伽玛射线层析摄影的制作方法

本发明涉及一种创建目标对象的内部结构的表示的方法，更具体地，但不排他地，涉及一种通过多源伽玛射线层析摄影创建目标对象的内部结构的表示的方法，用于在采矿操作中检测钻石。

背景技术：

层析摄影是指用于基于来自多个低维数据集的信息来计算高维对象的内部结构的技术。在广义意义上，伽玛射线是指能量通常大于200kev的光子。

发明目的

因此，本发明的目的是提供一种用于制备和施加叶喷剂的装置，该装置至少部分地减轻了与现有技术相关的一些问题。

技术实现要素：

根据本发明，提供了一种创建目标对象的内部结构的表示的方法，包括以下步骤：

加速多个带电的亚原子粒子；

将粒子引导至目标对象一侧的多个发射源；

在离散周期从每个特定发射源发射电磁辐射，使得在离散周期期间，特定发射源与离散周期相关联；

电磁辐射通过将粒子转化为电磁辐射而产生；

在与发射源相对的侧部检测来自每个发射源的电磁辐射的穿透的投影；以及

组合来自每个发射源的投影以创建目标对象的内部结构的表示。

该方法可包括以下步骤：将目标对象从第一位置移动至第二位置，并且重复该方法的发射和检测步骤以组合第一位置和第二位置的投影来创建对象的内部结构的更精确的表示。可重复该步骤，使得可组合来自多个不同位置的投影，以便构造目标对象的内部结构的表示。

移动对象的步骤可通过在传送带上移动目标对象来实现。该方法还可在目标对象与其正常通道一致的连续运动期间执行，使得其正常运动不中断。目标对象的这种运动本身不是为了增强层析摄影。而是以可以完全补偿该运动的方式进行记录。这允许目标对象在其所涉及的连续过程中执行其正常运动。

内部结构可在三维空间中表示为包括与体素相关联的伽玛射线衰减信息的体素。这样表示的信息是参数或参数组的量化，该参数或参数组可为伽玛射线衰减，与伽玛射线衰减相关，或者也可根据目标对象的材料成分来分段，或可以从所记录的观测结果组导出的任何其它量或参数。

亚原子粒子可以是电子，并且电子可以用线性加速器(linac)或能够将电子加速到至少200kev能量(伽玛射线)的任何其它加速器来加速。

加速器可以以规则的间隔输出加速粒子的脉冲串，并且脉冲串可布置成固定数量的脉冲串的组或包。包以规则的间隔被发射，并且不同的包可被引导至不同的发射源。每个离散周期均可与包相关联。

脉冲串的能量可根据模式而变化。该模式可以是脉冲串能量的规则和递增或递减。可选择能量差，使得所选择的能量提供在目标材料的不同材料成分之间提供最大对比度的投影图像。

发射源将加速的粒子转换为光子。光子可以是能量超过200kev的伽玛射线。电子可通过高能电子束与物质的相互作用而被转换成伽玛射线，这是通过将诸如钨的适当材料轫致辐射来实现的。辐射可通过相干韧致辐射或逆康普顿散射产生。

电子和辐射呈扇形散开以产生从每个源发射的锥形伽玛射线束。

电子束可通过诸如反冲器(kicker)的束光学元件、隔片磁体、弯曲磁体和相关的聚焦磁体分开并引导至发射源。

目标对象可以是在移动传送带上的含金伯利岩的钻石。能量可以变化以提供金伯利岩与钻石之间的最大差别或对比度。

目标也可以是要输入的货物容器，必须检查规定材料或假象的存在。

附图说明

下面仅通过示例并参考附图来描述本发明的实施方式，在附图中：

图1是用于层析摄影的系统的示意图；

图2是粒子加速器的能量输出的示意图；

图3是用于层析摄影的系统的示意图，所述系统具有五个发射源以及在所述源下方运行的传送带；以及

图4是用于层析摄影的系统的示意图，所述系统具有呈六边形设置的六个检测器和六个发射源。

具体实施方式

参考附图，其中相同的特征用相同的附图标记表示，用于层析摄影的系统整体用附图标记1来表示。

系统1配置为执行根据本发明的创建目标对象2的内部结构的表示的方法。该方法包括加速多个带电亚原子粒子的步骤。亚原子粒子可为电子，并且电子可用线性加速器(linac)3加速。

如下所述的电子4或电子束被引导至目标对象2的一侧上的多个发射源5。这通过使用束光学元件来实现。这些可为偏转磁体(反冲器(kickers))，其中，如果需要的话，偏转束由隔片磁体收集，并且进一步由弯曲磁体引导。根据需要使用用于聚焦或散焦的其它束光学元件。在图1中示为三组磁体(9a、9b和9c)的弯曲磁体9随着时间非常精确地进行控制。磁体用于使电子4分支，如对于组磁体9b的情况，或者在特定方向上引导电子4，如对于组磁体9a和组磁体9c的情况。

