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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kollimator mit einstellbarer
Brennweite insbesondere in Röntgenprüfanlagen.
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Prüfverfahren
mit Hilfe von Röntgenstrahlung
werden insbesondere bei der Detektion kritischer Stoffe und Gegenstände in Gepäckstücken oder
sonstigem Frachtgut eingesetzt. Zu diesem Zweck sind mehrstufige
Systeme bekannt, deren erste Stufe auf der Absorption von Röntgenstrahlung
beruht. Zur Detektion bestimmter kritischer Stoffe wie beispielsweise
Sprengstoffen wird eine zweite Stufe eingesetzt, der selektiv Objekte
aus der ersten Stufe zugeführt
werden. Als zweite Stufe werden Systeme verwendet, deren Wirkprinzip
auf Beugungserscheinungen beruht. Dabei ist der Beugungswinkel,
in dem ein einfallender Röntgenstrahl
abgelenkt wird, abhängig
vom Atomgitterabstand des zu untersuchenden Materials sowie der
Energie und damit der Wellenlänge
der einfallenden Strahlung. Durch Analyse der Beugungserscheinung
mittels Röntgendetektoren
kann auf den Gitterabstand und somit auf das Material geschlossen
werden. Ein derartiges zweistufiges System wird beispielsweise in
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 1 03 30 521 A1 offenbart.
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Da
Röntgenprüfanlagen
mit äußerst geringen
Strahlungsintensitäten
arbeiten, werden sehr empfindliche Detektoren eingesetzt. Zur Vermeidung von
Messungenauigkeiten muss daher erreicht werden, dass nur durch das
Prüfgerät erzeugte
Strahlung auf den Detektor trifft. Außerdem muss dafür gesorgt
werden, dass nur in einem einzelnen Punkt gebeugte Strahlung detektiert
wird, da sonst eine Lokalisierung innerhalb des zu untersuchenden
Objekts nicht möglich
ist. Es ist also eine räumliche
Filterung erforderlich, die durch einen sogenannten Kollimator erfolgt.
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Da
es technisch sehr aufwändig
ist, monochromatische Röntgenstrahlung
zu erzeugen, weist der zur Untersuchung eingesetzte, scharf begrenzte Röntgenstrahl,
der sogenannte Nadelstrahl, ein Energiespektrum auf, dass beispielsweise
aus Messungen bekannt ist. Aus der Bragg'schen Gleichung ergibt sich, das die
einfallende Strahlung in jedem Punkt in einem Winkel gebeugt wird,
der von der Energie der Strahlung ab hängt. Strahlung mit einem Energiespektrum
wird daher in einem Winkelbereich gebeugt, dabei ist die Beugung
rotationssymetrisch um den einfallenden Nadelstrahl. Bei einer Röntgenprüfung ist
es wünschenswert,
nur unter einem bestimmten Winkel gebeugte Strahlung zu detektieren.
Auch dies wird durch den Einsatz eines Kollimators erreicht. Der
Durchlassbereich des Kollimators entspricht im Wesentlichen der
Mantelfläche
eines Kegels, dessen Spitze mit dem Punkt übereinstimmt, dessen Beugungseigenschaften
untersucht werden sollen. Zur Untersuchung eines Bereiches innerhalb eines
Objekts muss eine Vielzahl von Punkten fokussiert werden.
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Zu
diesem Zweck ist die Verwendung eines Kollimators bekannt, der mehrere
parallele Öffnungen
des gleichen Öffnungswinkels
aufweist und mit dem daher gleichzeitig mehrere Punkte auf der Rotationsachse
fokussiert werden können.
Die Verwendung eines nicht segmentierten Detektors, der nicht ortsauflösend ist
und daher ein gemeinsames Ausgangssignal für alle fokussierten Punkte
liefert, ergibt jedoch den Nachteil, dass die Auswertung und die eindeutige
Zuordnung der detektierten Strahlung zu einem Beugungspunkt schwierig
sind. Bei Verwendung eines segmentierten Detektors, der beispielsweise
in separat auswertbare Kreisringe unterteilt ist, tritt dieser Nachteil
zwar nicht auf, doch ist ein solcher Detektor aufwändig und
teuer.
