ES2298220T3 - Sistema de inspeccion por rayos x con forma espectral. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de inspección para inspeccionar un objeto (14), comprendiendo el sistema de inspección una fuente (18) de radiación penetrante (21) y al menos un detector (20), la fuente para generar un haz y para irradiar el objeto y caracterizado en cada instante de tiempo por un espectro de energía instantáneo y una intensidad, el detector para detectar la radiación penetrante después de la interacción con el objeto; estando caracterizado el sistema de inspección porque comprende un regulador (45) para proporcionar radiación penetrante incidente que tiene un primer espectro instantáneo dominado por fotones de energías menores que una primera energía fiducial en un primer caso de manera que los fotones de energías menores que la primera energía fiducial penetran a través del objeto, proporcionando el regulador radiación penetrante incidente que tiene un segundo espectro instantáneo dominado por fotones de energías que superan una segunda energía fiducial en un segundo caso si y solosi dichos fotones, cuando están presentes, de energías menores que la primera energía fiducial no penetran a través del objeto, de manera que una dosis de radiación media se mantiene por debajo de un nivel especificado.
Description
Sistema de inspección por rayos X con forma
espectral.
La presente invención se refiere a sistemas y
procedimientos para inspeccionar objetos, particularmente el
cargamento en contenedores de transporte, camiones y trenes, usando
radiación penetrante filtrada espectralmente.
La inspección de contenedores de transporte por
rayos X está muy consolidada para muchos fines, incluyendo la
búsqueda de contrabando, propiedad robada y la verificación de los
contenidos de los transportes que cruzan las fronteras
nacionales.
Dichos sistemas de inspección típicamente
producen lo que se denomina imagen de transmisión midiendo la
distribución de intensidad de los rayos X que atraviesan el
contenedor de transporte. Los contenidos de los contenedores de
transporte cargados de forma ligera pueden examinarse eficazmente
con energías de rayo X en el intervalo de cientos de keV aunque los
semi-tráilers, camiones cisterna, trenes, y
contenedores de transporte ISO cargados de forma pesada típicamente
requieren haces de rayos X en el intervalo de MeV. El diseño de un
sistema de inspección de rayos X para examinar el cargamento
heterogéneo requiere la consideración conjunta de los requisitos
opuestos para penetración, sensibilidad y dosificación de la
radiación, para los que los siguientes criterios de primer orden
dan una guía general.
Penetración: según aumenta la energía de
los rayos X, manteniendo constante la potencia del haz de
electrones, la penetración aumenta inversamente con el coeficiente
de absorción lineal, \lambda cm^{-1}. Por ejemplo, los
componentes de alta energía del rayo X del haz de un acelerador de 3
MeV penetran aproximadamente 3 veces más allá a través de hierro de
lo que lo hacen los componentes de alta energía de un generador de
rayos X de 450 keV; los coeficientes de absorción lineal
pertinentes en hierro disminuyen casi en un factor de 3.
Sensibilidad: la sensibilidad de los
rayos X para un espesor dado \Deltax de un objeto depende del
material que rodea al objeto así como del material del propio
objeto. Siendo iguales los demás parámetros, la sensibilidad S se
define de forma útil como el cambio fraccionario en la velocidad de
recuento I por centímetro del material. Es decir,
S =
\frac{\Delta I/I}{\Delta x} =
-\lambda,
donde \DeltaI es la disminución
de la velocidad de recuento debido al espesor del material
\Deltax. La sensibilidad es mayor a la menor energía (mayor valor
de \lambda) de radiación penetrante. En el ejemplo anterior, la
sensibilidad de los rayos X de alta energía ha caído casi en un
factor de 3 al aumentar la energía de 450 keV a 3 MeV, y tarda casi
9 veces que muchos rayos X para obtener la misma precisión
estadística para la atenuación
medida.
El conflicto entre penetración y sensibilidad
generalmente se soluciona aceptando todo el espectro de rayos X
generado por el haz de electrones. Los componentes de alta energía
son eficaces para una penetración máxima mientras que los muchos
más abundantes componentes de menor energía tienen la sensibilidad
necesaria para examinar más eficazmente los contenedores de
transporte cargados de forma ligera o los contenedores de transporte
con secciones cargadas de forma ligera.
Dosis de radiación: la dosis de radiación
en un haz de rayos X generado por un electrón de energía E que choca
con una diana de volframio es aproximadamente proporcional a
E^{3}, como se analiza en Buechner, et al., Physical
Review, vol. 74, pág. 1348ff, (1948). A una potencia constante, la
dosis de radiación directa en el haz varía aproximadamente como
E^{2}, como lo hace la dosis de radiación ambiental. Como se usa
en esta descripción y en cualquiera de las reivindicaciones
adjuntas, el término "dosis de radiación ambiental" se refiere
a la dosis en los alrededores de una radiación dispersada.
En el ejemplo anterior, manteniendo constante la
potencia de electrones, la dosis de radiación ambiental sube casi
en un factor de 40 cuando la energía de los electrones sube de 450
keV a 3 MeV. Para satisfacer los códigos de seguridad respecto a
radiación se hace necesario añadir una costosa protección que
generalmente implica una infraestructura reforzada y puertas
masivas en el área de inspección. En Estados Unidos, el sistema de
inspección debe mantener la dosis en las áreas a las que tiene
acceso la gente en menos de 5 \muSv/h. (21 CFR \NAK 1020.40).
Estas especificaciones se denominan especificaciones de
"cabina". La expresión "cabina abierta" como se usa en
este documento se refiere a un recinto, con o sin puertas o techo,
que satisface las especificaciones legales de regulación de cabinas
sin necesidad de protecciones para radiación en lugares diferentes
a las proximidades del haz.