电子4以规则间隔在加速电子4的脉冲串(burst)7中从加速器3排出，并且脉冲串可布置成固定数量的脉冲串的组或包8。在图2中，曲线图a示出了加速器3随时间的输出。每个脉冲串7的加速器起作用的时间长度可小至1纳秒。包8以规则间隔进行发射，并且不同的包可被引导至不同的发射源5。这样，每个离散周期或包8可与特定源相关联。例如，包8a可被引导至发射源5a，以及包8b可被引导至发射源5b。随后的包8b可被引导至发射源5c，以及随后的包可再次被引导至发射源5a。该过程继续，使得通过保持对每个包8的定时和引导的适当记录，可基于定时信息在不同的发射源5之间进行区分。

在该示例中，三个发射源(5a、5b和5c)线性地布置，其中中心源5b指向检测器6的中心，以及侧翼源5a和5c以一定角度指向检测器6的中心。对这个例子，检测器6是矩形的，并且可在两个维度上检测电磁辐射。每个源5均发射离散周期的电磁辐射，使得在该离散周期期间，特定发射源与该离散周期相关联。通过将电子4转换成伽玛射线来产生电磁辐射。这可通过引导入射在钨韧致辐射靶10上的电子束以产生伽玛射线来实现。电磁辐射通过高能辐射束与物质或光的相互作用而产生。电子4以及由此产生的伽玛射线束11呈扇形散开以产生大致圆锥形的扩展束。在扇形散开的区域上扫描电子束，这样，电子束穿过韧致辐射转换器材料(钨)。所得到的光子与一次电子束基本上共线，但是存在由韧致辐射引入的一些额外的发散。束11被引导至目标对象2和检测器6，并且在不同的发射源(5a、5b和5c)之间交替。

检测器6能够记录以高效率、多次击中能力和以具有很小等待时间的方式撞击它的每个光子的能量、时间和位置，并为来自不同空间点的光学、电子和数字信息提供高度的并行处理能力。这可在非常高的数据采集速率下完成。检测器6适于必须进行检测的能量，并且可能包括连续的或离散的分段闪烁器材料，其中闪烁光被转换成用于下游处理的电子脉冲。能量也可能从伽玛射线直接转换成电信号。

该方法包括在与发射源5相对的侧部上检测来自每个发射源5的电磁辐射的相对穿透概率(传输概率)的投影12的步骤。在该示例中，投影12a对应于发射源5a，投影12b对应于源5b，而投影12c对应于源5c。如这里所例示的是，投影1是辐射11的空间横向投影，并且具有二维图，其中穿透以所得到的穿透的颜色进行指示。较浅的颜色(白色或灰色)将对应于较低的伽玛射线衰减，而较深的颜色(深灰色或黑色)将对应于较高的伽玛射线衰减。也可将传输概率记录为光子能量的函数，从而在光子能量的仓中具有单独的传输投影。

该方法的最终步骤包括组合来自每个源5的投影12以创建目标对象2的内部结构的表示。从图1中可看出，投影12(或阴影)具有表示从不同源发射的伽玛射线的穿透的不同图案。为了说明，在目标对象是实心球体的例子中，外部投影(12a和12c)将具有大致长型的椭圆形形状，中心投影具有大致圆形的形状。投影(12a、12b和12c)中的每个均将具有穿透图，该穿透图示出在投影中心处的最高伽玛射线衰减(较暗的)，该穿透图朝向投影12的周边逐渐示出较小的衰减(较亮的)，并且在周边之外具有急剧下降到非常低的衰减(非常亮或白色)。

上述实施方式的变化(未示出)需要发射源更靠近弯曲磁体分离器9b，在上述实施方式的变化中，弯曲磁体的使用被最小化(出于预算或其它原因)。这消除了对弯曲磁体组9a和9c的需求。在该变型中，三个检测器6布置为对应于发射源的方向，并且当目标对象2在第一发射源、第二发射源和第三发射源5以及相关联的检测器6之间移动时，记录目标对象2的不同角度。在目标对象的运动已知的情况下，可计算在每个发射源和检测器之间捕获投影12之间的合成时间差，并将其用于组合投影。

将横向射线照相投影组合成单个三维表示是层析摄影过程。本发明使用涉及高速率多路复用的多个源5和多个检测器6，使得高度增强数据获取速率，从而实现连续模式处理，而不是批量模式处理。还考虑了单光子的能量色散检测。由于发射束的能量可通过改变加速的电子束能量而作为分布而变化，因而一组能量差分横向射线照相投影(具有能量标签的投影)的集合也可利用伽玛射线源的可变能量容量。

可使用许多算法来创建内部结构的表示。由于投影12是二维的，因而所得到的内部结构可在三维空间中表示为具有与体素相关联的伽玛射线衰减信息的体素。这种算法的一个例子被称为迭代最大似然算法。该算法假定目标对象2的内部结构的估计伽玛射线衰减分布。估计的分布是猜测的，并且不需要是精确的。执行计算以确定在检测器6上的投影图案，已经为所使用的每个源5创建估计的对象分布。这被称为向前投影。然后，使用估计的模式和测量的值之间的差异来更新估计的分布。这被称为背投影。然后，更新的估计分布被用作下一次迭代的猜测，以此类推。当该过程迭代时，估计的分布向实际的对象分布收敛，直到可用信息的极限(分辨率、可用角度等)。光子衰减和散射的系统效应、检测器6或如非均匀光子分布的束11相关的系统效应、以及非均匀检测效率可以以确定性和随机两种方式进行补偿或部分消除。

