РЕНТГЕНОВСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННЫХ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ СО СДВИГОМ ДЛИН ВОЛН Российский патент 2017 года по МПК G01T1/20 

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании заявок на временный патент США №61/598521 и 61/598576, поданных 14 февраля 2012 г., и заявки на временный патент США №61/607066, поданной 6 марта 2012 г., содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Настоящее изобретение относится к волоконным сцинтилляционным датчикам и к способам их изготовления, а также к системам и способам рентгеновского контроля, использующего волоконные сцинтилляционные датчики для эффективной регистрации рентгеновского излучения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Волоконные сцинтилляционные датчики излучения и частиц использовались в течение последних 30 лет. В некоторых случаях сцинтиллятор разбит на пиксели, содержит дискретные элементы сцинтиллятора, а в других случаях использованы другие приемы (например, ортогонально перекрещенные волокна связи), обеспечивающие пространственное разрешение. Примеры волоконных сцинтилляционных датчиков приведены в Патентах США №6078052 (DiFilippo) и 73269933 (Katagiri и др.), содержание которых полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки. Датчики, описанные и DiFilippo и Katagiri и др., используют волокна со сдвигом длин волн (WSF) таким образом, что свет, переизлучаемый материалом ядра волокна, может быть с малым затуханием пропущен к фотодатчикам, расположенным в удобном местоположении, часто в отдалении от самого сцинтиллятора. Пространственное разрешение особенно важно для некоторых приложений, например, для нейтронографии. Пространственное разрешение также весьма важно для Фермиевского большого космического телескопа (ранее имевшим название Большой космический гамма-телескоп (Gk), где сегментированный сцинтилляционный датчик высокой производительности использует считывание посредством волокон со сдвигом длин воли для регистрации высокоэнергетических космических пучков, как описано в статье Moiseev и др., Пластиковый сцинтилляционный датчик высокой производительности со считыванием посредством волокон со сдвигом длин волн для Большого телескопа GLAST, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, Vol. 583, pp. 372-81 (2007), включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

[0004] Исходя из контекста, в рамках которого волоконные сцинтилляционные датчики были использованы до настоящего времени, все известные волоконные сцинтилляционные датчики подсчитывали импульсы, произведенные в результате отдельных взаимодействий частиц (фотонов или массивных частицы) со сцинтиллятором, обеспечивая, тем самым, возможность оценки энергии, приносимой падающей частицей, на основании совокупного потока света, переизлучаемого сцинтиллятором.

[0005] Однако, требования к регистрации, выдвигаемые системами обследования, основанными на обратном рассеянии рентгеновского излучения, полностью отличны от требований, удовлетворяемых обычными волоконными сцинтилляционными датчиками. Основанные на обратном рассеянии рентгеновские системы обследования более 25 лет используют для регистрации органических веществ, скрытых в багаже, грузовых контейнерах, в транспортных средствах и на персонале. Поскольку размещенные насыпью органические материалы в основном рассеивают рентгеновское излучение (посредством комптоновского рассеяния), а не поглощают его, эти материалы видны как более яркие объекты на изображениях обратного рассеяния. Поскольку падающее рентгеновское излучение рассеяно во всех направлениях, требования к чувствительности намного превышают требования к пространственному разрешению, причем в большинстве связанных с рассеянием приложений пространственное разрешение датчика не важно вообще, поскольку разрешением управляет падающий луч, а не система регистрации.

[0006] Специализированные требования к регистрации, связанные с большой площадью и высокой чувствительностью, выдвигаемые системами рассеяния рентгеновского излучения, особенно раздражают в случае «обычных» сцинтилляционных датчиков 100 типа, показанных в боковом сечении на фиг. 1А и в переднем сечении на фиг. 1В. Пример такого датчика описан в Патенте США №5302817 (Yokota), который полностью включен в настоящую заявку посредством ссылки. Обычно непроницаемая для света коробка 102 облицована сцинтилляционными экранами 103, на которых происходит преобразование падающего рентгеновского излучения 101 в сцинтилляционный свет, обычно в ультрафиолетовой, видимой или в других частях электромагнитного спектра с большей длиной волны. Фотоэлектронные умножители 105 с большой площадью фотокатода присоединены для приема сцинтилляционного света через иллюминаторы 108. Одна проблема заключается в том, что лишь доля сцинтилляционного света, возникающего внутри экрана, передана от экрана в рабочий объем. Остальной сцинтилляционный свет потерян в веществе экрана. Сцинтилляционные экраны 103 разработаны так, чтобы максимизировать долю излучаемого света, что эквивалентно обеспечению большого значения коэффициента Т пропускания на поверхности раздела между экраном 103 и средой (обычно воздухом), заполняющей объем датчика. Однако, в обычном датчике обратного рассеяния той разновидности, что изображена на фиг. 1А и 1В, сцинтилляционные экраны 103 должны также быть выполнены в виде хороших отражателей, поскольку сцинтилляционный свет, однажды испущенный в объем коробки 102, обычно испытывает многократные отражения до попадания на фотодатчик 105. Итак, значение коэффициента R отражения от поверхности экрана также должно быть большим, однако, поскольку сумма коэффициентов Т и R равна единице, величины Т и R не могут быть максимизированы одновременно и должен быть найден компромисс. В результате коэффициент использования потока света для обычного датчика обратного рассеяния в сущности низок, причем лишь несколько процентов выработанного сцинтилляционного света попадает в фото датчики.

[0007] Для формирующего изображение датчика фотонный статистический шум вычислен с точки зрения фотонов, поглощенных датчиком и использованных для генерирования изображения. Любые фотоны, проходящие через датчик без поглощения, или даже фотоны, поглощенные без генерирования информации об изображении, потрачены без пользы и не способствуют уменьшению шума в изображении. Поскольку фотоны не могут быть разделены на части, они представляют собой фундаментальный квантовый уровень системы. Статистический шум обычно рассчитывают с точки зрения наименьшего количества квантов, используемых для представления изображения в любом месте вдоль отображающей цепи. Точку вдоль отображающей цепи, где наименьшее количество квантов использовано для представления изображения, называют «квантовым стоком». Уровень шума в квантовом стоке определяет шумовой предел отображающей системы. Без увеличения количества носителей информации (то есть, квантов) в квантовом стоке шумовой предел системы не может быть улучшен. Плохая степень сбора света может создавать второй квантовый сток, который будет уменьшать долю падающего рентгеновского излучения, приводящего к возникновению тока фотоумножителя. Кроме того, это увеличивает шум изображения. Эффективность сбора света может быть улучшена посредством увеличения размера чувствительной области фотодатчиков, однако, этот путь увеличения эффективности дорогостоящий.

[0008] Структура сцинтилляционного экрана, обычно используемого в сцинтилляционных датчиках рентгеновского излучения известного уровня техники, теперь пояснена ниже со ссылками на фиг. 2. Слой композитного сцинтиллятора 202 зажат между задней пластиной 204, обеспечивающей структурную поддержку, и тонкой прозрачной защитной пленкой 206 из, например, полиэстера. Композитный сцинтиллятор содержит неорганические кристаллы обычно микронного размера в органической матрице или смоле. Эти кристаллы представляют собой фактический сцинтилляционный материал. Фторозамещенный хлорид бария (BaFCl, или «BFC») или оксисульфид гадолиния (Gd₂O₂S, или «Gadox»), легированные редкоземельными элементами, представляют собой обычный выбор для таких кристаллов. Тормозная способность экрана определена толщиной слоя 202 композитного сцинтиллятора, который обычно определяют в миллиграммах кристалла сцинтиллятора на единицу площади. Поскольку неорганические сцинтилляторы (такие как BFC или Gadox) подвержены высокому самопоглощению, слой композитного сцинтиллятора должен быть выдержан довольно тонким, чтобы извлекать значительную долю сцинтилляционного света. Это ограничивает полезную тормозную способность экрана и делает его подходящим только для регистрации рентгеновского излучения с энергиями примерно до 100 кэВ.

[0009] Следовательно, было бы полезным иметь сцинтилляционный датчик для приложений, использующих регистрацию рассеянного рентгеновского излучения, который обеспечивает возможность более эффективного извлечения, сбора и регистрации сцинтилляционного света.

