JP5580291B2 - 液体の組成の決定 - Google Patents

Description

本発明は、液体の組成の決定のための装置および方法に関する。本発明は、より詳細には、液体サンプルの組成についての情報を増やすことが所望される場合に、含まれている液体または液体サンプルをスキャンするために、例えばＸ線またはガンマ線等の高エネルギー放射線を利用する装置および方法に関する。

本発明は、液体の一般的な正体および見込まれる物質の含有物が一般的に知られているが、それらの見込まれる構成要素の含有物の正確な比率が特定のサンプルにおいて不明である場合における液体の組成の決定に特に適している。

多くの方法および技術、例えばＸ線回折、Ｘ線散乱、メスバウアー分光法、およびＮＱＲが、液体の組成を自動的に決定することができる機械を作製するために提案されている。これらはしばしば、例えば、液体爆薬または輸出禁止の液体を検出するため等、セキュリティー用途のために提案され、またはそのようなことを理由として導かれているが、同様の懸案事項は他の状況においても生じており、例えば、含まれる液体または液体サンプルの内部組成についての情報を、例えば、識別する目的のために、在庫管理または品質管理（時間経過によって生じる変化および特に劣化）の目的のため、および他の用途のために、得ることが所望される場合がある。特に、Ｘ線システムは、密輸された液体および他の液体についての画像および限定された情報を与えるために用いられている。

Ｘ線吸収は、これまで、物体をスクリーニングして、３次元空間において、互いに関連するそれらの含有物または構成要素の一部の形式の代表的な画像を生成するための基礎として用いられてきた。より厚くまたはより密度の高い物体は、それゆえ、Ｘ線をより減衰する。適切な検出器および適切な放射線源を利用することによって、物体または一揃いの物体の放射線吸収に基づいて画像の形態でスクリーニング中の物品の放射線写真が生成可能である。空港のセキュリティー用途においては、この原理は、特に、手荷物スキャナーに関してよく見られるものである。

Ｘ線吸収は、物質の識別について限られた範囲で用いられてきた。任意の物質のＸ線吸収特性は分光的に可変であり、この結果は特に原子番号に依存することは公知である。これが、フルスペクトルＸ線放射から、低エネルギー帯域および高エネルギー帯域を別個に識別することができる２重帯域検出器または２重エネルギー検出器の開発を促した。

２重エネルギーシステムは、組成について、限定された情報を与えるのみである。透過されたＸ線についての分光学的情報をより効果的に分解することができる検出器の近年の開発は、より広い範囲の帯域に亘って識別し、かつこれらの帯域に亘って多数の画像を生成してマルチスペクトルの画像を生成する装置の開発を促している。しかしながら、１つの透過経路内で複数の物質を区別する問題が残る。

本発明の目的は、従来技術のスキャニングシステムおよびスキャニング方法の上述の不利益の一部または全てを軽減することにある。

それゆえ、本発明の一態様によれば、液体サンプルの組成に関する情報を決定するための装置を提供し、この装置は、以下を備える：
放射線源および放射線検出器システムであって、上記放射線検出器システムは上記放射線源から間隔を置かれて、それらの間にあるスキャニング領域を規定し、使用の際、上記検出器に入射する放射線、すなわち上記スキャニング領域における物体の透過率についての情報のデータセットを収集する、放射線源および放射線検出器システム；
上記放射線源のスペクトル内の複数の周波数／周波数帯域に亘って分光学的に上記データセットを処理および分解して、各周波数または周波数帯域に対する強度データアイテムを生成するデータ処理装置；
上記液体の複数の予期される構成要素の含有物に対する質量減衰データを保存する質量減衰データライブラリ；
各々の強度データアイテムを、上記構成要素の含有物に関して、指数関数的な減衰則、すなわち
ｌ／ｌ_０＝ｅｘｐ［−（μ／ρ）ρｔ］
によって与えられる関係に適合させ、かつ、上記構成要素の含有物から、上記強度データアイテムを生成する透過経路内の上記構成要素の含有物の相対的な比率の指標を導き出す、比較器（これは、例えば、連続した計算を実行するための計算手段を含む）。

好ましくは、この比較器は、各々の強度データアイテムについて、質量減衰係数全体を導き出し、データライブラリ中のデータに適合させ、例えば、その個々の周波数にて、強度データアイテムを導き出すように適合され、上記周波数において、上記各含有物についての含有物質量減衰係数を読み出し、各構成要素の含有物の相対的な比率を上記強度データアイテムに適合させるために、単一の一意の解答が導き出され得ることを、十分な周波数にて繰り返すように適合された計算手段を備える。

しかしながら、液体の複数の予期される構成要素の含有物について、個々に、または集合的に、質量減衰データを保存および処理する他の代替的な手段は容易に示唆される。例えば、データベースは、個々の構成要素の成分の異なる比率からなるサンプルの範囲の質量減衰係数全体についての情報を含んでもよい。次いで、試験下のサンプルとデータベースとの間の最良のマッチングを模索することができる。さらに、標準的な試験容器が提供される場合、以下でさらに詳細に検討するように、最良の適合を見出すために、周波数／エネルギーに対する強度変化を単に追跡することも可能である。

類推的に、本発明の第２の態様によれば、放射線透過データを取得し、そのデータから、液体サンプルの組成についての情報を決定する方法であって、この方法は以下の工程を含む：
放射線源および放射線検出器システムであって、上記放射線検出器システムは上記放射線源から間隔を置いて配置され、それらの間にあるスキャニング領域を規定し、使用の際、上記検出器に入射する放射線、すなわち上記スキャニング領域における物体の透過率についての情報のデータセットを収集する、放射線源および放射線検出器システムを提供する工程；
上記スキャニング領域に液体サンプルを配置し、上記放射線源を作用させ、かつ、上記検出器システムに入射する放射線についての強度情報、すなわち、上記サンプルを透過し、上記検出器システムにおいて受け取られた放射線から、上記スキャニング領域内の上記サンプルの透過率についての強度情報の１つ以上のデータセットを収集する工程；
各周波数または各周波数帯についての強度データアイテムを生成するために、上記放射線源のスペクトル内の複数の周波数／周波数帯に亘って上記強度データセットを分解する工程；
上記液体の複数の予期される構成要素の含有物について、各々の強度データアイテムを、上記構成要素の含有物に関して、指数関数的な減衰則、すなわち
Ｉ／Ｉ _０ ＝ｅｘｐ［−（μ／ρ）ρｔ］
によって与えられる関係に適合させ、かつ、上記構成要素の含有物から、上記強度データアイテムを生成する透過経路内の上記構成要素の含有物の相対的な比率の指標を導き出すために、上記強度データアイテムを、質量減衰データを保存する質量減衰データライブラリと数値的に比較する工程。

