JP2013522622A - ビーム形成装置 - Google Patents

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Abstract

【解決手段】
本明細書は、ビーム切断装置に関し、より具体的には、放射線による走査システムで用いられる電子ビームシステム用の螺旋状シャッタに関し、更に具体的には、ビームチョッパ装置の物理的特性又は幾何学的配置を変更することによって、速度及びビームスポットサイズの双方を変化させることが可能なビーム切断装置に関する。本明細書はまた、目標を実質的に均一に照明できるように実質的に一定のサイズ及び速度を有する垂直移動ビームスポットを提供するビーム切断装置に関する。加えて、本明細書は、軽量で、ビームチョッパを用いるＸ線源組立品が重くて展開しにくくならないようにするビーム切断装置に関する。
【選択図】図１

Description

関連出願に対する相互参照
本願は、２０１０年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／３１３，７７２号に優先権のため依拠し、その全体を参照することにより本明細書に援用する。
本発明は、一般的に、人が携帯する危険物を検査するための保安システムに関し、具体的には、電子ビームシステム用の螺旋状シャッタに関し、より具体的には、円筒面上の螺旋状開口を用いて進行する放射線走査ビームの形状を変更するためのシステム及び方法に関する。
保安システムは、現状、衣服の下に隠された密輸品、武器、爆発物、及び他の危険物を検出する能力が限られている。金属探知機及び化学嗅覚性探知機は、一般的に大型の金属製物体及びある種の爆発物の検出に使用されるが、これらの装置を用いて検出することができない広範な危険物が存在する。プラスチック及びセラミック武器は、保安員が検出しなければならない非金属製物体の種類を増している。手で対象者を検査するのは、遅く、不便であり、特に、空港のような通行人の多い場所での標準手続としては一般大衆に許容されにくいだろう。
Ｘ線散乱を用いて様々な種類の物質の画像を生成できることが本技術分野において知られている。散乱されるＸ線の強度は、Ｘ線を散乱する物質の原子数（Ｚ）に関連する。一般に、２５未満の原子数に対して、Ｘ線後方散乱の強度即ちＸ線反射率は、原子数が増えるにつれて減少する。画像は、主に、対象者の身体の原子数の変化によって変調される。低Ｚ物質は、人員検査において特別な問題を呈する。何故なら、低Ｚを有する対象者の身体の背景から低Ｚ物体を識別することが困難であるためである。
人間に隠し持たれた物体を検出するための公知の従来技術によるＸ線システムは、健康上の要請である低い放射線量を達成することを阻んだり、商業的に受け入れられるための前提条件である高画質の生成を妨げたりする設計及び方法上の制約を有している。低レベルの放射線被曝で動作する検査システムは、検査中の人に向けることができる放射線量が小さいことにより、その精度において制限されている。Ｘ線の吸収及び散乱が、対象者及び隠された物体の画像を形成するのに使用可能なＸ線の量を更に減らしてしまう。従来技術のシステムでは、このように検出されるＸ線量が低いことによって、許容できないほど低い画質という結果になる。
この問題は、Ｘ線検査システムが、スタジアム、ショッピングモール、屋外の展示会、祭りなど開放された場所で使用されている場合、更に重大となる。そのような場所では、装置の近くにも装置から離れた位置にも人々がいる可能性があるためである。もし走査中の対象者がＸ線装置にあまり近くなければ、その人に届く放射線量が非常に低いため、得られる画像が十分に明確ではない可能性がある。このことにより、システムの走査範囲は、装置の前面から数フィートに限定される。しかしながら、走査される人がＸ線装置に近すぎると、その人に当たる放射線量が安全ではない可能性がある。
公知のＸ線検査システムによってもたらされる放射線被曝の量は、システムで用いられるビーム切断装置によって一般に制限される。
従来のビーム切断機構は、互いに一定の距離にある埋め込まれたコリメータスリットを有するディスクホイールから一般に構成される。ディスクホイールは特定の速度で回転され、特定のエネルギーのＸ線ビームが、チョッパホイールのスリットを通過するとき、より焦点の合ったビームに向けられる。従来のチョッパホイールについて、本明細書を通して本発明と関連させながら、以下により詳細に説明する。
放射線源は典型的に非常に重いことを当業者は理解しているだろう。Ｘ線源の重量に対応するために、従来技術で用いられるチョッパホイールの構成は必然的にかなり重くなる。このことによりシステムの重量が大幅に増加して、可搬性が悪くなる。加えて、従来技術で用いられるチョッパホイールは、バランス及びジャイロスコープ効果を伴う。例えば、ジャイロスコープ効果は、ひもを引く（こまのような）ジャイロスコープ玩具にたとえることができる。頂部が高速で回転しているときは運動の揺れは目に見えないが、いったん速度が落ちると頂部はふらついて揺れ始める。よって、バランスを維持するために保たなければならない或る一定の回転数（ＲＰＭ）が存在する。加えて、重量が増すと、高回転でうなり音の問題がある。従来のチョッパホイール構成を用いる際の課題を克服するためには、チョッパホイールの速度及びサイズを機械的に操作することが必要である。
よって、必要とされているのはビーム切断装置であり、より具体的には、ビームチョッパ装置の物理的特性又は幾何学的配置を変更することによって、速度及びビームスポットサイズの双方を変化させることが可能な電子ビームシステム用の螺旋状シャッタである。
また、ビーム切断装置、より具体的には、目標を均一に照明できるように一定のサイズ及び速度を有する垂直移動ビームスポットを提供する電子ビームシステム用の螺旋状シャッタの必要性がある。
更に、ビーム切断装置、より具体的には、動作時により広い視野を生じる電子ビームシステム用の螺旋状シャッタの必要性がある。
また、ビーム切断装置、より具体的には、軽量で、ビームチョッパを用いるＸ線源組立品が重くて展開しにくくならないようにする電子ビームシステム用の螺旋状シャッタの必要性がある。