Para satisfacer las demandas de inspección de
cargamentos cargados de forma densa, algunos sistemas actuales
aplican rayos X de energía mayor de 450 keV. Se ha supuesto y
mostrado en la técnica que una mayor energía da como resultado una
mayor radiación ambiental que requiere una protección extensiva y
aumenta en gran medida los costes para acatar las normativas.
Algunos sistemas de inspección de cargamento
empleados actualmente usan aceleradores lineales por pulsos (linacs)
que funcionan en el intervalo de aproximadamente 3 MeV a 9 MeV,
produciendo un abanico de haces de rayos X que pasan a través del
cargamento en una serie lineal de detectores de rayos X que miden su
intensidad. Los abundantes componentes de baja energía del abanico
del haz producen imágenes de alta calidad de contenedores de
transporte cargados de forma ligera mientras que los componentes de
alta energía tienen una potencia de penetración suficiente para
encontrar contrabando detrás de más de 30 cm de acero. La radiación
producida por los linacs es muy alta, típicamente mayor de 1
Gray/min en un metro, y por ello también lo es el coste para
encerrar la radiación y la protección requerida. El coste del
edificio, con puertas que contienen la radiación para el túnel de
inspección a menudo supera el coste del propio sistema de inspección
de rayos X.
Los usos actuales de absorbedores espectralmente
selectivos en el contexto de generación de haz de rayos X incluyen
su uso en generadores de rayos X de MeV para nivelar la distribución
de intensidad como una función del ángulo. Los absorbedores se usan
también en aplicaciones médicas para minimizar la dosis de radiación
al paciente eliminando los componentes de baja energía que se
absorben preferentemente en la piel y tejidos superficiales
cercanos y no desempeñan un papel útil en el diagnóstico o
tratamiento. Finalmente, los absorbedores se usan para crear haces
de rayos X cuasi-monocromáticos, tal como para
análisis de doble energía, por ejemplo. La radiación ambiental,
como se ha definido anteriormente, no figura en ninguno de estos
casos de uso actual de los absorbedores, ni como una consideración
de diseño ni proporcionando control activo de las intensidades de
rayo X.
Puede hacerse referencia, por ejemplo, a lo
siguiente: documento US-A-5.040.199,
que se refiere a un aparato y procedimiento para análisis usando
rayos X; documento US-A-3.919.467,
que se refiere a un sistema de inspección de equipajes por rayos X;
el documento WO-A-00/33060, que se
refiere a un sistema de formación de imágenes por retrodispersión
de rayos X para inspección del tren de aterrizaje; y el documento
WO-A-97/18462, que se refiere a un
aparato y procedimiento para reconocimiento automático de objetos
ocultos usando tomografía computarizada de energía múltiple.
En una realización, la presente invención
proporciona un sistema de inspección para inspeccionar un objeto,
comprendiendo el sistema de inspección una fuente de radiación
penetrante y al menos un detector, la fuente para generar un haz y
para irradiar el objeto y caracterizado en cada instante de tiempo
por un espectro de energía instantáneo y una intensidad, el
detector para detectar la radiación penetrante después de la
interacción con el objeto; estando caracterizado el sistema de
inspección porque comprende un regulador para proporcionar
radiación penetrante incidente que tiene un primer espectro
instantáneo dominado por fotones de energías menores que una
primera energía fiducial en un primer caso y porque los fotones de
energías menores que la primera energía fiducial penetran a través
del objeto, proporciona el regulador de radiación penetrante
incidente que tiene un segundo espectro instantáneo dominado por
fotones de energías que superan una segunda energía fiducial en un
segundo caso si y sólo si los fotones cuando están presentes, de
energías menores que la primera energía fiducial no penetran a
través del objeto, de manera que una dosis de radiación media se
mantiene por debajo de un nivel especificado.
En otra realización, la presente invención
proporciona un sistema de inspección para inspeccionar un objeto,
comprendiendo el sistema de inspección una primera fuente de
radiación penetrante para generar un primer haz y para irradiar el
objeto, estando caracterizada la primera fuente por un espectro de
energía dominado por fotones de energías menores que una primera
energía fiducial; estando caracterizado el sistema de inspección
porque comprende: (a) una segunda fuente de radiación penetrante
para generar un segundo haz y para irradiar el objeto, estando
caracterizada la segunda fuente por una intensidad de fuente y un
espectro de energía dominado por fotones de energías que superan
una segunda energía fiducial; (b) un primer detector para detectar
la radiación penetrante de la primera fuente después de la
interacción con el objeto y un segundo detector para detectar la
radiación penetrante de la segunda fuente después de la interacción
con el objeto, constituyendo la primera fuente y el primer detector
un primer módulo de inspección y constituyendo la segunda fuente y
el segundo detector un segundo módulo de inspección; (c) un
regulador para activar la primera y segunda fuentes de radiación
penetrante de una manera temporalmente intercalada; y (d) un
controlador de intensidad para regular la segunda energía fiducial
de la segunda fuente basado al menos en la radiación penetrante de
la primera fuente después de la interacción con el objeto.
En una realización más, la presente invención
proporciona un procedimiento para inspeccionar un objeto,
comprendiendo el procedimiento generar un haz de radiación
penetrante caracterizado en cada instante de tiempo por un espectro
de energía instantáneo y una intensidad, irradiando una parte del
objeto, hasta la totalidad del mismo, con el haz y detectando la
radiación penetrante después de la interacción con el objeto;
estando caracterizado el procedimiento porque comprende: (a)
modular la radiación penetrante incidente mediante un regulador de
manera que se proporciona un espectro instantáneo dominado por
fotones de energías menores que una primera energía fiducial, a
menos que los fotones cuando están presentes, de energías menores
que la primera energía fiducial fallen a la hora de penetrar a
través del objeto, en cuyo caso (b) modular la radiación penetrante
incidente mediante un regulador de manera que se cambia el espectro
de energía instantáneo proporcionando un segundo espectro
instantáneo dominado por fotones de energías que superan una segunda
energía fiducial de manera que una dosis de radiación media se
mantiene por debajo de un nivel especificado.
