WO2006063849A1 - Anordnung zum messen des impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten röntgenquanten - Google Patents

Anordnung zum messen des impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten röntgenquanten Download PDF

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WO2006063849A1
WO2006063849A1 PCT/EP2005/013578 EP2005013578W WO2006063849A1 WO 2006063849 A1 WO2006063849 A1 WO 2006063849A1 EP 2005013578 W EP2005013578 W EP 2005013578W WO 2006063849 A1 WO2006063849 A1 WO 2006063849A1
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detector
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Inventor
Geoffrey Harding
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Ge Security Germany Gmbh
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    • G01V5/222—

Definitions

  • the invention is concerned with an arrangement for measuring the momentum transfer spectrum of elastically scattered x-ray quanta.
  • CT equipment has been widely used to detect explosives in suitcases during baggage inspection.
  • the CT technique has a high false alarm rate, which is in the range of 30%. Since explosives are very well recognized by their diffraction profiles, CT devices were also developed as CSCT devices to scan the local diffraction profiles of the case contents.
  • CXRS devices In parallel, in order to solve problems of high false alarm rate, devices have been developed which receive pulse-transmission spectra of elastically dispersed X-ray quanta, the so-called CXRS devices.
  • the CXRS devices also have a non-negligible false alarm rate, which is because some explosives have diffraction profiles that closely resemble the diffraction profiles of common materials commonly used in luggage.
  • the object of the invention is to provide an arrangement with which a significant reduction in the false alarm rate over the known CT devices or the known CXRS devices is achieved.
  • the Compton scattering quanta are detected, which contain the density information of the material in the scatter voxel, two independent parameters are determined, which allow a very accurate detection of the material in the scatter voxel. This drastically reduces the false alarm rate while maintaining the high scanning speed.
  • the inventive arrangement is in a single scan by the unique mapping of the X coordinate of the scatter voxel to the Z coordinates in the detector both for the elastically scattered X-ray Guides and for the Compton scattering diverts each achieved an exact assignment of the data obtained to the respective Streuvoxel.
  • An advantageous development of the invention provides that a third spatially resolving detector is arranged on the X axis between the examination area and the focal point and extends in the Z direction. This ensures that the projection information can be evaluated in transmission and thus explosives are easy to detect. Likewise, a good shielding, for example by lead plates, can be detected. Finally, the attenuation correction can be calculated well.
  • Steel lamellae is formed, which are arranged at a fixed Compton scattering angle to the X-axis.
  • Another type of second scatter collimator which is very easy to produce and which also allows a good mapping of the X coordinate of the scatter voxel to the Z coordinate of the second detector is to have it as a straight or curved slot which extends substantially in the Y direction to train.
  • the material of this scattering collimator is then made of a material strongly absorbing X-rays, in particular of lead.
  • a further advantageous development of the invention provides that the second detector is arranged at a Compton scattering angle of at least 10 °. In this wide-angle region, the effect of Compton scattering is larger, since this depends on the local electron density of the scatter voxel.
  • a further advantageous development of the invention provides that the second detector is arranged between the first detector and the Y-axis and extends in the Z-direction. As a result, while the Z-component of the scattering angle is small, since the second detector is close to the Z-axis. Due to the extension in the Z-direction, however, there are always scattering mutants which have a large Y-component of the scattering angle. Since the total scattering angle, which is composed of the Y and the Z components, becomes relevant, the large ones preferred for Compton scattering become
  • the second detector has a length of at least 30 cm, preferably 50 cm, in the Y direction and a width of at least 4 cm, preferably 6 cm, in the Z direction.
  • a further advantageous development of the invention provides that the first detector is arranged at a scattering angle of less than 5 °. This reflects the fact that coherent scattering in the energy region of interest for the baggage inspection has a strong peak within a narrow forward cone.
  • a further advantageous development of the invention provides that the first detector is arranged on an ellipse which extends in the YZ plane. This accommodates the imaging geometry that maps the scattered x-ray quantum originating from a scatter voxel along a curved line in the shape of an ellipse. Thus, a sensitivity of the first detector is achieved over a larger solid angle.
  • a 2 and a 3 are constants that depend on the geometry of Depend on the scatter collimator and the area of the object to be examined.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the length of the first detector in the Y direction between 40 and 70 mm, in particular 60 mm, and / or the width in the Z direction of 0.25 to 2 mm, in particular 0.5 mm, is. This achieves a large increase in detector sensitivity, which is in the range of a factor of 10 over the known detectors.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the first detector is formed symmetrically to the Z-axis. This is due to the geometric configuration of the arrangement, the optimal shape to achieve the highest possible detector sensitivity to both the left and to the right of the Z-axis.
  • the first detector is made of germanium, in particular by means of a lithography process.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a further first detector is arranged symmetrically to the Y axis. This gives an even better signal-to-noise ratio.
