WO2006079471A1 - Kollimator mit einstellbarer brennweite - Google Patents

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Norbert Haunschild
Ullrich Herda
Uwe Siedenburg
Martin Hartick
Patricia Schall
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/025—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using multiple collimators, e.g. Bucky screens; other devices for eliminating undesired or dispersed radiation

Definitions

  • the present invention relates to a collimator with adjustable focal length, in particular in X-ray inspection systems.
  • the sharply delimited X-ray beam used for the examination the so-called needle beam
  • the so-called needle beam has an energy spectrum which is known, for example, from measurements. From the Bragg equation it follows that the incident radiation is diffracted at each point at an angle that is different from the energy of the radiation. hangs. Radiation with an energy spectrum is therefore diffracted in an angular range, while the diffraction is rotationally symmetrical about the incident needle beam. In an X-ray inspection, it is desirable only at a certain angle! to detect diffracted radiation. This is also achieved through the use of a collimator.
  • the passband of the collimator essentially corresponds to the lateral surface of a cone whose tip coincides with the point whose diffraction properties are to be investigated. To examine an area within an object, a plurality of points must be focused.
  • the diaphragms are made of highly radiation-absorbing material in an advantageous manner. This ensures that essentially only the radiation impinging at the set angle and passing through the slits reaches the detector arranged behind the collimator.
  • the figures are schematic diagrams illustrating the operation of a collimator with adjustable focal length with at least two diaphragms, each having at least one substantially annular slot about a common center axis, wherein at least one aperture along the central axis is movable bar.
  • the collimator is used in an X-ray inspection system for the detection of explosives. For clarity, some elements such as the housing of the collimator have been omitted. As far as appropriate, the same elements are provided with the same reference numerals in the figures.
  • the opening angle of the collimator must be adjustable over a large area. Bragg's equation shows that large scattering angles are associated with small energies. However, small energies can lead to transmission problems through the examination subject.
  • the spatial extent of the object can be divided into several sections.
  • the total extent H of the object 5 is subdivided into two subregions In 1 and h 2 .
  • the collimator consists of a fixed diaphragm B 3 and two movable diaphragms B 4 , B ' 4 and B 5 , BV
  • the diaphragm B 4 , B' 4 has a substantially annular slot.
  • the baffles B 3 and B 5 , B ' 5 each have two concentric, substantially annular slots.
  • the individual slot of the diaphragm B 4 , B ' 4 , the inner slot of the diaphragm B 3 and the outer slot of the diaphragm B 5 , B' 5 have the same distance from the central axis.
  • FIG. 2a shows the configuration for examining the region hi of the object 5.
  • the diaphragm B 4 lies against the diaphragm B 3 and hides its outer slot.
  • method is only the aperture B5, B ' 5 .
  • the right edge of the area In 1 focused, in the dashed position by means of B ' 5, the left edge.
  • each point can be focused in the area hi.
  • FIG. 2b shows the configuration for investigating the region h 2 .
  • the apertures B 4 and B 5 or B ' 4 and B' 5 are directly adjacent to one another and are moved together.
  • the diaphragm B 4 covers the inner slot of the diaphragm B 5 or B ' 4, the inner slot of B' 5 .
  • each point of the region h 2 can be focused. Shown in the figure is the extended position of the apertures B 4 and B 5 , in which the right edge point of the region h 2 is focused, and the dashed position of the apertures B ' 4 and B' 5 , in which the left edge point of the area h 2 is focused.
  • the geometry of the apertures can be simplified if a segmented X-ray detector is used.
  • the detector is divided, for example, into a plurality of annular segments which are arranged concentrically around the central axis of the collimator and whose output signals can be evaluated separately.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite insbesondere in Röntgenprüf anlagen. Bei Röntgenprüf anlagen, deren Wirkprinzip auf Beugungs- erscheinungen in einem Objekt (5) beruht, muss ein Kollimator mit fester Brennweite weiträumig verfahrbar sein. Es stellt sich die Aufgabe, den Verfahrweg zu verkürzen. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kollimator mit mindestens zwei Blenden (B1, B2) mit jeweils mindestens einem im Wesentlichen kreisringförmigen Schlitz um eine gemeinsame Mittelachse (3), wobei mindestens eine Blende (B2, B2') entlang der Mittelachse (3) verfahrbar ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Kollimator mit einstellbarer Brennweite
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite insbesondere in Röntgenprüfanlagen.