好ましくは、この強度データアイテムを比較する工程は、各強度データアイテムについて、その特定の周波数において、質量減衰係数全体を導き出し、そのようにして計算された質量減衰係数のデータセットをライブラリからのデータに適合させる工程を含み、例えば、以下、
強度データアイテムについて、その特定の周波数にて、質量減衰係数全体を導き出す工程と、
上記周波数において、上記各含有物についての含有物質量減衰係数を読み出す工程と、
上記強度データアイテムを生成するために必要な各構成要素の含有物の相対的な比率に対して、単一の一意の解答が導き出され得ることを、十分な周波数にて複数のデータアイテムに関して繰り返す工程と、
を実行する。

しかしながら、この方法は、上述からの類推により、複数の予期された構成要素の含有物について、個々に、または集合的に、質量減衰データを保存および処理する代替の手段を包括し、例えばここで、データベースは、個々の構成要素の成分の異なる比率からなるサンプルの範囲の質量減衰係数全体についての情報を含んでよく、この比較工程は、従って、試験下のサンプルとデータベースとの間の最良のマッチングに適合させる工程を含む。

測定されたデータは、このようにして、相対的な比率の解答が導き出される十分な異なる周波数となるまで、かつそれら全体に亘って、数値的に、例えば、繰り返して、保存されたライブラリデータに適合される。

この例の放射線源は、イオン化放射線等、例えばＸ線および／またはガンマ線、あるいは亜原子粒子放射線等の高エネルギー電磁放射線等の高エネルギー放射線を送る放射線源を含み、従って検出システムはこのスペクトル内の放射線を検出するように適合される。

本発明によれば、透過されたＸ線、ガンマ線等からの強度データは、このようにして、一般的に従来の方法において収集される。各々の「スキャニングイベント」に対して（すなわち、特定の位置における特定の液体サンプルを通過する特定の透過経路を介した透過強度の測定に対して）、「強度データセット」は収集され、放射線源のエネルギースペクトルの少なくとも一部に亘る透過強度を表すこととなる。しかしながら、本発明に対する鍵は、特定の「スキャニングイベント」についての強度データを複数、例えば、放射線源のスペクトルに亘る少なくとも３つの別個の周波数（別個の単一の周波数または周波数帯域のいずれかとして）に検出することができる検出器システムが用いられることである。このように、強度データセットは、そのような周波数帯域へと分解可能である周波数／エネルギーに関連する強度情報のデータセットを構成し、特定のスキャニングイベント、すなわち液体サンプルを通る特定の透過経路に関連する複数の強度データ測定またはデータアイテムを生成する。

物質を通る放射線の透過は、以下のような指数関数的な減衰則によって与えられ得る。Ｉ／Ｉ _０ ＝ｅｘｐ［−（μ／ρ）ρｔ］
ここでμ／ρは質量減衰係数であり、物質または構成要素の含有物の重み付けられた元素の組成に特有な物質定数。
Ｉは最終強度。
Ｉ _０ は初期強度。
ρは物質の密度。
ｔは物質の厚さ。

各々のスキャニングイベントに対して、複数の分解された強度データアイテム測定が数値的に得られて、このような強度パターンを生成するのに必要な質量減衰係数に相関可能である代表的な情報を提供する。以下でさらに詳細に記載するように、特定のスキャニングイベントに関連付けられる変数の多くは、放射線源からの入射放射線の周波数／エネルギーに対して一定である。しかしながら、質量減衰係数は特徴的な形態でエネルギーと共に可変である。従って、特定のスキャニングイベントに対して、試験下の物質を介する透過経路に適用可能な特定の質量減衰係数に関連する影響は、各々の強度データアイテムについて（すなわち、各々の周波数帯域において）引き出すことができる。

次いで、スキャンされるものの、より代表的な指標を与えるために、異なる含有物についての質量減衰係数を代表するデータの適切なデータベースライブラリに対して比較がなされる。

本発明の方法論に対する鍵は、多くの場合において、試験下の液体の概略的な正体およびその最も可能性のある構成要素の含有物という意味でのその一般的な合成物が両方とも既知であるという事実にある。知られていないものは、これらの主な含有物の正確な比率である。

本発明によれば、試験下の液体の特定の標的タイプについて、相対的に少数の主な含有物が少なくとも大まかに識別され、これらは共に、実際には液体全体を実質的に構成するものとして予期でき、少量の微量の構成要素を残しておき、かつ透過試験の間、液体の透過反応全体に本質的に寄与することを集合的に予期することができる。質量減衰係数データライブラリは、これらの含有物の各々を代表する質量減衰係数を保存する。

本明細書において用いられる用語「含有物」とは、単一の識別可能な化学種、あるいは、同様の一般的なクラス、あるいは集合的に識別される複数の個々の化学種で構成される構成要素のことであってもよいが、ただしこのような複合の構成要素は、本発明の方法において、データライブラリにおける保存のために、一般的な特徴的な質量減衰係数の展開によって別個に識別可能である。例えば、有機液体の場合、例えばミルクなどの液体について、概略で乳脂肪、乳タンパク質、乳糖、または乳固形分の全般的な質量減衰挙動の保存されたライブラリデータを用いて、脂肪含量全体、タンパク質含量全体、糖含量全体等についてのデータを決定することが所望されてよい。

