DE2365221A1

DE2365221A1 - Verfahren zur ueberwachung eines gegenstandes auf die anwesenheit von handfeuerwaffen oder munition sowie vorrichtung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens

Info

Publication number: DE2365221A1
Application number: DE2365221A
Authority: DE
Inventors: J Richard Hansen; Robert J Schneeberger
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-01-05
Filing date: 1973-12-31
Publication date: 1974-07-18
Also published as: IL43808A0; US3808444A; NL179509B; TR18069A; CA989077A; DK151730B; FR2213506B1; NL7317086A; FR2213506A1; GB1434063A; DE2365221C2; JPS49108896A; ES422008A1; IL43808A; NL179509C; IT1005487B

Description

DlPL-ING. ,KLAUS N.EUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

. Düsseldorf, 27. Dez. 1973

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Verfahren zur Überwachung eines Gegenstandes auf die Anwesenheit von Handfeuerwaffen oder Munition sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur überwachung von Gegenständen wie Paketen oder Gepäck hinsichtlich der Anwesenheit einer bestimmten Gruppe von Gegenständen wie Handfeuerwaffen und Munition auf der Basis einer Kontrasterfassung ausgestrählter Röntgenstrahlen hoher Energie.

Mit Röntgenstrahlen-Kontrastverfahren arbeitende Stationen nach dem Stand der Technik verwenden typischerweise einen Leuchtschirm oder einen Leuchtschirm in Verbindung mit einer Fernsehbildröhre, um einen Gegenstand unmittelbar zu betrachten und es dann der Entscheidung einer Bedienungsperson zu überlassen, den Inhalt des Gegenstandes zu bestimmen. Der Stand der Technik stellt kein vollständig automatisiertes System zur elektronischen Ermittlung der Anwesenheit einer bestimmten Gruppe von Gegenständen wie etwa Handfeuerwaffen zur Verfügung, indem gleichzeitig das Röntgenstrahlen-übertragungsverhalten einer Mehrzahl diskreter Teile eines Gegenstandes überwacht würde.

Ein Verfahren zur Überwachung eines Gegenstandes auf die Anwesenheit von Handfeuerwaffen oder Munition, wobei der Gegenstand einem kollimierten Bündel Strahlungsenergie im Bereich von 200 - 400 keV

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relefon (O211) 32 OS 58

Telegramme Custopat

ausgesetzt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungs-Übertragungskennwerte bestimmter, in ihrer Größe einer Handfeuerwaffe oder Munition entsprechender Bereiche des Gegenstandes überwacht, einzelne dafür repräsentative Signale erzeugt und diese Signale zur Bestimmung, ob sie den Strahlungsübertragungskennwerten einer Handfeuerwaffe oder von Munition entsprechen, ausgewertet werden.

Eine zur Durchführung dieses Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung ist in Weiterbildung der Erfindung gekennzeichnet durch eine Strahlungs-Energiequelle zur Beaufschlagung des Gegenstandes mit einem kollimierten Bündel Strahlungsenergie im Bereich von 200 - 400 keV sowie eine räumlich getrennt von der Strahlungsenergiequelle angeordnete und im Verhältnis zu dem kollimierten Bündel ausgerichtete Strahlungs-Überwachungseinrichtung zur Überwachung der StrahlungsÜbertragungskennwerte des Gegenstandes, wobei die Werte der Strahlungs-überwachungseinrichtung so gewählt sind, daß die Strahlungs-Überwachungseinrichtung Ausgangssignale.erzeugen kann, die geeignet sind, um Handfeuerwaffen oder Munition von anderen dem Gegenstand angehörenden Stücken zu unterscheiden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert..In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine bildliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung;

Fig. 2 schematisch den Aufbau der Vorrichtung nach Fig. 1; ■

Fig. 3 eine abgewandelte Anordnung von Kristalldetektoren für die Anordnung nach Fig. 1?

Fig. 4 . schematisch eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1;

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Fig. 5-8 Diagramme der Arbeitskennwerte der Ausführung nach Fig. 1; und

Fig. 9A - 9B schematisch eine Signalverarbeitungs-Schalt-

kreisanordnung für die Ausführung nach Fig. 1.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel erläutert, das mit einem kollimierten Bündel Röntgenstrahlen arbeitet, die eine schmale horizontale Breite und eine vertikale Erstreckuhg haben, die ausreicht, um die vertikale Erstreckung des interessierenden Gegenstandes mit Strahlung zu belegen. Im Verhältnis zu dem vertikalen Röntgenstrahlungs-Bündel ausgerichtet und gegenüber der Röntgenstrahlungs-Energiequelle um eine Strecke versetzt, die ausreicht, um dazwischen einen Gegenstand aufzunehmen, ist eine vertikale Gruppe einer Mehrzahl Strahlungsdetektoren angeordnet, um den Röntgenstrahlungs-Übertragungskennwert des in seinem Betrachtungsfeld liegenden Bereiches des Gegenstandes zu überwachen. Der Gegenstand wird in horizontaler Richtung zwischen der Röntgen-Strahlungsquelle und den Strahlungsdetektoren verschoben, um eine überwachung des gesamten Gegenstandes zu gewährleisten.

