发明领域

本发明一般涉及基于扫描检测辐射的装置和方法。

发明背景和相关技术

业界已知用于检测电离辐射的各种线检测器。虽然这种检测器 可以提供瞬时的一维成像，但二维成像只能利用在与一维成像检测 器阵列交叉的方向上扫描线检测器或任选地扫描辐射源的方法进 行。通常每当记录一维图像，线检测器(以及任选地辐射源)就被移 动了对应于线检测器辐射敏感区宽度的距离。

如果要对大的区域成像，这种基于扫描的检测既费时又不实际。 被检查的对象在扫描时会移动，这严重降低了所获得的图像质量。 所以扫描要进行得尽可能快。但是仍然必须这样选择曝光，使得图 像具有高信噪比和高动态范围。

此外，空间分辨率常常是重要的参数。在许多检查中，需要获 得优于100微米的空间分辨率，例如50微米。这对使用的检测器提 出了非常高的要求：既要有狭窄的辐射敏感区，又要有很小的读出 元件或像素。或者，或另外，对辐射源以及为产生非常薄的平面电 离辐射束而采用的任何准直器也提出了非常高的要求。例如，要产 生厚度为50微米，强度中等的高质量平面X射线束，即便可能，也 极其困难。

发明概述

本发明的一个主要目的是提供一种基于扫描的电离辐射检测装 置和方法，它可以进行极高空间分辨率的测量，但对检测器和辐射 源的要求却并不太高。

在这方面本发明的具体目的是提供这样一种装置和方法，它们 既不复杂又能产生具有优异的信噪比、动态范围和图像对比度的高 质量二维图像。

本发明的又一目的是提供这样一种装置和方法，它们能够快速 扫描被检查的对象。

本发明还有另一目的是提供这样一种装置和方法，它们可靠、 准确而且便宜。

这些目的，以及其它目的，是通过如权利要求书中所述的装置 和方法来达到的。

发明人发现：通过提供一维检测器单元，其电离辐射敏感厚度 大于对检测器单元曝光的扇形电离辐射束的厚度，并通过控制所述 一维检测器单元的扫描，在扫描的每第n个长度单位获得扇形电离 辐射束的一维图像(其中n不低于所述长度单位下扇形射束厚度的 大致一半，但低于在同一长度单位下扇形射束厚度)，来实现在记 录的二维图像中具有高空间分辨率的基于扫描的检测，而不必提供 特别薄的发射束或极度狭窄的检测器。

扫描步长n最好显著低于扇形射束的厚度，更优选的是基本上 是扇形射束的一半厚度。

如果扇形射束的厚度大于一维检测器单元的辐射敏感厚度，则 将扫描步长设定为小于一维检测器单元辐射敏感厚度的数值，但不 要小于一维检测器单元辐射敏感厚度的一半。

一维检测器单元最好(但不限于)是基于气体的平行板检测器单 元。可以使用包括二极管阵列、基于闪烁器的阵列、CCD阵列、基于 TFT和CMOS的检测器、液体检测器、以及固态检测器(例如具有边缘， 近边缘或垂直入射x射线的一维PIN二极管阵列)的其它检测器单元。

从以下对本发明优选实施例的详细说明以及附图1-4中，就可 清楚了解本发明的其它特征和优点，附图仅是以说明方式给出，而 不是限制本发明。

附图简要说明

图1以侧视图的形式示意地说明按照本发明优选实施例的用于 基于扫描的x射线成像的装置。

图2是沿线A-A截取的图1的装置的一些部件的示意的放大的 截面图。

图3是按照本发明另一优选实施例的检测器装置的类似部件的 示意的放大的截面图。

图4是按照本发明又一优选实施例的检测器装置的类似部件的 示意的放大的截面图。

优选实施例说明

图1的装置从上到下包括x射线源11、滤波器装置12、扇形射 束准直器13、对象工作台或支座15和一维检测器单元16。

x射线源11是传统x射线管，它具有用以发射电子的阴极和随 着被电子轰击而发射x射线的阳极，其中，所述x射线管具有工作 电压(即阳极和阴极之间的电压降)、管电流(即阳极和阴极之间的电 流)和焦点尺寸(即在发射的x射线方向上电子冲击其上的阳极的投 影面积(未明示)。典型的焦点尺寸为0.1-1mm。从这种x射线源很 难产生厚度为大约50微米的高质量平面辐射束。

滤波器装置12位于x射线管11的正下方，滤波器装置12通常 包括用作滤波器的薄金属箔，用以吸收最低能量(有时也吸收最高能 量)的光子，这些光子对图像质量的影响不大。滤波器装置可以具有 可变光谱透射特性。

扇形射束准直器13可以是例如薄的钨箔，其上刻蚀出辐射透明 狭缝。所述狭缝和检测器单元16上相应的线形敏感区或入射缝对准， 使通过扇形射束准直器13狭缝的x射线能到达检测器单元16上的线 形敏感区或入射缝。狭缝宽度在图2中以bt1表示。由于扇形射束是 发散的，所以其厚度在到达检测器单元16时就较大(再参阅图2)。 如果从x射线管11到扇形射束准直器13的距离为大约45cm、从x 射线管11到检测器单元16的距离为大约65cm、焦点尺寸为300μm 以及准直器缝隙宽度bt1为大约70微米，则在检测器单元16上的射 束厚度将为大约100微米。这样适配缝隙的长度，使得射束到达检 测器单元16时具有适当大小的射束宽度，例如30-50mm。

