JP2018155764A - 波長シフトファイバ結合シンチレーション検出器を用いるx線検査 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ファイバ結合シンチレーション検出器およびその製造方法、ならびにX線の効率的検出のために、ファイバ結合シンチレーション検出器を採用する、X線検査のシステムおよび方法に関する。
放射線および粒子のファイバ結合シンチレーション検出器は、過去30年にわたって採用されている。ある場合には、シンチレータは、空間分解能を提供するために、画素化され、離散シンチレータ素子から成り、他の場合には、他の方式が、採用される(直交に交差した結合ファイバ等)。ファイバ結合シンチレーション検出器の実施例は、米国特許第6,078,052号(DiFilippo)および第7,326,9933号(Katagiri et al.)(両方とも、参照することによって本明細書に組み込まれる)によって提供されている。DiFilippoおよびKatagiri et al.によって説明される両検出器は、ファイバのコア材料によって再放出される光が、低減衰を伴って、多くの場合、シンチレータ自体から離された便宜的場所に配置される光検出器に伝導され得るように、波長シフトファイバ(WSF)を採用する。空間分解能は、中性子撮像等の用途において、特に重要である。空間分解能はまた、高効率のセグメント化シンチレーション検出器が、Moiseev, et al., High efficiency plastic scintillator detector with wavelength−shifting fiber readout for the GLAST Large Area Telescope, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, vol. 583, pp. 372−81(2007)(参照することによって本明細書に組み込まれる)に説明されるように、高エネルギー宇宙線の検出のためにWSF読取装置を採用する、フェルミ大面積望遠鏡(以前は、GLAST)においては最も重要である。
本発明の種々の実施形態によると、ファイバ結合シンチレーション検出器を後方散乱および透過X線検査における問題に適用する、システムおよび方法が、提供される。
a.複数の個々に読取装置を行なうセグメントによって特徴付けられる、検出器を提供するステップと、
b.個々に読取装置を行なうセグメントのサブセットからの信号を加算するステップであって、サブセットが、相対的信号対雑音に基づいて選択される、ステップと
を有する。
a.複数の個々に読取装置を行なうセグメントによって特徴付けられる、検出器を提供するステップと、
b.個々に読取装置を行なうセグメントのサブセットからの信号を加算するステップであって、サブセットが、一次照射ビームの既知の位置に基づいて選択される、ステップと
を有する。
a.少なくとも第1の検出信号を発生させるために、放射線に高感度な波長シフトファイバ結合シンチレーション検出器を備える、複数の実質的に平行な能動的コリメーションベーンと、
b.複数の能動的コリメータベーンの実質的に平行な能動的コリメーションベーン間を通過する放射線を検出し、第2の検出信号を発生させるための後方の広面積検出器と、
c.第1および第2の検出信号を受信および処理するためのプロセッサと
を備える、装置が、提供される。
本発明の実施形態によると、シンチレータ材料と、光学導波路、より具体的には、波長シフトファイバとの光学結合は、有利には、X線散乱検出の需要に特有のものを含む、目的を可能にする。
用語「画像」は、有形、または別様に知覚可能な形態、またはその他であるかどうかにかかわらず、任意の1次元または多次元表現を指すものとし、それによって、いくつかの特性値(X線透過撮像の場合、入射ビームが横断する、被検査物体列を通る部分透過強度等)が、物理的空間内の物体の次元座標に対応する複数の場所(または、ユークリッド空間内のベクトル、典型的には、R2)のそれぞれと関連付けられるが、必ずしも、その上に1対1でマップされるわけではない。画像は、コンピュータメモリまたはホログラフィック媒体内に、数のアレイを含み得る。同様に、「撮像」は、1つ以上の画像の観点から述べられる物理的特性のレンダリングを指す。
