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Dokumentenidentifikation DE102004060611B4 22.02.2007
Titel Anordnung zum Messen des Impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten
Anmelder YXLON International Security GmbH, 22453 Hamburg, DE
Erfinder Harding, Geoffrey, Dr., 22547 Hamburg, DE
Vertreter DTS München Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 16.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004060611
Offenlegungstag 29.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse G01N 23/201(2006.01)A, F, I, 20060728, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 23/20(2006.01)A, L, I, 20060728, B, H, DE   G01V 5/00(2006.01)A, L, I, 20060728, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung befasst sich mit einer Anordnung zum Messen des Impulsübertragungsspektrums von elastisch gestreuten Röntgenquanten.

Aus der EP 1 241 470 B1 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 Streukollimatorsystem angeordnet, welches 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.

Aus der WO 2004/074871 A1 ist eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Gepäckstücks mittels Röntgenstrahlung bekannt. Dort wird die Information einer CT-Untersuchung mit der einer Untersuchung nach der CSCT-Methode (Coherent Scatter Computer Tomography) kombiniert. Dabei sind rotierbar an einer Gantry eine Röntgenröhre und ein Detektor gegenüber angeordnet. Die Röntgenröhre erzeugt einen Fächerstrahl, der das zu untersuchende Gepäckstück durchsetzt und auf den Detektor trifft. Der Detektor ist aus mehreren Pixeln aufgebaut und erstreckt sich entlang der Innenfläche der Gantry. Er ist also um die Mittelachse der Gantry, entlang der das zu untersuchende Gepäckstück befördert wird, gebogen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, die eine noch höhere Scangeschwindigkeit eines Objekts ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass jedes Detektorelement gekrümmt um die x-Achse ausgebildet ist, kann die auf Grund der geometrischen Abbildungsvoraussetzungen nichtlineare Abbildung der von einem Streuvoxel stammenden Streustrahlung auf eine größeren Länge des Detektorelements erfasst werden, da dieses eine über einen größeren Raumwinkel sich erstreckende Empfindlichkeit aufweist. Wenn eine lineare Erstreckung des Detektorelements entlang der Y-Richtung erfolgt, damit ein größerer Raumwinkel durch das Detektorelement erfasst wird, ist dies nur in sehr beschränktem Umfang möglich, da das Beugungsprofil umso unschärfer wird, je weiter man sich von der Z-Achse entfernt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Detektorelemente auf einer Ellipse mit der Hauptachse entlang der Y-Achse liegen. Auf Grund der Abbildungsgeometrie erfolgt die Abbildung der von einem Streuvoxel stammenden elastisch gestreuten Röntgenquanten auf einer gekrümmten Linie in der YZ-Ebene, die sich entlang einer Ellipse erstreckt. Somit wird die Empfindlichkeit des Detektors über einen noch größeren Raumwinkel gewährleistet.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Detektorelemente eine Form gemäß der Gleichung a1 2 Z2 + a2 2 Y2 = a3 2 haben und a1, 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 die oben beschriebenen Unschärfeeffekte auftreten.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Länge der Detektorelemente in Y-Richtung zwischen 40 und 70 mm, insbesondere 60 mm, beträgt und/oder sie eine Breite in Z-Richtung von 0,25 bis 2 mm, insbesondere 0,5 mm, aufweisen. Dadurch wird eine starke Erhöhung der Detektorempfindlichkeit erreicht, der im Bereich eines Faktors 10 gegenüber den bekannten Detektoren liegt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Detektorelemente symmetrisch zur Z-Achse ausgebildet sind. 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 sind die Detektorelemente aus Germanium hergestellt, insbesondere mittels eines Lithographieverfahrens.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass ein weiterer Detektor mit einem Satz von Detektorelementen symmetrisch zur Y-Achse angeordnet ist. Dadurch wird ein noch besseres Signal-Rauschverhältnis erhalten.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung wird anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung ohne Streukollimator und

2 die bevorzugte Form eines Detektorelements in der YZ-Ebene.

In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen Schnitt entlang der XY-Ebene. Allerdings ist die Anordnung im oberen Bereich, d.h. im Bereich der YZ-Ebene, perspektivisch dargestellt.

Die 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 Gepäckprüfanlage 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 B1 bekannten – Streukollimatorsystems in die YZ-Ebene abgebildet, so dass aus ihrer Position entlang der Z-Achse eine direkte Zuordnung zur Tiefe des Streuvoxels 6 entlang der X-Richtung im Objekt 5 erfolgt. Dies bedeutet, dass als Streustrahl 11 lediglich solche am Streuvoxel 6 gestreuten Röntgenquanten vom Streukollimatorsystem durchgelassen werden, die einen vorgegebenen konstanten Streuwinkel &THgr; aufweisen. Der durchgelassene Streustrahl 11 ist in 1 gestrichelt dargestellt.

