PL248943B1 - System detektora i układu przeciwrozproszeniowego promieniowania X zwłaszcza do skanerów cargo z akceleratorem liniowym - Google Patents

Abstract

System detektora i układu przeciwrozproszeniowego promieniowania X, zwłaszcza do skanerów cargo z akceleratorem liniowym, posiada akcelerator liniowy z kolimatorem szczelinowym wytwarzający wachlarzową wiązkę promieniowania skierowaną na szereg detektorów, za którymi umieszczona jest osłona (1) zawierająca podłużną względem wachlarza wiązki (3) komorę (11), szczelinę (12) i podłużny trójkątny profil (13) umieszczony przeciwlegle do szczeliny (12) i skierowany krawędzią w kierunku szczeliny.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system detektora i układu przeciwrozproszeniowego promieniowania X zwłaszcza do skanerów cargo z akceleratorem liniowym. Wynalazek znajduje zastosowanie do prześwietlania ładunków cargo, wagonów kolejowych i pojazdów wielkogabarytowych.

Znany jest z europejskiego opisu patentowego o numerze EP0271723A1 skaner rentgenowski do kontroli zawartości bagażu, wyposażony, w źródło promieniowania rentgenowskiego z kolimatorem wachlarzowej wiązki rentgenowskiej po jednej stronie przenośnika dla artykułów bagażowych oraz, z drugiej strony, układem oddzielnych detektorów oraz z układem elektronicznym do wykrywania i przetwarzania sygnałów detektora, charakteryzujący się tym, że przylegająco do komory badawczej umieszczony jest drugi układ oddzielnych detektorów, w tym, że przed każdym detektorem drugiego układu jest umieszczony kolimator utworzony przez kilka lameli, oraz że lamele kolimatorów są skierowane na różne obszary w komorze testowej w taki sposób, że detektory drugiego szeregu nie są uderzane przez wachlarzowatą wiązkę promieniowania rentgenowskiego, a jedynie przez rozproszone promieniowanie emitowane z przedmiotów bagażu, przy czym do wizualnego przedstawienia brane są średnie z rozkładu promieniowania rozproszonego.

Znane są ze zgłoszenia patentowego chińskiego wynalazku o numerze CN109691238A systemy i metody stosowane w celu zwiększenia penetracji i zmniejszenia strefy wykluczenia systemów radiograficznych. Metoda wykrywania promieniami rentgenowskimi naświetla obiekt za pomocą wachlarzy promieni rentgenowskich, w tym pionowo poruszających się wiązek wachlarzowych, przy czym każdy wachlarz ma zakres kątowy mniejszy niż kąt pokrycia obiektu. Wiązki są wytwarzane przez modulację wiązki promieniowania rentgenowskiego, synchronizację wiązki promieniowania rentgenowskiego i wachlarzy, wykrywanie wachlarzy napromieniających obiekt, zbierane plastry obrazu z matrycy detektorów odpowiadających pełnemu cyklowi skanowania wachlarzy i zbierane są do połączenia w całościowy obraz.

Znana jest ze zgłoszenia patentowego amerykańskiego wynalazku o numerze U52019243007A1 matryca detektorów, w której pojedynczy detektor promieniowania zawiera blok scyntylatora zawierający materiał scyntylatora i powłokę z materiału odblaskowego nałożoną na powierzchnię bloku scyntylatora, przy czym materiał odblaskowy jest materiałem kompozytowym składającym się z matrycy i cząstek osadzonych w matrycy, przy czym matryca zawiera co najmniej jeden z; silikonu, poliuretanu, poliestru, akrylu lub szkła.

Znany jest ze zgłoszenia patentowego europejskiego wynalazku o numerze WO2018064298A1 system zdolny do wykrywania promieniowania w celu skanowania obiektu, który obejmuje scyntylatory, które mają odpowiednie długości, które są większe niż ich odpowiednie szerokości, oraz urządzenie do obrazowania, które ma planarny układ pikseli. Scyntylatory są sprzężone z kamerą z ich odpowiednimi osiami wzdłużnymi równoległymi do siebie. Przychodząca wiązka promieniowania, która przeszła przez obiekt, wchodzi do scyntylatorów przez odpowiednie powierzchnie scyntylatorów, które są poprzeczne do osi podłużnych, i jest przekształcana przez scyntylatory na światło, które jest odbierane przez odpowiednie podzbiory planarnego układu pikseli. Układy scyntylatorów skierowane ku źródle promieniowania i ułożone w szereg, dzięki czemu uzyskuje się szereg punktów obrazu.