De acuerdo con los sistemas y procedimientos
descritos en este documento, tanto los componentes de alta energía
como los componentes de baja energía de los generadores de rayos X
de MeV pueden usarse mientras se mantiene la radiación ambiental
suficientemente baja de manera que el coste de la infraestructura
para contener la radiación se reduce significativamente. De esta
manera, las necesidades aparentemente mutuamente exclusivas de
penetración y sensibilidad para penetrar objetos fácilmente pueden
obtenerse ventajosamente. Esto puede conseguirse, de acuerdo con la
presente invención, combinando diversas modalidades: en primer
lugar, un haz de rayos X altamente penetrante, de alta energía con
radiación ambiental mínima puede obtenerse conformando
apropiadamente el espectro del haz de rayos X del acelerador
mediante un absorbedor apropiado. En segundo lugar, el espectro de
rayo X de menor energía esencial, generado por el mismo o un
acelerador diferente, puede satisfacer las necesidades de
sensibilidad para objetos fácilmente penetrables mientras se
mantiene una radiación ambiental mínima. En tercer lugar, los dos
espectros pueden coordinarse en el tiempo de manera que no haya
interferencias o cruce entre los dos componentes. Las realizaciones
adicionales de la invención usan también el hecho de que las
intensidades de los generadores de rayos X pueden controlarse para
maximizar la efectividad del sistema de inspección mientras se
mantiene el estado de "cabina abierta". Un procedimiento de
control usa el sistema de transmisión de baja energía para
controlar la intensidad de los haces desde el sistema de
transmisión de alta energía; otro procedimiento de control, que
puede usarse junto con el primero, usa indicadores
\hbox{de
radiación ambiental para controlar las intensidades de rayo X desde
los generadores de rayos X.}
Las anteriores características de la invención
se entenderán mejor haciendo referencia a la siguiente descripción
detallada considerada junto con los dibujos adjuntos:
La Figura 1 muestra espectros de
Monte-Carlo simulados de rayos X emitidos a 90º
desde una diana de volframio bombardeada con electrones a 3 MeV,
antes de la filtración y después de la filtración de acuerdo con una
realización preferida de la presente invención;
La Figura 2a es una vista en planta esquemática
de un sistema de transmisión de formación de imágenes de inspección
usando un único generador de rayos X de alta energía por pulsos para
producir tanto una imagen de transmisión a baja energía como a alta
energía de acuerdo con la realización preferida de la presente
invención;
La Figura 2b muestra la geometría de un
absorbedor rotatorio de acuerdo con una realización de la presente
invención;
La Figura 3 es una vista esquemática de un
sistema de inspección de rayos X usando diferentes fuentes de
rayos X de alta y baja energía de acuerdo con una realización
de la presente invención; y
La Figura 4 es una vista esquemática de un
sistema de inspección de cargamento que muestra dos sistemas de
retrodispersión independientes y un sistema de transmisión de alta
energía diferente e indicadores de la radiación ambiental de
acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
Se describen ahora sistemas para reducir
ventajosamente la dosis de exposición a radiación ambiental pero
que aún proporcionan las ventajas de un haz de rayos X altamente
penetrante. Un tema común en las diversas realizaciones descritas a
continuación es la intercalación de un espectro de rayo X de baja
intensidad, predominantemente de baja energía con un espectro de
baja intensidad, predominantemente de alta energía.
Haciendo referencia en primer lugar a la Figura
1, se muestran espectros de rayos X emitidos a 90º desde una diana
de volframio bombardeada con electrones a 3 MeV. La línea continua,
designada con el número 6, corresponde al espectro, generado por
simulación de Monte Carlo, de los rayos X emitidos en las
condiciones especificadas. El espectro no filtrado 6 se muestra, en
una escala logarítmica, como una función de la energía del fotón,
en MeV. (Aunque en este documento se denomina "no filtrado", la
curva continua 6 de hecho se ha filtrado ligeramente para reducir
la intensidad de los rayos X por debajo de aproximadamente 200 keV).
En el espectro no filtrado 6, aproximadamente el 50% de los rayos X
tienen energías por debajo de 500 keV y sólo el 8% de los rayos X
tienen energías por encima de 1,5 MeV. De esta manera, el espectro
no filtrado puede caracterizarse haciendo referencia a una energía
fiducial, en este caso de 500 keV, por debajo de la cual la mitad de
los fotones emitidos, en número, tienen su energía.
La curva discontinua 8 es la distribución de
intensidad de rayos X emitidos (dentro de un factor multiplicativo),
filtrado a través de 2 cm de uranio y "endurecido" de esta
manera. Dos cm de uranio corresponde a aproximadamente 2,2
trayectorias libres medias para las mayores energías de rayo X
mostradas en la figura. Cuanto menor sea la radiación penetrante, a
energías por debajo de aproximadamente 400 keV, se han absorbido en
cuatro órdenes de magnitud, mientras que los componentes
penetrantes han disminuido en menos de un orden de magnitud. Un
absorbedor de 2 cm de grosor de uranio empobrecido puesto en el haz
casi elimina los rayos X por debajo de aproximadamente 700 keV. La
radiación filtrada puede caracterizarse pues como dominada por
fotones por encima de una energía fiducial especificada.
