AT410148B - Rotationssymmetrisches kollimationssystem für die röntgenstreuung - Google Patents

Description

AT 410 148 B

Die Erfindung betrifft ein rotationssymmetrisches Kollimationssystem für Röntgenstrahlen, welches aus zwei kegelstumpfförmigen totalreflektierenden Kapillaren besteht. Die beiden halben Öffnungswinkel der Kapillaren sind dabei kleiner als der kritische Winkel für Totalreflexion des verwendeten Materials. Ein derartiges Kollimationssystem dient in Verbindung mit einer punktförmigen Röntgenquelle zur Erzeugung eines symmetrischen, intensiven und partiell monochromati-sierten Röntgenstrahls mit kreisrundem Querschnitt für die Untersuchung von Präparaten nach der Methode der Röntgenstreuung und speziell Röntgenkleinwinkelstreuung.

Abgesehen von den Lochblendensystemen kann man bei den bekannten reflektierenden, zweidimensionalen, rotationssymmetrischen Kollimationssystemen für die Röntgenstreuung folgende grundlegende Typen finden: 1) Zylindrische Einzelkapillaren (die erzeugende Radiusfunktion ist hier eine Gerade mit der Steigung=0). Diese Optiken erzeugen einen Strahl mit etwa kreisrundem Querschnitt, wobei jedoch die Strahldivergenz durch das reflektierende Material bestimmt wird. Der maximale Öffnungswinkel des aus dem Kollimator austretenden Strahles ist dabei gegeben durch den doppelten Winkel für Totalreflexion des Reflektormaterials. Für viele Röntgenstreuungsexperimente, speziell für Röntgenkleinwinkelstreuung, ist dieser Öffnungswinkel (etwa 8mrad für 8keV Photonen und Quarzglas als Reflektormaterial) zu groß. 2) Rotationssymmetrische Einzelkapillaren mit einer linearen, parabolischen bzw. elliptischen erzeugenden Radiusfunktion. Diese Optiken können ebenfalls einen Strahl mit etwa kreisrundem Querschnitt erzeugen, jedoch ist auch hier die Divergenz des austretenden Strahles meist zu groß. Einige dieser Optiken sind nur zur Maximierung der Intensität direkt am Ausgang der Kapillare optimiert und für die Röntgenkleinwinkelstreuung ungeeignet. Außerdem ist die Fertigung von rotationssymmetrischen Kapillaren mit einer definiert konkaven erzeugenden Radiusfunktion sehr aufwendig und kostspielig. 3) Zwei gegeneinander um 90° verkippte Spiegel (Kirkpatrick-Baez Systeme)

Diese Optiken erzeugen normalerweise einen Strahl mit elliptischem Querschnitt. Für Kleinwinkelstreuungsmessungen können Kollimationssysteme dieses Typs trotz der hohen erzielbaren Intensitätsverstärkungen (etwa bei Multilayerbeschichtungen) für sich alleinstehend nicht verwendet werden. Üblicherweise müssen Lochblendensysteme nachgeschaltet werden, um die Streulichtanteile auszublenden (sogenannte Putzblenden). Diese Kollimatoren unterscheiden sich von den Typen 1) und 2) dadurch, dass ein das System passierender Strahl prinzipiell nur zweimal reflektiert wird.

Es sind bereits Kollimationssysteme mit sich nach aussen erweiterndem Doppelkonus bekannt geworden, etwa gemäss US4582999A. Sie zeigt einen Doppelkonus Kollimator, dessen Konusse sich nach aussen erweitern, jedoch nicht rotationssymmetrisch sind und zur Kollimierung thermischer Neutronen dienen. Der Kollimationseffekt beruht rein auf Absorption von nicht erwünschten Strahlanteilen. Der konische Neutronenkollimator in US4582999A besitzt einen Öffnungswinkel von 5-7 Grad, ist von rechteckigem Querschnitt und seine Wand bestellt aus 3 Schichten. Die äussere Schicht absorbiert thermische Neutronen, die mittlere Schicht absorbiert Röntgen sowie Gammastrahlen und die innere Schicht dient der mechanischen Stabilität.

Weiters ist aus der US5077479A eine medizinische Gammakamera bekannt geworden, welche eine Lochblende verwendet. Auch diese Kamera verwendet 2 Konusse, wobei ein Konus nur die niederenergetische Gammastrahlung, der zweite, optionale Konus die hochenergetische Gammastrahlung absorbiert. Am Eingang des sich aufweitenden Konus sitzt eine Lochblende zur Abbildung des untersuchten Objektes (z.B. Organ eines Patienten). Diese besteht aus Wolfram und filtert niedrigenergetische Gammastrahlung aus. Am weiten Ende des Konus sitzt der Szintillations-detektor zur Aufzeichnung des Bildes.