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Das
Dokument
WO 88/00698
A1 offenbart einen Linienkollimator in einem Computertomographen.
Der Kollimator besteht aus einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Material,
in das dünne
Kanäle
in Form ebener Flächen
eingebracht sind. Die Flächen
sind derart winklig zueinander angeordnet, dass sich ihre gedachten
Verlängerungen
in einer Linie schneiden. Unter verschiedenen Winkeln auf dieser
Linie gestreute Röntgenstrahlung
kann den Kollimator passieren.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 30 521 A1 ist zur Untersuchung eines
Objektbereiches ein Verfahren bekannt, bei dem die Anordnung aus
Detektor und Kollimator in Richtung des einfallenden Röntgenstrahls
verfahren werden kann. Der Nachteil dieses Verfahrens ist darin
zu sehen, dass die gesamte Vorrichtung eine Bauhöhe von mehr als dem Doppelten
der Höhe
des zu untersuchenden Objektes aufweisen muss.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
41 37 242 A1 offenbart einen Kollimator, der aus einer
spiralförmig gewickelten
Folie besteht. Der Kollimator verjüngt sich zu seinem Fokus hin,
weist also eine konische Struktur auf.
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In
der Patentschrift
DE
199 54 662 B4 ist ein Kollimator mit einem Rundschlitz
in der Form eines Kegelstumpfmantels offenbart. Zur Überprüfung eines
Objekts in einer Röntgenprüfanlage
in drei Dimensionen ist es notwendig, den Kollimator in Richtung
der Symmetrieachse des Kegelstumpfs zu verfahren. Der Verfahrweg
des Kollimators entspricht der Ausdehnung des zu untersuchenden
Objekts in Richtung der Symemtrieachse.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Kollimator derart zu verbessern, dass sich geringere Verfahrwege
und damit eine verringerte Bauhöhe des
Röntgenprüfgerätes ergeben.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch einen Kollimator mit einstellbarer Brennweite,
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.
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Grundsätzlich besteht
ein erfindungsgemäßer Kollimator
aus einem Außenteil,
das gleichzeitig die Funktion eines Gehäuses übernehmen kann, mit einer konischen
Innenfläche
und einem Innenteil mit konischer Außenfläche. Diese beiden Teile sind
in gewissem Abstand fest miteinander verbunden, so dass sich zwischen
ihnen ein Spalt ergibt. In diesem Spalt befindet sich mindestens
ein beweglich angeordneter Hohlko nus, der auch als Konus-Schiebeteil bezeichnet
wird. Durch Verschieben des beweglichen Konus beziehungsweise der
beweglichen Konusse kann die Brennweite des Kollimators variiert werden.
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Wie
weiter oben bereits ausgeführt
gelangt in Röntgenprüfanlagen
idealer Weise nur unter einem Winkel in einem Punkt gebeugte Strahlung
auf den Röntgendetektor.
Es ist also eine räumliche
Filterung notwendig. Dabei ist die optimale räumliche Filtercharakteristik
derart, dass sich ein kegelmantelförmiger Durchlassbereich ergibt.
Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Kollimator
dadurch erreicht, dass sämtliche
konischen Flächen
konzentrisch um eine gemeinsame Rotationsachse angeordnet sind,
wobei die Rotationsachse der Einfallsrichtung des Nadelstrahls entspricht.
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Zur
Identifikation eines Stoffes in einem zu untersuchenden Objekt kann
das unter einem bestimmten Winkel detektierte Beugungsspektrum mit dem
Spektrum des Nadelstrahls verglichen werden. Aus der Bragg'schen Gleichung folgt,
dass ein unter einem anderen Winkel aufgenommenes Beugungsspektrum
gegenüber
dem ersten verschoben ist. Daher wird die Identifizierung vereinfacht,
wenn jede Messung unter dem gleichen Öffnungswinkel durchgeführt wird.