Die Strahlungsdetektoren sind typischerweise als ein Kristallwandler (Röntgenstrahlung in Licht) in Verbindung mit einer Photovervielfacherröhre ausgebildet. Jedes Kristall erzeugt in Verbindung -mit einer Photovervielfacherröhre ein Ausgangssignal, das für den Röntgen-Strahlungsübertragungskennwert des zwischen der Quelle und dem Kristall befindlichen Bereichs des Gegenstandes repräsentativ ist. Das von den einzelnen Kristall-/Photovervielfacher-Kombina-

mit

tionen erzeugte Ausgangssignal wird/einem Referenz- oder Schwellwert-Signal verglichen, das für eine bestimmte Gruppe Gegenstände repräsentativ ist, für die eine Erfassungsanzeige erfolgen soll. Das Auftreten eines Signals von einem den Übertragungskennwerten des interessierenden Gegenstandes genügenden Kristall führt zur Erzeugung einer Erfassungsanzeige. Von besonderem Interesse ist der Einsatz der Erfindung zur Erfassung von Munition und Handfeuerwaffen, geladen oder ungeladen, in Form eines Systems zur Ab-

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tastung von Gegenständen im Hinblick auf das Vorhandensein versteckter Waffen. Bei dieser Anwendung führt die Anwesenheit von Blei enthaltender Munition bzw« einer Bleikugel, durch die im Gegensatz zu anderen in einem Paket, einer Handtasche oder sonstigem Gepäck zu erwartenden weiteren Materialien eine erhebliche Menge der Röntgen-Strahlungsenergie absorbiert wird, zu einem Ausgangssignal von dem diesen Bereich des Gegenstands, in dem die Kugel bzw« die Munition sich befindet, überwachenden Kristall,, das auf einen sehr niedrigen Übertragungskennwert hinweist. Alle anderen „ keine Kugeln bzw. Munition betrachtenden Kristalle erzeugen ein Ausgangssignal, das für verhältnismäßig hohe Übertragungskennwerte repräsentativ ist.

Bei der Anwendung des Röntgenstrahlungs-Kontrasterfassungs-Systems zur Überwachung verhältnismäßig dicker oder dichter Gegenstände wie Handfeuerwaffen, geladen oder ungeladen, hat Röntgenstrahlungsenergie in einem Bereich von 200 - 4OO keV die günstigsten Betriebs.ergebnisse geliefert.

Es lassen sich zahlreiche Verfahren nach dem Stand der Technik einsetzen, um die notwendige hohe Röntgenstrahlungsenergie zwischen 200 und 400 keV zu liefern, die mit einem Röntgenapparat und dicht abgeschlossenen radioaktiven Isotopenquellen einschließlich denjenigen von Radium 226 und Barium 133 arbeiten, jedoch sind Isotopenquellen gegenüber den Röntgenapparaten zu bevorzugen.

Bei einer abgewandelten Ausfuhrungsform kann die Mehrzahl Detektoren durch einen einzelnen Streifendetektor und einen Abtaster mit frei umlaufendem Strahl, der aufeinanderfolgend diskrete Bereiche des Streifendetektors mit Strahlungsenergie beaufschlagt, ersetzt werden. Diese Ausführung kann jedoch nicht für eine gleichzeitige Betrachtung der vertikalen Erstreckung eines Gegenstandes eingesetzt werden.

Im einzelnen ist mit Fig. l eine bildliche Darstellung einer Paket-Überwachungsstation 10 wiedergegeben, bei der ein Fördersystem C Gegenstände wie Gepäck zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle 20

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und einer Strahlungserfassungseinheit 30 hindurchtreten läßt. Eine langgestreckte vertikale öffnung 22 in der Röntgenstrahlungsquelle 20 beaufschlagt einen zwischen die Röntgenstrahlungsquelle 20 und die Strahlungserfassungseinheit 20 gebrachten Gegenstand L mit einem kollimierten Bündel Röntgenstrahlungsenergie entsprechend der Ausgestaltung der öffnung 22. Die Strahlungserfassungseinheit 30 enthält eine vertikale Gruppe oder Anordnung von Strahlungsdetektoren 32, die so angebracht sind/ daß sie die Röntgen-Strahlungsübertragungs-Kennwerte des Gegenstandes L entsprechend dem Bereich des Gegenstandes L überwachen, der durch den jeweiligen Strahlungsdetektor betrachtet wird, wenn der Gegenstand L an der Strahlungserfassungseinheit 30 vorbeibewegt wird. Jeder der Strahlungsdetektoren 32 überträgt ein Signal, das für die Röntgen-Strahlungsübertragungs-Kennwerte des entsprechenden Bereiches des Gegenstandes L repräsentativ ist, an einen Signalverarbeitungs kreis 40. Der Signalverarbeitungskreis 40 wertet die Ausgangssignale der jeweiligen Strahlungsdetektoren 32 aus, um zu bestimmen, ob der Gegenstand L ein in eine vorgegebene Gruppe fallendes Teil enthält. Bei der Anwendung der Überwachungsstation 10 zur Überwachung von Gegenständen hinsichtlich der Anwesenheit versteckter Handfeuerwaffen, geladen oder ungeladen, wird der Signalverarbei-^ tungskreis 40 so eingestellt, daß er auf die AusgangssignaIe von den Strahlungsdetektoren 32 anspricht, die Röntgen-Strahlungsübertragungs-Kennwerte von Handfeuerwaffen oder Munition anzeigen.

Mit Fig. 2 ist schematisch der Aufbau der Erfindung entsprechend 1 wiedergegeben. Die Röntgenstrählungsquelle 20 weist danach einen, bleihaltigen Behälter 34 mit einer darin vorgesehenen Ausnehmung 26 auf, in der eine Röntgenstrahlenquelle 28 an einer der öffnung 22 gegenüberliegenden Stelle untergebracht ist. Der bleihaltige Behälter 24 ist typischerweise ein Bleizylinder, in dem die erforderliche schlitzartige öffnung 22 vorgesehen ist, um ein kollimiertes vertikales Bündel Röntgen-Strahlungsenergie zur Bestrahlung des Gegenstandes L abzugeben, gleichzeitig jedoch für eine ausreichende Abschirmung der übrigen Umgebung zu sorgen.

