专利名称：共时多焦点相干x射线扫描装置(cxrs)的制作方法
按照专利权利要求1的总概念，本发明涉及到在一个容器的检测范围，为测量弹性散射的X射线量子的脉冲传输光谱的装置。
此种形式的装置已公开化，例如来自EP-BL-360 347和EP-AL-O 360347。
在一个在先、未曾公布的申请EP 11 06 227.0中，描述了这样的带有相干X散射射线(CXRS)，基于这种检测原理的装置，它具有一个多焦点-X射线发生器，也就是说，为了完整性的扫描一个容器或包裹的2-D维截面，具有必须用电子技术赋址的每个依次连续性焦点“foci”的装置。对此必须控制不同焦点“foci”的X射线功率，这就需要相对大的电子消耗。进一步的缺点在于每次仅有一个激活的焦点，将使测量时间延长。
所以本发明的目的在于总体简化高压电子电路，进一步提高扫描速度；或者说在固定和保持不变的测量速度的条件下，改善采集质量；并降低出现忽略和疏漏被查找物体的危险，以使焦点位置的电子控制成为多余。
通过权利要求1提供的装置，解决并完成了此项目的。
按照本发明，在探测器和容器之间设置一个聚焦的2-D-多通道-散射准直仪，或布置一个二次光阑，在容器中它将散射三维像素的Y-和X坐标编码为探测器的Y-和Z坐标尺寸。在容器中来自不同深度(X-方向)的散射射线被编码为探测器的Z坐标尺寸，同时将X射线源上来自不同焦点位置(Y-方向)的散射射线编码为探测器的Y坐标尺寸；对此探测器的装置包括一个图像载波形式的分片段，典型方式下可以包括16，及32×14个片段(Segmente)。
采用这种方法就不必电子控制焦点位置。实际上可以将整个的，最好经过冷却的阳极或部件同时发射出射线；这样一来将极大的简化电极和改善测量速度，也就是说显著的减少了扫描时间。此外按照本发明，将减少总的长度，并导致节省空间。
如同在德国专利P 41 01 544.4中特别描述的，探测器元件的输出信号像众所周知那样处理。仅有一点值得强调对每个，探测器元件设置一个放大信号，数字化的处理通道。再将信号送往脉冲高度分析仪，它记录不同能量范围内的X射线量子的数量。对于每个探测器元件和每个能量范围，这个数值除以借助中央探测器元件D0所记录的涉及能量范围X射线量子。由此得出每个探测器元件的能量谱，并且与由X射线发生器发射的X射线量子的能量分布无关，还与散射射线通过对象后的衰减无关。
为了方便理解本发明涉及的观点和不同的结构形式，下面借助附图进一步解释。但是本发明不应当受到限制。
图1根据本发明的扫描原理的共时-多焦点-相干X射线散射(CXRS)装置的X-Y层面图解截面。
图2图1的装置在X-Z层面的图解几何展示。
图3根据本发明的共时多焦点相干X射线散射(CXRS)装置，用于4个分片的三维像素形式和分布的图解展示。
图4根据本发明的共时多焦点相干X射线散射(CXRS)装置，用于32个分片的三维像素形式和分布的图解展示。
图5为了选择X射线发生器分片(在X轴上以度为角度的)，(仅在X-轴)图示法展示散射准直仪的有效厚度。
图6在Y-Z层面上，以毫米为尺寸单位，根据本发明的探测器布置，分片的图解展示。
从图1中可以看到根据本发明的装置，及考虑到初极准直仪P与旧的装置完全相同。所有从射线源Q发出的射线像之前一样聚焦在O点，但是从此以后不再物理上存在。一个在对象之间的，在检测范围U内和探测器布置D的多通道-散射准直仪以一种方式布置，来自对象的不同层(X-方向)散射射线在Z方向上被映像在探测器装置D的不同元件上。同时属于射线源/X射线发生器Q的不同焦点位置的散射射线在Y方向上被映像在探测器装置D的不同元件上。按照发明，探测器装置D具有两维分片(见如下所述)。因为散射射线被以固定的散射角度，θ采集，可以在Z-方向编码深度信息。这在图2上展示，图形被下述关系描述Zdet(Qxd-Qos) (1)在公式1中Zdet是扫描层与探测分片的距离，散射射线被以θ角度，与源间距为QoS的散射点接收，这时候探测器装置D与源间距为QoXdet。在探测器装置D的Y方向上焦点位置的映像由于初极准直仪P的布置是允许的，它允许发出射线，在O点聚焦，在与散射准直仪组合时，它同样具有将O点作为焦点位置。在图示中，焦点位置FsourceY的Y坐标和探测器Y方向Ydet的关系是FsourceY Y 0°0(Qo°Qo Xdet) (2)除了Qo0之外，这些符号与公式1具有一样的意义；Qo0表示沿着在X射线源Q所位于的平面的X轴探测器D的间距。
