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Die Erfindung befasst sich mit der Verwendung einer Laminographieanlage mit einer Strahlenquelle, einem Strahlungsdetektor und einer Bewegungs- und Positioniereinrichtung.
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Digitale Laminographie dient zur Untersuchung überwiegend flacher Objekte – bei denen die Ausdehnung in zwei Richtungen gegenüber der Ausdehnung in der dritten Richtung sehr groß ist – zwecks 3-dimensionaler Erfassung einer gewollten oder ungewollten inneren Struktur. Sie wird eingesetzt, wenn die einfache Durchstrahlung (Direkt- oder Schrägdurchstrahlung) keine ausreichende Darstellung der 3D-Struktur erlaubt und andere Darstellungstechniken, z. B. Computertomographie, nicht anwendbar sind. Die Laminographie stellt eine Weiterentwicklung der Mehrwinkel-Radiographie dar, vergleichbare Ergebnisse werden mit der Limited-Angle-CT, einer speziellen Form der Computertomographie generiert, wobei sich die Art der Bildrekonstruktion, d. h. die Verrechnung der Einzelprojektionen zur volumenhaften Abbildung, unterscheidet.
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Aus der
FR 2 538 114 A1 ist eine Tomographieanlage bekannt, die in ihrer Geometrie festen Aufbau aufweist. Eine vertikale Bewegung ist möglich, wobei diese vertikale Bewegung nur zum Einstellen der (dann wieder festen) Prüfposition dient. Bei dieser Tomographieanlage wird keine Translation in Richtung des oder quer zum Strahlengang(s) durchgeführt. Das Objekt wird auf einem Drehteller platziert, so dass Drehbewegungen um eine feste Achse möglich sind, jedoch keine freien, unabhängigen Bewegungen der Komponenten. Eine solche Tomographieanlage erlaubt grundsätzlich bei synchroner Rotation von Objekt und Film nur eine lineare Verwischungstomographie. Die Schrägstellung von Objekt und Film ermöglicht eine Änderung der Prüfebene, bei der der Abbildungsvorgang derjenige einer linearen Verwischungstomographie und keiner Laminographie bleibt.
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Aus der
US 6,104,766 A ist eine Vorrichtung mit feststehender Strahlenquelle, drehbarem Objekthalter und drehbarem/schwingbarem Detektor bekannt, wobei der Detektor mechanisch an den Objekthalter gekoppelt ist. Das Objekt wird im Gegensatz zu der fest installierten Strahlenquelle in den drei Raumrichtungen verfahren. Es gibt eine limitierende mechanische Kopplung von Objekt und Detektor. Mit einer solchen Vorrichtung wird eine lineare Laminographie ermöglicht, aber weder eine Rotationslaminographie noch eine Laminographie auf frei wählbaren Bahnen. Weder die Quelle noch der Detektor sind in ihrer Höhe verstellbar.
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Aus der
DE 42 12 537 A1 ist ein Koordinatenmessgerät bekannt, mit dem kein Laminographieverfahren durchgeführt werden kann. Diese Vorrichtung weist zwei lineare Verfahreinheiten zum Erzeugen einer Drehbewegung, jedoch keine Strahlenquelle, keinen Detektor und keinen Objektschlitten auf.
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Aus der
DE 102 07 331 A1 ist ein Verfahren zum Rekonstruieren eines Tomogramms eines Röntgengeräts bekannt. In ihr wird eine synchrone, kreisförmige Bewegung von Röntgenquelle und Detektor um eine Achse durch das Objekt beschrieben, was einer konventionellen Rotationslaminographie entspricht, bei der eine aufeinander abgestimmte Rotation des Detektors und der Röntgenröhre um dieselbe Drehachse erfolgt. Die Strahlenquelle ist nicht in z-Richtung bewegbar und es gibt keinen Objektschlitten; übereinander angeordnete Objekte werden fest an einer Stelle gehalten und vollführen keine Drehung. Darüber hinaus erfolgt lediglich eine Kreisbewegung sowohl der Röntgenröhre als auch des Detektors.
