DE3719923C2 - Bilderzeugungsvorrichtung, insbesondere für Materialien mit geringer Ordnungszahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung, insbesondere einen Röntgenbildgenerator, der dazu geeignet ist, dem Betrachter Informationen über das Vorhandensein sowie die äußeren Umrisse von Materialien mit geringer Ordnungszahl in einem be­ trachteten Objekt zu geben.

Ursprünglich sind Röntgenstrahlen in der Medizin zur Untersuchung des menschlichen Körpers verwendet worden. Außerdem fanden sie auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Untersuchung (oder NDT), insbesondere bei unbelebten Objekten Verwendung. Auch auf dem Gebiet der Sicherheitsüberprüfung, beson­ ders an Flughäfen und anderen sicherheitsempfindlichen Bereichen, sind Röntgenstrahlen zur Entdeckung von gefährlichen Gegenständen geeignet. Dies trifft insbesondere auf relativ dichte Objekte wie Waffen, Bomben oder ähn­ liches zu. Die Erfahrungen haben gezeigt, daß ein Sicherheitsoffizier oder son­ stiger Betrachter leicht verschiedene Formen (z. B. eine Pistole) oder Umrisse (Bomben) erkennen kann, wenn das Röntgenbild in geeigneter Form z. B. in Schattendarstellung erzeugt wird.

Jedoch bestand seit der frühen Anwendung der Röntgenstrahlen auf dem Gebiet der Sicherheit das Problem, daß bestimmte Materialien, die für einen Sicher­ heitsoffizier von Interesse sind, mit der herkömmlichen Technik nicht er­ kannt werden können. Der Grund liegt hauptsächlich darin, daß diese Gegen­ stände keine Schattenbilder erzeugen. Eine Klasse solcher Materialien sind Drogen und andere Narkotika, deren Entdeckung wünschenswert ist, seit der Besitz dieser Stoffe durch Gesetz geregelt ist. Andere Artikel, die für eine Ent­ deckung von Interesse sind und bisher nicht dargestellt werden konnten sind Früchte und Gemüse. Außerdem können explosive Stoffe, die ein Hauptgrund der Untersuchung sind, unter Verwendung der herkömmlichen Röntgenmetho­ de nicht klar erkannt werden. Auch sind kürzlich neue Arten von Waffen aufge­ taucht, die nicht sicher entdeckt werden können, insbesondere solche aus Plastik im Gegensatz zu Metall.

Die Gemeinsamkeit der oben erwähnten Stoffe ist ihre relativ geringe Atom­ zahl (geringe Ordnungszahl Z). Es gibt weitere Materialien, die in diese Klasse mit geringer Ordnungszahl Z fallen, deren Darstellbarkeit wünschenswert wäre, was aber mit den gegenwärtigen Geräten und Verfahren schwierig ist.

Die DE 34 06 905 A1 zeigt ein Röntgengerät mit einer Detektoranordnung, die in Richtung eines Röntgenstrahls hinter einem zu durchstrahlenden Objekt angeordnet ist. Die Detektoranordnung umfaßt einen ersten De­ tektor zur Erzeugung eines Transmissionsbildes und eine Vielzahl von weiteren Detektoren zur Erzeugung von Vorwärtsstreubildern. Die einzel­ nen Detektoren werden dabei nacheinander mittels eines Multiplexers an eine Signalverarbeitungsschaltung angelegt, der als Anzeigeeinrichtung ein Bildschirm zugeordnet ist.

Bei der Erzeugung von Vorwärtsstreubildern aus den Streusignalen eines der weiteren Detektoren, werden die Streusignale entsprechend der Schwächung des vom ersten Detektor zur Erzeugung von Transmissions­ bildern erfaßten Primärstrahlenbündel korrigiert.

Ein konventionelles Verfahren zur Darstellung von Stoffen mit hoher Ord­ nungzahl Z, das auf dem Gebiet der Sicherheit verwendet wird, ist beispiel­ haft von Stein et al in den US-Patentschriften RE 28 544 und 4 031 545, so­ wie in Stein et al "Flying Spot X-Ray Imaging Systems", erschienen in "Ma­ terials Evaluation", Vol. 30. No. 7, Juli 1972, Seiten 137 ff dargestellt. Ins­ besondere ist dort eine Bilderzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen a-d des Anspruchs 1 und unabhängig davon eine andere Bilderzeugungsvor­ richtung mit den Merkmalen a-c und f des Anspruchs 1 gezeigt.

Das beschriebene System enthält im allgemeinen eine Röntgenquelle, die einen sich ausbreiten­ den Nadelstrahl erzeugt und so angeordnet ist, daß sie eine Zeile im Raum abta­ sten kann. Ein Röntgendetektor befindet sich auf dieser Zeile im Raum und die von ihm erzeugten Signale werden zum Betreiben eines Videobildschirmes ver­ wendet. Das zu beobachtende Objekt (lebend oder unbelebt) wird relativ lang­ sam hinter der Zeile im Raum vorbeigeführt, so daß die Signale des Detektors über eine bestimmte Zeitperiode ein Röntgen-Schattenbild erzeugen. Dieser De­ tektor soll im folgenden als Strahldetektor für Transmission in Vorwärtsrich­ tung bezeichnet werden, da er die Röntgenstrahlen erfaßt, die durch das be­ obachtete Objekt ohne Richtungsänderung hindurchtreten. Diese Art der Vor­ richtung erkennt leicht Stoffe mit hoher Ordnungszahl Z, da solche Stoffe in hohem Maße Röntgenstrahlen absorbieren. Demzufolge kann das auf dem Vi­ deobildschirm erzeugte Schattenbild durch die besondere Form des Schattens bei Stoffen mit hoher Ordnungszahl Z leicht zur Identifizierung der Form solcher Materialien verwendet werden. Fig. 1 der Patentschrift 4,031,545 zeigt ebenso wie Fig. 5 der Stein et al-Veröffentlichung ein solches typisches Bild.