按照本发明，如同公式1和2所描述的那样，因为现在具有明确的在射线源Q区域和探测器DY轴之间的关系，所以现在可以鉴别产生所需要的一定的散射信号的射线源Q区域。
按照所述的“共时多焦点相干X射线散射(CXRS)布置”的本发明基本原理，下面将讨论本发明的特征和这种布置的个别组成部分，本发明将不受此限制。
射线源，X射线发生器Q直接受益于“共时多焦点相干X射线散射(CXRS)装置”。因为现在不再要求单独控制装置；所有射线源Q的位置可以同时激活。但是它要求所有32个源分片符合公式2，必须被映射在Y方向的32个不规则的(分别的个性化的)探测器分片上，当然不是必须的，而仅仅是具有优点的条件。它仅要求每个扫描循环数量等于每个被扫描层与探测器分片数量，源分片数量乘积。因此探测器装置D不必具有如同X射线源同样的分片数量。下面将进入X射线源所要求的电路顺序。
作为举例进行假设基于探测器尺寸的原因或者成本的原因，在分片的探测器装置D的Y方向仅具有4个探测元件。如同表格1所显示，当探测器分片2记录源Q2，Q6等的射线时，探测器分片1接收源Q1，Q5等的射线。
表1分片#1Q1，Q5，Q9，Q13，Q17，Q21，Q25，Q29分片#2Q2，Q6，。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。Q30分片#3Q3，Q7，。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。Q31分片#4Q4，Q8，。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。Q32在此情况下，总的测量时间被减少到除以因数4。符合上述电路顺序的三维像素的形状和位置在图3显示。因为4个源分片平行的激活，所以可以在例如包裹之类的对象中，4个三维像素同时被测量。由此而来就明确了在对象中探测器分片可以处理更高密度的测量数据。对应于探测器装置D的其它分片也可以找到其它的扫描电路顺序。当探测器装置D具有足够多的元件时，每个X射线源都被明确的分配给一个探测器元件时，当然就是最优化的。所有的X射线源同时激活，在图4表示这种最佳状况下的散射三维像素的空间分布。
与在先的“多焦点相干X射线散射(CXRS)”构思不同，在本发明所涉及的“共时多焦点相干X射线散射(CXRS)装置”中，X射线源D的更多的分片同时被激活。即使当X射线源Q的分片同时被激活，它的功率也不必下降时，对象的总测量时间才能够被继续减少。
旧的方案显示保守的评价X射线发射管在温度下工作时，当每个分片只被控制500微秒时，每个分片相当于50千瓦的电子射线的连续功率；这是基于下列条件，也就是说实际的(不是射出的)焦点的尺寸为约50毫米长(Y方向)和1毫米宽度(Z方向)。
按照文献介绍，具有固定式阳极和椭圆形焦点的X射线发射管的(功率)负载特性如下所示Wstat＝0.043(Tm-To)kμ(δ1，δ2) (3)在公式3中，Tm是阳极的熔化温度，To是环境温度，k是阳极的热传导系数，δ1，和δ2是椭圆的横轴和竖轴，μ在文献中是(δ1，δ2)的函数。
一个钨阳极具有大于δ1，的厚度，产生的10千瓦功率负荷用于50毫米长的分片。将阳极的厚度减小时，此数值可以增大5倍，例如使用钨薄膜作为阳极时。
最好采用其液流垂直于Y方向的液态金属进行冷却。采用湍流液态金属的热对流系数为106W m2K-1和面积等于50平方毫米，其温度差为ΔT＝1000°用于吸收热能。
甚至当最大X射线功率被限制在10千瓦，还具有能力同时测量带有32个探测器分片的散射射线，产生以因数32改善的信号。由于降低了射线管功率，可能发生的系数5的损失变的不足道。