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In dem Aufsatz von Gondrom et al. „3D Reconstructions od Micro-Systems Using X-Ray Tomographic Methods” aus Proceedings of the 16th World Conference an Nondestructive Testing 2004 in Montreal, Canada, August 30 – September 3, 2004 ist die Entwicklung von der 2D-CT über die 3D-CT zur Tomosynthese und dann weiter zur Rotations- und linearen Laminographie knapp zusammengefasst. Konkret wir eine Swing-Laminographie beschrieben, die mit einer konventionellen CT-Vorrichtung durchgeführt werden kann. Hierbei wird bei einem feststehenden Röhre-Detektor-System ein flaches Objekt lediglich um einen kleinen Winkel um die vertikale z-Achse hin und her rotiert.
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Laminographiesysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Übersicht über verschiedene Bauweisen von Laminographiesystemen findet sich in der
DE 38 54 865 T2 . In der
US 4,211,927 A ist eine Bauweise in Zusammenhang mit den Eigenschaften der bildgebenden Komponenten dargestellt, wobei die Positionierung auf eine lineare Bewegung beschränkt ist. Die Bildaufnahme bei der digitalen Laminographie erfordert eine synchronisierte, gegenläufige Bewegung oder Positionierung von Strahlenquelle und Detektor relativ zum Objekt. Die Methode wird im Falle einer linearen Bewegung als lineare Laminographie, bei einer Bewegung auf Kreisbahnen als Rotationslaminographie bezeichnet.
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Die Bewegung erfolgt sowohl bei der linearen als auch bei Rotationslaminographie präzise um einen virtuellen, meist im zu untersuchenden Objekt angelegten Bezugspunkt, die Bewegungsebene ist üblicherweise parallel zur Objektoberfläche. Durch die Verschiebelänge bei der linearen Laminographie bzw. den Radius der Kreisbewegung bei der Rotationslaminographie werden/wird in Verbindung mit den Abständen Fokus-Objekt und Objekt-Detektor die/der Durchstrahlungswinkel definiert. Diese(r) beeinflussen(t) maßgeblich die Tiefenauflösung in Strahlrichtung, also die Bildqualität und die Detailerkennbarkeit in den rekonstruierten Laminogrammen.
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Bei der linearen Laminographie können aufgrund der linearen Bewegung und der dadurch zu gewinnenden Durchleuchtungsaufnahmen lediglich solche Strukturen – also meist Fehler – in ihrer Dreidimensionalität erfasst werden, die nicht oder nicht annähernd in der von der Bewegungsrichtung und der Strahlrichtung definierten Ebene orientiert sind. Die Abbildung enthält umso mehr räumliche Information, je weiter die Orientierung der Struktur von dieser genannten Ebene abweicht. Deshalb wird für die vollständige Prüfung der überwiegend flächigen Objekte bevorzugt eine Rotationslaminographie durchgeführt.
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Bei den bekannten Anlagen zur Durchführung der linearen oder Rotationslaminographie mit bewegten bildgebenden Komponenten bestehen deutliche Einschränkungen sowohl hinsichtlich der Methode (durch die Anlagengeometrie festgelegte Bahn) als auch durch die Erfordernisse an Steifigkeit und Genauigkeit der mechanischen Trägerstruktur, dies umso mehr, je größer und schwerer die Objekte und/oder die bildgebenden Komponenten sind.
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Ein entscheidendes Kriterium für die Bildqualität und (Orts-)Auflösung ist, dass die Geometrie des bildgebenden Systems sowohl in sich selbst als auch in Bezug auf das Prüfobjekt exakt bestimmt ist. Daher werden Strahlenquelle und Detektor üblicherweise in einer mechanischen Einheit, dem sogenannten C-Bogen, gekoppelt. Wird das Prüfobjekt dann in der Bildebene gedreht um die unterschiedlichen Einstrahlrichtungen in einer parallel zum Objekt liegenden Ebene einzustellen wird ein Rotations-Laminographie-Datensatz erzeugt. Bewegt sich der C-Bogen um einen im Objekt liegenden Drehpunkt in einer senkrecht zum Objekt stehenden Ebene wird ein Datensatz für Limited-Angle-CT generiert.
