KR102041653B1 - 고속보안검사시스템 - Google Patents

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KR102041653B1
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에드워드 제임스 몰튼
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라피스캔 시스템스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 철도로 운송되는 화물을 스캐닝하기 위한 고속스캐닝시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 한 실시형태에서 콘-빔 X-선 구조를 갖는 2차원 X-선 어레이를 이용한다. X-선 소오스의 펄스 레이트는 X-선 펄스 사이에서 화물이 이동하는 거리가 단일 에너지 소오스인 경우 검출기의 폭과 같고 이중 에너지 소오스의 경우 검출기의 폭의 반과 같도록 이동화물의 속도에 기반하여 조절된다. 이로써 X-선 노출과 통과화물 사이의 정밀한 타이밍이 보장되어 고속에서도 화믈의 정확한 스캔이 이루어질 수 있도록 한다.

Description

고속보안검사시스템 {HIGH-SPEED SECURITY INSPECTION SYSTEM}
본 발명은 우선권주장을 위한 2012년 2월 8일자 미국가특허출원 제61/596,648호에 기초하는 것으로, 본 발명에 참고로 인용된다.
본 발명은 차량에 실린 위험물이나 밀수품 등을 검색하기 위한 고속보안검사시스템에 관한 것으로, 특히 철도화물차량과 같은 고속철도시스템에 의하여 운송되는 화물을 검색하기 위한 고속보안검사시스템에 관한 것이다.
우편물, 상품, 원료 및 기타 상품의 수송을 포함하여 어떠한 물건들의 수송은 경제의 중요한 부분이다. 전형적으로 물건들은 운반격납수단 또는 화물박스의 형태로 수송된다. 이러한 격납수단 또는 박스는 세미-트레일러, 대형 트럭 및 철도차량뿐만 아니라 컨테이너 선박 또는 화물수송기로 운반될 수 있는 인터모달(inter-modal) 방식의 컨테이너를 포함한다. 그러나, 이러한 운반 또는 화물컨테이너는 밀수품의 불법적인 운반에 사용될 수 있다. 이들 위험물의 검출은 안전하고 정확한 검사시스템을 요구면서도, 대량의 화물을 검사하는데 지나치게 지연되거나 처리하는데 부담을 주지 않도록 효율이 좋아야 한다.
특히, 보안검사를 위하여 열차에 실려 운반되는 화물을 자동적으로 스캐닝하는 것이 요구된다. 이러한 화물은 전형적으로 컨테이너에 적재된 형태이며 이러한 컨테이너는 표준크기와 형상을 갖는다. 전형적으로 화물 컨테이너를 실어나르는 열차는 고속(20 km/h ~ 150 km/h의 범위)으로 이동하므로, 보안검사의 과정은 화물의 유통을 방해함이 없이 고속으로 수행되어야 한다. 더욱이, 이러한 시스템은 화물열자에 탑승하고 있는 운전자나 안내원과 같은 작업자가 방사선에 노출되어서는 아니 되며, 화물에 가려진 사람들에 대하여 노출되는 방사선은 상당히 낮은 레벨로 감소되어야 한다.
컨테이너 화물을 검사하기 위한 종래의 검색방식은 X-선 스캐닝, 화물로부터 방출되는 증기의 화학적 분석, 살아 있는 생물체를 검출하기 위하여 화물로부터 나오는 음향의 청취와, 한 사람 이상의 보안담당자에 의한 실질적인 화물의 촉수검사를 포함한다.
대부분의 경우 전 세계의 모든 지역에서는 컨테이너 화물의 검색을 위하여 X-선 스캐닝을 이용한다. 여기에서, 모바일 스캐너(조사대상물에 대하여 통과하면서 스캐닝한다), 트레일러형 스캐너(검사대상의 차량이 검사영역을 통과한다), 갠트리형 스캐너(조사대상물에 대하여 레일을 따라 이동하면서 스캐닝한다)과, 포털방식의 스캐너(차량이 스캐너를 통하여 이동하고 차량 전체 또는 화물만 스캐닝된다)를 포함하는 다양한 시스템이 개발되었다.
대부분의 X-선 스캐닝 시스템은 X-선의 치밀하게 시준된 팬-빔(fan-beam)내에서 필요한 침투방사선을 발생하기 위하여 선형 가속기 또는 X-선 튜브를 사용한다. 선형 가속기 시스템은 1 MV ~ 9 MV 범위의 에너지를 사용하는 반면에 X-선 튜브 기반의 시스템은 100 kVp ~ 450 kVp 범위의 에너지를 사용한다. 다른 방사선 소오스로서는 Co-60 또는 Cs-137과 같은 감마선방출물질 또는 베타트론(betatron)과 같은 X-선 소오스를 포함한다. 때때로, 화물의 검색을 위하여 중성자 소오스가 사용되며, Am-Be 또는 Cf-252와 같은 동위원소 소오스 또는 D-D 또는 D-T 펄스형 중성자 발생기와 같은 전자장치 소오스를 포함한다.
각각의 경우, 시스템의 스캐닝 속도는 화물에 충분히 침투할 수 있도록 하는 한편 동시에 점유된 화믈의 안전 스캐닝이 이루어질 수 있도록 선형 가속기로부터의 펄스 레이트(pulse rate) 또는 X-선 튜브로부터의 허용가능한 선량과 같은 요인에 의하여 제한된다.
당해 기술분야의 전문가에게 알려진 시스템들은 허용가능한 이미지 품질을 유지하기 위하여 스캐닝 속도가 15 km/h 이하이다. 이러한 속도는 팬-빔 X-선 소오스의 펄스 레이트와 X-선 소오스 어레이의 비교적 좁은 폭에 의하여 결정된다.