La presente invención, en las realizaciones
preferidas, consigue una reducción ventajosa en la exposición a
radiación mediante filtrado como se describe ahora con referencia a
las Figuras 2-4. Una vista en planta esquemática de
un sistema de inspección de rayos X, designado de forma general por
el número 11, se representa en la Figura 2a. La transmisión de
rayos X se mide mediante el módulo de rayo X 16 que incluye una
fuente de rayos X 18, preferiblemente un linac. Otras fuentes de
radiación de rayo X tales como microtrones pueden usarse dentro del
alcance de la presente invención. La fuente 18, envía un haz de
rayos X 19 que tiene un perfil de sección transversal especificado
y una energía máxima que, para los fines de la presente exposición,
se supone que es de aproximadamente 3 MeV. La sección transversal
del haz 19 es preferiblemente la de un abanico del haz, que tiene
una extensión angular apreciable sólo en una dirección transversal,
sin embargo otros perfiles de sección transversal del haz pueden
ser preferibles en aplicaciones particulares. El haz de rayos X 19
atraviesa un absorbedor 22, mostrado en el haz y en la Figura 2b.
Los rayos X 21 pasan a través del absorbedor 22 y después
atraviesan un recinto inspeccionado 10, típicamente un medio de
transporte tal como un contenedor de transporte de carga o camión.
Dentro del recinto 10, se muestra a modo de ejemplo, un objeto 14
que es penetrado fácilmente por los rayos X de menor energía. El
objeto 14 puede ser fino o puede estar compuesto por un elemento
ligero, es decir, un elemento que tiene un bajo número atómico Z. El
objeto 14 se penetra con rayos X por debajo de unos cientos de keV.
Como ejemplo adicional, se muestra un objeto denso 12 que no puede
penetrarse eficazmente con los rayos X de menor energía. Los rayos X
21 se detectan en un detector de rayos X 20 que es típicamente un
detector segmentado cuyo espaciado (o distancia entre segmentos)
determina la resolución espacial de la imagen obtenida cuando la
posición lateral de incidencia del haz 21 en el recinto 10 se varía
mediante el movimiento relativo del recinto en la dirección 13 con
respecto al haz 21. Cualquier movimiento que da lugar al movimiento
relativo del recinto 10 en la dirección 13 con respecto al haz 21
está dentro del alcance de la presente invención, incluyendo el
movimiento de haz 21 con respecto a un recinto fijado al suelo
10.
El absorbedor 22 se muestra como un cilindro
giratorio. La rotación del absorbedor 22 puede ser continua o por
etapas, dependiendo de la aplicación. En una realización preferida,
un primer par de sectores 24 está abierto de manera que el haz 19
no está atenuado según atraviesa el absorbedor 22. El término "par
de sectores" se usa para describir segmentos opuestos que tienen
secciones transversales con forma de cuña en un plano perpendicular
al eje de rotación del absorbedor, estando el eje de rotación en la
página de la Figura 2a. Otros pares de sectores, mostrados en la
Figura 2b como segmentos 36 y 34, están hechos de material
absorbente. Para ilustración se considera la situación sencilla de
un absorbedor 35 de 2 cm de uranio alternando con la ausencia de
absorbedor 24. Otros elementos pesados, tales como volframio o
plomo, pueden usarse también como absorbedores. Cuando el
absorbedor 35 está interceptando el haz 19, el perfil espectral del
haz es el espectro filtrado mostrado como la curva de puntos 8 en
la Figura 1. La intensidad en el haz 21 de rayos X por debajo de
500 keV se ha reducido en un factor más de 10.000, mientras que la
intensidad de radiación penetrante por encima de 1,5 MeV se ha
reducido en solo un factor de aproximadamente 8.
Si el corte de sector 24 es 22,5º, entonces todo
el haz está presente durante 1/8 de cada vuelta del absorbedor; los
espectros de menor energía, tan importantes para inspeccionar una
cargamento ligera o fina tal como 14, se están usando una octava
parte del tiempo. El componente penetrante del espectro está
presente todo el tiempo; una octava parte del tiempo a toda su
potencia y siete octavas partes del tiempo a aproximadamente 1/8 de
toda su potencia.
Los ejemplos de siete octavos y un octavo son
ilustrativos, como lo es un absorbedor de 2 cm de uranio. Pueden
ajustarse diferentes absorbedores y diferentes proporciones de
tiempos de permanencia del absorbedor para situaciones específicas.
Además, otras geometrías que proporcionan interposición periódica de
un absorbedor 24 dentro del haz incidente 19 están dentro del
alcance de la invención como se reivindica en las reivindicaciones
adjuntas. La Figura 2b, para otro ejemplo, muestra una varilla
absorbedora en sección transversal en la que dos absorbedores 34 y
36 diferentes pueden usarse para conformar los espectros para una
aplicación especial de inspección de cargamento.
Los detectores de radiación 26 y 28, colocados
en las posiciones apropiadas en los límites de exclusión del
sistema (dentro de los cuales típicamente no se permite el paso al
personal), controlan la radiación ambiental y pueden denominarse en
este documento indicadores de radiación ambiental. Solo se muestran
dos detectores 26 y 28 para ilustración; en la práctica, los
detectores pueden ponerse en tantas posiciones críticas como sea
necesario para una instalación particular. Los indicadores 26 y 28
sirven para dos funciones: en primer lugar, controlan la intensidad
del haz 19 que emerge de la fuente 18. En segundo lugar, controlar
la intensidad media y limitan esta media al máximo especificado
controlando la intensidad de los haces desde la fuente o fuentes 18
de radiación de rayos X.