In der US-PS-RE 28 544 ist in Absatz 3, Zeile 10 ausgeführt:

"Auch wenn der Detektor 25 [für Transmission in Vorwärtsrichtung] zur Erfas­ sung der durch das Objekt hindurchtretenden Strahlung hinter dem Objekt ge­ zeigt ist, so gehört auch eine Lage des Detektors im Bereich zwischen der Strah­ lungsquelle und dem abgetasteten Objekt zur Erfassung der gestreuten Energie zur Offenbarung der Erfindung. Mit Hilfe dieser Anordnung können verdeckte Objekte mit verschiedenen Streucharakteristiken von ihrer Umgebung unter­ schieden werden."

Die Stein et al-Veröffentlichung erwähnt einen Detektor für rückgestreute Strahlung und in Fig. 3 ist ein entsprechendes Videobild gezeigt. Weiterhin heißt es in der Patentschrift 28 544:

"Darüber hinaus kann eine Vorrichtung entsprechend, der Erfindung Detekto­ ren sowohl vor als auch hinter dem abgetasteten Objekt zur gleichzeitigen Er­ zeugung von Signalen für hindurchgelassene und gestreute Energie erhalten. Durch geeignete Kombination solcher Signale können die Möglichkeiten des Systems zur Erfassung einer Vielzahl von verdeckten Objekten verbessert wer­ den."

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Röntgen­ strahlbilderzeugung und -darstellung zu schaffen, die speziell dazu geeignet ist, einem Betrachter die für die Identifizierung von Stoffen mit geringer Ordnungs­ zahl Z erforderlichen Informationen zu liefern. Insbesondere son ein deutli­ ches Schattenbild erzeugt werden, das eine leichte Erkennbarkeit der Gestalt solcher Objekte gestattet. Die erfindungsgemäßen Lösungen dieser Aufgabe sind in alternativen Grundkonzepten in den Patentansprüchen 1 und 5 angege­ ben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des jeweiligen Erfindungsgedankens zum Inhalt.

Die Erfindung hat mit der US-PS-RE 28 544 die Verwendung von Detektoren für Transmissionstrahlung in Vorwärtsrichtung und solchen für rückgestreute Strahlung gemeinsam. Darüber hinaus wird in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein zusätzlicher Detektor für in vorwärtiger Richtung gestreute Ener­ gie verwendet.

Während der aktive Bereich des Detektors für Vorwärtstransmission nur (in einer ersten Ebene senkrecht zur Richtung zwischen Quelle und Detektor und in dieser Ebene in einer Richtung senkrecht zur Abtastbewegung) genausogroß zu sein braucht, wie der des be­ leuchtende Strahl (da sein Zweck nur die Erfassung der Strahlung ist, die un­ verändert in der Richtung vorhanden ist, aus der sie von der Quelle ausgesandt wurde), ist der aktive Bereich des Rückstreu-Detektors größer (in paralleler Richtung in einer zweiten Ebene parallel zu der ersten Ebene), da sein Zweck die Erfassung von rückgestreuter Energie ist. Da der Streuwinkel veränderlich ist, wird der aktive Bereich des Rückstreu-Detektors vorzugsweise in seinen Ab­ messungen in der parallelen Ebene und senkrecht zur Abtastrichtung vergrö­ ßert. Der Detektor für Vorwärtsstreuung ist ebenfalls dazu geeignet, gestreute Energie zu erfassen, d. h. Energie, die unter verschiedenen Winkeln vom Objekt einfällt. Entsprechend liegt der Detektor für Vorwärtsstreuung in oder nahe der ersten Ebene und hat ebenso wie der Rückstreu-Detektor und im Gegensatz zum Vorwärts-Transmissionsdetektor vergrößerte Abmessungen.

Im Gegensatz zur Lehre nach der US-PS-RE 28 544 kombiniert die vorliegende Erfindung jedoch nicht die Signale aller Detektoren miteinander. Vielmehr werden die Signale von jedem der in der Erfindung verwendeten Detektoren ge­ trennt, unabhängig und gleichzeitig in Form eines Videobildes dargestellt. Die Abbildungen sind unabhängig in der Hinsicht, daß Jede Abbildung durch ein entsprechendes Signal erzeugt wird, ohne daß andere Daten dazu addiert wer­ den. Die Signale sind jedoch das Ergebnis eines gemeinsamen Beleuchtungs­ strahls. Die Anmelder haben jedoch herausgefunden, daß aus Gründen, die wei­ ter unten erklärt werden, die Versuche zur Kombination von Signalen von ver­ schiedenen Detektoren den Nachteil der Verdeckung wichtiger Informationen, die in den einzelnen Signalen vorhanden waren, haben. Die Anmelder haben gezeigt, daß Stoffe mit geringer Ordnungszahl Z, wie Plastikwaffen, Narkotika oder andere organische Stoffe leicht wie folgt identifiziert werden können:

• 1. Erzeugung eines laufenden Nadelstrahles, wie in der Patentschrift 28 544 beschrieben,
• 2. geeignetes Lokalisieren und Erzeugen von Signalen von mindestens zwei der folgenden Detektoren: Vorwärtstransmissions-Detektor, Detektor für Vor­ wärtsstreuung und Rückstreudetektor, durch,
• 3. getrenntes, unabhängiges und gleichzeitiges Anzeigen von Bildern, die von Signalen von zwei oder allen drei Detektoren erzeugt werden.