따라서 철도차량의 화물을 검색하기 위하여 요구되는 고속의 스캐닝 속도를 제공하는데 제약이 되지 않는 스캐닝 시스템이 요구된다. 아울러, 이러한 스캐닝 시스템은 스캐닝 속도에 관계없이 탁월한 이미지 품질을 유지하는 것이 요구된다.
한 실시형태에서, 본 발명의 시스템은 콘-빔(cone-beam) X-선 구조가 조합된 2차원 X-선 센서 어레이를 이용한다. 또한 본 발명의 스캐닝 시스템은 최소의 오경보로 최대의 위험물 검출이 이루어져 처리량이 증가될 수 있도록 한다.
한 실시형태에서, 본 발명의 스캐닝 시스템은 X-선 노출과 통과 대상물의 속도 사이의 정확한 시간이 중요하고 X-선 센서의 2차원 어레이의 폭에 따라 달라진다.
한 실시형태에서, 본 발명은 고속으로 이동하는 화물을 스캐닝하기 위한 X-선 검사 시스템으로서, 이 시스템이 화물을 조사(照射)하기 위하여 X-선 빔을 발생하기 위한 고에너지 X-선 소오스, 스캔된 화물을 통하여 전달된 X-선 빔 신호를 수신하는 적어도 하나의 검출기 어레이와, 상기 X-선 소오스를 조절하여 X-선 소오스의 펄스 레이트가 통과화물의 속도에 직접 비례하는 제어시스템을 포함한다.
한 실시형태에서, 본 발명은 화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템에 관한 것으로, 이 시스템이 화물을 조사(照射)하기 위하여 X-선 빔을 발생하기 위한 X-선 소오스와, 스캔된 화물을 통하여 전달된 X-선 빔 신호를 수신할 수 있게 된 적어도 하나의 2차원 검출기 어레이를 포함하고, 상기 X-선 소오스와 상기 겁출기는 화물의 양측에 배치되고, X-선 빔의 평면에 대하여 수직인 선형 궤도를 따라서 X-선 시스템 빔을 통하여 화물을 운송하기 위한 이동시스템과, 상기 X-선 소오스를 조절하기 위한 제어시스템을 포함하며, X-선 소오스의 펄스 레이트가 통과화물의 속도에 직접 비례한다.
한 실시형태에서, 본 발명의 X-선 소오스는 단일 에너지 소오스이다.
한 실시형태에서, 펄스 레이트는 X-선 펄스 사이에서 화물의 이동거리가 검출기의 폭과 동일하도록 조절된다.
다른 실시형태에서, X-선 소오스는 이중 에너지 소오스이다. 이러한 경우에 있어서, 펄스 레이트는 X-선 펄스 사이에서 화물의 이동거리가 검출기의 폭의 반과 동일하도록 조절된다.
한 실시형태에서, 이동시스템은 열차이다.
다른 실시형태에서, 이동시스템은 트럭이다.
선택적으로, X-선 시스템은 철도에 의하여 운송되는 화물을 스캔하기 위하여 사용된다.
선택적으로, 본 발명의 시스템은 또한 검출기로부터의 산란된 방사선을 거부하는 콜리메이터(collimator)를 기술한다.
선택적으로, 제어시스템은 상기 스캐닝 시스템으로부터 원격한 장소에 배치된다.
다른 실시형태에서, 본 발명은 고속으로 주행하는 열차에 의하여 운송되는 화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템에 관한 것으로, 이 시스템이 화물을 조사하기 위하여 X-선 빔을 발생하기 위한 X-선 소오스와, 스캔된 화물을 통하여 전달된 X-선 빔 신호를 수신하는 적어도 하나의 검출기 어레이를 포함하고, 상기 X-선 소오스와 상기 검출기는 검사영역의 양측에 배치되며, 상기 X-선 소오스를 조절하기 위한 제어시스템을 포함하고, X-선 소오스의 펄스 레이트가 통과화물의 속도에 직접 비례한다.
한 실시형태에서, X-선 소오스는 단일 에너지 소오스이다.
한 실시형태에서, 펄스 레이트는 X-선 펄스 사이에서 화물의 이동거리가 검출기의 폭과 동일하도록 조절된다.
다른 실시형태에서, X-선 소오스는 이중 에너지 소오스이다. 이러한 경우에 있어서, 펄스 레이트는 X-선 펄스 사이에서 화물의 이동거리가 검출기의 폭의 반과 동일하도록 조절된다.
한 실시형태에서, 화물은 물질의 특징을 얻기 위하여 고-에너지와 저-에너지의 X-선이 교대로 조사된다.
선택적으로, X-선 시스템은 화물의 광학적 이미지를 획득하기 위한 시스템을 더 포함한다. 더욱 선택적으로, 화물 컨테이너는 유효한 컨테이너 코드가 그 광학적 이미지로부터 인식되는 경우에 스캔된다.
선택적으로, 제어시스템은 통과화물의 속도를 측정하기 위한 시스템을 더 포함한다.
선택적으로, 제어시스템은 상기 스캐닝 시스템으로부터 원격한 장소에 배치된다.
본 발명은 또한 이동하는 이동화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템에 관한 것으로, 이 시스템이 이동화물을 조사하기 위하여 X-선의 콘-빔을 발생하기 위한 X-선 소오스를 포함하고, 이동화물은 X-선의 콘-빔의 평면에 수직인 선형 궤도를 따라 이동하며, 이동화물을 통하여 전달된 X-선의 콘-빔을 수신하는 적어도 하나의 2차원 검출기 어레이를 포함하고, 상기 X-선 소오스와 상기 적어도 하나의 검출기는 이동화물의 양측에 배치되며, 이동화물의 속도를 측정하기 위한 센서와, 센서로부터 상기 속도를 나타내는 데이터를 수신하여 이동화물의 속도와 상기 검출기 어레이의 크기에 기반하여 X-선의 콘-빔의 펄스 레이트와 에너지 레벨의 적어도 하나를 조절하기 위한 제어시스템을 포함한다.