Ein gleichbleibender Detektionswinkel des Kollimators wird dadurch
erreicht, dass sämtliche konischen
Flächen
denselben Öffnungswinkel
aufweisen.
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Unterschiedliche
Detektionswinkel je nach eingestellter Brennweite lassen sich durch
unterschiedliche Öffnungswinkel
der konischen Flächen erreichen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn immer zwei benachbarte konische Flächen denselben Öffnungswinkel
aufweisen. Durch diese paarweise Anpassung liegen die konischen
Flächen
großflächig aufeinander,
was zu einer hohen Strahlungsabsorption des Kollimators führt.
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Die
Einstellung der Brennweite wird dadurch erreicht, dass das mindestens
eine Konus-Schiebeteil entlang der Rotationsachse verfahrbar ist.
Dadurch kann der Fokus des Kollimators durch eine einfache translatorische
Bewegung des Konus-Schiebeteils in eine Richtung angepasst werden.
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Die
Anpassung der Brennweite des Kollimators und damit des fokussierten
Punktes im Untersuchungsobjekt geschieht also dadurch, dass das
mindestens eine Konus-Schiebeteil
entlang der Rotationsachse verschoben wird, bis die gewünschte Brennweite
erreicht ist, wobei bei Verwendung mehrerer Schiebekonusse diese
unabhängig
voneinander bewegt werden können.
Um eine optimale räumliche
Filterwirkung zu er reichen, sollte das Konus-Schiebeteil bzw. die
Konus-Schiebeteile stets so positioniert werden, dass der Kollimator
nur einen Öffnungsspalt
aufweist. Wenn sämtliche
konischen Flächen
konzentrisch um eine gemeinsame Rotationsachse angeordnet sind und
jeweils benachbarte Flächen
denselben Öffnungswinkel
aufweisen, so schmiegen sich die Flächen über ihre gesamte Höhe aneinander
an. Außer
im Bereich des eingestellten Spalts erscheint der gesamte Kollimator
so als kompakte Einheit und ermöglicht
eine maximale Abschirmung der unerwünschten Röntgenstrahlung. Dadurch, dass
die einzelnen Konus-Schiebeteile unabhängig voneinander bewegt werden
können,
kann so ein einzelner Spalt an verschieden Positionen erzeugt werden.
Dies ermöglicht
ebenso viele mögliche Brennweiten.
Bei einer Anzahl von n Konus-Schiebeteilen ergeben sich n + 1 mögliche Spalte.
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Für einen
Kollimator mit einstellbarer Brennweite gemäß der vorliegenden Erfindung
ergeben sich mehrere vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten. In einem ersten
Fall kann der Kollimator an einer festen Position gehalten werden
und durch Verfahren des Konus-Schiebeteils
beziehungsweise der Konus-Schiebeteile mehrere Punkte in einem zu
untersuchenden Objekt fokussieren. Andererseits ist es möglich, den
Kollimator linear zu verfahren und so eine kontinuierliche Messung
des zu untersuchenden Objekts vorzunehmen. In diesem Fall lässt sich
der Verfahrweg dadurch reduzieren, dass nach Abfahren einer Strecke
durch den Kollimator die Brennweite umgeschaltet wird und sich beim
Verfahren des Kollimators entlang der gleichen Strecke ein anderer
untersuchter Bereich ergibt. Im Idealfall kann der maximal benötigte Verfahrweg
des erfindungsgemäßen Kollimators
gegenüber
einem nicht einstellbaren Kollimator um einen Faktor reduziert werden,
der der Anzahl der einstellbaren Brennweiten entspricht, bei einem
Kollimator mit zwei Brennweiten also um die Hälfte.
