DE102005011467B4

DE102005011467B4 - Kollimator mit einstellbarer Brennweite, hierauf gerichtetes Verfahren sowie Röntgenprüfanlage

Info

Publication number: DE102005011467B4
Application number: DE102005011467A
Authority: DE
Inventors: Norbert Haunschild; Martin Hartick; Andreas Streyl
Original assignee: Smiths Heimann GmbH
Current assignee: Smiths Heimann GmbH
Priority date: 2005-03-12
Filing date: 2005-03-12
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2025-03-13
Also published as: US20080089478A1; US7436934B2; DE502006003884D1; DE102005011467A1; ATE433188T1; EP1859454A2; EP1859454B1; WO2006097254A3; WO2006097254A2

Abstract

Kollimator mit einstellbarer Brennweite, insbesondere in Röntgenprüfanlagen, gekennzeichnet durch ein Außenteil (1) mit einer konischen Innenfläche und ein Innenteil (2) mit einer konischen Außenfläche, die fest beabstandet miteinander verbunden sind, sowie mindestens einen beweglich zwischen Innen (2)- und Außenteil (1) angeordnetes Konus-Schiebeteil (3).

Description

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 Wellenlänge 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 Offenlegungsschrift DE 1 03 30 521 A1 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 sogenannte Nadelstrahl, ein Energiespektrum auf, dass 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 Winkel 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.
Zu diesem Zweck ist die Verwendung eines Kollimators bekannt, der mehrere parallele Öffnungen des gleichen Öffnungswinkels aufweist und mit dem daher gleichzeitig mehrere Punkte auf der Rotationsachse fokussiert werden können. Die Verwendung 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.
Das Dokument WO 88/00698 A1 offenbart einen Linienkollimator in einem Computertomographen. Der Kollimator besteht aus einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Material, in das dünne Kanäle in Form ebener Flächen eingebracht sind. Die Flächen sind derart winklig zueinander angeordnet, dass sich ihre gedachten Verlängerungen in einer Linie schneiden. Unter verschiedenen Winkeln auf dieser Linie gestreute Röntgenstrahlung kann den Kollimator passieren.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 30 521 A1 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 die gesamte Vorrichtung eine Bauhöhe von mehr als dem Doppelten der Höhe des zu untersuchenden Objektes aufweisen muss.
Die Offenlegungsschrift DE 41 37 242 A1 offenbart einen Kollimator, der aus einer spiralförmig gewickelten Folie besteht. Der Kollimator verjüngt sich zu seinem Fokus hin, weist also eine konische Struktur auf.
In der Patentschrift DE 199 54 662 B4 ist ein Kollimator mit einem Rundschlitz in der Form eines Kegelstumpfmantels offenbart. Zur Überprüfung eines Objekts in einer Röntgenprüfanlage in drei Dimensionen ist es notwendig, den Kollimator in Richtung der Symmetrieachse des Kegelstumpfs zu verfahren. Der Verfahrweg des Kollimators entspricht der Ausdehnung des zu untersuchenden Objekts in Richtung der Symemtrieachse.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kollimator derart zu verbessern, dass sich geringere Verfahrwege und damit eine verringerte Bauhöhe des Röntgenprüfgerätes ergeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite, mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.
Grundsätzlich besteht ein erfindungsgemäßer Kollimator aus einem Außenteil, das gleichzeitig die Funktion eines Gehäuses übernehmen kann, mit einer konischen Innenfläche und einem Innenteil mit konischer Außenfläche. Diese beiden Teile sind in gewissem Abstand fest miteinander verbunden, so dass sich zwischen ihnen ein Spalt ergibt. In diesem Spalt befindet sich mindestens ein beweglich angeordneter Hohlko nus, der auch als Konus-Schiebeteil bezeichnet wird. Durch Verschieben des beweglichen Konus beziehungsweise der beweglichen Konusse kann die Brennweite des Kollimators variiert werden.
Wie weiter oben bereits ausgeführt gelangt in Röntgenprüfanlagen idealer Weise nur unter einem Winkel in einem Punkt gebeugte Strahlung auf den Röntgendetektor. Es ist also eine räumliche Filterung notwendig. Dabei ist die optimale räumliche Filtercharakteristik derart, dass sich ein kegelmantelförmiger Durchlassbereich ergibt. Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Kollimator dadurch erreicht, dass sämtliche konischen Flächen konzentrisch um eine gemeinsame Rotationsachse angeordnet sind, wobei die Rotationsachse der Einfallsrichtung des Nadelstrahls entspricht.
Zur Identifikation eines Stoffes in einem zu untersuchenden Objekt kann das unter einem bestimmten Winkel detektierte Beugungsspektrum mit dem Spektrum des Nadelstrahls verglichen werden. Aus der Bragg'schen Gleichung folgt, dass ein unter einem anderen Winkel aufgenommenes Beugungsspektrum gegenüber dem ersten verschoben ist. Daher wird die Identifizierung vereinfacht, wenn jede Messung unter dem gleichen Öffnungswinkel durchgeführt wird. Ein gleichbleibender Detektionswinkel des Kollimators wird dadurch erreicht, dass sämtliche konischen Flächen denselben Öffnungswinkel aufweisen.
Unterschiedliche Detektionswinkel je nach eingestellter Brennweite lassen sich durch unterschiedliche Öffnungswinkel der konischen Flächen erreichen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn immer zwei benachbarte konische Flächen denselben Öffnungswinkel aufweisen. Durch diese paarweise Anpassung liegen die konischen Flächen großflächig aufeinander, was zu einer hohen Strahlungsabsorption des Kollimators führt.