한 실시형태에서, X-선 소오스는 단일 에너지 소오스이다. 한 실시형태에서, 제어시스템은 X-선 펄스 사이에서 이동화물의 이동거리가 검출기의 폭과 실질적으로 동일하도록 펄스 레이트를 조절한다.
다른 실시형태에서, X-선 소오스는 이중 에너지 소오스이다. 한 실시형태에서, 제어시스템은 X-선 펄스 사이에서 이동화물의 이동거리가 검출기의 폭의 반과 실질적으로 동일하도록 펄스 레이트를 조절한다.
한 실시형태에서, 이동화물은 열차에 의하여 상기 궤도를 따라 추진된다.
다른 실시형태에서, 이동화물은 트럭에 의하여 상기 궤도를 따라 추진된다.
한 실시형태에서, X-선 시스템은 검출기 어레이로부터 산란된 방사선을 거부하기 위하여 상기 검출기 어레이에 근접하여 배치된 콜리메이터를 더 포함한다. 한 실시형태에서, 콜리메이터는 그리드를 형성하도록 다수의 행(row)과 열(column)로 구성되는 다수의 콜리메이터 시이트를 포함한다.
한 실시형태에서, 제어시스템은 상기 스캐닝 시스템으로부터 원격한 장소에 배치된다.
본 발명은 또한 고속으로 주행하는 열차에 의하여 운송되는 이동화물을 스캔하기 위한 X-선 검사시스템에 관한 것으로, 이 시스템이 이동화물을 조사하기 위한 X-선 빔 신호를 발생하는 X-선 소오스와, 이동화물을 통하여 전달된 X-선 빔 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 검출기 어레이를 포함하고, 상기 X-선 소오스와 상기 검출기가 검사영역을 형성하기 위하여 상기 열차의 양측에 배치되며, 상기 X-선 소오스를 조절하기 위한 제어시스템을 포함하고, 상기 제어기는 이동화물의 속도와 상기 검출기 어레이의 폭의 함수에 기반하여 X-선의 펄스 레이트와 에너지 레벨의 적어도 하나를 조절한다.
한 실시형태에서, X-선 소오스는 단일 에너지 소오스이다. 한 실시형태에서, 제어시스템은 X-선 펄스 사이에서 이동화물의 이동거리가 검출기의 폭과 실질적으로 동일하도록 펄스 레이트를 조절한다.
다른 실시형태에서, X-선 소오스는 이중 에너지 소오스이다. 한 실시형태에서, 제어시스템은 X-선 펄스 사이에서 이동화물의 이동거리가 검출기의 폭의 반과 실질적으로 동일하도록 펄스 레이트를 조절한다. 한 실시형태에서, 제어시스템은 상기 이동화물내의 물질의 특성을 나타내는 데이터를 발생하기 위하여 X-선 소오스가 교대로 고-에너지 X-선 빔 방출과 저-에너지 X-선 빔 방출 사이로 전환될 수 있도록 한다.
한 실시형태에서, X-선 시스템은 이동화물의 광학적 이미지를 획득하기 위한 시스템을 더 포함한다. 한 실시형태에서, 제어시스템은 광학적 이미지를 획득하기 위하여 상기 시스템으로부터의 광학적 데이터를 수신하고, 이러한 광학적 데이터에 기초하여, 상기 이동화물이 상기 X-선 빔 신호로 스캔되어야 하는지의 여부를 결정한다.
한 실시형태에서, 제어시스템은 이동화물의 속도를 측정하기 위한 센서 시스템을 더 포함한다.
한 실시형태에서, 제어시스템은 상기 스캐닝 시스템으로부터 원격한 장소에 배치된다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 기술된 시스템의 한 실시형태에 따른 시스템 구성의 개요도.
도 2는 도 1에서 보인 검사영역의 평면도
도 2a는 검사대상물의 속도에 대한 펄스 레이트를 보인 그래프.
도 3a는 본 발명에 기술된 스캐닝 시스템의 단선형 설비를 위한 예시적인 구성을 보인 설명도.
도 3b는 본 발명에 기술된 스캐닝 시스템의 복선형 설비를 위한 예시적인 구성을 보인 설명도.
도 4a는 검출기 어레이로부터의 산란된 방사선을 거부하는데 사용된 콜리메이터 조립체의 한 실시형태를 보인 설명도.
도 4b는 검출기 어레이로부터의 산란된 방사선을 거부하는데 사용된 콜리메이터 조립체의 다른 실시형태를 보인 설명도.
도 4c는 검출기 어레이로부터의 산란된 방사선을 거부하는데 사용된 콜리메이터 조립체의 또 다른 실시형태를 보인 설명도.
도 4d는 검출기 어레이로부터의 산란된 방사선을 거부하는데 사용된 콜리메이터 조립체의 또 다른 실시형태를 보인 설명도.
도 5는 고원자번호(High-Z)와 저원자번호(Low-Z) 물질 사이의 식별을 위한 그래프.
도 5a는 본 발명에 기술된 시스템의 한 실시형태에 따른 이중 에너지 이미지화를 보인 설명도.
도 6은 본 발명에 기술된 시스템의 한 실시형태에 따른 열차 스캐닝 시스템의 개요도.
도 7은 본 발명에 기술된 시스템의 한 실시형태에 따른 제어시스템의 블록 다이아그램.
도 8은 예시적인 스캐닝 과정을 설명하는 그래프
도 9는 본 발명에 기술된 시스템의 예시적인 원격 네트워크형 설비를 설명하는 설명도.
