专利名称：由多能量x-射线识别材料的方法
技术领域：
本发明涉及X-射线和Y-射线分析领域，具体地，但不仅是，高流量。
背景技术：
X-或Y -射线的应用已在非破坏性测试领域和安全应用中发展(例如，使用多能 量X-射线照相术检测爆炸材料)。
本发明的一种具体的工业应用是使用连续射线照相术检测爆炸物以检查行李。但 其它应用也是可能的，尤其是在强的X和/或Y光子流量测量过程中，通过测量由样品发 射的光子流量。
此外，用于行李检查的已知技术很难符合当前的要求该方法必须较快，而且精确 并且合乎安全性。尤其是，行李的传送速度要求一般在较短得时间(几毫秒)内，用流量可以 高至(几十兆光子/mm2/S)保持充分统计量的入射光子测量透过行李的光子的能量。
为此目的，可以使用各种类型的检测器，包括测量积累(deposited)能量的传感 器，或最近以来，光谱传感器。在这种类型的应用中，要测试的对象放置于电离射线源，一般 是X-射线源，和检测器之间。其结果是，该检测器测量由对象发射的辐射。
在现有技术中，一般地，后者部分为非光谱检测器，根据X辐射的强度传递信号。 例如，这些是不具有光谱功能的闪烁检测器。这种检测器彼此叠加，中间屏幕能够放置在两 个连续的检测器之间。一般地，使用两个检测器，称为“夹层传感器(sandwich sensor)”:第 一检测器叠加到第二检测器上，该第一检测器置于要检测的对象附近。第一检测器通常较 小，因此其主要吸收低能量光子。第二检测器通常较大，因此其主要吸收高能量光子。因此， 通过使用这些第一和第二检测器，分别测量由该对象发射的辐射的低能量组分的强度和高 能量组分的强度。通过将这些测量与用相同检测器但在这些检测器和源之间没有对象(或 直接测量)而进行的测量相比较，在低能量(使用第一检测器)和高能量(使用第二检测器) 下估计对象的衰减系数。
然后，比较测量的衰减系数与用相同方法获得的参考系数，然后将该对象用具有 已知厚度和性质的参考材料替代。
最后，该测定参考材料的值提供了最接近于用分析对象测量的参考衰减系数。然 后认为该分析对象的材料具有所述最接近的参考材料的特征(性质、厚度)。
近来，叠加的检测器已有利地被具有光谱功能的检测器替代。然后，有可能获得经 受X辐射的对象的透射函数。从这个函数，有可能在不同的能量范围内确定衰减系数参数， 这可以与已知材料的参数相比较。
因此，不考虑使用的检测技术(叠加的非光谱检测器或光谱检测器)，通过比较在 未知对象上测量的衰减系数与在参考材料上得到的参考系数，出现了识别材料的问题。
已知方法基于识别具有最接近用未知对象确定的那些的衰减系数的参考材料。但 它们并不可靠，尤其是当快速进行测量时。信号获取较短，相关的不确定性较高。也产生了 使用比当前已知的方法更可靠的X或Y射线寻找识别材料的方法的问题。
最后，如已解释的，一种应用是行李检查，例如在机场，用于爆炸物检测。
现在，在这种情况下，产生了非常快速地进行检查以便能够在很短的时间段内连续检测行李的问题，在检测装置中与旅客行李的到达相一致。发明内容
首先公开了一种校准方法，用于装置使用X-射线识别材料，包括
a)确定至少一种校准材料或多种校准材料，对于每种校准材料，确定这种材料的至少一个校准厚度或多个校准厚度，
b)对于每种校准材料和每个选定的校准厚度，测量X辐射的N个衰减或透射系数 a i，其中N彡2，
c)从所述系数计算统计参数，
d)对于每种校准材料和每个校准厚度，或对于每个至少部分校准厚度，确定或计算存在概率分布规律f作为所述统计参数的函数。
在一个实施方式中，称为离散模型，校准方法还包括以下步骤
e)对于每个系数ai，确定α @可测量的离散值，其中I彡pi彡Pi，Pi为最大可测量系数a i,pi的指数。
对于每个N-uplet ( α 1;ρ1，a 2，p2，......，a N，pN)，该步骤之后还有计算在步骤d)中 确定的每个概率密度值，然后对于每个N-uplet ( a1；pl, a2；p2,……，a N，pN)，可能地确定材料的性质和厚度，该材料的概率密度是最大的。