In einer die Sicherheitsanforderungen erfüllenden Ausführungsform werden die bei der Abtastung eines Objektes von den Detektoren erzeugten Signale in Echtzeit angezeigt. Für andere Zwecke (wie NDT oder ähnliche) können die De­ tektorsignale jedoch auch im Echtzeitbetrieb aufgezeichnet und zu einer späte­ ren Zeit wiedergegeben werden.

Erläuterungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich­ nung. Es zeigt:

Fig. 1 und Fig. 2 dreidimensionale schematische Darstellungen einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung, unter Verwendung je eines Detektors für transmit­ tierte und rückgestreute Strahlung mit den dazugehörigen Anzeigeeinheiten;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung je eines Detektors für transmittierte, rückgestreute und in vorwärtiger Richtung gestreute Strahlung und die dazugehörigen Anzeigeein­ heiten;

Fig. 3A eine Ausschnittvergrößerung von Fig. 3, die Einzelheiten der Detekto­ ren zeigt:

Fig. 4 bis Fig. 6 schematische Darstellungen der Fälle, die im inneren eines be­ trachteten Objektes bei Einfall einer Strahlung 30 auftreten können, d. h. eine Rückstreuung, Streuung in vorwärtiger Richtung und Absorption:

Fig. 7 und Fig. 8 Bilder, die aus den Signalen der Detektoren für vorwärtstrans­ mittierte und rückgestreute Strahlung gemäß der Erfindung entstanden sind; und

Fig. 9 eine Darstellung einer Ausführungsform ähnlich der in Fig. 3 gezeigten mit zusätzlicher Verwendung eines Rekorders 400.

Fig. 1 zeigt eine isometrische Darstellung einer Ausführungsform (die nicht der Erfindung entspricht), die zur Erzeugung entsprechender unabhängiger Darstellungen auf der gleichzeitigen Erfassung der vorwärtstransmittierten und rückgestreuten Röntgenstrahlen beruht. Im einzelnen ist ein Gehäuse 160 an einem Förderband 80 aufgestellt; das Gehäuse 160 enthält eine Röntgenstrahlquelle und eine Vor­ richtung zur abwechselnden Formung eines Flächenstrahles und eines wan­ dernden Nadelstrahles aus der von der Quelle emittierten Strahlung. Die Vor­ richtung ist so angeordnet, daß der Nadelstrahl wiederholt eine Linie im Raum überstreichen kann, auf der ein Detektor 50 für transmittierte Strahlung liegt. Benachbart zu dem Ort, an dem der wandernde Nadelstrahl austritt, befindet sich ein Rückstreu-Detektor 25 mit Detektorelementen 25A und 25B, die beider­ seits des Schlitzes angeordnet sind, durch den der wandernde Nadelstrahl austritt. Das Gehäuse 160 enthält außerdem elektronische Baugruppen zur Ver­ arbeitung der von dem Detektor 50 für Vorwärtstransmission und dem Rück­ streudetektor 25 erzeugten Signale. Im allgemeinen dienen die elektronischen Baugruppen der analog/digital Wandlung und Abtastung, um ein für die Video­ anzeige geeignetes elektrisches Signal zu erzeugen. Auf oder neben dem Gehäuse 160 sind ein Bildschirm 502 für transmittierte Strahlung und ein Bildschirm 252 für rückgestreute Strahlung angeordnet. Die in Fig. 1 gezeigten aktiven Komponenten sind in Fig. 2 in Form von schematischen Darstellungen genauer gezeigt. Im einzelnen erzeugt eine Röntgenstrahlquelle 15 eine kegel- oder fächerförmige Röntgenstrahlung, die auf eine für Strahlung undurchlässige Platte 20 mit einem Schlitz 21 darin gerichtet wird. Durch den Schlitz 21 tritt ein flächenförmiger Röntgenstrahl aus, der eine rotierende Scheibe 22 passiert, die mit einem oder mehreren gleichen Schlitzen 24 versehen ist. Wie in der Patentschrift 28 544 beschrieben ist, hat der aus der Platte 20 austretende Flächenstrahl genügende Größe, um etwa die Hälfte der rotierenden geschlitz­ ten Scheibe 22 zu beleuchten. Während sich die Scheibe 22 dreht, überstreicht ein Schlitz 24 den Flächenstrahl und läßt einen Nadelstrahl 30 passieren. Der von dein Schlitz 24 ausgehende Nadelstrahl 30 überstreicht beim Drehen der Scheibe eine Linie im Raum. Entlang dieser Raumlinie befindet sich ein Detek­ tor 50 für transmittierte Strahlung. Der Detektor 50 ist jenseits der Scheibe 22 in genügendem Abstand angeordnet, so daß ein zu betrachtendes Objekt 40 da­ zwischen hindurchlaufen kann.