本発明に対する鍵は、上述にて説明された式におけるパラメータの要部が、物質を区別するのに必要な程度に、質量減衰係数のデータライブラリから既知であるか、または測定から知られ、あるいは、その放射線源に対して一定であり、それゆえ、特定のスキャニングイベントに対して異なる周波数にて各強度データアイテム間で一定であることである。特に、スキャニングの実験は、液体全体の「厚さ」（すなわちサンプルを通過する放射線経路の距離）が、当初の測定によるか、または、液体が試験へと注がれる標準試料の容器を用いることによってのいずれかで既知であるように構成される。

このように、特定の関係において、スペクトル的に分解されたＩ _０ はその放射線源について既知であり、サンプル全体の厚さｔは既知であり、μ／ρの値は、各々の可能性のある含有物毎に保存され、スペクトル的に分解された全体のＩは、複数の周波数または複数の周波数帯域において導き出される。

このようにしてスキャンが実行可能であり、ここで唯一問題となる変数は質量減衰係数全体である。これは、ＩおよびＩ _０ から決定できる。単一の周波数において、決定可能なものの全ては、サンプルについてのこの質量減衰係数全体である。しかしながら、本発明は、少数の識別された可能性のある含有物のみが存在することが想定でき、その各々が、放射線周波数と共に質量減衰係数のそれ自体の特徴的な機能的な差異を示すような状況に適用可能である。各々の含有物の寄与は、合成物全体におけるその容積比率に対して直接に関連するように、液体サンプルが十分に混合され、任意の構成要素が均一に分散された場合に、みることができる値ｔに対するその効果的な寄与によって与えられることができる。未知のものは各寄与の相対的な比率として生成され得、かくして各含有物の相対的な比率となる。十分に異なる周波数帯域において測定をし、計算手段において適切な繰り返しの比較処理を実行することによって、この未知のものは除去でき、複数の強度データアイテムは、観察された関係を生成することができる単一の含有物の比率に適合されることができる。

データは、このような一意の含有物の比を導き出すために、十分な複数の周波数または周波数帯に亘って分光学的に分解される。２つの潜在的な含有物のみが存在する場合、２つの帯域へのスペクトル分解のみが、理論的に十分であってもよいが、さらに完全なスペクトル分解が常に好まれることが多い。さらに多くの含有物が存在する場合、一意の比率が複数のデータアイテムに相関付けられる前に、そのスペクトルをさらに完全に分解する必要がある。しかしながら、本発明によれば、相対的に少数の可能性のある含有物が試験下の標的のサンプルについて識別できるという前提で、それに応じて相対的に少数の強度データアイテムが、これらの含有物間の比率についての有用な情報を導き出すために利用可能である。

本発明の装置は、データライブラリにおいて保存されたデータとスキャンから導き出されたデータとの比較を行う比較器を有し、特に、各々の強度データアイテムについて質量減衰係数を少なくとも計算し、それをライブラリデータと比較し適合させる計算手段を備える。適切なハードウェアおよびソフトウェア、ならびに、例えば、適切にプログラミングされたデータ処理装置、例えば適切にプログラミングされた汎用または特定目的用のコンピュータを組み合わせた任意の適切な形の比較器が想定可能である。

本発明の方法における各々の数値的な工程は、適切なセットの機械可読命令またはコードによって実施可能であることは一般的に理解される。これらの機械可読の命令は、汎用目的のコンピュータ、特定目的用のコンピュータ、または他のプログラミングデータ処理装置にロードされてもよく、特定の機能を実施する手段、特に、本明細書に記載される比較器または計算手段を生成する。

これらの機械可読の命令はまた、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置を特定の方法で機能させることができるコンピュータ可読媒体に保存されてもよく、その結果、コンピュータ可読媒体に保存された命令は本発明の方法の一部または全ての工程を実施するための命令手段を含む製品を製造する。コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータまたは他のプログラム可能な装置にロードされてもよく、コンピュータによって実行されるプロセスを実行できる機械を生成し、その結果、命令は、本発明の方法の一部または全ての工程を実施するための工程を提供するコンピュータまたは他のプログラム可能な装置において実行される。工程は、特定用途向けのハードウェアおよび／またはコンピュータ命令の任意の適切な組み合わせによって実行可能であり、そのような工程を実行するための装置の手段は、特定用途向けのハードウェアおよび／またはコンピュータ命令の任意の適切な組み合わせからなることは理解されるだろう。

本発明におけるこの装置の正確なスキャニング形状は、本発明に係る動作に関係はない。例えば、試験物体と放射線源／検出器との間が静止している関係および移動する関係の両方を含むスキャニングシステムは公知であり、移動する関係の場合には、可動式スキャナの構成を有する場合または可動式の物体を有する場合の両方による。特に、例えば、画像を生成するために、複数の異なる位置において物体をスキャンするスキャニングシステムは公知である。本発明の原理は、あらゆるそのような装置に対して適用可能であるが、本発明は、必要な情報を生成するために、単一の放射線源、単一の放射線経路、および無次元の（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ）検出器を必要とするに過ぎない。それゆえ、単純化のために、静止したシステムが好まれる場合が多い。

好ましくは、この装置は、使用の際、単一のスキャニング位置内の液体サンプルまたは液体サンプルを含み得る物体を用いて、透過強度データを収集し、例えば、液体サンプルまたは物体、および液体の容器が配置可能である入れ物（ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）等のスキャニング位置内に液体サンプルまたは物体を保持する手段を備える。追加的に、または代替的に、この装置は、そのようなスキャニング位置へ、またはそのスキャニング位置から、液体サンプルまたは物体を運ぶコンベヤを備えてもよい。