[0010] Как кратко обсуждено выше в начале описания, волокна со сдвигом длин волн долго использовались для регистрации сцинтилляции. Волокна со сдвигом длин волн содержат ядро с относительно высоким показателем преломления, окруженное одним слоем оболочки или большим количеством таких слоев с более низким показателем преломления. Ядро содержит материал со сдвигом длин волн, также называемый красителем. Сцинтилляционный свет, входящий в волокно, поглощен красителем, который, в свою очередь, излучает свет с большей длиной волны. Свет с большей длиной волны оказывается испущен изотропно в веществе волокна. Полное внутреннее отражение захватывает долю этого света и переносит его на большие расстояния со сравнительно малыми потерями. Это возможно, как описано ниже со ссылками на фиг. 3, поскольку диапазоны длин волн поглощения 304 и излучения 302 красителя по-существу не наложены друг на друга, так что не происходит повторное поглощение света со сдвинутой длиной волны. Захваченная доля определена отношением показателей преломления на поверхностях волокна. Дополнительное преимущество волокон со сдвигом длин волн состоит в том, что сдвиг длины волны способен переместить сцинтилляционный свет 306 в чувствительный диапазон длин волн фотодатчика (фотоэлектронного умножителя, кремниевого фотоэлектронного умножителя или счетчика фотонов с несколькими пикселями или иного типа фотодатчика).

[0011] Структуры сцинтиллятора были выполнены посредством использования многих производственных технологий, включая, например, литье под давлением, инжекционное формование (как описано в статье Yoshimura и др., Пластиковый сцинтиллятор, выполненный методикой инжекционного формования, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, vol. 406, pp. 435-41 (1998)) и экструзию (как описано в Патенте США №7067079 (Bross и др.)), причем оба этих источника включены в настоящую заявку посредством ссылки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] В соответствии с различными вариантами реализации настоящего изобретения предложены системы и способы, использующие волоконные сцинтилляционные датчики для решения проблем при рентгеновском обследовании, основанном на регистрации обратного рассеяния и пропускания.

[0013] Для удобства обозначений волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн может быть назван в настоящей заявке как датчик «Sc-WSF».

[0014] В первом варианте реализации настоящего изобретения предложен датчик проникающего излучения, содержащий не разбитый на пиксели объем сцинтилляционной среды для преобразования энергии падающего проникающего излучения в сцинтилляционный свет. Датчик содержит множество оптических волноводов, ориентированных по существу параллельно друг другу в области извлечения сцинтилляционного света, примыкающей к не разбитому на пиксели объему сцинтилляционной среды. Эти оптические волноводы направляют свет, извлеченный из сцинтилляционного света, к фотодатчику для регистрации фотонов, направленных волноводами, и для генерирования сигнала датчика.

[0015] В других вариантах реализации настоящего изобретения датчик может также содержать интегрирующую схему для интегрирования сигнала датчика по конкретному периоду времени.

[0016] В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения предложен датчик проникающего излучения, содержащий объем сцинтилляционной среды для преобразования энергии падающего проникающего излучения в сцинтилляционный свет и множество оптических волноводов, выровненных по существу параллельно друг другу в области извлечения сцинтилляционного света, примыкающей к объему сцинтилляционной среды. Оптические волноводы направляют свет, извлеченный из сцинтилляционного света, к фотодатчику, генерирующему сигнал датчика. В итоге, интегрирующая схема интегрирует сигнала датчика по конкретному периоду времени.

[0017] В дополнительных вариантах реализации настоящего изобретения оптические волноводы в вышеописанных датчиках могут быть выполнены с возможностью сдвига длины волны сцинтилляционного света и, в частности, могут представлять собой оптические волокна со сдвигом длин волн. Сцинтилляционная среда может представлять собой легированный лантаном смешанный галид бария, такой как, например, фторхлорид бария. Фотодатчик может содержать фотоэлектронный умножитель.

[0018] В дополнительных вариантах реализации настоящего изобретения квадрат толщины любого из вышеописанных датчиков, разделенный на площадь датчика, может быть меньше, чем 0,001. По меньшей мере один волновод из множества волноводов может не содержать оболочку, а сцинтилляционная среда может быть характеризована показателем преломления, значение которого меньше значения показателя преломления, характеризующего волновод. Оптические волноводы могут быть размещены во множестве параллельных плоскостей, каждая из которых содержит подсовокупность из множества оптических волноводов.

[0019] В других вариантах реализации настоящего изобретения датчик может содержать множество слоев сцинтилляционной среды, на которые последовательно попадает падающий луч, причем эти слои могут быть охарактеризованы различными спектральными чувствительностями к падающему лучу. Чередующиеся слои сцинтиллятора могут содержать слои Li⁶F:ZnS(Аг), чередующиеся с волоконным BaFCl(Eu) и/или с волоконным BaFI(Eu). Первый слой из множества слоев сцинтилляционной среды может представлять собой волоконный датчик со сдвигом длин волн, предпочтительно чувствительный к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению, а последний слой из указанного множества слоев сцинтилляционной среды может представлять собой пластиковый сцинтиллятор.

[0020] Сегменты сцинтилляционной среды могут быть размещены в плоскости, перпендикулярной направлению распространения падающего луча, и могут быть по отдельности соединены с фотодатчиком посредством оптических волокон.

[0021] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления сцинтилляционного датчика, включающий экструдирование сцинтилляционного материала вокруг оптического волновода, а в конкретном варианте реализации настоящего изобретения оптический волновод представляет собой оптическое волокно со сдвигом длин волн.

[0022] В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения способ регистрации рассеянного рентгеновского излучения, включает следующие этапы:

a. обеспечение наличия датчика, содержащего множество отдельно считываемых сегментов, и

b. суммирование сигнала из подсовокупности отдельно считываемых сегментов, которая выбрана на основе соотношения сигнал-шум.

[0023] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ регистрации рассеянного рентгеновского излучения. Этот способ включает следующие операции:

a. обеспечение наличия датчика, содержащего множество отдельно считываемых сегментов, и

b. суммирование сигнала из подсовокупности отдельно считываемых сегментов, которая выбрана на основе известного положения первоначального освещающего луча.

[0024] В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, предложена мобильная рентгеновская система обследования. Система обследования содержит источник рентгеновского излучения, размещенный на транспортном средстве, содержащем платформу и контактирующие с землей элементы, и волоконный сцинтилляционный датчик, развернутый за пределами транспортного средства во время операции обследования для регистрации рентгеновского излучения, находящегося во взаимодействии с обследуемым объектом.

[0025] Мобильная рентгеновская система обследования может также содержать волоконный сцинтилляционный навесной датчик, развернутый над обследуемым объектом во время обследования, причем этот навесной датчик может выдвигаться из крыши транспортного средства до операции обследования. Также могут быть выполнены юбочный датчик, развернутый под платформой транспортного средства, и расположенный на крыше датчик для определения пространства над транспортным средством, а также по существу горизонтальные и по существу вертикальные сегменты волоконного сцинтилляционного датчика. По существу горизонтальные и по существу вертикальные сегменты волоконного сцинтилляционного датчика могут быть выполнены в виде цельной конструкции.

[0026] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложено устройство для регистрации излучения, падающего на устройство, содержащее:

а. множество по существу параллельных активных коллимационных лопаток, содержащих волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн, чувствительные к излучению, для генерирования по меньшей мере первого сигнала регистрации,

b. задний датчик большой площади, выполненный с возможностью регистрации излучения, проходящего между по существу параллельными активными коллимационными лопатками из указанного множества активных коллимационных лопаток, и с возможностью генерирования второго сигнала регистрации, и

c. процессор, выполненный с возможностью приема и обработки первого и второго сигналов регистрации.

[0027] В соответствии с альтернативным вариантом реализации настоящего изобретения, предложена система обследования с отображением сверху вниз для обследования объекта, размещенного на нижележащей поверхности. Система обследования с отображением сверху вниз содержит источник по существу направленного вниз рентгеновского излучения и линейный массив датчиков, размещенный внутри выступа над нижележащей поверхностью. Линейный массив датчиков может содержать волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн.

