DE102008038427A1

DE102008038427A1 - Röntgenquelle

Info

Publication number: DE102008038427A1
Application number: DE200810038427
Authority: DE
Inventors: Dietrich Prof. Dr. Habs; Peter Dr. Schardt
Original assignee: Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU; Siemens AG
Current assignee: Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU; Siemens AG
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25
Also published as: WO2010020490A2; WO2010020490A9

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenquelle, die folgende Merkmale umfasst: - wenigstens eine Laserquelle (1) mit zumindest einem Laser (2), der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist, wobei die Laserquelle (1) eine linear polarisierte Laserstrahlung (3) mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen sowie eine zirkular polarisierte Laserstrahlung (7) mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen erzeugt und wobei die linear polarisierten Laserpulse und die zirkular polarisierten Laserpulse örtlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind, - wenigstens eine Elektronenquelle (8) mit einem Target (9), in dem bei einem Beschuss mit der zirkular polarisierten Laserstrahlung (7) Elektronen (10) freigesetzt und aus dem Target (9) heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden, - wenigstens eine dreidimensionale Wechselwirkungszone (11), in der die aus dem Target (9) freigesetzten Elektronen (10) und die linear polarisierte Laserstrahlung (3) über einen Compton-Rückstreuprozess (12) miteinander wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung (13) erzeugen. Eine derartige Röntgenquelle ist kompakt aufgebaut und liefert Röntgenbilder mit einer verbesserten Auflösung bei einer gleichzeitig deutlich geringeren Strahlenbelastung für die Patienten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenquelle.
Mit einer derartigen Röntgenquelle sollen diagnostisch relevante Phasenkontrastaufnahmen mit höchster räumlicher Auflösung bei gleichzeitig kurzen Belichtungszeiten ermöglicht werden.
Eine derartige Röntgenquelle müsste hierfür folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Möglichst hohe Monochromatizität, für gute Interferenzeigenschaften.
2. Eine kleine Quellgröße besitzen, für eine gute räumliche Auflösung.
3. Einen hohen Röntgenfluss aufweisen, für kurze Belichtungszeiten.
4. Einen kompakten Aufbau besitzen, um die klinische Verfügbarkeit zu gewährleisten.
5. Eine Röntgenenergie im Bereich von 10 keV bis 90 keV aufweisen, um für medizinische Anwendungen geeignet zu sein.

Die bekannten Röntgenquellen verletzen die vorgenannten Anforderungen jeweils zumindest in einem Punkt:

– Die bekannten Röntgenröhren haben bei einem hohen Röntgenfluss immer ein überwiegend polychromatisches Spektrum und einen relativ großen Brennfleck.
– Fluoreszenzstrahler weisen in ihrem Spektrum zwar monochromatische Linien auf, besitzen aber nur einen sehr geringen Röntgenfluss.
– Synchrotrons erfüllen zwar die vorgenannten Bedingungen 1 bis 3 und 5, sind aber als äußerst große und teure Forschungsanlagen nicht ohne weiteres für einen medizinischen Einsatz geeignet.
– Bekannte Röntgenquellen, die den Compton-Rückstreuprozess ausnutzen, verwenden Hochfrequenz-Linearbeschleuniger und erreichen durch eine zu geringe Ladungsdichte im Wechselwirkungspunkt bzw. in der Wechselwirkungszone keinen ausreichenden Röntgenfluss. Eine derartige Röntgenquelle ist z. B. durch die US 7,295,653 B2 bekannt.
– Weitere Röntgenquellen, die den Compton-Rückstreuprozess ausnutzen, verwenden Hochintensitätslaser, um die Elektronen zu beschleunigen, bevor sie mit einem zweiten Laserpuls Wechselwirken. Hier ist ebenfalls die Elektronendichte gering, außerdem haben die vom Laser beschleunigten Elektronen eine breite Energieverteilung, also eine entsprechend breite Energieschärfe. Die damit erhaltene Monochromatizität ist nicht ausreichend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte Röntgenquelle zu schaffen, die bei einer deutlich geringeren Strahlenbelastung für Patienten Röntgenbilder mit einer verbesserten Auflösung liefert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenquelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Röntgenquelle gemäß Anspruch 1 umfasst