W stanie techniki, aby zatrzymać promieniowanie, powszechnie stosuje się osłony tylne. Najczęściej jest to konstrukcja składająca się z jednolitego bloku ołowianego, umieszczonego za linią detektorów i nie ma osłony na szersze rozproszone promieniowanie, które po prostu „ucieka” dalej. Natomiast przy wyższym poziomie promieniowania stosuje się konstrukcję najczęściej betonową w postaci słupa z lanego betonu z wydrążonym kanałem na detektor. Osłony stosowane są także w medycynie, jednak promieniowanie wysokoenergetyczne w zachowywaniu różni się od promieniowania wytwarzanego przez lampy rentgenowskie (mniej zjawisk fotoelektrycznych, więcej za to Comptonów), zatem stosowanie osłon/rozpraszaczy dedykowanych do lamp RTG (w medycynie) nie ma zastosowania do wysokoenergetycznych skanerów.

Problemem wysokoenergetycznych skanerów jest słaba jakość obrazowania, ponieważ degradacja jakości wynika z odbitego promieniowania z tyłu np. od ściany osłonowej. Detektory wymagające poszerzenia wiązki źródła promieniowania, poszerzają również obszar jego działania. Poszerzanie obszaru oznacza, że większy fragment jakiegokolwiek obiektu znajdującego się za detektorem (np. koniecznej osłony przed promieniowa niem) staje się reflektorem, tzn. odbija promieniowanie rozproszone tworząc promieniowanie wsteczne. Promieniowanie odbite z tyłu generuje sztuczny sygnał w detektorze.

Celem wynalazku jest zapewnienie szybkiego i dokładnego skanowania dużej rozdzielczości obiektów w skanerze cargo.

Istota wynalazku polega na tym, że w systemie detektora i układu przeciwrozproszeniowego promieniowania X zawierającym akcelerator liniowy zawierający kolimator szczelinowy wytwarzający wachlarzową wiązkę promieniowania skierowaną na szereg detektorów złożonych z pojedynczych szeregów czujników scyntylatorowych, za którym to szeregiem umieszczona jest osłona, według wynalazku cechuje się tym, że osłona ma podłużną względem wachlarza wiązki komorę, przy czym w osłonie znajduje się podłużna względem wachlarza wiązki szczelina prowadząca do komory, umieszczona za szeregiem detektorów. Ponadto osłona ma podłużny trójkątny profil umieszczony w komorze przeciwlegle do szczeliny i skierowany krawędzią w kierunku szczeliny. Skutkiem tego jest istotne zmniejszenie promieniowania wstecznego, odbitego od osłony poprzez zatrzymanie odbitego od profilu promieniowania w komorze przeciwrozproszeniowej.

Korzystnie komora ma kształt prostopadłościenny, przy czym osłona i trójkątny profil zostały wykonane z pełnych kształtek. Dzięki temu komora nie musi być odlewana jako pojedynczy blok o skomplikowanych kształtach, lecz może być złożona z prostych elementów.

Korzystnie kąt pomiędzy ścianami trójkątnego profilu przylegającymi do krawędzi skierowanej do szczeliny wynosi od 30 do 120 stopni. Pozwala to na optymalizację minimalnego promieniowania wstecznego.

Korzystnie akcelerator liniowy wytwarza promieniowanie X. Dzięki temu może zostać utworzone zdjęcie rentgenowskie przeskanowanego obiektu.

Korzystnie zakres energii promieniowania wytwarzanego przez akcelerator liniowy jest w zakresie od 1 MeV do 20 MeV. Skutkiem tego można skanować wielkogabarytowe obiekty o wysokiej gęstości materiałowej. Ponadto, promieniowanie w tym zakresie w oddziaływaniu na komorę oraz jego własności zjawisk comptonowskich, zmniejsza strefę niebezpieczną dla personelu obsługującego urządzenie.