Prüfverfahren mit Hilfe von Röntgenstrahlung werden insbesondere bei der Detektion kritischer Stoffe und Gegenstände in Gepäckstücken oder sonstigem Frachtgut eingesetzt. Zu diesem Zweck sind mehrstufige Systeme bekannt, deren erste Stufe auf der Absorption von Röntgenstrahlung beruht. Zur Detektion bestimmter kritischer Stoffe wie beispielsweise Sprengstoffen wird eine zweite Stufe eingesetzt, der selektiv Objekte aus der ersten Stufe zugeführt werden. Als zweite Stufe werden Systeme verwendet, deren Wirkprinzip auf Beugungserscheinungen beruht. Dabei ist der Beugungswinkel, in dem ein einfallender Röntgenstrahl abgelenkt wird, abhängig vom Atomgitterabstand des zu untersuchenden Materials sowie der Energie und damit der Wellen- länge der einfallenden Strahlung. Durch Analyse der Beugungserscheinung mittels Röntgendetektoren kann auf den Gitterabstand und somit auf das Material geschlossen werden. Ein derartiges zweistufiges System wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 103305211 offenbart.
Da Röntgenprüfanlagen mit äußerst geringen Strahlungsintensitäten arbeiten, werden sehr empfindliche Detektoren eingesetzt. Zur Vermeidung von Messungenauigkeiten muss daher erreicht werden, dass nur durch das Prüfgerät erzeugte Strahlung auf den Detektor trifft. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass nur in einem einzelnen Punkt gebeugte Strahlung detektiert wird; da sonst eine Lokalisierung innerhalb des zu untersuchenden Objekts nicht möglich ist. Es ist also eine räumliche Filterung erforderlich, die durch einen sogenannten Kollimator erfolgt.
Da es technisch sehr aufwändig ist, monochromatische Röntgenstrahlung zu erzeugen, weist der zur Untersuchung eingesetzte, scharf begrenzte Röntgenstrahl, der so- genannte Nadelstrahl, ein Energiespektrum auf, das beispielsweise aus Messungen bekannt ist. Aus der Bragg'schen Gleichung ergibt sich, das die einfallende Strahlung in jedem Punkt in einem Winkel gebeugt wird, der von der Energie der Strahlung ab- hängt. Strahlung mit einem Energiespektrum wird daher in einem Winkelbereich gebeugt, dabei ist die Beugung rotationssymetrisch um den einfallenden Nadelstrahl. Bei einer Röntgenprüfung ist es wünschenswert, nur unter einem bestimmten Winke! gebeugte Strahlung zu detektieren. Auch dies wird durch den Einsatz eines Kollimators erreicht. Der Durchlassbereich des Kollimators entspricht im wesentlichen der Mantelfläche eines Kegels, dessen Spitze mit dem Punkt übereinstimmt, dessen Beugungseigenschaften untersucht werden sollen. Zur Untersuchung eines Bereiches innerhalb eines Objekts muss eine Vielzahl von Punkten fokussiert werden.
Aus der deutschen Patentanmeldung 103305211 ist zur Untersuchung eines Objektbereiches ein Verfahren bekannt, bei dem die Anordnung aus Detektor und Kollimator in Richtung des einfallenden Röntgenstrahls verfahren werden kann. Der Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass zum einen eine hochpräzise Verfahrvorrichtung benötigt wird und zum anderen die gesamte Vorrichtung eine Bauhöhe von mehr als dem doppelten der Höhe des zu untersuchenden Objektes aufweisen muß.
Eine zweite Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Kollimators, der mehrere parallele Öffnungen des gleichen Öffnungswinkels aufweist und mit dem daher gleichzeitig mehrere Punkte auf der Rotationsachse fokussiert werden können. Die Verwen- düng eines nicht segmentierten Detektors, der nicht ortsauflösend ist und daher ein gemeinsames Ausgangssignal für alle fokussierten Punkte liefert, -ergibt jedoch den Nachteil, dass die Auswertung und die eindeutige Zuordnung der detektierten Strahlung zu einem Beugungspunkt schwierig sind. Bei Verwendung eines segmentierten Detektors, der beispielsweise in separat auswertbare Kreisringe unterteilt ist, tritt dieser Nachteil zwar nicht auf, doch ist ein solcher Detektor aufwändig und teuer.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, den Aufbau und Betrieb einer auf dem Beugungsprinzip beruhenden Rönt- genprüfanlage zu vereinfachen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite, der gekennzeichnet ist durch mindestens zwei Blenden mit jeweils mindestens einem im wesentlichen kreisringförmigen Schlitz um eine gemeinsame Mittelachse, wobei mindestens eine Blende entlang der Mittelachse verfahrbar ist.
