专利名称：用以确定物质的原子序数的、高能量x射线的基于光谱学的检查系统和方法
技术领域：
本申请总体上涉及辐射能量成像系统领域，并且更具体地涉及使用透射(transmit)或透射且散射的X射线能量的全谱以用于对物质(诸如货物集装箱中的物体)的原子序数的改进的确定的系统。
背景技术：
目前X射线检查系统在检查且从非危险物质区分出违禁品、毒品、武器、爆炸物和其它藏匿在货物中令人感兴趣的物品的能力上是有限的。另一个令人感兴趣的方面是出于货单确认的目的检查货物以确认已支付了适当的关税。透射的X射线的强度与X射线穿过的物质的面密度(即密度X厚度)和原子序数(Z)有关。由于物体是重叠的且不提供Z信息，因此由传统的X射线系统产生的射线照片通常难以阐释。因此，经过训练的操作人员必须学习且阐释每张图像从而给出是否存在感兴趣的目标或某种威胁的意见。当有大量这样的射线照片要被阐释时，诸如在大流量的中转点和港口，这些固有的困难，结合操作人员/筛选员的疲劳和分心会损害检测性能。存在对用于检测威胁和其它目标的自动检测和/或筛选辅助工具的需要，从而改进操作人员的效率和精确度，并且降低检测需要的操作人员的数目。本领域的技术人员已知的用于获得有用的Z信息的方法包括使用双能X射线源，以及双粒种(dual-species)技术(与中子检查结合的X射线检查)。然而，这些方法并不容易允许精确地确定货物内容的实际Z，而是产生代表X射线束路径中各种物质的混合的平均Z。因此，这些方法不是有效的。因此，现有技术中目前可用的X射线检查系统提供用于检测感兴趣的物品的有限的精确度。此外，这些系统并不有效地检测高原子-序数(“高-z”)物质。检测这样的物质，特别是走私的可以潜在地被用于制造武器的特殊核物质(special nuclearmaterial, SNM)，或用于屏蔽其放射性辐射的物质是非常复杂的任务。最使人顾虑的物质之一，即高浓缩铀，具有相对地的放射性。钚，另一种核武器级物质，具有更高的特定放射性和更高的能量辐射。然而，可以通过使用用于屏蔽伽马射线的高-Z物质和用于屏蔽由自发裂变产生的中子的低原子序数(“低-z”)的中子吸收体的组合来将其屏蔽。因此，很难检测屏蔽或藏匿的物质。因此期望具有改进的方法和系统，用于有效地检测高-Z物质，特别是考虑这样的物质可以被用于屏蔽伽马射线的高Z物质和用于屏蔽中子的低Z中子吸收体的组合所屏蔽的可能。
发明内容
在一个实施例中，本申请公开了一种用于识别被扫描的物体的物质组成的X射线扫描系统。该系统包括当权利要求许可时，我们将逐字并入权利要求。本发明的上述和其它实施例将在以下提供的附图和详细描述中被更深入地描述。
本申请的这些和其它特征和优点在当参照和附图一起考虑的详细描述时会得以更好的理解从而被进一步理解图I说明对于不同的吸收体，相对于能量(MeV)每单位能量的透射的X射线束的标准化强度；
图2说明在相对于原子序数描绘的、图I所示的透射谱中低能量和高能量区域的幅值的谱比；图3说明根据本发明的一个实施例的正在扫描货物集装箱的X射线透射光谱学系统；图4说明根据本发明的另一个实施例的正在扫描货物集装箱的X射线透射光谱学系统；以及图5说明用于所述X射线透射光谱学系统的示例性数据流。
具体实施例方式本申请是用于筛选货物的改进的方法，其使用来自只是透射的高能量X射线束或来自透射和散射两者的高能量X射线束的光谱的(spectroscopic)信息，来提供对用当前的X射线方法和/或通过本领域已知的被动辐射检测技术难以检测的违禁品、威胁和感兴趣的其它目标的加强的检测能力。本发明的系统提供对于感兴趣的物体自动地或作为工具辅助操作人员的、改进的检测性能，而与此同时降低误警报率。总体而言，对于给定厚度的吸收体，原子序数越高，X射线谱的高端(high end)的衰减越高。因此，透射的X射线谱受到货物中各种物质的物品(item)的原子序数的变化的影响。本申请检测和测量透射的或透射和散射的X射线的整个能量谱，并且识别束路径中的物质和其可能的原子序数和面密度。透射穿过货物和由货物散射的X射线能量谱包括关于射线穿过的货物的物质属性的丰富的信息。理论分析和实际测量证明透射的X射线的X射线谱对货物物质的Z十分敏感。本发明致力于多个实施例。提供以下公开的内容从而使具有本领域普通技能的人员能够实践本发明。本申请中使用的语言不应解释为是对任何特定实施例的一般的否定，或被用来将权利要求限制在这里使用的术语的含义之外。