本明細書はＸ線装置について記載しており、Ｘ線放射を発するＸ線源と、前記Ｘ線源に連結されたビーム切断装置とを備え、前記ビーム切断装置は、前記Ｘ線放射を受け取るとともに周波数を有する移動ビームスポットを形成するように構成されており、前記ビーム周波数は実質的に一定であるＸ線装置である。
一例として、前記ビーム切断装置は、少なくとも１つの螺旋状開口を有する中空円筒を備える。前記ビーム切断装置は、少なくとも２つの螺旋状開口を有する中空円筒を備える。前記ビームは直線走査速度を有し、前記直線走査速度は、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つのピッチ及びロールを変更することによって変化する。前記ビームは直線走査速度を有し、前記直線走査速度は、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つのピッチ及びロールを変更することによって一定に保持される。前記ビームはスポットサイズを有し、前記スポットサイズは、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つの開口幅を変更することによって変化する。前記ビームはスポットサイズを有し、前記スポットサイズは、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つの開口幅を変更することによって一定に保持される。前記円筒を回転させるためのモータを更に備える。所定の走査速度を得るために前記円筒の回転速度を動的に変更するための制御装置を更に備える。前記回転速度は８０，０００ＲＰＭ以下である。前記ビームは走査速度及びスポットサイズを有し、前記走査速度及びスポットサイズは、前記モータの速度を変化させることなく変更可能である。前記ビーム切断装置は、少なくとも２つの螺旋状開口を有する中空円筒を備え、各螺旋状開口は長さと前記長さに沿って開口幅とを有し、前記開口幅は長さに沿って狭くなる。前記ビーム切断装置は、少なくとも２つの螺旋状開口を有する中空円筒を備え、各螺旋状開口は長さと前記長さに沿って開口幅とを有し、前記開口幅は長さに沿って大きくなる。
別の実施の形態では、Ｘ線装置は、（ａ）Ｘ線放射を発するＸ線源と、（ｂ）前記Ｘ線源に連結されたビーム切断装置とを備え、前記ビーム切断装置は、前記Ｘ線放射を受け取るとともに速度を有する移動ビームスポットを形成するように構成されており、前記ビーム速度は実質的に一定である。
別の実施の形態では、Ｘ線装置は、（ａ）Ｘ線放射を発するＸ線源と、（ｂ）前記Ｘ線源に連結されたビーム切断装置とを備え、前記ビーム切断装置は、円筒の長さを規定する第一端及び第二端と、前記長さに沿って実質的に延びる少なくとも１つの螺旋状開口とを有する中空円筒を備え、前記円筒は、前記Ｘ線放射を受け取るとともに前記螺旋状開口を通して前記Ｘ線放射を発するように構成されている。
一例として、前記Ｘ線放射は螺旋状開口を通過してビームスポット投射パターンを生成し、前記ビームスポット投射パターンは、前記Ｘ線源の平面に対して垂直な平面上で実質的に一定の速度で垂直に移動するビームスポットを備える。前記ビームスポット投射パターンは、前記ビーム切断装置の平面に対して平行な平面上で実質的に一定の速度で垂直に移動するビームスポットを備える。前記ビームスポットは、目標対象物に対して実質的に均一な照明を提供する。前記ビームスポットは台形状である。前記螺旋状開口は、前記第二端において前記第一端よりも狭い幅を有する。
本発明のこれら及び他の特徴及び効果は、以下の詳細な説明を、添付図面と関連付けて検討しながら参照することによってより良く理解されることが分かるだろう。
本発明の一実施形態によるスピンロールチョッパの典型的な設計を示す機械図。 Ｘ線源を備えるとともに従来のチョッパホイールに重ねられた本発明のスピンロールチョッパ機構を示し、両者間のサイズの違いを示す図。 本発明の一実施形態による典型的なスピンロールチョッパを使用して得られたＸ線点投射を示す第一の図であり、＋４５度の合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転を５度ずつ増加させた実験データを示す。 本発明のスピンロールチョッパを使用して生じた飛点間の直線変位値及び飛点の相対形状及びサイズを示す図であって、実験データは、４５度の合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転の５度ずつの増加を表す。 垂直スピンロールチョッパ平面の中央線におけるＸ線ビーム投射を示す図であって、Ｘ線ビームが４５度位置にて線源から走査する際に２つの螺旋状開口を通過するＸ線ビームを示す。 スピンロールチョッパの２つの螺旋状スリットを放射線ビームが通過する際の垂直スピンロールチョッパ平面の中央線におけるＸ線ビーム投射を示し、＋４５度の合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転を５度ずつ増加させた実験データを示す。 従来技術のディスクホイールチョッパを使用して得られた複数のビームスポット／目標パラメータに関する実験データを示す表であり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査で５度ずつ増加させたデータが提供されている。 従来技術のチョッパホイールを用いることにより生じたビーム投射を示し、ビームの幅と生じた点のサイズとが走査毎に変わることを示す。 本発明のスピンロールチョッパを使用して得られた複数のビームスポット／目標パラメータに関する実験データを示す表であり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転を５度ずつ増加させたデータが提供されている。 従来技術のディスクホイールチョッパを使用した走査平面におけるビームスポットの直線変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。 