JP2017127624A - X線回折分光用コリメータ、関連装置およびその使用 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】X線回折分光法によって物体を分析する装置であって、コリメータ40は、コリメータの中心軸と呼ばれる軸に対して傾斜したチャネル42を含み、その結果、様々なチャネルが、物体に分布している様々な基本体積に向き、非侵襲的かつ非破壊的に特徴付けることが望まれる生体組織を分析することを可能にする。
【選択図】図1A
Description
・国際公開2013/098520(特許文献1)に記載されているような、高密度の材料で生成された単純なアパーチャ(aperture;開口)。測定の感度はこのアパーチャのサイズによって制限され、アパーチャは、光学用途のピンホールカメラと同じように作用する。
・US特許7835495B2(特許文献2)に記載されているような、互いに平行に延びるチャネル。これは、装置によって向けられる角度範囲をかなり制限する。
・Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A (2000)のMaldenによる文献「多重散乱角でのエネルギー分散型X線回折特性による荷物中の爆発物の検出のためのCdZnTeアレイ(A CdZnTe array for detection of explosives in baggage by energy-dispersive X-ray diffraction signatures at multiple scattering angles)」に記載されているような、全て同じ点に向かって収束するチャネル。この技術は繊細(sensitive)であるが、検査対象物のポイントごとのスキャンを必要とする。
前記物体を保持することが可能なホルダに向かって伝播する電離電磁放射線を生成するように構成された放射線源と、
前記放射線源と前記ホルダとの間に配置され、前記ホルダに向かって伝播軸に沿って伝播するコリメートされたビームを形成するように構成されたアパーチャを有する第1のコリメータと、
電離電磁放射線を検出してエネルギースペクトルを形成することが可能な画素を有する検出器と、
前記ホルダと前記検出器との間に配置され、前記ホルダによって保持された前記物体によって放射された放射線を、前記物体によって放射された前記放射線の散乱角に応じて、前記検出器に向けて選択的に方向付けるように構成された第2のコリメータと、
を有する。
前記第2のコリメータは、第1の端部と第2の端部との間で、中心軸の周りに延在し、複数のチャネルを含み、各チャネルは、側壁によって境界を定められ、前記第2のコリメータは、
・各チャネルは中央軸を有し、前記中央軸は、前記チャネルの中心において、前記チャネルの境界を定める前記側壁の間に延び、
・各チャネルの前記中央軸は、前記第2のコリメータの前記中心軸と、前記チャネルのコリメート角と呼ばれる鋭角をなし、
・各チャネルは、前記チャネルの中央軸と前記第2のコリメータの中心軸との交差によって形成される、焦点と呼ばれる点に関連付けられ、
・前記第2のコリメータは、前記コリメート角が異なる少なくとも2つのチャネルを含み、これらのチャネルにそれぞれ関連する焦点は、互いに異なり、前記第2のコリメータの前記中心軸に沿って互いに離間している、
ように構成され、
各チャネルは、前記ホルダに配置された前記物体の、前記第2のコリメータによって定義された焦点の周りに延在する基本体積によって放射された放射線を、所定の角度範囲で、前記検出器に向けて通過させる。
・例えばX線管である線源によって放出された電離放射線は、多重エネルギー線である。
・第2のコリメータは、その中心軸がコリメートされた入射ビームの伝播軸と同軸になるように配置される。
・検出器は、第2のコリメータの前記中心軸に垂直な、検出面と呼ばれる平面内に延在している。次に、複数の画素が、第2のコリメータの前記中心軸から半径方向距離と呼ばれる同じ距離に配置される。
・検出器は、検出器の各画素を仮想画素と呼ばれるものに細分することができる、マイクロプロセッサなどのコンピュータに接続される。
a)前記物体を前記装置の前記ホルダ上に置き、伝播軸に沿って前記物体に向かって伝播するコリメートされた入射ビームを形成するように、前記放射線源を用いて前記物体を照射し、前記物体は、前記第2のコリメータによって定義される複数の焦点が前記物体に配置されるように配置される、ステップと、
b)前記検出器の各画素を使用して、前記コリメートされた入射ビームによる放射線に続いて前記物体によって散乱された放射線を検出し、前記検出された放射線の前記エネルギー分布を表すスペクトルを形成する、ステップと、
c)前記物体の所与の体積要素によって散乱された放射線をそれぞれ受け取る複数の画素群を定義し、前記体積要素は、前記伝播軸上に配置され、2つの異なる画素群は、2つの異なる体積要素によって散乱された放射線を受け取る、ステップと、