한 실시형태에서, 본 발명은 20 km/h ~ 150 km/h 범위의 고속 스캐닝 속도를 갖는 스캐닝 시스템을 이용하여 철로에서 주행하는 열차에 실린 화물에서 밀수품과 위험물을 검출하기 위한 시스템과 방법을 기술한다. 본 발명의 스캐닝 시스템은 스캐닝 속도가 고속임에도 불구하고 탁월한 품질의 이미지를 제공한다.
한 실시형태에서, 본 발명의 시스템은 종래기술에서 협소한 센서의 컬럼을 향하여 치밀하게 조준된 X-선 팬-빔을 투사하는 대신에 콘-빔 X-선 구조가 조합된 2차원 X-선 센서 어레이를 이용한다. 또한 본 발명의 스캐닝 시스템은 최소의 오경보로 최대 위험물 검출이 이루어져 위험물 검출의 처리량이 중가될 수 있도록 한다.
한 실시형태에서, 본 발명의 스캐닝 시스템은 X-선 노출과 통과대상물의 속도 사이의 정확한 타이밍이 중요하고 X-선 센서의 2차원 어레이의 폭에 따라 달라지는 것을 인식한다.
본 발명은 다수의 실시형태를 보이고 있다. 다음의 설명은 본 발명의 기술분야에 전문가가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 본문에 사용된 언어는 어느 하나의 특정 실시형태의 일반적인 부인으로서 해석되거나 또는 본문에 사용된 용어의 의미를 넘어서 청구범위를 제한하는데 사용되어서는 안 된다. 본원에서 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 실시형태나 분야에 적용될 수 있다. 또한, 사용된 표현 및 용어는 실시형태들을 설명하기 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명은 다수의 대안, 변경 및 개시된 원리 및 특징에 부합하는 등가물을 포괄하는 가장 넓은 범위를 부여하려는 것이다. 본 발명을 명확히 하기 위하여, 본 발명의 기술분야에서 알려진 기술적인 자료에 관한 정보는 본 발명을 필요없이 불명료하게 하지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.
본 발명 시스템 구조의 개요가 도 1에 도시되어 있다., 도 1에서, 선형 가속기 X-선 소오스(101)가 X-선의 콘-빔(102)을 2차원 X-선 검출기 어레이(103)에 투사하고 있는 것을 보이고 있다.검출기 어레이(103)와 X-선 소오스(101)는 검사영역의 대향된 양측에 배치되며, 한 실시형태에서 이러한 검사영역은 화물 컨테이너가 실린 열차가 주행하는 철도궤도(104) 부근의 영역이다. 비록 본 발명이 철도로 운송되는 화물을 자동스캐닝하는 것으로 설명되고 있으나, 본 발명 기술분야의 전문가라면 도 1에서 보인 시스템이 다른 차량이나 본 발명에 의하여 요구되는 이동수단이나 트레일러과 같은 다른 구성이나, 갠트리나 포털구성 등에 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
한 실시형태에서, X-선 검사시스템은 스캐닝 영역을 통과하며 실질적으로 직선 경로에서 이동하는 화물에 대하여 작동한다. X-선 소오스와 검출기 사이에서 철도궤도상에서 통과하는 철도화물의 정확한 스캐닝을 위하여, 본 발명은 X-선 노출과 통과대상물의 속도 사이의 정확한 타이밍이 이루어질 수 있도록 한다. 이와 같이 중요한 타이밍은 X-선 센서의 2차원 어레이의 폭에 따라 달라질 수 있다. 도 2는 상부로부터 궤도(201)의 평면을 내려다 본 검사영역(201)의 평면도를 보인 것이다. 이러한 도면으로부터 보인 바와 같이, 한 실시형태에서 단일 에너지 시스템의 경우에, 화물이 X-선 펄스(203) 사이로 이동하는 거리가 실질적으로 검출기(204)의 폭에 의하여 정확히 매칭되는 것이 필요하다. 이중 에너지 시스템의 경우에 있어서는 이러한 거리가 정확히 검출기 폭의 반과 같아야 한다. 이 경우에 있어서 검사대상인 대상물의 모든 영역이 충분히 분석되므로 최상의 이미지 품질을 얻기 위하여 이중-에너지 이미지화의 이용이 바람직하며, 이에 따라서 본 발명 시스템의 한 실시형태에서는 이중 에너지 X-선 소오스를 이용한다.
따라서, X-선 펄스는 통과화물의 속도에 기반하고 알려진 검출기 크기에 기반하여 타이밍이 맞추어지고, 화물이 펄스 사이를 이동하는 거리는 실질적으로 검출기 폭 또는 그 일부분과 동일하다. X-선 소오스를 작동시키는데 사용된 제어시스템과 검출된 데이터를 처리하기 위하여 사용된 처리시스템은 알려진 검출기의 폭, 알려진 검출기의 폭의 반, 또는 검출기에 관련된 다른 크기로 사전프로그램될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에서, X-선 소오스를 구동시키는 제어시스템은 통과화물의 속도에 직접 비례하도록 X-선 소오스의 펄스 레이트를 조절한다. 이것이 화물의 속도(211)에 대한 펄스 레이트(210)를 보인 도 2a의 그래프에서 보이고 있다. 이 그래프의 기울기는 검출기 어레이의 폭의 간단한 함수로서, 검출기 어레이의 폭이 넓을수록 그래프의 기울기는 작아진다.