Un control sencillo y eficaz del nivel de la
radiación incidente es cambiando la velocidad de pulso del linac
18. En una realización ejemplar, el linac 18 emite 500 pulsos por
segundo. Si el cargamento 10 se mueve a través del haz 21 a 15 cm/s
y la resolución espacial del sistema en la dirección del movimiento
es de 0,5 cm, entonces el píxel está en el haz durante 33 ms. Como
el linac emite 500 pulsos/segundo, hay 16 pulsos solapando en cada
píxel. Uno o más de estos pulsos puede suprimirse en respuesta a una
señal indicadora desde los detectores de radiación ambiental 26 y
28. Este sencillo mecanismo permite al sistema variar la intensidad
global en más de un orden de magnitud. Si se necesita un mayor
intervalo de control, puede modularse entonces la intensidad de la
pistola de electrones 17 de linac 18. En los casos en los que se usa
un acelerador de corriente continua o de onda continua en la fuente
18 en lugar de una fuente por pulsos como se ha descrito hasta
ahora en este documento, el control de la intensidad del haz desde
el acelerador se consigue más fácilmente modulando la propia
corriente del haz de electrones, como se sabe bien en la técnica de
generación de rayos X.
La especificación de la cabina que prescribe el
grado de protección requerido para un sistema de rayos X se
especifica típicamente en términos de un nivel de radiación medio
por hora. Durante una hora dada, típicamente se examinan muchos
cargamentos, y generalmente los cargamentos variarán mucho en el
grado de carga. Los camiones ligeramente cargados generalmente se
examinan eficazmente con un haz de rayos X que produce mucha menos
radiación que la especificación de la "cabina". Los
cargamentos con carga pesada se examinan después con la máxima
intensidad consistente con mantener la media horaria al nivel de la
"cabina".
Debe observarse que con respecto a sectores
cargados de forma ligera del cargamento, el absorbedor rotatorio 22
descrito con referencia a las Figuras 2a y 2b proporciona datos para
un análisis de doble energía y permite determinar una medida del
número atómico de los objetos en dichos sectores cargados de forma
ligera del cargamento, como saben las personas especialistas en la
técnica de inspección de cargamento con rayos X. Específicamente,
la intensidad de los rayos X de alta energía, detectada con el
absorbedor 35 en su sitio, depende de una densidad zonal de los
objetos aunque sustancialmente no sobre el número atómico. La
intensidad sin absorbedor 24 puede depender del número atómico si
la energía de los rayos X detectados es suficientemente baja: por
debajo de aproximadamente 200 keV para distinguir hierro y otros
elementos pesados; por debajo de aproximadamente 100 keV para
distinguir aluminio/silicio a nivel de número atómico.
Otras mejoras, de acuerdo con realizaciones
alternativas de la invención, pueden aumentar ventajosamente la
efectividad de la inspección dentro de las restricciones de un
sistema de "cabina abierta". Dichas mejoras incluyen, sin
limitación, pesar los camiones antes de la inspección y disponer su
posición en la cola para maximizar la producción en base a mantener
el estado de la "cabina".
Un haz no atenuado y a toda potencia de 3 MeV,
sin un atenuador especial 22, penetra casi 40 cm de hierro aunque
típicamente produce niveles de radiación ambiental, a por ejemplo,
6,1 m (20 pies) del abanico del haz, que son de dos a tres órdenes
de magnitud demasiado altos para el estado de la "cabina".
Cuando la intensidad del haz se disminuye, como se ha descrito
anteriormente, para satisfacer las especificaciones de la cabina,
las capacidades de penetración disminuyen a no mucho más de 20 cm de
hierro. Mediante lo descrito anteriormente, combinando filtros y
control de intensidad, la radiación ambiental a 6,1 m (20 pies)
puede mantenerse para un estado de "cabina abierta" y el haz
aún penetrará al menos 30 cm de hierro. Debe observarse que el
control de la intensidad usando indicadores de radiación ambiental
26 y 28 puede permitir ventajosamente que una parte de los
cargamentos 10 se inspeccionen a toda potencia y a una mayor
penetración.
Durante el tiempo de permanencia en cada
detector 20, típicamente de 15 ms a 30 ms, el absorbedor 22
típicamente hace al menos una vuelta completa de manera que el
píxel detector está expuesto alternativamente al haz no atenuado y
al haz atenuado, proporcionando de esta manera dos o más espectros
instantáneos de irradiación distintos en diferentes partes de la
vuelta del absorbedor.
Los indicadores de radiación 26 y 28 se muestran
en los límites de la zona de exclusión del sistema, manejando los
datos apropiados para controlar la intensidad del haz de rayos X
suministrando sus señales a un sistema central 30 para indicar y
controlar las intensidades de los haces 19 del generador de rayos X
18.
Haciendo referencia ahora a la Figura 3, pueden
usarse dos aceleradores 38 y 44, de acuerdo con otras realizaciones
de la invención, para obtener dos imágenes de transmisión del mismo
contenedor de transporte. Las fuentes de rayos X 38 y 44 producen
haces 39 y 46, respectivamente, de rayos X cada uno de los cuales
puede tener un perfil transversal especificado y que son,
preferiblemente, un abanico de haces. Los haces 39 y 46 se detectan
en los detectores 43 y 48 que son preferiblemente series de
detectores segmentadas para usar junto con una geometría del
abanico del haz. El sistema 42 en la Figura 3 es un sistema de rayos
X de baja energía, que puede ser por pulsos o no, para inspeccionar
las secciones cargadas de forma ligera de un contenedor de
transporte con buena sensibilidad. El sistema inferior 37 en la
figura es un linac de alta energía (\simMeV) por pulsos con un
absorbedor 40 apropiado para eliminar los componentes del rayo X de
menor energía. Los ciclos de utilización de los dos sistemas están
intercalados de manera que sólo uno de ellos está contando en un
momento dado. Los indicadores de la radiación ambiental 26, 28, y
29 se muestran suministrando sus señales a un sistema central 30
para indicar y controlar las intensidades de los haces desde los
generadores de rayos X, como se ha descrito anteriormente con
referencia a la Figura 2a.