Das Förderband 80 bewegt das Objekt 40 in eine Richtung 81, die im allge­ meinen senkrecht zu der Linie im Raum ist, auf der der Detektor 50 angeordnet ist und zur Richtung des Nadelstrahls. Entsprechend der Drehung der Scheibe 22 überstreicht der Nadelstrahl 30 die Linie im Raum, auf der der Detektor 50 angeordnet ist. Das Förderband 80 bewegt das Objekt 40 senkrecht zu dieser Raumlinie in der Richtung 81 mit einer solchen Geschwindigkeit, daß der vorn Objekt 40 ausgehende transmittierte Strahl zur Erzeugung eines Schattenbildes des Objektes 40 und seines Inhaltes verwendet werden kam. Das mit der Re­ lativbewegung des Objektes in einer Richtung kombinierte Abtasten mit dem Nadelstrahl 30 bewirkt eine Rasterabtastung des Objektes. Bis zu dem Maße, in dem in Fig. 2 eine Röntgenstrahlquelle, Vorrichtungen zur Bildung eines wan­ dernden Nadelstrahls, ein Detektor für Vorwärtstransmision und die dazuge­ hörigen elektronischen Bauteile und Anzeigeeinheiten gezeigt sind, können diese Komponenten mit der in der Patentschrift 28 544 gezeigten Vorrichtung identisch sein. Zusätzlich jedoch ist in Fig. 2 ein Detektor 25 für Rückstreuung gezeigt, der näher an der Quelle 15 liegt als das Objekt 40. Vorzugsweise besteht der Rückstreudetektor 25 aus zwei Teilen, wie zum Beispiel den Detektorele­ menten 25A und 25B, die beidseitig des Schlitzes angeordnet sind, durch den der wandernde Nadelstrahl von der Quelle 15 austritt. Außerdem sind Abschir­ mungen vorgesehen, so daß der Detektor 25 (bzw. seine Elemente 25A und 25B) nicht der direkten Bestrahlung durch den wandernden Nadelstrahl 30 ausge­ setzt sind. Die Detektorelemente 25A und 25B sprechen auf rückgestreute Strahlung an (was in Verbindung mit Fig. 4 gezeigt werden wird) und erzeugen dementsprechende Signale. Diese Signale werden den dazugehörigen elektroni­ schen Komponenten 251 zugeführt, wo sie summiert werden können und zur Bildung eines Videosignales zum Betreiben einer Abbildungsvorrichtung oder eines Bildschirms 252 für rückgestreute Strahlung verwendet werden.

Wie schon beschrieben wurde, sind die Verwendung einer einzigen Quelle zur Erzeugung des wandernden Nadelstrahles und mindestens zwei von drei Detektoren vorgesehen. In den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 sind ein Detektor 50 für transmittierte Strahlung und ein Detektor 25 für rückgestreute Strahlung vorgesehen. Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die alle drei Detektoren ver­ wendet. Insbesondere zeigen die gleichen Bezugsziffern in den Fig. 2 und 3 ein­ ander entsprechende Teile. Fig. 3 unterscheidet sich von der in Fig. 1 und 2 ge­ zeigten Ausführungsform durch die Verwendung eines Detektors 60 für in vor­ wärtiger Richtung gestreute Strahlung, dieser Detektor besteht wiederum aus zwei Elementen 60A und 60B. Wie in Fig. 3A zu erkennen ist, befinden sich die Detektorelemente 60A und 60B des Detektors für Vorwärtsstreuung nahezu in der gleichen Ebene wie der Detektor 50 für vorwärtstransmittierte Strahlung, auch wenn dies nicht notwendig ist. Jedoch sind sowohl der Detektor 60 für Vorwärtsstreuung als auch der Detektor 50 für transmittierte Strahlung weiter von der Quelle 15 entfernt als das Objekt. Die von dem Detektor 60 erzeugten Signale werden entsprechenden elektronischen Baugruppen 601 zugeführt, wo sie zum Betreiben eines Bildschirmes 602 summiert werden. Im Prinzip kön­ nen die elektronischen Baugruppen 501, 601 bzw. 251 für transmittierte Strahlung, in vorwärtiger Richtung gestreute Strahlung bzw. rückgestreute Strahlung für die schon beschriebene Analog/Digitalwandlung und Abtastung zur Erzeugung eines geeigneten Videosignals identisch sein. Die einzigen Unter­ schiede zwischen diesen Baugruppen sind die Signale, die sie treiben. Fig. 3 zeigt, daß die Signale jedes Detektors (50, 60 bzw. 25) getrennt und unabhängig voneinander zur Erzeugung entsprechender Videobilder auf den Anzeigevor­ richtungen 502, 602 bzw. 252 verwendet werden.

Fig. 3A ist eine Vergrößerung des in Fig. 3 gestrichelt gezeichneten Teiles und enthält ein Element 60A des Detektors 60 und den Detektor 50. Wie in Fig. 3A gezeigt, enthält das Element 60A ein aktives Teil 61. Das aktive Teil 61 hat eine aktive Region, die sich in zwei Dimensionen erstreckt, von denen eine senk­ recht zur Zeichenebene steht und die andere parallel zum Pfeil 60B verläuft. Die Länge des Pfeiles 60B zeigt die Länge dieser Dimension der aktiven Regionen des Teiles 61. Im Gegensatz dazu kann entsprechend einer Ausführungsform der Er­ findung der Detektor 50 aus einem Detektor mit einem aktiven Teil 51 ähnlich dem Element 60A bestehen, jedoch um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene rotiert werden, so daß eine Dimension der effektiven, aktiven Region dem Pfeil 50B entspricht; es sollte beachtet werden, daß in dieser Richtung die effektiven, aktiven Regionen der Teile 61 und 51 grundsätzlich verschieden sind. Daraus wird deutlich, daß das Detektorelement 51 nur eine so große effektive aktive Region zu haben braucht, um die Ausdehnung (50B) des beleuchtenden Nadel­ strahles 30 zu umfassen. Andererseits ist es vorzuziehen, daß die effektiven, aktiven Regionen der Detektoren für Streustrahlung wesentlich größer sind, da ihr Zweck die Aufnahme von unter sehr verschiedenen Winkeln gestreuter Strahlung ist. Somit sind die Abmessungen des Detektors 50 im wesentlichen gleich dem Querschnitt des Strahles 30; die Streustrahlungsdetektoren 25 und 60 hingegen sind in ihren Abmessungen wesentlich größer.