特に、この装置は、ボトル、フラスコ、カートン等の他の物質でできた容器内の液体からなる、試験下のサンプルを受け取るように適合し、スキャニング領域内で容器を受け取るように（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇｌｙ）支持するように適合した容器受け取り手段を備える。この容器受け取り手段は、容器をその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で静止して固定する固定手段を含んでもよい。これらは異なる大きさの容器を固定するように調節し得る。調節可能かつ、例えばバネ荷重の構造がこれを達成するために提供されてもよい。

同様に、本発明の方法は、好ましくは、スキャニング領域内に試験下のサンプルを配置する工程、および、そのスキャニング領域において、サンプル保持手段上でそのサンプルを支持する工程を含む。特に、この方法は、ボトル、フラスコ、カートン等の他の物質でできた容器内の液体を含む、試験下のサンプルに適用可能であり、ならびに、この方法は、スキャニング領域内に試験下の容器を配置する工程、および、そのスキャニング領域において、容器固定手段を備えるサンプル保持手段上でそのサンプルを支持する工程を含む。

上述の分析は、上述の式中の厚さの項「ｔ」が未知のものではないという前提に基づいている。従って、１つの可能な実施形態において、この容器は、既知の物質および既知の内部容積の標準的な試験容器であり、試験中、使用の際、容器内に入れられた液体を通過する、画定された放射線経路線を供するために、スキャナと検出器とに相対した固定位置に置くように適合している。追加的に、または代替的に、この方法は、液体をスキャニングする前に実行される段階において、空の容器の特性の決定の工程、特に、空の容器の透過特性の測定の工程、および／または、使用の際の位置における空の容器の内部容積によって規定される放射線経路の距離の測定の工程を含んでもよい。

例えば、液体含有物を含んだ容器に対する詳細試験に先立って、空の容器に対して対照試験を実行してもよい。追加的にまたは代替的に、この装置は、例えば、レーザ測距器の形態での距離測定手段を備えていてもよい。

このように、試験の実行に先立って、任意の容器の吸収率および上述の式中の変数「ｔ」の透過されたデータセットの両方に対する、見込まれる可能性の高い寄与についての知識が取得される。

好都合にも、本発明の装置に従って提供された標準の容器は、放射線源のスペクトルに亘って相対的に透過する物質で作られている。複数の異なるサンプルの大きさを収容するために、複数の容器が提供されてもよい。

好都合にも、本発明の装置は、試験下のサンプルを受け取るように適合され、好ましくは、サンプルを、スキャニング領域内の静止した位置において固定するように適合され、ここでこの装置は、スキャニング領域内で、容器を受け取るように支持するように適合された容器受け取り手段を備える。好ましくは、容器受け取り手段は、容器をその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で静止して固定する固定手段を有する。好ましくは、固定手段は、異なる大きさの容器を固定するように調節可能である。

検出器システムは、複数の、および好ましくは少なくとも５つの別個のエネルギーまたはエネルギー帯域を少なくとも分解する程度において、透過された放射線についての分光学的情報を生成するように適合される。好ましくは、検出器は、詳細な分光学的情報を取り出すことができる放射線源のスペクトルの少なくとも要部全体に亘って分光学的に可変の反応を示す。

この検出器システムは、複数の分解された周波数／周波数帯域から強度データアイテムを検出しかつ導き出すために用いられることができる。それらが分解される限り、その帯域幅は、本発明に直接に関するものではないが、スペクトルを、全体かまたは部分的に別個の帯域へと分割する任意の適切なアプローチによって有用な結果が取得可能である。例えば、スペクトル全体またはスペクトルの要部は、このような複数の帯域幅の間でシンプルに分割されてよく、各データアイテムは、帯域全体に亘る強度を代表する値、および、例えば平均強度とみなされてよい。あるいは、複数の相対的に広い帯域であるが、それらの間に別個のずれ（ギャップ）があることは同じ理由から予想および分析されてもよい。あるいは、「帯域」は、それらが実質的に単一のエネルギーにおける強度の評価に近いポイントまで狭くてもよい。本明細書において用いられるように、エネルギーまたは周波数「帯域」における強度の概念は、そのような別個の単一のエネルギーにおける強度の評価、および狭いまたは広い帯域幅全体に亘るエネルギーにおける強度の評価を含む。

放射線源は、特徴的な拡散のために適切なスペクトル範囲に亘ってエネルギーの分散を生成する必要があり、それは典型的にはＸ線源である。タングステンが最も適切な標的物であるが他の物質もまた利用可能である。

放射線源は単一の広帯域のスペクトル放射線源であってもよく、その全体に亘って、複数の帯域幅または単一のエネルギーが識別されてもよい。代替的に、または追加的に、狭い帯域幅を有し、または１つ以上の別個のエネルギーにおいて入射放射線を生成する放射線源が提供されてもよく、本発明の方法に従って、比較のために、エネルギーの一部を提供する。この場合、放射線源は、複数のエネルギー／エネルギー帯域全体に亘って検出器によって分解することができるように、必要なスペクトル拡散全体を提供するために異なるエネルギーにおける放射線源の組み合わせを含む複数の放射線源である。

例えば、複数の放射線源は、例えば６０ｋｅＶ未満、例えば１０〜５０ｋｅＶで動作する相対的に低いエネルギースペクトルを有するＸ線源、ならびに、例えば１００ｋｅＶ以上などのより高いエネルギーにおいて放射線を生成する１つ以上の放射性同位体の放射線源を含む。

指数的減衰の式を想定する場合、質量減衰係数は、列挙される項の１つであると見なし得る。質量減衰係数自体は、しかしながら、検出されたＸ線のエネルギーに依存する。式中の他の項はＸ線エネルギーに依存しない。従って、複数のエネルギーにおける透過を測定する場合、透過における差異を質量減衰係数に機能的に関連付けることが可能である。

この項は存在する各物質に特徴的であるので、それゆえ、原則的には、特定の十分なデータアイテムは、各々の差異を透過強度全体のデータセットに（および、各々のエネルギーにおいて、すなわち、各強度データアイテムに対して、計算された質量減衰係数全体のデータセットに）適合させることによって、特定の標的の液体中の各々の含有物の相対的な寄与を導き出すことが可能であり、測定された透過強度データセットおよび計算された質量減衰係数全体のデータセットを一意に適合する含有物の比率を導き出すことができる。