在上述方法中的一个中，在校准阶段期间，建立统计和分布参数作为这些系数的函数，然后将使得任何对象能够非常快速地检查，尤其必须被表征的材料，即希望识别性质以及，也可能是，厚度。
这种方法也可以具有步骤C’)，用于确定插值统计参数，对于厚度值，称为插值厚度，除了在步骤a)中确定的那些。从以前确定的统计参数进行这些插值。
然后，这种方法可以包括以下另外的步骤d’)
d’ )对于每种校准材料和为每种校准材料选择的每个至少部分插值厚度，计算存在概率分布规律，作为所述统计参数的函数。
然后，此方法可以包括，对于每个衰减或透射系数ai，确定^#可测量离散值， 其中I彡Pi彡Pi，Pi为最大可测量系数a .pi的指数，然后对于每个N-uplet ( α 1ρ1， α2；ρ2,……，αΝ ρΝ)，可能地计算在步骤d’)中确定的每个概率密度值。对于每个N-uplet (α 1；ρ1, α 2；ρ2,……，α Ν；ρΝ)，也可能包括确定材料的性质和厚度，该材料的概率密度是最大的。
换句话说，从插值中获得的数据将使其也可能得到与统计参数相关的数据，和存在概率分布数据。然后得到数据组，其可以在材料识别过程中使用。
可以使用的一种分布的实例为高斯型存在概率分布。
优选地，在步骤b)期间，对于至少部分的每种校准材料的校准厚度，至少进行Ν_ stat测量，其中100 ( N_stat ( IO40因此，在校准阶段获得了非常良好的统计，这使得在随后测量阶段期间有可能确保非常良好的准确性。
根据一个优选的实施方式，步骤b)包括对于每种校准材料和对于每个选定的校准厚度，在至少两个能量带或范围(一个为低能量和一个为高能量)内至少两个透射或衰减系数(a i，α 2)的计算。
优选地，第一能量带或范围在15至50keV之间，并且第二能量带或范围在40至 120keV 或 50keV 至 120keV 之间。
进一步公开了一种使用X-射线照相术识别材料的方法，包括
-对于这种材料，测量X辐射的衰减或透射系数，
-在所述至少两个能量带或范围内，由对这种材料测量的所述系数确定至少两个透射或衰减系数(α 17 α2),
-通过在上面所确定的分布中识别概率分布，至少确定材料的性质，确定的该材料的透射或衰减系数具有最大值。
也公开了一种用于识别X射线照相术材料的装置，包括
a)用于确定多种校准材料，对于每种材料，确定该材料的多个的厚度装置，
b)对于每种校准材料和每个选定的厚度，用于确定X射线的衰减或透射系数的辐射源、检测器、和装置，
c)用于由所述系数计算统计参数的装置，
d)用于计算存在概率分布作为所述统计参数的函数的装置，
e)用于至少确定材料的性质作为所述概率分布的函数的装置。
此处再次，材料性质的确定可以非常有利地得益于之前概率分布函数的确定。尽管要进行大量的计算，但是一旦进行测量，材料的确定将是非常快的，远小于Ims。
如公开的方法或装置可以使用测量衰减或透射系数装置，包括
-光谱检测器，即，能够传递测量的辐射的能谱，
-或两个相关的非光谱检 测器(“夹层”传感器类型)，或两个以上相关的非光谱检测器，
-或单一的非光谱检测器，然后后者部分连续地暴露于具有不同能量的入射辐射。
优选地，此种装置包括X辐射源，使其可能发射注量率至少等于KfmmY1的入射光子。
根据一个特定的实施方式，这种装置进一步包括用于确定称为插值系数的衰减或透射系数的装置，对于厚度值，称为插值厚度，除了进行一次或多次测量的那些，可能地，用于从所述插值系数确定统计参数以及用于计算存在概率分布作为所述统计参数的函数的>J-U ρ α装直。
可以提供装置以从对材料测量的衰减或透射数据计算至少两个衰减系数(α 1； α 2)，在至少两个能量带或范围内，一个为低能量和一个为高能量。
根据一个实施方式，如公开的装置或方法的统计参数包括至少每个衰减系数的平均和标准偏差，以及计算的透射或衰减系数之间的相关系数。
也可能提供用于在N值中离散透射或衰减系数(α P α2)的步骤和装置。


-图1A和图1B显示了公开的装置的实施例，
-图2是入射光束在透射通过材料之前和之后的光谱的实施例，
-图3和图4是衰减函数的实施例，
-图5A-图5B示出了经过多次测量的平均透射函数，图5B中定位了低能量和高能量选择区，