  • Fig. 1 is a schematic view of an inventive arrangement without secondary collimators and without second detector and
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the arrangement of FIG. 1 along the XZ plane with second scatter collimators and second detectors, but without first scatter collimators.
  • FIG. 1 an embodiment of an inventive arrangement is shown schematically. This is a section along the XY plane. However, the inventive arrangement is in the upper range, i. in the area of the YZ plane, shown in perspective.
  • the arrangement according to the invention has an anode 1 extending in the Y direction, which has a series of discrete focus points 2 arranged next to one another, which travel along the anode 1 when bombarded with an electron beam.
  • a number of focus points 2 in the range of 60 shown are for reasons of
  • Clarity only a small number of these focus points 2).
  • the X-ray quanta emanating from each individual focal point 2 are limited by a primary collimator 4, which has a fan shape, so that an inverse fan beam 8 is applied
  • This inverse fan beam 8 extends in the XY plane and converges on a single focal point 7, which simultaneously forms the coordinate origin of a Cartesian coordinate system.
  • the primary beam 3 impinges on an object 5 in the object space.
  • the object 5 is a suitcase when starting from the most common application of the arrangement according to the invention in the form of a luggage inspection system.
  • This object 5 is then on a conveyor belt (not shown), which can be moved along the Z-axis. As long as the object 5 is not moved along the Z axis by the conveyor belt, the inverse fan beam 8 passes through the object 5 along a thin slice in the XY plane.
  • the currently scanned thin disk consists of a number of scatter voxels 6 each having an X coordinate (different depth along the X direction) and a Y coordinate (different lateral arrangement with respect to the X axis).
  • the primary beam 3 is scattered by X-ray quanta.
  • the coherently scattered X-ray quanta are of interest in the context of the present invention.
  • Streuvoxel 6 scattered X-ray quanta are transmitted by the scatter collimator, which have a predetermined constant scattering angle ⁇ .
  • the transmitted scattered beam 11 is shown in dashed lines in FIG.
  • Scattering beam 11, which are transmitted through the scatter collimator and belong to the fixed scattering angle, are detected by the detector 9.
  • the more scattering quanta detected the less time it takes to acquire the momentum transfer spectrum of the elastically scattered X-ray quanta.
  • the detector sensitivity is extended to a larger solid angle.
  • a linear expansion of the detector elements 10 parallel to the Y-axis results in a blurring effect of the diffraction profile whose degree depends strongly on the scattering angle ⁇ . This follows from the fact that the further the detector element 10 moves away from the Z axis, the more the measured scattering angle deviates from the set scattering angle ⁇ with respect to the XZ plane. To prevent this blurring effect, detector elements 10 are used, which are designed bent.
  • the extent of the detector element 10 in the Y direction is thus approximately a factor of 10 greater than that of the detector elements known from the prior art. Thereby, the detector sensitivity is increased by about the same factor 10 over the prior art, without the disadvantage of a reduced resolution due to the blurred effect of the diffraction profile.
  • the detectors 9 according to the invention which have an elliptical shape, can be produced by a standard lithography process from germanium or another semiconductor material.
  • another set of detector elements 10 can also be arranged mirror-symmetrically to the Y-axis.
  • FIG. 2 shows a section along the XZ plane, in which the display of first scatter collimators has been omitted for the sake of clarity, ensuring that only elastically scattered X-ray quanta emanating from the scatter voxel 6 at the scattering angle .theta elastically scattered beams 11 - get into the first detectors 9 and thus the exact position of the Streuvoxels 6 along the X direction is fixed.
  • the projection information can be evaluated in transmission and explosives are well detected. Likewise, a good shielding, for example by lead plates, can be detected. Finally, the attenuation correction can be calculated well.
  • the Compton scattering sources - represented as Compton scattered beam 14 - registered in a second detector 13.
  • a second scatter collimator 15, 16 is located between the examination region in which the object 5 is located. and the second detector 13.
  • two different types of second scattering collimators 15, 16 are shown on the left and the right side.
  • the second scattering collimator 15 shown on the left consists of parallel steel sheets which extend perpendicular to the plane of the drawing in the Y-direction over the entire length of the two-dimensional second detector 13.
  • the illustrated second scattering collimator 16 is a plate made of a material strongly absorbing X-ray radiation, in this case lead, which has a longitudinal slot parallel to it Y-axis (that is perpendicular to the plane) has. This longitudinal slot extends over the entire length in the Y direction of the two-dimensional second detector 13.
  • the longitudinal slot of the second scattering collimator 16 can also be slightly bent in the Y direction.
  • the X coordinate results from the point where the Compton scattered beam 14 strikes the second detector 13.
  • the Y coordinate of the scatter voxel 6 is determined by determining the coordinate of the focal point 2 on the anode 1, from which the primary beam 3 strikes the scatter voxel 6.
  • the Z coordinate is zero because the inverse fan beam 8 always runs in the XY plane and the object 5 is moved along the Z axis after each scan (for each slice) on a conveyor belt. Since all three coordinates can be determined, a Compton spread image is obtained from the entire illuminated slice. This must still be corrected due to multiple scattering effects and attenuation effects both in the primary beam 3 and in the Compton scattered beam 14.
