光谱整形的X射线检查系统技术方案

一种用于以把环境辐射量减小到特定值以下的方式对封闭空间进行非侵入式ｘ射线检查的系统和方法。经光谱过滤以增强穿透辐射的高能分量的射束与低能量分量占主导的射束瞬间交替利用。这样轻载和重载货物都能被检查，同时限制周围散射辐射。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于采用经光谱过滤的穿透辐射检查物体、特别是集装箱中的货物、货车和火车的系统和方法。这种检查系统通常通过检测穿过集装箱的x射线的强度分布产生所谓的传输图象。轻载集装箱的内含之物可用几百keV范围内的x射线能量有效地检查，但是重载半拖挂车，油罐车，火车，和ISO集装箱通常需要MeV范围内的x射线。用于检查不均匀货物的x射线检查系统的设计需要同时考虑对穿透性、灵敏度和辐射剂量的相互冲突的要求，对于这些要求以下一级标准给出一般的指导。穿透性当x射线能量增加时，保持电子束功率不变，其穿透性与线性吸收系数λcm-1成反比增加。例如，来自于3MeV加速器射束的高能x射线分量铁穿透的距离比来自于450keV的x射线发生器的高能分量远大约3倍；铁中的相关的线性吸收系数减小了3倍左右。灵敏度x射线对于物体给定厚度Δx的灵敏度，取决于围绕物体的材料，以及物体本身的材料。其它参数不变时，灵敏度S通常被定义成每厘米的材料内计数率I的分数变化。即，S=ΔI/IΔx=-λ,]]>其中ΔI是由于材料的厚度Δx产生的计数率的降低。灵敏度在穿透辐射的最低能量(λ的最大值)时是最大的。在上述例子中，高能量x射线灵敏度在能量从450keV增加到3MeV时降低了几乎3倍，且其大约需要9倍的x射线来获得相同满意程度的测量衰减精确度。穿透性和灵敏度之间的矛盾通常通过接受电子束产生的x射线的整个光谱来满足。高能量分量对最大穿透性是有效的，而更丰富的低能量分量具有高效检验轻载集装箱或具有轻载部分的集装箱所需要的灵敏度。辐射剂量在撞击钨靶的电子能量E所产生的x射线束中的辐射剂量大约与E3成正比，如Buechner等人，《物理评论》，vol.74，pp1348ff，(1948)中所述的。在恒定的功率下，x射线束中的直接辐射剂量大约随E2改变，环境辐射剂量也是如此。在本说明书和任一条所附的权利要求中，术语“环境辐射剂量”指来自于散射辐射的周围环境中的剂量。在上述例子中，如果保持电子能量恒定，当电子能量从450keV增加到3MeV时，环境辐射剂量大约增加40倍。为满足辐射安全法则，就需要在检查区域增加昂贵的屏蔽，其通常包括加强的基础设施和厚重的门。在美国，检查系统必须把人容易接近的区域内的剂量保持在5μSv/hr(希沃特/小时)以下。(21联邦法规全书§1020.40)这种规定被称为“箱体”规格。此处术语“开式箱体”是指有或没有门或者箱顶的箱体，其除在射束附近外不需要辐射防护物而能达到合法的箱体规定。为满足检查重载货物的需要，现在使用的某些货物检查系统采用能量高于450keV的x射线。在本领域中，被假设并已知的是，较高的能量导致高的环境辐射，其需要大规模的屏蔽和极大增加的成本来满足这些规定。某些现在使用的货物检查系统采用在从大约3MeV到9MeV范围内运行的脉冲式有线加速器(linacs)，其产生x射线扇形束，x射线束穿过货物进入检测其强度的线性阵列的x射线探测器。扇形束丰富的低能分量可产生轻载集装箱的高质量图象，而高能分量具有足够的穿透本领以寻找30多厘米厚的钢板后面的违禁品。线性加速器产生的辐射是非常高的，通常在1米处高于1戈瑞/分钟，辐射容器和屏蔽所需的成本也是相当高的。具有用于检查沟道的辐射容纳门的建筑物的成本通常会超过x射线检查系统自身的成本。现在在x射线束产生中使用的是光谱选择接收器，包括其在MeV级别的x射线发生器中的应用，以使强度分布随角度的变化平坦化。吸收体也在医疗应用中使用，以便通过消除优选在皮肤和接近表面的组织中吸收并对诊断和治疗不起作用的低能量分量而最小化对病人的辐射剂量。最后，吸收体用来产生准单色的x射线束，例如用于双重能量分析。环境辐射，如上文定义的，在现在使用的任何一个吸收体例子里都没有描述，既没有作为设计考虑也没有提供控制x射线强度的有效控制。