Eine Kontrastbeeinträchtigung infolge Streuerscheinungen wird auf

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einem Minimum gehalten, indem die Röntgenstrahlungsenergie durch die entsprechend gestaltete schlitzartige Öffnung 22 zu einem schmal gefächerten Bündel kollimiert wird, so daß nur der mit der Detektorgruppe zusammenfallende Bereich bestrahlt wird. Vertikal mit der Öffnung 22 für die Betrachtung der von dem Gegenstand L übertragenen Strahlung ist die vertikale Anordnung von Strahlungsdetektoren 32, die jeweils einen Scintillationskristall SC und ei"ne zugehörige Photovervielfacherröhre PM enthalten. Zu geeigneten Scintillationskristalien für die Umwandlung der Röntgenstrahlung in sichtbares Licht gehören herkömmliche Natriumiodid- und Caesiumiodid-Scintillationskristalle. Die vertikale Anordnung von Strahlungsdetektoren weist typischerweise eine vertikale geradlinige Gruppe mit einer Anzahl Strahlungsdetektoren auf, die ausreichen, um den gesamten zu überwachenden Gegenstand mit der gewünschten räumlichen Auflösung zu betrachten» Bei der Anwendung des Systems.zur Überwachung von von Flugzeugpassagieren mitgeführtem Handgepäck würde eine typische Ausführung der Strahlungsdetektor-Anordnung mit dichtem Abstand voneinander vertikal .geradlinig ausgerichtete Strahlungsdetektoren mit Scintillationskristallen enthalten, deren Durchmesser etwa 0,6 cm beträgt. Die horizontale Abtastung des Gepäcks erfolgt durch die Bewegung des Fördersystems.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte vertikale Anordnung der Strahlungsdetektoren mit einer ersten und einer zweiten vertikalen geradlinigen Ausrichtung, wobei die einzelnen Scintillationskristalle im Verhältnis zueinander versetzt sind» Die Anordnung nach Fig« 3 gewährleistet die vollständige Abtastung des gesamten Gegenstandes L, indem der Einfluß des toten Raums zwischen benachbarten Strahlungsdetektoren einer einzelnen geradlinigen vertikalen Anordnung eliminiert wird. Wenn der zu überwachende Gegenstand stationär ist, so kann eine X-Y-Anord-nung von Strahlungsdetektoren die vertikale Anordnung ersetzen und die Strahlungsquelle so modifiziert werden, daß der gesamte Gegenstand mit Strahlung beaufschlagt wird.

Die jedem der Scintillationskristalle SC zugeordnete Photovervielfacherröhre PM sorgt für eine wirksame Verstärkung des von einem

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Scintillationskristall in Abhängigkeit von auftreffender Röntgenstrahlung erzeugten Signals. Diese Strahlung hat eine solche Intensität (Aktivität), daß ein "Aufstauen" einzelner Impulse möglich ist und somit ein Gleichspannungssignal erzeugt wird,dem durch die unregelmäßige/ willkürliche bzw. beliebige Emission der Röntgenstrahlungsphotonen ein Wechselspannungssignal überlagert wird. Mit dem Ausgang der einzelnen Photovervielfacherröhren PM ist ein Strom-/Spannungswandler 42 gleichstromgekoppelt, der hier als für diese Betriebsart angeschlossener Operationsverstärker OP wiedergegeben ist. Die Wechselspannungs-Bandbegrenzung erfolgt durch die Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators , wie das in Fig. 2 bezüglich des als strichpunktierter Kasten wiedergegebenen Strom-/Spannungswandlers 42 angedeutet ist. Der Ausgang der einzelnen Strom-/Spannungswandler 42 ist mit einem Komparator 44 gleichspannungsgekoppelt, der einen Differentialverstärker DA enthält, der das Ausgangssignal mit einem Referenz-Schwellwertsignal R von einer Referenzsignalquelle 43 vergleicht. Die Größe des Schwellwertsignals ist so festgelegt, daß dadurch der Röntgen-Strahlungsübertragungs-Kennwert eines besonders interessierenden Körpers wiedergegeben wird. Bei der Anwendung der Überwachungsstation 10 zur Überwachung der Anwesenheit einer versteckten Handfeuerwaffe, geladen oder ungeladen, ist die Größe des Referenzschwellwertsignals R so gewählt, daß es dem zu erwartenden Strahlungsübertragungskennwert einer Handfeuerwaffe entspricht. Wenn das dem Komparator 44 von dem Strom-/Spannungswandler 42 zugeführte Eingangssignal einer vorgegebenen Beziehung zu dem Referenzschwellwertsignal R genügt und damit die Anwesenheit eines interessierenden Körpers oder Teils in dem Gegenstand L anzeigt, so gibt der Komparator 44 ein Signal ab, um den Alarmkreis 50 zu aktivieren. Bei der Überwachung von Gegenständen hinsichtlich der Anwesenheit von Handfeuerwaffen hat das Referenzschwellwertsignal R eine verhältnismäßig kleine Größe, da die Anwesenheit einer Handfeuerwaffe zwischen der Röntgenstrahlenquelle 28 und einem oder mehreren der Strahlungsdetektoren 32 zu einer erheblichen Absorption der Strahlungsenergie durch die Handfeuerwaffe und somit zu einem verhältnismäßig niedrigen Wert der Strahlungsaktivität führt, die den Scintillationskristall SC der die Handfeuer-