Korzystnie osłona wykonana jest ze stopów ołowiu. Pozwala to na skuteczne tłumienie promieniowania odbitego.

Korzystnie osłona wykonana jest ze stopów ołowiu z domieszką antymonu. Pozwala to na łatwy proces obróbki w celu uzyskania pożądanego kształtu.

Korzystnie osłona wykonana jest ze stopów ołowiu z domieszką wolframu. Pozwala to uzyskać niewielkie grubości osłony.

Korzystnie wewnętrzne ściany osłony wyłożone są cyną. Skutkiem tego promieniowanie odbite dodatkowo wyhamowywane jest w obszarze warstwy cyny.

Korzystnie grubość powłoki cyny mieści się w zakresie od 1 mm do 15 mm. Dzięki temu można dostosować odpowiedni kształt osłony do emitowanej energii wiązki.

Korzystnie przynajmniej jeden detektor składający się na szereg detektorów zawiera matrycę fotodiod zespolonych z scyntylatorami. Pozwala to na odczyt natężenia światła widzialnego w krysztale i w dalszym efekcie pomiar parametru natężenia w fotodiodzie.

Korzystnie przynajmniej jeden scyntylator wchodzący w skład matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami zawiera kryształ Jodku Cezu domieszkowanego Talem. Skutkiem tego jest wykorzystanie korzystnych parametrów jak wysoki poziom intensywności rozświetlenia.

Korzystnie przynajmniej jeden scyntylator wchodzący w skład matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami zawiera Wolframian Kadmu. Skutkiem tego jest wykorzystanie korzystnych parametrów jak krótka poświata (ang. afterglow).

Korzystnie przynajmniej jeden scyntylator wchodzący w skład matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami zawiera Gadox. Skutkiem tego jest wykorzystanie korzystnych parametrów jak niska higroskopijność.

Wynalazek umożliwia szybkie i dokładne skanowanie dużej rozdzielczości obiektów w skanerze cargo.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie widok perspektywiczny skanera cargo, fig. 2 przedstawia schematycznie skaner cargo w widoku z góry, fig. 3 przedstawia schematycznie skaner cargo w widoku z boku, fig. 4 przedstawia schematycznie wycinek systemu szeregu detektorów i układu przeciwrozproszeniowego, fig. 5 przedstawia schematycznie cztery detektory ułożone w szereg, fig. 6 przedstawia schematycznie detektor w widoku w góry, fig. 7 przedstawia schematycznie wycinek matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami w widoku z boku, a fig. 8 - przekrój osłony z komorą w widoku z góry.

Skaner cargo w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 1 zawiera akcelerator liniowy 5 umieszczony na podstawie 52, z przodu którego znajduje się kolimator szczelinowy 51 wytwarzający wachlarzową wiązkę promieniowania 3 skierowaną na szereg detektorów 2. Wiązka 3 prześwietla skanowany obiekt 4. Za szeregiem detektorów 2 umieszczona jest osłona 1.

Skaner cargo w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 2 jest tym samym przykładem wykonania z fig. 1, lecz w widoku z góry. W przykładzie z fig. 2 widoczne są te same elementy co w przykładzie z fig. 1.

Skaner cargo w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 3 jest tym samym przykładem wykonania z fig. 1, lecz w widoku z boku. W przykładzie z fig. 3 widoczne są te same elementy co w przykładzie z fig. 1.

Wycinek systemu szeregu detektorów i układu przeciwrozproszeniowego w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 4 zawiera wachlarzową wiązkę promieniowania 3 padającą na szereg detektorów 2, za którymi znajduje się osłona 1. Szereg detektorów 2 znajduje się na drodze wiązki promieniowania 3.

Szereg detektorów w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 5 zawiera cztery detektory 21 ułożone w szereg tak, że zawarte w nich matryce fotodiod zespolonych z scyntylatorami 211 ułożone są obok siebie i wyrównane względem siebie. Takie pochodzącego łącznie z różnych detektorów.