– wenigstens eine Laserquelle mit zumindest einem Laser, der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist, wobei die Laserquelle eine linear polarisierte Laserstrahlung mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen sowie eine zirkular polarisierte Laserstrahlung mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen erzeugt, und wobei die linear polarisierten Laserpulse und die zirkular polarisierten Laserpulse örtlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind,
– wenigstens eine Elektronenquelle mit einem Target, in dem bei einem Beschuss mit der zirkular polarisierten Laserstrahlung Elektronen freigesetzt und aus dem Target heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden,
– wenigstens eine dreidimensionale Wechselwirkungszone, in der die aus dem Target freigesetzten Elektronen und die linear polarisierte Laserstrahlung über einen Compton-Rückstreuprozess miteinander Wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung erzeugen.

Bei der erfindungsgemäßen Röntgenquelle weisen sowohl die Laserpulse der linear polarisierten Laserstrahlung als auch die Laserpulse der zirkular polarisierten Laserstrahlung sehr kurze Pulsdauern auf. Vorzugsweise beträgt die Pulsdauer jeweils zwischen ca. 1 fs (10^–15 s) und ca. 1 ps (10^–12 s), wobei eine Pulsdauer zwischen 5 fs und 30 fs besonders vorteilhaft ist. Die Wiederholrate der Laserpulse liegt vorzugsweise zwischen ca. 1 Hz und ca. 1 MHz, typischerweise zwischen 10 kHz und 100 kHz.
Bei der Röntgenquelle nach Anspruch 1 handelt es sich sowohl bei den Laserpulsen der linear polarisierten Laserstrahlung als auch bei den Laserpulsen der zirkular polarisierten Laserstrahlung um hoch intensive Laserpulse. Der Röntgenfluss beträgt etwa 10⁵ bis 10¹², typischerweise 10⁹ Photonen pro Sekunde und mrad². Die hoch intensiven Laserpulse weisen vorzugsweise jeweils eine Leistungsdichte zwischen etwa 10¹⁵ W/cm² und 10²⁵ W/cm², wobei eine Leistungsdichte von ca. 10²¹ W/cm² besonders vorteilhaft ist.
Die Wellenlänge der linear polarisierten Laserstrahlung und der zirkular polarisierten Laserstrahlung liegt jeweils vorzugsweise etwa zwischen ca. 0,1 μm und ca. 2,0 μm, insbesondere bei einer Wellenlänge von ca. 1,0 μm.
Bei der Röntgenquelle gemäß Anspruch 1 beträgt die Energie der linear polarisierten Laserstrahlung und der zirkular polarisierten Laserstrahlung vorteilhafterweise jeweils zwischen ca. 10 mJ und ca. 10 J, wobei bevorzugte Energiewerte zwischen ca. 0,1 J und ca. 1,0 J liegen.
Die primäre Energie, auf welche die aus dem Target durch Beschuss mit der zirkular polarisierten Laserstrahlung freigesetzten Elektronen beschleunigt werden, wird durch die Schichtdicke und das Material des Targets sowie durch die Eigenschaften des Laserstrahls und die Fokussierung des Laserstrahls auf das Target bestimmt. Um die Wechselwirkung über den Compton-Rückstreuprozess zu ermöglichen, müssen die aus dem Target freigesetzten Elektronen eine Energie von ca. 10 MeV bis ca. 100 MeV besitzen. Bei diesem Streuprozess kann die Energie der linear polarisierten Laserstrahlung so eingestellt werden, dass die Energie der hierbei erzeugten Röntgenstrahlung in einem für medizinische Anwendungen bevorzugten Bereich zwischen 10 keV und 90 keV liegt. Im Rahmen der Erfindung sind für andere Anwendungen, beispielsweise für nicht-medizinische Anwendungen, hiervon abweichende Energien der Röntgenstrahlung realisierbar.
Bei der Röntgenquelle nach Anspruch 1 findet beim Compton-Rückstreuprozess, der erfindungsgemäß in der dreidimensionalen Wechselwirkungszone stattfindet, ein Energieübertrag von den aus dem Target freigesetzten Elektronen auf die linear polarisierte Laserstrahlung (z. B. Infrarot-Laserstrahlung) statt.
Unter Compton-Rückstreuprozess ist der inverse Compton-Effekt zu verstehen, bei dem aufgrund des Streuwinkels von 180° eine Rückstreuung der Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung eintritt. Die Photonen werden sozusagen an den Elektronen reflektiert. Hierbei findet ein maximaler Energieübertrag statt, wobei sich die Frequenz der entstehenden Strahlung erhöht und dadurch monochromatische Röntgenstrahlung entsteht.
Die Fläche, in der der Wechselwirkungsprozess zwischen den aus dem Target freigesetzten Elektronen und Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung stattfindet, ist senkrecht zur Richtung der linear polarisierten Laserstrahlung angeordnet und weist etwa eine Seitenlänge von 10 μm bis 100 μm auf.