检测器单元16更详细地示于图2并且这样取向，使得平面或扇 形x射线束24能侧向进入基本上是平面的阴极和阳极结构之间。每 个电极结构包括导电电极层25和27，它们由各自的介质衬底26、28 支撑，其中，这些电极结构这样取向，使得导电的阴极层25和阳极 层27互相面对。在检测器单元的前端设置辐射透明窗口30，以便形 成扇形射束24到检测器单元16的入口。

最好，介质衬底26、28和窗口30与后端壁30和未示出的侧壁 一起，限定一个能够填充可电离气体或气体混合物的气密范围。或 者，将电极结构设置在外部的气密外壳中(未示出)。可电离气体或 气体混合物包括例如氪和二氧化碳或氙和二氧化碳。

检测器单元16还包括读出结构，后者包括各单独读出元件的一 维阵列(未明示)，用于记录扇形射束24的一维图像。通常将读出结 构和阳极结构结合在一起。检测器单元16还可以包括电子雪崩放大 能力，以便记录非常低通量的x射线，或以高效率检测单一x射线。

当使用雪崩放大时，一维检测器单元16具有最大电离辐射敏感 厚度或高度dt，即辐射束的最大厚度，这显著地影响检测器单元16 所检测的信号，所述厚度或高度通常小于导电电极层25、27之间的 距离(与扇形射束到达检测器单元16时的厚度bt2无关)。所以，如 果扇形射束到达检测器单元16时的厚度bt2小于厚度dt，则检测器 单元16感受到的射束辐射敏感厚度为bt2，而如果扇形射束到达检 测器单元16时的厚度bt2大于厚度dt，则检测器单元16感受到的 射束辐射敏感厚度为dt。

在检测器的示范实施例中，各电极之间的距离为200-2000微米， 辐射敏感厚度dt为100-1500微米，检测器的深度(即在辐射束24方 向上的长度)为10-100mm，检测器的厚度(即垂直于图2平面的长度) 为20-200mm。

在图1装置的另一方案中，检测器单元用以下这种检测器结构 来代替：所述结构包括多个一维检测器单元，它们分布在一维或二 维阵列中。扇形射束准直器13则由具有多个辐射透明狭缝(每个检 测器单元一个狭缝)的准直器来代替。狭缝具有这样的尺寸和取向， 使得每个检测器单元暴露在各自的扇形x射线束之下。利用这种方 案，扫描距离和时间可以显著缩短。

有关用于本发明的不同种类的基于气体的检测器单元的详情， 可参阅Tom Francke等人的转让给瑞典Xcounter AB的以下美国专利： No.6,118,125；No.6,373,065；No.6,373,482；No.6,385,282； No.6,414,317；No.6,476,397；和No.6,477,223，这些专利已作为参 考包括在本文内。

X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16都固定在共 用的E臂17上，而E臂17又利用轴19在大约X射线管11的高度处 可旋转地安装到垂直机架18上。这样，X射线管11、扇形射束准直 器13和检测器单元16可以以共同旋转运动的形式相对于设置在对象 工作台15上的检测对象运动，以便扫描对象并产生其二维图像。旋 转运动用箭头23示意。

对象工作台15牢固地固定在支架20上，支架20又牢固地固定 在垂直机架18上。为此，E臂17上设置有凹入部分等(以虚线表示)。 扫描时，对象保持静止不动。

应理解，可以这样修改和设置图1的检测器装置，以便X射线 管11、扇形射束准直器13和检测器单元16相对于被检查对象做线 性运动。这种线性扫描运动在图2中以箭头23a示意。或者，扇形射 束准直器13和检测器单元16可以相对于被检查对象在水平平面上旋 转，如在图2中箭头23b所示意。这种基于旋转的扫描在美国专利 No.6,067,342(Gordon)和No.5,025,376(Bova等)中已公开，这些专 利的内容已作为参考包括在本文内。

还应理解，可以这样修改图1的装置，使得扫描时对象移动， 而X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16则保持静止不 动。

此外，检测器装置包括：配备有适用软件的微处理器或计算机 21，用于控制所述装置并读出和后处理来自线检测器单元16的信号； 以及电源22，用于向检测器单元和微处理器或计算机21提供电源， 并且用于驱动设置在垂直机架18内用来驱动主轴19从而驱动E-臂 17的步进电机等。

工作时，x射线从X射线管11发射出来并通过滤波器装置12。 只有通过扇形射束准直器13狭缝的x射线经过对象。在对象中，x 射线光子可以被透射，吸收或散射。透射的x射线离开对象进入检 测器单元16并被检测。根据所述检测来形成对象的一维图像。