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，这里限定的总的原则可以应用于其它的实施例和使用。还有，使用的术语和措辞是为了描述示例性实施例的目的而不应被认为是限制的。因此，本发明是要符合包括与所公开的原理和特征一致的众多替代、修改和等同物的最宽的范围。为了清楚起见，没有详细描述相关于与本发明有关的技术领域中已知的技术材料的细节，从而没有不必要地�：痉⒚�。参照图I,示出对于不同的吸收体,相对于以MeV为单位的能量105,每单位能量的透射的X射线束的标准化强度115。如所示，对于9MV X射线透射谱，碳(Z=6)具有与铀(Z=92)的谱十分不同的谱。参照图2，示出相对于原子序数215绘制的，(图I所示的)透射谱中低能量和高能量区域的幅值的谱比205的曲线，表现出高度的灵敏度225。参照图3，示出正在扫描货物集装箱305的本发明的X射线透射光谱学系统。系统300使用准直的X射线源335并且使用具有预定的能量分辨率的快速光谱检测器325测量透射的X射线315的能量谱。X射线源335能量越高，效应越强。在另一个实施例中，系统300测量相对于原始的X射线的方向以小的角度散射的X射线315的能量谱。应该理解X射线源可以是任何能量级，但是优选是IMeV或更高的能量级。此外，X射线源可以是脉冲形式的源类似电子线性加速器、连续X射线发射源、强度-调制的X射线源，诸如通过引用并入这里的美国专利申请号12/484，172中公开的，或任何其它类型的X射线源，并且可以使·用任何的束的几何形状(geometry),包括光线锥(pencil)、扇形、圆锥形或其它几何形状。参照图4，在本发明的另一个实施例中，系统400测量透射的X射线能量谱和大角度(>90度)散射的能量谱。同时测量两组谱进一步加强了系统400的Z灵敏度。在图4中，示出正在扫描货物集装箱405的X射线透射光谱学系统400。该系统400使用X射线源435并且使用具有预定的能量分辨率的快速光谱检测器425测量透射的X射线415的能量谱。系统400还使用如使用X射线屏蔽和准直445所确定的准直的高能量后向散射的X射线检测器495测量相对于原始的X射线的方向的后向散射的X射线465的能量谱。在透射的能量谱之外还测量以大于90度的角散射的X射线中的一些的能量谱。可以组合得自X射线415和465的两组谱的信息以大大地增加了 Z灵敏度。在这个实施例中，使用准直的检测器495，其测量高能量后向散射的X射线辐射465的能量谱。以示例的方式，可能需要上下移动视锥(cone of view)从而扫描由X射线扇形束示出的货物的整个切片(slice)。其它扫描方法也是可能的。所建议的方法可以和使用例如电子线性加速器(Iinac)以及CW (连续波)X射线源的脉冲形式的X射线源一起使用。传统的线性加速器以短(通常小于5 μ s)辐射脉冲产生X射线。在这种情况下，在脉冲期间到达检测器的X射线瞬时速率可能非常高。特别在当没有货物存在(“in air”在空气中)时，以及对于X射线透射较高的轻度装载的集装箱该速率特别高。如果计数率足够高，有可能由于两个或更多的X射线导致在X射线检测器中的信号在时间上重叠，这样无法可靠地测量的个体X射线的能量。如果X射线检测器及其读出系统不够快则这种效应会加剧。然而即使在这种情况下，当计数率没有超过这个阈值时在货物造成的X射线衰减范围内物质辨别仍然是可能的。可选地，可以在检测器前面放置屏蔽从而降低该计数率，但是这是以能够以高衰减进行光谱法作为代价而实现的。CW源在时间上连续产生X射线。对于这样的源，对相同的(积分)输出，瞬时计数率低于脉冲形式源的瞬时计数率。这使得可以将本发明的使用延伸到更广范围的货物衰减。在本发明的一个实施例中，除了用于射线照相术的主检测器阵列之外，还使用非常快的第二检测器阵列来获得谱信息。产生高分辨率射线照片图像的检测器的第一阵列，可能没有检测器的第二阵列快并且不需要测量谱。以这种方式，可将非�？焖俚募觳馄饔糜谕干涔馄籽В缇哂泄獾绫对龉艿乃芰仙了柑�。在这样的系统中，光谱学系统的空间分辨率可能与例如射线照相术系统的空间分辨率不匹配，这是因为如果使用倍增管，则其相比通常用于射线照相术的光电管相对地大。光谱阵列(spectroscopic array)可以位于射线照相阵列的旁边或后边。在这个实施例中，传统的高分辨率射线照相的图像和低分辨率光谱的图像共同维持。这可以提供在能力和费用之间良好的折衷。