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waffe G betrachtenden Strahlungsdetektoren beaufschlagt. Das durch die Strahlungsdetektoren 32, die die Handfeuerwaffe betrachten, erzeugte Ausgangssignal ist somit verhältnismäßig niedrig, während die Ausgangssignale der Strahlungsdetektoren 32, die die Handfeuerwaffe nicht betrachten, beträchtlich höher liegen. Das Referenzschwellwertsignal R ist so eingestellt, daß ein Ausgangssignal von einem Strahlungsdetektor 32, das gleich groß oder kleiner als das Referenzschwellwertsignal R ist, zu einer Aktivierung des entsprechenden Alarinkreis.es 50 führt, während ein Ausgangssignal von den Strahlungsdetektoren 32, das größer als das Referenzschwellwertsignal R ist, keine Aktivierung des entsprechenden Alarmkreises 50 hervorruft. Die Aktivierung von einem oder mehreren Alaririkreisen 50 zeigt die Anwesenheit eines Teiles an, das einer vorgegebenen, durch das Referenzschwellwertsignal R definierten Klasse oder Gruppe angehört.

Eine weitere Ausführung einer Paket-Überwachungsstation ist schematisch mit Fig. 4 wiedergegeben. Die Strahlungsquelle und die Mehrzahl diskreter Detektoren der Fig. 1 sind durch einen Abtaster 100 mit umlaufendem (fliegendem) Lichtpunkt, wobei der Abtaster 100 eine Röntgenröhre 102, einen Schlitz-Kollimator 104 sowie eine umlaufende Kollimator-Scheibe 106 aufweist, ferner durch einen einzelnen, kontinuierlichen vertikalen Strahlungsdetektorstreifen 110 ersetzt. Das durch den Abtaster 100 erzeugte vertikale Abtastbündel sorgt für eine sequentielle Bestrahlung diskreter Bereiche des Strahlungsdetektorstreifens 110. Der Strahlungsdetektorstreifen 110 erzeugt ein Ausgangssignal, das für die von·dem Gepäck L zu einem diskreten Bereich des Detektorstreifens übertragene Strahlungsenergie repräsentativ ist. Diese Ausführungsform ist nicht in der Lage, gleichzeitig Ausgangssignale zu erzeugen, die den Strah— lungsübertragungskennwert der gesamten vertikalen Erstreckung des Gepäcks L repräsentieren.

Da die Anordnung diskreter Detektoren der Fig. 1 gleichzeitig von der Strahlung Gebrauch macht, die in dem der Abtastung der Gebiete der einzelnen Detektoren gegenüberliegenden räumlichen Winkel enthalten ist, eignet sie sich für den Einsatz in Verbindung mit der

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begrenzten Strahlungsintensität, wie sie von einer praktischen radioaktiven Quelle erhältlich ist. Für Handgepäck, dessen vertikale Erstreckung auf 32 cm begrenzt ist, ist eine Anordnung von etwa 40 einzelnen Detektoren erforderlich, um die räumliche Auflösung zu erhalten, die zur Erfassung von Handfeuerwaffen allein auf Kontrastbasis notwendig.ist. Vorläufige Überlegungen zeigen, daß durch Verwendung der Kombination einer Anordnung diskreter Detektoren mit einer Radiumquelle gegenüber der Verwendung einer Kombination aus Abtaster mit "fliegendem" Abtastpunkt und einem Einzelstreifendetektor ein erheblicher Kostenvorteil erzielt werden könnte. Das ist auf die relativ hohen Kosten und die Nichttransportierbarkeit der allgemein erhältlichen Konstantpotential-Röntgenstrahlerzeugungsgeräte, die bei 150 kV oder mehr arbeiten, zurückzuführen.

Der Scintillationskristall SC weist vorzugsweise die Eigenschaften hoher Dichte, einer hohen· Atomzahl, einer hohen Photoelektronenausbeute sowie einer hohen Lichtdurchlässigkeit auf. Die hohe Dichte gewährleistet eine Erfassung im wesentlichen aller Gammastrahlen, während die hohe Atomzahl· mit hoher Wahrscheinlichkeit für eine Wechselwirkung zwischen dem Scintillationskristall und den Gamma-Strahlen sorgt. Die hohe Photoelektronenausbeute sowie die Lichtdurchlässigkeit gewährleisten die Erzeugung und Übertragung eines erheblichen Anteils der Lichtenergie von dem Scintilla-' tionskristall SC zu der Photovervielfacherrohre und die Erzeugung eines verhältnismäßig hohen AusgangsSignaIs durch die Photovervielfacherrohre PM, Eine abweichende Ausführung des Strahlungsdetektors 32 läßt sich durch Ersatz der Photovervielfacherrohre durch eine PIN(Positiv-Intrinsic-Negativ)-Diode erzielen. Die PTN-Diode ist intern mit einem Operationsverstärker gekoppelt, um an den Komparator 44 ein Gleichspannungssignal zu liefen*.

