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Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit flächig
ausgebildeten Detektorsystemen und insbesondere mit Röntgen-Flächendetektoren,
die für
eine dimensionelle bzw. störungsfreie
Qualitätskontrolle mittels
Röntgendurchstrahlung
Verwendung finden.
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Bei
der Produktion von Bauteilen, z. B. aus Aluminium, Magnesium, Stahl,
Keramik oder Kunststoffen, kann es zu Herstellungsfehlern (des inneren Aufbaus)
kommen, die die mechanischen Eigenschaften und dadurch das Stabilitätsverhalten
signifikant beeinflussen. Eine Aussonderung solcher Produkte ist
notwendig. Derartige Fehler können
z. B. an materialströmungsmechanisch
ungünstigen
Positionen auftreten und äußern sich
in der Regel durch lokal begrenzte Dichteunterschiede/-gradienten,
wie Gaseinschlüsse
oder Lunker gegenüber
der ungestörten
fehlerfreien Verteilung oder in fehlerhaften bzw. zu schwachen Wandstärken, so
daß die
Betriebsfestigkeit des Prüfobjektes
nicht gewährleistet ist.
Vor allem in der Prototypphase, d. h. bei der Optimierung des Herstellungsprozesses,
ist eine schnelle und zuverlässige
Darstellung solcher innerer Defekte bzw. Geometrieabweichungen unabdingbar.
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Bisher
werden für
diese Prüfaufgabe
im industriellen Bereich meist entweder zerstörende oder 2D-Radioskopie-Verfahren
eingesetzt, die jedoch aufgrund der im folgenden genannten Gründe nur eine
unbefriedigende Prüftiefe
leisten können.
Der mittelfristig zunehmende Einsatz der 3D-CT (CT = Computertomographie)
in diesem Bereich ist absehbar.
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Ziel
solcher Qualitätskontrollen
ist einerseits die Detektion interner Defekte wie Einschlüsse, Gasblasen,
Risse (Fehlerdetektion) oder aber die Vermessung der Geometrie des
Prüfobjekts,
z. B. um Abweichungen von einer Sollgeometrie zu bestimmen. Dabei
kommt es auf eine quantitative Bestimmung der Fehlerstrukturen bzw.
Abweichungen an. Eine Hauptanwendung (vorgenannter Röntgenverfahren)
dabei ist die Prüfung
von Leichtmetallgußteilen
in der Fahrzeugindustrie. Hier kommen sowohl Durchstrahlungsanlagen
für die
Serienprüfung
(radioskopische 2D-Prüfung)
zum Einsatz, als auch Computertomographie-Anlagen z. B. zur Erstmusterprüfung. Ziel
ist eine möglichst
schnelle und möglichst genaue
Bestimmung von Wandstärken
bzw. Größen der
Fehlerstrukturen.
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Bei
zerstörenden
Prüfverfahren
werden die Prüfobjekte
zersägt
oder Material wird schichtweise abgetragen, um interessierende Objektstrukturen freizulegen.
Diese Strukturen können
dann mittels optischer Methoden, z. B. Mikroskopie, vermessen werden.
Neben dem erforderlichen zeitlichen und technischen Aufwand ist
bei diesen Methoden nachteilhaft, daß die Objekte nach der Prüfung nicht
mehr intakt existieren, wodurch andere Prüfmethoden, etwa Belastungstests,
nicht mehr durchgeführt
werden können.
Jedoch gerade die Zuordnung von Defektgröße zu gerade noch tolerierbarer
Belastung kann wesentliche Aussagen über die Produkteigenschaften
ergeben.
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Ein
weiteres Prüfverfahren
ist die 2D-Radioskopie. Diese Röntgendurchstrahlungsprüfung ist
ein vielseitiges Instrument in der zerstörungsfreien Materialprüfung und
wird standardmäßig in vielen
Bereichen, z. B. der automatischen Leichtmetallräderprüfung eingesetzt. Wesentlicher
Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch der Verlust der Tiefeninformation, der
bei der Projektion dreidimensionaler Objekte auf eine zweidimensionale
Detektorfläche
entsteht. Durch eine Überlagerung
aller Objektstrukturen auf eine einzige Ebene wird nicht nur eine
Auffindung etwaiger Defekte erschwert oder ganz und gar vereitelt, sondern
auch deren genaue Lokalisierung und Vermessung ist nur in den seltensten
Fällen
möglich.
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In
den letzten Jahren hielt die Röntgen-Computertomographie
Einzug in die Entwicklungslabors der Industrie. Diese Technik ermöglicht durch
die Aufnahme einer Vielzahl von Projektionen des Prüfobjektes
aus unterschiedlichen Richtungen eine digitale Rekonstruktion der
räumlichen
Dichteverteilung des Prüflings.
Hierbei sind zwei Vorgehensweisen zu unterscheiden.
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Eine
erste Vorgehensweise ist die schichtweise (2D-) Computertomographie.
