebogene Pfeil R symbolisiert, um
den Brennpunkt F herumbewegt.
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Wie man in Fig. 5 sieht, durchqueren die Objekte das
Röntgenstrahlenbündel zwischen dem Generator 14 und dem Schirm 18.
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Die Vorrichtung der Fig. 5 umfaßt ebenfalls eine
Kamera 21, ausgerüstet mit einer Bildaufnahmeröhre des Typs
Vidicon (z. B. von der Art Nocticon oder S. I. T., um eine größere
Empfindlichkeit zu haben).
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Diese Kamera 21 nimmt mittels optischer Einrichtungen
22 das zu dem sichtbaren Spektrum gehörende Bild auf, das dank des
Schirms 18 erzeugt wird.
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Die durch die Kamera 21 gelieferten Signale werden zu
elektronischen Verarbeitungseinrichtungen geleitet, die die
Analyseresultate der Objekte liefern und die z. B. dazu
Anzeigeinrichtungen (nicht dargestellt) umfassen.
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Die Kamera 21 und die Verarbeitungseinrichtungen 24
werden auf die weiter oben angegebene Art angepaßt. In der Folge
werden diese Anpassungen mehr im Detail erläutert.
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Wie in Fig. 6 zu sehen, kann man anstatt des durch den
Umwandlungsschirm 18 und die optischen Einrichtungen 22 gebildeten
Systems eine IIR-Röhre (Röntgenbilder-Verstärkungsröhre), mit 26
bezeichnet, benutzen, z. B. von der Art derer, die durch die Firma
THOMSON-CSF vertrieben werden.
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Eine solche Röhre 26 ermöglicht, so wie das durch den
Schirm 18 und die optischen Einrichtungen 22 gebildete System,
ein Bild des sich um den Brennpunkt F des Röntgengenerators
drehenden Objekts 20 im sichtbaren Spektrum auf die Kamera 21 zu
werfen.
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Bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Beispiel
erfolgt die Analyse der Bilder durch die Kamera 21 in 256 · 256
Pixeln und die Abtastung wird "unverschachtelt" geregelt.
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Die elektronischen Verarbeitungseinrichtungen 24, die
ein Erfassungs- und Integrationssystem für Bilder mit 256 · 256
Pixeln enthalten, umfassen einen Analog-Digital-Wandler 28, der
die Ausgangssignale der Kamera 21 empfängt (über einen Verstärker
30), einen Integrationsspeicher 32, der die Ausgangssignale dieses
Anlog-Digital-Wandlers 28 erhält, mit, zum Adressieren dieses
Speichers 32, einem Zeilenzähler (nicht dargestellt) und einem
Taktgeber (nicht dargestellt) zum Aufteilen der 256 Pixel in der
Zeile, mit einem Spaltenzähler (nicht dargestellt).
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Die Einrichtungen 24 umfassen ebenfalls Einrichtungen
34 zum Verarbeiten der in dem Speicher 32 enthaltenen
Informationen, um die Analyseresultate zu liefern.
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Anschließend werden die an der Kamera sowie dem
Integrationsspeicher vorzunehmenden Modifizierungen erläutert.
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Bezüglich der Kamera muß die an die
Vertikalablenkungselektroden gelegte Spannung modifiziert werden, um den
Abstand der Zeilen an die Vorbeilaufgeschwindigkeit der Projektion
der zu analysierenden Objekte anzupassen.
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Diese Modifikation erfolgt durch den Ausgang eines
Digital-Analog-Wandlers, gesteuert durch einen Speicher 38, der
selbst durch den Zeilenzähler (nicht dargestellt) adressiert wird.
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Eine Analyse der Unschärfe an den bei der Prüfung von
Objekten mit scharfen Rändern erhaltenen Bildern ermöglicht durch
Modifizieren der in dem Speicher 38 enthaltenen Werte, diese Werte
zu optimieren, um sie an die Anordnung anzupassen (insbesondere
optische Vergrößerung und für den Röntgenstrahlengenerator
benutzter Ausgangswinkel).
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Was die Modifikationen des Integrationsspeichers 32
betrifft, so läßt man diesen im kontinuierlichen Modus arbeiten.
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Man bezeichnet mit Mi, j, n den Inhalt dieses
Integrationsspeichers 32, der die Pixel der Spalte i der Zeile j
nach der Integration von n Rastern bzw. Teilbildern betrifft.
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Ai, j, n sei der Wert des Signals bezüglich der Spalte i
der Zeile j für den Raster bzw. das Teilbild n.
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Für einen einfachen Betrieb des Integrationsspeichers
kann man schreiben:
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Mi, j, n + 1 = Mi, j, n + Ai, j, n + 1.
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Im Zeilenvorbeilaufbetrieb realisiert man folgende
Gleichung:
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Mi, j, n + 1 = Mi, j - 1, n + Ai, j, n + 1.
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L sei die Anzahl der Zeilen der Vorrichtung.
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Man findet in der letzten Zeile des
Integrationsspeichers 32 das Ausgangssignal wieder, im Takt einer
Ausgangszeile pro Analysebildraster.