[0028] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложена рентгеновская система обследования для обследования нижней стороны транспортного средства. Рентгеновская система обследования содержит источник по существу направленного вверх рентгеновского излучения, прикрепленный к шасси, и волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн, размещенный на шасси для регистрации рентгеновского излучения, рассеянного транспортным средством и объектами, скрытыми под этим транспортным средством или внутри его. Шасси могут быть выполнены с возможностью их маневрирования под транспортным средством посредством устройства управления двигателем и/или устройства ручного управления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0029] Вышеуказанные особенности настоящего изобретения будут более понятны при прочтении последующего подробного описания изобретения, рассматриваемого со ссылками на сопутствующие фигуры, на которых:

[0030] На фиг. 1А и 1В показаны соответственно боковое и переднее сечения датчика сцинтилляции «коробчатого типа» в соответствии с известным уровнем техники.

[0031] На фиг. 2 схематически показан экран сцинтиллятора в соответствии с известным уровнем техники.

[0032] На фиг. 3 показаны спектральные зависимости для сцинтилляционного света и обычные спектры поглощения и излучения для волокна со сдвигом длин волн.

[0033] На фиг. 4 схематически показан перспективный вид массива волокон со сдвигом длин волн, зажатых между слоями сцинтилляционного материала, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0034] На фиг. 5 схематически показано сечение массива волокон со сдвигом длин волн, внедренных в матрицу сцинтилляционного материала, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0035] На фиг. 6А показан перспективный вид цилиндрического сцинтиллятора, выполненного экструзией вокруг волокна со сдвигом длин волн, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0036] На фиг. 6В схематически показана система, предназначенная для экструзии цилиндрического сцинтиллятора вокруг волокна со сдвигом длин волн, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0037] На фиг. 6С показано поперечное сечение экструдера для совместной экструзии цилиндрического сцинтиллятора с волокнами со сдвигом длин волн (WSF), в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0038] На фиг. 7 схематически показано поперечное сечение сцинтилляционного датчика со множеством рядов волокон со сдвигом длин волн, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0039] На фиг. 8 показан вид сверху волоконного сцинтилляционного датчика со сдвигом длин воли в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0040] На фиг. 9 показаны расположенный на крыше датчик обратного рассеяния и юбочный датчик обратного рассеивания, уложенные в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, а на фиг. 10 те же самые датчики развернуты в ходе операций обследования.

[0041] На фиг. 11 показан навеной датчик и юбочный датчик, предназначенные для использования с системой обследования, основанной на обратном рассеянии в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.

[0042] На фиг. 12 схематически показан поперечный разрез стека слоев сцинтиллятора, предназначенного для использования в качестве датчика пропускания высокоэнергетического рентгеновского излучения, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0043] На фиг. 13А и 13В показан слоистый датчик пропускания, размещенный внутри искусственной неровности на проезжей части высотой 2 дюйма, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, а на фиг. 13С показан поперечный разрез узла датчика, вставленного в структуру искусственной неровности.

[0044] На фиг. 14А показан перспективный вид сегментированного датчика пропускания рентгеновского излучения, предназначенного для измерения распределения измеренной интенсивности вдоль ширины луча рентгеновского излучения, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, а на фиг. 14В и 14С показаны лобовое поперечное сечение датчика по фиг. 14А и обычный профиль луча для этого датчика.

[0045] На фиг. 15 показано поперечное сечение сцинтилляционного датчика с мультиэнергетическим разрешением, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0046] На фиг. 16 показан многослойный сцинтилляционный датчик для регистрации рентгеновского излучения и тепловых нейтронов, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0047] На фиг. 17 показан перспективный вид датчика с активными коллиматорами.

[0048] На фиг. 18А и 18В показаны перспективный вид и поперечное сечение датчика с волокнами со сдвигом длин волн (WSF), используемого в качестве активного коллиматора в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, а на фиг. 18С и 18D показано расположение с независимыми устройствами индикации, отделенными светонепроницаемым поглотителем рентгеновского излучения, для выделения излучения, попадающего на каждую поверхность, в соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения.

[0049] На фиг. 19А и 19В показано множество датчиков, раскладывающихся из ручного сканера, в сложенном и развернутом состояниях, соответственно, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0050] На фиг. 20А и 20В показан блок обратного рассеяния, который, при использовании волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин воли в соответствии с настоящим изобретением, способен скользить под транспортным средством для проведения обследования под шасси.

[0051] На фиг. 21А и 21В показано использование прямоугольной комбинации датчиков, основанных на технологии волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн, вместе с мобильной системой обследования и в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0052] В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения оптическое связывание сцинтилляционных материалов с оптическими волноводами и, в частности, с волокнами со сдвигом длин волн, эффективно содействует целям изобретения, включая относящиеся к требованиям регистрации рассеянного рентгеновского излучения.

Определения:

[0053] Термин «изображение» должен относиться к любому одномерному или многомерному представлению, выполненному в осязаемой или иначе воспринимаемой форме, или иначе, при условии, что значение некоторой характеристики (например, доли интенсивности излучения, прошедшего через колонку обследуемого объекта, облучаемого падающим лучом, в случае отображения при пропускании рентгеновского излучения) связано с каждым местоположением из множества местоположений (или векторов в Евклидовом пространстве, обычно R²), соответствующим размерным координатам объекта в физическом пространстве, хотя не обязательно при соблюдении взаимнооднозначного соответствия между ними. Изображение может представлять собой массив чисел в машинной памяти или в голографической среде. Аналогично, «отображение» относится к визуализации определенной физической характеристики в виде одного изображения или большего количества изображений.

[0054] Термины пространственных отношений, такие как «выше», «ниже», «верхний», «нижний» и т.п., могут быть использованы здесь для простоты описания взаимосвязи одного элемента с другим, как показано на фигурах. Совершенно понятно, что такие термины пространственных отношений предназначены для описания различных ориентации устройства при использовании или работе в дополнение к ориентации, описанной и/или изображенной на фигурах.

[0055] При описании элемента, как размещенного «на» другом элементе, «присоединенного к» другому элементу или «соединенного с» другим элементом, он может быть непосредственно размещен на другом элементе, присоединен к другому элементу или соединен с другим элементом или, в качестве альтернативы, могут иметь место один промежуточный элемент или большее количество таких элементов, если не указано иначе.

[0056] Использованная здесь терминология предназначена для описания конкретных вариантов реализации настоящего изобретения и не предназначена для ограничения. Формы единственного числа предназначены также для включения форм множественного числа. Волоконные датчики со сдвигом длин волн.

[0057] Обратимся сначала к показанному на фиг. 4 одному варианту реализации настоящего изобретения, в котором слой размещенных близко друг к другу параллельных волокон 400 со сдвигом длин волн зажат между двумя слоями 403 композитного сцинтилляционного экрана. Предпочтительный материал для сцинтиллятора представляет собой легированный европием фторхлорид бария (BaFCl:Eu), хотя другие сцинтилляторы, такие как BaFI:Eu, или другие легированные лантанидами смешанные галиды бария (включая, в качестве дальнейшего примера, BaBrI:Eu и BaCsI:Eu) могут быть использованы в рамках настоящего изобретения. Поскольку сцинтилляционные материалы, используемые для регистрации рентгеновского излучения, обычно проявляют очень сильное самопоглощение сцинтилляционных фотонов, примеры реализации в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают возможность использования необычно больших объемов сцинтиллятора 403 при все же эффективной выдаче сигнала сцинтилляции.

[0058] Одно преимущество при использовании композитного сцинтилляционного экрана в настоящей заявке состоит в том, что он обеспечивает возможность изготовления волоконного сцинтилляционного датчика путем экструдирования.

[0059] Композитный сцинтиллятор 403 структурно поддержан внешними слоями 404 из пластмассы, или другого материала, оказывающего механическую поддержку. Оптический контакт между оболочкой волокна 401 и композитным сцинтиллятором 403 установлен посредством заполнения пустот материалом 405, предназначенным для согласования показателей преломления и имеющим подходящий показателем преломления, причем этот материал прозрачен для сцинтилляционного света. Показатель преломления заполняющего материала выбран так, чтобы оптимизировать сбор первоначальных фотонов света в оптическое волокно со сдвигом длин волн (WSF) и захват фотонов со сдвинутой длиной волны в волокне. Заполняющий материал 405 может быть, например, оптической смазкой или оптической эпоксидной смолой, хотя любой материал попадает в объем настоящего изобретения.