  • the area of the second detector 13 is large, and thus can record a large number of Compton scattered beams 14. If the second scattering collimator 15, 16 - as shown in
  • Embodiment - allows mapping from one line to another line, i. a series of detector pixels which "see” scattered radiation from a series of scatter voxels 6 in the object 5, then the leakage signal at the second detector 13 can be summed over all its pixels containing scattered radiation from the relevant area of the object 5. Since the large detector sensitivity Over a large area resulting in a strong scattered signal, one obtains a very good signal-to-noise ratio for the image of the electron density.
  • second detectors 13 instead of using the second detectors 13 for measuring the Compton scattering quanta outside the first detectors 9 for measuring the elastically scattered X-ray quanta, thereby obtaining a large Z component of the scattering angle T, second detectors 13 extending along the Z axis may also be used, which are arranged between the first detectors 9 and the Z-axis.
  • the Z component of the scattering angle F is small, one always obtains Compton scattering quanta which has a large Y value.
  • the total scattering angle F which is the only relevant one, is composed of both components. However, the intensity in such an arrangement is lower than that of the illustrated example.
  • Electron density using Compton scattering for each scatter voxel two material-specific parameters simultaneously be determined. Even if one of the two parameters contained an uncertainty of the material in the scatter voxel, the other parameter can in almost all cases be used to deduce the actual nature of the material contained in the examined vivuvium. As a result, the false alarm rate is significantly reduced, without the determination of the two parameters would have to be made in different steps or even in spatially separated devices, which saves considerable time.

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einer Anordnung zum Messen des Impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten mit einem in Y-Richtung ausgedehnten Fokus als Anode 1, der Röntgenstrahlung in X-Richtung emittiert; mit einem in Y-Richtung sich erstreckenden Primärkollimator 4, der nur Röntgenstrahlung durchlässt, die auf einen einzigen Fokalpunkt 7 gerichtet ist und der Fokalpunkt 7 Ursprungspunkt eines kartesischen Koordinatensystems ist; mit .einem Untersuchungsbereich; mit einem um die Z-Richtung ringförmig ausgebildeten ersten Streukollimator, der zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt 7 angeordnet ist und der nur Streustrahlung 11 von einem in den Untersuchungsbereich einbringbaren Objekt 5 durchlässt, die unter einem festen Streuwinkel Θ emittiert wird; und mit einem ersten Detektor 9, der die elastisch gestreuten Röntgenquanten erfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein zweiter Streukollimator 15, 16 zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt 7 angeordnet ist, der Compton-Streuquanten 14 aus dem Objekt auf einen zweiten Detektor 13, der zweidimensional ausgebildet und in der YZ­Ebene angeordnet ist, durchlässt, wobei die Abbildung so erfolgt, dass auf die X-Koordinate des Streuvoxels 6 im Objekt 5 eindeutig geschlossen werden kann.

Description

Anordnung zum Messen des Impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten
Die Erfindung befasst sich mit einer Anordnung zum Messen des Impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten.
Bislang wurden häufig CT-Geräte verwendet, um Sprengstoff in Koffern bei der Gepäckkontrolle aufzuspüren. Allerdings hat die CT-Technik eine hohe Fehlalarm-Rate, die im Bereich von 30 % liegt. Da Sprengstoffe sehr gut durch ihre Beugungsprofile erkannt werden können, wurden auch CT-Geräte als CSCT-Geräte so entwickelt, dass sie die lokalen Beugungsprofile der Kofferinhalte gescannt haben.
Parallel dazu wurden, um Probleme hinsichtlich der hohen Fehlalarm-Rate zu lösen, Geräte entwickelt, die ImpulsübertragungsSpektren von elastisch gestreuten Röntgenquanten aufnehmen, die so genannten CXRS-Geräte.
Aus der EP 1 241 470 Bl ist eine solche Anordnung zur Untersuchung von Gepäckstücken bekannt. Eine solche Anordnung weist einen in Y-Richtung ausgedehnten Fokus auf, der Röntgenstrahlung in X-Richtung emittiert. Durch einen sich in Y-Richtung erstreckenden Primärkollimator werden nur Röntgenquanten in einen dahinter liegenden Untersuchungsbereich durchgelassen, die auf einzigen Fokalpunkt gerichtet sind. Der Fokalpunkt bildet dabei den Ursprungspunkt eines kartesischen Koordinatensystems. Es wird somit ein scheibenförmiger inverser Fächerstrahl gebildet. Zwischen dem Fokalpunkt und dem Untersuchungsbereich ist ein Streukollimator angeordnet, der ringförmig um die Z-Richtung ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass nur Streustrahlung von einem in dem Untersuchungsbereich befindlichen Objekt durchgelassen wird, die unter einem festen vorgegebenen Streuwinkel vom Streuvoxel ausgeht. In der YZ-Ebene ist ein Detektor angeordnet, der sich entlang der Z-Achse erstreckt. Dadurch wird die Tiefeninformation des Streuvoxels, also seine X-Koordinate, auf eine Parallele zur Y-Achse in der YZ-Ebene abgebildet. Mittels einer solchen Anordnung kann eine schnelle Analyse eines Gepäckstücks erreicht werden, wobei lediglich eine eindimensionale Bewegung des Gepäckstücks entlang der Z-Richtung auf einem Förderband erfolgen muss. Die Scangeschwindigkeit ist allerdings durch die winkelabhängige Empfindlichkeit der Detektorelemente beschränkt.