Detektor w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 6 zawiera układ elektroniczny 213 oraz matrycę fotodiod zespolonych z scyntylatorami 211. Matryca fotodiod zespolonych z scyntylatorami 211 składa się z pojedynczych czujników matrycy scyntylatorowej 212. Lewa i prawa krawędź matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami 211 przylega do lewej i prawej krawędzi detektora 21. Dzięki temu ułożone obok siebie detektory 21 tworzą ciągłą matrycę złożoną z wielu matryc fotodiod zespolonych z scyntylatorami 211.

Matryca fotodiod zespolonych z scyntylatorami w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 7 zawiera scyntylator 214 oraz dołączoną do niego od spodu światłoczułą fotodiodę 215.

Osłona w przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 7 zawiera komorę 11 z prowadzącą do niej szczeliną 12 ulokowaną tuż za matrycami fotodiod zespolonych z scyntylatorami 211 detektorów. Osłona 1 posiada podłużny trójkątny profil 13 umieszczony w komorze 11 przeciwlegle do szczeliny 12. Profil 13 skierowany jest krawędzią w kierunku szczeliny 12. Wiązka promieniowania 3, składająca się z promieni padających 311, przechodzi przez matryce fotodiod zespolonych z scyntylatorami 211 i pada na profil 13. Promienie padające 311 na profil 13 tworzą promienie odbite 312 rozpraszające się po komorze 11.

Cały skaner cargo składa się z trzech zasadniczych elementów: (i) źródło promieniowania (jest nim najczęściej akcelerator dwuenergetyczny 3/6 bądź 6/9 MeV), dla lżejszych systemów stosuje się lampę rentgenowską RTG np. 300 kV (akcelerator, w przeciwieństwie do lampy RTG pracuje w trybie impulsowym, podobnie jak żarówka stroboskopowa), (ii) ramię z detektorami, (iii) system elektryczny spinający skaner w całość (m.in. układy bezpieczeństwa, sterowania, akwizycji i obróbki danych). Skanowany obiekt 4 przejeżdża przez skaner bądź skaner porusza się wzdłuż skanowanego obiektu 4, uzyskując poprzez skanowanie linia po linii pełny obraz przeskanowanego pojazdu. Niektóre modyfikacje (np. zwiększenie liczby rzędów detektora) pociągają za sobą modyfikacje skanera (m.in. konieczność poszerzenia wiązki promieniowania 31, uwzględnianie geometrycznych odkształceń w obrazie). Poszerzenie wiązki źródła promieniowania 31 poszerza również obszar jego działania, a to oznacza, że większy fragment jakiegokolwiek obiektu znajdującego się za detektorem (np. koniecznej osłony przed promieniowaniem) staje się reflektorem, tzn. odbija promieniowanie rozproszone tworząc promieniowanie wsteczne. Promieniowanie odbite z tyłu generuje sztuczny sygnał w detekt orze - detektor nie jest kierunkowego działania, rejestruje każde promieniowanie padające z każdej strony.

Porównywanie systemów do prześwietlania pojazdów (largo) z systemami medycznymi jest niemiarodajne - w systemach medycznych najczęściej stosuje się d o radiografii lampy rentgenowskie, które emitują promieniowanie ciągłe - w przeciwieństwie do stosowanych w systemach cargo akceleratorów. Radiografia medyczna jest ukierunkowana na uzyskanie zadowalających jakościowo obrazów z wykorzystaniem jak najmniejszej dawki promieniowania (przez badanego pacjenta), natomiast w przypadku systemów cargo nie ma takiego wymogu - jedynym wymogiem jest zapewnienie mniejszej dawki niż 1 mSv/rok poza obszarem skanowania oraz zapewnienie systemu bezpieczeństwa uniemożliwiającego naświetlenie człowieka (np. znajdującego się w kabinie ciężarówki/ lokomotywy). W radiografii medycznej dodatkowe elementy jak np. rozpoznawanie rodzaju materiałów odbywa się na zupełnie innej zasadzie niż w systemach z akc eleratorem (z zastosowaniem lampy RTG stosuje się podwójny rząd detektorów z wykorzystaniem filtra, a z akceleratorem - różne energie emitowane przez akcelerator).