[0060] После падения фотонов рентгеновского излучения сцинтилляционный свет, излучаемый сцинтиллятором 403, попадает через оболочку 401 в ядро 407 соответствующих волокон, претерпевает уменьшение частоты (то есть, сдвиг в красную сторону) и распространяется к одному фотодатчику 805 или к большему количеству фотодатчиков (показанных на фиг. 8, например). Происходит преобразование света от ядер 407 волокон в ток посредством фотодатчика 805 и интегрирование величины тока по интервалу времени, обычно в диапазоне от 1 до 12 мкс для получения мощности сигнала для каждого пикселя. Интегрирование сигнала датчика может быть выполнено интегрирующей схемой (не показана), например интегрирующим предусилителем.

[0061] На фиг. 5 показаны волокна 400 со сдвигом длин волн, внедренные в матрицу сцинтилляционного экрана 503. Внедрение волокон со сдвигом длин волн в сцинтилляционную среду создает лучший оптический контакт.

[0062] В еще одном варианте реализации настоящего изобретения, описанном здесь со ссылками на фиг. 6А, использован композитный сцинтилляционный материал 603 в виде покрытия или оболочки вокруг волокна со сдвигом длин волн 601 с ядром 602. Данная заявка пригодна для последовательности операций изготовления типа экструзии и обеспечивает возможность наиболее эффективного использования дорогостоящего сцинтилляционного материала 603. Сцинтилляционный материал 603 уплотнен посредством защитного слоя 604, который также действует в качестве отражателя сцинтилляционного света. В рамках объема настоящего изобретения оболочка может отсутствовать при более низком показателе преломления сцинтиллятора по сравнению с волокном и наличии необходимых гладкости и надежности связи между сцинтиллятором и волокном.

[0063] Полимерное оптическое волокно со сдвигом длин волн может быть выполнено в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, теперь описанного со ссылками на схему системы, схематически показанную на фиг. 6В. Источники полимерного расплава 606 для волокна со сдвигом длин волн, полимерного расплава 608 для оболочки с низким показателем преломления и оптически прозрачного полимерного расплава 610 с внедренным фосфором поданы (все под давлением) в матрицу совместной экструзии 612 в зоне экструзии 614 и подвержены совместной экструзии. Сухой газ 611, такой, например, как сухой воздух или азот, распылен на экструдированное волокно для его охлаждения. Полимерный расплав с отражающим свет пигментом (таким, например, как TiO₂) 616 подан под давлением в экструзионную головку 618 для создания светоотражающей рубашки над покрытым сцинтиллятором волокном 613 со сдвигом длин волн. Полученное в результате покрытое сцинтиллятором волокно 620 со вдвигом длин волн намотано для хранения на бобину 622. На фиг. 6С показано сечение системы совместной экструзии, предназначенной для использования в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения для изготовления покрытого сцинтиллятором волокна со сдвигом длин волн. Полимерный расплав 606 волокна со сдвигом длин воли введи вместе с расплавом 608 полимера для выработки оболочки с низким показателя преломления и оптически прозрачного полимерного расплава 610 с внедренным фосфором в матрицу 612 совместной экструзии. Полимерный расплав со светоотражающим пигментом 616 подан под давлением в экструзионную головку 618. Выполненное волокно содержит ядро 602 волокна со сдвигом длин волн, оболочку 601 с низким показателем преломления, оболочку 603 с введенным сцинтиллятором и отражающую оболочку 604.

[0064] Во всех вариантах реализации сцинтилляционного датчика в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно, чтобы толщина сцинтилляционного материала быть оптимизирована относительно энергии излучения, подлежащего регистрации. Конструкция должна гарантировать сбор достаточного количества света для предотвращения вторичного квантового стока. В частности, описанные здесь варианты реализации настоящего изобретения предлагают датчики экстраординарной тонкости по сравнению с их площадью.

[0065] Определения: Для целей настоящего описания и в любых прилагаемых пунктах формулы изобретения термин «толщина» в применении к сцинтилляционному датчику должен отражать среднюю протяженность датчика в направлении вдоль (или параллельно к) центроида поля зрения датчика. Термин «площадь» в применении к датчику, или, эквивалентно, термин «активная площадь» должны иметь отношение к размеру датчика, измеренного в плоскости, перпендикулярной к центроиде всех волновых векторов излучения внутри поля зрения датчика.

[0066] Варианты реализации настоящего изобретения, даже при наличии 8 слоев волокон со сдвигом длин волн, обладают значением отношения квадрата толщины датчика к активной площади датчика, не превышающим 0,001. Например, датчик с 8 слоями и площадью 48 дюймов × 12 дюймов обладает толщиной, не превышающей 0,5 дюйма, так что отношение квадрата толщины к площади датчика составляет 0,0005. Это отношение «квадрата толщины к площади» обычно того же порядка величины или, более того, меньше сопоставимого отношения для датчиков обратного рассеяния при непосредственной регистрации света сцинтиллятора фотодатчиком.

[0067] В соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения, показанным на фиг. 7, полезная тормозная способность датчика может быть увеличена посредством комбинирования множественных слоев 701, 702 из волокна со сдвигом длин волн 400 (или других оптических волноводов), что увеличивает глубину сцинтилляционного материала 403 вдоль пути распространения падающего излучения.

[0068] Вариант реализации сцинтилляционного датчика со сдвигом длины волны в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг. 8. Волокна 801 со сдвигом длин волн внедрены в сцинтилляционный материал 803, связывая свет и сдвигая его вниз по частоте для регистрации трубками 805 фотоэлектронных умножителей.

[0069] В соответствии с описанными выше различными вариантами реализации настоящего изобретения концы волокон со сдвигом длин волн оптически связаны с по меньшей мере одним фотодатчиком. Примеры подходящих фотодатчиков включают фотоумножители и кремниевые фотоумножители.

[0070] Преимущества датчика, описанного в настоящем изобретении, включают эффективность регистрации и низкий геометрический профиль при реализации. Это обеспечивает возможность большей свободы при проектировании системы регистрации и делает возможными совершенно новые в отношении пространственных ограничений приложения. Механическая гибкость структуры датчика обеспечивает возможность формирования поверхности датчика, соответствующей приложению, например, реализации, в которой рассматриваемый объект окружен объемом датчика. Низкий профиль также делает относительно легким ориентирование и экранировку области датчика способами, минимизирующими регистрацию нежелательного обратно рассеянного излучения (перекрестная связь) от соседней системы рентгенографии.

[0071] Извлечение сцинтилляционного света из большой области сцинтиллятора обеспечивает возможность датчикам обладать большим отношением ширины к глубине. В частности, датчики, стягивающие телесные углы в 0,1 стерадиан или больше, возможны как варианты реализации настоящего изобретения.

[0072] В обычной системе рентгенографии обратного рассеяния узкий луч рентгеновского излучения сканирует изображаемый объект при линейном перемещении, а удлиненные датчики излучения размещены с обеих сторон выходного отверстия источника рентгеновского излучения. При перемещении узкого луча область датчика, ближайшая к лучу, обычно принимает самый сильный сигнал, а область датчика, отстоящая дальше от луча, принимает более слабый сигнал. При сегментации площади датчика на отдельные считываемые секции, соотношение сигнал-шум системы регистрации может быть улучшено посредством чтения только сегментов с хорошим соотношением сигнал-шум и пренебрежения сегментами, которые преимущественно внесли бы шум в суммарный сигнал. Выбор дающих вклад сегментов датчика может быть выполнен на основании фактически регистрируемого сигнала или быть основан на известном положении узкого луча.

Преимущества изготовления сцинтиллятора посредством экструзии

[0073] Экструзия, или последовательность операций «автоматизированного нанесения оболочки», описанная выше со ссылками на фиг. 6А-6С, резко контрастирует с обычными способами нанесения поликристаллического сцинтилляционного материала, такого как BaFCl(Eu), на плоской поддержке. Способ экструзии при изготовлении отдельных волокон со сдвигом длин волн, покрытых, как описано выше, однородным слоем сцинтиллятора, образует волокна, которые могут быть оконтурены так, чтобы ограничение на форму датчика с волокном со сдвигом длин волн в основном было определено требованием полного захвата в волокне посредством полного внутреннего отражения. Концепция равномерно покрытых волокон связи дает большую свободу при проектировании датчиков обратного рассеяния, особенно ручных и установленных на роботе датчиков, где очень важно свободное пространство.