Allerdings weisen die CXRS-Gerate ebenfalls eine nicht vernachlässigbare Fehlalarm-Rate auf, was daher rührt, dass einige Sprengstoffe Beugungsprofile aufweisen, die den Beugungsprofilen gängiger Materialien, wie sie häufig in Gepäckstücken verwendet werden, stark ähneln.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit der eine signifikante Verringerung der Fehlalarm-Rate gegenüber den bekannten CT-Geräten bzw. den bekannten CXRS-Geräten erzielt wird.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass zusätzlich zu den elastisch gestreuten Röntgenguanten, durch die das
Beugungsprofil erhalten wird, die Compton-Streuquanten detektiert werden, die die Dichteinformation des Materials im Streuvoxel enthalten, werden zwei voneinander unabhängige Parameter bestimmt, die eine äußerst genaue Detektion des Materials im Streuvoxel zulassen. Damit wird die Fehlalarm- Rate drastisch gesenkt und gleichzeitig die hohe Scangeschwindigkeit beibehalten. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird bei einem einzigen Scan durch die eindeutige Abbildung der X-Koordinate des Streuvoxels auf die Z- Koordinaten im Detektor sowohl für die elastisch gestreuten Röntgenguanten als auch für die Compton-Streuguanten jeweils eine genaue Zuordnung der erhaltenen Daten zu dem jeweiligen Streuvoxel erzielt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein dritter ortsauflösender Detektor auf der X-Achse zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt angeordnet ist und sich in Z-Richtung erstreckt. Dadurch wird erreicht, dass die Projektionsinformation in Transmission ausgewertet werden kann und somit Sprengstoffe gut zu detektieren sind. Ebenso kann gut eine Abschirmung, beispielsweise durch Bleiplatten, erkannt werden. Schließlich kann die Schwächungskorrektur gut berechnet werden.
Eine, weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Streukollimator aus parallelen
Stahllamellen gebildet ist, die unter einem festen Compton- Streuwinkel zur X-Achse angeordnet sind. Dies stellt eine sehr einfach herzustellende Kollimatoranordnung dar, mit der die Tiefenkoordinate entlang der X-Achse eines Streuvoxels auf die Z-Achse des zweiten Detektors abgebildet wird. Eine andere sehr einfach herzustellende Art eines zweiten Streukollimators, der ebenfalls eine gute Abbildung der X- Koordinate des Streuvoxels auf die Z-Koordinate des zweiten Detektors erlaubt, ist es, diesen als geraden oder gebogenen Schlitz, der sich im Wesentlichen in Y-Richtung erstreckt, auszubilden. Das Material dieses Streukollimators ist dann aus einem stark Röntgenstrahlen absorbierenden Material, insbesondere aus Blei.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Detektor unter einem Compton-Streuwinkel von mindestens 10° angeordnet ist. In diesem Weitwinkelbereich ist der Wirkungsguerschnitt für die Compton-Streuung größer, da dieser von der lokalen Elektronendichte des Streuvoxels abhängt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Detektor zwischen dem ersten Detektor und der Y-Achse angeordnet ist und sich in Z-Richtung erstreckt. Dadurch ist zwar die Z-Komponente des Streuwinkels klein, da der zweite Detektor sich nahe an der Z-Achse befindet. Durch die Erstreckung in Z-Richtung gibt es allerdings immer Streuguanten, die eine große Y-Komponente des Streuwinkels aufweisen. Da der Gesamtstreuwinkel relevant ist, der sich aus der Y- und der Z-Komponente zusammensetzt, werden die für die Compton-Streuung bevorzugten großen
Streuwinkel erreicht. Der zweite Detektor weist dabei eine Länge von mindestens 30 cm, bevorzugt 50 cm, in Y-Richtung und eine Breite von mindestens 4 cm, bevorzugt 6 cm, in Z- Richtung auf.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Detektor unter einem Streuwinkel von weniger als 5° angeordnet ist. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass die kohärente Streuung in dem für die Gepäckuntersuchung interessanten Energiebereich einen starken Peak innerhalb eines engen Vorwärtskegels aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Detektor auf einer Ellipse angeordnet ist, die sich in der YZ-Ebene erstreckt. Dadurch wird der Abbildungsgeometrie Rechnung getragen, durch die die Abbildung der von einem Streuvoxel stammenden gestreuten Röntgenquanten auf einer gekrümmten Linie in der Form einer Ellipse erfolgt. Somit wird eine Empfindlichkeit des ersten Detektors über einen größeren Raumwinkel erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Detektor eine Form gemäß