本発明のスピンロールチョッパを使用した走査平面におけるビームスポットの直線変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。 従来技術のディスクホイールチョッパを使用したビームスポットの走査変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。 本発明のスピンロールチョッパを使用したビームスポットの走査変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。 従来技術のディスクホイールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット幅の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。 本発明のスピンロールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット幅の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。 従来技術のディスクホイールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット高さの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。 本発明のスピンロールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット高さの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。 従来技術のディスクホイールチョッパを使用した投射目標／ビームスポットサイズの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。 本発明のスピンロールチョッパを使用した投射目標／ビームスポットサイズの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。 一実施形態による単一の線源を備えた本発明のスピンロールチョッパを用いたビームの軌道の数学的表現。 本発明の一実施形態によるスピンロールチョッパの構成部品の設計を示す図。 本発明の一実施形態による磁気軸受組立品を装備した組立済みスピンロールチョッパを示す図。
本発明は、危険物探知用システムにおいて実施された場合に、検査手順の効率を保ちつつ高い放射線に個人を被曝させることなく保安検査場にて個人を検査する改良方法を提供するスピンロールビームチョッパ装置又は電子ビームシステム用螺旋状シャッタを提供する。本発明のビームチョッパは、検査システムからの個人の距離にかかわらず、最大の危険物検出性能及び画像明瞭さが得られる。加えて、本発明のスピンロールチョッパは、比較的高速で回転し、そのため一人当たりに要する走査時間が減るという点で有利である。更に、本発明のスピンロールチョッパは、スピンロールチョッパの物理的特性又は幾何学的配置を変更することで、速度及びビームスポットサイズを変化させることが可能である。
本発明の一実施形態では、スピンロールチョッパは危険物検出システムと組み合わせて使用され、以下に限られるものではないが、Ｘ線散乱、赤外線撮像、ミリメートル波撮像、無線周波数撮像、レーダー撮像、ホログラフィック撮像、ＣＴ撮像、及びＭＲＩといった「身体撮像」用の任意の利用可能な放射線撮像技術を用いてＸ線画像が形成される。身体の詳細を表示する可能性を有する任意の「身体撮像」システムを用いることができる。一実施形態では、本発明のスピンロールチョッパとともに、任意の光検出可能な放射線又は光ビームを備えた任意の放射線源を用いることができる。
当業者が本発明を実施できるように、以下の開示を提供する。この明細書で使用される文言は、特定の一実施形態を一般的に否定するものとして解釈されるべきでないし、クレームが明細書中で使用される用語の意味を越えるのを制限するために使用されるべきでもない。本明細書で規定される一般的な原理は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の実施形態及び用途にも適用することができる。また、使用される用語及び表現は、典型的な実施形態を説明するためのものであって、限定的に考慮すべきではない。よって、本発明には、開示された原理及び特徴と整合する多くの代替手段、変形例及び同等手段を包含する最大の範囲が与えられる。本発明を不必要に分かりにくくしないように、明確さのため、本発明に関連する技術分野で知られている技術的内容に関する詳細については詳しくは説明しない。
種々の実施形態において、本発明は、Ｘ線ビーム走査器用の、円筒上に形成された螺旋形状シャッタ（開口）を呈するように設計されたユニークなビーム切断機構を提供する。図１は、本発明の種々の実施形態で使用される、スピンロールチョッパの一実施形態による典型的な設計を示す。ビームチョッパ１０２は、一実施形態において、螺旋状チョッパスリット１０４を有する中空円筒の形をとるように製造される。円筒形状のため、ビームチョッパ１０２が、Ｚ軸回りに且つ螺旋状開口１０４とともに回転してスピンロール運動を行うことが可能となり、これによって、以下に説明するように、チョッパを軽量に保つと同時にスピンロール質量が回転軸に近いことにより慣性モーメントを小さくしつつ、効率的な走査ひいては良好な画像解像度が得られる。別の言い方をすれば、このスピンロールチョッパの半径は、従来技術のビーム切断機構、特にディスクチョッパと比べて小さい。
一実施形態では、中空円筒は、その垂直軸に沿った中間点において７．２３インチの高さ１２０を有する。よって、一実施形態では、円筒の全高は１４．４６インチである。一実施形態では、螺旋状スリット１０４は、１１２．５度の螺旋状捻れ角１２５、２３．１２５０度のピッチ及び０．３１２５度のロールを有する。なお、螺旋状捻れ角１２５は、円筒がｚ軸回りに合計９０度回転した際の、ｙ軸（中心線）からの螺旋状開口の運動角を表す。