Hier wird das Prüfobjekt
schichtweise abgescannt und rekonstruiert. Die Messung der Schwächungsdaten
geschieht mittels eines Zeilendetektors. Ein Problem einer Detektorstreustrahlung
tritt hier nicht oder nur in geringem Umfang auf, da die sensitive
Oberfläche
des Detektors nur relativ gering ist, und die in das Objekt bzw.
den Detektor eindringende Röntgenstrahlung mittels
Kollimation begrenzt werden kann. Nachteil dieses Verfahrens sind
extrem lange Meßzeiten,
da das Objekt senkrecht zu den Schichten nur in Schritten von 0,5
mm bis 2 mm abgetastet wird.
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Eine
weitere Vorgehensweise ist die Volumen- (3D-) Computertomographie.
Vermehrt kommen hochoptimierte 3D-Verfahren zum Einsatz, mit denen
die Aufnahme und Rekonstruktion von Objektvolumina innerhalb weniger
Minuten möglich
ist. Dabei wird jeweils ein großer
Teil des Objektes auf großflächige Detektoren
abgebildet und rekonstruiert.
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Für die Prüfung müssen relativ
hohe Anregungsspannungen (> 250
kV) appliziert werden, um eine ausreichende Durchdringung der Prüfobjekte
(z. B. Kurbelgehäuse,
Zylinderblöcke)
zu gewährleisten.
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Ein
Nachteil dieser Vorgehensweise liegt darin, daß unter anderem durch im Detektor
entstehende Streustrahlung die (für das Rekonstruktionsverfahren
notwendigen) Projektionsdaten des Prüfobjekts verfälscht werden.
Eine genaue Segmentierung und Vermessung von komplexen Bauteilen
bzw. deren Fehlern wird dadurch erschwert.
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Zusätzlich wird
die Bestimmung der Materialdicke bzw. der Ausdehnung der Fehlerstruktur
in Durchstrahlungsrichtung bedingt durch die Überlagerung der Streustrahlung
des Detektorsystems wesentlich verfälscht.
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6 zeigt eine schematische
Darstellung eines herkömmlichen
Röntgen-Flächendetektors 600.
Der Röntgen-Flächendetektor
weist eine Sensorfläche 602 in
Form einer röntgensensitiven
Zone sowie ein Detektorgehäuse 604 auf.
Der Röntgen-Flächendetektor
ist ausgebildet, um Röntgenstrahlung 612 zu
detektieren. Beispielhaft sind in 6 einzelne
Röntgenstrahlen 612a–d gezeigt.
Die Röntgenstrahlen 612a, 612d durchdringen
die Sensorfläche 602 ungestört und werden
von dem Detektorgehäuse 604 absorbiert.
Der Röntgenstrahl 612b durchdringt
ebenfalls die Sensorfläche 602 ungestört, wird
jedoch von im Detektorgehäuse 604 bzw. sich
innerhalb des Detektorgehäuse
befindlichen Komponenten 605, beispielsweise elektrische
oder elektronische Komponentenmaterialien gestreut. Der Röntgenstrahl 612b wird
durch das Gehäuse 604 rückwärts gestreut
und von der Sensorfläche 602 detektiert.
Der Röntgenstrahl 612c wird
unmittelbar von der Sensorfläche 602 detektiert.
Die Detektion des Rückstreustrahls 614 durch
die Sensorfläche 602 bewirkt
einen Detektionsfehler, da die Intensität der gestreuten Rückstreustrahlung 614 damit
einen durch den Röntgenstrahl 612c erzeugten
Messwert bzw. Intensitätswert
aus dem entsprechendem Pixel der Sensorfläche 602 überlagert.
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Die
besondere Schwierigkeit bei Messungen mit einem flächigen Röntgendetektor,
wie er in 6 beschrieben
ist, liegt darin, daß bei
hohen Röntgenenergien
im Röntgendetektor
selbst Streustrahlung entsteht. Zur eigentlichen Bildgewinnung wird
nur ein Bruchteil der auf den Detektor auftreffenden Strahlung genutzt.
In dem in 6 gezeigten
Beispiel ist dies der Röntgenstrahl 612c,
der von der Sensorfläche 602 erfaßt wird.
Der Großteil
der Strahlung 612 dringt in den Detektor 600 ein
und wechselwirkt dort mit den Materialien, aus denen der Detektor
bzw. das Detektorgehäuse 604 besteht,
wobei die Strahlung je nach Energie und Ordnungszahl des Materials
des Detektors in unterschiedliche Richtungen gestreut wird. Ein
Teil der Strahlung 612b wird an dem Gehäuse 604 rückwärts gestreut
und durchquert erneut die röntgensensitive
Zone 602 des Detektors 600. Diese Streustrahlung 614 überlagert
das eigentlich zu messende Schwächungssignal
des Prüfobjekts.