-图6显示了在平面(aP α2)中测量的组的位置，
-图7显示了夹层式传感器，
-图8Α-图8C显示了表明在三种材料的情况下(1，000次测量每种材料一厚度对) 系数对校准测量的变化的实验数据，
-图9用图解方式显示了如公开的校准方法的过程，
-图10用图解方式示出了如公开的校准方法的准备过程，
-图1lA和图1lB各自用图解方式显示了如公开的校准方法的步骤过程，
-图12用图解方式显示了如公开的测量过程，
-图13显示了代表对象厚度对的噪声测量组的系数的高斯分布，
-图14用图解方式说明了在三种材料(聚乙烯、迭尔林和特氟龙)的组中的迭尔林的检测，
-图15Α-图15C示出了由图8Α-图8C所示的实验数据，三种材料的概率密度在系数(α P α2)空间中的变化，
-图16Α-图16Β是利用如公开的行李筛选装置的识别方法的实施方式的实例以及在相同系统中进行并来自相同采集数据的计数图像(图16Α)的对比。
具体实施方式
在此公开了未知对象的性质和/或厚度的识别，通过将所述对象置于辐射源(X或 Y )和检测器(或检测器组件)之间。这种识别采取对由对象发射的辐射的测量，该测量与在源和检测器之间没有置入对象的辐射测量相比较。
衰减或透射系数是指由比较在辐射源和检测器(多个检测器)之间有和没有对象的辐射测量所得到的系数。这些测量可以分别指定为I和Ιο。I和Itl之间的比较通常包括 I和Itl之间的比率。在最常见的情况下，并且如将在下文的情况下，这些系数是衰减系数， 即从所述对象的衰减函数中确定它们。
但它也可以应用于透射系数，即由该对象的透射函数确定的系数。
据回顾，如果I是由该对象发出`的辐射的强度，Itl是没有对象时测量的辐射的强度，惯常地，函数I称作透射函数，记为TR，而惯常地函数-1n —称作衰减函数，记为 hJATT。在下文的描述中，并且非限制的，使用衰减系数。
将提供本教导可以应用至的装置的第一示例性实施方式，参考图1A。
在此涉及的优选的光谱传感器优选直接转换传感器，即入射在传感器上的X光子与偏压(biased)半导体材料(例如，CdTe)相互作用，并产生电子电荷云(通常60keV的X光子有10，OOO个电子)。
然后这些电荷被电极收集，并形成瞬态电信号称为脉冲。在数字化后，脉冲根据其振幅被分类在不同通道中，并且能量值被分配至每个通道。每次相互作用的通道的分布对应于已与照射对象相互作用的辐射的能量谱，或检测的辐射的能量谱。辐射优选X或 光子福射。
因此，装置或光谱链I包括以下部件
-辐射源1，发射辐射200，例如，入射光子注量率在IO6Him2s-1至IO81Iim2s-1之间，
-传感器2，例如直接转换型，还例如由半导体材料如CdTe或CdTe:Cl、或 CdTe:1n、或CdZnTe、或CdMnTe、或HgI2、或AsGa、或S1、或TlBr制成。这种传感器提供有两个电极，在其末端信号脉冲转化辐射或光子或与传感器的材料的相互作用并在由该相互作用产生的传感器材料中生成电子电荷云(通常60keV的X光子有1，000个电子)。然后电荷被两个电极捕获，在两个电极之间已经建立了所需的势差。如果完成采集，测得的脉冲的积分与由入射粒子积累的能量成比例。例如，该传感器是平行六面体，在两个相对面上具有两个电极，该电极能够定向垂直于入射辐射；例如，在CdTe检测器的情况下，垂直于入射辐射的表面为800 μ mX800 μ m,并且作为进一步的实例，检测器的厚度(在入射辐射的平均透射的方向上)为3mm。
-电荷放大器4，
-放大器6，
-模拟/数字转换器8，
-装置10，用于进行由装置4、6、8图形化的和数字化的信号的处理，以及用于根据通道Ne 2)的数量形成辐射光谱，每个通道i对应在Ei至Ε +ΛΕ,之间的能量范围，然后Λ Ei对应于通道i的能量宽度。对于每个通道AEi可以是相同的，因此对于任何通道i， AEi=AE,然后ΔΕ为常数。
-装置12，用于使用在 本申请中公开的方法进行光谱处理。
可以重复该结构，以便把上述类型的几种检测器并列，组成一维阵列(称为连接链 (connecting strip))或两维阵列(称为矩阵)。