Auch liegt es im Bereich der Erfindung, in Fig. 3 z. B. den Detektor 50 und die dazugehörigen elektronischen Komponenten zu entfernten, so daß nur zwei Bilder ent­ sprechend der vorwärts und rückwärts gestreuten Strahlung gezeigt werden. Bei dieser Erfindung ist es wesentlich, daß die zwei oder drei Bilder von demselben wandernden Röntgenstrahl, der ein einzelner Strahl ist, abgeleitet werden. Da­ durch wird sichergestellt, daß das Signal jedes Detektors zu jeder beliebigen Zeit mit nur einer Sichtlinie durch das Objekt verbunden ist.

Wie schon beschrieben wurde, ist das Bild des transmittierten Strahles tatsäch­ lich ein Schattenbild, wie auch in der Patentschrift 28 544 dargestellt. Die von Rück- und Vorwärtsstreuung erzeugten Bilder entstehen andererseits aus insbe­ sondere durch den Compton-Effekt in die entsprechenden Detektoren gestreu­ ten Röntgenstrahlung.

Die Vorteile der Erfindung werden deutlich, wenn man sich die Reihenfolge der Schritte betrachtet, in denen ein einzelnes Element oder Pixel des Bildes er­ zeugt wird. In Fig. 4 ist ein Nadelstrahl 30 gezeigt, der teilweise in ein Objekt 40 eintritt, bis er zum Punkt P gelangt. Auf seinem Weg durch das Objekt 40 wird der Nadelstrahl 30 gedämpft, wobei der Betrag der Dämpfung von dem Material abhängt, das im Ausbreitungsweg liegt. Die Dämpfung kann in reiner Ab­ sorption (in diesem Fall werden ein oder mehrere Röntgenstrahlphotonen voll­ ständig entfernt und können keinen Beitrag mehr zur direkten oder gestreuten Bilderzeugung liefern. Fig. 6) oder in Streuung bestehen. In dem Ausmaß, wie einige Photonen nicht den Transmissions-Detektor für eine bestimmte Sicht­ linie erreichen, stellt das resultierende Bild das Fehlen solcher Photonen dar. In der folgenden Beschreibung soll angenommen werden, daß diejenigen Photo­ nen, die den Detektor erreichen, das Bild erhellen: diese Art der Darstellung ist üblich aber nicht notwendig. Man könnte genausogut das Vorhandensein von den Detektor erreichenden Photonen zur Verdunkelung des Bildes verwenden: das entscheidende Kriterium ist der erzielte Bildkontrast, wobei fehlender Kon­ trast es schwierig oder unmöglich macht, ein erkennbares Bild zu erzeugen. Im folgenden soll die herkömmliche Verarbeitung angenommen werden, so daß dunkle Objekte entsprechend ihrem Schatten das Bild verdunkeln. Für weniger dichte Objekte wird möglicherweise nicht genug Kontrast erzeugt, um Umrisse zu erkennen. Einige Photonen werden in einem solchen Maße gestreut. (Fig. 4 oder Fig. 5), daß der gestreute Strahl nicht von einem Detektor erfaßt wird und somit auch nicht zur Bilderzeugung beiträgt. Zum Bildaufbau tragen nur dieje­ nigen Strahlteile bei, die von dem entsprechenden Detektor erfaßt worden sind. In jedem Fall kann der gedämpfte Strahl gestreut werden, wenn er in ein Objekt eindringt. Die gestreuten Photonen können wiederum nur dann den Detektor erreichen, wenn sie nicht absorbiert oder ein zweites Mal gestreut werden. Dem­ zufolge hängt die Wahrscheinlichkeit der Entdeckung eines kleines Teils inner­ halb eines Objektes von drei Faktoren ab:

• 1. der Wahrscheinlichkeit der Absorption eines Röntgenstrahlphotons durch einen Teil des von ihm durchlaufenen Objektes, bevor es die Probe er­ reicht.
• 2. der Wahrscheinlichkeit der Streuung eines Röntgenstrahlphotons inner­ halb der Probe und
• 3. der Wahrscheinlichkeit, daß das gestreute Röntgenstrahlphoton auf seinem Weg beim Verlassen des Objektes absorbiert (oder vom entsprechenden Streu-Detektor weggestreut) wird.

Es sollen nun die relativen Streusignale von Materialien mit hoher und gerin­ ger Odrnungszahl Z betrachtet werden. Allgemein haben alle Stoffe pro Ge­ wichtseinheit ähnliche Streucharakteristiken. Wenn folglich zwei Stoffe die­ selbe Dichte haben, ist auch der Faktor 2 unabhängig von der Atomzahl (Z) der­ selbe. Ein Stoff mit hoher Ordnungszahl Z würde jedoch in Abhängigkeit von der entsprechenden Atomzahl für Röntgenstrahlphotonen im normalen Ener­ giebereich (z. B. von 30 KeV bis 100 KeV) eine wesentlich größere Absorp­ tionswahrscheinlichkeit haben. Folglich sind die mit 1 und 3 bezeichneten Wahrscheinlichkeiten für Stoffe mit großem und kleinem Z sehr unterschied­ lich. Stoffe mit großem Z absorbieren mehr Röntgenstrahlphotonen als solche mit kleinem Z, was zu einem wesentlich größeren Signal pro Masseneinheit bei Stoffen mit kleinem Z führt. Folglich sind Stoffe mit kleinem Z in der Rück­ streu-Abbildung wesentlich deutlicher als Stoffe mit großem Z, deren Abbil­ dung aufgrund transmittierter Strahlung wesentlich deutlicher ist. Beide Ab­ bildungen zusammen bieten dem Betrachter wesentlich bessere Informationen von den Bestandteilen eines Objektes oder seiner inneren Konstruktion.