よって、本発明のスピンロールチョッパを用いたＸ線ビーム走査器は、少なくとも２つの螺旋状スリット１０４が機械加工された中空円筒１０２を回転させることによってビーム切断を実行し、これによって、一定及び可変両方の直線走査ビーム速度及び走査ビームスポットサイズでのＸ線ビーム走査が可能となる。本発明のスピンロールチョッパは、螺旋状開口の幾何学的配置を操作することによって、一定及び可変両方の直線走査ビーム速度を可能とする。一実施形態では、スピンロールチョッパの長さに沿った螺旋状開口のピッチ及びロールを操作することによって、速度を変化させたり一定に保持したりする。従って、一定速度にしたり、より高い解像度が要求される領域に向かって走査速度を遅くしたりすることが可能である。
本発明のスピンロールチョッパはまた、螺旋状開口の幾何学的配置を操作して、生成されるビーム出力を変化させることによって、可変及び一定のビームスポットサイズを実現する。一実施形態では、ビームスポットサイズを変化させるために開口の実際の幅を操作することが可能である。一実施形態では、螺旋状開口の幅は、線源の中心からの開口の変化する距離を補正して、走査線に沿って一様なビームスポット投射となるように、スピンロールチョッパ円筒の長さに沿って変化する。よって、一実施形態では、開口が線源から遠く離れていればいるほど、ビームスポットサイズが小さくなるように螺旋状開口の幅が狭くなる。一実施形態では、開口が線源に近ければ近いほど、ビームスポットサイズが大きくなるように螺旋状開口の幅が広くなる。この構造を以下により詳細に説明する。
身体走査システムで用いられる場合、高い詳細さ及び解像度を必要とする身体領域（髪の毛、足部等）に対してはより大きなビーム走査出力が向けられ、放射線により敏感な身体領域（胴部等）に対してはより小さな出力が向けられるように、螺旋状開口のピッチ及びロール及び幅を変化させることが可能である。
螺旋状スリット１０４はまた、Ｘ線ビームの投射が２つのスリットの二重コリメーションによって制限されないことを確保する。以下により詳細に説明するが、二重コリメーションとは、Ｘ線ビームが任意の所与の時点で２つの螺旋状スリットを通過するという概念を言う。結果として生じるＸ線ビーム軌道１３０を図１に示し、以下で図１０を参照して詳細に説明する。一実施形態では、一対の螺旋が１つの移動ビームを生成する。別の実施形態では、走査要件に応じて追加の移動ビームを生成するために、追加の螺旋対を任意に加えてもよい。なお、従来技術のチョッパホイールは、１つの走査ビームを生成することができるに過ぎない。
本発明の実施形態では、スピンロールチョッパの螺旋状スリットを通して、６０度から９０度にわたる複数の視角を得ることができる。一実施形態では、走査角は、スピンロールチョッパと線源及び目標双方との距離の関数である。加えて、スピンロールチョッパの全高及び直径が、視角に影響する。スピンロールが線源の近くにあればあるほどスピンロールチョッパを小さくする必要があり、同様に、スピンロールチョッパが線源から遠くにあればあるほどスピンロールチョッパを大きくする必要がある。
図２は、図１を参照して説明されるスピンロールチョッパを用いたビーム切断機構を示す。図２に示されるように、円筒状スピンロールチョッパ２０２は放射線源２０４の前に置かれており、一実施形態では、放射線源２０４はＸ線管を備える。一実施形態では、電磁モータのような適切なモータ２０８を備えることによってチョッパ２０２の回転がなされる。別の実施形態では、以下により詳細に説明するように、本発明のスピンロールチョッパの回転運動を容易にするために磁気軸受が使用される。スピンロールチョッパシステムの回転速度又はＲＰＭは、走査速度を最適化するように動的に制御される。一実施形態では、スピンロールチョッパシステムは、最大８０，０００（８０Ｋ）ＲＰＭの速度を達成することが可能である。
一実施形態では、線源から放射線の扇状ビームのみが生成されるように、放射線源２０４に放射線遮蔽（図示せず）が設けられている。放射線の扇状ビームはＸ線を発し、その後、アクティブシャッタとして機能するスピンロールチョッパを通過する。よって、スピンロールチョッパひいては螺旋状開口が回転しているとき小さな開口のみがあり、これにより移動する飛点（フライングスポット）ビームが得られる。
図２はまた、スピンロールチョッパとともに線源に重ねられた従来技術によるディスクチョッパホイール２１０をも示す。チョッパホイール２１０は、スピンロールチョッパ２０２よりも実質的に大きいことが図２から分かる。
従来技術のチョッパホイールでは、チョッパホイール自体の円形という性質のため、生成される飛点ビームは、軸にちょうど入る際の加速度及び減速度が異なる。また、チョッパホイール自体は、線が通過する各点においてただ１つの開口を有する。単一の開口の幾何学的特性は変えられないため、スリットが中心から遠ければ遠いほどビームは大きくなり、スリットが中心から近ければ近いほどビームは小さくなる。更に、従来技術のチョッパホイールを用いる場合、速度及びスポットサイズは、チョッパホイールに取り付けられたモータの速度を変化させることによって、機械的にのみ操作することができる。しかしながら、ディスクチョッパホイールには複数の開口があり、当業者に公知であるようにそれらが全く同じように振る舞うように各開口を形成するのは困難であるため、周波数及び走査線には常に変動があることに留意すべきである。本発明のスピンロールチョッパは、周波数が終始連続的であるように設計されているため、これらの欠点が克服される。
図３Ａから３Ｄは、図１に示される本発明のスピンロールチョッパを用いて得られたＸ線飛点ビーム投射の幾何学的表現であり、＋４５度の合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転を５度ずつ増加させて捕捉された実験データを示す。よって、実験データを生成するために、４５度の合計走査ビームの走査を５度ずつ増加させて、走査が時間的に止められる。しかしながら、実際の用途では、スピンロールの運動及び走査ビームの走査は連続的であることを理解すべきである。