其它处理装置，例如基于延迟线电路，特别是使其能够使信号图形化，可以提供在模拟/数字转换器的上游。
辐射光谱是指检测的脉冲的振幅直方图，至少具有两个通道，每个通道对应于确定的振幅范围。脉冲的振幅与通过相互作用在检测器内积累的能量成比例，这种光谱也是检测的相互作用的能量的直方图。
在使用该装置期间，材料100的样品设置在源和检测器之间，如我们将在下面看到的，以便进行校准或在进行校准后被表征。
装置12尤其包括计算机或微型计算机或编程计算机以存储和处理光谱数据和数据，以实施根据本申请公开的方法，例如，发射光谱数据I和Itl和/或系数μ (E)或穿透的材料的厚度数据。因此也可以计算后面描述的衰减系数\和α2。
编程装置12或中央部件16以进行如在本申请中公开的处理方法，通过从发射光谱数据I和Itl计算透射函数数据。它们进一步具有存储装置，用于存储测量的数据，以及用于存储使用如在本申请中公开的方法处理的数据。也提供了用于应用如在本申请中公开的方法步骤的存储装置。
可以使用装置10应用如在本申请中公开的全部或部分处理方法，这些装置能够是FPGA (现场可编程门阵列)或ASIC (专用集成电路)。
装置12可以使其可能控制X辐射源1，以引发辐射的发出以及使用检测器2进行一次或多次测量。这些电子装置12可以使其可能进行辐射源(多个辐射源)和检测器(多个检测器)的触发的同步检查。
这些装置12也可以使其可能进行统计计算以实施本发明的方法，特别是在校准阶段期间。如下面解释的，在测量阶段期间，它们也使其可能确定待表征的材料的性质以及可能地确定厚度。
使用装置12，操作者可以选择一个或多个参数来执行这些操作。
他/她也可以选择N彡2能量带的数量N，由其将能够计算衰减系数α η，η彡2， 如下面解释的。在给定的能量带中，通过将统计量或函数应用至衰减函数中计算每个衰减系数。该指示可以是，例如，在所考虑的能量带中的透射函数的积分或平均值。
当Ν=2时，这些能量带对应于所谓的低能量区和所谓的高能量区，并且确定第一衰减系数CI1，对应于低能量带，以及第二透射系数CI2，对应于高能量带。
在屏幕装置或可视化装置17上，可能显示
-测得的光谱I和I。，
-和/或一个或多个衰减和/或代表函数，如图3-图6、图8Α-图8C、或图13-图 16Β中的一个，
-待表征的材料的性质以及可能的厚度。
由这些观察装置，操作者也可以限定或选择用于计算上面指出的系数的低能量和高能量区。
这种装置也可以应用延迟线，使得可能以梯形的形式使脉冲图形化，例如，如在 ΕΡ2071722中所描述的。该装置，如图1B所示，主要包括
-集成式的电荷前置放大电路20，能够连接到半导体检测器2上(电阻14称作与检测器2相关的偏压电阻)，
-电路22，用于通过延迟线(具有延迟线32、第一增益34、减法器36和第二增益 38)测量能量，连接在前置放大电路的输出端，以及
-采样器，连续在能量测量电路的输出端。
还具有同步电路52，包括
-电路56，用于测量电流脉冲，连接在前置放大电路20的输出端，以及获得在输出端和前置放大电路的输出端的衍生端(derivative)之间的差，以及
-区别电路66，形成二进制信号作为脉冲测量电路22的输出端的函数，所述逻辑信号控制采样器的样本矩。
上面描述的装置，如装置12，可以与该电路相结合以产生实施如在本申请中公开的方法的装置。
在文档EP2071722中描述了这种电路的其它方面。
在本申请中公开的装置使得可能进行入射光束的光谱Itl的测量该光谱可以在大量的获得中平均化，以便使光子噪声的影响最小化。该光谱Itl为在`源和检测器之间不存在材料(检测材料或样品材料)的情况下通过检测器检测的辐射光谱。
然后，将待分析的对象100置于光束的前面(图1A，典型地行李或，更一般地，待分析的材料样品)或在装置校准期间将使用的对象或材料100的前面。
在选定期间内，通常相当短，例如在几百μ s至几个IOOms之间，通常小于IOms或几十ms，测量透过该对象的辐射的光谱I。可以使或可以不使该光谱I平均化，但优选地， 不使其平均化。
从而进行的测量的实例如图2所示，其中看到两个光谱I和Im
现在将回顾，经受辐射的对象的衰减函数对应于
权利要求