该方法可包括以下步骤：将目标对象2从第一位置2a移动至第二位置2b，并重复该方法的发射和检测步骤，以组合第一位置和第二位置的投影来创建对象2的内部结构的更精确的表示。可重复该步骤，使得可组合来自多个不同位置的投影，以便构造目标对象的内部结构的表示，而不会由于运动而导致退化。移动对象的步骤可通过在传送带上移动目标对象来实现，或者可为在轨道上承载容器的车或任何其他这样的系统。通常，在该过程中适应对象的正常运动，从而可适应连续的过程。附加捕获的投影和相关位置可与上述算法结合使用，以构造内部结构的三维伽玛射线衰减分布。

脉冲串的能量可根据模式而变化。提取检测到的透射光子的能量信息的额外维度利用了检测器6的单光子能量色散检测能力。该模式可以是规则的，并且包括脉冲串能量的递增或递减。可根据数学函数来改变模式，或可选择能量差，使得所选择的能量在目标对象的可用成分之间提供最大对比度。通过使用多个光子能量可使该过程更精确。可通过能够基于光子的产生来收集光子的能量的方法、或通过过滤光子的方法、或通过基于光子检测的方法来提供能量辨别。例如，通过利用能够在短时标上使其能量斜升的线性加速器(或任何其它加速源)，则可利用伽玛射线获得关于样品的多个能量信息。这样做是为了标记除了考虑横向射线照相投影组之外的光子能量维度。这提供了一种在扫描的对象内获得某种程度的原子序数辨别的方法。

在当前实例中，捕获与特定时间间隔8的束11的能量信息和来自检测器6的光谱信息有关的信息。可将变化的能量技术与层析摄影数据相结合，以产生关于目标对象2的更多信息。代替对特定检测器元件处检测到的事件的总数进行层析摄影，我们将在每个检测器像素处的数据中包括附加标签，该附加标签是适于提取不同能量的接收信号的组合。在光子能量的仓中将会有多组横向射线照相投影。三维定量图像(用于光子衰减)的分段可由附加的信息维度来补充，该信息维度是衰减的能量依赖性。基于每个材料的伽玛射线衰减系数的能量依赖性，这赋予了用于材料识别的附加能力，并且增强了对材料成分的敏感性，从而实现了更详细的分段。

在所使用的方法的示例中，用于执行该方法的系统1可如图3所示进行配置。图3所示的系统特别适于在钻石矿中使用，其中目标对象2是来自开采过程的碎石。系统1具有5个发射源(5d至5h)，其布置有中心源5e，4个发射源(5d、5f、5g和5h)以相等距离和角度间隔围绕中心源5e。每个发射源均向目标对象2发射伽玛射线束(11d至11h)，目标对象2在可操作地在发射源下方的传送带13上移动。检测器6位于传送带13的下方。因而，可对从来自五个发射源的五个角度获得的投影以及传送带13的连续移动进行层析摄影重建。

改变示例系统中的能量以提供金伯利岩和碳之间的最大对比度。这提供了在具有原子序数(z＝6)的碳和由较高z元素组成的金伯利岩之间的最大区别。这些值可通过层析摄影组合以产生碳鉴别功能的三维图，从而允许在金伯利岩内检测钻石。具有更大的封闭钻石概率的目标对象可基于该信息而被过滤或引导至单独的传送机上。

在图4所示的本发明的另一实施方式中，用于执行该方法的系统1包括线性加速器3、6个分束和弯曲磁体束9，分束和弯曲磁体束成六边形排列，其中6个发射源5对应于分束和弯曲磁体束9。六个检测器6位于发射源的对面，目标对象在发射源与检测器6之间。该系统可以包括更多或更少的发射源，发射源根据所选择的发射源和检测器的数量几何布置，例如具有五个发射源5和检测器6以五边形进行设置。

设想的是，本发明将提供一种重构未知对象的内部结构的方法，其中未知对象具体为封闭的钻石，该方法提供三维信息，并且能够实现高能量和穿透。

所缓解的缺点包括以连续的而非分批的方法创建表示的能力。使用更多的穿透辐射(伽玛射线)允许处理更大的目标对象。并行使用多个检测器和发射源(其在使用定时相关信息的表示形成过程中被消除歧义)能够实现非常高速率的数据采集。本发明使用辐射的单光子检测，而不是饱和或非能量色散过程，使得能够使用发射光子能量的额外分量。本发明允许同时组合所有这些方面。伽玛射线通过能够达到比x射线更高的能量的方法产生，并且在这些方法中通常是基于加速器的源。本发明考虑几种类型的这种源，其中加速束的能量也可作为快速定量三维表示创建中策略的部分而变化。

本发明不限于这里所述的精确细节。例如，代替使用该方法检测钻石，可将系统配置为检测在边界交叉处的运输容器或车辆的内部结构。另外，不需要为钻石与金伯利岩之间的最大对比度选择能量，并且能量可以以几组原子序数和材料类型为目标。