예를 들어, 열차는 시스템을 통하여 100 km/h로 이동하는 것으로 간주한다. 이는 27.8 m/s의 속도에 해당한다. 최대 펄스 레이트가 300 Hz인 X-선 소오스에 대하여, 화물의 중심으로부터 계산된 검출기의 폭은 단일 에너지 이미징의 경우 27.8 m/s를 300으로 나눈 0.093 m 가 될 것이며, 이중 에너지 이미징인 경우 0.185 m 가 될 것이다. 이와 같이 간단하고 동일한 계산이 다른 상화의 펄스 레이트 또는 검출기 폭을 계산하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 화물의 중심에서 측정하였을 때 검출기 폭이 0.185 m 인 이중 에너지 시스템의 경우, 50 km/h의 스캐닝 속도에서 선형 가속기(Linac)의 펄스 레이트는 150 Hz 이어야 한다.
한 실시형태에서, 시스템의 공간해상도는 검출기 어레이의 요구된 폭이 결정된 후에, 검출기의 2차원 어레이내에 요구된 검출기 소자의 수를 결정하기 위하여 지정된다. 예를 들어, 이중-에너지 이미징 시스템에서 최대 펄스 레이트가 300 Hz이고 100 km/h 에서 발생된 이미지에 4 mm 그리드의 해상도가 요구되는 경우, 검출기 어레이의 전 폭에 적어도 (185/4) = 47개의 검출기를 필요로 한다.
X-선 검출기 어레이의 비용을 최소화하기 위하여, X-선 검출기 어레이의 폭이 가능한 한 화물의 중심에서 측정된 폭에 가깝도록 하기 위하여 시스템의 배율을 줄일 수도 있다. 따라서, 도 3a에서 보인 바와 같이, 한 실시형태에서, X-선 소오스(301)는 화물(302)로부터 이상적으로 멀리 떨어져 배치되는 반면에, 검출기 어레이(303)는 화물에 근접하여 배치된다. 이는 콘-빔(304)내에 각 X-선 빔이 많을 수록 X-선 이미지에서 인접한 영상사이에서 시차(視差)가 감소되어 최종 이미지 품질이 양호하게 되기 때문이다. 그러나, X-선 소오스가 화물로부터 멀어지면 멀어 질수록 역제곱원리에 의하여 신호의 강도가 더 떨어진다. 이는 특정 소오스 강오에 대하여 X-선 이미지의 침투성능이 떨어지도록 한다. 이와 같이, 이미지 품질, 침투성능 및 궁극적으로 방사선 보호문제 사이에 어느 하나는 희생되어야 하는 트레이드-오프(trade-off)가 있다. 전형적으로 이러한 트레이드-오프는 요구된 설치장소와 이미지 성능조건의 특정제약이 주어진 상태에서 당해 기술분야의 전문가에 의하여 분석된다.
도 3a에서 보인 바와 같이, 단일의 직선형 검출기 어레이(303)가 단일 유니트의 화물(302)을 스캐닝하기 위하여 사용된 단선 궤도시설에 사용된다. 도 3b는 두개의 인접한 유니트의 화물(312, 322)를 동시에 스캐닝하기 위한 복선 시스템을 보이고 있다. 이 실시형태에서, 복선 시스템은 두 부분의 검출기 어레이, 경사어레이부분(313)과 조합된 어레이 시스템에 의하여 유리하게 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 수직형 및 경사형의 어레이부분의 조합으로 이루어진 검출기를 대신하여 단일의 만곡형 검출기 어레이 부분이 사용될 수 있다. 따라서, X-선 소오스(392)는 지면에 대하여 수직(직각)으로 배치된 제1 검출기 어레이(323)와 제1 검출기 어레이의 상부에서 X-선 소오스(392)의 방향으로 지면에 대하여 예각을 이루어 경사진 제1 검출기 어레이(313)를 향하여 정렬된다.
본 발명의 기술분야에 전문가라면 X-선은 관심대상이 되는 에너지의 범위인 50 keV ~ 9 MeV에서 여러 기구를 통하여 물질과 상호작용한다. 본문에서 가장 중요한 메카니즘은 콤튼 산란(Compton scattering), 광전자흡수, 광전자쌍의 생성이다. 광전자흡수와 광전자쌍 생성의 효과는 저에너지 방사선의 재방출(특정 X-선과 511 keV)이 수반되는 주요 빔으로부터 X-선의 손실을 가져온다. 그러나, 콤튼 산란은 입사 X-선 에너지와 방향이 변경되도록 한다. 이와 같이, 한 경로를 따라 먼저 이동한 X-선은 새로운 경로를 따라 이동하도록 전환된다. 이러한 산란된 X-선은 본 발명의 주제인 넓은 검출기 어레이와 상호 작용하여 방사선 콘트라스트가 감소되는 결과를 가져온다. 이는 전체 시스템 성능에 부정적인 영향을 미친다.
이러한 부정적인 영향에 대응하기 위하여, 본 발명의 다른 관점에서, 검출기 어레이로부터의 산란된 방사선을 거부하기 위하여 사용되는 콜리메이터가 제공된다. 이는 이미지 콘트라스트와 궁극적으로 시스템의 침투성능을 개선한다. 도 4a는 빗살형 구조로 절단 또는 달리 가공된 적당한 감쇠물질의 두 시이트(401, 402)를 보이고 있다. 이러한 시이트를 위한 적당한 물질은 순수 텅스텐, 텅스템 합금 및 납합금 또는 몰리브덴 또는 강철과 같이 용이하게 가동될 수 있는 다른 원자번호가 큰 하이-Z(High-Z) 물질을 포함한다. 감쇠 시이트의 두께는 검출기 피치, 검출기 어레이내 각 검출기 요소 사이의 간격과, X-선 소오스에 의하여 발생된 X-선 에너지의 스펙트럼 분포와 같은 요인에 의하여 달라질 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 언급된 모든 요인을 고려한 후에, 감쇠 시이트(401, 402)의 두께가 0.3 mm ~ 1.5 mm 범위로 선택된다.