最初に、図4を参照すると、本発明の一実施形態では、緊密に離間された平行波長シフトファイバ層400が、複合シンチレーションスクリーンの2つの層403間に狭入される。好ましいシンチレータ材料は、ユウロピウムでドープされたバリウムフルオロクロライド(BaFCl:Eu)であるが、BaFI:Euまたは他のランタニドでドープされたバリウム混合ハロゲン化物等の他のシンチレータ(さらなる実施例として、BaBrI:EuおよびBaCsI:Euを含む)も、本発明の範囲内で使用されてもよい。X線検出のために採用されるシンチレータ材料は、典型的には、シンチレーション光子の非常に強い自己吸収性を呈するため、本発明による実施形態は、有利には、依然として、出力シンチレーション信号を効率的に結合しながら、非常に大きい体積のシンチレータ403が採用されることを可能にする。
図6A−6Cを参照して前述の押出成形、すなわち、「自動コーティング」プロセスは、BaFCl(Eu)等の多結晶シンチレーション材料を平坦な裏材上に配設する典型的方法とは全く対照的である。前述のように、均一厚のシンチレータでコーティングされた個々の波長シフトファイバを加工する押出成形方法は、Sc−WSF検出器の形状に関する制限が、主に、全内部反射によるファイバ内の全捕捉要件によって左右されるように輪郭形成され得る、ファイバを生産する。均一にコーティングされた結合ファイバの概念は、空間が重要視される、後方散乱(BX)検出器、特に、携帯式およびロボット搭載検出器の設計により自由度をもたらす。
例えば、Swift, et al.の米国特許第5,764,683号およびChalmers et al.の第7,099,434号(両方とも、参照することによって本明細書に組み込まれる)に説明されるもの等のいくつかの移動式X線システムは、片側から車およびトラックを検査するために、後方散乱X線(BX)法を使用する。前者は、動作の間、搬送装置の外側に展開された検出器を使用する一方、後者は、封入体、すなわち、搬送装置の外装内に完全に含有された検出器面積を使用する。両方とも、散乱X線を検出する効率を最大限にするために、広面積の検出器を使用する。面積式後方散乱検出器の被覆率は、Chalmersの第‘434号特許の教示による製品の場合、標的に面する封入体の内部表面の約20平方フィートを網羅する。このように覆われた検出器面積は、高いまたは低い標的から散乱放射線を収集するためには、比較的に低い幾何学的効率を有する。光電子増倍管によるシンチレーション光の直接捕捉のために必要である、そのような検出器の本質的に奥行がある幾何学的プロファイルは、小型トラックの外側での展開には好ましくない。
X線の走査ペンシルビームは、後方散乱放射線を分析することによって、内部物体を露顕させるだけではなく、いくつかの用途では、透過(TX)および前方散乱(FX)放射線の同時分析によって、付加的情報を得ることができる。TXおよびFX検出器は、ペンシルビームの断面積が、信号の積分時間とともに、画素サイズを画定するため、セグメント化される必要がない。さらに、TXおよびFX検出器は、ほとんどの用途において、TXまたはFX X線束が、パルスカウントのためには高過ぎるため、総エネルギー検出器である必要のみある。シンチレーションスクリーンは、そのような走査ビーム用途のための従来の検出器である。Sc−WSF検出器は、実質的に、以下の実施例によって明確となるように、本TXおよびFXシンチレーション検出器の用途の範囲を拡張させる。
例えば、BaFCl(Eu)またはGadoxから作製される、従来のシンチレーションスクリーンの吸収効率は、約80keVを上回るX線エネルギーの場合、50%を下回って降下する。2つの層の場合の50%点は、約100keVである。違いとして、Sc−WSF検出器は、検出器のプロファイルを実質的に増加させずに、3つ以上の層のシンチレータとともに作製されることができる。費用効果的Sc−WSF検出器は、4層を伴うものであって、標準的140keVX線管によって発生される走査X線ビームを用いて、TXのために使用されることができる。図12に示され、概して、番号1400によって指定されるような9層検出器等の多層検出器は、入口を通した車両のX線検査において使用されるもの等、標準的225keVX線管(図示せず)によって放出されるX線1402を検出するために非常に効果的であり得る。シンチレータ材料の層1404が示され、WSFファイバ1406が、光検出器1408に結合される。