初级准直仪/初级射线光阑布置P的任务是限制来自X射线源Q的射线角度范围，满足能量散射的X射线偏转(每个探测器分片的固定散射角度)的基本关系。在X射线源Q的层的角度变量和垂直保持不变，所以没有必要以任何形式改变符合发明“共时多焦点相干X射线散射(CXRS)装置”的初级准直仪P。
散射准直仪/二次射线光阑布置S必须满足更多要求，主要是建立在对象中散射三维像素深度位置和探测器元件Z轴之间的明确关系。正如在公式1中所表达的那样，对由探测器布置达到的散射射线的散射角度进行相应的限制(见公式1)。
相对于旧的“多焦点相干X射线散射(CXRS)装置”，在符合本发明的状况下，散射准直仪进一步在X射线源Q分片的Y坐标，正好处于激活状态，对应于公式2的关系，映像在探测器布置D的Y坐标上。
散射准直仪S在X-Y层面的Y方向传送的角度范围，存在着与射线源Q位置上的所要求的局部分辨率间的关系。已经计划将阳极的分片从50毫米激活，这对应于在对象中30毫米的散射三维像素的长度。作为适当的用于在射线源Q所要求的局部分辨率条件采用ΔTquelle≤10％×50mm，也就是说ΔTquelle≤5mm。这样一来散射三维像素被定义为带有局部精度约3毫米。
这个条件已经被旧的“多焦点-相干X射线散射(CXRS)装置”的几何位置满足，并显示出位于下一个在对象中的映像缝隙的X坐标为1345毫米(与Q0的间距)。
从Q0测量的对象空间从400毫米到1050毫米，因此至少在对象空间端点和下一个映像缝隙的距离保持250毫米(1345毫米-1050毫米)，这样一来就还为传送带保留足够的位置。
如同在图2中表示的那样，在对象范围端点和最后一个用于散射射线的映像缝隙，仅仅需要插入一个一维的4通道准直仪。这个在X方向上准直仪的高度具有250毫米，并非常有效地造成它的角度之外的区域射线减弱。在图5中的一个100微米辐射壁厚和250毫米高度准直仪表示了这种作用。通过改变壁的数目产生振荡，使射线穿透(当角度变大后增强)，以及通过壁的厚度(当角度变大后减弱)。
令人惊奇的是可以将散射准直仪的两个功能(也就是说选择阳极的一个分片，和对象中的三维像素深度)综合到一个两维准直仪。
散射准直仪S可以在它的整体上通过一个两维布置实现。在Z方向的通道是互相平行的，(见图2)对应于探测器元件的宽度(1.76毫米)互相保持距离。散射准直仪在这个方向的功能在于在对象中结合带有一种深度位置的各个探测分片。在此可以分析一定的散射三维像素。在Y方向上这些通道流入O点，但这点不起物理上的作用。此种类型的两维准直仪，例如Cha-Mei Tang的美国专利5,949,850，，以及那里带有时间标记的参考资料，还有可以在商业上获得的(例如creativeMicroTech，互联网主页www.Creativmicrotech.com)。您可以在锥形射线-CT机上找到应用。它们用于探测器有选择的通过传输射线辐射，并限制到达的散射射线。
本发明的“共时多焦点相干X射线散射(CXRS)装置”中的探测器装置D如同目前一样是能量分辨的，对此最好使用锗探测器。它提供了当100KeV时带有探测效率70％，在ΔE/E≅1.5%]]>范围的能量分辨。晶体的物理尺寸为10毫米厚度和90毫米可用直径。
探测器装置D在Z方向必须是分片的，在假设恒定的散射角度θ之下，在X轴达到了要求的局部分辨率。探测元件就具有1.765毫米宽度。一共有14个在Z方向上半部5毫米长度的探测元件。可以由90毫米直径圆形转换为边长25毫米的最大正方形，产生了基本几何公式A2＝452-12.52(4)这里的侧边长具有2A，按照这个公式得出的2A结果为86毫米，这也是用于射线源阳极映射的正方形的尺寸。
与旧的“多焦点-相干X射线散射(CXRS)”不同，在几何形状下探测器布置在Y方向也必须分片。借此来自射线源Q，Q的散射信号可以被分隔的接受。原有的布置显示探测器元件长度在Y方向必须被限制在约10毫米，这样一来才能达到理想的，恒定的散射角度(Δθ/θ≅1.5%).]]>在顾及到少量减少的长度，新的本发明的装置对应于8毫米的值。由前面的(公式4)计算出在Y方向上可供使用的分片长度为86毫米。这大约相当于11个分别的带有8毫米长分片的分辨率的焦点位置。