Die von der Röntgenquelle nach Anspruch 1 erzeugte Röntgenstrahlung weist eine hohe Energieschärfe, d. h. eine schmale Energieverteilung, auf und ermöglicht aufgrund ihrer hohen Monochromatizität und aufgrund ihrer kleinen Quellgröße eine Phasenkontrast-Bildgebung (Bildgebung, die die Phaseninformation enthält) mit einer hohen Auflösung, die zu einer um den Faktor 50 geringeren Strahlenbelastung für den Patienten führt. Im Gegensatz dazu ist mit einer konventionellen Röntgenquelle nur eine Absorptionskontrast-Bildgebung (Bildgebung durch Schattenbild) mit einer deutlich höheren Strahlenbelastung möglich, da die Photonen im Körper des Patienten absorbiert werden. Mit der erfindungsgemäßen Röntgenquelle ist somit eine deutlich verbesserte Bildgebung bei einer gleichzeitig wesentlich reduzierten Strahlenbelastung gewährleistet.
Aufgrund ihres kompakten Aufbaus ist die Röntgenquelle in idealer Weise für klinische Anwendungen geeignet. Gegenüber laserinduzierten Röntgenquellen nach dem Stand der Technik, die eine Grundfläche von beispielsweise ca. 20 m·40 m benötigen, beträgt der Flächenbedarf bei der erfindungsgemäßen nur etwa 3 m·5 m.
Im Rahmen der Erfindung sind vielfältige vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle möglich.
So kann beispielsweise die linear polarisierten Laserstrahlung und die zirkular polarisierte Laserstrahlung gemäß Ausgestaltung nach Anspruch 2 oder gemäß einer Alternative nach Anspruch 3 erzeugt werden.
Bei der Röntgenquelle nach Anspruch 2 umfasst die Laserquelle wenigstens einen einstellbaren Strahlenteiler, mit dem ein Teil der linear polarisierten Laserstrahlung ausgekoppelt wird, und wenigstens einen Zirkularpolarisator, der die ausgekoppelte linear polarisierte Laserstrahlung in eine zirku lar polarisierte Laserstrahlung umwandelt. Der Zirkularpolarisator kann hierbei z. B. als λ/4-Plättchen (Anspruch 4) oder als phasendrehender Spiegel (Anspruch 5) ausgebildet sein.
Bei der Röntgenquelle gemäß Anspruch 3 umfasst die Laserquelle wenigstens einen ersten Laser, der die zirkular polarisierte Laserstrahlung erzeugt, und wenigstens einen zweiten Laser, der die linear polarisierte Laserstrahlung erzeugt.
Um eine genaue zeitliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung und der zirkular polarisierten Laserstrahlung zu erreichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung eine Verzögerungsstrecke angeordnet.
Ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 7 in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung ein frequenzverdoppelnder Kristall angeordnet, dann können durch unterschiedliche Wellenlängen des zweiten Laserpulses während der Aufnahmen auch mehrere scharf getrennte Röntgenenergien kurz nacheinander erzeugt werden. Dadurch werden z. B. zeitaufgelöste Subtraktionsaufnahmen ermöglicht, wie sie zur Darstellung von Gefäßen mit Kontrastmittel durchgeführt werden. Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Röntgenquelle können aufgrund der ausreichenden Zeitauflösung auch Kontrastmitteluntersuchungen am Herzen durchgeführt werden.
Um die Elektronen nach dem Compton-Rückstreuprozess möglichst schnell aus der dreidimensionalen Wechselwirkungszone zu entfernen, ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 der dreidimensionalen Wechselwirkungszone ein Ablenkmagnet zugeordnet, der die Elektronen nach ihrer Wechselwirkung mit der linear polarisierten Laserstrahlung ablenkt, wobei dem Ablenkmagneten vorzugsweise ein Elektronenkollektor nachgeordnet ist, der die abgelenkten Elektronen sammelt.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel nach Anspruch 10 ist der Laser als Festkörperlaser ausgebildet. Derartige Laser sind in der Lage, sehr kurze hoch intensive Laserpulse zu erzeugen. Beispiele hierfür sind der Neodym-YAG-Laser und der Titan-Saphir-Laser, wobei der Titan-Saphir-Laser wesentlich höhere Wiederholraten ermöglicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in einer einzigen Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne jedoch auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