图2a是传输图象检查系统的示意顶视图，其中所述系统采用单一的脉冲式高能x射线发生器按照本专利技术优选实施例产生低能量和高能量传输图象；图2b展示了按照本专利技术实施的旋转吸收体的几何图形；图3按照本专利技术实施例的一个x射线检查系统的示意图，是其采用独立的高和低能量x射线源。图4是按照本专利技术优选实施例的货物检查系统的示意图，其展示了两个独立的反散射系统和一个独立的高能传输系统以及多个环境辐射监视器。参照附图说明图1，显示了从用3MeV的电子轰击的钨靶以90°射出的x射线光谱。用数字6指出的实线，对应于用蒙特卡罗模拟法在特定的条件下产生的x射线光谱。未经过滤的光谱6作为以MeV为单位的光子能量的函数以对数标度显示出来。(尽管此处称实线6为“未经过滤的”，但实际上被轻微过滤以便降低约在200keV以下的x射线的强度。)在未经过滤的光谱6中，约50％的x射线具有低于500keV的能量，只有8％的x射线具有高于1.5MeV的能量。因此，所述未经过滤的光谱的特征在于，参照基准能量，此处取500keV，数量占一半的发射光子具有低于所述基准能量的能量。虚线8是在通过2厘米的铀过滤从而“硬化”后发射的x射线的强度分布(相差一定的信数)。对于图中显示的较高x射线能量，两厘米铀对应于大约2.2个平均自由程。能量低于大约400keV的较小穿透辐射被吸收四个数量级，而穿透分量的减少小于一个数量级。放在x射线束中的2厘米厚的贫化铀吸收体几乎把低于700keV的x射线完全消除。因此，经过滤辐射的特征在于在特定基准能量以上的光子占绝大多数。在优选实施例中，本专利技术通过过滤使得辐射照射有利地减少，这将参照图2-4在下文中描述。图2a描述了数字11指出的x射线检查系统的示意顶视图。X射线的传输通过x射线传输模块16测量，其包括x射线源18，优选直线加速器。X射线辐射的其他源例如电子回旋加速器在本专利技术的范围内也可使用。源18放射出x射线束19，其具有特定的横截面分布图和最大能量，其中最大能量为本说明起见，假设为大约3MeV。束19的横截面优选是扇形束的横截面，仅在一个横向的方向具有明显的角度宽度，而其它的束横截面分布图可在特定应用中优选。X射线束19穿过吸收体22，其显示在束中并在图2b中示出。X射线21穿过吸收体22并穿过受检封闭空间10，其通常是传送设备，如货物集装箱或卡车。举例来说，显示在封闭空间10中的是容易被低能x射线穿透过的物体14。物体14可以是薄的，或由轻元素，即一种具有较低原子数Z的元素构成。物体14被几百keV以下的x射线穿透。作为另一例子，示出了不能被低能x射线有效穿透的致密物体12。在x射线探测器20中探测到X射线21，其中探测器20通常是分段式探测器，当束21入射到封闭空间10的横向位置通过封闭空间相对于射束21在方向13上的相对移动而改变时，它的间距(或段距)决定获得的图象的空间分辨率。任何产生封闭空间10沿方向13相对于射束21的相对运动的运动都在本专利技术的范围内，其中包括束21相对于对地基固定的封闭空间10的运动。吸收体22被作为旋转圆筒而示出。吸收体22的旋转可以是连续或步进的，取决于应用。在优选实施例中，第一派对(pie-pair)24是敞开的，因此束19在穿过吸收体22时未被衰减。术语“派对”用来描本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检查物体的检查系统，所述装置包括： ａ．用于产生射束和用于辐照物体的穿透辐射源，所述辐射源的特征在于在各个瞬间仅通过瞬间的能量光谱和强度； ｂ．至少一个用于在与物体作用后探测穿透辐射的探测器；及 ｃ．用于以这样的方式调制入射穿透辐射的调制器，即改变瞬间能量光谱以便提供由能量超过第一基准能量的光子占主导的第一瞬间光谱和由能量低于第二基准能量的光子占主导的第二瞬间光谱，这样平均辐射剂量就保持在特定值以下。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李格罗津斯，彼得罗斯柴尔德，
申请(专利权)人：美国科学和工程公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]