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Der C-Bogen ist in seinen Abmessungen und der Traglast abzustimmen auf das zu untersuchende Objekt und die Komponenten des bildgebenden Systems. Mit wachsender Größe und Last wird diese Aufgabe nur mit erheblichem Aufwand lösbar. Darüber hinaus ist wegen der auf Steifigkeit optimierten Ausgestaltung des C-Bogens eine Veränderung des Fokus-Detektor-Abstands zur Änderung der Vergrößerung nur mit hohem Aufwand zu realisieren. Daher ist bei vielen Anlagen eine Beschränkung auf eine kreisbogenförmige Bewegung mit einer im Objekt liegenden Bezugs-Drehachse vorgegeben. Soll eine Anlage realisiert werden, die ohne Objektdrehung eine Rotationslaminographie mit einer senkrecht zum Objekt stehenden Bezugsachse realisiert, muss der C-Bogen kardanisch aufgehängt sein.
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Keine der bekannten Laminographieanlagen erlaubt in der Praxis – aus den im Folgenden genannten Gründen, auch wenn dies theoretisch mit der einen oder anderen Laminographieanlage möglich wäre – das Abfahren von frei definierten Bahnen im Raum (z. B. als beliebige Kombination aus linearen und rotatorischen Bewegungen), insbesondere nicht unter – auch gleichzeitiger – Veränderung des Fokus-Detektor-Abstands (z. B. zum Abfahren einer, auf einer Kugelkalotte gelegenen Bahn).
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Ein weiterer Nachteil speziell der bislang am Markt erhältlichen Röntgen-Rotationslaminographie-Systeme, die keine mit der Strahlenquelle mitdrehenden Generatoren aufweisen, besteht darin, dass es zu einer ad hoc kritischen oder die Lebensdauer einschränkenden Verdrillung der Hochspannungskabel kommt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn große Kreisradien abgefahren werden sollen. Hierbei ist es regelmäßig nötig, dass der Strahlenkegel der Strahlenquelle durch ein Verkippen nachgeführt wird, damit der Detektor noch ausgeleuchtet wird. Die bei einer solchen Verdrillung aufzunehmenden Kräfte limitieren zudem die erzielbare mechanische Genauigkeit.
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Eine weitere Beschränkung besteht in nach bekannter Bauweise erstellten Rotations-Laminographie-Systemen für leistungsstarke Strahlenquellen, beispielsweise Linearbeschleuniger, da sie einerseits nicht in allen Richtungen betrieben werden können, andererseits wegen ihrer Größe und ihres Gewichts in einem (insbesondere kardanisch aufgehängten) C-Arm nur mit erheblichem Aufwand auf komplizierten, dreidimensionalen Bahnen mitbewegt werden können.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Laminographieanlage vorzustellen, durch deren Verwendunng im Rahmen eines Laminograpieverfahrens eine flexiblere Nutzung auch von leistungsstarken Strahlenquellen zur Laminographie möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch die Verwendung einer Laminographieanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Unter einer erfindungsgemäßen Strahlenquelle werden insbesondere angesehen: Röntgen-, Gamma-, Neutronen-, Lichtquellen im sichtbaren und unsichtbaren Bereich, THz-Strahler und Radarsender.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird zur Beschreibung der Ausrichtung der Bestandteile der erfindungsgemäßen Rotations-Laminographieanlage ein auf die Anlage bezogenes, kartesisches Koordinatensystem wie folgt definiert:
Der Fokus der Strahlenquelle bildet den Koordinatenursprung; die y-Achse verläuft entlang dem Zentralstrahl des von der Strahlenquelle emittierten Strahlenkegels in der Grundstellung der Strahlenquelle, in der diese nicht um eine durch den Fokus gehende Schwenkachse geschwenkt ist; die z-Achse verläuft parallel zur Bewegungsrichtung der ersten Linearführung der Strahlenquelle; die x-Achse steht senkrecht auf der von y-Achse und z-Achse definierten Ebene.
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Dieses Anlagekoordinatensystem kann gegenüber dem Weltkoordinatensystem beliebig orientiert sein, d. h. die Strahlrichtung ist grundsätzlich frei und anlagenspezifisch wählbar.
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Das grundlegende Lösungsprinzip besteht darin, dass für die Rotationslaminographie die beiden gegenläufigen Rotationen von Detektor und Strahlenquelle in zwei senkrecht zueinander stehende Schwingungsbewegungen (in der Art einer Sinus/Cosinus-Projektion) aufgelöst werden.