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Man erfaßt also ein integriertes Bild mit i Spalten und
einer beliebig großen Zeilenzahl, da man eine Zeile pro
Anfangsbildraster entnimmt.
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In dem dargestellten Beispiel, mit unverschachtelter
Videoerfassung und folglich im Takt eines Bilds alle 1/50
Sekunden, liefert die Vorrichtung 50 Videozeilen pro Sekunde.
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Dieses kontinuierliche Bild wird auf einem
Fernsehschirm (nicht dargestellt) im Scroll-Modus bzw.
Durchlaufbetrieb präsentiert.
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Für einen 625-Zeilen-Monitor braucht das Bild etwas
mehr als 10 Sekunden, um auf dem Bildschirm von oben nach unten zu
wandern und kann von einem Kontrolleur leicht gelesen werden.
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Man kann eine automatische Analyse dieses Bildes
vorsehen.
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Analysevorrichtungen mit durchlaufenden Bildern sind
einfach zu realisieren:
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- entweder direkt an dem durchlaufenden Bild, wenn die
Verarbeitungen ziemlich einfach sind,
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- oder indem man das durchlaufende Bild zu passend
gewählten Zeitpunkten zerteilt und speichert und diese Bildteile
in dem Zeitintervall verarbeitet, das die Aufnahme von zwei
erstarrten Bildern trennt.
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Bei einer anderen speziellen Ausführungsart der
erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das System aus Videokamera +
Erfassungs- und Digitalbildintegrationsvorrichtung ersetzt durch
eine matrixförmige CCD-Kamera mit justierter bzw. einstellbarer
Teilung.
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Es genügt dann, die CCD-Kamera gut anzupassen an das
System "Röntgenstrahlengenerator + Umwandlungsschirm von
Röntgenstrahlung in sichtbares Licht + optische Einrichtungen",
insbesondere hinsichtlich der Bildvergrößerung, man hat aber eine
größere Freiheit bezüglich der Vorbeilaufgeschwindigkeit der
Objekte, indem man die Frequenz der Steuertakte der CCD-Kamera
justiert.
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Anschließend wird erläutert, wie man einen
matrixförmigen Detektor mit justierter Teilung realisiert.
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In der Fig. 7 ist schematisch und partiell ein
matrixförmiger Halbleiterdetektor des Typs CCD dargestellt.
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Dieser Detektor umfaßt Pixel, die zeilen- und
spaltenförmig angeordnet sind.
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In Fig. 7 sieht man die Zeilen Lj - 1, Lj und Lj + 1 und
man sieht auch die Spalten Ci - 1, Ci, Ci + 1, Ci + 2 und Ci + 3.
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Man sieht ebenfalls das Pixel Pij, das sich an der
Schnittstelle der Spalte Ci und der Zeile Lj befindet.
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Die Trennung zwischen den Spalten erfolgt generell
durch Dotierung: man stellt dotierte Kanäle wie den Kanal D her,
um die Spalten zu trennen.
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So erzeugt man in dem Halbleitersubstrat (Silicium),
auf dem man den CCD-Detektor realisiert, für die Ladungen
undurchdringliche Wände.
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Die Zeilen werden durch transparente Elektroden
materialisiert, die in dem Siliciumgraben, unter diesen
Elektroden, Kollektor- bzw. Sammelzonen der erzeugten Ladungen
bilden, wenn diese letzteren auf ein passendes Potential gebracht
werden.
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Es gibt mehrere Elektroden dieser Art pro Zeile.
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Bei dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel gibt es drei
Elektroden pro Zeile, die die Bezeichnungen Aj, Bj und Cj für die
Zeile Lj tragen.
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Beim Lesen eines solchen Detektors verschiebt man die
Informationen progressiv von einer Zeile zur nächsten, bis zur
letzten Zeile, wo diese Informationen dann sukzessiv in der
Richtung der Spalten verschoben werden.
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Die Ladungen aller Pixel gelangen also nach und nach zu
einer Detektionsschaltung, die ein zu den erhaltenen Ladungen
proportionales Signal liefert.
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Dieses Signal ist das "Videosignal".
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Um einen matrixförmigen Detektor mit justierter Teilung
zu erhalten, genügt es, Zeilenelektroden mit einer Breite
herzustellen, die angepaßt ist an die Verschiebungsgeschwindigkeit
der Röntgenprojektionen.
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Da diese Breitenänderungen gering sind, sind auch die
Kapazitätsveränderungen gering und die Steuerschaltungen können
für die ganze Matrix des Detektors identisch sein.
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Die Fabrikationsmasken einer Matrix eines CCD-Detektors
mit justierter bzw. angepaßter Teilung erhält man einfach aus
denen einer Matrix mit gleichmäßigen Pixeln, indem man die Breite
der Zeilenelektroden modifiziert.
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Ein Zahlenbeispiel der Teilungsdimensionen liefert die
Tabelle I am Ende der vorliegenden Beschreibung.