En la realización de la invención mostrada en la
Figura 3, la inspección mediante un sistema de inspección con linac
37 (esencialmente el mismo que 16 en la Figura 2) va precedida de un
sistema de inspección "de baja energía" 42. El sistema 42 está
compuesto por un generador de rayos X 44 en el intervalo de 200 keV
a 500 keV que suministra un abanico del haz 46 que atraviesa el
cargamento del contenedor de transporte 10 y se detecta en el
detector segmentado 48. El sistema 42 usa componentes relativamente
baratos; por ejemplo, un tubo de rayos X convencional 44 y
detectores 48 que en muchas ocasiones son más finos que los de la
serie 43. El sistema linac 37 se ha descrito anteriormente con
referencia a la Figura 2; la única diferencia radica en el
absorbedor 40. El absorbedor 40 puede tener diversos espesores o
materiales que pueden insertarse para una flexibilidad y control
máximos. En esta realización preferida, se considera un único
absorbedor de 2 cm de uranio que está siempre en su sitio de manera
que el haz 41 tiene el perfil de intensidad espectral mostrado como
la curva de puntos 8 de la Figura 1. El absorbedor 40 se muestra
separado del acelerador 38. En la práctica, el absorbedor se
dispone en las cercanías del ánodo acelerador y puede ser integral
con el mismo.
Una característica importante de esta invención
es que los dos haces 46 del sistema 42, y 41 del sistema 37 no se
detectan nunca al mismo tiempo, de esta manera los dos sistemas
pueden estar bastante juntos sin ninguna interferencia entre ellos.
Un procedimiento preferido para implementar esta característica es
usar el hecho de que el linac 38 suministra haces en ráfagas de 2
\mus que están presentes solo durante el 0,1% del tiempo. El
detector 43 se enciende justo antes del pulso del haz de linac y se
apaga justo después. El detector 48 se apaga durante el tiempo en
el que el haz de rayos X 39 se enciende, evitando de esta manera la
interferencia del sistema de alta energía 37 en el sistema de baja
energía 42. Como se sabe en la técnica, el detector 48 puede
"apagarse" en muchos puntos a lo largo de la ruta electrónica,
desde el extremo frontal, apagando la tensión del detector, hasta
el extremo de salida ignorando la lectura o el ajuste al valor medio
de las intensidades que preceden y que siguen al pulso de linac.
Evitar las interferencias en cualquier dirección es trivial si el
generador de rayos X 44 es un acelerador por pulsos ya que sus
pulsos pueden intercalarse con aquellos de 38. Si, como se
prefiere, el acelerador 44 es un tubo de rayos X de corriente
continua, entonces el haz 46 debe desconectarse durante los breves
periodos en los que el haz 39 está encendido. La capacidad para
conectar y desconectar la corriente del haz 46 en microsegundos se
cimenta en muchos generadores de rayos X disponibles en el
mercado.
El sistema de rayos X 42 sirve para dos
funciones principales: en primer lugar, produce una imagen de
transmisión a través de los componentes cargados de forma ligera
del cargamento usando los rayos X de baja energía necesarios para
una alta sensibilidad. En segundo lugar, su imagen de cualquier
sección del cargamento 10 se obtiene muchos segundos antes de que
la sección correspondiente sea inspeccionada por el sistema 37 de
manera que los resultados obtenidos de la imagen del sistema 42
pueden, mediante el regulador 45, controlar automáticamente la
intensidad del haz del acelerador 38. Por ejemplo, no es necesario
examinar para nada el objeto ligero 14 en la Figura 3, con el
sistema 37, que sólo necesita examinar el objeto denso 12. Como el
objeto 12 sólo ocupa aproximadamente la mitad de la longitud del
contenedor de transporte 10, la potencia del acelerador 38 puede
aumentarse en un factor de dos durante el tiempo exacto, para
obtener una mayor penetración. Como otros ejemplos, si se descubren
objetos escondidos usando el haz de baja energía, el haz de alta
energía debe cortarse. Análogamente, si se descubren productos
alimenticios, entonces la energía del linac debe cambiarse a 500
keV para cumplir las normas de irradiación de alimentos.
Los resultados obtenidos de la imagen del
sistema 42 pueden usarse también para controlar la distribución
angular del abanico del haz 41. Para hacer esto, el absorbedor 40 se
articula en la dirección vertical. Cada segmento articulado tiene
una pluralidad de posiciones y puede controlarse por ordenador: un
absorbedor nominal tal como uranio de 2 cm de espesor se inserta
para inspeccionar objetos gruesos y un absorbedor muy grueso,
"negro" se inserta en las posiciones de altura que ya se han
sido inspeccionadas por las bajas energías del sistema 42.
Funcionando de esta manera, el absorbedor 40 actúa como un
conformador del perfil del haz de abanico del haz 41.
Los detectores de radiación ambiental 26, 28, y
29 sirven para las mismas funciones en esta realización que en la
realización descrita anteriormente con referencia a la Figura 2a.
Además, los detectores de radiación ambiental 26, 28, y 29
mantienen ventajosamente la máxima efectividad de los componentes de
baja y alta energía.