Auch wenn obige Betrachtungen für Vorwärtstransmission und Rückstreuung angestellt wurden, gelten ähnliche Gesichtspunkte auch für Vorwärtstransmis­ sion und Vorwärtsstreuung. Dabei erhellt das Bild der vorwärtsgestreuten Strahlung Stoffe mit kleinem Z, wohingegen das Bild der transmittierten Strahlung Stoffe mit großem Z erhält. Es wäre ungünstig, die Bilder für Vor­ wärts- und Rückstreuung einfach zu addieren, da das Bild für Rückstreuung we­ sentlich heller und damit rauschärmer ist als das Bild für Vorwärtsstreuung. Wenn diese Signale miteinander addiert werden würden, würde ein Großteil der Information des Bildes aus Vorwärtsstreuung verloren gehen. Das schwächere Bildsignal für Vorwästsstreuung bietet, wenn es allein angezeigt wird, gute Iden­ tifikationsmöglichkeiten für Material mit kleinem Z.

Das Bildsignal für Vorwärtstreuung ist schwächer als das für Rückstreuung, da alle das Bildsignal für Vorwärtsstreuung bildender. Röntgenstrahlphotonen auf ihrem Weg zu dem entsprechenden Detektor das gesamte Objekt durchlaufen müssen. Folglich ist dieses Signal der Dämpfung durch den Teil des Objektes unterworfen, der zwischen dem Ort der Streuung und dem Detektor liegt. Es wäre ebenfalls ungünstig, das vorwärtstransmittierte mit irgend einem ande­ ren gestreuten Signal zu mischen. Da sie verschiedene Stoffe erhellen, würde ein Aufsummieren die Effektivität des Ergebnisses im Vergleich zu der jedes einzelnen Signales verringern.

Entsprechend zeigt bei Verwendung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausfüh­ rungsformen der Bildschirm 502 das konventionelle Bild, daß auch auf dem Bildschirm entsprechend der Patentschrift 28 544 zu sehen sein würde. Andererseits erhellt der Bildschirm 252 Material mit kleinem Z, da es im allgemeinen aus mehr an Materialien mit kleinem Z gestreuten Photonen aufgebaut ist, als an solchen mit großem Z. Die mentale in Bezugsetzung der auf den Bildschirmen 502 und 252 wiedergegebenen Bilder durch den Betrachter ist über den Inhalt des Objektes 40 aussagekräftiger, als die Bilder 502 oder 252 allein. Auch wenn in der Patentschift 28 544 aus den oben erwähnten Gründen die Kombination der Signale für Vorwärtstransmission und Rückstreuung vor­ geschlagen wird, so wird dieses für eine ungeeignete Methode gehalten.

Die Transmissionsbilder einerseits und die (entweder vor- oder rückwärts) ge­ streuten Bilder andererseits können in verschiedenem Licht differenziert wer­ den. Die Darstellung der Gestalt einer sich in einem Röntgenstrahl befindenden Komponente eines Objektes erfordert die Differentiation der Umrisse der Kom­ ponente von ihrem Hintergrund (von anderen verschiedenen Komponenten, die ebenfalls im Ausbreitungsweg der Röntgenstrahlen zwischen der Quelle und dem Detektor liegen). Im Fall des Transmissionsdetektors erscheint die Form eines Teiles des Objektes aufgrund der Abschirmung der Röntgenstrahlpho­ tonen (entweder Absorption oder Streuung) von dem Detektor. Demzufolge ist der Hintergrund im Normalfall weiß oder hell (mit der üblichen, oben beschrie­ benen Verarbeitung) und das abgebildete Objekt schwarz oder dunkel. Je mehr ein Teil die Röntgenstrahlen absorbiert oder streut, desto besser ist seine Er­ kennbarkeit (d. h. sein Kontrast). Für die Streudetektoren und die ereugten Bil­ der ist die Situation jedoch anders. Wenn keine Masse für Streuvorgänge vor­ handen ist, ist der Hintergrund schwarz. Wenn jedoch ein Stoff Protonen streut, ist der entsprechende Teil des Bildes weiß. Folglich erscheint ein Objekt in der Transmissionsabbildung, wenn es entweder streut oder absorbiert, jedoch in der Streuabbildung, dann und nur dann wenn es streut. Das Verhältnis von Streuung zu Absorption ist ein kritischer Parameter zur Bestimmung, wie das Bild erscheint. Dieses Verhältnis ändert sich in dem hier interessierenden Energiebereich in hohem Maße mit Z. Für Stoffe mit kleinem Z dominiert die Streuung, für Stoffe mit großem Z die Absorption.