1.一种用于利用X-射线识别材料的装置的校准方法，包括a)确定至少一种校准材料以及，对于每种校准材料，至少一个该材料的校准厚度，b)对于每种所述校准材料以及对于每个所述选定的校准厚度，测量X辐射的N个衰减或透射系数a i，其中N彡2，c)由所述系数计算统计参数，d)对于每种校准材料以及对于每个校准厚度，确定或计算存在概率分布规律f作为所述统计参数的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括，对于每个系数ai，确定C^pi可测量离散值的步骤，其中I彡pi彡Pi, Pi为最大可测量系数α @的指数。
3.根据权利要求1或2所述的方法,还包括,对于每个N-uplet( α 1；ρ1, α 2；ρ2,......，α Ν;ρΝ)，计算每个在步骤d)中确定的概率密度值。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括，对于每个N-uplet( α1ρ1，α 2 ρ2，......，αΝ ρΝ)，确定所述概率密度最大的所述材料的性质和厚度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括以下步骤除了在步骤a)中确定的那些，确定衰减或透射系数或统计参数，称为插值统计参数，对于厚度值，称为插值厚度。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括步骤d’)，对于每种校准材料和每个为每种校准材料选定的至少部分所述插值厚度，确定或计算存在概率分布规律作为所述统计参数的函数。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括，对于每个衰减或透射系数ai，确定a iiPi可测量离散值，其中I彡Pi彡Pi, Pi为最大可测量系数a .pi的指数。
8.根据权利要求6或7所述的方法,还包括,对于每个N-uplet( α 1；ρ1, α 2；ρ2,......，α Ν；ρΝ),计算在步骤d’ )中确定的每个概率密度值。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，还包括，对于每个N-uplet( α 1；ρ1, α2；ρ2,……，αΝ ρΝ)，确定所述概率密度最大的所述材料的性质和厚度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，所述存在概率分布是高斯型的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，在步骤b)过程中，对于每种所述校准材料以及对于每个选定的校准厚度的所述校准厚度，至少进行N_stat测量，其中 100〈N_stat〈104。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中对于每次测量，X-射线光子在步骤b)过程中的流量至少等于IO6Him2s'
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，还包括，对于每种所述校准材料以及对于每个所述选定的校准厚度，在至少两个能量带或范围内计算至少两个透射或衰减系数 (α 17 α2)，一个为低能量且一个为高能量。
14.根据权利要求13所述的方法，第一能量带或范围在15至50keV之间，并且第二能量带或范围在50keV至120keV之间。
15.根据权利要求13或14中任一项所述的方法，所述统计参数至少包括每个所述衰减或透射系数的平均值和标准偏差，以及计算的透射和衰减系数之间的相关系数。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中在N值中离散所述衰减或透射系数(α P α 2)。