der Gleichung a^ Z2 + a2 2 Y2 = a3 2 hat und a2, a2 und a3 Konstanten sind, die von der Geometrie des Streukollimators und des zu untersuchenden Bereichs des Objekts abhängen. Durch die drei auf die jeweilige Detektorgeometrie abgestimmten Konstanten wird eine optimale Detektorempfindlichkeit über einen großen Raumwinkel erreicht, ohne dass Unscharfeeffekte auftreten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Länge des ersten Detektors in Y-Richtung zwischen 40 und 70 mm, insbesondere 60 mm, und/oder die Breite in Z-Richtung von 0,25 bis 2 mm, insbesondere 0,5 mm, beträgt. Dadurch wird eine starke Erhöhung der Detektorempfindlichkeit erreicht, der im Bereich eines Faktors 10 gegenüber den bekannten Detektoren liegt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Detektor symmetrisch zur Z-Achse ausgebildet ist. Dies ist auf Grund der geometrischen Ausgestaltung der Anordnung die optimale Form, um eine möglichst hohe Detektorempfindlichkeit sowohl zur Linken als auch zur Rechten der Z-Achse zu erzielen. Bevorzugt ist der erste Detektor aus Germanium hergestellt, insbesondere mittels eines Lithographieverfahrens.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein weiterer erster Detektor symmetrisch zur Y- Achse angeordnet ist. Dadurch wird ein noch besseres Signal- Rauschverhältnis erhalten.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung ohne Sekundärkollimatoren und ohne zweiten Detektor und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Anordnung der Fig. 1 entlang der XZ-Ebene mit zweiten Streukollimatoren und zweiten Detektoren, aber ohne erste Streukollimatoren.
In Fig. 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen Schnitt entlang der XY-Ebene. Allerdings ist die erfindungsgemäße Anordnung im oberen Bereich, d.h. im Bereich der YZ-Ebene, perspektivisch dargestellt.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist eine sich in Y-Richtung erstreckende Anode 1 auf, die eine Reihe von aneinander gereihten diskreten Fokuspunkten 2 aufweist, die beim Beschuss mit einem Elektronenstrahl entlang der Anode 1 wandern. Bevorzugt wird dabei eine Anzahl von Fokuspunkten 2 im Bereich von 60 (dargestellt sind aus Gründen der
Übersichtlichkeit lediglich eine geringe Anzahl dieser Fokuspunkte 2). Die von jedem einzelnen Fokuspunkt 2 ausgehenden Röntgenquanten werden durch einen Primärkollimator 4, der eine Fächerform aufweist, so begrenzt, dass sich ein inverser Fächerstrahl 8 an
Röntgenquanten als Primärstrahl 3 ergibt. Dieser inverse Fächerstrahl 8 verläuft in der XY-Ebene und konvergiert auf einen einzigen Fokalpunkt 7, der gleichzeitig den Koordinatenursprung eines kartesischen Koordinatensystems bildet. Der Primärstrahl 3 trifft im Objektraum auf ein Objekt 5. Bei dem Objekt 5 handelt es sich, wenn man vom häufigsten Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Anordnung in Form einer Gepäckprüfanläge ausgeht, um einen Koffer. Dieses Objekt 5 liegt dann auf einem Förderband (nicht gezeigt), welches sich entlang der Z-Achse bewegen lässt. Solange das Objekt 5 nicht entlang der Z-Achse durch das Förderband bewegt wird, durchsetzt der inverse Fächerstrahl 8 das Objekt 5 entlang einer dünnen Scheibe in der XY-Ebene. Diese Scheibe wird dadurch verändert, dass eine eindimensionale Bewegung des Förderbands in Z-Richtung erfolgt, so dass ein vollständiger Scanvorgang des Objekts 5 durch die Bewegung des Förderbands erfolgen kann. Die momentan gescannte dünne Scheibe besteht aus einer Anzahl von Streuvoxeln 6, die jeweils eine X-Koordinate (unterschiedliche Tiefe entlang der X-Richtung) und eine Y- Koordinate (unterschiedliche seitliche Anordnung bezüglich der X-Achse) aufweisen. An jedem einzelnen Streuvoxel 6 wird der Primärstrahl 3 von Röntgenquanten gestreut. Von den an diesem Streuvoxel 6 gestreuten Röntgenquanten interessieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung lediglich die kohärent gestreuten Röntgenquanten. Diese werden mittels eines nicht dargestellten — aus der EP 1 241 470 Bl bekannten — Streukollimators in die YZ-Ebene abgebildet, so dass aus ihrer Position entlang der Z-Achse eine direkte Zuordnung zur Tiefe entlang der X-Richtung im Objekt 5 erfolgt. Dies bedeutet, dass als Streustrahl 11 lediglich solche am
Streuvoxel 6 gestreuten Röntgenquanten vom Streukollimator durchgelassen werden, die einen vorgegebenen konstanten Streuwinkel Θ aufweisen. Der durchgelassene Streustrahl 11 ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt.