在系统的另一个实施例中，例如在具有低得多的穿透要求的移动系统中，可以使用更慢但是更密的闪烁体材料(materials),诸如LaBr3 (溴化镧)或LYSO (娃酸乾镥闪烁晶体)。这使得可以制造具有更好的空间分辨率的紧凑的透射光谱学检测器。在这个实施例中，由于这些闪烁体材料也适于用在主成像系统中，因此可将成像和透射光谱学阵列组合为一个单个的阵列。只用于成像的检测器阵列通常使用慢闪烁体，诸如CsI (碘化铯)或CdWO4 (鹤酸镉)，以及使用在“整合(integration)”模式下使用的无偏置的PIN光电二极管，即其当使用脉冲形式的源时在加速器脉冲期间，或当使用CW源时在固定的时间段期间测量在其中堆积的能量的总量。还用于透射光谱学的成像检测器阵列必须使用密且更快的闪烁体，诸 如已经提过的LaBr3 *LYD0，以及更快的光检测器，诸如偏置的PIN 二极管。可选的实施例包括使用雪崩光电二极管和/或硅漂移检测器。然而应该理解，可以使用对于这里描述的预期的目的足够快的任何检测器材料和读出方法。这包括对于这里描述的预期的目的足够快的任何闪烁体/光电检测器的组合，以及适于用于检测X射线和测量其能量的任何半导体设备。组合检测器阵列以单个的检测器阵列实现高分辨率的射线照相和透射光谱学。一个缺点是大量光谱通道的可能的较高成本。如果没有要求高分辨率射线照相的图像，则可以使用较大的检测器。不管使用的检测器如何，使用至少两种分析方法中的一种分析光谱信息。在第一种情况下，使用各种谱特征实现物质分离(separation)。通过用每个谱除以测量的总的透射的X射线或能通量而标准化X射线透射谱。使用这样的标准化方法，每种物质Z的谱的形状是独有的。由于谱具有明显不同的峰值位置、强度、宽度、统计的偏态(skewness)和其它特征，因此该方法提供了将高-Z物质与低-Z物质的良好的分离。例如，高-Z物质的谱能量均值更低，且峰更窄且具有更大的幅值。在中-Z物质(例如铁)和高-Z物质之间且在中-Z和含氢的物质之间具有非�：玫姆掷�。图2中示出了谱特征(此例中为谱的更低能量区域和更高能量区域的幅值的比)的Z依赖性的例子。这里所选的特征和原子序数之间有很强的相关性。在替代的分析方法中，至少一个检测器的谱被配合(fit)到预期的谱。通过计算穿过特定物质的衰减的X射线谱并且对检测器响应进行校正而从通过源产生的入射的X射线谱计算预期的谱。候选物质的面密度是该配合(fit)的参数。在这种方法中，基于观测到的透射计算初始的物质-组成估计。利用包括非负厚度的一系列的约束条件，进行最小平方(或其它)统计的最小化直到计算的谱和观测到的谱之间的差最小。在一些实施例中，以两个或更多个步骤进行该最小化。在第一步中，使用少量的物质参数作为估计，并且在随后的迭代中使用越来越多数量的物质参数。在最后的迭代中，使用了考虑的组中的所有物质。
在两种分析方法中，给出货物中有可能有的物质的面密度的组合作为结果，例如且不限于是这样的值或物质，100克/平方厘米的木头或50克/平方厘米的钢。原则上,使用具有足够能量分辨率和具有高计数统计(counting statistics)的检测器，有可能确定束路径上的货物的完全的元素组成。在实践中(由当前的技术)，具有类似原子序数的物质不能够被轻易地辨别。典型的检测组包括有机物质，或低Z : (Z < 10)，中-低Z :11彡Z彡19，中Z :20彡Z彡39，中-高Z :40彡Z彡72，以及高Z: (Z彡73)。可以基于X射线产生源(脉冲形式或连续的)的能量、其强度、光谱检测器的类型和尺寸、检查时间等以不同的方式选择Z组的数目及其界限范围。以上描述的技术提供了一种使用X射线获得加强的物质分辨的系统和方法。本发明的系统和方法提高了对违禁品、威胁和其它目标的检测，允许更容易地确认货物的货单，并且便于自动检测。这些技术优点转化为提高的操作人员的准确度和效率，带来了人力的减少，增加的被禁止的违禁品以及增加的关税收入。
以上的示例只是对本发明的系统的诸多应用的说明。虽然已经在这里描述了本发明的多个实施例，但是应该理解本发明可以在不偏离本发明的主旨和范围的情况下由多个其它的特定形式来体现。因此，当前的示例和实施例被认为是说明性而非限制性的，并且可在所附权利要求的范围内修改本发明。
权利要求
1.一种用于识别被扫描的物体的物质组成的X射线扫描系统，包括 a.至少一个X射线源，用于将X射线束投射在物体上，至少一部分投射的X射线束透射穿过物体； b.至少一个检测器阵列，用于测量透射的X射线的能量谱；以及 c.处理器，用于识别所述物体的物质组成，其中所述处理器使用所述谱来确定物质组成。