도 4b, 4c 및 4d는 본 발명에 사용하기 위한 예시적인 콜리메이터를 제조하기 위한 조립단계를 보인 것이다. 도 4b는 도 4a에서 보인 두개의 시이트가 결합되어 십자형 구조(403)로 구성되는 것을 보이고 있다. 도 4c는 다수의 횡방향 시이트(404)가 단일 시이트(405)를 이용하여 결합되는 것을 보이고 있다. 도 4d는 전체 검출기 모듈을 덮는데 사용되는 콜리메이터 시이트(406)의 완전 2차원 결합형 어레이를 보인 것이다. 완전히 구성되었을 때, 콜리메이터 시이트(406)의 어레이는 다수의 콜리메이터(405, 406)로 구성되는 다수의 행과 열을 포함하며, 이러한 다수의 행과 열이 다수의 중공부 또는 셀을 형성한다.
한 선택적인 실시형태에서, 콜리메이터가 개방된 상태를 유지할 수 있도록 콜리메이터 시이트(406)의 어레이에서 베이스와 각 열(column)의 상측부 사이에 스페이서가 제공되어, 결합용 슬로트를 가공할 때 시이트가 휘어지는 경우, 콜리메이터 시이트 어레이에 구조적인 강도를 부여한다. 한 실시형태에서, 이들 스페이서는 X-선 이미지에 영향을 주는 것을 최소화하기 위하여 플라스틱이나 알루미늄과 같은 저감쇠물질로 제조되는 것이 좋다.
콜리메이터의 성능은 각 콜리에미터 개방부의 길이대 폭의 비에 의하여 영향을 받는다. 길이대 폭의 비가 크면 클수록 콜리메이터의 산란 배제 효과가 좋아진다. 그러나, 이러한 실시형태는 제조비용이 증가한다. 길이대 폭의 비는 5 ~ 50의 범위가 이상적이며, 특히 길이대 폭의 비가 약 20인 경우 최상의 공학적 최적화가 이루어질 수 있다는 것이 확인되었다.
최상의 진단정보를 제공하기 위하여, 본 발명의 보안스캐너에는 물질의 식별능력이 제공된다. 여기에서, 이미지의 각 픽셀에 대하여 컬러링(coloring)이 적용된다. 컬러는 X-선이 소오스로부터 검출기측으로 이동하는 경로를 따라서 평균원자번호에 따라서 달라진다. 이는 두 상이한 에너지에서 대상물을 통한 각 부피적분을 측정할 수 있고 고저의 모든 유효에너지에서 X-선 빔의 전송을 비교함을 의미한다. 그 결과가 도 5에서 보인 바와 같이 그래프로 작성되었다. 여기에서 H는 고에너지신호이고 L은 저에너지신호이다. 차(H-L)(501)는 수직축으로 보이고 합(H+L)(502), 또는 H, L의 평균값은 수평축으로 보이고 있다. 결과의 그래프(503)는 하이-Z(High-Z) 및 로우-Z(Low-Z) 물질을 분명히 보이고 있다. 한 실시형태에서, 그래프(503)는 이미지에서 물질을 식별할 수 있도록 각 픽셀을 컬러링하기 위한 룩-업 테이블(look-up table)로 전환된다. 더욱이, 요구되는 경우 포톤 노이즈(photon noise)의 영향을 줄이기 위하여 이미지에 평활화(smoothing)가 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에서, 도 1 및 도 2에서 보인 콘-빔 검출기 어레이는 검출기의 어레이의 각 픽셀이 두 번 조사되도록 배치된다. 즉, 화물의 모든 지점에 대하여 한 번은 고에너지 빔으로 조사되고 한 번은 저에너지 빔으로 조사되도록 한다. 도 5a는 본 발명이 이중에너지 이미징 기능을 보인 것이다. 도 5a에서, 전체 검출기 어레이(510)가 먼저 고에너지 X-선 빔(511)에 의하여 조사된다. 화물이 검출기 어레이의 폭의 반에 해당하는 거리를 이동하였을 때, 다시 전체 검출기 어레이가 저에너지 X-선 빔(512)에 의하여 조사된다. 따라서, 상이한 에너지의 두 펄스 사이에 겹치는 중복부(513)가 존재하며, 이는 물질의 특성에 대한 신호의 기초가 된다. 어레이로부터의 데이터는 각 X-선 펄스 이후에 재배치될 필요가 있어 특정 펄스로부터 어레이로부터의 데이터의 반은 연속펄스에서 어레이의 다른 반으로부터의 데이터를 갖는 물질 분리 이미지를 형성하도록 한다. 상기 특정 펄스로부터의 데이터의 다른 반은 앞의 펄스로부터의 데이터와 매칭되도록 사용된다. 검출기 폭으로 프로그램되고 화물의 통과속도에 관한 속도센서로부터 신호를 수신하는 제어기는 펄스의 타이밍과 고에너지 펄스와 저에너지 펄스의 선택을 제어하는데 사용된다.
본 발명의 다른 관점에서, 각 X-선 펄스가 즉시 정확히 발생될 수 있도록 하기 위하여 시간정밀제어시스템이 제공되고, 이러한 시간은 화물의 현재속도와 X-선 빔 영역내에 화물이 존재하는지의 여부에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 열차는 100 km/h의 속도로 이동하는 것으로 간주된다. 이는 300 Hz의 펄스 레이트에서 펄스당 93 mm 의 거리에 해당한다. 따라서, 제어시스템은 시스템의 공간해상도의 반보다 양호한 펄스 안정성이 보장될 수 있어야 하거나, 또는 X-선 펄스들 간의 지터시간의 반(즉, 300Hz 펄스 레이트에서 1.5ms)보다 양호하게 계산된 빔 온-오프 스위칭 시간에 따른 거리의 약 2%(=(1/300)*0.02=0.067 ms)보다 양호한 펄스 안정성이 보장될 수 있어야 한다.