透過強度全体に関連し、従って特定のスキャニングイベントのためのデータセットに固有の質量減衰係数に関し、すなわち透過経路内の液体の組成に関連する情報は、例えば、静止サンプルが適切な形状の単一のビーム、例えばペンシル・ビームまたは円錐ビームによってスキャンされる等の単一のスキャニングイベントによって得ることができる。このような状況において、本方法は、そのような単一のスキャンを得るために、スキャニング領域内にサンプルを配置する工程を単に含む。

移動式のスキャナおよび画像化機能を有するスキャナは本発明の範囲外に排除されるものではないが、それらは本方法の作動にとって必要な要件ではない。

最も基本的には、本発明により、特定の標的物において登場する可能性の高い含有物の既知かつ限定された範囲について、同等の適切なデータライブラリ、そうでなければ比較可能なデータを参照することで、数値分析に基づいて、収集された透過データから、液体の組成分析が可能となる。データライブラリは、本発明に従った分解されたエネルギー帯域全体に亘って収集されたデータに、数値的な分析的方法において、関連付けられることができる任意の適切な形態での情報を含んでよい。データライブラリは、標準のプリセットによる基準物質および／またはユーザ入力による基準物質を含んでもよく、ならびに／または、基準データは、上述の方法に従って既知の物質から生成されてもよい。すなわち、データのライブラリは、システムによって構成されてもよく、このシステムは、実際には、時間の経過と共に物質の特性を「学習」することができる。データライブラリは、電気的に保存されたデータ、および／または、印刷されたリソース等のハード媒体に保存されたデータを含んでもよく、ローカルでおよび／またはリモートで、手動でおよび／または自動で、保持およびアクセスされてもよいが、本発明の方法の動作にはいずれも直接に関連しない。

上記のように、液体サンプルに対して基準値が作成されたが、最も実際的な状況において、前記液体は、既知の特性を有する標準の容器である、又はそうではない、容器内に入っていることが評価される。例えば、既知の組成の試験容器内に置かれることによって、単一の液体サンプルが試験されてもよい。代替的な状況においては、ボトル、ジャー、カートン等の中に入れられた液体サンプルはスクリーニングのために供されてもよい。

容器の物質の寄与が、上述の方法におけるデータ処理によって分析的に、あるいは、そうでなければ、例えばこのシステムに入力することで既知のものとなることによって、前もって既知であるかまたは識別できるならば、前述の比率の分析によって生成される結果に対する容器の寄与はその結果から差し引くことで識別可能であり、その結果、結果はさらに正確に、液体のみの物質特性を反映する。放射線経路（上述の式における「ｔ」）はまた、変量として除去可能である。このように、標準的でない容器内の液体サンプルに特に適用可能である本方法の実施形態において、さらなる工程において、透過強度の分析またはそれ以外の方法で容器の物質組成を識別することを模索する工程、および、そのような識別に基づいて分析的結果を修正する工程であって、この工程により、データベースを利用して最終的な比較工程を行うよりも先立って、容器内の液体の単独の寄与をさらに綿密に表す、工程を含む。

本発明の実施に対する本質的な要件は、検出器システムが、透過された放射線について分光学的な情報を生成することができることである。すなわち、検出器は、分光学的な情報を引き出すことができる放射線源の放射線スペクトルの幅の少なくとも要部全体に亘って分光学的に可変の反応を表示する。これは、少なくとも３つのエネルギー帯域に亘って分解され、上述の数値分析は、透過経路における物質含量の代表的な情報を得るために実行される。このように、本発明によれば、標的の物質または狭いクラスでの物質の真でありかつさらに特定的な識別が可能である。

本発明に係る検出器システムは、単一の検出器、または、複数要素のシステムを構成する複数の別個の検出器要素を含んでもよい。画像化システムとは対照的に、本発明は、空間分解能を必要としないが、実際には、０次元の強度での分析のみを作動する。単純化のために、単一の検出器がそれゆえ好まれてもよい。

好ましくは、検出器システムは、あるいは、複数要素のシステムを構成する一部または全部の別個の検出器要素は、分光学的な分解を生成するように適合されてよく、その結果、直接の分光学的な反応を示す。特に、単一のシステムまたは要素は、Ｘ線スペクトルの異なる部分に対して、直接の物質特性として本質的に、直接可変の電気的反応、例えば光電反応を、示すように選択された物質から製造される。例えば、検出器システムまたは要素は、バルク結晶、例えば、バルク単結晶（ここで関連するバルク結晶とは、少なくとも５００μｍ、好ましくは少なくとも１ｍｍの厚さを示す）として好ましくは形成される半導体物質または複数の半導体物質を含む。半導体を構成する物質は、好ましくは、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマンガン（ＣＭＴ）、ゲルマニウム、臭化ランタン、臭化トリウムから選択される。ＩＩ〜ＶＩ族の半導体、および特に列挙されたこれらは、特にこの関連で好ましい。ＩＩ〜ＶＩ族の半導体、および特に列挙されたこれらは、特にこの関連で好ましい。半導体を構成する物質は、好ましくは、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマンガン（ＣＭＴ）、およびそれらの合金から選択され、ならびに、例えば、結晶性のＣｄ_{１−（ａ＋ｂ）}Ｍｎ_ａＺｎ_ｂＴｅを含み、ここでａおよび／またはｂはゼロであってもよい。

これらおよび任意の他のこのような物質の組み合わせは、透過放射線の分光学的分解を与えると想定されてよい。

コリメーターは、好ましくは、Ｘ線源から発射されたビームの適切な形状を生成するように提供される。最も単純な形では、質量減衰係数の指標を数値的に導き出す目的のために、スペクトル分解された透過データを収集するために純粋にこの装置が用いられる場合、シンプルで効果的な１次元のビームが、シンプルで単一の透過検出器と連動して提供されてもよい。