17.一种利用X射线照相术识别材料的方法，包括，对于该材料，测量X辐射的衰减或透射系数，以及通过以下方法至少确定所述材料的性质在根据前述权利要求中任一项所述的校准方法过程中确定的分布规律中，识别所述衰减或透射系数具有最大值的存在概率分布规律。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括，对于每种校准材料和对于每个选定的校准厚度，由该材料的所述测量的系数，在所述至少两个能量带或范围中确定至少两个透射或衰减系数(α 1； α 2)，一个为低能量，另一个为高能量，通过识别所述材料的这些透射或衰减系数具有最大值的概率分布至少进行所述材料的性质的确定。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，使用光谱传感器(2)或一个或多个非光谱传感器进行所述衰减或透射系数的测量，例如两个传感器设置为夹层(23、24、25)。
20.一种用于识别X射线照相术材料的装置，包括a)用于确定至少一种校准材料以及，对于每种材料，至少一个该材料的厚度的装置 (12,16),b )对于每种所述校准材料以及对于每个所述选定的厚度，用于测量X-射线的N个衰减或透射系数的装置(2-10、23、25、23’、25’)，其中N≥2，c)用于由所述系数计算统计参数的装置(12、16)，d)对于每种所述校准材料以及对于每个所述选定的厚度，用于计算存在概率分布规律作为所述统计参数的函数的装置(12、16),e)用于至少确定材料的性质作为所述概率分布规律的函数的装置(12、16)。
21.根据权利要求20所述的装置，用于测量所述衰减或透射系数的所述装置包括光谱检测器(2)或一个或多个非光谱传感器，例如两个传感器设置为夹层(23、24、25)。
22.根据权利要求20或21中任一项所述的装置，包括X-射线源(I)，使得可能发出流量至少等于IO6mnT2iT1的入射光子。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的装置，包括CdTe或CdMnTe、或HgI2、或AsGa、 或S1、或TiBr、或CdZnTe型的检测器(2)。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的装置，除了进行一个或多个测量的那些，还具有用于确定以下参数的装置衰减或透射系数或统计参数，称为衰减或透射系数或插值统计参数，对于厚度值，称为插值厚度。
25.根据权利要求24所述的装置，还具有用于由衰减或透射系数或插值统计参数确定衰减或透射系数或统计参数并且计算存在概率分布作为所述统计参数的函数的装置。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的装置，还具有用于在至少两个能量带或范围内，由测量的材料的所述衰减或透射函数计算至少两个透射或衰减系数(α P α 2)的装置， 一个为低能量且另一个为高能量。
27.根据权利要求26所述的装置，第一能量带或范围在15至50keV之间，第二能量带或范围在50至120keV之间。
28.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，所述统计参数至少包括每个所述透射或衰减系数的平均值和标准偏差，以及计算的透射或衰减系数之间的相关系数。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的装置，还包括用于在N值中离散所述透射或衰减系数(α P α2)的装置。
全文摘要
披露了一种用于利用X-射线识别材料的装置的校准方法，包括a)确定至少一种校准材料以及，对于每种校准材料，至少一个该材料的校准厚度，b)对于每种校准材料以及对于每个选定的校准厚度，测量X辐射的衰减或透射系数，c)由所述系数计算统计参数，d)对于每种校准材料以及对于每个校准厚度，确定或计算存在概率分布规律作为所述统计参数的函数。
文档编号G01V5/00GK103069305SQ201180040433
公开日2013年4月24日 申请日期2011年6月28日 优先权日2010年6月29日
发明者让·林克尔, 纪尧姆·贝尔德乔迪, 让-马克·丁滕, 乔治·戈农, 韦罗妮克·勒比费尔 申请人:法国原子能及替代能源委员会