Die Einstellung der Brennweite wird dadurch erreicht, dass das mindestens eine Konus-Schiebeteil entlang der Rotationsachse verfahrbar ist. Dadurch kann der Fokus des Kollimators durch eine einfache translatorische Bewegung des Konus-Schiebeteils in eine Richtung angepasst werden.
Die Anpassung der Brennweite des Kollimators und damit des fokussierten Punktes im Untersuchungsobjekt geschieht also dadurch, dass das mindestens eine Konus-Schiebeteil entlang der Rotationsachse verschoben wird, bis die gewünschte Brennweite erreicht ist, wobei bei Verwendung mehrerer Schiebekonusse diese unabhängig voneinander bewegt werden können. Um eine optimale räumliche Filterwirkung zu er reichen, sollte das Konus-Schiebeteil bzw. die Konus-Schiebeteile stets so positioniert werden, dass der Kollimator nur einen Öffnungsspalt aufweist. Wenn sämtliche konischen Flächen konzentrisch um eine gemeinsame Rotationsachse angeordnet sind und jeweils benachbarte Flächen denselben Öffnungswinkel aufweisen, so schmiegen sich die Flächen über ihre gesamte Höhe aneinander an. Außer im Bereich des eingestellten Spalts erscheint der gesamte Kollimator so als kompakte Einheit und ermöglicht eine maximale Abschirmung der unerwünschten Röntgenstrahlung. Dadurch, dass die einzelnen Konus-Schiebeteile unabhängig voneinander bewegt werden können, kann so ein einzelner Spalt an verschieden Positionen erzeugt werden. Dies ermöglicht ebenso viele mögliche Brennweiten. Bei einer Anzahl von n Konus-Schiebeteilen ergeben sich n + 1 mögliche Spalte.
Für einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich mehrere vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten. In einem ersten Fall kann der Kollimator an einer festen Position gehalten werden und durch Verfahren des Konus-Schiebeteils beziehungsweise der Konus-Schiebeteile mehrere Punkte in einem zu untersuchenden Objekt fokussieren. Andererseits ist es möglich, den Kollimator linear zu verfahren und so eine kontinuierliche Messung des zu untersuchenden Objekts vorzunehmen. In diesem Fall lässt sich der Verfahrweg dadurch reduzieren, dass nach Abfahren einer Strecke durch den Kollimator die Brennweite umgeschaltet wird und sich beim Verfahren des Kollimators entlang der gleichen Strecke ein anderer untersuchter Bereich ergibt. Im Idealfall kann der maximal benötigte Verfahrweg des erfindungsgemäßen Kollimators gegenüber einem nicht einstellbaren Kollimator um einen Faktor reduziert werden, der der Anzahl der einstellbaren Brennweiten entspricht, bei einem Kollimator mit zwei Brennweiten also um die Hälfte.
Die vorliegende Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele veranschaulicht werden. Dabei zeigen
1a einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite mit einem Konus-Schiebeteil in einer Endstellung,
1b einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite mit einem Konus-Schiebeteil in der anderen Endstellung und
2 einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite mit zwei Konus-Schiebeteilen.
In allen Figuren besteht der erfindungsgemäße Kollimator im Wesentlichen aus dem Außenteil 1 und dem Innenteil 2. Diese sind konzentrisch um eine Rotationsachse 4 angeordnet. In den 1a und 1b weist der Kollimator ein Konus-Schiebeteil auf, in 2 sind es zwei Konus-Schiebeteile. Derartige Kollimatoren werden insbesondere in Röntgenprüfanlagen eingesetzt, besonders in höheren Stufen mehrstufiger Prüfanlagen.
In 1a befindet sich Konus-Schiebeteil 3 in einer Endposition, in der es am Innenteil 2 anliegt. Somit ergibt sich ein Durchtrittsspalt für die Strahlung zwischen Konus-Schiebeteil 3 und Außenteil 1. In diesem Fall filtert der Kollimator alle Strahlung aus, die nicht in einem Punkt mit Abstand d₁ vom Kollimator unter dem Winkel α gebeugt wird.
In 1b liegt das Konus-Schiebeteil 3 am Außenteil 1 an. Somit ergibt sich ein Durchtrittsspalt zwischen Konus-Schiebeteil 3 und Innenteil 2. Der Öffnungswinkel α des Kollimators bleibt unverändert, jedoch ist in dieser Stellung ein Punkt im Abstand d₂ vom Kollimator fokussiert. Es wird sofort ersichtlich, dass durch Umschalten der Position des Konus-Schiebeteils 3 der beim Verfahren des Kollimators fokussierte Bereich variiert wird. Dies bedeutet, dass bei einem festen zu untersuchenden Bereich der Verfahrweg des Kollimators verringert wird. Im Extremfall beträgt diese Einsparung die Hälfte der Ausdehnung des zu untersuchenden Bereichs.
In 2 besteht der Kollimator wieder aus einem Außenteil 1 und einem Innenteil 2, weist jedoch zwei unabhängig voneinander verfahrbare Konus-Schiebeteile 5 und 6 auf. In der gezeigten Stellung liegt Konus-Schiebeteil 5 am Außenteil 1 an und Konus-Schiebeteil 6 am Innenteil 2. Dadurch ergibt sich, wieder unter dem Öffnungswinkel α, eine Fokussierung auf einen Punkt im Abstand d₃. Für den Fall, dass die Konus-Schiebeteile 5 und 6 aneinander anliegen, ergeben sich die bereits in den 1a und 1b dargestellten Brennweiten d₁ und d₂.
Die Brennweite des erfindungsgemäßen Kollimators wird dadurch angepasst, dass das mindestens eine Konus-Schiebeteil 3 entlang der Rotationsachse 4 verschoben wird, bis die gewünschte Brennweite erreicht ist, wobei bei Verwendung mehrerer Konus-Schiebteile 5, 6 diese unabhängig voneinander bewegt werden können
In einer bevorzugten Verwendung ist der erfindungsgemäße Kollimator mit einstellbarer Brennweite Teil einer Röntgenprüfanlage, die außerdem eine Röntgenquelle, einen Röntgendetektor sowie eine Auswertungsvorrichtung zur Auswertung der detektierten Strahlung aufweist.
Die beiden vorgenannten Ausführungsbeispiele sind rein exemplarisch und insofern nicht beschränkend. Insbesondere kann die Anzahl und Größe der Konus-Schiebeteile variieren, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims