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Dabei wird die Strahlenquelle entlang der z-Richtung bewegt und der Strahlenkonus durch Schwenken um eine senkrecht zur Bewegungsachse liegende Schwenkachse bei Bedarf nachgeführt. Eine weitere Bewegung der Strahlenquelle in einer senkrecht dazu verlaufenden Richtung ist erfindungsgemäß nicht nötig, da die gegenläufigen Kreisbewegungen zwischen Strahlenquelle und Detektor dadurch erzielt werden, dass sowohl der Detektor als auch der Objektschlitten (auf dem während der Prüfung das zu prüfende Objekt angeordnet ist) zueinander synchronisiert die im Folgenden beschriebene Bewegung durchführen.
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Der Detektor ist in z-Richtung – gegenläufig zur Strahlenquelle – bewegbar, damit wird eine für die lineare Laminographie erforderliche Relativbewegung realisiert.
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Zusätzlich ist der Detektor um eine parallel zu der ersten Bewegungsrichtung verlaufende Rotationsachse drehbar. Wird synchron zur Drehbewegung des Detektors eine Drehung des Objektschlittens um die zweite Drehachse, welche parallel zur ersten Drehachse des Detektors ausgebildet ist, ausgeführt, erscheint dies vom Bezugspunkt im Objekt aus als scheinbar synchrone Kreisbewegung von Strahlenquelle und Detektor um den Bezugspunkt in auf beiden Seiten des Objekts und parallel zum Objekt liegenden Ebenen. Somit ist es gerade nicht nötig, die Strahlenquelle in einer Richtung senkrecht zur z-Richtung zu bewegen. Aufgrund der bekannten Abmessungen und geometrischen Verhältnisse zwischen Strahlenquelle, Objektschlitten und Detektor können einerseits die benötigten Bewegungen in Abhängigkeit zueinander vorab problemlos berechnet werden, die dann einer gegenläufigen Rotationsbewegung von Strahlenquelle zu Detektor bei feststehendem Objektschlitten entsprechen, andererseits erlauben sie die Korrektur der Bildverzerrung, die sich aus der Kegelstrahlgeometrie und der sich verändernden geometrischen Vergrößerung ergibt. Im Ergebnis ist es somit nicht nötig, die hochgradig komplexen Bewegungen durchzuführen, die bei bekannten Rotationslaminographieanlagen benötigt wurden. Vielmehr reicht es aus, wenn der Detektor mit einem Linearantrieb parallel zu demjenigen der Strahlenquelle und zusätzlich einem Rotationsantrieb um diese Achse bewegt werden kann; und der Objektschlitten einen Rotationsantrieb aufweist, der eine ebenfalls parallel zur Bewegungsrichtung der Strahlenquelle arbeitenden Rotationsvorrichtung aufweist.
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Insbesondere die Rotationsvorrichtungen sind erfindungsgemäß in sehr einfacher Art und Weise ausgebildet, wie dies weiter unten noch beschrieben wird. Mit einer solchen erfindungsgemäßen Röntgen-Laminographieanlage kommt es aufgrund der nur linearen Bewegung der Strahlenquelle nicht zu einer Verdrillung des Hochspannungskabels. Darüber hinaus ist mit einer solchen Röntgen-Laminographieanlage auch eine nicht erfindungsgemäße lineare Laminographie durchführbar. Hierzu ist lediglich eine Bewegung durch die beiden lineare Antriebe der Strahlenquelle und des Detektors in gegenläufiger Richtung nötig. Die Rotationsantriebe für den Detektor und für den Objektschlitten sind dabei nicht aktiv. Bei großen Verschiebungslängen ist auch die Verkippung – also das Nachführen – des Strahlenkegels der Strahlenquelle kein mechanisches Problem für das Hochspannungskabel.
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Eine lineare Laminographie senkrecht zu der gerade beschriebenen Richtung kann ohne Umbau der Vorrichtung dadurch realisiert werden, dass eine synchrone, parallele Rotation anhand der beiden Rotationsvorrichtungen des Detektors und des Objektschlittens durchgeführt wird. Bei dieser, einer Parallelverschiebung entsprechenden Bewegung bleibt im Gegensatz zur konventionellen Verschiebung der Abstand von Strahlenquelle zu Detektor konstant, dies ist in der Rekonstruktion zu berücksichtigen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Detektor mittels einer ersten Translationsvorrichtung und/oder der Objektschlitten mittels einer zweiten Translationsvorrichtung in y-Richtung bewegbar und festlegbar ist. Dadurch ist es möglich, den Abstand zwischen Strahlenquelle und Detektor sowie zwischen Strahlenquelle und Objekt zu verändern. Dies bedeutet, dass die Vergrößerung bzw. andere Abbildungseigenschaften verändert werden können. Die erfindungsgemäße Röntgen-Laminographieanlage wird somit noch universeller einsetzbar.