Dadurch werden der radioskopischen Auswertung bzw. dem Rekonstruktionsprozeß (CT) falsche
Abschwächungen/Materialstärken vorgetäuscht, was
eine korrekte quantitative Auswertung oder Vermessung der Prüfobjekte
erschwert oder unmöglich
macht. Bei Röntgenenergien
zwischen 200 kV und 300 kV werden typischerweise nur ca. 10 % der
auf den Detektor treffenden Strahlung in der röntgensensitiven Schicht bei
ihrem unmittelbaren Auftreffen absorbiert. Ein Teil der restlichen
90 % wechselwirken in den dahinterliegenden Strukturen. Ursprünglich wurden
diese Detektorsysteme für
Anwendungen in medizinischen Bereichen entwickelt, wo wesentlich
niedrigere Röntgenenergien
appliziert werden und das oben beschriebene Phänomen nicht zu nennenswerten
Meßfehlern
führt.
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Die
eigentlich zu erfassende Bildinformation eines Prüfobjekts
wird somit von zweierlei Mechanismen gestört. Einerseits von einer kurzreichweitigen Verwaschung,
die sich in einer Unschärfe
von Objektkonturen äußert z.
B. durch isotrope Ausbreitung des Szintillationslichtes auf benachbarte
Detektorpixel, bei einer Detektion der Röntgenstrahlung durch einen
Szintillationsvorgang, und durch eine langreichweitige Verwaschung
durch den oben beschriebenen Mechanismus der Rückstreuung von Röntgenlicht.
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B.
Illerhaus, Y. Onel: „Flächendetektoren
und Röntgenstrahlung,
was man bei der Anwendung für die
CT berücksichtigen
sollte", 8. Anwenderforum Rapid
Product Development, IPA, Stuttgart, 2003, und U. Zscherpel, K.
Osterloh, U. Ewert: „Unsharpness
characteristics of digital detectors for industrial radiographic
imaging", DGZfP/BAM
Symposium on CT-IP, Juni 2003, Berlin, beschreiben einen langreichweitigen
Verschmierungseffekt (Hinterleuchten des Prüfobjekts), der als „Lichtstreuung
im Detektor" gedeutet
wird. Dabei liegt jedoch als Ursache nicht die Rückstreuung von Röntgenstrahlung
vor.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen
einer Rückstreueigenschaft
eines Strahlen-Flächendetektors sowie
einen Strahlen-Flächendetektor
zu schaffen, die eine höhere
Meßgenauigkeit
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Rückstreueigenschaft
eines Strahlen-Flächendetektors
gemäß Anspruch
1 und einen Strahlen-Flächendetektor
gemäß Anspruch
11 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Bestimmen einer
Rückstreueigenschaft
eines Strahlen-Flächendetektors,
wobei der Strahlen-Flächendetektor
eine Sensorfläche
zum Erfassen einer Strahlung aufweist, das folgende Schritte umfaßt:
Abschirmen
eines Referenzbereichs der Sensorfläche gegenüber einer Primärstrahlung;
Erfassen
einer Rückstreustrahlung
in dem Referenzbereich, die von einem die Sensorfläche außerhalb des
Referenzbereichs durchdringenden und gestreuten Primärstrahlungsanteil
hervorgerufen ist; und
Ermitteln der Rückstreueigenschaft aus dem
erfaßten
Rückstreustrahlungsanteil.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner einen Strahlen-Flächendetektor
mit einem Kalibriermodus mit folgenden Merkmalen:
einer Sensorfläche zum
Erfassen einer Strahlung;
einer Abschirmeinrichtung, die ausgebildet
ist, um im Kalibriermodus einen Referenzbereich der Sensorfläche gegenüber einer
Primärstrahlung
abzuschirmen; und
einer Auswerteeinrichtung, die ausgebildet
ist, um im Kalibriermodus eine Rückstreueigenschaft
des Strahlen-Flächendetektors
basierend auf einer in dem Referenzbereich erfaßten Rückstreustrahlung zu ermitteln,
wobei die Rückstreustrahlung
von einem die Sensorfläche
außerhalb
des Referenzbereichs durchdringenden und mit dem Detektor wechselwirkenden
Primärstrahlungsanteil
hervorgerufen ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist,
die Rückstreueigenschaft
eines Strahlen-Flächendetektors
zu bestimmen, indem eine Erfassung der Rückstreustrahlung des Detektors
mit teilweise abgedeckter Sensorfläche durchgeführt wird,
und dass die Kenntnis der Intensität der rückwärts gestreuten Strahlung dann vorteilhaft
genutzt werden kann, um die Meßgenauigkeit
des Flächendetektors
zu erhöhen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine Schätzung
eines durch ein Detektionssystem in eine Messung eingekoppelten
Streustrahlungsanteils. Dadurch kann die Messung von Schwächungswerten
eines Objekts korrigiert werden, so daß eine genauere Bestimmung
von Fehlergrößen bzw.
Wandstärken
ermöglicht
wird. Das Verfahren kann sowohl in der Durch strahlungsprüfung (Radioskopie)
als auch in der (dreidimensionalen) Computertomographie (CT) genutzt
werden.