本発明はここで、添付の図面を参照して例示による手段のみで記載される。

図１は、本発明の実施形態において使用するのに適したスキャニング装置の図の側面図である。 図２は、本発明の実施形態において使用するのに適した代替のスキャニング装置の図の側面図である。 図３は、図１または図２のスキャナを備える本発明を実施するための可能な装置の概略図である。

図１を参照すると、適切なＸ線源１が、検出器３の方向におけるスキャニング領域を介してＸ線を照射するために用いられる。

図１に図示された実施形態において、スキャナは移動式スキャナである（すなわち、スキャニングシステムと試験下の物体との間での相対移動を行うように適合されている）。このような相対移動は、本発明の動作に対してはもっぱら重要ではないが、例えば、透過放射線写真を生成するための二次的な画像化機能が必要とされる場合、有用である場合がある。

この２重の用途を念頭に置いて、図示の実施形態は、コリメートされた単一のＸ線源を用いて、放射線写真を現像するために利用可能である線形検出器（これは、本実施形態において、各々が、検出器要素の線形アレイを有する）に照射するカーテンビームを生成する。

本実施形態において、検出器３は、入射Ｘ線の分光学的分解を可能にする物質を備え、かつ特定の例において、テルル化カドミウムを備えるが、当業者は、他の物質の選択もまた適切であり得ることを理解する。このスペクトル分解を利用するために、Ｘ線源は、幅広いエネルギースペクトルに亘ってＸ線を放射する。本例においては、タングステン源が用いられるが、当業者は、他の物質もまた適切であり得ることを理解する。

無端ベルトコンベヤ７によって、スキャニング領域において放射線経路を遮るように、ｄ方向に、スキャンされるべき物体９を移動させる。

透過強度情報のデータセットは、この検出器からの透過情報を累積することによって生成される。この情報のデータセットは、本発明の原理および分光学的に分解される画像化の目的に従って、入射エネルギー／波長と透過強度との間の関係を、それら両方の数値分析のために、少なくともある程度、分解することによって処理されてよい。

このように、本発明の数値分析のために透過放射線を分光学的に分解可能な検出器が用いられるならば、本発明の原理は、画像化機能をも有する既存のスキャニングシステムに適用可能である。しかしながら、多くの実用的な目的では、シンプルで静止している検出器が好まれる傾向にあり、それというのも特に、スキャニングプロセスの動作パラメータ全体に対して十分な制御を可能にするからである。このような装置は、図２において概略的に示される。

図２を参照すると、適切なＸ線源１が、検出器３の方向に、スキャニング領域を介してＸ線を方向付けるために用いられる。

この検出器は、再び、入射Ｘ線の分光学的分解を可能にする物質を備え、かつ特定の例においては、テルル化カドミウムを備えるが、当業者は、他の物質の選択もまた適切であり得ることを理解する。この分光学的な分解を利用するために、Ｘ線源は、幅広いエネルギースペクトルに亘ってＸ線を放射する。

このシステムは、Ｘ線生成器を備え、検出器アレイを作動させるものとする。容器がこのシステム内に置かれ、ドアが閉じられた場合、オペレータは、１つの押しボタンを用いてＸ線スキャンを開始するものとする。

図示の実施形態は、約１０〜５０ｋｅＶの動作の計画されたスペクトルを有するペンシル・ビーム、および、例えば約１００ｋｅＶ以上等の少なくとも１つのより高いエネルギー放射性同位体源を生成するように、コリメートされたＸ線源を備える複数の放射線源をさらに用いる。本例において、１２２ｋｅＶのコバルト５７の放射線源が提供される。これらは、図において共同で配置された（ｃｏ−ｌｏｃａｔｅｄ）単一の放射線源１として図示される。別個の複数の放射線源１および検出器３が提供されてもよい。

液体９の容器は、試験下ではサンプルホルダ７中に保持されるので、放射線経路５はそれに入射する。ビームの減衰は、設定された検出器によって測定されるものとし、かつ容器の中の液体の状態を示す物質の分析が行われるものとする。好ましい実施形態において、容器は既知の寸法であり、かつ液体からの透過信号を妨害しない程度にＸ線を強く吸収し過ぎない既知の物質である。サンプルホルダ７は、それによって固定され画定された位置内で容器９を保持する。その結果、容器９は、放射線源および検出器の、固定されかつ既知の関係において保持され、このようにして、固定されかつ一貫した放射線経路が、容器内に含まれた液体を介して画定される。また、その結果、放射線経路方向におけるサンプルの効果的な「厚さ」、すなわち、本明細書の上述において説明された減衰方程式における項「ｔ」は既知の量である。

この装置は、単一の分光学的に分解されたデータセットを生成のみするように設計され、複数の放射線経路、物体とスキャニングシステムとの間の相対的な移動、または放射線写真の生成に必要とされ得る他のそのような複雑なシステムを必要としないので、この装置は、シンプルなままで可能であり、単一の別個の照射源および単一の別個で効果的な無次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ）の単一の画素検出器を有して、例えば、コンパクトかつ携帯可能である。

透過強度情報のデータセットは、図３に示されるように、本発明の原理に従って、数値分析のために、入射エネルギー／波長と透過強度との間の関係を、少なくともある程度まで、分解することによって生成される。

図３の概略図において、放射線源１、および横方向に間隔を置いた検出器装置アセンブリ２１は、それらの間のスキャニング領域Ｚを共に画定する。使用の際、スキャンされる液体サンプルは、上述のようにスキャニング領域内に保持される。

放射線源からの入射ビーム１１が図示される。このシンプルな図表において、入射ビームは線１１によって表される。透過ビーム１３は検出器２１に入射する。

検出器２１はプロセッサ２２とデータ通信を行う。物質に固有のスペクトル分解により、プロセッサ２２は、データレジスタ２３内に保存されたエネルギー帯域の境界を参照することにより、本発明の原理に従って複数のプリセット周波数／エネルギー帯域に亘って差異的にこの画像を分解することができる。