図３Ａから３Ｄに示されるように、Ｘ線源のような放射線源３０２から発せられた放射線は、スピンロールチョッパ３０４によって変調される。各回転において、放射線ビームは、チョッパ３０４の２つの螺旋状スリット３１５を通過して、一実施形態においてＸ線源の平面３１０に垂直且つチョッパ３０４の平面３１２に平行な「目標」平面３０８上でビームスポット投射パターン（目標）３０６を結果的に生成する。一実施形態では、「目標」平面３０８は、線源３０２から１８インチの位置にある。これらの走査点そして実験データ点は、ビーム及び切断機構の実際の運動を代表するものであり、本発明の利点を示すために提供されていることに留意すべきである。よって、走査する放射線ビームの実際の移動とスピンロールチョッパの回転とは連続的であることを理解すべきである。
図３Ｂは、本発明のスピンロールチョッパを使用して生じた飛点間の直線変位値と飛点の相対形状及びサイズとを示す図であり、実験データは、４５度の合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転の５度ずつの増加を表す。図３Ｂにより明確に示されるように、一実施形態では、生成されるビームスポットパターン３０６は、従来技術のホイール切断機構を使用した検出システムの特性と変わらない若しくはそれを上回る特性を示す。上記のとおり、スピンロールチョッパ３０４は、螺旋状開口幅と円筒に沿う螺旋のピッチ及びロールとを変更することによって、ビームスポット３０６のサイズ及び位置をカスタマイズすることが可能である。図３Ｂは、−９０度から＋９０度まで変化する円筒の角回転に対して、走査平面３０８における直線変位３２０、投射される目標幅３２５及び投射される目標高さ３３０の典型的な値を示す。
一実施形態では、結果として生じるビームスポット３０６は、台形状である。台形状スポットの高さが高くなり台形状スポットの幅が狭くなればなるほど、解像度が高くなる。飛点ビームは垂直に進むため、飛ぶ方向に高さが長くなればなるほど走査性能が良くなる。これは、飛ぶビームスポット投射を「集めた」場合に、隣接するビームスポットの高さが高いほど互いに近くなって重なり、従って高いエネルギー、より良い解像度で連続的な走査線を生成し、結果としてより高い解像度の画像となるからである。加えて、生成された飛点が小さければ小さいほど、焦点がより合っているため、出力が大きくなる。
図３Ｃは、垂直スピンロールチョッパ平面３１２の中央線におけるＸ線ビーム投射を示す図であり、Ｘ線ビームが４５度の位置にて線源３０２から走査する場合に、スピンロールチョッパ３０４の２つの螺旋状開口３１５を通過するＸ線ビーム３１３を示す。
図３Ｄは、スピンロールチョッパの２つの螺旋状スリットを放射線ビームが通過する際の垂直スピンロールチョッパ平面の中央線におけるＸ線ビーム投射を示し、＋４５度の合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転を５度ずつ増加させた実験データを示す。図３Ｄに示されるように、ビーム３４０は、スピンロールチョッパ螺旋状開口３１５ａ上の第一開口点３４２を通過し、その後、スピンロールチョッパ螺旋状開口３１５ｂ上の第二開口点３４４を伝播する。
本発明のスピンロールチョッパは、従来技術の回転ディスクチョッパホイールと異なり、目標への均一な照明が得られるように実質的に一定の速度で垂直に移動するビームスポットを提供する。よって、本発明のスピンロールチョッパは、運動を行い、実質的に正確に且つ実質的に一定の速度でビームスポットを投射する。また、スピンロールは、対象物上の全ての点において実質的に均一なサイズであるビームが得られる。よって、放射線は出力及び距離の関数であり、スピンロールを使用することによって、飛ぶビームが均一な出力配分となるように（全ての点で出力及び距離が等しくなるように）ビームの速度を正確に制御することができる。また、本発明のスピンロールチョッパを使用することによって、走査ビーム自体の軸とともに形状を変化させるように、走査ビームの形状に対する減衰が得られる。従来のチョッパホイールと本発明のスピンロールチョッパとの差異について、図４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ，９Ａ及び９Ｂを参照して説明する。
図４Ａは、従来技術のディスクホイールチョッパを使用して得られた複数のビームスポット／目標パラメータに関する実験データを示す表であり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査で５度ずつ増加させたデータが提供されている。図４Ａは、これらに限られるものではないが、走査平面上での直線変位４１０（線源から目標までの距離の長さに沿う何処かを切り取ったものを表す）、点と点との間の走査変位４１５（点は実験データを得るために任意に選択された飛点である）、投射幅４２０、投射目標高さ４２５、及び投射目標サイズ４３０のような、線源ひいてはビームの様々な角度変位４０５に対する複数のパラメータの変化を示す。これらの全てについて、以下により詳細に説明する。
図４Ｂは、従来技術のチョッパホイール４４０を使用して得られたビーム投射を示し、ビームの幅４４２と生じた点のサイズ４４４とが走査毎に変わることを示す。当業者は、従来のチョッパホイール４つのスリットを備え、各スリットがフランジの周囲で互いに９０度の位置にあることを理解するだろう。しかしながら、これらのスリットが正確に９０度で製造され切削されると仮定するのは現実的でない。よって、チョッパホイールが回転されると、これらのスリットが不正確であるがために歪みが生じるだけでなく、上述したように、チョッパホイール中心からのスリットひいてはビームの距離に応じてビームサイズが変わるために歪みが生じる。加えて、従来技術のチョッパホイールでは、各点に１つしか開口がなく、また連続的なスリットでないため、スリットのサイズを容易に操作することができない。これによって、チョッパホイール上の各点から全く異なり不均一な距離に飛点があるという結果となる。