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Die
erzeugte Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik ergibt sich dadurch, daß erfindungsgemäß erhaltene,
zweidimensionale Röntgenaufnahmen
exaktere Meßdaten
liefern können.
Damit können
mit Flächendetektoren
annäherungsweise
Messungen ohne einen fälschlichen
Einfluß von rückgestreuten
Röntgenquanten
durchgeführt
werden, und dadurch annäherungsweise
quantitative Aussagen über
die Objektgeometrie getätigt
werden. Der Vorteil besteht dann in der gegenüber einer zeilenweisen Abtastung
der Prüfobjekte
wesentlich verkürzten
Aufnahmezeit.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Strahlen-Flächendetektors
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
beispielhafte Darstellung einer Rückstreuintensität in dem
in 1 gezeigten Flächendetektor;
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3 eine
schematische Querschnittsdarstellung des in 1 gezeigten
Flächendetektors während eines
Meßvorgangs;
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4 ein
Flußdiagramm
eines Verfahrens zum Bestimmen einer Rückstreueigenschaft eines Flächendetektors
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 ein
Flußdiagramm
eines Verfahrens zum Erfassen eines Primärstrahlenanteils einer erfaßten Strahlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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6 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Röntgen-Flächendetektors gemäß dem Stand
der Technik.
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In
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen
Zeichnungen dargestellten und ähnlich
wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser
Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Strahlen-Flächendetektor 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Flächendetektor 100 weist
eine Sensorfläche 102,
ein Sensorgehäuse 104,
eine Abschirmeinrichtung 106 sowie eine Erfassungselektronik 108 auf.
Der in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigte Flächendetektor 100 ist
ein Flachbild-Röntgensensor
zur Erfassung einer Röntgenstrahlung 112.
Die eigentliche Detektion der Röntgenstrahlung 112 erfolgt
in der Sensorfläche 102 durch
einen Szintillationsvorgang. Die Sensorfläche ist als Pixel-Array ausgebildet,
das eine Mehrzahl von Detektorpixeln aufweist. Insbesondere ein
der Sensorfläche 102 gegenüberliegender
Teil des Detektorgehäuses 104,
bzw. sich innerhalb des Detektorgehäuse 104 befindliche
Komponenten 605 bestehen häufig aus Materialien mit hoher
Ordnungszahl oder hoher Dichte. Die Abschirmeinrichtung 106 ist
vorzugsweise aus einem stark absorbierenden Material bestehend.
Beispielsweise ist die Abschirmeinrichtung 106 eine Bleiplatte.
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Beispielhaft
sind in 1 einzelne Strahlen 112a–e der zu
erfassenden Röntgenstrahlung 112 gezeigt.
Ein erster Röntgenstrahl 112a durchdringt die
Sensorfläche 102 ungestört und wird
von dem Detektorgehäuse 104 absorbiert.
Ein zweiter Röntgenstrahl 112b durchdringt
ebenfalls die Sensorfläche 102 ungestört, wird
jedoch von dem Detektorgehäuse 104 gestreut
und von der Sensorfläche 102 an einer
Rückseite,
die in 1 unten ist, als Rückstreustrahl 114 in
einem Bereich erfaßt,
der durch die Abschirmeinrichtung 106 abgeschirmt ist.
Die Abschirmeinrichtung 106 ist so im Strahlengang der
Röntgenstrahlung 112 angeordnet,
daß sie
die Sensorfläche 102 zur
Hälfte
abschirmt. Ein dritter Röntgenstrahl 112c und
ein vierter Röntgenstrahl 112d,
die auf die Abschirmeinrichtung 106 treffen, werden von dieser
absorbiert. Ein Fünfter
Röntgenstrahl 112e trifft
auf den nicht abgedeckten Teil der Sensorfläche und wird von der Sensorfläche 102 primär erfasst. Der
Röntgenstrahl 112e wird
typischerweise in der Sensorfläche 102 nicht
absorbiert sondern nur abgeschwächt
und dabei gegebenenfalls abgelenkt.
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Die
von außen
auf den Detektor 100 treffende und von dem Detektor 100 zu
erfassende Strahlung wird im folgenden als Primärstrahlung bezeichnet. Die
von dem Detektor 100 erfasste Strahlung weist neben einem
Primärstrahlungsanteil
zusätzlich einen
Rückstrahlungsanteil 114 auf,
der sich daraus ergibt, daß Primärstrahlen 112a, 112b,
die die Sensorfläche 102 durchdrungen
haben, von Strukturen des Detektorgehäuses 104 gestreut
werden und als gestreute Strahlen 114 von der Sensorfläche 102 erfaßt werden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
weist der Flächendetektor 100 eine
Auswerteelektronik 108 auf, die mit der Sensorfläche 102 verbunden
ist und die erfaßten
Röntgenstrahlen
auswertet. Von den in 1 gezeigten Röntgenstrahlen 112a–d wird
lediglich der gestreute Röntgenstrahl 114 von
der Sensorfläche 102 erfaßt. Auch
die Strahlen 112a, b können an
den Stellen, an denen sie die Sensorfläche durchdringen, Intensitäts-Zuwächse bewirken!