Развертываемые датчики для увеличения геометрической эффективности рассеянного рентгеновского излучения

[0074] Некоторые мобильные рентгеновские системы, такие, например, как описаны в Патентах США №5764683 (Swift и др.) и №7099434 (Chalmers и др.), оба из которых включены в настоящую заявку посредством ссылки, используют способ рассеянного назад рентгеновского излучения для обследования легковых автомобилей и грузовиков с одной стороны. В первом из двух патентов использованы датчики, развернутые за пределами транспортного средства во время работы, тогда как во втором использована область датчика, полностью содержащаяся в пределах оболочки, а именно, оболочки транспортного средства. В обеих патентах использованы датчики большой площади для максимизации эффективности регистрации рассеянного рентгеновского излучения. Площадное покрытие датчика обратного рассеяния в случае изделия, выполненного в соответствии с положениями Патента №7099434 (Chalmers и др.), составляет величину порядка 20 квадратных футов внутренней поверхности оболочки, обращенной к объекту. Эта скрытая поверхность датчика обладает относительно плохой геометрической эффективностью при сборе излучения, рассеянного от высоких или низких объектов. По существу, глубокий геометрический профиль таких датчиков, необходимый для непосредственного захвата сцинтилляционного света фотоэлектронными умножителями, не подходит для развертывания за пределами фургона.

[0075] Определения: При использовании здесь и в любых приложенных пунктах формулы изобретения термин «датчик большой площади» должен относиться к любому одиночному датчику, или к любому модулю датчика, стягивающему угол раскрытия, составляющий по меньшей мере 30° в каждом направлении из двух ортогональных поперечных направлений, рассматриваемых из точки на объекте, подвергаемом обследованию, или что эквивалентно, характеризующимся телесным углом, по меньшей мере составляющим л стерадиан.

[0076] «Транспортное средство» должно быть любым устройством, характеризующимся платформой, опираемой на контактирующие с землей элементы, такие как колеса, гусеничные ленты, протекторы, полозья и т.д., используемой для транспортировки оборудования из одного места в другое.

[0077] В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн делает практичным незаметное хранение датчиков большой площади, которые могут быть быстро развернуты за пределами фургона в определенных положениях, что по существу увеличивает эффективность регистрации.

[0078] Обратимся теперь к фиг. 9, на которой волоконный сцинтилляционный навесной датчик 1101 со сдвигом длин волн большой площади показан в убранном положении на крыше фургона 1103 обследования на основе обратного рассеяния, а тонкий юбочный датчик 1105 показан в убранном положении выше колеса фургона обследования на основе обратного рассеяния. На фиг. 10 расположенный на крыше датчик и юбочный датчик показаны развернутыми с целью увеличения телесного угла для регистрации объектов, размещенных высоко и низко, соответственно; навесной датчик развернут над обследуемым объектом в ходе обследования, а юбочный датчик развернут по меньшей мере частично под платформой транспортного средства. В другом варианте реализации настоящего изобретения, поясненном ниже со ссылками на фиг. 11, навесной датчик 1301 может быть развернут для регистрации низко расположенных закрытых объектов, например, для обнаружения контрабанды в багажнике или на противоположной стороне автомобиля 1303. Навесной датчик 1301 может быть выдвинут из крыши транспортного средства до операции обследования. На фиг. 11 также показано развертывание волоконных сцинтилляционных юбочных датчиков 1105 со сдвигом длин волн, используемых для эффективной проверки шин, ниш колес и внутреннего объема закрытых транспортных средств. Датчики для двух значений энергии и датчики для многих значений энергии для регистрации посредством пропускания узких лучей сканирующего рентгеновского излучения.

[0079] Сканирующие узкие лучи рентгеновского излучения не только выявляют внутренние объекты, анализируя рассеянное назад излучение, но и в некоторых приложениях могут давать дополнительную информацию посредством одновременного анализа пропущенного излучения и рассеянного вперед излучения. Датчики пропущенного излучения и рассеянного вперед излучения не обязательно должны быть сегментированными, поскольку площадь поперечного сечения узкого луча, вместе со временем интегрирования сигнала, определяют размер пикселя. Более того, необходимо, чтобы датчики пропущенного излучения и рассеянного вперед излучения были только датчиками полной энергии, поскольку в большинстве приложений поток пропущенного или рассеянного вперед рентгеновского излучения слишком велик для счета импульсов. Сцинтилляционные экраны представляют собой обычные датчики для таких приложений со сканирующим лучом. По существу, волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн расширяют диапазон применения существующих сцинтилляционных датчиков пропущенного и рассеянного вперед излучения, что будет ясно из последующих примеров.

Пропущенное излучение для рентгеновских лучей с энергией до по меньшей мере 250 кэВ.

[0080] Поглотительная эффективность обычных сцинтилляционных экранов, выполненных, например, из BaFCl(Eu) или Gadox, падает ниже 50% для энергий рентгеновского излучения выше примерно 80 кэВ. Эффективность в 50% для двухслойного датчика достигнута примерно при 100 кэВ. В отличие от этого волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн может быть выполнен более чем с двумя слоями сцинтилляторов без, по существу, увеличения профиля датчика. Рентабельный волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн с 4 слоями может быть использован для регистрации пропущенного излучения для сканирующих лучей рентгеновского излучения, выработанных обычной рентгеновской трубкой с энергией 140 кэВ. Многослойный датчик, например, датчик с 9 слоями, показанный на фиг. 12 и обозначенный там в целом позиционным обозначением 1400, может быть весьма эффективным для регистрации рентгеновского излучения 1402, излучаемого обычными рентгеновскими трубками с энергией 225 кэВ (не показаны), например, трубками, используемыми при рентгеновском обследовании транспортных средств посредством проходной арки. Показаны слои 1404 сцинтилляционного материала и волокна 1406 со сдвигом длин волн, присоединенные к фотодатчикам 1408.

Транспортируемый датчик пропущенного излучения для устройства отображения сверху вниз при обследовании посредством трехсторонней проходной арки.

[0081] Тонкий профиль многослойного датчика пропущенного излучения делает практичным использование датчика пропущенного излучения, размещенного на уровне дороги. На фиг. 13А и 13В показан такой датчик высотой 2 дюйма, размещенный внутри искусственной неровности 1131 на проезжей части, достаточно прочный, чтобы выдержать вес полностью нагруженного автотягача с прицепом, и не требующий никаких земляных работ для развертывания. Источник 1132 проникающего излучения излучает веерный луч 1134, падающий на линейный узел 1135 датчика, размещенный внутри рамы 1136 искусственной неровности 1131 или аналогичного выступа над нижележащей поверхностью. Узел 1135 датчика содержит сегменты сцинтилляционного материала 1137, разделенные лопатками 1138 из материала с высоким атомным номером. Как описано выше, например со ссылками на фиг. 4, сцинтилляционный свет связан с фотодатчиками посредством оптических волокон 1139 со сдвигом длин волн.

Сегментированный датчик пропущенного излучения, предназначенный для определения профиля интенсивности сканирующего луча.

[0082] Обратимся теперь к фиг. 14А и 14В, на которых показан сегментированный датчик пропущенного излучения, обозначенный в целом позиционным обозначением 1141 и предназначенный для измерения профиля интенсивности сканирующего луча падающего рентгеновского излучения 1143. Ориентация волоконного сцинтилляционного датчика 1141 со сдвигом длин волн (используемого при измерении пропущенного излучения) относительно плоскости узкого сканирующего луча представляет собой значительную проблему при развертывании датчика пропущенного излучения в рамках мобильной системы обеспечения безопасности. На фиг. 14В показано поперечное сечение вертикального волоконного сцинтилляционного датчика 1141 со сдвигом длин волн (иначе упомянутого здесь, когда это целесообразно, как «датчик пропущенного излучения») с независимым считыванием посредством волокон 1145 со сдвигом длин волн, представляющего собой средство для одновременного измерения и интенсивности прошедшего излучения для каждого пикселя и линейного распределения вдоль ширины луча для определения положения ее центроиды. Волокна 1145 разбиты на связки 1147, идущие к отдельным фотодатчикам 1149, таким как фотоумножители. Распределение интенсивности может быть расширено для получения значения интенсивности рассеяния вперед, содержащего полезную информацию относительно рассеивающегося материала, и определяющего значение интенсивности рассеяния внутрь, которое подсчитано как интенсивность пропущенного излучения.