2.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，其中所述物质组成的识别包括下述中的至少一个确定所述物体中至少某种物质的原子序数，确定所述物体中至少某种物质的原子序数的范围，或确定所述物体中至少某种物质的面密度。
3.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱通过下述操作来确定物质组成 a.接收所述能量谱； b.使用值标准化所述能量谱；以及 c.基于所述标准化的能量谱和多个已知的谱确定物体的物质组成。
4.根据权利要求3所述的X射线扫描系统，其中将所述标准化的能量谱与多个已知的谱比较并且其中基于所述比较识别物质组成。
5.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，其中所述至少一个检测器阵列还检测所述透射的X射线并产生透射图像。
6.根据权利要求5所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱和所述透射图像来确定物质组成。
7.根据权利要求5所述的X射线扫描系统，还包括准直的后向散射X射线检测器阵列，用于测量被物体以大于90度的角散射的X射线的能量谱以用于检测和测量后向散射的X射线和从其产生后向散射数据。
8.根据权利要求7所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱、所述后向散射数据和所述透射图像来确定物质组成。
9.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，还包括第二检测器阵列，用于检测所述透射的X射线和产生透射图像。
10.根据权利要求9所述的X射线扫描系统，其中所述至少一个检测器阵列具有比第二检测器阵列低的空间分辨率。
11.根据权利要求9所述的X射线扫描系统，其中从第二检测器阵列产生的数据不经历光谱分析。
12.根据权利要求9所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱和所述透射图像来确定物质组成。
13.根据权利要求9所述的X射线扫描系统，其中所述至少一个检测器阵列位于第二检测器阵列的后面、前面或旁边。
14.根据权利要求9所述的X射线扫描系统，还包括准直的后向散射X射线检测器阵列，用于测量被物体以大于90度的角散射的X射线的能量谱并从其产生后向散射数据。
15.根据权利要求14所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱、所述后向散射数据和所述透射图像来确定物质组成。
16.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，其中所述至少一个检测器阵列包括至少一个快速光谱检测器，包括塑料的闪烁体材料，包括LaBr3 (溴化镧)的闪烁体材料，或包括LYSO (硅酸钇镥闪烁晶体)的闪烁体材料。
17.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，其中所述X射线束具有光线锥形、扇形或圆锥形。
18.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，其中所述X射线源包括下述中的至少一个连续的X射线源、脉冲形式的X射线源、强度调制的X射线源、电子线性加速器或具有IMeV或更高的能量级的X射线源。
19.根据权利要求I所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱由下述操作来确定物质组成 a.接收所述能量谱； b.将所述能量谱中的至少一个配合到预期的能量谱，其中所述预期的能量谱是由透射和检测穿过已知物质的X射线以及校正所述检测的X射线以考虑检测器中的变化而产生的多个先前测量的X射线谱中的至少一个；以及 c.基于所述配合识别物体的物质组成。
20.根据权利要求19所述的X射线扫描系统，其中所述处理器基于所述透射的X射线的谱中的至少一个并且不基于所述配合来产生所述物质组成的第一估计。
21.根据权利要求19所述的X射线扫描系统，其中所述处理器通过最小化所述透射的X射线的谱中的至少一个和所述预期的能量谱之间的差而识别物体的物质组成。