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Die
vorliegende Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele veranschaulicht
werden. Dabei zeigen
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1a einen
Kollimator mit einstellbarer Brennweite mit einem Konus-Schiebeteil
in einer Endstellung,
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1b einen
Kollimator mit einstellbarer Brennweite mit einem Konus-Schiebeteil
in der anderen Endstellung und
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2 einen
Kollimator mit einstellbarer Brennweite mit zwei Konus-Schiebeteilen.
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In
allen Figuren besteht der erfindungsgemäße Kollimator im Wesentlichen
aus dem Außenteil 1 und
dem Innenteil 2. Diese sind konzentrisch um eine Rotationsachse 4 angeordnet.
In den 1a und 1b weist der Kollimator ein Konus-Schiebeteil auf,
in 2 sind es zwei Konus-Schiebeteile. Derartige Kollimatoren
werden insbesondere in Röntgenprüfanlagen
eingesetzt, besonders in höheren
Stufen mehrstufiger Prüfanlagen.
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In 1a befindet
sich Konus-Schiebeteil 3 in einer Endposition, in der es
am Innenteil 2 anliegt. Somit ergibt sich ein Durchtrittsspalt
für die
Strahlung zwischen Konus-Schiebeteil 3 und
Außenteil 1.
In diesem Fall filtert der Kollimator alle Strahlung aus, die nicht
in einem Punkt mit Abstand d1 vom Kollimator
unter dem Winkel α gebeugt
wird.
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In 1b liegt
das Konus-Schiebeteil 3 am Außenteil 1 an. Somit
ergibt sich ein Durchtrittsspalt zwischen Konus-Schiebeteil 3 und
Innenteil 2. Der Öffnungswinkel α des Kollimators
bleibt unverändert, jedoch
ist in dieser Stellung ein Punkt im Abstand d2 vom
Kollimator fokussiert. Es wird sofort ersichtlich, dass durch Umschalten
der Position des Konus-Schiebeteils 3 der beim Verfahren
des Kollimators fokussierte Bereich variiert wird. Dies bedeutet, dass
bei einem festen zu untersuchenden Bereich der Verfahrweg des Kollimators
verringert wird. Im Extremfall beträgt diese Einsparung die Hälfte der Ausdehnung
des zu untersuchenden Bereichs.
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In 2 besteht
der Kollimator wieder aus einem Außenteil 1 und einem
Innenteil 2, weist jedoch zwei unabhängig voneinander verfahrbare
Konus-Schiebeteile 5 und 6 auf. In der gezeigten
Stellung liegt Konus-Schiebeteil 5 am Außenteil 1 an
und Konus-Schiebeteil 6 am
Innenteil 2. Dadurch ergibt sich, wieder unter dem Öffnungswinkel α, eine Fokussierung
auf einen Punkt im Abstand d3. Für den Fall,
dass die Konus-Schiebeteile 5 und 6 aneinander anliegen,
ergeben sich die bereits in den 1a und 1b dargestellten
Brennweiten d1 und d2.
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Die
Brennweite des erfindungsgemäßen Kollimators
wird dadurch angepasst, dass das mindestens eine Konus-Schiebeteil 3 entlang
der Rotationsachse 4 verschoben wird, bis die gewünschte Brennweite
erreicht ist, wobei bei Verwendung mehrerer Konus-Schiebteile 5, 6 diese
unabhängig
voneinander bewegt werden können
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In
einer bevorzugten Verwendung ist der erfindungsgemäße Kollimator
mit einstellbarer Brennweite Teil einer Röntgenprüfanlage, die außerdem eine
Röntgenquelle,
einen Röntgendetektor
sowie eine Auswertungsvorrichtung zur Auswertung der detektierten
Strahlung aufweist.
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Die
beiden vorgenannten Ausführungsbeispiele
sind rein exemplarisch und insofern nicht beschränkend. Insbesondere kann die
Anzahl und Größe der Konus-Schiebeteile
variieren, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.