Ein von der Auswerteelektronik 108 erzeugtes Röntgenbild
weist in dem exemplarischen Fall der Strahlen 112a–e nur zwei
belichtete Bildpunkte auf. Da sich einer der zwei Bildpunkte in
dem Bereich der Sensorfläche 102 befindet,
der von der Abschirmeinrichtung 106 abgeschirmt ist, muß es sich
um einen Bildpunkt handeln, der von einem gestreuten Strahl 114 hervorgerufen wurde.
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2 zeigt
statistische Impulsantworten von Röntgenstrahlen, die nicht von
der Sensorfläche
absorbiert werden, sondern von dem Detektorgehäuse gestreut werden. Ein Röntgenstrahl
wird dabei als Photon aufgefasst. Das Photon wird mit einer ersten Wahrscheinlichkeit
von der Sensorfläche
absorbiert. Ein Photon, dass die Sensorfläche durchdringt, wird mit einer
zweiten Wahrscheinlichkeit von dem Detektorgehäuse absorbiert. Ein Photon,
dass nicht von dem Detektorgehäuse
absorbiert wird, wird mit einer dritten Wahrscheinlichkeit so gestreut,
dass es ein zweites mal auf die Sensorfläche, diesmal von der anderen
Seite her, trifft. Ein solches Photon wird mit einer vierten Wahrscheinlichkeit
von der Sensorfläche
absorbiert und erzeugt eine Intensitätsänderung in einem Bildpunkt
auf der Sensorfläche,
die nicht durch einen Primärdurchgang
des Photons durch die Sensorfläche
hervorgerufen ist. Die vierte Wahrscheinlichkeit entspricht somit
einer Fehlerwahrscheinlichkeit. Ein Reflexionswinkel eines Gestreuten
Photons unterliegt ebenfalls einer Wahrscheinlichkeitsverteilung
und kann über
eine Impulsantwort dargestellt werden.
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In 2 sind
beispielhaft die statistischen Impulsantworten, d.h. die Wahrscheinlichkeitsverteilungen
einer Streuung der in 1 gezeigten Strahlen 112a, 112b,
die nun als Photonen aufgefasst werden, gezeigt. Eine erste statistische
Rückstreuintensitätsverteilung 222a entspricht
der Wahrscheinlichkeitsverteilung dafür, wie wahrscheinlich das Photon 112a von
dem Detektorgehäuse
an eine entsprechende Stelle auf der Sensorfläche gestreut und dort detektiert
wird, also eine Impulsantwort der Rückstreuung. Ebenso entspricht
die zweite Rückstreuintensitätsverteilung 222b einer
statistischen Rückstreuintensität oder Impulsantwort
des zweiten Photons 112b über die Sensorfläche. Die
Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Gesamtrückstreuintensität 222 oder
Gesamtimpulsantwort ergibt sich aus einer Addition der statistischen
Rückstreuintensitäten 222a, 222b.
Durch die in 1 gezeigte Abschirmeinrichtung 106 wird
eine Kante 225 in der statistischen Rückstreuintensitätsverteilung 222 gebildet. Die
Kante 225 unterteilt die Sensorfläche in einen ersten Bereich 226,
der von der Abschirmeinrichtung 106 nicht abgeschirmt ist,
und einen zweiten Bereich 227, der von der Abschirmeinrichtung 106 abgeschirmt
ist.
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Da
der zweite Bereich 227 der Sensorfläche von der Abschirmeinrichtung 106 gegenüber der
Primärstrahlung 112 abgeschirmt
ist, rührt
die von der Sensorfläche 102 in
dem zweiten Bereich 227 erfaßte Strahlungsverteilung im
wesentlichen ausschließlich
von einer in diesem Bereich aufgetroffenen Rückstreustrahlung 222 her.
Zur Veranschaulichung ist in 2 ebenfalls
eine Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Verlaufs der insgesamt
von der Sensorfläche 102 erfaßten Strahlungsintensität 230 dargestellt.
In dem ersten Bereich 226 wird die erfaßte Strahlungsintensität 230 überwiegend
von der Primärstrahlung hervorgerufen.
Abgesehen von einem Übergangsbereich
an der Kante 225 wird demgegenüber in dem zweiten Bereich 227 die
gesamte Strahlungsintensität 230 von
der Rückstreustrahlung
hervorgerufen.
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Aus
der in dem zweiten Bereich 227, der von der Abschirmeinrichtung 106 abgedeckt
ist, erfaßten Strahlungsintensitätsverteilung 222 kann
somit auf eine Rückstreueigenschaft
des Detektors 100 geschlossen werden. Dazu wird die in
dem zweiten Bereich 227 erfaßte Strahlungsintensität an der
Kante 225 gespiegelt und ergibt eine gespiegelte Strahlungsintensitätsverteilung 223,
die von der Rückstreuung
herrührt.