図４Ｃは、本発明のスピンロールチョッパを使用して得られた複数のビームスポット／目標パラメータに関する実験データを示す表であり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転を５度ずつ増加させたデータが提供されている。よって、図４Ｃは、これらに限られるものではないが、走査平面上での直線変位４５４（線源から目標までの距離の長さに沿う何処かを切り取ったものを表し、この例では１８インチである）、点と点との間の走査変位４５６（点は実験データを得るために任意に選択された飛点である）、スピンロールチョッパの中央線上且つｚ軸に沿う位置にある垂直平面におけるスポットサイズ幅４５８、スピンロールチョッパの中央線上且つｚ軸に沿う位置にある垂直平面におけるスポットサイズ高さ４６０、スピンロールチョッパの中央線上且つｚ軸に沿う位置にある垂直平面におけるスポットサイズ面積４６２（平方インチ）、スピンロールチョッパの中央線且つｚ軸に沿うｘ軸垂直平面上の投射目標幅４６４、スピンロールチョッパの中央線且つｚ軸に沿う垂直平面におけるｚ軸に沿った投射目標高さ４６６、及び、スピンロールチョッパの中央線且つｚ軸に沿う垂直平面での投射目標サイズ４６８のような本発明のスピンロールチョッパの様々な角度回転４５０並びに線源ひいては生成されるビームの様々な角度変位４５２に対する複数のパラメータの変化を示す。これらの全てについて、以下により詳細に説明する。
図５Ａは、従来技術のディスクホイールチョッパを使用した走査平面におけるビームスポットの直線変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。これらのスポットは４パターンの軌跡をたどっており、ホイールの４つのスリットを表していることが見出された。図５Ａのグラフでは、図５Ｂに示すスピンロールチョッパに対する直線変位５０５ｂと比べて、ビームスポットは、チョッパホイールに対する走査平面上のスポットの変化が大きい直線変位５０５ａを有する。図５Ｂは、本発明のスピンロールチョッパを使用した走査平面におけるビームスポットの直線変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。上記に詳述したように、解像度は、どのように及びどれくらいの速度でチョッパホイールが回転するかによる。切断機構が速く回転すればするほど、周波数の変化が小さくなる。本発明のスピンロールチョッパは、最大８０，０００ＲＰＭで回転可能である。
図６Ａは、従来技術のディスクホイールチョッパを使用したビームスポットの走査変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されており、点と点との間の走査変位６１０ａはチョッパホイールに対して歪んでいることを示す。
図６Ｂは、本発明のスピンロールチョッパを使用したビームスポットの走査変位の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されているが、図６Ｂに示されるように、走査変位６１０ｂは、スピンロールチョッパに対して実質的に真っ直ぐである。これは、本発明のスピンロールチョッパでは、１８０度毎に重なる２つの螺旋状スリットがあるためである。よって、放射線ビームには通過するための２つのスリットがあるため、ある時点においてＸ線が双方のスリットを通過してビームスポットを生成する。これは二重コリメーションと呼ばれ、また、周波数のずれを防止することによって周波数を実質的に一定に保つ。スピンロールのスリットは連続的であるため「スリット間の距離」における誤差が小さく、一方、チョッパホイールでは、実際上、スリットを互いから９０度にすることは非常に困難である。
本発明の実施形態によれば、ビーム中心からのある距離において、（スピンロールチョッパの）螺旋状スリットは他よりも広く保たれる。図１０は、一実施形態による単一の線源を用いたビームの軌道１００５の数学的表現である。スピンロール円筒における螺旋状切れ込みの寸法を得るために、この軌道の１つの寸法が取り除かれる。より具体的には、スリットは、頂部１０１０においては、ビーム進行距離が大きいため、より狭くなっている。なお、Ｘ線ビームが何れかの開口を通過して進むとき、ビームはコリメートされる。ビームが遠くまで進めば進むほど、ビームの端部で生じる「スポット」（扇状ビーム）は広くなる。頂部１０１０にてスリットを狭くすることによって、このように距離が大きいこと、そしてビームが広くなることが考慮される。加えて、点１０１５のように対象物への距離が短い場所では、スリットは広く形成される。また、スリットのサイズを調整することによって、真っ直ぐ投射されるビームの密度を調整可能であることを当業者は理解するだろう。
図７Ａは、従来技術のディスクホイールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット幅の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。一方、図７Ｂは、本発明のスピンロールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット幅の変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。図７Ｂに示されるように、図７Ａに示したチョッパホイールに対する比較的変化が大きいビーム／スポット幅７１５ａと比べて、スピンロールでは、（検査中の）対象物からの距離が短い場所ではスリットを広くするとともに対象物からの距離が長い場所ではスリットを狭くすることによってこの距離（−９０度から＋９０度まで）を補正しているため、生成されるビーム／スポット幅７１５ｂが全体を通して均一である。
図８Ａは、従来技術のディスクホイールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット高さの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。一方、図８Ｂは、本発明のスピンロールチョッパを使用した投射目標／ビームスポット高さの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。よって、図８Ａに示されるように、チョッパホイールでは、図８Ｂのスピンロールでの投射目標高さ８２０ｂと比較して、投射目標高さ８２０ａの変化が大きい。