Auf Grund des um die Z-Richtung ringförmig ausgebildeten Streukollimatorsystems gelangen nicht nur Streuquanten in der XZ-Ebene durch diesen hindurch sondern auch solche, die eine von Y = 0 verschiedene Koordinate aufweisen. Diese werden von einem in der YZ-Ebene angeordneten zweidimensionalen Detektor 9 erfasst. Die aus der EP 1 241 470 B1 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 das Streukollimatorsystem durchgelassen werden und zu dem festen Streuwinkel &THgr; 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 Unschärfeeffekt des Beugungsprofils, dessen Grad stark vom Streuwinkel &THgr; abhängt. Dies folgt daraus, dass der gemessene Streuwinkel umso stärker vom eingestellten Streuwinkel &THgr; 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. Deren geometrische Ausgestaltung ist in 2 dargestellt, wobei die besonders bevorzugten Längenangaben dort in Millimeter angegeben sind. Jedes Detektorelement 14 ist symmetrisch zur Z-Achse ausgebildet und weist die Form eines Ellipsenausschnitts gemäß der Formel a1 2 Z2 + a2 2 Y2 = a3 2 auf, wobei a1, a2 und a3 Konstanten sind, die von der Geometrie des Streukollimators und des Objektraums abhängt. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich ein Detektorelement 10 über eine Länge von 60 mm in Y-Richtung. Der Abstand des dargestellten Detektorelements 10 von der Y-Achse in Z-Richtung variiert zwischen knapp 50 mm an seinen äußeren Enden und 53 mm im Zentrum an der Z-Achse. Die Ausdehnung des Detektorelements 10 in Y-Richtung ist somit ungefähr um einen Faktor 6 größer als derjenige der aus dem Stand der Technik bekannten Detektorelemente. Dadurch wird die Detektorempfindlichkeit um ungefähr denselben Faktor 6 gegenüber dem Stand der Technik erhöht, ohne dass der Nachteil einer verminderten Auflösung auf Grund des Unschärfeeffekts des Beugungsprofils auftritt.

Die 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.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die Anordnung mit einem Detektorarray aus Detektorelementen 10 auf einer elliptischen Kurve die Detektorempfindlichkeit über einen weit größeren Raumwinkel gesteigert werden kann, ohne dass die spektrale Auflösung des Beugungsprofils verringert wird. Durch die Verwendung der Anode 1 mit einer großen Anzahl von Fokuspunkten 2 kann eine hohe Gleichstromlast der Röntgenquelle erzielt werden. Darüber hinaus wird auf Grund der Anordnung eine mechanische Verschiebung – inklusive des Detektors 9 – vermieden und werden partielle Volumenartefakte mit verkleinerten Voxelvolumen vermindert. Zudem wird auf Grund der einfachen Korrelation der Datensets aus zwei symmetrisch zur Y-Achse angeordneten Detektoren 9 (der zweite Detektor 9 ist aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen) eine hohe Scangeschwindigkeit von Objekten 5 möglich. Für einen normalen Koffer sind Scannzeiten unter sechs Sekunden problemlos erreichbar.


Anspruch[de]
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 Röntgenquanten durchlässt, die auf einen einzigen Fokalpunkt (7) gerichtet sind und der Fokalpunkt (7) Ursprungspunkt eines kartesischen Koordinatensystems ist;

mit einem Untersuchungsbereich;

mit einem um die Z-Richtung ringförmig ausgebildeten 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 (&THgr;) emittiert wird; und mit einem Detektor (9);

wobei die X-Komponenete eines Streuvoxels (6) des Objekts (5) eindeutig auf die Z-Komponente des Detektors (9) abgebildet wird;

dadurch gekennzeichnet, dass

sich der Detektor (9) in der YZ-Ebene befindet, einen Abstand zur Y-Achse aufweist und aus mehreren Detektorelementen (10) besteht, wobei jedes Detektorelement (10) gekrümmt um die X-Achse ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (10) auf einer Ellipse mit der Hauptachse entlang der Y-Achse liegen. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (10) eine Form gemäß der Gleichung a1 2 Z2 + a2 2 Y2 = a3 2 haben und a1, a2 und a3Konstanten sind, die von der Geometrie des Streukollimators und des zu untersuchenden Bereichs des Objekts (5) abhängen. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Detektorelemente (10) in Y-Richtung zwischen 40 und 70 mm, insbesondere 60 mm, beträgt. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (10) symmetrisch zur Z-Achse ausgebildet sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (10) eine Breite in Z-Richtung von 0,25 bis 2 mm, insbesondere 0,5 mm, haben. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (10) aus Germanium hergestellt sind, insbesondere durch ein Lithographieverfahren. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Detektor mit einem Satz von Detektorelementen (10) symmetrisch zur Y-Achse angeordnet ist.






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