[0083] Относительным положением плоскости датчика и плоскости сканирующего рентгеновского излучения можно управлять автоматически. Датчик для этой концепции схематично показан на фиг. 14А. Отражающая поверхность 1148 может быть выполнена на конце датчика 1141, противоположном к фотодатчикам 1149.

[0084] При наличии одного канала данных для сигнала пропущенного излучения пространственное разрешение вдоль направления распространения (перпендикулярно к веерообразному освещающему лучу рентгеновского излучения) определено равным меньшему из следующих двух размеров: ширина чувствительной области датчика или размер луча вдоль датчика пропущенного излучения. (Для эвристических целей случай недостаточности выборки не рассмотрен в этом описании.) Однако, пространственное разрешение может быть улучшено посредством сужения чувствительной области датчика, как описано ниже со ссылками на фиг. 14С. В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения пространственное разрешение вдоль направления распространения (вдоль линии датчика) увеличено посредством использования множества датчиков из массива 1450 датчиков, связанных с множеством каналов (А, В, С на фиг. 14С) и с перекрытием их чувствительных областей. Шаг картины перекрытия зависит от ширины луча вдоль датчика. В идеале шаг (то есть, расстояние между двумя датчиками 1451 и 1454, связанными с одним каналом) должен быть достаточно большим, чтобы два сегмента датчика одного и того же канала регистрации не получали одновременно прямое излучение от луча. Профиль интенсивности луча отмечен позиционным обозначением 1456. На практике это требование не столь строгое, поскольку приемлема некоторая степень перекрестной связи между пикселями. Множество полученных изображений должно быть соединено при использовании любого способа, включая способы, известные в данной области техники, для создания одного изображения с более высоким разрешением. Следует иметь ввиду, что улучшение пространственного разрешения датчика получено за счет потока и, таким образом, ограничено соображениями, связанными с соотношением сигнал-шум.

[0085] Другая конфигурация в объеме настоящего изобретения содержит комбинацию вертикального датчика 1141, показанного на фиг. 14А, с горизонтальным дорожным датчиком 1135 по фиг. 13В с образованием L-образного датчика, преимущество которого состоит в легкости настройки и ориентации.

[0086] В еще одном варианте реализации настоящего изобретения массив 1450 датчиков пропущенного излучения (независимо от геометрической ориентации - вертикальной, горизонтальной, L-образной и т.д.) сегментирован на множество блоков, таких как В, С и А на фиг. 14С. Как показано, профиль 1456 луча симметричен относительно В и А, так что отношение измеренных интенсивностей равно единице. При изменении симметрии по любой причине это отношение претерпевает резкие изменения. При отклонении ориентации в ходе сканирования вверх и вниз освещающим узким лучом рентгеновского излучения изменение значения отношения В/А отражает как асимметрию, так и боковой сдвиг. Собранные данные могут затем быть исправлены на такой сдвиг для каждой линии. Датчики пропущенного излучения для двух значений энергии и многих значений энергии для идентификации материала

[0087] Отделение сигналов от переднего и заднего слоев сцинтилляторов обеспечивает переднему слою возможность измерения низкоэнергетической компоненты каждого пикселя, а заднему слою возможность измерения высокоэнергетических компонент. Размещение слоя поглощающего материала между передним и задним слоями сцинтиллятора представляет собой обычный способ увеличения разности между низкоэнергетическими и высокоэнергетическими компонентами, причем это легко выполнить при помощи волоконного сцинтилляционного датчика со сдвигом длин волн.

[0088] Волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн делает осуществимым на практике датчик для двух значений энергии, содержащий слой волоконного сцинтилляционного датчика со сдвигом длин волн, такими как волокна BaFCl со сдвигом длин волн, поверх пластмассового сцинтилляционного датчика; BaFCl чувствителен к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению и не чувствителен к высокоэнергетическому рентгеновскому излучению, в то время как пластиковый датчик чувствителен к высокоэнергетическому рентгеновскому излучению и в высшей степени нечувствителен к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению.

[0089] Альтернативное и потенциально более эффективное устройство различения материалов может быть выполнено при использовании более чем двух независимых слоев волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн, с отдельными устройствами индикации для каждого слоя. Пассивный поглотитель, такой как слой меди соответствующей толщины, может быть вставлен после верхнего волоконного сцинтилляционного датчика со сдвигом длин волн для усовершенствования приложения с двумя значениями энергии, как это выполнено с сегментированными датчиками. В качестве альтернативы средний сцинтиллятор может быть использован как активный поглощающий слой. Измерение трех независимых параметров обеспечивает возможность получения значения среднего атомного числа пройденных материалов, а также степени увеличения жесткости луча. Волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн может быть еще более расширен для получения более трех значений энергии для каждого пикселя с предельным значением, определяемым статистическими ошибками, которые возрастают с количеством компонентов. Датчик 1400, показанный на фиг. 12, представляет собой экстремальный пример такого датчика.

[0090] Важное применение датчиков пропущенного излучения для двух значений энергии состоит в использовании их в персональных рентгеновских сканерах в терминалах аэропортов. Выдача изображений в пропущенном излучении одновременно с изображениями обратного рассеяния оказалось полезной для обследования. Добавление функции двойной энергии к изображениям в пропущенном излучении до настоящего времени было непрактичным прежде всего из-за ограничений на размер, налагаемых обычными датчиками. Волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн устраняет эти ограничения и обеспечивает возможность значительного улучшения характеристик, поскольку множество датчиков с различными значениями энергетической чувствительности может быть сложено стопкой, как показано на фиг. 15, где датчик 1500 с двумя значениями энергии или множеством значений энергии содержит волоконный сцинтилляционный датчик 1508 со сдвигом длин волн, чувствительный к низкоэнергетическому компоненту падающего рентгеновского излучения 1501, установленный перед пластиной пластмассового сцинтиллятора 1502, который чувствителен к рентгеновскому излучению с более высокой энергией. Волоконный сцинтилляционный датчик 1508 со сдвигом длин волн содержит сцинтиллятор 1504, считываемый двумя слоями волокон 1506 со сдвигом волны.

Компактный радиационный датчик для гамма-излучения и нейтронного излучения

[0091] Способ использования волоконного сцинтилляционного датчика со сдвигом длин волн делает практически достижимым выполнение маленького, облегченного, недорогого средства слежения за пучками 1601 нейтронов и гамма-частиц. Волокно BaFCl (Eu) со сдвигом длин волн весьма чувствительно к гамма-излучению при нечувствительности к нейтронам, а волокно Li⁶F:ZnS(Аг) со вдвигом длин волн нечувствительно к гамма-излучению и весьма чувствительно при регистрации тепловых нейтронов. На фиг. 16 показан многослойный сэндвич марки «Dagwood», содержащий один слой 1602 из BaFCl (Eu) или большее количество таких слоев, считываемых одним фотодатчиком (не показан) через оптические волокна 1604, и один слой 1606 или большее количество слоев из волокна Li⁶F:ZnS(Аг) со сдвигом длин волн, считываемого вторым независимым фотодатчиком (не показан) с активными элементами толщиной, не превышающей один или два сантиметра. Соответствующий слой замедлителя 1612 нейтронов, например, полиэтилена, может быть размещен с обеих сторон от волокна Li⁶F:ZnS(Аг) со сдвигом длин волн для увеличения эффективности регистрации нейтронов. Оптически отражающая фольга 1608, например, алюминиевая фольга, ограничивает сцинтилляцию в соответствующие области датчика.