Das von den Streudetektoren erzeugte Bild hängt natürlich nicht nur von jeder Probe ab (großes Z oder kleines Z) sondern auch von den zwischen der Probe und dein Detektor liegenden Komponenten. Es wird sich im allgemeinen we­ sentlich mehr Material zwischen dem Rückstreudetektor und den weit vom Rückstreudetektor entfernt liegenden Komponenten des Objektes befinden, als zwischen dem Rückstreudetektor und den nahe diesen Detektor liegenden Tei­ len eines Objektes. Im Falle des Detektors für Vorwärtsstreuung trifft natürlich das Gegenteil zu, d. h. es liegt wesentlich mehr Material zwischen den weit vom Detektor für Vorwärtsstreuung entfernten Proben als zwischen solchen, die nahe an diesem Detektor liegen. Folglich werden im allgemeinen über den Rückstreudetektor vorzugsweise Materialien mit kleinem Z abgebildet, die näher am Rückstreudetektor liegen, wohingegen der Detektor für Vorwärts­ streuung vorzugsweise solche Materialien mit kleinem Z abbilden wird, die näher am Detektor für Vorwärtsstreuung liegen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Abbildungseigenschaften von mit dem Trans­ missions- bzw. Rückstreudetektor erzeugten Signalen. Die Bilder der Fig. 7 und 8 sind mit Signalen der Transmissions- und Rückstreudetektoren entstanden, die auf ein Objekt ausgerichtet waren, zum Beispiel durch Verwendung eines gemeinsamen wandernden Nadelstrahles. Fig. 7 zeigt den Inhalt einer Aktentasche wobei die Umrisse von Materialien mit großem Z deutlich erhellt oder differenziert sind. Sie enhält einen Schirm 01, eine Reisetasche 02 und ein tragbares Radio 03. Man beachte, daß in jedem Falle die Komponenten mit großem Z hervorgehoben sind, zum Beispiel der Lautsprecherkonus des tragbaren Radios 03, die Metallteile des Schirmes 01 und die Metallteile der Reisetasche 02. Ähnliches gilt für die Tube mit Rasier­ creme 06. Wie oben ausgeführt wurde, sind der Hintergrund oder diejenigen Tei­ le eines Objektes, die kein Material mit großem Z aufweisen, relativ weiß oder hell, so daß es sehr schwierig ist, irgendwelche Stoffe mit kleinem Z zu identi­ fizieren oder zu erkennen. In dem in Fig. 8 gezeigten und aus rückgestreuten Strahlen gewonnenen Bild können teilweise dieselben Teile wiedererkannt werden, zum Beispiel der Schirm 01, man beachte jedoch die Hervorhebung des Griffes mit relativ kleinem Z bei diesem Bild im Gegensatz zur Hervorhebung der Metallteile in der Abbildung der Fig. 7. In ähnlicher Weise ist auch die Rei­ setasche 02 erkennbar, in diesem Fall sind jedoch die Teile mit kleinem Z leichter zu erkennen, als die Teile mit großem Z des Objektes 02 in Fig. 7. Das gleiche gilt für das tragbare Radio 03. Zum Beispiel kann in Fig. 8 der metalle­ ner Lautsprecherkonus nicht mehr erkannt werden. Fig. 8 zeigt Teile des Objek­ tes, die in Fig. 7 nicht zu sehen sind. Die Schuhe 05 sind in Fig. 8 sichtbar, be­ eindruckender ist die Darstellung einer Pistole 04. Die Pistole 04 in Fig. 8 ist aus Platik und der Vergleich zwischen den Fig. 7 und 8 zeigt, um wieviel besser die Pistole 04 in Fig. 8 zu erkennen ist, als in Fig. 7.

Ein ähnlicher Vergleich trifft auf eine Ausführungsform zu, die die Anzeige 502 für Transmission und den Detektor 60 für Vorwärtsstreuung verwendet, mit dem Unterschied, daß der Detektor 60 für Vorwärtsstreuung vorzugsweise ein Bild von solchen Stoffen mit kleinem Z liefert, die näher am Detektor 60 für Vorwärtsstreuung liegen, als das vorn Detektor 25 für Rück­ streuung erzeugte Bild. Somit gibt die Erfindung unter Verwendung der Anzeige 502 für Transmission und der Anzeige 602 für Vorwärtsstreuung dem Betrach­ ter Informationen über und jenseits dessen hinaus, was er mit Hilfe einer einzi­ gen Anzeige für transmittierte Strahlung aufgrund der Patentschrift 28 544 er­ fahren würde.

Die beschriebenen Ausführungsformen erzeugen Bilder in Echt­ zeit. Diese werden typischerweise an Flughäfen und anderen Orten verwendet, wo der Besitzer der Objekte eine Überprüfung gestattet und eine solche schnell Überprüfung vorteilhaft ist. Andere Ausführungsformen jedoch erfordern nicht diese Echtzeit-Eigenschaft. Bei anderen Anwendungen (zum Beispiel zer­ störungsfreies Testen) ist es nicht unbedingt notwendig die Bilder zur selben Zeit zu betrachten, zu der das Objekt durchleuchtet wird Unter solchen Um­ ständen Können die in Echtzeit erzeugten Signale auf herkömmliche Weise auf­ gezeichnet werden. Später können dann die Bilder durch Wiedergabe der Sig­ nale reproduziert werden. Fig. 9 entspricht der Fig. 3, mit Ausnahme eines Re­ korders 400, der zur Aufzeichnung der in Echtzeit erzeugten Signale von den elektronischen Baugruppen 501, 601 und 251 betrieben wird. Der Rekorder 400 kann dann die aufgenommenen Signale über die Anzeigen 502, 602 und 252 je­ derzeit wiedergeben. Selbstverständlich kann der Rekorder 400 auch mit ande­ ren Ausführungsformen der Erfindung in ähnlicher Weise verwendet werden.