当所有32个源分片是可分辨的，这样每个源分片在探测器布置上具有86/32＝2.7毫米。当每个源分片为5.7毫米时，可供选择的还有16个源分片在探测器布置上是可分辨的，这是在使用单个分片的有效性和可利用的分片数量之间的好的妥协。在图6再次重现沿着X轴的探测器布置图解。在此一共有14×16＝224个元件，这也展示了对探测器布置读出电路的一个重大挑战。(见下面)从图2可以看出与旧的“多焦点-相干X射线散射(CXRS)”装置不同，不再需要在物理上实现点O；探测器位于沿着X轴的从Q算起的间距Xdet处，并满足条件Xdet＝2150毫米×(1-86毫米/1550毫米) (5)从公式5得出的间距Xdet数值为2000毫米。因为探测器布置位置的变动只相当于探测器和对象的间距的10％，所以旧的布置继续保持其几何参数(缝隙宽度，面射线宽度)的适用性。
用于分片的半导体伽码射线探测器的基于芯片的记数电路保持着技术先进状态(见Medipix 2 ASIC，http://medipix.Web.cern.ch/MEDIPIX/)。它基于测量释放的充电，由探测器布置经过一个连接(一般地说由铟材料制成)流入在图形元件分布的CMOS芯片输入极，共时记数单元具有一个64×64矩阵显示出更多个通道多于这里建议的探测器所要求的(16×14通道)读出芯片上的每个图像载波具有它的光谱学评价链，它由充电敏感性的预放大器，过滤器(Sharper)，和带有15位深度的输出缓冲存储器的比较器组成。
一个可供选择的方案可以在下列互联网主页地址查询http://gamma.radiology.Arizona.edu/research-projects/semiconductor.html由此存在由3个主组件构成的电路。一个带有容性反馈的互阻抗放大器(CFTA)将探测器的充电集成在一个电容器，它的电容量本质上小于一个图像载波的输入电容量；所以能够产生高输出信号。第二点一个有相互关系的双“采样和保持”电路扫描CFTA的输出信号，并将数值存储在一个电容器，通过复位信号删除。最后允许一个多倍器将电容器的电压顺序排放到一个快速的模数转换器(ADC)，这样一来64×64×256光谱通道就能被冲蓄电。众所周知，此时的记数率受到极大的限制。
这个方案提供了一个有分寸的光谱学记数器链，并不具备完整的功效率；在“多焦点-相干X射线散射(CXRS)”应用中并不必须要求，因为它的能量分辨率是要求不高的(大于1％)。
总而言之，本发明展示了“共时多焦点相干X射线散射(CXRS)装置”的一种形式，因为射线序列的所有的焦点可以同时激活，所以能够明显的改善扫描速度。具有先进性的组态布置使它可以完全避免X射线发射管阴极的赋址高压电路的必要性，进一步的优点使它在布置的总长度上具有要求不高的简化。可以更加完全的掌握对象的容积，与原有方案相比，降低了忽略薄的薄膜的危险。
按照本发明，可以以较低的技术花费实现初级和次级(散射)准直仪P，S。最重要的变动涉及到探测器的布置，现在可以两维分片，(例如32×14元件)以及为了排除高的热功率，具有先进的采用液态金属冷却的X射线源Q。基于符合发明的“共时-多焦点-相干X射线散射(CXRS)布置”这些优点，它的应用在下列场合是有益的也就是说必须提高原有“多焦点-相干X射线散射(CXRS)布置”的扫描速度，和在固定的测量时间内改善探测率的场合。
权利要求
1.一种用于测量在一个容器检测范围U的，弹性散射的X射线量子的脉冲传输光谱的装置，在检测范围(U)的一侧布置的多色X射线发射器(Q)，和一个位于检测范围(U)另一侧的测量散射X射线量子能量的探测器布置(D)，及初级射线光阑布置(P)和二次射线光阑布置(S)，它们仅在一定的散射角范围内，也就是说散射射线与探测器布置(D)具有散射角θ通过；初级射线光阑布置(P)位于检测范围(U)和X射线发射器(Q)之间，二次射线光阑布置(S)位于检测范围(U)和探测器布置(D)之间；探测器布置(D)具有处理测量到的信号的装置，初级射线光阑布置(P)只让X射线透射通过，从根本上对准点0，而点0位于Z轴上，其原始位置被迪卡尔坐标系的X和Y轴确定；这时初级射线从X和Y平面穿过，被检测容器的输送轴与Z轴相互平行，其特征在于探测器布置(D)在Y，Z平面上显示为2D两维的分片并位于Z轴之前，X射线发射器(Q)具有一个长形的阳极，通过它的全部或部分表面同时发射射线，此射线在Y方向上被二级射线光阑布置(S)聚焦在0点，并在Z方向以与X轴夹角θ通过；在容器中散射的三维像素的X，Y位置在探测器布置(D)的Y，Z面上被编码；并且X射线发射器(Q)环绕Z轴形成圆柱形对称，或者线性平行Y轴经过XY平面。