Experimentell konnte ermittelt werden, daß die Mehrzahl der im Gepäck zu findenden Gegenstände aus Materialien mit Weglängen bestehen, so daß ihre Röntgenstrahlen-Übertragung sich in dem 225 - 350 keV-Energiebereich zwischen "gemäßigt" bis "nahezu vollständig" erstreckt. So führt die Verwendung einer Röntgenstrählüngsquelle

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28, die Röntgenstrahlungsenergie im Bereich zwischen 200 und 400 keV erzeugt, zu recht hohen Äusgangssignaien von den Strahlungsdetektoren 32, die typische in dem Gepäck bzw. Handgepäck befindliche Teile oder Gegenstände betrachten. Int Gegensatz dazu ist jedoch ein Material wie Blei, wie es sich in in Handfeuerwaffen enthaltenen Kugeln bzw. darin enthaltenen Kugeln findet, bei Röntgenstrahlungsenergien zwischen 200 und 400 keV nahezu vollständig opak, selbst für die verhältnismäßig kurzen Weg längen, wie sie für eine 0,22-Kaliber-Kugel anzutreffen sind. Da es unwahrscheinlich ist, daß eine Konzentration von Blei in dem Maß, wie es sich in einer Kugel findet, in irgendeinem anderen üblichen Teil auftreten würde, liefert der unterschied in d&n Röntgenstrahlungs-■•Übertragungskennwerten zwischen einer Kugel einerseits und herkömmlichen

andererseits Teilen, wie sie sich im Gepäck befinden,/eine zuverlässige Basis für die Erfassung einer geladenen Handfeuerwaffe. Wenn beispielsweise der Durchmesser des Scintillationskristails SC kleiner als die Abmessungen einer Kugel oder einer Konzentration von Kugeln, wie sie sich in dem Zylinder oder Magazin einer Handfeuerwaffe findet, gemacht wird, so zeigt das Fehlen eines nennenswerten Signals von einem oder mehreren der Strahlungsdetektoren 32 mit einem hohen Wahrscheinlichkeitsgrad an, daß eine geladene Handfeuerwaffe zwischen der Röntgenstrahlenquelle -28 und der Anordnung Strahlungsdetektoren 32 hindurchgelaufen ist.

Ab Lager erhältliche Röntgenstrahlen-Röhreneinheiten können verhältnismäßig große Strahlungsintensitäten erzeugen. Cadmiumsulfid-Detektoren oder Detektoren vom Gasionisierungstyp, die typischerweise eine mittlere Empfindlichkeit haben und vergleichsweise niedrige Kosten bedingen, würden sich für den Einsatz mit Röntgenstrahlen-Röhreneinheiten eignen* Während die Geometrie dieser Detektoren diese für die oben beschriebenen vertikalen -geradlinigen Anordnungen sehr geeignet macht, stellt die Zusammenfassung dieser Detektoren mit ab Lager erhältlichen RÖntgenstrahlen-Röhreneinheiten ein verhältnismäßig teures System dar, und außerdem ergibt sich in Verbindung damit infolge der Anforderungen an die Detektorintensität ein mögliches Problem aufgrund der Schwärzung von unentwickeltem photographischem Film, der sich in dem Gegenstand L

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befindet. Radioisotop-Quellen wie Radium 226 oder Barium 133 stellen eine verhältnismäßig billige Quelle starker Röntgen- und Gamma-Strahlen-Emissionen in dem gewünschten Bereich von 200 -r 4OO keV dar. Geringe Anforderungen an die Wartung einer Radiumquelle machen eine solche Kombination in Verbindung mit der Tatsache, daß die Zusammenfassung der Radioisotop-Quelle und der Szintillations-Detektoren das mögliche Problem der Belichtung unbelichteter Filme eliminiert, zur zu bevorzugenden Lösung.

Die Übertragung T von monochromatischer Röntgenstrahlung durch Materialien ist definiert als T = exp(-oipx) = exp(-ox) , wobei ii der Massenabsorptionskoeffizient und ο die Dichte des Materials sind. Das Produkt up = ο, welches dem linearen Absorptionskoeffizienten entspricht, ist in Fig. 5 in Abhängigkeit von der Energie für die interessierenden Materialien aufgetragen. In dem interessierenden Energiebereich (200 - 400 keV) sind die linearen Äbsorptionskoeffizienten für Eisen und Kupfer so weitgehend gleich, daß nachfolgenden Berechnungen eine mittlere Kurve zugrundegelegt wurde. Die normalerweise aufgeführten Dichten von Metallen werden bei der Berechnung ihrer linearen Absorptionskoeffizienten verwendet. Für Kohlenstoff wird mit einer Dichte von Eins gearbeitet. Von den Werten von ο bei 250 keV ist die Übertragung als eine Funktion der Weglänge für die Materialien in Fig. 6 aufgezeichnet.

nur
Da die Diskriminierung/auf die relativen Übertragungen von den verschiedenen Teilen zurückgeführt werden soll, muß man sowohl das Material der Teile als auch die Wahrscheinlichkeit der Verteilung maximaler Weglängen durch die Teile in der Richtung der kollimierten Strahlung berücksichtigen. Anhand von Größen-, Form- sowie Ausrichtungs-Betrachtungen lassen sich Verteilungskurven herleiten, wie sie in Fig. 7 wiedergegeben sind. Die grundlegenden Überlegungen für die Aufstellung der Kurven für die einzelnen Teile-Klassen sind nachstehend dargelegt.

Kugel (Munition)

Da beispielsweise eine 22-Kaliber-Kugel keine Weglänge haben kann,

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die geringer als ihr Durchmesser ist (^ 0,6 cm) oder aber größer als ihre Länge ist (<·ν1,5 cm), geht die Wahrscheinlichkeitskurve an jedem Ende abrupt auf Null, mit etwa mittig dazwischenliegendem Maximum.