Ein solcher Kollimator besteht im wesentlichen aus einem Röntgenstrahlung absorbierenden Gehäuse. Innerhalb des Gehäuses befinden sich mindestens zwei parallele Blenden mit jeweils mindestens einem im wesentlichen kreisringförmigen Schlitz um eine gemeinsame Mittelachse. Diese Mittelachse entspricht der Rotationsachse des gewünschten kegelmantelförmigen Durchlaßbereichs des Kollimators. Durch Parallelverschieben mindestens einer Blende entlang dieser Mittelachse läßt sich der Öff- nungswinkel und damit die Brennweite des Kollimators variieren. Bei einer unbeweglich gegenüber dem zu untersuchenden Objekt angeordneten Kombination aus Detektor und Kollimator entspricht diese Winkeleinsteliung einer Anpassung des Fokus entlang der Mittelachse und somit der Auswahl eines gewünschten Punktes innerhalb des zu untersuchenden Objekts. Zur Steigerung der Effektivität des Kollimators und damit der gesamten Prüfanlage bestehen in vorteilhafter Weise die Blenden aus stark Strahlung absorbierendem Material. Dadurch wird gewährleistet, dass im wesentlichen nur die unter dem eingestellten Winkel auftreffende und durch die Schlitze tretende Strahlung an den hinter dem Kollimator angeordneten Detektor gelangt.
In vorteilhafter Weise wird der erfindungsgemäße Kollimator mit einstellbarer Brennweite in einem Röntgenprüfgerät verwendet, welches eine Röntgenquelle, einen Kollimator und einen Röntgendetektor aufweist. Dabei emittiert die breitbandige Röntgenquelle einen scharf begrenzten Nadelstrahl. Dieser trifft auf das zu untersuchende Objekt, wird gebeugt und trifft durch den Kollimator auf den Röntgendetektor.
Ein mögliches Einsatzgebebiet eines solchen Röntgenprüfgeräts ist die Verwendung als zweite Stufe in einer Röntgenprüfanlage. Dabei können in der ersten Stufe untersuchte Objekte bei Bedarf der zweiten Stufe zugeführt werden, die auf dem Beugungsprinzip beruht und einen erfindungsgemäßen Kollimator verwendet. Eine derartige zweite Stufe eignet sich insbesondere zur Sprengstoffdetektion.
Unter Verwendung eines solchen Röntgenprüfgerätes kann ein Röntgenprüfverfahren durchgeführt werden, bei dem das zu untersuchende Objekt mit einem Nadelstrahl breitbandiger Röntgenstrahlung bestrahlt wird und für verschiedene Blendenstellungen mittels des Röntgendetektors Beugungsspektren aufgenommen werden. Dabei wird zunächst durch Positionieren der Blenden eine Brennweite eingestellt und damit ein bestimmter Punkt fokussiert. Dabei läßt der Kollimator nur die Strahlung passieren, die unter dem durch die Blendenstellung vorgegebenen Winkel am fokussierten Punkt gebeugt wird. Durch den Vergleich des am Detektor gemessenen Empfangsspektrums mit dem bekannten Spektrum des ausgesendeten Nadelstrahls kann festgestellt werden, bei welcher Energie eine Beugung unter dem eingestellten Winkel erfolgte. Dar- aus läßt sich auf die Atomstruktur des Materials am fokussierten Punkt schließen und der dort befindliche Stoff identifizieren.
In vorteilhafter Weise besteht die Möglichkeit, dass die aufgenommenen Spektren mit Referenzspektren verglichen werden. So können beispielsweise bei verschiedenen Blendenstellungen Referenzspektren für bekannte kritische Stoffe aufgenommen und gespeichert werden. Da bei der Messung der Referenzspektren und den späteren Prüfvorgang ein Nadelstrahl mit dem gleichen Energiespektrum verwendet wird, können die kritischen Stoffe leicht durch Vergleich des Empfangsspektrums mit den Refe- renzspektren identifiziert werden.