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Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass die erste Rotationsvorrichtung zwei unabhängig voneinander linear in y-Richtung bewegbare erste und zweite Antriebspunkte hat, die über eine erste und eine zweite unabhängig voneinander ansteuerbare Antriebsvorrichtung bewegt werden. Dadurch ist es nicht erforderlich, eine Rotationsvorrichtung vorzusehen, die eine Rotationsbewegung durchführt, sondern diese wird ersetzt durch gegenläufige Bewegungen der beiden linearen Antriebsvorrichtungen, was zu einer Vereinfachung der Konstruktion führt. Das gleiche gilt im Hinblick auf die zweite Rotationsvorrichtung, wenn zwei unabhängig voneinander linear in y-Richtung bewegbare dritte und vierte Antriebspunkte vorliegen, die über eine dritte und vierte unabhängig voneinander ansteuerbare Antriebsvorrichtung bewegt werden.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Strahlenquelle eine Schwenkachse aufweist, die in x-Richtung des kartesischen Koordinatensystems durch den Fokus der Strahlenquelle verläuft. Dadurch wird die oben schon erwähnte Nachführung des Strahlenkegels ermöglicht, die bei großen Verschiebelängen nötig ist, um den Detektor noch auszuleuchten und aussagekräftige Ergebnisse zu bekommen. Für kleine Verschiebelängen oder bei großen Ausstrahlwinkeln ist dieses Merkmal jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Erfindungsgemäß ist darüber hinaus vorgesehen, dass die erste Translationsvorrichtung mit der ersten Rotationsvorrichtung bzw. die zweite Translationsvorrichtung mit der zweiten Rotationsvorrichtung zusammenfallen. Dadurch wird der Aufbau der Röntgen-Laminographieanlage vereinfacht, da für die translatorische Bewegung in y-Richtung (die zur Änderung der Vergrößerung beispielsweise nötig ist) mit derselben Vorrichtung erfolgen kann, mit der auch die Rotation des Detektors bzw. des Objektschlittens durchgeführt wird, da diese Rotationsvorrichtung durch zwei Linearantriebe realisiert ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an dem Objektschlitten ein Objekthalter angeordnet ist, der zu diesem in x-Richtung bewegbar ist, bezogen auf die Ausrichtung des Objektschlittens in der xz-Ebene, und an diesem festlegbar ist. Dadurch ist es möglich, nicht nur eine einzelne Linie zu untersuchen, sondern durch die Verschiebung des Objekthalters auf dem Objektschlitten das zu untersuchende Objekt in x-Richtung zu bewegen. In Kombination mit der Z-Bewegung von Strahlenquelle und Detektor kann dadurch eine Fläche des Objekts untersucht werden, ohne dass es nötig wäre, das Objekt vom Objektschlitten zu entfernen bzw. dieses von Hand auf dem Objektschlitten selbst zu verschieben.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass am Objektschlitten oder am Objekthalter ein Drehteller angeordnet ist, dessen Rotationsachse in z-Richtung ausrichtet ist, und der von einer CT-fähigen Rotationsvorrichtung angetrieben wird. Dadurch ist es möglich, dass mit der Röntgen-Laminographieanlage auch eine Computertomographie durchgeführt werden kann. Das zu untersuchende Objekt wird dann auf dem Drehteller fixiert. Falls es nötig sein sollte – das zu prüfende Objekt also über den Strahlenkegel seitlich heraussteht – kann eine horizontale Messkreiserweiterung durch ein seitliches Verfahren des Objekts bei gleichzeitigem Verkippen des Detektors (also eine Rotation um die erste Drehachse) erfolgen. Eine Detektorquerfahrt ist dabei nicht erforderlich. Eine vertikale Messkreiserweiterung kann ebenfalls durch die erfindungsgemäße Röntgen-Laminographieanlage erreicht werden, indem der Detektor entlang der ersten Drehachse an der zweiten Linearführung bewegt wird; falls nötig kann die Strahlenquelle durch eine Linearbewegung entlang der ersten Drehachse nachgeführt werden. Somit kann durch einfache Bewegungen eine Computertomographie durchgeführt werden.