도 6은 이들 고속 스캐닝 속도에서 작동하기 위한 열차 스캐너 시스템의개요를 보인 것이다. 도착열차는 철도궤도에 설치된 차축계수기(601)를 트리거시킨다. 차축계수기는 시간과 함께 속도와 방향 정보를 제공할 수 있는 신뢰가능한 장치이다. 하나 이상의 적외선 배리어(infra-red barriers)(603)가 궤도상에 배치된다. 화물이 이러한 광선을 차단할 때, 차축이 차축계수기와 교차하는 최종시간에 대하여 화물의 시작점에 대한 정확한 시간이 유도된다. 광선의 상태변화가 화물의 하나 이상의 측부로부터 이미지를 포획하기 위하여 광인식시스템(604)을 트리거시킨다. 광인식시스템(604)은 통과화물로부터 컨테이너 번호를 기록한다.
열차가 철로를 따라 스캐닝 영역(606)을 통과할 때, 차축은 스캐닝 영엿에 인접한 제2 차축계수기(605)를 트리거시킬 것이다.그리고 제어시스템은 가장 최근에 차축이 교차한 것을 참고하여 전형적으로 밀리초 단위 이하의 정밀성을 가지고 화물의 선단변부와 후단변부가 X-선 빔을 통과한 시간을 계산한다. 그리고, 제어시스템은 적당한 시간에 소오스(607)로부터 X-선 빔을 강제로 턴-온 또는 턴-오프시키도록 X-선 가능신호를 작동시키며, 이는 궤도(602)의 양측에서 검출기 어레이(608)에 의하여 적당히 검출된다.
도 7은 본 발명의 한 실시형태에 따른 제어시스템의 블록 다이아그램이다. 이러한 제어시스템은 여라 시스템 센서로부터의 이벤트 시간을 기록하는 것을 지원하는 전자장치를 갖는 것으로, IR 센서(702), 광인식시스템(703) 및 차축계수기 1 및 2(704)(705)를 포함하는 마이크로프로세서(701)를 포함하는 것이 좋다. 이러한 마이크로프로세서(701)는 그 입력에서 X-선 온-오프 시간(706)을 계산한다. 동시에, 프로세스 로직 콘트롤러(PLC)(707)의 주변에 구성된 표준안전시스템은 X-선 인터록회로(709)가 결합된 비상정지회로(708)와, 하나 이상의 신호(710)를 제공하기 위한 작업자구동 시스템가능신호의 건강상태를 모니터한다. PLC(707)로부터의 신호(710)가 AND 게이트(711)에 의하여 게이트되어 X-선 소오스(712)에 X-선 온-오프 게이트를 제공한다. 도 7의 회로는 고속검사요구를 만족하도록 신호를 X-선 온/오프 신호를 위하여 낮은 지연 또는 낮은 지터의 타이밍을 제공한다.
본 발명의 다른 관점에서, 광인식시스템으로부터의 결과는 X-선 이미지가 열자의 각 구성요소에 대하여 획득되어야 하는지의 여부를 결정하기 위하여 사용된다. 여기에서, IR 센서는 기관차, 객차, 비컨테이너 화물을 포함하는 열차의 각 대상물에 대한 시작과 종료시간을 측정하기 위하여 사용된다. IR 센서는 자동 컨테이너 코드인식 소프트웨어에 의하여 분석되는 화물의 광학적 이미지의 획득이 시작될 수 있도록 한다. 만약 유효하지 않은 컨테이너 코드가 인식되는 경우, 이러한 화물의 X-선 조사는 시행되지 않을 것이다. 그러나, 만약 유효 컨테이너 코드가 인식되는 경우, 화물은 스캔될 것이다. 이러한 과정은 도 8에서 보인 예를 참조하여 요약된다. 여기에서, 4개의 잠재 화물(801)이 IR 빔에 의하여 인식된다. 각 화물은 진입로를 통하여 스캐너측으로 통과할 때 일련번호로 식별된다. 일정시간이 지난 후, 광인식시스템이 IR 화물 번호와 상관되는 검사결과(802)가 된다. 이와 같이, 각 화물 컨테이너에 대하여, 광인식은 간단히 Yes 또는 No 가 되며 검사결과에 대한 신뢰도 레벨을 포함할 것이다. 한 실시형태에서, 신뢰도 레벨은 유효 검사합(checksum)으로 인식된 코드를 나타낸다. 이와 같이, 예를 들어, 신뢰도가 90% 이상이면 요구된 코드가 유효 검사합으로 정확히 인식된 것임을 의미한다. 이러한 신뢰도 이하이면 유효 코드 패턴이 인식되기는 하지만, 하나 이상의 특징이 부정확한 것으로 판독되는 부정확한 검사합으로 인식될 것이다.
적극적인 광인식검사 결과가 특정 화물에 대하여 수신되었을 때, 이러한 검사결과는 만족스러운 신뢰도가 수반되어 이 화물이 X-선으로 조사될 것이다. 도 8은 4개 화물로부터 3개가 검사된 예를 보인 것으로, 하나의 광인식 결과(803)가 'No'가 되었다. 스캔 라인(805)에서 보인 바와 같이 'No'인 화물(803)은 X-선으로 스캔되지 않는다. 광인식신뢰도를 최대화하기 위하여, 하나 이상의 광인식시스템이 단일 컨테이너로부터 컨테이너번호를 분석하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 인식된다. 이와 같이, 한 실시형태에서, 시스템은 두개의 광인식시스템은 컨테이너의 양측을 모니터링하고 제3의 광인식시스템은 화물의 지붕부분을 모니터링한다. 더 많은 광인식시스템이 사용되는 경우 시스템의 신뢰성이 더 커질 것이다. 본 발명 기술분야의 전문가라면, 부가적인 안전 프로토콜이 더 도입될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 한 실시형태에서, 모든 광인식시스템은 유효결과를 보내는 것이 요구된다. 이는 작동상의 스캐닝 효율이 낮아질 수 있으나 비컨테이너 화물을 오조사할 확률이 그만큼 떨어진다.