Handfeuerwaffe

Aufgrund tatsächlicher Messungen an einer Smith and Wesson Chief 38 Special (Edelstahl-5-Patronen-Revolver), ist die maximale Weglänge normal zu einer Breitseiten-Ansicht ^ 2 cm. Jede andere Ausrichtung füjftirt zu einer Vergrößerung, so daß <^s 5 cm parallel zur Achse des Laufs erreicht werden. Abrupte Annäherungen an Null an beiden Enden, mit einem zu der 5 cm-Grenze hin versetzten Maximum, kennzeichnen diese Verteilung. Die Verschiebung des Maximums ergibt sich aus der sich langsam ändernden Cosinusfunktion im Bereich kleiner bis mittlerer Wegwinkel gegenüber der Laufachse.

Münzen .

Werden Münzen zusammengedrängt, so neigen sie dazu, sich zu einem "Gegenstand" mit einer Erstreckung von etwa 1 cm zusammenzuballen. Diese Verteilung geht naturgemäß bei vollständiger Abwesenheit (Null-Erstreckung) auf Null, reicht jedoch für ungewöhnliche Zusammendrängungen wie in einer Geldrolle mit Pfennigen über 3 cm hinaus.

Nichtmetallische Gegenstände

Bücher und Zeitschriften können eine Dicke aufweisen, die der maximal zulässigen Breite von Handgepäck nahekommt. Die Verteilungskurve ist durch ein hohes Maß an Asymmetrie gekennzeichnet, mit einem sehr langen Auslauf an der Seite der langen Weglänge.

Fig. 8, die aus Fig. 6 und 7 abgeleitet ist, zeigt die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Übertragung für jeden der angegebenen Gegenstände. Die Verteilungskurve für die Kugel ist für den gewählten Übertragungs-Maßstab so schmal, daß sie als von der Ver-

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teilungskurve der Münzen vollständig getrennte vertikale Linie erscheint. In einer praktischen Ausführung dringt jedoch einige Streustrahlung in die Detektoren ein, so daß die Kugeln den Eindruck hervorrufen, ein kleines Maß an Übertragung (vermutlich ivO,5) zu haben. Insofern kann sich eine sehr kleine Überlappung mit dem auslaufenden Ende der Münzen-Kurve ergeben. Erinnert man sich, daß die Signalausgänge der Strahlungsdetektoren 32 direkte Messungen der Strahlungsübertragungen sind, so würde eine Reduzierung im Ausgang eines Detektors unter eine Schwellwerteinstellung, d. h. 0,05, während des Durchlaufs eines Handgepäckstücks die Anwesenheit einer Kugel mit nahezu 100 %iger Wahrscheinlichkeit anzeigen,, bei einer Wahrscheinlichkeit, daß es zum Auftreten eines falschen Alarms kommen könnte, nahe Null, vorausgesetzt, daß jeder Detektor in der Anordnung Abmessungen hat, die gleich oder kleiner als die Hälfte der Abmessungen einer Kugel sind. Wenn die Kosten je Detektorelement einen wesentlichen Faktor darstellen, so kann ein Kompromiß dahingehend gemacht werden, daß mit größeren und daher weniger Detektoren gearbeitet und statt dessen eine Verschlechterung des LeistungsVerhaltens in Kauf genommen wird. Wenn eine eine Flugzeugentführung planende Person einmal die Entscheidung getroffen hat, eine geladene Handfeuerwaffe im Handgepäck unterzubringen, ist es unwahrscheinlich, daß diese Person dann viel weniger als einen vollständigen Satz an Patronen in den Zylinder oder das Magazin der Handfeuerwaffe eingefüllt haben sollte. Unter diesen Umständen könnten die Abmessungen jedes Detektors beträchtlich größer sein (eine Hälfte der Dimensionen des Zylinders oder Magazins), ohne hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Systems . einen Kompromiß schließen zu müssen.

Die geringfügige Überlappung (schraffierter Bereich) zwischen der Handfeuerwaffe- und der Münzen-Verteilungskurve zeigt eine nahezu 100 %ige Wahrscheinlichkeit an, daß eine nicht geladene Handfeuerwaffe erfaßt wird, mit einer recht geringen Wahrscheinlichkeit, daß es zu einem falschen Alarm kommt, wenn der Schwellwert in der Nähe von 0,1 eingestellt ist. Da eine Handfeuerwaffe zu einem späteren Zeitpunkt geladen werden kann, ist die Möglichkeit, auch eine nicht geladene Handfeuerwaffe entdecken zu können, als wert-

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voll anzusehen«, Das Problem einer maximalen Detektorgröße wird für diesen Fall beträchtlich gemildert, weil die Querschnittbereiche der Weglängen durch dicke Abschnitte einer Handfeuerwaffe viel größer als die einzelner Kugeln sind. '

Wie erwähnt, beruht die vorstehende Untersuchung auf monochromatischer 250 keV-Röntgenstrahlung ο Niedrigere Energien führen zu einer Häufung der Kurven der Fig. 8 zum linken Ende hin, während höhere Energien sie nach rechts hin ausbreiten. Anhand einer Untersuchung von Kurven, die für verschiedene Energien Im Bereich von 200 - 400 keV berechnet wurden, scheint sich zu ergeben, daß der auf einer optimalen Schwellwerteinstellung beruhende Unterscheidungsgrad sich ziemlich langsam ändert. Dies ist günstig, da die meisten Röntgenstrahlungs-Quellen breitbandige Spektralenergie-Kennwerte haben.