Die in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Röntgenquelle umfasst eine Laserquelle 1 mit einem Laser 2, der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist. Der Oszillator und die wenigstens eine Verstärkerstufe sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Laserquelle 1 erzeugt eine linear polarisierte Laserstrahlung 3 mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen.
Die Laserquelle 1 umfasst weiterhin einen einstellbaren Strahlenteiler 4, mit dem ein Teil 5 der linear polarisierten Laserstrahlung 3 ausgekoppelt wird. Die ausgekoppelte linear polarisierte Laserstrahlung 5 wird in einen Zirkularpolarisator 6 (z. B. λ/4-Plättchen) in eine zirkular polarisierte Laserstrahlung 7 umgewandelt, die ebenfalls sehr kurze, hoch intensive Laserpulse aufweist.
Die dargestellte Röntgenquelle umfasst ferner eine Elektronenquelle 8 mit einem Target 9, in dem bei einem Beschuss mit der zirkular polarisierten Laserstrahlung 7 Elektronen 10 freigesetzt und aus dem Target 9 heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden.
Weiterhin umfasst die gezeigte Röntgenquelle eine dreidimensionale Wechselwirkungszone 11, in der die aus dem Target 8 freigesetzten Elektronen 10 und die linear polarisierte La serstrahlung 3 über einen Compton-Rückstreuprozess 12 miteinander Wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung 13 erzeugen.
Das Prinzip, ein Elektronenpaket hoher Energie durch eine Elektronenbeschleunigung mittels eines Hochintensitätslasers zu erzeugen, ist z. B. in dem Aufsatz "THE PLASMA REVOLUTION" in "NATURE|Vol 449|13. September 2007, Seiten 133 bis 135, beschrieben. Die beschriebene Methode zur Elektronenbeschleunigung ist jedoch wenig effektiv, da die entstehende Elektronenwolke eine geringe Dichte und eine vergleichsweise breite Energieverteilung, d. h. eine geringe Energieschärfe, besitzt.
Für die Realisierung des Compton-Rückstreuprozess 12 ist eine genaue zeitliche und örtliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 und der zirkular polarisierten Laserstrahlung 7 notwendig.
Um eine genaue zeitliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 und der zirkular polarisierten Laserstrahlung 7 zu erreichen, ist in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung 3 eine Verzögerungsstrecke 14 angeordnet.
Die genaue örtliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 und der zirkular polarisierten Laserstrahlung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch insgesamt drei Spiegel 15, 16 und 17 realisiert.
Um die Elektronen 10 nach dem Compton-Rückstreuprozess 12 möglichst schnell aus der dreidimensionalen Wechselwirkungszone 11 zu entfernen, ist der dreidimensionalen Wechselwirkungszone 11 ein Ablenkmagnet 18 zugeordnet, der die Elektronen 10 nach ihrer Wechselwirkung mit der linear polarisierten Laserstrahlung 3 ablenkt, wobei dem Ablenkmagneten 18 ein Elektronenkollektor 19 nachgeordnet ist, der die abgelenkten Elektronen 10 sammelt.
Bei der dargestellten Röntgenquelle findet beim Compton-Rückstreuprozess 12, der erfindungsgemäß in der dreidimensionalen Wechselwirkungszone 11 stattfindet, ein Energieübertrag von den aus dem Target 9 freigesetzten Elektronen 10 auf die linear polarisierte Laserstrahlung 3 (z. B. Infrarot-Laserstrahlung) statt.
Unter Compton-Rückstreuprozess ist der inverse Compton-Effekt zu verstehen, bei dem aufgrund des Streuwinkels von 180° eine Rückstreuung der Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung 3 eintritt. Die Photonen werden sozusagen an den Elektronen 10 reflektiert. Hierbei findet ein maximaler Energieübertrag statt, wobei sich die Frequenz der entstehenden Strahlung erhöht und dadurch monochromatische Röntgenstrahlung 13 entsteht.
Die Fläche, in der der Wechselwirkungsprozess zwischen den aus dem Target 9 freigesetzten Elektronen 10 und Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung 3 stattfindet, ist senkrecht zur Richtung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 angeordnet und weist etwa eine Seitenlänge von 10 μm bis 100 μm auf.
Der Laser 2 kann beispielsweise als Titan-Saphir-Laser ausgeführt sein, der eine Femtosekunden-Puls-Erzeugung (ultrakurze Laserpulse bis unter 10 fs) ermöglicht. Abhängig vom Anwendungsfall kann jedoch auch ein anderer Laser, z. B. ein Neodym-YAG-Laser, verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7295653 B2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”THE PLASMA REVOLUTION” in ”NATURE|Vol 449|13. September 2007, Seiten 133 bis 135 [0031]