多層透過(TX)検出器の薄型プロファイルは、道路上透過(TX)検出器を実用化する。図13Aおよび13Bは、いっぱいに積載されたトラクタトレーラーを支持するために十分に強固であって、かつ展開のために地面の掘削を要求しない、2インチの高さの減速バンプ1131の内側のそのような検出器を示す。透過性放射線源1132は、減速バンプ1131または下層表面の上方の類似突出部のフレーム1136内の線形検出器アセンブリ1135に入射するファンビーム1134を放出する。検出器アセンブリ1135は、高原子番号のベーン1138によって分離されたシンチレータ材料1137のセグメントを含む。例えば、図4を参照して、前述のように、シンチレーション光は、波長シフト光ファイバ1139によって、光検出器に結合される。
次に、図14Aおよび14Bを参照すると、概して、番号1141によって指定される、入射X線1143の走査ビーム強度プロファイルを測定するためのセグメント化された透過検出器が、示される。Sc−WSF検出器1141(透過の際に使用される)と走査ペンシルビームの平面の整合は、TX検出器が、移動式セキュリティシステムのために展開されるとき、有意な課題を呈する。図14Bは、垂直Sc−WSF検出器1141(別様に、本明細書では、適切な場合、「透過検出器」または「TX検出器」と称される)の断面を示し、WSFのファイバ1145の独立読取装置は、同時に、各画素の透過強度およびビーム幅を横断する線形分布の両方を測定し、その重心位置を判定する手段を提供する。ファイバ1145は、PMT等の個々の光検出器1149に束1147として配線される。強度の分布は、散乱材料に関する有用情報を含有し、透過強度としてカウントされる散乱内放射線の測定値を与える、前方散乱強度を求めるように拡張される。
シンチレータの正面および背面層からの信号を分離することによって、正面層は、各画素の低エネルギー成分の測定値を与える一方、背面層は、高エネルギー成分の測定値を与える。正面シンチレータと背面シンチレータとの間に吸収材料の層を置くことは、低エネルギー成分と高エネルギー成分との間の差異を向上させる標準的方法であって、これは、Sc−WSF検出器を用いて容易に行なわれる。
Sc−WSF方法は、中性子およびガンマ線の小型の軽量かつ安価なモニタ1601を実用化する。BaFCl(Eu)−WSFは、ガンマ放射線に対して非常に高感度である一方、中性子に対しては低感度であって、Li6F:ZnS(Ag)−WSFは、ガンマ線に対して低感度であって、熱中性子の検出に非常に高感度である。図16は、光ファイバ1604を介して、単一光検出器(図示せず)によって読み取られる、BaFCl(Eu)の1つ以上の層1602と、第2の独立光検出器(図示せず)によって読み取られる、Li6F:ZnS(Ag)−WSFの1つ以上の層1606とから成る、多層「ダグウッド」サンドイッチを示し、能動的素子は、わずか1〜2センチメートルの厚さを占有する。ポリエチレン等の適切な中性子減速体層1612が、Li6F:ZnS(Ag)−WSFの両側に置かれ、中性子を検出するための効率を向上させてもよい。アルミニウム箔等の光学的に反射する箔1608は、個別の検出器領域へのシンチレーションを閉じ込める。
Sc−WSF検出器の薄さは、低軽量かつ低電力が重要な用途のための独特の潜在性を提供する。図19Aおよび19Bを参照すると、携帯式撮像システム193が、そのような用途の実施例である。電力要件、検査時間、および画質は全て、検出の立体角によって影響される。例えば、断面10cm×10cm(100cm2)を伴う、従来の検出器は、重さ約500グラムである。重さわずか2倍である10−cm3のSc−WSFは、それぞれ5mm厚未満の個々のSc−WSF10cm×10cm検出器から作製され、少なくとも2,000cm2の後方散乱検出面積を呈するように広げられ得、本実施例では、20倍の増加となる。付加的検出被覆率は、携帯式システムの性能に1桁分の改良をもたらし得る。
ポータブルX線後方散乱システムによる車両の下側の検査は、特殊な問題を呈する。車の地上高は、8インチに満たず、6インチ程度であり得る。入口等の固定検査システムは、検出器を地面に置くことができる、または前述のように、Sc−WSFを使用して、地面に置かれることができる。しかしながら、多くの地域でセキュリティのために必要とされる、移動式車両下検査システムは、未だ開発されていない。検査者は、鏡およびカメラ等の受動的検査ツールに依拠し、ガスタンク内や、または気付かないようにカモフラージュされた禁制品を見逃すことになる。