Anders als der Kollimator in US4582999A basiert die vorliegende Erfindung auf Totalreflexion von Röntgenstrahlen und besteht im wesentlichen aus einer Hintereinanderschaltung zweier kegelförmiger Reflexionsflächen (jeweils vom Typ 2)). Anders als in US5077479A erzeugt die Erfindung aufgrund der Anordnung einer sich zuerst verengenden und dann aufweitenden Kapillare einen quasiparallelen Röntgenstrahl, dessen Divergenz sehr viel kleiner als der doppelte kritische Winkel des Kapillarenmaterials ist (etwa <1mrad für 8keV Photonen und Quarzglas). Gemäss der Verwendung in Röntgenstrahlapparaturen ist der kleinste gemeinsame innere Kapillarradius (7) von 2

Claims (3)

1. AT 410 148 B wesentlich kleinerer Grössenordnung. Die kapillarförmige Dimensionen der vorliegenden Erfindung unterscheidet sie ebenfalls von den in US4582999A und US5077479A geoffenbarten Kollimatoren. Im Vergleich zu einem Lochblendensystem wird dabei eine Intensitätsverstärkung um das drei-bis zwanzigfache erzielt. Anders als bei den o.a. reflektierenden Systemen vom Typ 1) ist der Öffnungswinkel des ausfallenden Strahles nicht vom reflektierenden Material abhängig, sondern wird nur durch die erzeugenden Radiusfunktionen der beiden reflektierenden Drehflächen, der Quellengröße und dem kleinsten (inneren) Kapillarradius (7) definiert. Anders als bei den o.a. Systemen des Typs 2) und 3) wird kein nachgestelltes Lochblendensystem zur Strahldefinition benötigt. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich sehr wesentlich von Röntgenkollimatoren des Typs 3) dadurch, dass Lichtstrahlen mehrfach (bis zu 10mai) innerhalb der Kapillare reflektiert werden, bevor diese austreten. Sie stellt daher eher einen Röntgenlichtleiter als einen Röntgenspiegel dar. Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 eine räumliche Prinzipskizze und Fig.2 ein Beispiel für einen Kleinwinkelstreuungsmessaufbau. Die räumliche Prinzipskizze nach Fig.1 zeigt ein Kollimationssystem der vorliegenden Erfindung. Es besteht aus zwei kegelstumpfförmigen reflektierenden Kapillaren (1,2), welche so zusammengefügt sind, dass sich die beiden kleineren Radien (7) berühren. Der Kegelwinkel der Ausgangskapillare (13) ist verschieden vom jenem der Eingangskapillare (12). Die reflektierenden Flächen befinden sich auf der Innenseite von je zwei konischen Kapillaren (14). In Fig.2 ist ein Kollimationssystem eines Kleinwinkelstreuungsmessaufbaus dargestellt (Schnitt durch die Symmetrieachse (=Drehachse) des Kollimationssystem). Die Funktionsweise ist folgende: Die von der Röntgenquelle (z.B. Punktfokus einer Röntgenröhre (3)) ausgehenden Strahlenbündel gelangen direkt (5) oder nach mehrmaliger Reflexion (4) innerhalb der kegelstumpfförmigen Kapillaren (1,2) zur Registrierebene (10). Durch die Überlagerung des nicht reflektierten (direkten) Strahls (5) und der reflektierten Strahlen (4) ergibt sich eine Intensitätsverstärkung in der Registrierebene (10). Die Reflexionsfläche in der Ausgangskapillare (2) wird nicht von Strahlen des direkten Strahlbündels (5) getroffen. Das zu untersuchende Präparat (9) kann ohne die sonst üblichen Putzblenden unmittelbar hinter dem Ausgang des Kollimators in den Strahl gebracht werden. Der Anteil des Strahles, der dem Primärstrahl zuzuordnen ist, wird mit einem Block (11) abgeschirmt. Die Wandstärke (14) der Kapillaren bestimmt die mechanische Stabilität und ist für die optische Leistung von nebensächlicher Bedeutung. Das Material der reflektierenden Flächen der Erfindung hat nur einen Einfluß auf den mittleren Reflexionskoeffizienten und damit auf den erzielbaren Intensitätsgewinn und die spektralen Eigenschaften. Durch geeignete Auswahl des Reflektormaterials kann man die Reflexionseigenschaften des Kollimators gezielt variieren. In jedem Fall erhält man als erwünschten Nebeneffekt eine teilweise Unterdrückung des hochenergetischen Anteils im Energiespektrum des austretenden Röntgenlichtes. Diese Eigenschaft ist vor allem bei der Kollimation von Röntgenlicht einer Röntgenröhre vorteilhaft, wo üblicherweise die hochenergetische Bremsstrahlung die Qualität der Röntgenstreuungsmessung beeinträchtigt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass das beschriebene Kollimationssystem, bestehend aus zwei konisch geformten Quarzkapillaren, für 8keV Photonen bereits eine Intensitätsverstärkung von etwa 10 im Vergleich zu einem konventionellen Lochblendensystem bringt. Durch Übergang von einer linearen erzeugenden Radiusfunktion zu einer konkaven erzeugenden Radiusfunktion lässt sich der mittlere Reflexionskoeffizient vergrößern sowie die Strahldivergenz weiter verringern. PATENTANSPRÜCHE: 1. Rotationssymmetrisches Kollimationssystem für die Röntgenstreuung, bestehend aus zwei kegelstumpfförmigen totalreflektierenden Kapillaren, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Kapillaren (1,2) mit ihrem gemeinsamen kleinsten Radius (7) berühren (Fig.1 und Fig.2).
2. 2. Rotationssymmetrisches Kollimationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugenden der kegelstumpfförmigen totalreflektierenden Kapillaren (1,2) 3 AT 410 148 B Geraden sind.
3. 3. Rotationssymmetrisches Kollimationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der kegelstumpfförmigen totalreflektierenden Kapillaren (1,2) aus Glas bestehen. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 4