Ultraszybki detektor o wysokiej wydajności ma na celu detekcję wiązki promieniowania X generowanego ze źródła w postaci akceleratora liniowego 5, gdzie wiązka promieniowania 3 przybiera kształt wachlarzowy, utworzony przy pomocy kolimatora szczelinowego 51. Źródło promieniowania oraz detektor znajdują się w linii osi wiązki promieniowania. Detekt or 21, zbudowany z linii światłoczułych fotodiod 215 oraz scyntylatorów 214 nad diodami 215, definiuje linijkę czterorzędową gdzie jedna dioda 215 odpowiada jednemu pikselowi generowanego obrazu. Kompletny moduł detekcyjny zbudowany jest z szeregu umieszczonych obok siebie detektorów 2 o określonej ilości diod 215 każdego z detektorów. Skanowany obiekt 4 jest przemieszczany z określoną prędkością przez wiązkę 3 (pomiędzy źródłem promieniowania X i linią detektora/ów), gdzie odczyt sygnałów - ze zbioru kolejnych linii szeregu detektorów 2 składa się sumarycznie na obraz definiujący skanowany obiekt 4.

Detektor 21 jest elementem przekształcającym promieniowanie X na światło widzialne za pośrednictwem kryształów scyntylacyjnych, po czym światło widzialne jest odbierane przez światłoczułe fotodiody 215, które generują sygnał przekazywany do modułu transmisji danych, który odpowiada za komunikację pomiędzy poszczególnymi modułami linijki detektorów, a komputerem klasy PC, służącym do zbierania danych. Detektor o wysokiej wydajności zbudowany jest z matrycy składającej się z światłoczułych fotodiod 215 ustawionych w rzędzie z opcją dwóch lub czterech diod obok siebie co pozwala na uzyskanie wielorzędowego modułu detekcyjnego. Ilość w rzędzie może wynosić 8, 16, 32, 64 i więcej wielokrotności 2 w zależności od rozmiaru pojedynczego piksela, które mogą być w rozmiarach; od 0,1 x 0,1 mm do 9 x 9 mm. Detektor składa się z przyłącza do modułu zbiorczego, zasilania, przyłącza wyzwalającego oraz dodatkowych gniazd wejścia/w yjścia. Kryształy scyntylacyjne, zbudowane z monolitycznego bloku odpowiadającemu rozmiarom fotodiod oraz podziałki ich rozmieszczenia, przyklejone są za pośrednictwem odpowiedniego światło przepuszczalnego kleju do fotodiod, gdzie wolne przestrzenie są zabezpieczone przed wpływem wilgoci do kryształu scyntylacyjnego. Każda z diod posiada bezpośrednio nad sobą kryształ oddzielony kolejno między pozostałymi kryształami oraz diodami przegrodami wykonanymi z tlenku tytanu lub innego materiału zapobiegającego wycieku/wpływu niepożądanego światła widzialnego. Grubość powłoki oraz podziałka uzależniona jest od podziałki fotodiod oraz strefy między obszarami aktywnymi fotodiody. Przegrody zabezpieczają dodatkowo kryształy przed wpływem wilgoci. Przykładowy materiał stosowany na scyntylatory to: Jodek Cezu domieszkowany Talem Csl (Tl) charakteryzujący się wysokim impulsem rozświetlenia, Wolframian Kadmu CdW O4 charakteryzujący się niską poświatą, Gadox Gd202 charakteryzujący się brakiem higroskopijności. Wysokość kryształu scyntylacyjnego uzależniona jest od energii promieniowania X. W przypadku wartości powyżej 3 MeV wysokość znajduje się w przedziale 30-70 mm.