Claims

Röntgenquelle, die folgende Merkmale umfasst: – wenigstens eine Laserquelle (1) mit zumindest einem Laser (2), der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist, wobei die Laserquelle (1) eine linear polarisierte Laserstrahlung (3) mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen sowie eine zirkular polarisierte Laserstrahlung (7) mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen erzeugt, und wobei die linear polarisierten Laserpulse und die zirkular polarisierten Laserpulse örtlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind, – wenigstens eine Elektronenquelle (8) mit einem Target (9), in dem bei einem Beschuss mit der zirkular polarisierten Laserstrahlung (7) Elektronen (10) freigesetzt und aus dem Target (9) heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden, – wenigstens eine dreidimensionale Wechselwirkungszone (11), in der die aus dem Target (9) freigesetzten Elektronen (10) und die linear polarisierte Laserstrahlung (3) über einen Compton-Rückstreuprozess (12) miteinander Wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung (13) erzeugen.
Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgenden weiteren Merkmalen: – die Laserquelle (1) umfasst wenigstens einen einstellbaren Strahlenteiler (4), mit dem ein Teil (5) der linear polarisierten Laserstrahlung (3) ausgekoppelt wird, und – wenigstens einen Zirkularpolarisator (6), der die ausgekoppelte linear polarisierte Laserstrahlung (5) in eine zirkular polarisierte Laserstrahlung (7) umwandelt.
Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgenden weiteren Merkmalen: – die Laserquelle umfasst wenigstens einen ersten Laser, der die zirkular polarisierte Laserstrahlung erzeugt, und – wenigstens einen zweiten Laser, der die linear polarisierte Laserstrahlung erzeugt.
Röntgenquelle nach Anspruch 2, mit folgendem weiteren Merkmal: – der Zirkularpolarisator (6) ist als λ/4-Plättchen ausgebildet.
Röntgenquelle nach Anspruch 2, mit folgendem weiteren Merkmal: – der Zirkularpolarisator ist als phasendrehender Spiegel ausgebildet.
Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgendem weiteren Merkmal: – in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung (3) ist eine Verzögerungsstrecke (14) angeordnet.
Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgendem weiteren Merkmal: – in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung ist ein frequenzverdoppelnder Kristall angeordnet.
Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgendem weiteren Merkmal: – der dreidimensionalen Wechselwirkungszone (11) ist ein Ablenkmagnet (18) zugeordnet, der die Elektronen (10) nach ihrer Wechselwirkung (12) mit der linear polarisierten Laserstrahlung (3) ablenkt.
Röntgenquelle nach Anspruch 1 oder 8, mit folgendem weiteren Merkmal: – dem Ablenkmagneten (18) ist ein Elektronenkollektor (19) nachgeordnet, der die abgelenkten Elektronen (10) sammelt.
Röntgenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgendem weiteren Merkmal: – der Laser (2) ist als Festkörperlaser ausgebildet.
Röntgenquelle nach Anspruch 10, mit folgendem weiteren Merkmal: – der Laser (2) ist als Titan-Saphir-Laser ausgeführt.
Röntgenquelle nach Anspruch 10, mit folgendem weiteren Merkmal: – der Laser ist als ist als Neodym-YAG-Laser ausgeführt.