Claims (8)

1. Bilderzeugungsvorrichtung insbesondere Röntgenbilderzeuger zur Betrachtung von Objekten und zur Aufhellung von Stoffen mit kleiner Ordnungszahl Z, mit

• a) einer Quelle durchdringender Strahlung,
• b) einer Vorrichtung (15) zur Bildung eines Strahles mit vorbe­ stimmtem Querschnitt aus der von der Quelle ausgehenden Strah­ lung und zur wiederholten Schwenkung des Strahles über eine Li­ nie im Raum,
• c) einer Vorrichtung (80) zur Bewegung des abzubildenden Objek­ tes (40) relativ zu der Quelle in senkrechter Richtung (81) zu der Linie im Raum,
• d) ersten Detektorvorrichtungen (50) für Strahlungsenergie, die zur Erzeugung eines ersten elektrischen Signales so angeordnet sind, daß sie auf die in ein Objekt (40) eintretende und von ihm ausgehende Strahlungenergie, die im wesentlichen unverän­ dert in ihrer Richtung ist, ansprechen,
• e) zweiten Detektorvorrichtungen (60) für Strahlungsenergie, die weiter von der Quelle entfernt angeordnet sind als das Ob­ jekt (40) und zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signales auf die von dem Objekt gestreute Strahlungsenergie ansprechen,
• f) dritten Detektorvorrichtungen (25) für Strahlungsenergie, die näher an der Quelle angeordnet sind als das Objekt (40) und zur Erzeugung eines dritten elektrischen Signales auf die von dem Objekt gestreute Strahlungsenergie ansprechen,
• g) elektronischen Anzeigevorrichtungen (502, 602, 252), die auf mindestens zwei der elektrischen Signale zur getrennten, unab­ hängigen und gleichzeitigen Anzeige dieser Signale als Funktion der Zeit ansprechen, um entsprechende Bilder anzuzeigen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Anzeigevorrichtungen (502, 602, 252) alle elek­ trischen Signale zur getrennten, unabhängigen und gleichzeiti­ gen Anzeige dieser Signale als Funktion der Zeit verarbeiten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Detektorvorrichtungen (50) für Strahlungsenergie einen Strahlungsdetektor aufweisen, dessen Abmessungen der ef­ fektiven aktiven Region im wesentlichen gleich einer Abmessung des Strahlquerschnittes sind, und daß entweder die zweiten oder dritten Detektorvorrichtungen (60, 25) für Strahlungsenergie einen Strahlungsdetektor aufweisen, dessen sämtliche Abmessun­ gen der effektiven aktiven Region wesentlich größer als jede Abmessung des Strahlquerschnitts sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Detektorvorrichtungen (50) für Strahlungsenergie einen Strahlungsdetektor aufweisen, dessen Abmessungen der ef­ fektiven aktiven Region im wesentlichen gleich einer Abmessung des Strahlquerschnittes sind, und daß so­ wohl die zweiten wie auch die dritten Detektorvorrichtungen (60, 25) für Strahlungsenergie Strahlungsdetektoren aufweisen, deren sämtliche Abmessungen der effektiven aktiven Regionen we­ sentlich größer sind, als jede Dimension des Strahlquer­ schnitts.

5. Bilderzeugungsvorrichtung zur Betrachtung von Objekten und zur Aufhel­ lung von Stoffen mit kleiner Ordnungszahl Z, mit

• a) einer Quelle durchdringender Strahlung,
• b) einer Vorrichtung (15) zur Formung der von der Quelle emit­ tierten Strahlung zu einem Strahl von bestimmtem Querschnitt und zur wiederholten Schwenkung des Strahles über eine Linie im Raum,
• c) einer Vorrichtung (80) zur Bewegung des abzubildenden Objek­ tes (40) relativ zu der Quelle in senkrechter Richtung (81) zu der Linie im Raum,
• d) ersten Detektorvorrichtungen (60A, 60B) für Strahlungsener­ gie, die weiter von der Quelle entfernt angeordnet sind als das Objekt (40) und zur Erzeugung eines ersten elektrischen Si­ gnales auf die von dem Objekt gestreute Strahlungsenergie an­ sprechen,
• e) zweiten Detektorvorrichtungen (25A, 25B) für Strahlungsener­ gie, die näher an der Quelle angeordnet sind als das Objekt (40) und zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signales auf die von dem Objekt gestreute Strahlungsenergie ansprechen,
• f) elektronischen Anzeigevorrichtungen (602, 252), die auf die elektrischen Signale zur getrennten, unabhängigen und gleich­ zeitigen Anzeige dieser Signale als Funktion der Zeit anspre­ chen, um entsprechende Bilder anzuzeigen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die ersten als auch die zweiten Detektorvorrichtungen Detektoren für Strahlungsenergie aufweisen, bei denen die Ab­ messungen der effektiven aktiven Region wesentlich größer sind als jede Dimension des Strahlquerschnitts.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensität der Quelle im Bereich von etwa 30 KeV bis 100 KeV liegt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Aufnahme/Wiedergabevor­ richtungen (400) aufweisen, die zwischen den Detektorvorrich­ tungen für Strahlungsenergie (50, 60, 25) und den elektroni­ schen Anzeigevorrichtungen (502, 602, 252) geschaltet sind und zur Aufnahme der von den Detektorvorrichtungen für Strahlungse­ nergie erzeugten Signale zu einer bestimmten Zeit und zur Wie­ dergabe dieser Signale und zum Betreiben der elektronischen An­ zeigevorrichtungen zu einer anderen Zeit dienen.