Die Ausführung der Erfindung entsprechend Fig. 1 sorgt für eine zufriedenstellende Identifizierung ungeladener Handfeue.rwaffen sowie von Kugeln auf der Basis einer Kontrasterfassung übertragener Röntgenstrahlungs-Energie. Mit Fig. 9A ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung schematisch wiedergegeben, das für eine weitere Gegenstands-Unterscheidung sorgt. Wie aus der den Diagrammen nach Fig. 5-8 entnehmbaren Information ersichtlich, können Gegenstände, wie sie von "zusammengeballten" Münzen gebildet werden, unter entsprechenden Umständen einen falschen Alarm auslösen, wenn der Schwellwert so eingestellt ist, daß auch eine kleine ungeladene Handfeuerwaffe erfaßt wird, die so liegt, daß den Detektoren 32 nur eine Minimalfläche dargeboten wird. Der jedem einzelnen Strahlungsdetektor-Kanal zugeordnete Diskriminatorkreis DC der Fig. 9A sorgt für eine Verringerung falscher Alarme, die sich aus einer Alarmauslösung aufgrund von Gegenständen ergeben könnten, bei denen es sich weder um Handfeuerwaffen noch um Kugeln (Munition) handelt. Insofern als die den einzelnen Strahlungsdetektor-Kanälen zugeordneten Diskriminatorkreise DC identisch sind, wird die nachstehende Beschreibung auf den dem ersten Kanal, der aus einem Szintillationskristall SCl und einer Photovervielfacherröhre PMl besteht, zugeordneten Diskriminatorkreis DC beschränkt. Jeder

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der Diskriminatorkreise DC weist einen Kugelschwellwertkreis BT, einen ersten Handfeuerwaffen-Schwellwertkreis GT, einen Integrierkreis I sowie einen zweiten Handfeuerwaffen-Schwellwertkreis GT¹ auf. Die Schwellwertkreise BT, GT und GT¹ sind dem Schwellwert-Detektorkreis bzw. Komparator 44 der Fig. 2 vergleichbar, so daß insoweit keine weitere Erläuterung des Schwellwertkreises erforderlich ist. Die Ausgangssignale von der Photovervielfacherröhre PMl, die dem Röntgen-Strahlungsübertragungs-Kennwert des Bereiches des Gepäcks L entsprechen, der unmittelbar durch den Szintillationskristall SCl betrachtet wird, werden als Eingangssignale sowohl dem Kugelschwellwertkreis BT als auch dem Handfeuerwaffen-Schwellwertkreis GT zugeführt. Für den Fall, daß das Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre PMl ein für den Übertragungskennwert einer Kugel repräsentatives Referenzsignal überschreitet, gibt der Kugelschwellwertkreis BT ein Ausgangssignal über eine ODER-Stufe ORl ab, um einen Alarmkreis ALI zu aktivieren. Weitere Eingänge zu der ODER-Stufe ORl sind für die Ausgangssignale vorgesehen, die von den Kugelschwellwertkreisen der Diskriminatorkreise DC erzeugt werden, die den weiteren Strahlungskanälen zugeordnet sind. Das Auftreten eines für eine Kugel repräsentativen Ausgangssignals von einem der Strahlungskanäle führt zur Aktivierung des Alarmkreises ALI.

Der für eine entsprechend Fig. 9D ausgerichtete ungeladene Handfeuerwaffe repräsentative Schwellwert läßt sich möglicherweise nicht von dem anderer Gegenstände wie einer Zusammenballung von Münzen unterscheiden, so daß weitere Merkmale des Gegenstandes notwendig sind, um eine zufriedenstellende Unterscheidung bzw. Diskriminierung zu erzielen. Da die meisten Handfeuerwaffen Abmessungen aufweisen, die größer als Gegenstände mit gleichen StrahlungsÜbertragungs-Kennwerten, wie sie sich typischerweise in Reisegepäck finden, sind, würde die Betätigung des Alarmkreises AL2, der für die Anwesenheit einer Handfeuerwaffe repräsentativ ist, nur dann erfolgen, wenn ein Handfeuerwaffen-Erfassungssignal durch eine Reihe benachbarter Handfeuerwaffen-Schwellwertkreise GT entsprechend der Abmessung einer Handfeuerwaffe übertragen wird.