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Die Zahlen dieser Anwendung sind für einen
Austrittswinkel ±20º des Röntgenstrahlgenerators und für eine Abtastung von
128 Pixeln berechnet, d. h. 64 Pixel auf jeder Seite der
Mittelachse (Achse Z der Fig. 5).
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Selbstverständlich besteht Symmetrie in bezug auf diese
Achse und folglich wurden nur die Winkel von 0 bis 20Y für 64 von
1 bis 64 numerierte Pixel in Betracht gezogen.
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Die angegebenen Werte sind:
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- in der Spalte A: die Nummer der Grenze zwischen Pixeln (von 0
bis 64); dies ist auch die Nummer des Pixels (von 1 bis 64),
wobei das Pixel Nr. 1 von der Grenze i - 1 bis zur Grenze i
reicht,
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- Spalte B: Sehwinkel an der Grenze des Pixels (die
Winkelveränderung, 0 bis 20º, ist in 64 identische Schritte
unterteilt),
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- Spalte C: Abstand der Pixelgrenze in bezug auf den Nullpunkt
(dies ist die Länge der Verschiebung der Projektion des Punkts
eines analysierten Objekts aus der Mitte, d. h. die Tangente des
vorhergehenden Winkels),
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- Spalte D: Breite des Pixels (dies ist die Verschiebung des
projizierten Punkts für den betrachteten Sehwinkel und für eine
einheitliche Winkelveränderung, hier 20Y/64; für das Pixel i ist
es der Abstand zwischen der Grenze i - 1 und der Grenze i).
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Präzisiert sei, daß die angegebenen Werte des Abstands
(Spalte C) und der Pixelbreite (Spalte D) Werte sind, die sich
beziehen auf eine Gesamtverschiebung des projizierten Punkts von
0,3639702 (128. Pixel).
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Um reale Werte zu bekommen, muß man diese Koeffizienten
mit der Länge der Verschiebung eines Punktes auf dem Bilddetektor
multiplizieren.
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Für eine Verschiebung des projizierten Punkts von 20 mm
bei einer Winkelveränderung von 0 bis 20º, sind die Werte der
Spalten C und D der Tabelle I mit 20/0,3639702 zu multiplizieren,
um die Verschiebungsabstände und die Pixelbreiten zu bekommen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, selbst relativ
dicke vorbeilaufende Objekte zu röntgen, indem die am Ausgang
eines Röntgenstrahlgenerators verfügbare Röntgenstrahlung räumlich
und zeitlich vollständig ausgenutzt wird.
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Man erhält daher für ein bestimmtes Vorbeilauftempo die
bestmögliche Statistik bezüglich der Erfassungswerte.
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Die vorliegende Erfindung ist in allen Fällen
vorteilhaft, wo man mit einem hohen Arbeitstakt Stücke mit einer
bestimmten Dicke kontrollieren möchte und wo man ausgrund der
kurzen Integrationszeit für jedes Stück daran interessiert ist,
alle durch den Generator emittierten X-Photonen zu nutzen.
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Dies ist z. B. in der Nahrungsmittelindustrie bei der
Kontrolle leerer oder voller Behälter der Fall.
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Auf diesem Gebiet haben Behälter, z. B. Bier- oder
Saftflaschen oder Yoghurtschalen, einen Durchmesser von 5 bis 10
cm und die Füllketten liefern hunderte und sogar tausende Behälter
pro Minute.
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Diese Behälter müssen kontrolliert werden, um z. B. die
Glasbrüche und metallische Gegenstände zu eliminieren.
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Die Fig. 8 ist eine schematische Ansicht einer
erfindungskonformen Kontrolleinrichtung solcher Behälter.
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Man sieht in Fig. 8 den Röntgenstrahlgenerator 14,
dessen Brennpunkt das Bezugszeichen F trägt, sowie den
Umwandlungsschirm 18, die optischen Einrichtungen 22, die Kamera 21 und
die Verarbeitungseinrichtungen 24.
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Die in der Fig. 8 dargestellte Vorrichtung umfaßt auch
ein lineares Eingangsförderband 40, eine Kreisförderband 42 und
ein Ausgangsförderband 44.
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Die zu kontrollierenden Behälter 46 erreichen die
Vorrichtung auf dem Eingangsförderband 40, laufen dann zwischen
dem Generator 14 und dem Umwandlungsschirm 18 durch (das
Kreisförderband 42 ist auf den Brennpunkt F des Generators 14
zentriert) und verlassen die Vorrichtung auf dem
Ausgangsförderband 44.
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Die Resultate der Kontrolle der Behälter 46 werden
durch die Verarbeitungseinrichtungen 24 geliefert.
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Um die Fig. 8 verständlicher zu machen, wurden die
Behälter 46 mit Abstand voneinander dargestellt, jedoch stoßen
diese Behälter in Wirklichkeit aneinander, um die Röntgenstrahlung
bestmöglich zu nutzen.
TABELLE I
TABELLE I (Fortsetzung)
TABELLE I (Fortsetzung)