Auf Grund des um die Z-Richtung ringförmig ausgebildeten Streukollimators gelangen nicht nur Streuquanten in der XZ- Ebene durch diesen hindurch sondern auch solche, die eine von Y=O verschiedene Koordinate aufweisen. Diese werden von einem in der YZ-Ebene angeordneten zweidimensionalen Detektor 9 erfasst. Die aus der EP 1 241 470 Bl bekannte Detektoranordnung erstreckt sich lediglich entlang der Z- Achse, dagegen erstrecken sich die einzelnen erfindungsgemäßen Detektorelemente 10 in Y-Richtung. Dadurch können mehr Streuquanten des vom Streuvoxel 6 stammenden
Streustrahls 11, die durch den Streukollimator durchgelassen werden und zu dem festen Streuwinkel Θ gehören, vom Detektor 9 erfasst werden. Je mehr Streuquanten erfasst werden, desto weniger Zeit wird benötigt, um das Impulsübertragungsspektrum der elastisch gestreuten Röntgenquanten aufzunehmen. Durch die Erstreckung des Detektors 9 in Y-Richtung wird die Detektorempfindlichkeit auf einen größeren Raumwinkel ausgedehnt. Allerdings ergibt sich bei einer linearen Ausdehnung der Detektorelemente 10 parallel zur Y-Achse ein Unscharfeeffekt des Beugungsprofils, dessen Grad stark vom Streuwinkel Θ abhängt. Dies folgt daraus, dass der gemessene Streuwinkel umso stärker vom eingestellten Streuwinkel Θ bezüglich der XZ-Ebene abweicht, je weiter sich das Detektorelement 10 von der Z-Achse entfernt. Um diesen Unschärfeeffekt zu unterbinden, werden Detektorelemente 10 verwendet, die gebogen ausgeführt sind.
Die Ausdehnung des Detektorelements 10 in Y-Richtung ist somit ungefähr um einen Faktor 10 größer als derjenige der aus dem Stand der Technik bekannten Detektorelemente. Dadurch wird die Detektorempfindlichkeit um ungefähr denselben Faktor 10 gegenüber dem Stand der Technik erhöht, ohne dass der Nachteil einer verminderten Auflösung auf Grund des Unscharfeeffekts des Beugungsprofils auftritt.
Die erfindungsgemäßen Detektoren 9, die eine elliptische Form aufweisen, können durch ein Standardlithographieverfahren aus Germanium oder einem anderen Halbleitermaterial hergestellt werden. Um ein noch besseres Signal-Rauschverhältnis zu erhalten, kann ein weiterer Satz Detektorelemente 10 auch spiegel-symmetrisch zur Y-Achse angeordnet sein.
In Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der XZ-Ebene dargestellt, in dem zur Verbesserung der Übersichtlichkeit auf die Darstellung von ersten Streukollimatoren verzichtet wurde, die dafür sorgen, dass nur unter dem Streuwinkel Θ vom Streuvoxel 6 ausgehende elastisch gestreute Röntgenquanten — gemäß den dargestellten elastisch gestreuten Strahlen 11 — in die ersten Detektoren 9 gelangen und somit die genaue Position des Streuvoxels 6 entlang der X-Richtung festgelegt ist. Der vom Streuvoxel 6 nicht gestreute Transmissionsstrahl 18 trifft auf einen dritten, ortsauflösenden Detektor 17, der auf der X-Achse zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt 7 angeordnet ist und sich in Y-Richtung erstreckt. Hiermit kann die Projektionsinformation in Transmission ausgewertet werden kann und Sprengstoffe werden gut detektiert. Ebenso kann gut eine Abschirmung, beispielsweise durch Bleiplatten, erkannt werden. Schließlich kann die Schwächungskorrektur gut berechnet werden.
Darüber hinaus werden erfindungsgemäß auch die Compton- Streuguanten — als Compton-Streustrahl 14 dargestellt — in einem zweiten Detektor 13 registriert. Um eine genaue Zuordnung der Tiefe in X-Richtung des Streuvoxels 6, aus dem der Compton-Streustrahl 14 auf den zweiten Detektor 13 trifft, zu erhalten, ist ein zweiter Streukollimator 15, 16 zwischen dem Untersuchungsbereich, in dem sich das Objekt 5 befindet, und dem zweiten Detektor 13 angeordnet. In Fig. 2 sind auf der linken und der rechten Seite zwei unterschiedliche Arten von zweiten Streukollimatoren 15, 16 dargestellt.