図９Ａは、従来技術のディスクホイールチョッパを使用した投射目標／ビームスポットサイズの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査に対するデータが提供されている。一方、図９Ｂは、本発明のスピンロールチョッパを使用した投射目標／ビームスポットサイズの変化を示すグラフであり、−４５度から＋４５度までの合計走査ビームの走査且つ−９０度から＋９０度までのスピンロールチョッパ回転に対するデータが提供されている。やはり、図９Ａに示されるように、チョッパホイールでの投射目標サイズ９２５ａは、図９Ｂに示すスピンロールの投射目標サイズ９２５ｂと比較して、変化が大きい。
図１１は、本発明の一実施形態によるスピンロールチョッパの設計及び制作を示す。図示されるように、螺旋状スリット１１０４が機械加工された中空のタングステン円筒１１０２は、スピンロールチョッパ組立品１１００の内側層を構成する。円筒１１０２は、１又は２個の一体成形されたタングステンから形成される。タングステンはイオン化放射線を通さないため、Ｘ線ビームはタングステンを透過しない。炭素繊維生地１１０６（これに限られるものではないがケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）等）が、タングステン円筒１１０２の周囲を包んでいる。炭素繊維はＸ線ビームを透過させるため、タングステン円筒１１０２に切り抜かれた螺旋状スリットの形状をしたビーム通過用窓（移動開口）が形成される。更に、一実施形態では、炭素繊維１１０６をタングステン円筒１１０２に結合させるために、ポリエチレンエポキシ遮蔽等のエポキシ遮蔽１１０８が使用される。エポキシ遮蔽もまた、タングステンに切り抜かれた螺旋状スリットの形状をしたビーム通過用窓（移動開口）を形成する。エポキシ遮蔽は、炭素繊維カバーがほつれるのを防止する。
第一実施形態では、円筒は、旋盤等で回転して作られ、真鍮から製造される。
一実施形態では、炭素繊維が被覆されたタングステン円筒の周りにエポキシ遮蔽を形成するために、少なくとも２つの液体成分を混合し、混合すると、その化学成分が固体エポキシ被覆を形成するという化学的設定技術（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いる。一実施形態では、形成される固体エポキシ被覆はポリエチレンエポキシである。
一実施形態では、炭素繊維が被覆されたタングステン円筒の周りにエポキシ遮蔽を形成するために、内部がタングステン及びケブラーの軽量構造となるように融点まで加熱された回転し熱された（例えば摂氏４００度）エポキシ粉末鋳型内へ円筒を入れるという加熱設定方法（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いる。一実施形態では、エポキシ遮蔽１１０８は、最大８０，０００ＲＰＭの遠心力に耐えるのに十分な硬度、強度及び耐久性を有する。
一実施形態では、スピンロールチョッパ組立品１１００は、電磁モータ駆動を使用して、回転が動的に制御される。
一実施形態では、軽量のチョッパ組立品１１００は、磁気軸受組立品１１１０を用いて回転される。これにより、チョッパを回転させるモータの必要性がなくなり、従ってチョッパ組立品を更に軽量に保つのに貢献する。磁気軸受組立品１１１０は、磁気ロータ１１１０ａ及び磁気軸受ステータ１１１０ｂを備える。回転運動だけでなく、磁気軸受組立品１１１０は、起動時（オン状態）及び停止時（オフ状態）並びに予期しない停電時にチョッパを磁気浮揚させるためにも使用される。
円筒１１０２とチョッパの回転運動を支持するのに用いられる軸受との材料に応じて、様々な範囲の回転数（ＲＰＭ）を得ることができる。例えば、ダイヤモンド軸受とともに真鍮から製造されたむき出しの円筒１１０２を用いると最大１，０００ＲＰＭまで回転可能であり、ダイヤモンド軸受とともにタングステンから製造されたむき出しの円筒１１０２を用いると最大４，０００ＲＰＭまで回転可能であり、一方、タングステンから製造されむき出しの円筒１１０２にケブラー及びエポキシを被覆してダイヤモンド軸受を用いて回転させると最大８０，０００ＲＰＭまで回転可能である。
図１２は、磁気軸受組立品１２１０とともに組立済みスピンロールチョッパ円筒１２００を示す。
磁気軸受は、物理的接触なしでスピンロールチョッパの回転運動を支持し、極めて低い摩擦及び機械的摩耗なしで相対運動を可能とすることを当業者は理解するだろう。一実施形態では、図１１に戻ると、空間内にスピンロールを浮かせるとともにより高い回転数（ＲＰＭ）を実現するために、ロータ１１１０ａとステータ１１１０ｂとの間の空間がアルゴン等の不活性ガスで満たされている。
磁気軸受は磁気浮上の原理で機能し、一実施形態では、電磁石組立品、電磁石に電流を供給する一組の増幅器、制御装置、及び、隙間内でのロータの位置を制御するために要求されるフィードバックを提供する電子部品と関連する隙間センサを備える。増幅器は、ロータの両側にある２組の電磁石に等しいバイアス電流を供給する。この一定の対立は、ロータがその中心位置から少し逸脱すると、等しいが逆の電流摂動によってバイアス電流を相殺する制御装置によって仲裁される。隙間センサは、通常、本来は誘導型であり、差動モードで検知する。増幅器は、一実施形態では、パルス幅変調（ＰＷＭ）構成で動作する半導体装置である。制御装置は、マイクロプロセッサ又はＤＳＰである。
本発明のスピンロールチョッパは非常に高速で回転可能であるため、複数のＸ線ビームとともにチョッパを使用することが可能であることが理解されるだろう。一実施形態では、どのビームがアクティブであるかを判断するための４つ別々の対応検出器パネルとともに、４つのビームが使用される。
本発明は、スピンロールチョッパの距離が最小走査高さに直接的に相関していることを規定している。これによって線源から目標までの距離を長くして、線量率に対する被写界深度を延ばすことが可能となる。よって、所与の撮像深度に対して、本技術分野で知られる他のシステムと比較して、本発明のスピンロールチョッパを用いた危険物検出システムで必要とされる放射線量は少ない。一実施形態では、本発明のスピンロールチョッパは、運動学的性質及び結果である慣性モーメントのため、その向きに影響されない。