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Bevorzugt ist, dass die Strahlenquelle eine Röntgenquelle ist und der Detektor ein röntgensensitiver Detektor ist. Mit einer erfindungsgemäßen Röntgen-Laminographieanlage können auch erweiterte Messmodi, zum Beispiel elliptische oder gänzlich freie Bahnen über entsprechende Ansteuerung der Linearantriebe und der Rotationsantriebe generiert werden. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel während der Durchführung einer Rotationslaminographie,
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2 eine Prinzipdarstellung der beiden Extremstellungen von Strahlenquelle zu Detektor bei einer bekannten Anlage zur Durchführung einer linearen Laminographie,
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3 eine Prinzipdarstellung der beiden Extremstellungen von Strahlenquelle zu Detektor bei einer bekannten Anlage zur Durchführung einer Rotationslaminographie in einer Ebene senkrecht zur Darstellung in 2,
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4 eine schematische Darstellung der Bewegungen zwischen Strahlenquelle, Detektor und zu untersuchendem Objekt bei klassischer Rotationslaminographie und
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5 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zur Durchführung einer Computertomographie.
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Aufgrund der bereits existenten praktischen Anwendung des Laminographieverfahrens wird die Anmeldung anhand der Röntgen-Laminographie beschrieben. Vorrichtung und Verfahren sind jedoch auch für andere Strahlenquellen (z. B. Gamma- oder Neutronen-Quellen, Lichtquellen im sichtbaren und unsichtbaren Bereich, THz-Strahler, Radarsender) und die zugehörigen Strahlungsdetektoren einsetzbar.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Röntgen-Laminographieanlage zur erfindungsgemäßen Verwendung dargestellt, mit der sowohl eine lineare Laminographie, eine Rotationslaminographie oder eine limited Angle-CT durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ist es mit dieser Anlage auch möglich, innerhalb der Bewegungsgrenzen der Linear- und Rotationsachsen jede beliebige Art der Bahn, flächig oder räumlich, im Rahmen eines modifizierten Laminographieverfahrens abzufahren.
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Bevor näher auf die Ausgestaltung der Röntgen-Laminographieanlage zur erfindungsgemäßen Verwendung gemäß 1 eingegangen wird, wird anhand der 2 das Prinzip einer linearen Laminographie erläutert, wobei die im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der 1 verwendeten Bezugszeichen übernommen wurden. Zwischen einer Strahlenquelle 1 und einem Detektor 10 ist ortsfest ein zu prüfendes Objekt 31 angeordnet. Der Detektor 10 wird parallel zur x-Achse (durch den Pfeil verdeutlicht) linear zwischen den zwei dargestellten Extrempositionen bewegt. In gegenläufiger Richtung (ebenfalls durch einen Pfeil verdeutlicht) wird die Strahlenquelle 1 ebenfalls parallel zur x-Achse so bewegt, dass ihr Strahlenkegel 2 den Detektor 10 immer voll ausleuchtet. Hierzu ist es nötig, dass die Strahlenquelle 1 ihre Abstrahlrichtung ändert. Dies geschieht durch eine Drehung der Strahlenquelle 1 um eine Achse, die parallel zur z-Achse ausgerichtet ist und vorzugsweise durch den Fokuspunkt der Strahlenquelle 1 verläuft. Die gegenläufigen Bewegungen von Strahlenquelle 1 und Detektor 10 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Zentralstrahl 3 der Strahlenquelle 1 immer durch einen vorher festgelegten Punkt innerhalb des Objekts 31 geht. Eine Achse parallel zur z-Achse durch diesen Punkt bildet somit eine virtuelle zweite Drehachse 21. Mit einer solchen Anlage kann das Objekt 31 entlang einer Linie parallel zur z-Achse, also entlang der zweiten Drehachse 21 untersucht werden.