본 발명 기술분야의 전문가라면 다른 제어시스템이 스캐닝 레이저 센서, 인덕티브형 센서, 3D 비주얼 라이트 카메라 등과 같은 다른 센서기술을 이용하여 구성될 수 있고 이미 알려진 다른 센서 구성과 함께 인식할 수 있을 것이다. 또한 제어시스템은 단선 단일 방향 스캔, 단선 양방향 스캔과, 복선 양방향 스캔을 위하여 설계될 수 있음을 이해하여야 한다. 완전 자동 제어시스템을 이용하기 보다는 작업자가 스캔전에 열차구성을 로딩하는 반자동 제어시스템에 이용될 수 있다. 어떤 경우에 있어서는 수동제어시스템이 유리한 경우가 있는데, 이때 작업자는 화물이 시스템을 통과할 때 화물을 스캔하여야 하는 ㅡ것을 선택한다. 제어시스템의 최종선택은 항상 그 지역의 조건에 따라 달라질 수 있다. 모든 경우에 있어서, 여기에 설명된 주요 발명은 유효한 상태로 유지된다.
본 발명의 다른 관점에서, 이러한 자동화 장치는 시스템 작업자로부터 원격한 장소에서 작동될 수 있도록 하는 것이 유리한 것으로 인식되고 있다. 도 9는 소오스(901), 센서(902), PLC(903), 제어시스템(904) 및 데이터획득시스템이 스캐닝 장소에 배치되는 반면에 작업자 작업실(911), 시스템관리자(912) 및 메인 데이터베이스(913)는 원격지의 편리한 장소에 배치된 네트워크 설비의 한 예를 보인 것이다.이들은 스위치(915)를 이용하여 네트워크(920)에 의하여 결합된다. 한 실시형태에서, 네트워크(920)는 비교적 많은 데이터량을 다루고 관련될 수 있는 장거리에서의 처리를 위한 광섬유기반의 시스템인 것이 유리하다.
상기 예는 본 발명의 시스템의 많은 응용의 예시에 불과하다. 본 발명의 몇가지 실시형태들이 본원에 설명되었지만, 본 발명은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 많은 다른 특정 형태로 구체화될 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본발명 실시예 및 실시형태는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에서 변형될 수 있다.
101: 선형 가속기 X-선 소오스, 102: 콘-빔, 103: 검출기 어레이, 14: 철도궤도.

Claims (20)

  1. 20km/h 내지 150km/h 범위의 스캐닝 속도를 갖는 이동화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템에 있어서,
    선형 궤도를 따라 이동하는 상기 이동화물을 조사하기 위하여 X-선의 콘-빔을 발생하되, 고 에너지 X-선 빔 및 저 에너지 X-선 빔을 발생하도록 구성된 이중 에너지 소스로 되는 X-선 소오스와;
    상기 이동화물을 통하여 전달된 상기 X-선의 콘-빔을 수신하는 하나 이상의 2차원 검출기 어레이로서, 상기 X-선 소오스와 상기 하나 이상의 2차원 검출기 어레이는 상기 이동화물의 대향측에 배치되는 하나 이상의 2차원 검출기 어레이와;
    상기 이동화물의 속도를 측정하도록 구성된 센서와;
    상기 센서로부터 상기 속도를 나타내는 데이터를 수신하고, 상기 X-선 소오스를 펄스화하여 각 연속 펄스상의 상기 고 에너지 X-선 빔과 저 에너지 X-선 빔 간에 교번하고, 각 X-선 펄스 간에 상기 이동화물의 이동거리가 상기 검출기 어레이의 폭의 반과 실질적으로 동일하도록 상기 X-선의 콘-빔의 펄스 레이트를 조절하도록 구성되되, 주어진 한 펄스로부터의 상기 검출기 어레이의 반으로부터의 데이터가 후속 펄스로부터의 상기 검출기 어레이의 다른 반으로부터의 데이터와 함께 물질 분리 이미지를 형성하는데 사용되도록 구성된 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이동화물은 열차에 의하여 상기 궤도를 따라 추진되는 것을 특징으로 하는 이동화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이동화물은 트럭에 의하여 상기 궤도를 따라 추진되는 것을 특징으로 하는 이동화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템.
  8. 제1항에 있어서.
    상기 X-선 시스템은 상기 검출기 어레이로부터 산란된 방사선을 배제하기위하여 상기 검출기 어레이에 근접하여 배치된 콜리메이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 콜리메이터는 그리드를 형성하도록 복수의 행과 열로 구성된 복수의 콜리메이터 시이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동화물을 스캐닝하기 위한 X-선 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 X-선 시스템은 상기 이동화물의 광학적 이미지를 획득하는 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 이동화물의 광학적 이미지를 획득하는 시스템으로부터 광학적 데이터를 수신하고, 상기 광학적 데이터를 기반으로 상기 이동화물이 상기 X-선 빔 신호로 스캔되어야 하는지의 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 X-선 시스템.
  19. 제1항, 제6항 내지 제9항, 제17항 및 제18항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동화물은 상기 X-선의 콘-빔의 평면에 수직하게 이동하는 것을 특징으로 하는 X-선 시스템.
  20. 삭제
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