Die in dem zweiten Bereich 227 erfaßte Strahlungsintensität 222 wird
zusammen mit der gespiegelten Strahlungsintensität 223 als Rückstreuverteilung
des Detektors gespeichert.
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Die
Rückstreuverteilung
des Detektors ist abhängig
von Modellparametern des Detektors. Für unterschiedliche Modellparameter
(Röhrenspannung,
-strom, Vorfilterung, geo metrische Abbildungsverhältnisse)
werden daher unterschiedliche Rückstreueigenschaften
ermittelt und gespeichert.
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3 zeigt
den in 1 gezeigten Flächendetektor 100 während eines
Meßvorgangs.
Während des
Meßvorgangs
ist die Abschirmeinrichtung 106 nicht in einem Strahlengang
der Strahlen 112 positioniert. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Abschirmeinrichtung 106 verschiebbar an dem Detektorgehäuse 104 befestigt.
Alternativ kann die Abschirmeinrichtung auch abnehmbar sein, da
sie während
des Messvorganges nicht benötigt
wird.
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Ein
Messobjekt 340 ist in einem Strahlengang 312 positioniert.
Das Objekt 340 weist einen Lufteinschluss 341 auf.
Der Lufteinschluss 341 befindet sich im Strahlengang des
zweiten Strahls 112b. Daher wird der zweite Strahl 112b mit
einer geringeren Wahrscheinlichkeit absorbiert als der dritte Strahl 312c,
der das Objekt 340 an einer fehlerfreien Stelle durchdringt.
In diesem Fall durchdringt der zweite Röntgenstrahl 112b zusätzlich die
Sensorfläche 102 und
wird von dem Detektorgehäuse 104 gestreut. Der
gestreute Strahl 114 trifft auf einen Bereich der Sensorfläche 102,
die durch einen fehlerfreien Bereich des Objektes 340 gegenüber der
Primärstrahlung 112 abgeschirmt
wird und führt
daher zu einer Verfälschung
der Messung. Ein vierter Strahl 312d wird von der Sensorfläche 102 erfaßt.
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Der
Flächendetektor 100 ermöglicht jedoch eine
Elimination falscher Bildinformationen, die von Rückstreustrahlen 114 hervorgerufen
werden. Dazu ist die während
eines Kalibrationsvorgangs ermittelte Rückstreueigenschaft oder Impulsantwort
des Detektors in der Auswerteelektronik 108 des Detektors 100 gespeichert.
Die Rückstreueigenschaft
gibt bevorzugterweise an, wie die Verteilung der Rückstreuung auf
die Sensorfläche 102 ist,
die sich auf einen die Sensorfläche 102 an
einem bestimmten Pixel durchdringenden Strahl hin in der Sensorfläche 102 ergibt bzw.
auf die Primärstrahlung
aufsummiert wird. Typischerweise besteht die Sensorfläche 102 aus
einer Vielzahl von Pixeln, beispielsweise einem Pixelfeld der Größe 500 × 500 Pixel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden die Pixel der Sensorfläche 102,
die einen Röntgenstrahl
detektiert haben, beispielsweise in der Auswerteelektronik 108 mit
der Rückstreueigenschaft
gewichtet. Alternativ kann eine Auswertung auch in einem externen
Prozess in einem mit der Messeinrichtung verbundenen Computer ausgeführt werden.
Dies ermöglicht
einen Rückschluß auf einen
Rückstreustrahlungsanteil
an der gesamten erfaßten
Strahlung. Eine Subtraktion des Rückstreustrahlungsanteils von
der gesamten erfaßten
Strahlung liefert einen Rückschluß auf den
eigentlich zu erfassenden Primärstrahlungsanteil
an der erfaßten Gesamtstrahlung.
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Für den beschriebenen
Flächendetektor
ist somit eine Kalibrierungsmessung erforderlich, um die Rückstreueigenschaft
des Detektors zu ermitteln. Diese Rückstreueigenschaft wird bei
folgenden Messungen verwendet, um einen Rückstreustrahlungsanteil, der
die Messung verfälscht,
zu ermitteln und zu eliminieren.
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Im
folgenden wird anhand von 4 ein Verfahren
zum Ermitteln einer Rückstreueigenschaft
des in 1 gezeigten Flächendetektors
beschrieben.
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In
einem ersten Schritt 450 wird ein Referenzbereich einer
Sensorfläche
eines Flächendetektors
abgeschirmt. In 1 ist der Referenzbereich der
Sensorfläche 102 bereits
mit der Abschirmeinrichtung 106 abgedeckt. Das Abschirmen
kann durch ein Legen, Schieben oder Drehen der Abschirmeinrichtung 106 in
den Referenzbereich der Sensorfläche 102 erfolgen.
Vorzugsweise liegt die Abschirmeinrichtung 106 direkt auf
der Sensorfläche 102 auf, um
ein Eindringen von Streustrahlung zu verhindern.