22.根据权利要求19所述的X射线扫描系统，其中每个所述预期的能量谱专属于特定的物质。
23.一种用于识别被扫描的物体的物质组成的X射线扫描系统，包括 至少一个X射线源，用于将X射线束投射在物体上，至少一部分投射的X射线束透射穿过物体； 至少两个检测器阵列，其中所述至少两个检测器阵列中的一个阵列测量透射的X射线的能量谱；以及 处理器，用于识别所述物体的物质组成，其中所述处理器使用所述谱来确定物质组成。
24.根据权利要求23所述的X射线扫描系统，其中所述至少两个检测器阵列中的一个阵列检测所述透射的X射线并产生透射图像。
25.根据权利要求24所述的X射线扫描系统，其中测量透射的X射线的能量谱的检测器具有比产生透射图像的检测器低的空间分辨率。
26.根据权利要求24所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱和所述透射图像确定物质组成。
27.根据权利要求24所述的X射线扫描系统，还包括准直的后向散射X射线检测器阵列，用于测量被物体以大于90度的角散射的X射线的能量谱并从其产生后向散射数据。
28.根据权利要求27所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱、所述后向散射数据和所述透射图像来确定物质组成。
29.根据权利要求23所述的X射线扫描系统，其中所述物质组成的识别包括下述中的至少一个确定所述物体中至少某种物质的原子序数，确定所述物体中至少某种物质的原子序数的范围，或确定所述物体中至少某种物质的面密度。
30.根据权利要求23所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱通过下述操作来确定物质组成 a.接收所述能量谱； b.使用值标准化所述能量谱；以及 c.基于所述标准化的能量谱和多个已知的谱确定物体的物质组成。
31.根据权利要求30所述的X射线扫描系统，其中将所述标准化的能量谱与多个已知的谱比较并且其中基于所述比较来识别物质组成。
32.根据权利要求23所述的X射线扫描系统，其中所述X射线束具有光线锥形、扇形或圆锥形。
33.根据权利要求23所述的X射线扫描系统，其中所述X射线源包括下述中的至少一个连续的X射线源、脉冲形式的X射线源、强度调制的X射线源、电子线性加速器或具有IMeV或更高的能量级的X射线源。
34.根据权利要求23所述的X射线扫描系统，其中所述处理器使用所述谱由下述操作来确定物质组成 a.接收所述能量谱； b.将所述能量谱中的至少一个配合到预期的能量谱，其中所述预期的能量谱是由透射和检测穿过已知物质的X射线以及校正所述检测的X射线以考虑检测器中的变化而产生的多个先前测量的X射线谱中的至少一个；以及 c.基于所述配合识别物体的物质组成。
35.根据权利要求34所述的X射线扫描系统，其中所述处理器基于所述透射的X射线的谱中的至少一个并且不基于所述配合来产生所述物质组成的第一估计。
36.根据权利要求34所述的X射线扫描系统，其中所述处理器通过最小化所述透射的X射线的谱中的至少一个和所述预期的能量谱之间的差而识别物体的物质组成。
37.根据权利要求34所述的X射线扫描系统，其中每个所述预期的能量谱专属于特定的物质。
全文摘要
本申请公开了用X射线扫描来识别被扫描物体的物质组成的系统和方法。该系统包括至少一个X射线源，用于将X射线束投射在该物体上，其中投射的X射线束的至少部分透射穿过该物体，以及该系统包括用于测量透射的X射线的能量谱的检测器阵列。该测量的能量谱被用于确定物体的原子序数以识别该物体的物质组成。该X射线扫描系统还可具有准直的高能量后向散射的X射线检测器阵列，用于测量被物体以大于90度的角度散射的X射线的能量谱，其中测量的能量谱和透射能量谱一起用于确定物体的原子序数以识别该物体的物质组成。
文档编号G01N23/10GK102884422SQ201180020812
公开日2013年1月16日 申请日期2011年2月23日 优先权日2010年2月25日
发明者J.本达汉, C.M.布朗, T.高赞尼, W.G.J.兰格韦德, J.D.史蒂文森 申请人:拉皮斯坎系统股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
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