この例示的な実施形態において、複数のＸ線および放射性同位体の放射線源が用いられる。Ｘ線スペクトルは、いくつかの周波数帯域に亘り、および、各々の放射性同位体の放射線源エネルギーにおける情報によって補足された情報に亘り、分解されてもよい。この例の図示のために、５つのエネルギー／帯域における強度情報が、このようにして分解される。実際には、場合によってはスペクトルが分解される必要がある異なるエネルギー／エネルギー帯域の数、および、従って導き出される必要がある異なるエネルギーでの異なる強度データアイテムの数は、そのデータが適合される必要のある式中の変数の数、および、従って識別されるか、またはその存在を考慮される必要がある、あるいは、その比率が導き出される必要のある含有物の数に依存する。

プロセッサ２２は、一連の識別されたＸ線のエネルギー帯域／別個の放射性同位体のエネルギーの各々に関連して作動し、かつそのデータを用いて、透過強度の代表的な定量値、および例えば、帯域の場合は、その平均値を生成し、次いでそのデータは保存のために強度データアイテムレジスタ２４へ送信される。

計算手段２５は、そのようにして生成されたそのデータをデータのライブラリ２７と比較する。データのライブラリは、試験下の特定の液体のための少数の特定の標的物の含有物についての質量減衰係数に関連する、類似または少なくとも数値的に比較可能な性質の事前に保存されたデータを含む。

データ処理のいずれか、あるいは、例えばプロセッサ２２、データレジスタ２４、計算手段２５、およびライブラリ２７のうちの１つ以上を含む装置の保存要素が、特定用途向けまたは汎用のコンピュータ等のプログラミングに適したデータプロセッサ手段によって提供されてもよい。

このライブラリはまた、通常の液体容器物質および構造についてのデータを含んでもよい。これは、手動または自動でアドレスされるライブラリであってもよい。データは、事前にロードされるか、または参照されてもよく、あるいは、知られている物質を用い、装置の作動により、経時的に生成または追加されてもよい。

この比較により、透過経路内にある、可能性が高いと見込まれる液体含有物について、特に、含有物において可能性が高いと見込まれる比率についての推定が導き出されてよい。この結果はオペレータのディスプレイインターフェース３０上に表示されてもよい。

このことは、計算手段２５が、各々の含有物の相対的な寄与のための重み付けと、その結果、一定の割合の含有物の測定とを引き出すことによって、測定されたデータをライブラリに適合させるために、計算を繰り返すことを実行するように適合されるという点において達成される。適用される質量減衰の式は上述で説明してある。この装置が本発明の原理に従って用いられる場合、その原理の変形の全ては、容器（例えばサンプルの「厚さ」を規定する）から既知であるか、その放射線源（それは固定された初期の強度および既知のスペクトルである）から既知であるか、のいずれかであることは理解され得る。透過強度全体に対して任意の実質的な寄与を生じ得るための各含有物の質量減衰係数もまた既知である。特定の周波数において、この全体の質量減衰係数は、強度データセットから、計算手段２５によって数値的に容易に決定可能である。任意の単一の特定の周波数において既知でない質量減衰係数については、各々個々の含有物がその減衰全体に対して寄与している。しかしながら、各含有物の質量減衰係数はエネルギーの変化に伴い特徴的かつ相違して様々である。従って、全ての含有物についての既知の質量減衰係数の全てのデータを、各エネルギーでの計算された値に適合させることによって、各含有物の相対的な比率について一意の解答を導き出すことは、原則として本発明に従えば少なくとも可能である。この一意の解答は出力手段３０に送られることができる。

このように、本発明に従い、試験下の液体の可能性が高いと見込まれた構成要素の提供された概略的な知識が利用可能であり、これらの可能性が高いと見込まれた構成要素に関するデータは保存可能であり、相対的な合成物の情報が取得可能である。

１つの特定の想定される応用において、この装置は、それらの概略的な構成要素の情報を得るために有機液体をテストするために用いられることが想定される。例えば、ミルクの含有物として、脂肪、または砂糖、あるいはタンパク質を決定することが望ましい場合がある。このような例において、テストに供される液体は、一般的に既知である。それはミルクである。決定される相対的な比率の構成要素の含有物は既知である。それらは塩基水溶液であり、乳化脂肪、固体タンパク質等である。一般に、各々のそのような構成要素の代表的な減衰データは保存可能であり、このように、上述の数値的な原理に従って、相対的なレベルが測定される。例えば、本発明は、脂肪含有物を測定するために用いることができる。

図示された例が示すように、本発明の特定の強みは、十分な化学的組成分析を必然的に要求することなく、シンプルで効果的な方法で、特定の目的に対して、十分な程度の精度まで、含有物含有量についての概略的な目安を引き出す能力にある。質量減衰データのライブラリが、液体システムの各々の構成要素が別々に識別されるために、入射放射線エネルギーを用いて、質量減衰の機能的な違いの適度に代表的な目安を保存できるならば、そのような構成要素が単一の化学種であるのか、あるいは、関連のある、または関連のない化学種のクラスであるのかは、本発明に関係はない。それでも比率は区別され得る。例えば、ミルクに関連した特定の例において、脂肪含有物のみを単に測定したい場合、次いで、第１の含有物である「乳脂肪」として、および第２の内容部である「ミルクのその残り」として表される質量減衰データのデータライブラリを提供することは、このような含有物の相対的な比率が本発明の原理に従って決定可能であるためには十分であり得る。

Claims (16)