Der links dargestellte zweite Streukollimator 15 besteht aus parallelen Stahlblechen, die sich senkrecht zur Zeichenebene in Y-Richtung über die gesamte Länge des zweidimensionalen zweiten Detektors 13 erstrecken. Damit wird — egal in welcher Tiefe des Objekts 5 das Streuvoxel 6 liegt — immer nur ein Compton-Streustrahl 14 auf den zweiten Detektor 13 durchgelassen, der unter einem konstanten Streuwinkel T für Compton-Quanten vom Streuvoxel 6 ausgeht.
Genauso gut ist es mit dem zweiten Streukollimator 16 auf der rechten Seite der Fig. 2 möglich, die Tiefeninformation des Streuvoxels 6 entlang der X-Achse zu bestimmen. Bei dem dargestellten zweiten Streukollimator 16 handelt es sich um eine Platte aus einem stark Röntgenstrahlung absorbierenden Material, hier um Blei, das einen Längsschlitz parallel zur Y-Achse (also senkrecht zur Zeichenebene) aufweist. Dieser Längsschlitz erstreckt sich über die gesamte Länge in Y- Richtung des zweidimensionalen zweiten Detektors 13. Der Längsschlitz des zweiten Streukollimators 16 kann auch in Y- Richtung leicht gebogen ausgeführt sein. Der Längsschlitz lässt zwar Compton-Streustrahlen 14 mit unterschiedlichen Streuwinkeln F auf den zweiten Detektor 13 durch, jedoch ist durch den Punkt, an dem der Compton-Streustrahl 14 auf den zweiten Detektor 13 trifft, die Tiefeninformation des Streuvoxels 6, von dem dieser Compton-Streustrahl 14 ausgeht, entlang der X-Achse genau definiert. Dies ergibt sich, wie aus der Zeichnung gut ersichtlich ist, auf Grund der eindeutigen Abbildungsgeometrie.
Anhand der Compton-Quanten ist es möglich, die
Dichteinformation des Materials im Streuvoxel 6 zu erhalten. Da der Wirkungsquerschnitt von der lokalen Elektronendichte im Streuvoxel 6 abhängt, kann ein guter Rückschluss auf das sich dort befindliche Material erfolgen. Alle drei Koordinaten des Streuvoxels 6 sind anhand der
Abbildungsgeometrie sehr leicht zu bestimmen. Die X- Koordinate ergibt sich auf Grund des Punktes, an dem der Compton-Streustrahl 14 auf den zweiten Detektor 13 trifft. Die Y-Koordinate des Streuvoxels 6 wird dadurch bestimmt, dass die Koordinate des Fokuspunktes 2 auf der Anode 1 bestimmt wird, von der aus der Primärstrahl 3 das Streuvoxel 6 trifft. Die Z-Koordinate ist Null, da der inverse Fächerstrahl 8 immer in der XY-Ebene verläuft und das Objekt 5 entlang der Z-Achse nach jedem Scan (für jede Scheibe) auf einem Förderband weiterbewegt wird. Da alle drei Koordinaten bestimmt werden können, wird ein Compton-Streubild von der gesamten durchleuchteten Scheibe erhalten. Dieses muss auf Grund von Mehrfachstreueffekten und Schwächungseffekten sowohl im Primärstrahl 3 als auch im Compton-Streustrahl 14 noch korrigiert werden. Da die Compton-Streustrahlen 14 unter einem großen Streuwinkel T von über 10° erfasst werden, ist die Fläche des zweiten Detektors 13 groß und kann somit eine große Anzahl von Compton-Streustrahlen 14 aufzeichnen. Wenn der zweite Streukollimator 15, 16 — wie im dargestellten
Ausführungsbeispiel — eine Abbildung von einer Linie auf eine andere Linie ermöglicht, d.h. eine Reihe von Detektorpixeln, die Streustrahlung von einer Reihe von Streuvoxeln 6 im Objekt 5 „sehen", dann kann das Streusignal am zweiten Detektor 13 über alle seine Pixel aufsummiert werden, die Streustrahlung von der relevanten Gegend des Objekts 5 enthalten. Da die große Detektorempfindlichkeit über eine große Fläche in einem starken Streusignal resultiert, erhält man für das Bild der Elektronendichte ein sehr gutes Signal- Rausch-Verhältnis.