本発明の別の側面によると、概して、番号240によって指定される、移動式検査システムが、ここで、図21Aおよび21Bを参照して説明される。透過性放射線源(図示されないが、本明細書では、限定ではないが、X線の観点から説明される)は、移動式検査ユニット241内で搬送され、典型的には、その独自の電力下で移動可能であるが、また、牽引または別様に輸送されてもよく、これも、本発明の範囲内である。透過性放射線のビーム242は、掃引ペンシルビームまたはファンビームのいずれかとして、移動式検査ユニット241から放出され、いずれの場合も、図21Aに代表的ビーム242として指定される平面において放出される。示されるように車両またはその他(可搬型貨物等)であり得る、被検査物体244は、検査の過程の間、ビーム242を横断し、横断の過程において、ここでさらに説明されるように、一体型L形状検出器ユニット245を通過する。検出器ユニット245は、図21Bに示されるように、水平セグメント246および直立型セグメント247を有する。
厚さおよび面積によって特徴付けられる透過性放射線の検出器であって、上記検出器は、
a.入射透過性放射線のエネルギーをシンチレーション光に変化するための非画素化シンチレーション媒体体積と、
b.上記シンチレーション光から導出された光を誘導するために、上記非画素化シンチレーション媒体体積と連続するシンチレーション光抽出領域にわたって、相互に実質的に平行に整合された複数の光学導波路と、
c.上記複数の導波路によって誘導される光子を検出するため、および検出器信号を発生させるための光検出器と
を備える、検出器。
(項目2)
規定された持続時間にわたって、上記検出器信号を積分するための積分回路をさらに備える、項目1に記載の検出器。
(項目3)
厚さおよび面積によって特徴付けられる透過性放射線の検出器であって、上記検出器は、
a.入射透過性放射線のエネルギーをシンチレーション光に変換するためのシンチレーション媒体体積と、
b.上記シンチレーション光から導出された光を誘導するために、上記体積のシンチレーション媒体と連続するシンチレーション光抽出領域にわたって、相互に実質的に平行に整合された複数の光学導波路と、
c.上記複数の導波路によって誘導される光子を検出するため、および検出器信号を発生させるための光検出器と、
d.規定された持続時間にわたって、上記検出器信号を積分するための積分回路と
を備える、検出器。
(項目4)
上記複数の光学導波路は、上記シンチレーション光の波長シフトに対して適応される、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目5)
上記複数の光学導波路は、波長シフト光ファイバである、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目6)
上記シンチレーション媒体は、ランタニドでドープされたバリウム混合ハロゲン化物を含む、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目7)
上記シンチレーション媒体は、バリウムフルオロクロライドを含む、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目8)
上記光検出器は、光電子増倍管を含む、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目9)
上記検出器の面積で除算した上記検出器の厚さの二乗は、0.001未満である、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目10)
上記複数の導波路のうちの少なくとも1つは、クラッディングを欠いており、上記シンチレーション媒体は、上記導波路を特徴付ける屈折率より低い値の屈折率によって特徴付けられる、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目11)
上記複数の光学導波路は、複数の平行平面に配置され、上記平行平面のそれぞれは、上記複数の光学導波路のサブセットを含有する、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目12)
入射ビームによって連続的に衝突される複数のシンチレータ媒体層をさらに備える、項目1または項目3に記載の検出器。
(項目13)