Haciendo referencia ahora a la Figura 4, se
muestra una vista esquemática de una realización de la invención en
la que las imágenes de retrodispersión se obtienen desde dos lados
del cargamento 10 mediante los sistemas 60 y 72. Cada uno de los
sistemas 60 y 72 consiste en un tubo de rayos X 62 y 74 que funciona
a una energía máxima típica de aproximadamente 440 keV, aunque
pueden ser apropiadas otras tensiones operativas tan bajas como 200
keV, dependiendo de la aplicación. Los rayos X generados 63 y 78 se
forman en un haz luminoso de barrido girando las ruedas 64 y 76,
cada una de las cuales tiene radios huecos. Una rueda interruptora
típica tiene tener 4 radios espaciados 90º de manera que un haz
luminoso barre a través del cargamento cuatro veces por vuelta. Los
rayos X transmitidos a través del cargamento 10 so detectan en un
detector no segmentado 68. Los rayos X retrodispersados de objetos
tales como 14 se detectan en detectores de
retro-dispersión 70 y 80.
La imagen de transmisión del sistema 60 sirve
para las mismas funciones que el sistema de transmisión 42 mostrado
en la realización descrita anteriormente con referencia a la Figura
3: produce la imagen necesaria de las secciones cargadas de forma
ligera del cargamento y controla la intensidad con el tiempo del haz
de rayos X desde el sistema linac 50.
El sistema de rayos X de menor energía 72 solo
necesita un sistema de retrodispersión ya que las imágenes de
transmisión necesarias se han obtenido de los sistemas 60 y 50.
Las interferencias entre los tres sistemas 60,
50, y 72 pueden minimizarse de diferentes maneras dentro del
alcance de la invención. Puede suponerse, para el siguiente ejemplo
y sin limitación, que el sistema 50 usa el linac por pulsos a 3 MeV
y que los sistemas 60 y 72 usan tubos de rayos X de corriente
continua. Para evitar interferencias entre el linac y los
aceleradores de corriente continua, los detectores 68, 70, y 80, y
los haces 63 y 78 se apagan todos ellos cuando el haz 52 está
encendido. Apagar los haces en los sistemas 60 y 72, y la supresión
detectores 68, 70 y 80 crea pequeñas aberraciones, fácilmente
corregibles ya que sólo aproximadamente un único píxel entre un
millar se ve afectado. Las interferencias entre los sistemas 60 y 72
generalmente serán pequeñas, ya que están relativamente separados,
aunque para eliminar completamente estas interferencias sólo es
necesario intercalar los haces luminosos de exploración. Por
ejemplo, cada una de las ruedas 64 y 76 puede tener sólo dos
radios; la primera a dicho 0º y 180º, la última a 90º y 270º. Según
giran las ruedas sincronizadas, los haces incidentes sobre el
cargamento 10 se alternan. En este procedimiento, las ruedas giran
a dos veces la velocidad que sería necesaria si cada una tuviera 4
radios.
Haciendo referencia adicionalmente a la Figura
4, los indicadores de radiación ambiental 26, 28, y 29, como en el
caso anterior, controlan las intensidades desde los aceleradores de
manera que los niveles de radiación ambiental satisfacen aunque
nunca superar las especificaciones de la "cabina". Esta
realización puede ser especialmente ventajosa en que añade
capacidad de formación de imágenes a través de un cargamento cargado
de forma pesada sin aumentar el coste de la infraestructura de
ninguna manera significativa. Las simulaciones de Monte Carlo
detalladas muestran que el sistema mostrado esquemáticamente en la
Figura 4 puede formar imágenes a través de más de 30 cm de acero
para todo el cargamento mientras que se mantienen las
especificaciones de "cabina abierta" en un pasillo paso a
través de 12,2 m (40 pies) (la longitud típica de un
semi-tráiler) sin necesidad de puertas o un techo
para la contención de la radiación ionizante. Se necesita una
pequeña infraestructura de protección o contención de radiación
para satisfacer las normas de seguridad de radiación de una
denominada "cabina abierta", evitando de esta manera los
millones de dólares habituales en costes de construcción, un factor
importante en la comercialización de estos sistemas.
Las realizaciones de la presente invención
pueden aplicarse ventajosamente de manera que los sistemas MeV
pueden tener tanto alta sensibilidad a objetos finos usando rayos X
de baja energía como alta penetración de objetos gruesos usando
rayos X de alta energía y esto lo hacen con una estructura de
inspección abierta que mantiene el estado de "cabina abierta".
Debe resaltarse que una estructura de inspección "abierta"
puede tener un techo y puertas aunque esto no sería para protección
de la radiación.
Esta invención muestra cómo, en diversos
sistemas de rayo X diferentes, el campo de radiación puede
minimizarse de manera que los sistemas de inspección pueden ser de
"cabina abierta", manteniendo ambas capacidades de rayo X de
alta energía y de baja energía. El primer espectro se forma mediante
absorbedores. Se realizan ganancias adicionales usando indicadores
de radiación ambiental para controlar la intensidad de los haces
desde los generadores de rayos X y mantener la sensibilidad y
penetración más eficaz, manteniéndose dentro de las especificaciones
de "cabina abierta".
Una realización alternativa a la realización
descrita con referencia a la Figura 4 omite el detector de
transmisión 68 del sistema 60 y usa el procedimiento descrito con
referencia a la Figura 2 con su absorbedor variable 22. Esta
variación en el tema básico carece de la flexibilidad de la
realización mostrada en la Figura 4 aunque puede usarse
ventajosamente en situaciones en las que es apropiado usar energías
de rayo X de energía bastante baja, por ejemplo menores de 150 keV,
en los sistemas de retrodispersión 60 y 72.
Para los fines de los ejemplos descritos
anteriormente, puede suponerse, sin limitación, que el acelerador
de alta energía es un acelerador lineal (linac) por pulsos, de 3
MeV, que suministra rayos X en ráfagas de 2 \mus espaciadas 2 ms;
es decir, 500 pulsos por segundo y un factor de utilización de
10^{-3}. De hecho, están disponibles en el mercado aceleradores,
que suministran hasta kilovatios de potencia media, con energías
desde menos de 2 MeV a más de 9 MeV.