扫描时，固定X射线管11、扇形射束准直器13和检测器单元16 的E-臂17做旋转运动，使检测器单元在基本上平行于对象工作台15 的方向上扫描对象。在规律的移动间期，即在移动距离ss处，读出 检测信号并存储在微处理器21的存储器内。当X射线源以及扫描停 止时，对象的许多一维图像由微处理器21形成并组合在一起，创建 成对象的二维图像。

在另一种扫描技术中，E-臂17相对于对象做分段运动，一维 检测器单元16进行检测，而在各分段运动之间静止不动。

每次扫描具有步长ss，如图2中箭头23所示。在如图2所示的 情况下，此时一维检测器单元16具有的电离辐射敏感厚度dt大于电 离辐射扇形射束24的厚度bt2，按照本发明，将微处理器21适合于 在扫描时控制一维检测器单元16的检测，以便在移动的每第n个长 度单位ss获得电离辐射扇形射束24的一维图像，其中n是所述长度 单位中不低于厚度bt2的一半，但低于在所述同一长度单位中的厚 度bt2。换句话说，扫描步长ss可以定义为：

～0.5bt2≤ss＜bt2                    (1)

假定bt2＜dt                          (2)

这样可以保证二维图像中的高空间分辨率。

最好扫描步长ss显著低于在所述长度单位中电离辐射扇形射束 24的厚度bt2，以改进由扫描所形成的多个一维图像所创建的二维图 像的空间分辨率。如果扫描步长ss基本上是电离辐射扇形射束24 的厚度bt2的一半，就可获得最佳空间分辨率。

假定射束厚度bt2为大约100微米，扫描步长ss应低于100微 米，最好显著低于100微米，但不应低于大约50微米。扫描步长ss 为50微米时获得最佳空间分辨率。

但如果所用的一维检测器单元16具有的电离辐射敏感厚度dt 小于电离辐射扇形射束24的厚度bt2(未示出)，按照本发明，微处 理器21适合于在扫描时控制一维检测器单元16的检测，以便在移动 的每第i个长度单位ss获得电离辐射扇形射束24的一维图像，其中 i在所述长度单位中不低于一维检测器单元16的电离辐射敏感厚度dt 的一半，但低于在所述同一长度单位中的电离辐射敏感厚度dt。换 句话说，扫描步长ss可以定义为：

～0.5dt≤ss＜dt                    (3)

假定bt2＞dt                        (4)

扫描步长最好显著低于电离辐射敏感厚度dt，更优选的是基本 上为电离辐射敏感厚度dt的一半。

在本发明的优选方案中，扫描步长ss是在厚度bt2或厚度/高 度/宽度dt之中最小者的0.5到0.8倍之间，优选的是0.5到0.7倍 之间，更优选的是0.5到0.6倍之间，最优选的是0.5倍。

当扫描步长ss减小到低于厚度bt2或厚度/高度/宽度dt之中 最小者，空间分辨率逐渐得到改进(代价是扫描时间较长)，直到扫 描步长ss等于厚度bt2或厚度/高度/宽度dt之中最小者的一半。如 果扫描步长继续减小，空间分辨率不会再有改进。

应理解，虽然在以上的描述中已经以基于气体的检测器单元的 形式说明了检测器单元，其中自由电子在基本上垂直于入射电离的 方向上漂移，但本发明并不限于这一种检测器。事实上，任何种类 的检测器都可用于本发明，只要它是一维检测器，能够记录它所接 收的电离辐射的一维图像即可。这种检测器的实例包括基于闪烁器 的检测器、PIN二极管阵列，TFT(薄膜晶体管)阵列、CCD(电荷耦合 器件)阵列、CMOS电路以及任何其它类型的半导体器件。

图3是类似于图2的截面视图的放大的截面示意图，但该图解 说明基于线性半导体阵列16’的检测器装置。半导体阵列的辐射敏感 厚度或宽度，即与阵列延伸成正交的尺寸，用dt表示。应当指出， 该图说明以下情况：在PIN二极管阵列入口处，平面辐射束24的厚 度bt2大于线性半导体阵列宽度dt。

图4是类似于图2-3的截面视图的放大的截面示意图，但该图 说明基于PIN二极管阵列16”的检测器装置。所述检测器包括掺杂的 硅板31，其在一个表面上携带均匀的金属层25”，而在相对的表面 上携带金属多带层27”。检测器装置相对于入射辐射束倾斜，所以辐 射束以锐角照射到检测器装置的均匀金属层25”上。在硅板31中， 入射辐射与其相互作用，造成电子和空穴。在金属层25”、27”上加 适当的电压，电子和空穴被驱向硅板31的相反表面，在金属多带状 层27”上检测电子或空穴并对其进行空间分辨。

应当指出，图4图解说明以下情况：在PIN二极管阵列入口处， 平面辐射束24的厚度bt 2小于有源PIN二极管阵列宽度dt，而所述 宽度取决于PIN二极管阵列的深度和倾斜角。

也可以选择将又一准直器设置在检测器之前(即，待成像的对象 的下游)，这样可以限定电离辐射敏感厚度dt。

还应理解，本发明同样适用于记录从对象散射的，而不是对象 透射的辐射二维图像。