[0092] Заявка на патент США №13/163854 (Rothschild) под названием «Датчик с активными коллиматорами», полностью включенная в настоящую заявку посредством ссылки, описывает модуль 30 датчика обратного рассеяния, который увеличивает глубину обследования посредством разделения рассеяния от близкой и далекой областей обследуемых объектов, как показано на фиг. 17. Угол наклона для набора активных лопаток 31 коллимирования или может быть однократно отрегулирован на фабрике, или может быть связан с любым типом электромеханического устройства, предназначенного для их динамической регулировки в зависимости от типа обследуемого объекта и/или расстояния до него. Сцинтилляционный свет от коллимационных лопаток зарегистрирован одним или большим количеством фотодатчиков (например, фотоумножителями 32, размещенными сверху и снизу передней камеры датчика). Задняя камера 36 датчика оптически изолирована от передней камеры 35 отражателем 34 света, а зарегистрированный в задней камере 36 сцинтилляционный свет, возникающий при падении рентгеновского излучения, собран вторым набором из одного фотодатчика или большего количества фотодатчиков (например, фотоумножителей 37, размещенных на задней поверхности датчика). Задняя камера может, например, быть облицована сцинтилляционным фосфорным экраном, или, в других вариантах реализации настоящего изобретения, может содержать пластиковый или жидкий сцинтиллятор.

[0093] Полезное дополнение к обычному блоку обратного рассеяния представляет собой коллиматор в виде «жалюзи», выполненный из сцинтилляционного материала. Планки жалюзи перехватывают излучение, которое не входит непосредственно через промежутки между планками, так что датчики ящичного типа преимущественно регистрируют более глубокие внутренние объекты. Активные коллиматоры регистрируют отклоненное излучение. Свет от активных коллиматоров регистрируют фотоумножителями, эффективность сбора которых быстро падает при уменьшении промежутка между коллиматорами. Замена фотоумножителей и лопаток сцинтиллятора на лопатки, содержащие волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн, устраняет основные недостатки и делает коллиматоры в виде жалюзи осуществимыми на практике. Во-первых, эффективность сбора света не зависит от ширины промежутка между лопатками. Во-вторых, активная область фотоумножителей или кремниевых фотоумножителей, используемая для сбора света от активных коллиматоров, обычно намного меньше активной области необходимых фотоумножителей, так что стоимость фотодатчиков меньше. В-третьих, размещение фотодатчика в конце связок волокон со сдвигом длин волн не критично к эффективности сбора света. В-четвертых, сигналы от волокон со сдвигом длин волн от каждой створки жалюзи могут быть обработаны независимо, что дает значительное пространство для максимизации информации о внутренней части обследуемых объектов. В-пятых, свет от тонких экранов сцинтиллятора на передней и задней части каждой лопатки может быть собрано отдельными волокнами со сдвигом длин волн (WSF), что может значительно улучшить разрешение по глубине.

[0094] На фиг. 18С и 18D показан (в перспективе и в поперечном разрезе, соответственно) активный коллиматор 181 с волокнами со сдвигом длин волн (WSF), чувствительный к рентгеновскому излучению, падающему с любой стороны сцинтиллятора. Сцинтилляционный свет от обеих областей 182 сцинтиллятора связан с фотодатчиками через оптические волокна 183 со сдвигом длины волны. На фиг. 18А и 18В показан (в перспективе и в поперечном разрезе, соответственно) активный коллиматор 185 со волокнами со сдвигом длин волн и независимыми устройствами 187 индикации, отделенными друг от друга светонепроницаемым поглотителем 189 рентгеновского излучения для различения излучения, падающего на каждую поверхность. Например, в одном варианте реализации настоящего изобретения каждый коллиматор 185 может содержать два слоя сцинтилляционных датчиков 182 со волокнами со сдвигом длин волн, каждый из которых имеет поверхностную плотность BaFCl:Eu, составляющую 60 мг на см². Светонепроницаемый поглотитель 189 рентгеновского излучения может содержать тонкий слой олова, который также оказывает структурную поддержку.

Датчики для минисистем обследования, основанных на обратном рассеянии.

[0095] Тонкость волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн обеспечивает уникальные возможности для приложений, в которых особенно важны низкий вес и мощность. На фиг. 19А и 19В показана ручная отражающая система 193, представляющая собой пример такого приложения. На требования к мощности, продолжительности обследования и к качеству изображения воздействует телесный угол регистрации. Традиционный датчик, например, с поперечным сечением 10 см × 10 см (100 см²) весит около половины килограмма. Куб со стороной 10 см из волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн, весящий не больше, чем вдвое больше, может быть выполнен из отдельных волоконных сцинтилляционных датчиков размером 10 см × 10 см со сдвигом длин волн, каждый меньше чем 5 мм толщиной, которые могут быть развернуты, обеспечивая область регистрации обратного рассеяния, составляющую, по меньшей мере 2000 см², то есть, в данном примере имеет место двадцатикратное увеличение. Дополнительная зона регистрации может обеспечивать улучшение на порядок величины для характеристик этой ручной системы.

[0096] Тонкий профиль описанных здесь волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн обеспечивает возможность размещения оконтуренных датчиков в ограниченном пространстве. Например, датчики могут быть предназначены для персональных сканеров, вынужденных вписываться в ограниченные пространства помещений для обследования в аэропорту.

[0097] На фиг. 19А и 19В показан пример, в котором четыре датчика 191 разложены или выдвинуты из ручного сканера 193 для значительного увеличения эффективности регистрации, особенно для предметов, глубже скрытых в обследуемом объекте. Датчики 195 обратного рассеяния широко расставлены вокруг облучающего луча 197. Обследование нижней стороны неподвижных транспортных средств посредством обратного рассеяния.

[0098] Обследование нижней стороны транспортных средств посредством мобильной системы обратного рассеяния рентгеновского излучения представляет особые проблемы. Дорожный зазор автомобилей не превышает 8 дюймов и может составлять всего 6 дюймов. Фиксированные системы обследования, такие как проходные арки, могут размещать датчик в земле, или, как описано выше, могут быть размещены в земле при использовании волоконного сцинтилляционного датчика со сдвигом длин воли. Однако, никогда не разрабатывались мобильные системы обследования автомобиля снизу, которые необходимы для обеспечения безопасности во многих областях. Инспекторы полагаются на пассивные инструментальные средства обследования, такие как зеркала и камеры, которые пропускают контрабанду в газовом баллоне или замаскированную, чтобы казаться безобидной.

[0099] Волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн обеспечивают возможность практического выполнения системы обратного рассеяния рентгеновского излучения, которая не выше 6 дюймов. Далее, со ссылками на фиг. 20А и 20В, показан эскиз практической системы. Источник рентгеновского излучения содержит электромагнитный сканер 221 электронного луча через анод. Электромагнитный сканер 221 управляем модулем 223 электроники. Рентгеновское излучение коллимировано линейным массивом отверстий 225, которое охватывает, например, 30 дюймов нижней стороны за один проход. Волоконные сцинтилляционные датчики 227 со сдвигом длин волн установлены на каждой стороне рентгеновской трубки таким образом, чтобы регистрировать рентгеновское излучение 236, рассеянное назад от транспортного средства 229. Соответствующим образом могут быть установлены средства электропитания, а также устройства обработки импульсов и изображений. Шасси 234 блока 230 обследования на колесах 232 может быть выполнено с возможностью его маневрирования под транспортным средством 229 посредством устройства управления двигателем или устройства ручного управления.

Мобильное обследование на пропускание при использовании сегментов L-образного массива датчиков.

[00100] В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения мобильная система обследования, в целом обозначенная позиционным обозначением 240, теперь описана со ссылками на фиг. 21А и 21В. Источник проникающего излучения (не показанный и описанный здесь, без ограничения, как источник рентгеновского излучения) перевозят внутри мобильного блока 241 обследования, который обычно способен выполнять перемещение посредством собственного источника мощности, хотя он также может быть буксируем или транспортируем иным образом в рамках настоящего изобретения. Луч 242 проникающего излучения испущен мобильным блоком 241 обследования или в виде перемещаемого узкого луча или в виде веерного луча, причем в любом случае он испущен в плоскости, показанной для луча 242 на фиг. 21 А. Обследуемый объект 244, который может быть транспортным средством, как показано, или иным объектом (например, буксируемым грузом), пересекает луч 242 в ходе обследования и во время этого пересечения проходит над цельным L-образным блоком 245 датчиков, как теперь далее описано. Этот блок 245 датчиков содержит, как показано на фиг. 21В, горизонтальный сегмент 246 и вертикальный сегмент 247.