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In
einem zweiten Schritt 452 wird eine Rückstreustrahlung in dem Referenzbereich
erfasst. Dies erfolgt durch eine Messung der Strahlungsintensität in dem
Referenzbereich, der von der Abschirmeinrichtung 106 abgeschirmt
ist In einem dritten Schritt 454 wird eine Rückstreueigenschaft
aus der erfassten Rückstreustrahlung
ermittelt. Eine Ermittlung der Impulsantwort des Flächendetektors
ist der Beschreibung zur 2 zu entnehmen. Die Ermittlung
der Impulsantwort kann von der Erfassungselektronik durchgeführt werden,
oder alternativ per Software in einem an die Messeinrichtung verbundenen
Computer ausgeführt
werden.
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In
einem vierten Schritt 456 wird die ermittelte Rückstreueigenschaft
des Flächendetektors
gespeichert. Beispielsweise kann die Rückstreueigenschaft in der Erfassungselektronik 108 des
Flächendetektors
gespeichert werden. Alternativ ist auch eine externe Speicherung
möglich.
In dem Fall der externen Speicherung müssen die gespeicherten Daten
bei einer Messung in den Flächendetektor 100 geladen
werden, bzw. die Auswertung von Messdaten erfolgt nicht in der Auswerteelektronik 108 sondern
in einer externen Verarbeitungseinrichtung (nicht gezeigt in den
Figuren).
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5 zeigt
einen Meßvorgang
unter Nutzung der, entsprechend dem in 4 gezeigten
Verfahren erfaßten
räumlichen
Impulsantwort.
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In
einem ersten Messschritt 560 wird mit einem Flächendetektor,
beispielsweise dem in 3 gezeigten Flächendetektor,
eine Strahlung erfaßt. Die
Strahlung wird dabei auf der gesamten Sensorfläche 102 des Flächendetektor
erfasst. Die während der
Kalibrierung verwendete Abschirmeinrichtung 106 wird aus
dem Strahlengang entfernt.
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In
einem zweiten Messchritt
562 wird die erfaßte Strahlungsintensität mit der
gespeicherten, räumlichen
Impulsantwort des Flächendetektors
100 gefaltet.
Sei beispielsweise I(x,y) die Impulsantwort und S(x,y) die gemessene Intensitätsverteilung
mit Primär-
und Rückstrahlung,
so ergibt sich das Faltungsergebnis beispielsweise zu
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Das
Faltungsergebnis entspricht der erfaßten Rückstreustrahlung, die eine
Messung verfälscht.
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Beispielsweise
wird eine Fouriertransformierte zu einem auf der erfassten Rückstreueigenschaft
in dem Referenzbereich basierenden Rückstreuprofil gebildet. Die
Fouriertransformierte wird durch die vorbestimmte Intensitätsverteilung,
die von der Primärstrahlung
abhängt,
dividiert und rücktransformiert,
um die Rückstreueigenschaft
zu bestimmen.
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In
einem dritten Messschritt 564 erfolgt ein Entfernen des
störenden
Rückstreuanteils
aus Röntgenprojektionen,
die unter denselben Aufnahmebedingungen entstanden sind, bei denen
die Impulsantwort des Flächendetektors 100 ermittelt
wurde. Bei anderen Aufnahmebedingungen muß zuvor gemäß dem in 4 gezeigten
Verfahren eine, den neuen Aufnahmebedingungen entsprechende Rückstreueigenschaft
ermittelt werden. Ein Entfernen, beispielsweise Subtrahieren der
gewichteten Strahlungsintensität
von der erfaßten
Strahlungsintensität wird
bevorzugterweise ebenfalls in der Auswerteelektronik des Detektors
durchgeführt.
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Das
hier beschriebene Verfahren bezieht sich auf Durchstrahlungsmessungen
mit Flachbild-Röntgensensoren
und eignet sich besonders dann, wenn hohe (z. B. > 200 kV) Röntgenenergien appliziert
werden, um ein Prüfobjekt
zu durchstrahlen, aber auch in allen anderen Fällen, in denen den Detektor
durchdringende Primärstrahlung
rückwärts gestreut
wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß die eigentliche Detektion
der Röntgenstrahlung
durch einen Szintillationsvorgang geschieht (das Verfahren ist damit
auch bei direkt konvertierenden Detektoren anwendbar) und hinter
der röntgensensitiven
Schicht (in Durchstrahlungsrichtung) andere Strukturen des Detektors
liegen (insbesondere Materialien mit hoher Ordnungszahl oder hoher
Dichte), mit denen die nicht im sensitiven Bereich des Detektors
absorbierte Röntgenstrahlung
wechselwirkt. Unter diesen Umständen
enthält
das Meßsignal
einen signifikanten Anteil im Detektor erzeugter Rückstreuung,
die das Meßsignal
verfälscht.