Anstatt die zweiten Detektoren 13 zur Messung der Compton- Streuquanten außerhalb der ersten Detektoren 9 zur Messung der elastisch gestreuten Röntgenquanten — wodurch eine große Z-Komponente des Streuwinkels T erhalten wird — zu verwenden, können auch sich entlang der Z-Achse erstreckende zweite Detektoren 13 verwendet werden, die zwischen den ersten Detektoren 9 und der Z-Achse angeordnet sind. Dadurch ist zwar die Z-Komponente des Streuwinkels F gering, aber man erhält immer Compton-Streuquanten, die eine große Y-
Komponente im Streuwinkel aufweisen. Der gesamte Streuwinkel F, der einzig relevant ist, setzt sich aus beiden Komponenten zusammen. Allerdings ist die Intensität bei einer solchen Anordnung gegenüber derjenigen des dargestellten Beispiels geringer.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die Kombination der Messung des ImpulsübertragungsSpektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten in den ersten Detektoren 9 mit der Messung des Dichteprofils (dem Bild der
Elektronendichte) mittels Compton-Streuung für jedes Streuvoxel zwei materialspezifische Parameter gleichzeitig bestimmt werden. Selbst wenn einer der beiden Parameter eine Unsicherheit des Materials im Streuvoxel beinhalten würde, kann auf Grund des anderen Parameters in fast allen Fällen auf die tatsächliche Natur des im untersuchten Streuvoxel enthaltenen Materials geschlossen werden. Dadurch wird die Fehlalarm-Rate deutlich gesenkt, ohne dass die Bestimmung der beiden Parameter in unterschiedlichen Verfahrensschritten oder sogar in räumlich voneinander getrennten Geräten vorgenommen werden müsste, wodurch erheblich Zeit gespart wird.
Bezugszeichenliste
1 Anode
2 Fokuspunkt
3 Primärstrahl
4 Primärkollimator
5 Objekt
6 Streuvoxel
7 Fokalpunkt
8 inverser Fächerstrahl
9 erster Detektor
10 Detektorelement
11 elastisch gestreuter Strahl
12 Förderband
13 zweiter Detektor
14 Compton-Streustrahl
15, 16 zweiter Streukollimator
17 dritter Detektor
18 Transmissionsstrahl
Θ Streuwinkel für elastisch gestreute
Röntgenquanten
F Streuwinkel für Compton-Quanten

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Messen des ImpulsübertragungsSpektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten mit einem in Y-Richtung ausgedehnten Fokus als Anode (1), der Röntgenstrahlung in X-Richtung emittiert; mit einem in Y-Richtung sich erstreckenden Primärkollimator (4), der nur Röntgenstrahlung durchlässt, die auf einen einzigen Fokalpunkt (7) gerichtet ist und der Fokalpunkt (7) Ursprungspunkt eines kartesischen Koordinatensystems ist; mit einem Untersuchungsbereich; mit einem um die Z-Richtung ringförmig ausgebildeten ersten Streukollimatorsystem, das zwischen dem
Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt (7) angeordnet ist und das nur Streustrahlung (11) von einem in den Untersuchungsbereich einbringbaren Objekt (5) durchlässt, die unter einem festen Streuwinkel (Θ) emittiert wird; und mit einem ersten Detektor (9) , der die elastisch gestreuten Röntgenquanten erfasst; dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Streukollimator (15, 16) zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt (7) angeordnet ist und Compton-Streuquanten (14) aus dem Objekt (5) auf einen zweiten Detektor (13), der zweidimensional ausgebildet und in der YZ-Ebene angeordnet ist, durchlässt, wobei die Abbildung so erfolgt, dass eindeutig auf die X-Koordinate des Streuvoxels (6) im Objekt (5) geschlossen werden kann.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter ortsauflösender Detektor (17) auf der X-Achse zwischen dem Untersuchungsbereich und dem Fokalpunkt (7) angeordnet ist und sich in Y-Richtung erstreckt.
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Streukollimator (15, 16) aus parallelen Stahllamellen gebildet ist, die unter einem festen Compton-Streuwinkel (T) zur X-Achse angeordnet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Streukollimator (15, 16) als gerader oder gebogener Schlitz, der sich im Wesentlichen in Y-Richtung erstreckt, in einem stark Röntgenstrahlen absorbierenden Material, insbesondere Blei, ausgebildet ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Detektor (13) unter einem Compton-Streuwinkel (T) von mindestens 10° angeordnet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9) zwischen dem zweiten Detektor (13) und der Y-Achse angeordnet ist und sich in Z-Richtung erstreckt.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Detektor (13) eine Länge von mindestens 30 cm, bevorzugt 50 cm, in Y-Richtung und eine Breite von mindestens 4 cm, bevorzugt 6 cm, in Z-Richtung aufweist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9) unter einem Streuwinkel (Θ) von weniger als 5° angeordnet ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9) auf einer Ellipse angeordnet ist, die sich in der YZ-Ebene erstreckt.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9) eine Form gemäß der Gleichung BL1 2 Z2 + a2 2 Y2 = a3 2 hat und &lr a2 und a3 Konstanten sind, die von der Geometrie des Streukollimators und des zu untersuchenden Bereichs des Objekts (5) abhängen.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des ersten Detektors (9) in Y-Richtung zwischen 40 und 70 mm, insbesondere 60 mm, beträgt.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9) symmetrisch zur Z-Achse ausgebildet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9) eine Breite in Z-Richtung von 0,25 bis 2 mm, insbesondere 0,5 mm, hat.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9) aus Germanium hergestellt ist, insbesondere durch ein Lithographieverfahren.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer erster Detektor (9) symmetrisch zur Y-Achse angeordnet ist.
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