1. 液体サンプルの組成に関する情報を決定するための装置であって、
   放射線源およびそこから間隔を置いた放射線検出器システムであって、それらの間にあるスキャニング領域を規定し、そして、使用の際、前記検出器における放射線入射についての情報のデータセット、すなわち、前記スキャニング領域内の物体の透過率である、を収集する、放射線源および放射線検出器システムと、
   各周波数の強度データアイテムを生成するために、前記放射線源のスペクトル内の複数の周波数に亘って、前記データセットを処理および分光学的に分解するデータ処理装置と、
   前記液体の複数の予期される構成要素の含有物の質量減衰データを保存する質量減衰データライブラリと、
   各々の強度データアイテムを、前記構成要素の含有物に関して、指数関数的な減衰則、
   Ｉ／Ｉ_０＝ｅｘｐ［−（μ／ρ）ρｔ］
   ここでμ／ρは質量減衰係数であり、物質の重み付けられた元素の組成に特有な物質定数。
   Ｉは最終強度。
   Ｉ_０は初期強度。
   ρは物質の密度。
   ｔは物質の厚さ。
   によって与えられる関係に一致させ、かつ、そこから、前記強度データアイテムを生成する透過経路内の前記構成要素の含有物の相対的な比率の指標を導き出す、比較器と、
   使用の際に、その内部に試験下の液体サンプルが収容される、既知の放射線透過特性および大きさの少なくとも１つの標準の容器と、
   を備える、装置。
2. 前記比較器は、
   その周波数における、強度データアイテムの全体的な質量減衰係数を導き出し、
   前記周波数における、前記各含有物についての含有物質量減衰係数を読み出し、
   各構成要素の含有物の前記相対的な比率を前記強度データアイテムに適合させるために、単一の一意の解答が導き出され得ることを、十分な周波数にて繰り返すように適合された計算手段を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記スキャニング領域内の静止位置において、液体サンプルが収容される前記少なくとも１つの標準の容器を固定するように適合したサンプル保持手段を、さらに備えている、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記放射線源は、Ｘ線および／またはガンマ線の放射線源である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記放射線源は、複数のエネルギー帯域に亘って前記検出器によって分解することができるように、必要なスペクトル拡散全体を提供するために、異なるエネルギーにおける放射線源の組み合わせを含む複数の放射線源である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記複数の放射線源は、相対的に低いエネルギースペクトルを有するＸ線源、および、相対的に高いエネルギー、約１００ｋｅＶ以上の放射線を生成する１つ以上の放射性同位体の放射線源を備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記検出器システムは、単一の検出器を備え、前記放射線からのビームはコリメートされて単一の実質的に１次元のビームを生成する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の装置。
8. 検出器は、分光学的な分解を生成するように適合され、前記検出器は、Ｘ線スペクトルの異なる部分に対する直接可変の電気的反応を、直接の物質特性として本質的に示すように選択された物質から作られる、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記検出器は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマンガン（ＣＭＴ）、ゲルマニウム、臭化ランタン、臭化トリウムから選択される半導体物質を含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記検出器は、半導体物質、またはＩＩ−ＶＩ族の半導体物質を含むバルク結晶として形成される物質を含む、請求項８または請求項９に記載の装置。
11. 前記検出器は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマンガン（ＣＭＴ）から選択される半導体物質を含む、請求項１０に記載の装置。
12. 液体の組成を識別および検出するために有用である放射線透過データを取得する方法であって、
    放射線源およびそこから間隔を置いた放射線検出器システムであって、それらの間にあるスキャニング領域を規定し、使用の際、検出器における放射線入射についての情報のデータセット、すなわち、前記スキャニング領域内の物体の透過率である、を収集する、放射線源および放射線検出器システムを提供する工程と、
    前記スキャニング領域に液体サンプルを配置し、前記放射線源を作用させ、かつ、前記検出器システムに入射する放射線についての強度情報の１つ以上のデータセット、すなわち、前記物体を透過し、前記検出器システムにおいて受け取られた放射線から、前記スキャニング領域内の前記サンプルの透過率である、を収集する工程と、
    各周波数の強度データアイテムを生成するために、前記放射線源のスペクトル内の複数の周波数に亘って、前記強度データセットを分解する工程と、
    前記液体の複数の予期される構成要素の含有物について、各々の強度データアイテムを、前記構成要素の含有物に関して、指数関数的な減衰則、
    Ｉ／Ｉ_０＝ｅｘｐ［−（μ／ρ）ρｔ］
    ここでμ／ρは質量減衰係数であり、物質の重み付けられた元素の組成に特有な物質定数。
    Ｉは最終強度。
    Ｉ_０は初期強度。
    ρは物質の密度。
    ｔは物質の厚さ。
    によって与えられる関係に一致させ、かつ、そこから、前記強度データアイテムを生成する透過経路内の前記構成要素の含有物の相対的な比率の指標を導き出すために、前記強度データアイテムを、質量減衰データを保存する質量減衰データライブラリと数値的に比較する工程と、
    使用の際に、その内部に試験下の液体サンプルが収容される、既知の放射線透過特性および大きさの少なくとも１つの標準の容器を提供する工程と、
    を含む、方法。
13. 前記強度データアイテムを比較する工程は、
    その周波数における、強度データアイテムの全体的な質量減衰係数を導き出す工程と、
    前記周波数において、前記各含有物についての含有物質量減衰係数を読み出す工程と、
    前記強度データアイテムを生成するために必要な各構成要素の含有物の相対的な比率に対して、単一の一意の解答が導き出され得ることを、十分な周波数にて繰り返す工程と、
    を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 試験下のサンプルを前記スキャニング領域内に配置する工程、および前記サンプルを前記スキャニング領域内の、サンプル保持手段上に支持する工程を含む、請求項１２または請求項１３に記載の方法であって、前記方法は、試験下の標準の容器を前記スキャニング領域内に配置する工程、および前記サンプルを前記スキャニング領域内の、前記標準の容器固定手段を備えるサンプル保持手段上に支持する工程を含む、方法。
15. 複数のエネルギー帯域に亘って前記検出器によって分解することができるように、必要なスペクトル拡散全体を提供するために、異なるエネルギーにおける放射線源の組み合わせを含む複数の放射線源を提供することを含む、請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記複数の放射線源は、相対的に低いエネルギースペクトルを有するＸ線源、および相対的に高いエネルギーで放射線を生成する１つ以上の放射性同位体の放射線源を備える、請求項１５に記載の方法。
    

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