Konstrukcja osłony 1 poprzez wykonanie komory 11 i zamontowanie trójkątnego profilu 13 z tego samego materiału co osłona oraz bocznych profili w kształcie litery L ma na celu nie tylko oddalenie od szeregu detektorów 2 - eliminację efektu wstecznego rozproszonego promieniowania - ale przede wszystkim poprzez zmianę kąta rozpraszania (na trójkątnym profilu 13) oraz tłumienie na profilach w kształcie litery L. Osłona 1 może być wykonana z ciężkiego materiału, stosowanego do pochłaniania promieniowania np. ołów (który posiada dobry stosunek ceny do poziomu skuteczności tłumienia promieniowania), ołów z domieszką antymonu (mający znacząco lepsze właściwości obróbki mechanicznej, wolfram (posiadający niewielkie grubości potrzebne to tłumienia w porównaniu do innych materiałów) czy beton (charakteryzujący się niską ceną). Osłona w części wewnętrznej może być pokryta dodatkowymi powłokami, np. 1-15 mm warstwą cyny, która w bardzo skuteczny sposób absorbuje promieniowanie odbite.

Możliwości przemysłowego zastosowania wynalazku przewiduje się do prześwietlania pojazdów i pociągów w skanerach cargo.

Claims (14)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. System detektora i układu przeciwrozproszeniowego promieniowania X, zwłaszcza do skanerów cargo z akceleratorem liniowym, zawierający akcelerator liniowy (5) zawierający kolimator szczelinowy (51) wytwarzający wachlarzową wiązkę promieniowania (3) skierowaną na szereg detektorów (2) złożonych z pojedynczych szeregów czujników scyntylatorowych, za którym to szeregiem umieszczona jest osłona (1), znamienny tym, że osłona (1) zawiera podłużną względem wachlarza wiązki (3) komorę (11), przy czym w osłonie (1) znajduje się podłużna względem, wachlarza wiązki (3) szczelina (12) prowadząca do komory (11), umieszczona za szeregiem detektorów (2), oraz że osłona (1) posiada podłużny trójkątny profil (13) umieszczony w komorze (11) przeciwległe do szczeliny (12) i skierowany krawędzią w kierunku szczeliny.
2. 2. System według zastrz. 1 znamienny tym, że komora (11) ma kształt prostopadłościenny, przy czym osłona (1) i trójkątny profil (13) zostały wykonane z pełnych kształtek.
3. 3. System według zastrz. 1 albo 2 znamienny tym, że kąt pomiędzy ścianami trójkątnego profilu (13) przylegającymi do krawędzi skierowanej do szczeliny (12) wynosi od 30 do 120 stopni.
4. 4. System według zastrz. 1 albo 2 albo 3 znamienny tym, że akcelerator liniowy (5) wytwarza promieniowanie X.
5. 5. System według zastrz. 4 znamienny tym, że zakres energii promieniowania wytwarzanego przez akcelerator liniowy (5) jest w zakresie od 1 MeV do 20 MeV.
6. 6. System według dowolnego z zastrz. od 1 do 5 znamienny tym, że osłona (1) wykonana jest ze stopów ołowiu.
7. 7. System według dowolnego z zastrz. od 1 do 6 znamienny tym, że osłona (1) wykonana jest ze stopów ołowiu z domieszką antymonu.
8. 8. System według dowolnego z zastrz. od 1 do 7 znamienny tym, że osłona (1) wykonana jest ze stopów ołowiu wolframu.
9. 9. System według dowolnego z zastrz. od 1 do 8 znamienny tym, że wewnętrzne ściany osłony (1) wyłożone są cyną.
10. 10. System według zastrz. 9 znamienny tym, że grubość powłoki cyny mieści się w zakresie od 1 mm do 15 mm.
11. 11. System według dowodnego z zastrz. od 1 do 10 znamienny tym, że przynajmniej jeden detektor (21) składający się na szereg detektorów zawiera matrycę fotodiod zespolonych z scyntylatorami (211).
12. 12. System według zastrz. 11 znamienny tym, że przynajmniej jeden scyntylator wchodzący w skład matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami (211) zawiera kryształ Jodku Cezu domieszkowanego Talem.
13. 13. System według zastrz. 11 albo 12 znamienny tym, że przynajmniej jeden scyntylator wchodzący w skład matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami (211) zawiera Wolframian Kadmu.
14. 14. System według zastrz. 11 albo 12 albo 13 znamienny tym, że przynajmniej jeden scyntylator wchodzący w skład matrycy fotodiod zespolonych z scyntylatorami (211) zawiera Gadox.