In den folgenden Ausführungsbeispielen werden zwei Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung näher betrachtet. Dabei zeigt
Figur 1 einen adaptiven Kollimator mit einer festen und einer beweglichen Blende, Figur 2a einen adaptiven Kollimator mit einer festen und zwei beweglichen Blenden in einer ersten Grundstellung und
Figur 2b einen adaptiven Kollimator mit einer festen und zwei beweglichen Blenden in einer zweiten Grundstellung.
Bei den Figuren handelt es sich um Schemazeichnungen zur Darstellung der Funktionsweise eines Kollimators mit einstellbarer Brennweite mit mindestens zwei Blenden mit jeweils mindestens einem im wesentlichen kreisringförmigen Schlitz um eine gemeinsame Mittelachse, wobei mindestens eine Blende entlang der Mittelachse verfahr- bar ist. Der Kollimator ist in einer Röntgenprüfanlage zur Detektion von Sprengstoffen eingesetzt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden einige Elemente wie beispielsweise das Gehäuse des Kollimators weggelassen. Soweit es angebracht ist, sind in den Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In beiden Ausführungsbeispielen soll ein Objekt 5 entlang der Achse 3 auf kritische Stoffe hin untersucht werden. Die Achse 3 ist gleichzeitig die Rotationsachse der Beugungserscheinung und die Mittelachse für die Blenden und deren im wesentlichen kreisringförmige Schlitze. Das zu untersuchende Objekt 5 wird mit einem Nadelstrahl 1 breitbandiger Röntgenstrahlung entlang der Achse 3 bestrahlt, wobei die Strahlung im Objekt 5 gebeugt wird. Dann werden für verschiedene Blendenstellungen mittels des Röntgendetektors 4 Beugungsspektren aufgenommen. Der Kollimator nimmt eine räumliche Filterung vor, bevor der gebeugte Strahl auf den Detektor 4 trifft. Die nicht dargestellte Röntgenquelle erzeugt eine Strahlung 1 mit einem bekannten Energiespektrum. Der am Beugungspunkt befindliche Stoff wird identifiziert, indem die aufgenommenen Spektren mit Referenzspektren verglichen werden.
In Figur 1 bezeichnet B1 eine feste Blende, die nahe am Detektor 4 plaziert ist. B2 bezeichnet eine bewegliche Blende, die in einer zweiten Position gestrichelt gezeichnet und mit B'2 bezeichnet ist. Diese Blende ist entlang der Achse 3 parallel zu B1 verfahrbar. In der ersten Position der Blende B2 ergibt sich ein Fokus des Kollimators auf den Punkt P1. In dieser Stellung läßt der Kollimator nur unter dem Detektionswinkel θ-t ge- beugte Strahlung 2 passieren. In einer zweiten Position der Blende B'2 ist der Fokus des Kollimators auf den Punkt P2 gerichtet. In diesem Fall tritt nur unter dem Winkel Q2 gebeugte Strahlung 2' durch den Kollimator hindurch auf den Detektor 4. Die bewegliche Blende kann beliebig positioniert werden, so dass sich die Brennweite des Kollimators einstellen lässt.
Aufgrund der Blendenstellung ist der Winkel θ bekannt. Mittels des Detektors 4 wird das Energiespektrum des gebeugten Strahls gemessen. Aus der Bragg'schen Gleichung ergibt sich, dass E * sin θ eine materialspezifische Konstante darstellt. Aufgrund dieser Beziehung kann das am Beugungspunkt befindliche Material eindeutig bestimmt werden.