[00101] Каждый сегмент из горизонтального и вертикального сегментов 246 и 247 из L-образного блока 245 датчиков может содержать множество параллельных слоев 249, обеспечивающих разделение зарегистрированного рентгеновского излучения на два или, при более общем подходе, на множество значений энергии, что обеспечивает идентификацию материала, как описано выше со ссылками на фиг. 12. Кроме того, вертикальный сегмент 247 массива датчиков может содержать множество сегментов 248 датчика, размещенных в направлении, перпендикулярном к направлению луча 242, и по существу вдоль направления относительного перемещения между обследуемым объектом 244 и лучом 242, для выполнения индикации асимметрии или бокового сдвига датчиков относительно луча, как описано выше со ссылками на фиг. 14А-14С. Цельный L-образный блок 245 датчиков может быть перемещен в место обследования на борту мобильного блока 241 обследования или на буксируемом или иначе сопровождаемом трейлере 250 и может быть частично собран после развертывания на месте обследования. Вспомогательные средства ориентации, например, установочный лазер 251, могут быть использованы при установлении надлежащего положения и ориентации мобильного блока 245 датчика относительно мобильного блока 241 обследования и луча 242.

[00102] Если представленные здесь примеры включают определенные комбинации операций способа или элементов системы, то совершенно понятно, что эти операции и эти элементы могут быть скомбинированы по другому для достижения тех же самых целей регистрации рентгеновского излучения. Кроме того, особенности одного устройства могут выполнять требования отдельно сформулированных элементов пункта формулы изобретения. Описанные здесь варианты реализации настоящего изобретения приведены лишь для примера; вариации и модификации очевидны для специалистов в данной области техники. Все такие вариации и модификации должны попадать в объем настоящего изобретения, определенный в любых приложенных пунктах формулы изобретения.

Использование: для регистрации рассеянного рентгеновского излучения при контроле объекта посредством рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что не разбитый на пиксели объем сцинтилляционной среды преобразует энергию падающего проникающего излучения в сцинтилляционный свет, извлекаемый из области извлечения сцинтилляционного света посредством множества оптических волноводов, выровненных по существу параллельно друг другу в области извлечения сцинтилляционного света, примыкающей к не разбитому на пиксели объему сцинтилляционной среды, для направления света, извлеченного из сцинтилляционного света, и регистрации фотонов, направленных указанным множеством волноводов, с возможностью генерирования сигнала, характеризующего падающий поток рентгеновского излучения. Технический результат: обеспечение возможности эффективного извлечения, сбора и регистрации сцинтилляционного света. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 34 ил.

1. Датчик рентгеновского излучения, характеризуемый толщиной и площадью и содержащий:

a. первый объем первой сцинтилляционной среды для преобразования энергии падающего рентгеновского излучения в первый сцинтилляционный свет,

b. первое множество оптических волноводов для сдвига длины волны, выровненных по существу параллельно друг другу в первой области извлечения сцинтилляционного света, примыкающей к первому объему первой сцинтилляционной среды, для направления света, извлеченного из сцинтилляционного света, на первой длине волны, большей, чем длина волны первого сцинтилляционного света,

c. второй объем второй сцинтилляционной среды для преобразования энергии падающего рентгеновского излучения, которое прошло через первый объем, во второй сцинтилляционный свет,

d. второе множество оптических волноводов для сдвига длины волны, выровненных по существу параллельно друг другу во второй области извлечения сцинтилляционного света, примыкающей ко второму объему второй сцинтилляционной среды, для направления света, извлеченного из второго сцинтилляционного света, на второй длине волны, большей, чем длина волны второго сцинтилляционного света,

e. первый фотодатчик, выполненный с возможностью обнаружения фотонов с первой длиной волны, направленных указанным первым множеством волноводов, и с возможностью генерирования сигнала первого датчика,

f. второй фотодатчик, выполненный с возможностью обнаружения фотонов со второй большей длиной волны, направленных указанным вторым множеством волноводов, и с возможностью генерирования сигнала второго датчика.

2. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, дополнительно содержащий интегрирующую схему для интегрирования сигнала датчика по конкретному периоду времени.

3. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором сцинтилляционная среда содержит фторхлорид бария.

4. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором фотодатчик содержит фотоэлектронный умножитель.

5. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором размер датчика по меньшей мере в одном направлении поперечного сечения превышает 60,96 см (24 дюйма), а квадрат толщины указанного датчика, разделенный на площадь указанного датчика, составляет менее 0,001.

6. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором по меньшей мере один из указанного множества волноводов не содержит оболочку, а сцинтилляционная среда охарактеризована показателем преломления, значение которого меньше значения показателя преломления, характеризующего указанный волновод.

7. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором указанное множество оптических волноводов размещено во множестве параллельных плоскостей, каждая из которых содержит подсовокупность из указанного множества оптических волноводов.

8. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором последовательность слоев сцинтилляционной среды характеризуется различными спектральными чувствительностями к падающему лучу.

9. Датчик рентгеновского излучения по п. 8, дополнительно содержащий пассивный поглотитель, расположенный между первым объемом первой сцинтилляционной среды и вторым объемом второй сцинтилляционной среды.

10. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором чередующиеся слои сцинтиллятора содержат слои Li⁶F : ZnS (Ag), чередующиеся с волоконным BaFCl(Eu) и/или волоконным BaFI(Eu).

11. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, в котором первый слой из множества слоев сцинтилляционной среды представляет собой волоконный датчик со сдвигом длин волн, предпочтительно чувствительный к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению, а последний слой из указанного множества слоев сцинтилляционной среды представляет собой пластиковый сцинтиллятор.

12. Датчик рентгеновского излучения по п. 1, дополнительно содержащий множество сегментов сцинтилляционной среды, размещенных в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения падающего луча.

13. Датчик рентгеновского излучения по п. 12, в котором указанное множество сегментов сцинтилляционной среды по отдельности соединены с указанными фотодатчиками посредством оптических волокон.

14. Способ изготовления сцинтилляционного датчика, включающий совместное экструдирование оптического волновода и оболочки из сцинтилляционного материала вокруг оптического волновода.

15. Способ по п. 14, в котором оптический волновод представляет собой оптическое волокно со сдвигом длин волн.

16. Способ обнаружения рассеянного рентгеновского излучения, согласно которому:

a. обеспечивают наличие датчика, характеризуемого множеством отдельно считываемых сегментов, и

b. суммируют сигнал из подсовокупности из указанных отдельно считываемых сегментов, которая выбрана на основе известного положения первоначального освещающего луча.

17. Устройство для обнаружения падающего на него излучения, содержащее:

a. множество по существу параллельных активных коллимационных лопаток, каждая из которых содержит две параллельные стороны и которые содержат волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн, чувствительные к рентгеновскому излучению и расположенные на обеих сторонах каждой лопатки, для генерирования по меньшей мере первого сигнала обнаружения,

b. задний датчик большой площади, выполненный с возможностью обнаружения излучения, проходящего между по существу параллельными активными коллимационными лопатками из указанного множества активных коллимационных лопаток, и с возможностью генерирования второго сигнала обнаружения, и

c. процессор, выполненный с возможностью приема и с возможностью обработки первого и второго сигналов обнаружения.

18. Система рентгеновского обследования для обследования нижней стороны обследуемого транспортного средства, причем указанная система содержит:

a. шасси, выполненные с возможностью маневрирования под обследуемым транспортным средством,

b. источник направленного по существу вверх рентгеновского излучения, соединенный с шасси, и

c. волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн, размещенный на шасси для обнаружения рентгеновского излучения, рассеянного обследуемым транспортным средством и объектами, скрытыми под этим обследуемым транспортным средством или внутри него.

19. Система рентгеновского обследования по п. 18, в которой шасси выполнены с возможностью маневрирования под транспортным средством посредством устройства управления двигателем и/или устройства ручного управления.