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于采集在检测范围(U)的散射射线的探测器布置(D)由例如锗，镉，锌，碲等半导体材料制成，在Y方向上由0.5至2毫米边宽的直角分片组成，在Z方向带有长度5到15毫米之间，分片的总数为50到500个。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于探测器布置(D)由锗单晶体材料制成，其直径为90毫米至110毫米之间；直角的可用范围的高度约为90毫米，宽度约为25毫米。
4.根据权利要求1，2或3的装置，其特征在于探测器布置(D)与点0的距离约为150毫米。
5.根据权利要求1，2，3或4的装置，其特征在于探测器布置(D)的每个分片表示为可以进行脉冲高度谱分析仪。
6.根据权利要求1-5之一的装置，其特征在于在0点或者存在一个测量通过射线的探测器(G)，或者存在一个针孔光阑，借此将通过的射线在一个X射线敏感的探测室记录，探测室由众多的(约512个)探测器元件组成；探测室与Y轴平行。
7.根据权利要求1-6之一的装置，其特征在于二次射线光阑布置(S)由一个两维2D的膜片组成，由例如铜这样的X射线吸收材料制成；在Y方向上延长的膜片在点0被剪切，在X方向上具有长度100和300毫米之间；与Z方向相互平行，与X轴的夹角为0.02和0.06弧度之间。
8.根据权利要求17之一的装置，其特征在于初级射线光阑布置(P)由多个膜片组成，由例如铜这样的X射线吸收材料制成；在Z方向上的膜片被剪切，在X，Y平面上的射线偏差为0.2和0.6度之间，特别允许0.4度；在X方向具有长度100和300毫米之间，在X，Y平面上与X轴的最大夹角为±20度。
9.根据权利要求1-8之一的装置，其特征在于在Y方向上阳极延伸的长度为1至2米，特别具有1.5米；经过这段长度电子射线可偏转，或者X射线发射器(Q)带有1到8个单个的一个挨一个布置的阴极；必要时按照顺序模式接通，这时在Y方向的阳极的焦点长度为200毫米到1500毫米，在Z方向有效的焦点宽度为0.2毫米，每个接通的焦点位置的导通停留时间为200至2000微秒。
10.根据权利要求1-9之一的装置，其特征在于由钨或者金制成阳极，使用的冷却剂材料为水，油或液态金属GaInSn。
11.根据权利要求1-10的一个或者多个装置，本发明用于在容器，例如行李箱，包裹和提包中等等，检测爆炸物品，武器，毒品。
全文摘要
本发明涉及一种根据权利要求1提供的在容器内检测区弹性散射的X射线量子脉冲传输光谱的系统。对应的系统基于现有技术已知的相干散射射线检测原理和我们的在先申请EP1106227。这些系统的问题在于，需要控制不同焦点的X射线计量的电子系统太复杂，且由于在一个时刻仅有一个激活的焦点，测量时间相对较长。这导致了由于像素几何计算到了非扫描的区域，使得在容器中被查找物体被忽略而检测效率较低。本发明基于惊奇地发现这些问题可以这样克服当检测器布置(D)具有一个在Y、Z平面并位于Z轴之前的2维分片，且X射线发射器(Q)被设置长形的阳极，通过其全部或部分表面同时发射射线，二次防散射光阑(S)沿着X方向聚焦到0且在Z方向以与X轴夹角大约为θ，使得容器中散射的Y和X的像素被编码为检测器布置(D)的Y和Z维，这样初级防散射光阑(P)和X射线发射器(Q)在X、Y平面环绕Z轴圆柱形对称的取向或沿Y轴线形/平行取向。
文档编号G01N23/20GK1639559SQ03804591
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月26日 优先权日2002年2月26日
发明者杰弗里·哈丁 申请人:伊科斯隆国际安全有限公司