Bei einer großen räumlichen Ausdehnung des zu untersuchenden Objekts muß der Öffnungsswinkel des Kollimators über einen großen Bereich einstellbar sein. Aus der Bragg'schen Gleichung ergibt sich, dass große Streuwinkel mit kleinen Energien ein- hergehen. Kleine Energien können jedoch zu Transmissionsproblemen durch das Untersuchungsobjekt führen. In diesem Fall läßt sich die räumliche Ausdehnung des Objekts in mehrere Abschnitte unterteilen. In den Figuren 2a und 2b wird die gesamt Ausdehnung H des Objekts 5 in zwei Teilbereiche In1 und h2 unterteilt. In diesem Fall besteht der Kollimator aus einer festen Blende B3 und zwei beweglichen Blenden B4, B'4 und B5, BV Dabei weist die Blende B4, B'4 einen im wesentlichen kreisringförmigen Schlitz auf. Die Blenden B3 und B5, B'5 weisen jeweils zwei konzentrische, im wesentlichen kreisringförmige Schlitze auf. Dabei haben der einzelne Schlitz der Blende B4, B'4, der innere Schlitz der Blende B3 und der äußere Schlitz der Blende B5, B'5 den gleichen Abstand von der Mittelachse 3.
Figur 2a zeigt die Konfiguration zur Untersuchung des Bereichs h-i des Objekts 5. Dabei liegt die Blende B4 an Blende B3 an und verdeckt deren äußeren Schlitz. Verfahren wird ausschließlich die Blende B5, B'5. In der ausgezogen gezeichneten Position wird mit der Blende B5 der rechte Rand des Bereiches In1 fokussiert, in der gestrichelten Lage mittels B'5 der linke Rand. In Zwischenpositionen lässt sich jeder Punkt im Bereich hi fokussieren.
Figur 2b zeigt die Konfiguration zur Untersuchung des Bereichs h2. Dabei liegen die Blenden B4 und B5 beziehungsweise B'4 und B'5 direkt aneinander und werden gemeinsam verfahren. Die Blende B4 verdeckt den inneren Schlitz der Blende B5 beziehungsweise B'4 den inneren Schlitz von B'5. Durch gemeinsames Verfahren der beiden Blen- den läßt sich jeder Punkt des Bereichs h2 fokussieren. In der Figur zu sehen ist die ausgezogen dargestellte Position der Blenden B4 und B5, in der der rechte Randpunkt des Bereichs h2 fokussiert wird, und die gestrichelt dargestellte Position der Blenden B'4 und B'5, in der der linke Randpunkt des Bereichs h2 fokussiert wird.
In einer alternativen Ausgestaltungsforrh kann die Geometrie der Blenden vereinfacht werden, wenn ein segmentierter Röntgendetektor verwendet wird. Dabei wird der Detektor beispielsweise in mehrere kreisringförmige Segmente unterteilt, die konzentrisch um die Mittelachse des Kollimators angeordnet sind und deren Ausgangssignale separat ausgewertet werden können.
Um störende Einflüsse der Blenden bei der Einstellung des Winkels zu verhindern, sollten diese möglichst geringe Materialstärken aufweisen. Um eine möglichst gute Abschattung zu erreichen, sollte daher stark Strahlung absorbierendes Material wie beispielsweise eine Wolframverbindung zur Herstellung der Blenden verwendet wer- den.
Die oben angeführten Ausführungsbeispiele stellen lediglich zwei mögliche Ausführungsformen der Erfindung dar und sind insofern nicht beschränkend. Insbesondere können die Anzahl der Blenden, deren Verfahrbarkeit sowie die Anzahl und Position der Schlitze beliebig variiert werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Kollimator mit einstellbarer Brennweite insbesondere in Röntgenprüfanlagen, gekennzeichnet durch mindestens zwei Blenden (B1, B2) mit jeweils mindestens einem im Wesentlichen kreisringförmigen Schlitz um eine gemeinsame Mittelachse (3), wobei mindestens eine Blende entlang der Mittelachse (3) verfahrbar ist.
2. Kollimator mit einstellbarer Brennweite nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (B1, B2) aus stark Strahlung absorbierendem Material bestehen.
3. Röntgenprüfgerät unter Verwendung eines Kollimators mit einstellbarer Brennweite gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Röntgenquelle, einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite und einen Röntgendetektor (4).
4. Röntgenprüfgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen segmentierten Röntgendetektor.
5. Röntgenprüfverfahren unter Verwendung eines Röntgenprüfgeräts nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Objekt (5) mit ei- nem Nadelstrahl (1) breitbandiger Röntgenstrahlung bestrahlt wird und für verschiedene Blendenstellungen mittels des Röntgendetektors (4) Beugungsspektren aufgenommen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen Spektren mit Referenzspektren verglichen werden.
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