Kollimator mit einstellbarer Brennweite, insbesondere in Röntgenprüfanlagen, gekennzeichnet durch ein Außenteil (1) mit einer konischen Innenfläche und ein Innenteil (2) mit einer konischen Außenfläche, die fest beabstandet miteinander verbunden sind, sowie mindestens einen beweglich zwischen Innen (2)- und Außenteil (1) angeordnetes Konus-Schiebeteil (3).
Kollimator mit einstellbarer Brennweite nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche konischen Flächen konzentrisch um eine gemeinsame Rotationsachse (4) angeordnet sind.
Kollimator mit einstellbarer Brennweite nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche konischen Flächen denselben Öffnungswinkel α aufweisen.
Kollimator mir einstellbarer Brennweite nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass immer zwei benachbarte konische Flächen den selben Öffnungswinkel aufweisen.
Kollimator mit einstellbarer Brennweite nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Konus-Schiebeteil (3, 4, 5) in Richtung der Rotationsachse (4) verfahrbar ist.
Verfahren zur Anpassung der Brennweite eines Kollimators nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Konus-Schiebeteil (3, 5, 6) entlang der Rotationsachse (4) verschoben wird, bis die gewünschte Brennweite erreicht ist, wobei bei Verwendung mehrerer Konus-Schiebeteile (5, 6) diese unabhängig voneinander bewegt werden können.
Röntgenprüfanlage, gekennzeichnet durch eine Röntgenquelle, einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einen Röntgendetektor sowie eine Auswertungsvorrichtung zur Auswertung der detektierten Strahlung.