d)前のステップで定義された各画素群について、各画素によって取得されたスペクトルを結合して、前記画素群に関連付けられた合成スペクトルと称されるスペクトルを確立するステップと、
e)種々の画素群にそれぞれ関連する前記合成スペクトルを使用して、前記物体の複数の体積要素を構成する前記材料の性質を決定する。
・第2コリメータ40を介して物体10を通過した放射線141,142,・・・,14n,・・・,14Nの光子と相互作用することができる検出器材料。この材料は、シンチレータ材料、または、好ましくは、CdTeまたはCdZnTeのような、室温で使用することができる半導体材料である。
・信号を生成することができる電子回路。その信号の振幅Aは、検出器材料と相互作用する各光子によって堆積されるエネルギーEに依存し、好ましくはエネルギーEに比例する。
・取得期間と称される期間に検出された信号からSi,jと表されるエネルギースペクトルを確立することができる分光回路。
・同じコリメート角度θnを有する2つのチャネル42n,42’nの中央軸44n,44’nは、セカント(secant)であり、コリメート角θnで、コリメータの中心軸45に沿って位置する焦点Pnと呼ばれる同じ点で交差する。
・コリメート角(θn,θn’)が異なる2つのチャネル42n,42n’の中央軸44n,44n’は、コリメータの中心軸45に沿って位置する2つの異なる焦点Pn,Pn’において中心軸と交差する。
・dは、物体を構成する材料の原子または分子の配列の距離特性である。解析された材料が結晶である場合、dは面間隔(interplanar spacing)に対応する。
・Eは、散乱放射線のエネルギーであり、keVで表される。
・θは、散乱されていない放射線の経路に対する散乱角である。
・h及びcは、それぞれプランク定数と光速である。
a)物体10が放射線源11によって好ましくはプリコリメータ30を通って照射され、コリメートされた入射ビーム12cによって物体が照射され、ビームが伝播軸12zに沿って伝播するステップ。これは、図5のステップ100に対応する。
b)検出器の各画素20i,j、または好ましくは各仮想画素20* k,lが、物体10によって散乱された放射線14のエネルギースペクトルSE i,j(またはSE k,l)を取得するステップであって、各画素(または各仮想画素)は、物体内の体積要素δVRに関連付けられている。好ましくは、各体積要素には2つ以上の画素が向けられている。これは、図5のステップ120に対応する。
c)複数の画素群20Rが定義され、各画素群が、物体10内の所与の体積要素δVRから来る散乱放射線を受ける画素を含み、この体積要素は伝播軸12z上に配置され、2つの異なる画素群20R、20R’は、検出器からの2つの異なる距離z,z’にそれぞれ位置する2つの異なる体積要素δVR,δVR’によって散乱された放射線を受けるステップ。この例では、各画素群は、コリメータの中心軸(45)から同じ半径方向距離Rに位置する画素に対応する。
d)各群に位置する画素(20i,j、20* k,l)に対応する各スペクトルSE i,j(またはSE k,l)を組み合わせて、結合エネルギースペクトルと呼ばれる、その群を示すエネルギースペクトルSE Rを形成するステップであって、各結合エネルギースペクトルは物体内の1つの体積要素δVRに対応する。これは、図5のステップ140に対応する。この結合は、所与のグループの画素のすべてのスペクトルの単純な加算であってもよい。
e)この物体の複数の体積要素(δVR、δVR’)を構成する材料の性質が、様々な結合スペクトルを用いて決定されるステップ。これは、図5のステップ160に対応する。
ここで、*は行列乗算を表し、ベクトルSの各項S(E,R)は、以下で示される。
・実験的測定(experimental measurements)を使用して、物体を既知の標準物質によって置き換える、
・又は、シミュレーションによって、材料を通る光子の経路をシミュレーションする計算コードを用いる、
・又は、実験的測定およびシミュレーションを組み合わせる。
Claims (15)
- 物体を分析するための装置であって、
前記物体を保持することが可能なホルダに向かって伝播する電離電磁放射線を生成するように構成された放射線源と、
前記放射線源と前記ホルダとの間に配置され、前記ホルダに向かって伝播軸に沿って伝播するコリメートされたビームを形成するように構成されたアパーチャを有する第1のコリメータと、
電離電磁放射線を検出してエネルギースペクトルを形成することが可能な画素を有する検出器と、
前記ホルダと前記検出器との間に配置され、前記ホルダによって保持された前記物体によって放射された放射線を、前記物体によって放射された前記放射線の散乱角に応じて、前記検出器に向けて選択的に方向付けるように構成された第2のコリメータと、
を有し、
前記第2のコリメータは、第1の端部と第2の端部との間で、中心軸の周りに延在し、複数のチャネルを含み、各チャネルは、側壁によって境界を定められ、前記第2のコリメータは、
・各チャネルは中央軸を有し、前記中央軸は、前記チャネルの中心において、前記チャネルの境界を定める前記側壁の間に延び、