上記複数のシンチレータ媒体層は、上記入射ビームに対する固有のスペクトル感度によって特徴付けられる、項目12に記載の検出器。
(項目14)
交互するシンチレータ層は、ファイバ結合BaFCl(Eu)およびファイバ結合BaFI(Eu)のうちの少なくとも1つと交互するLi6F:ZnS(Ag)を含む、項目12に記載の検出器。
(項目15)
上記複数のシンチレータ媒体層の第1の層は、優先的に、より低いエネルギーのX線に敏感である波長シフトファイバ結合検出器であり、上記複数のシンチレータ媒体層の最後の層は、プラスチックシンチレータである、項目12に記載の検出器。
(項目16)
入射ビームの伝搬方向に横断する平面に配置される複数のシンチレータ媒体セグメントをさらに備える、項目1に記載の検出器。
(項目17)
上記複数のシンチレータ媒体セグメントは、光ファイバを介して、光検出器に固有に結合される、項目16に記載の検出器。
(項目18)
シンチレーション検出器を製造するための方法であって、上記方法は、シンチレーション材料のシェルを光学導波路の周囲に押出成形することを含む、方法。
(項目19)
上記光学導波路は、波長シフト光ファイバである、項目18に記載の方法。
(項目20)
散乱X線放射を検出するための方法であって、上記方法は、
a.複数の個々に読取装置を行なうセグメントによって特徴付けられる検出器を提供することと、
b.上記個々に読取装置を行なうセグメントのサブセットからの信号を加算することであって、上記サブセットは、相対的信号対雑音に基づいて選択される、ことと
を含む、方法。
(項目21)
散乱X線放射を検出するための方法であって、上記方法は、
a.複数の個々に読取装置を行なうセグメントによって特徴付けられる検出器を提供することと、
b.上記個々に読取装置を行なうセグメントのサブセットからの信号を加算することであって、上記サブセットは、一次照射ビームの既知の位置に基づいて選択される、ことと
を含む、方法。
(項目22)
被検査物体を検査するための移動式X線検査システムであって、上記移動式X線検査システムは、
a.プラットフォームおよび地面接触部材を有する搬送装置上に配置されたX線放射源と、
b.上記被検査物体と相互作用するX線を検出するために、検査動作の間、上記搬送装置外に展開されたファイバ結合シンチレーション検出器と
を備える、移動式X線検査システム。
(項目23)
検査の過程の間、上記被検査物体の上方に展開されたファイバ結合シンチレーションオーニング型検出器をさらに備える、項目22に記載の移動式X線検査システム。
(項目24)
上記オーニング型検出器は、検査動作に先立って、上記搬送装置の屋根からスライドする、項目23に記載の移動式X線検査システム。
(項目25)
上記搬送装置のプラットフォームの真下に展開されたスカート型検出器をさらに備える、項目22に記載の移動式X線検査システム。
(項目26)
上記搬送装置より高い空間の検出のための屋根型検出器をさらに備える、項目22に記載の移動式X線検査システム。
(項目27)
実質的に水平であって、かつ実質的に直立型のファイバ結合シンチレータ検出器セグメントをさらに備える、項目22に記載の移動式X線検査システム。
(項目28)
上記実質的に水平であって、かつ実質的に直立型のファイバ結合シンチレータ検出器セグメントは、一体型構造に形成される、項目27に記載の移動式X線検査システム。
(項目29)
装置であって、上記装置は、上記装置に入射する放射線を検出し、上記装置は、
a.少なくとも第1の検出信号を発生させるために、上記放射線に高感度な波長シフトファイバ結合シンチレーション検出器を備える、複数の実質的に平行な能動的コリメーションベーンと、
b.上記複数の能動的コリメータベーンの実質的に平行な能動的コリメーションベーン間を通過する放射線を検出し、第2の検出信号を発生させるための後方の広面積検出器と、
c.上記第1および第2の検出信号を受信および処理するためのプロセッサと
を備える、装置。
(項目30)
下層表面上に配置される物体を検査するためのトップダウン型撮像検査システムであって、上記トップダウン型撮像検査システムは、
a.実質的に下向きに指向するX線源と、
b.上記下層表面の上方の突出部内に配置された線形検出器アレイと
を備える、トップダウン型撮像検査システム。
(項目31)
上記線形検出器アレイは、波長シフトファイバ結合シンチレーション検出器を含む、項目30に記載のトップダウン型撮像検査システム。