Debe observarse, de acuerdo con una realización
alternativa de la invención, que pueden seleccionarse diferentes
absorbedores para cada acelerador de energía para conformar el
espectro de energía resultante para la penetración máxima
consistente con el tipo de contenidos del contenedor de transporte
inspeccionado y una dosis ambiental máxima especificada o una dosis
media especificada.
Aunque la invención se ha descrito en detalle,
se entiende claramente que la misma es a modo de ilustración y
ejemplo y no debe considerarse una limitación. De hecho, numerosas
variaciones y modificaciones resultarán evidentes para los
especialistas en la técnica. Se pretende que todas estas variaciones
y modificaciones estén dentro del alcance de la presente invención
como se ha definido en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
1. Un sistema de inspección para inspeccionar un
objeto (14), comprendiendo el sistema de inspección una fuente (18)
de radiación penetrante (21) y al menos un detector (20), la fuente
para generar un haz y para irradiar el objeto y
caracterizado en cada instante de tiempo por un espectro de
energía instantáneo y una intensidad, el detector para detectar la
radiación penetrante después de la interacción con el objeto;
estando caracterizado el sistema de inspección porque
comprende un regulador (45) para proporcionar radiación penetrante
incidente que tiene un primer espectro instantáneo dominado por
fotones de energías menores que una primera energía fiducial en un
primer caso de manera que los fotones de energías menores que la
primera energía fiducial penetran a través del objeto,
proporcionando el regulador radiación penetrante incidente que tiene
un segundo espectro instantáneo dominado por fotones de energías
que superan una segunda energía fiducial en un segundo caso si y
solo si dichos fotones, cuando están presentes, de energías menores
que la primera energía fiducial no penetran a través del objeto, de
manera que una dosis de radiación media se mantiene por debajo de un
nivel especificado.
2. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 1 en el que la fuente de radiación penetrante
incluye un filtro variable con el tiempo (22).
3. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 2 en el que el filtro variable con el tiempo es un
elemento rotatorio que tiene una pluralidad de segmentos (24) de
distintas características de absorción espec-
tral.
tral.
4. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 3 en el que cada uno de la pluralidad de segmentos
tiene una sección transversal con forma de cuña.
5. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 2 en el que el filtro variable con el tiempo incluye
un absorbedor elegido entre el grupo de elementos pesados incluyendo
uranio, volframio y plomo.
6. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 1 que comprende adicionalmente:
(a) al menos un indicador de radiación ambiental
(26, 28) para crear una señal basada en la radiación detectada
fuera de una zona de exclusión; y
(b) un controlador (30) para regular la
intensidad de la fuente basada al menos en la señal.
7. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 6 en el que la fuente es de pulsos y el controlador
regula el número de pulsos del haz por unidad de tiempo basado al
menos en la señal.
8. Un sistema de inspección para inspeccionar un
objeto (14), comprendiendo el sistema de inspección una primera
fuente (62) de radiación penetrante para generar un primer haz (63)
y para irradiar el objeto, estando caracterizada la primera
fuente por un espectro de energía dominado por fotones de energías
menores que una primera energía fiducial; estando el sistema de
inspección caracterizado porque comprende:
(a) una segunda fuente (51) de radiación
penetrante para generar un segundo haz (52) y para irradiar el
objeto, estando caracterizada la segunda fuente por una
intensidad de fuente y un espectro de energía dominado por fotones
de energías que superan una segunda energía fiducial;
(b) un primer detector (68) para detectar la
radiación penetrante de la primera fuente después de la interacción
con el objeto y un segundo detector (58) para detectar la radiación
penetrante de la segunda fuente después de la interacción con el
objeto, constituyendo la primera fuente y el primer detector un
primer módulo de inspección (60) y constituyendo la segunda fuente
y el segundo detector un segundo módulo de inspección (50);
(c) un regulador (45) para activar la primera y
segunda fuentes de radiación penetrante de una manera intercalada
en el tiempo; y
(d) un controlador de intensidad (30) para
regular la segunda energía fiducial de la segunda fuente basado al
menos en la radiación penetrante de la primera fuente después de la
interacción con el objeto.
9. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 8 que comprende adicionalmente un controlador de
intensidad para regular la intensidad de la segunda fuente basado al
menos en la radiación penetrante de la primera fuente después de la
interacción con el objeto.
10. Un sistema de inspección de acuerdo con la
reivindicación 8 que comprende adicionalmente un conformador del
perfil del haz (64) para controlar la dependencia angular del perfil
de la intensidad de la segunda fuente de manera que minimiza la
dosis de radiación ambiental.
11. Un procedimiento para inspeccionar un
objeto, comprendiendo el procedimiento generar un haz de radiación
penetrante caracterizado en cada instante de tiempo por un
espectro de energía instantáneo y una intensidad, irradiando una
parte del objeto, hasta la totalidad del mismo, con el haz y
detectando la radiación penetrante después de la interacción con el
objeto; estando caracterizado el procedimiento porque
comprende:
(a) modular la radiación penetrante incidente
mediante un regulador de manera que se proporciona un espectro
instantáneo dominado por fotones de energías menores que una primera
energía fiducial, a menos que los fotones cuando están presentes,
de energías menores que la primera energía fiducial fallen a la hora
de penetrar a través el objeto, en cuyo caso
(b) modular la radiación penetrante incidente
mediante un regulador de manera que se cambia el espectro de
energía instantáneo para proporcionar un segundo espectro
instantáneo dominado por fotones de energías que superan una
segunda energía fiducial de manera que una dosis de radiación media
se mantiene por debajo de un nivel especificado.
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