・各チャネルの前記中央軸は、前記第2のコリメータの前記中心軸と、前記チャネルのコリメート角と呼ばれる鋭角をなし、
・各チャネルは、前記チャネルの中央軸と前記第2のコリメータの中心軸との交差によって形成される、焦点と呼ばれる点に関連付けられ、
・前記第2のコリメータは、前記コリメート角が異なる少なくとも2つのチャネルを含み、これらのチャネルにそれぞれ関連する焦点は、互いに異なり、前記第2のコリメータの前記中心軸に沿って互いに離間している、
ように構成され、
各チャネルは、前記ホルダに配置された前記物体の、前記第2のコリメータによって定義された焦点の周りに延在する基本体積によって放射された放射線を、所定の角度範囲で、前記検出器に向けて通過させる、
装置。 - 前記第2のコリメータは、同じコリメート角を有する複数のチャネルを備え、前記チャネルは、前記第2のコリメータの前記中心軸の周りに延び、前記チャネルの前記焦点は一致している、
請求項1に記載の装置。 - 少なくとも1つのチャネルが、前記中心軸に垂直な平面内に断面を有し、前記断面が前記第2のコリメータの前記中心軸の周りのリングの全てまたは一部を形成する、
請求項1又は2に記載の装置。 - 少なくとも1つのリングは、円形または多角形である、
請求項3に記載の装置。 - 少なくとも2つの焦点は、前記第2のコリメータの前記中心軸に沿って2cmよりも大きい距離だけ離間されている、
請求項1,2,3又は4のいずれか一項に記載の装置。 - 前記第2のコリメータのチャネルの境界を定める各側壁は、原子番号が26よりも大きい材料から製造される、
請求項1,2,3,4又は5のいずれか一項に記載の装置。 - 前記第2のコリメータの各チャネルは、近位壁と称される側壁と、遠位壁と称される側壁とによって境界を定められ、前記近位壁は、前記遠位壁よりも中心軸に近く、これらの壁のそれぞれは、
・前記中心軸上に位置する頂点と、
・前記第2の端部において、リングの全部または一部を描く母線と、
によって定義される円錐台領域を形成するように、前記チャネルの前記第1の端部と前記第2の端部との間に延在する
請求項1,2,3,4,5又は6のいずれか一項に記載の装置。 - 前記第2のコリメータは、前記中心軸の周りに延在し、5mmよりも大きい厚さの、円柱又は円錐台を描く、ベース壁を含む、
請求項1,2,3,4,5,6又は7のいずれか一項に記載の装置。 - 前記第2のコリメータは、その中心軸が前記コリメートされた入射ビームの伝播軸と同軸になるように配置される、
請求項1,2,3,4,5,6,7又は8のいずれか一項に記載の装置。 - 前記検出器は、前記第2のコリメータの前記中心軸に垂直な平面内に延在する、
請求項1,2,3,4,5,6,7,8又は9のいずれか一項に記載の装置。 - 前記検出器は、前記検出器の各画素を仮想画素に細分することができるマイクロプロセッサに接続され、複数の画素又は仮想画素が所与のチャネルの延長に配置される、
請求項1,2,3,4,5,6,7,8,9又は10のいずれか一項に記載の装置。 - 請求項1に記載の装置を使用して物体を特徴付ける方法であって、
a)前記物体を前記装置の前記ホルダ上に置き、伝播軸に沿って前記物体に向かって伝播するコリメートされた入射ビームを形成するように、前記放射線源を用いて前記物体を照射し、前記物体は、前記第2のコリメータによって定義される複数の焦点が前記物体に配置されるように配置される、ステップと、
b)前記検出器の各画素を使用して、前記コリメートされた入射ビームによる放射線に続いて前記物体によって散乱された放射線を検出し、前記検出された放射線のエネルギー分布を表すスペクトルを形成する、ステップと、
c)前記物体の所与の体積要素によって散乱された放射線をそれぞれ受け取る複数の画素群を定義し、前記体積要素は、前記伝播軸上に配置され、2つの異なる画素群は、2つの異なる体積要素によって散乱された放射線を受け取る、ステップと、
d)前のステップで定義された各画素群について、各画素によって取得されたスペクトルを結合して、前記画素群に関連付けられた合成スペクトルと称されるスペクトルを確立するステップと、
e)種々の画素群にそれぞれ関連する前記合成スペクトルを使用して、前記物体の複数の体積要素を構成する材料の性質を決定するステップと、
を含む方法。 - ・前記第2のコリメータの前記中心軸は、前記コリメートされたビームの前記伝播軸と一致し、
・前記検出器は、前記第2のコリメータの前記中心軸に対して垂直に延在し、各画素群は、前記第2のコリメータの前記中心軸からの半径方向距離と呼ばれる同じ距離に位置する画素を含む、
請求項12に記載の方法。 - 前記コリメートされた入射ビームの方向は、前記物体の事前の検査によって得られるとされる知識に基づいて定義される、
請求項12又は13に記載の方法。 - 前記事前の検査が、X線撮影、またはX線断層撮影、または超音波検査、または磁気共鳴映像法によって実行される、
請求項14に記載の方法。
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