(項目32)
車両の下側を検査するためのX線検査システムであって、上記X線検査システムは、
a.シャーシに結合された実質的に上向きに指向するX線源と、
b.上記車両によって、および上記車両の下または内に隠された物体によって、散乱されるX線を検出するために、上記シャーシ上に配置された波長シフトファイバ結合シンチレータ検出器と
を備える、X線検査システム。
(項目33)
上記シャーシは、モータおよび手動制御のうちの少なくとも1つによって、上記車両下で操作されるように適応される、項目32に記載のX線検査システム。
Claims (14)
- 散乱X線放射を検出するための方法であって、前記方法は、
a.複数の個々に読取操作を行なうセグメントによって特徴付けられる検出器を提供することと、
b.前記個々に読取操作を行なうセグメントのサブセットからの信号を加算することであって、前記サブセットは、相対的信号対雑音に基づいて選択される、ことと
を含む、方法。 - 散乱X線放射を検出するための方法であって、前記方法は、
a.複数の個々に読取操作を行なうセグメントによって特徴付けられる検出器を提供することと、
b.前記個々に読取操作を行なうセグメントのサブセットからの信号を加算することであって、前記サブセットは、一次照射ビームの既知の位置に基づいて選択される、ことと
を含む、方法。 - 被検査物体を検査するための移動式X線検査システムであって、前記移動式X線検査システムは、
a.プラットフォームおよび地面接触部材を有する搬送装置上に配置されたX線放射源と、
b.前記被検査物体と相互作用したX線を検出するために、検査動作の間、前記搬送装置外に展開されたファイバ結合シンチレーション検出器と
を備える、移動式X線検査システム。 - 検査の過程の間、前記被検査物体の上方に展開されたファイバ結合シンチレーションオーニング型検出器をさらに備える、請求項3に記載の移動式X線検査システム。
- 前記オーニング型検出器は、検査動作に先立って、前記搬送装置の屋根からスライドする、請求項4に記載の移動式X線検査システム。
- 前記搬送装置のプラットフォームの真下に展開されたスカート型検出器をさらに備える、請求項3に記載の移動式X線検査システム。
- 前記搬送装置より高い空間の検出のための屋根型検出器をさらに備える、請求項3に記載の移動式X線検査システム。
- 実質的に水平であって、かつ実質的に直立型のファイバ結合シンチレータ検出器セグメントをさらに備える、請求項3に記載の移動式X線検査システム。
- 前記実質的に水平であって、かつ実質的に直立型のファイバ結合シンチレータ検出器セグメントは、一体型構造に形成される、請求項8に記載の移動式X線検査システム。
- 装置であって、前記装置は、前記装置に入射する放射線を検出し、前記装置は、
a.少なくとも第1の検出信号を発生させるために、前記放射線に敏感な波長シフトファイバ結合シンチレーション検出器を備える、複数の実質的に平行な能動的コリメーションベーンと、
b.前記複数の能動的コリメータベーンの実質的に平行な能動的コリメーションベーン間を通過する放射線を検出し、第2の検出信号を発生させるための後方の広面積検出器と、
c.前記第1および第2の検出信号を受信および処理するためのプロセッサと
を備える、装置。 - 下層表面上に配置される物体を検査するためのトップダウン型撮像検査システムであって、前記トップダウン型撮像検査システムは、
a.実質的に下向きに指向するX線源と、
b.前記下層表面の上方の突出部内に配置された線形検出器アレイと
を備える、トップダウン型撮像検査システム。 - 前記線形検出器アレイは、波長シフトファイバ結合シンチレーション検出器を含む、請求項11に記載のトップダウン型撮像検査システム。
- 車両の下側を検査するためのX線検査システムであって、前記X線検査システムは、
a.シャーシに結合された実質的に上向きに指向するX線源と、
b.前記車両によって、および前記車両の下または内に隠された物体によって、散乱されたX線を検出するために、前記シャーシ上に配置された波長シフトファイバ結合シンチレータ検出器と
を備える、X線検査システム。 - 前記シャーシは、モータおよび手動制御のうちの少なくとも1つによって、前記車両下で操作されるように適応される、請求項13に記載のX線検査システム。
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