典型的な実施形態では、スピンロールチョッパは、歩行通過検出システムとして実施される検出システムにおいて使用される。スピンロールチョッパの新規な設計によって、武器及び危険物が低Ｚ物質から構成されるか否かにかかわらず、それらを検出するのに低レベルの放射線量を用いることが可能となる。空港や鉄道の駅、スタジアムやショッピングモールなど開放され混雑した場所で客の検査に使用される他にも、本発明のスピンロールチョッパの用途は、港、国境、税関等の通過地点、並びにその他の保安検査場における車両及びコンテナの中身を検査するための検出システムにも拡大されてよい。
上記の例は、本発明のシステムの多くの応用例を例示するものに過ぎない。本明細書では、本発明の幾つかの実施形態のみを説明したが、本発明は、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他の多くの具体的な形式で具体化されうることが理解されるだろう。よって、本例及び実施形態は例示的なものであって限定するものではないと考えなければならない。

Claims (20)

  1. Ｘ線放射を発するＸ線源と、
    前記Ｘ線源に連結されたビーム切断装置とを備え、前記ビーム切断装置は、前記Ｘ線放射を受け取るとともに周波数を有する移動ビームスポットを形成するように構成されており、前記ビーム周波数は実質的に一定であることを特徴とするＸ線装置。
  2. 前記ビーム切断装置は、少なくとも１つの螺旋状開口を有する中空円筒を備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。
  3. 前記ビーム切断装置は、少なくとも２つの螺旋状開口を有する中空円筒を備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。
  4. 前記ビームは直線走査速度を有し、前記直線走査速度は、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つのピッチ及びロールを変更することによって変化することを特徴とする請求項３記載のＸ線装置。
  5. 前記ビームは直線走査速度を有し、前記直線走査速度は、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つのピッチ及びロールを変更することによって一定に保持されることを特徴とする請求項３記載のＸ線装置。
  6. 前記ビームはスポットサイズを有し、前記スポットサイズは、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つの開口幅を変更することによって変化することを特徴とする請求項３記載のＸ線装置。
  7. 前記ビームはスポットサイズを有し、前記スポットサイズは、前記螺旋状開口のうち少なくとも１つの開口幅を変更することによって一定に保持されることを特徴とする請求項３記載のＸ線装置。
  8. 前記円筒を回転させるためのモータを更に備えることを特徴とする請求項２記載のＸ線装置。
  9. 所定の走査速度を得るために前記円筒の回転速度を動的に変更するための制御装置を更に備えることを特徴とする請求項８記載のＸ線装置。
  10. 前記回転速度は８０，０００ＲＰＭ以下であることを特徴とする請求項９記載のＸ線装置。
  11. 前記ビームは走査速度及びスポットサイズを有し、前記走査速度及びスポットサイズは、前記モータの速度を変化させることなく変更可能であることを特徴とする請求項８記載のＸ線装置。
  12. 前記ビーム切断装置は、少なくとも２つの螺旋状開口を有する中空円筒を備え、各螺旋状開口は長さと前記長さに沿って開口幅とを有し、前記開口幅は長さに沿って狭くなることを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。
  13. 前記ビーム切断装置は、少なくとも２つの螺旋状開口を有する中空円筒を備え、各螺旋状開口は長さと前記長さに沿って開口幅とを有し、前記開口幅は長さに沿って大きくなることを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。
  14. Ｘ線放射を発するＸ線源と、
    前記Ｘ線源に連結されたビーム切断装置とを備え、前記ビーム切断装置は、前記Ｘ線放射を受け取るとともに速度を有する移動ビームスポットを形成するように構成されており、前記ビーム速度は実質的に一定であることを特徴とするＸ線装置。
  15. Ｘ線放射を発するＸ線源と、
    前記Ｘ線源に連結されたビーム切断装置とを備え、前記ビーム切断装置は、円筒の長さを規定する第一端及び第二端と、前記長さに沿って実質的に延びる少なくとも１つの螺旋状開口とを有する中空円筒を備え、前記円筒は、前記Ｘ線放射を受け取るとともに前記螺旋状開口を通して前記Ｘ線放射を発するように構成されていることを特徴とするＸ線装置。
  16. 前記Ｘ線放射は螺旋状開口を通過してビームスポット投射パターンを生成し、前記ビームスポット投射パターンは、前記Ｘ線源の平面に対して垂直な平面上で実質的に一定の速度で垂直に移動するビームスポットを備えることを特徴とする請求項１５記載のＸ線装置。
  17. 前記ビームスポット投射パターンは、前記ビーム切断装置の平面に対して平行な平面上で実質的に一定の速度で垂直に移動するビームスポットを備えることを特徴とする請求項１６記載のＸ線装置。
  18. 前記ビームスポットは、目標対象物に対して実質的に均一な照明を提供することを特徴とする請求項１７記載のＸ線装置。
  19. 前記ビームスポットは台形状であることを特徴とする請求項１５記載のＸ線装置。
  20. 前記螺旋状開口は、前記第二端において前記第一端よりも狭い幅を有することを特徴とする請求項１５記載のＸ線装置。
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