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Grundlage
für das
vorgeschlagene Verfahren bildet ein Kalibrierschritt, in dem für eine bestimmte
Meßanordnung
der Anteil der Streustrahlung abgeschätzt wird, der rückgestreut
wird und ohne Objektinformation störend zum Meßsignal beiträgt. Die
Abschätzung
dieses Anteils wird vorzugsweise aus Kalibriermessungen bestimmt,
da in diesem Falle nicht der genaue Aufbau im Inneren des Detektors bekannt
sein muß.
Es wird ein mathematisches Modell zugrundegelegt, das schematisch
eine Bildgewinnung (Umsetzung von Röntgenlicht in sichtbares Licht)
modelliert. Das Modell hängt
dabei von einem oder mehreren Parametern ab. Dabei wird angenommen,
daß die
eigentliche Bildinformation des Prüfobjekts von zweierlei Mechanismen
gestört
wird. Einerseits eine kurzreichweitige Verwaschung (Unschärfe von
Objektkonturen) durch z. B. isotrope Ausbreitung des Szintillationslichtes
auf benachbarte Detektorpixel und eine langreichweitige Verwaschung
durch den beschriebenen Mechanismus der Rückstreuung von Röntgenlicht.
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Ein
Bestandteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist das Vorgehen zur
Schätzung
der Modellparameter, um eine quantitative Bewertung des störenden Rückstreuanteiles
zu erhalten. Um dies zu erreichen, wird ein stark absorbierendes
Material, z. B. eine Bleiplatte, derart in den Strahlengang positioniert 450,
daß ein
Teil der Sensorfläche
vollkommen abgedeckt wird, und dort keinerlei von der Röntgenquelle
ausgehende Primärstrahlung
gemessen wird. In der Bildmitte wird dadurch eine Kante abgebildet. Abgesehen
von der an der Kante vorherrschenden kurzreichweitigen Verwaschung
(z. B. hervorgerufen durch Lichtstreuung im Szintillatormateri al)
rührt die im
abgedeckten Bereich gemessene Intensität ausschließlich von dem störenden Rückstreueffekt
her. Zur Schätzung
der Rückstreuung
werden deshalb vorzugsweise die Intensitäten verwendet, die eine gewisse
Entfernung zur Kante aufweisen, vorzugsweise mehr als 5000 um von
der Projektion der Abdeckkante auf der Sensorfläche 102 entfernt.
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Das
weitere Vorgehen besteht darin, daß ein Intensitätsprofil
senkrecht zur abgebildeten Kante extrahiert 452 wird. Dieses
Intensitätsprofil
wird dann dazu benutzt, die Modellparameter, insbesondere die des
Rückstreuverhaltens,
abzuschätzen 454.
So werden implizit die Abhängigkeiten
der Modellparameter von der Energie (Röhrenspannung, -strom, Vorfilterung
bzw. Objektmaterial) berücksichtigt.
In der Annahme, daß der
Rückstreueffekt
unabhängig von
der Bildrichtung ist, kann aus dem Modell die räumliche Impulsantwort des Rückstreueffektes
gewonnen werden. Das Modell liefert dabei von selbst die unterschiedlichen
Beiträge
der Rückstreuung
und der Lichtstreuung, d.h. der kurzreichweitigen Verwaschung.
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Die
räumliche
Impulsantwort wird entweder in einer Auswerteelektronik des Detektors
oder in einer, an den Detektor angeschlossenen Auswerteelektronik
abgespeichert 456 und für
zukünftige
Messungen verwendet.
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Gemäß dem beschriebenen
Verfahren wird die Rückstreueigenschaft
experimentell bestimmt und das Detektorsignal nicht entfaltet, d.
h. die Detektorsignale werden nicht einfach umverteilt. Vielmehr werden
inkorrekte Signalintensitäten,
die aus Rückstreueffekten
herrühren,
geschätzt
und subtraktiv aus dem Meßsignal
entfernt. Die ermittelte, zu subtrahierende Rückstreuverteilung wird gegebenenfalls vor
der Subtraktion skaliert, um zu berücksichtigen, dass bei Ermittelung
der Rückstreuverteilung
während
der Kalibrierung (die Verteilung 223) zu derselben auch
Strahlung beigetragen hat, die die Abdeckung durchdrungen hat. Die absolute
Intensitätsverteilung
des Störsignals
wird durch die oben beschriebene Kalibrierprozedur bestimmt.
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Auch
wenn zur Beschreibung der ausgeführten
Ausführungsbeispiele
Röntgenstrahlen
benutzt wurden, ist der erfindungsgemäße Ansatz nicht auf Röntgenstrahlung
beschränkt,
sondern kann für
eine beliebige Strahlung eingesetzt werden, um einen störenden Reflexionsanteil
abzuschätzen
und herauszufiltern. Ferner ist eine Aufbauform des Detektors nicht
auf die Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Insbesondere kann eine Rückstreustrahlung
eine beliebige Ursache haben. So kann eine Streuung auch außerhalb
des Detektors stattfinden.