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Mit Fig. 9B₄, 9C und 9D sind verschiedene Ausrichtungen einer Handfeuerwaffe G veranschaulicht, die diese haben kann, wenn sie in das Betrachtungsfeld der geradlinigen Anordnung aus Szintillationskristallen SCl, SC2, SC3 etc. der jeweiligen Strahlungskanäle eintritt. Nimmt man an, daß die Mindestabmessung, für die eine Handfeuerwaffe sich von anderen Gegenständen gleicher Strahlungsübertragungskennwerte unterscheiden läßt, drei benachbarten Strahlungskanälen entspricht, so können die Ausgangssignale von den Handfeuerwaffen-Schwellwertkreisen der drei benachbarten Strahlungskanäle, d. h. 1, 2, 3 einer UND-Stufe Al zugeführt werden, die ihrerseits ein Auslösesignal über die ODER-Stufe 0R2 an den Alarmkreis AL2 nur liefert, wenn die den ersten drei Strahlungskanälen zugeordneten Diskriminatorkreise DC koinzident Eingangssignale an die UND-Stufe Al abgeben, die für die Anwesenheit einer Handfeuerwaffe repräsentativ sind. In gleicher Weise sind die Ausgänge von den Handfeuerwaffen-Schwellwertkreisen der Strahlungserfassungskanäle 2, 3, 4 mit der UND-Stufe A2 verbunden, während die Strahlungserfassungskanäle 3, 4 und 5 mit der UND-Stufe A3 verbunden sind, usw. Damit wird der Ausrichtung der Handfeuerwaffe entsprechend Fig. 9B und 9C genügt, nicht jedoch der mit Fig. 9D wiedergegebenen Ausrichtung. Da der Durchlauf der Handfeuerwaffe G in der Ausrichtung entsprechend Fig. 9D nur zu einem Ansprechen des dem Szintillationskristall SCl entsprechenden Strahlungskanals führt, wird der Forderung nach einer Handfeuerwaffen-Anzeige von drei benachbarten Kanälen nicht genügt. Um für diese Art der Ausrichtung der Handfeuerwaffe eine Kompensation zu schaffen, wird das von dem Handfeuerwaffen-Schwellwertkreis GT des ersten Strahlungskanals erzeugte Ausgangssignal dem Integrierkreis I zugeführt, der das Signal über eine Zeitdauer integriert, die der Abmessung der Handfeuerwaffe entspricht, die für die Betrachtung durch den Szintillationskristall SCl bei Bewegung des Förderers zu erwarten ist, und das integrierte Signal wird anschließend einem zweiten Handfeuerwaffen-Schwellwertkreis GT¹ zugeführt. Wenn das von dem" Integrierkreis I erzeugte Signal gleich oder größer als das Schwellwertsignal entsprechend dem erwarteten integrierten Signal für eine Handfeuerwaffe in der mit Fig. 9D wiedergegebenen Lage ist, liefert der zweite Handfeuerwaffen-Schwellwertkreis GT' ein

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aktivierendes Signal über die ODER-Stufe OR3, um den Alarmkreis ALI zu aktivieren.

Der Diskriminatorkreis DC, der den einzelnen Strahlungskanälen zugeordnet ist, und die zugeordnete Logikschaltung entsprechend den ODER-Stufen ORl, 0R2 und 0R3 bzw. den UND-Stufen Al, A2, A3 etc. stellen eine Möglichkeit dar, um Handfeuerwaffen und Munition (Kugeln) genau von anderen Gegenständen zu unterscheiden, die ähnliche Strahlungsübertragungs-Kennwerte haben. Es liegt auf der Hand, daß zahlreiche weitere Möglichkeiten zur Verfügung stehen, um die gewünschte Unterscheidung zu erzielen. Beispielsweise kann der Ausgang jedes Strahlungsdetektors in der Anordnung durch einen geeigneten Abtastkreis wiederholt mit einer Geschwindigkeit bzw. Frequenz abgetastet werden, die größer als die Geschwindigkeit ist, mit der sich das Gepäck weiterbewegt. Die sich aus dem Abtastvorgang ergebenden Signale können dann einer Reihe Schieberegister zugeführt werden,^um die Größe und Form von Gegenständen zu bestimmen, die einen Erfassungs-Alarm auslösen.

Patentansprüche;

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Claims

■- 18—
P atentansprüche;

Verfahren zur Überwachung eines Gegenstandes auf die Anwesenheit von Handfeuerwaffen oder Munition, wobei der Gegenstand einem kollimierten Bündel Strahlungsenergie im Bereich von 200 - 400 JceV ausgesetzt wird,, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsübertragungs-Kennwerte bestimmter, in ihrer Größe einer Handfeuerwaffe oder Munition entsprechender Bereiche des Gegenstandes überwacht, einzelne dafür repräsentative Signale erzeugt und diese Signale zur Bestimmung, ob sie den Strahlungsübertragungs-Kennwerten einer Handfeuerwaffe oder von Munition entsprechen _s ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlungsdetektor einer Strahlungsdetektor-Anordnung gleichzeitig ein Ausgangssignal erzeugt, das für den Strahlungsübertragungs-Kennwert eines bestimmten Bereichs des Gegenstandes repräsentativ ist, der durch den entsprechenden Strahlungsdetektor betrachtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand einem kollimierten vertikalen Bündel Röntgenstrahlungs-Energie ausgesetzt wird, die von einer Isotiopenquelle erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3_r dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Bereiche im Verhältnis zu dem kollimierten Bündel ausgerichtete diskrete Bereiche des Gegenstandes sind.
5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch eine Strahlungsenergie-Quelle zur Beaufschlagung des Gegenstandes mit einem kollimierten Bündel Strahlungsenergie im Bereich von 200 - 400 keV, eine räumlich getrennt von der Strahlungsenergiequelle angeordnete und im Verhältnis zu dem kollimierten Bündel ausgerichtete Strahlungsüberwachungs-Einrichtung zur Überwachung der Strahlungsübertragungs-Kennwerte des Gegenstandes, wobei

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die Werte der Strahlungsüberwachungs-Einrichtung so gewählt sind, daß die Strahlungsüberwachungs-Einrichtung Ausgangssignale erzeugen kann, die geeignet sind, um Handfeuerwaffen oder Munition von anderen dem Gegenstand angehörenden Stücken zu unterscheiden.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsüberwachungs-Einrichtung eine Anordnung aus einer Mehrzahl Strahlungsdetektoren aufweist, die im Abstand voneinander angeordnet und im Verhältnis zu der Strahlungsquelle so ausgerichtet sind, daß jeder der Strahlungsdetektoren die Strahlungsenergie mißt, die durch einen bestimmten Bereich eines zwischen der Strahlungsquelle und der Anordnung befindlichen Gegenstandes übertragen wird.

KN/hs 3

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