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Soll eine nicht fehlerrichtungsbeschränkte Untersuchung des Objekts 31 durchgeführt werden, ist dies mittels einer Rotationslaminographie möglich. Die in 4 dargestellte, abgestimmte synchrone Kreisbewegung von Strahlenquelle 1 zu Detektor 10 ist in den 2 und 3 in zwei senkrecht zueinander stehende Teilbewegungen aufgegliedert.
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Wie eingangs erwähnt kann das systembezogene Koordinatensystem beliebig gegenüber dem Welt-System orientiert sein, jedoch sind nicht alle Strahlenquellen 1 unter beliebiger Orientierung zu betreiben. Es ist eine kombinierte Neige- und Drehbewegung erforderlich die insbesondere bei großen und schweren Strahlenquellen 1 einen erheblichen mechanischen Aufwand erfordern. Mit der erfindungsgemäßen Reduzierung der Freiheitsgrade der Bewegung der Strahlenquelle 1 können diese Probleme gelöst oder in ihrer Auswirkung beschränkt werden.
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In der Überlagerung beider Teilbewegungen wird auch deutlich, dass es durch das Nachführen des Strahlenkegels 2 in z-Richtung zu einer unkritischen Schleppbewegung (3), bei der senkrecht dazu stehenden Bewegung jedoch zu einem Verdrillen des Hochspannungskabels kommt (2).
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Der Vorteil des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels beruht in erster Linie darauf, dass die Strahlenquelle 1 nur entlang der z-Achse verschoben wird und eine Nachführung um die Schwenkachse 5, die parallel zur x-Achse verläuft, erfolgt (siehe 3).
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Zur Durchführung der Linearbewegung der Strahlenquelle 1 entlang der z-Achse ist diese mit einer ersten Linearführung 4 verbunden. Diese Bewegung wird ausgeführt zur Positionierung der Strahlenquelle 1 gegenüber dem Zentralpunkt des Prüfbereichs, bei einer in z-Richtung orientierten Translationslaminographie oder bei der Durchführung einer Rotationslaminographie.
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Die in 2 dargestellte Quer- und Drehbewegung wird ersetzt durch die koordinierte Drehung von Objekt 31 und Detektor 10 (siehe 1).
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Der Detektor 10 ist an einer ersten Translationsvorrichtung 12 angeordnet, die zwei von einander unabhängige Antriebspunkte, einen ersten Antriebspunkt 13 und einen zweiten Antriebspunkt 14, aufweist. Diese beiden Antriebspunkte 13, 14 sind jeweils in einer Führung, die beide parallel zur y-Achse verlaufen, geführt. Bei einer synchronen Bewegung der beiden Antriebspunkte 13, 14 erfolgt somit eine translatorische Entfernung bzw. Annäherung des Detektors 10 an die Strahlenquelle 1. Bei nicht synchroner bzw. gegenläufiger Bewegung der beiden Antriebspunkte 13, 14 erfolgt dagegen eine Drehung des Detektors um eine erste Drehachse 11, die innerhalb des Detektors 10 parallel zur z-Achse verläuft – ggf. in Verbindung mit einer Translation in y-Richtung.
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Darüber hinaus ist der Detektor 10 noch mit einer zweiten Linearführung (nicht dargestellt) verbunden, durch die dieser parallel zur z-Achse bewegt werden kann. Dies ist vergleichbar mit der ersten Linearführung 4 der Strahlenquelle 1. Diese zweite Linearführung ist – wie die erste Linearführung 4 der Strahlenquelle 1 – nötig zur Grundpositionierung des Systems, für die in z-Richtung orientierte Translationslaminographie und die Rotationslaminographie.
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Die Ausrichtung von Strahlenquelle 1 zu Detektor 10 ist so, dass der Strahlenkegel 2 den Detektor 10 in jeder Position voll ausleuchtet. Des Weiteren geht der Zentralstrahl 3 des Strahlenkegels 2 durch die erste Drehachse 11 des Detektors 10. Für die Durchführung einer Rotationslaminographie mit hohen Verschiebewegen kann die Strahlenquelle 1 noch um die x-Achse geschwenkt werden (entspricht der Schwenkachse 5 in 3), um den Detektor 10, der in gegenläufige Richtung bezogen auf die Strahlenquelle 1 entlang der z-Achse bewegt wird, ständig voll ausleuchten zu können.
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Das Objekt 31 ist auf einem Objektschlitten 20 angeordnet, der eine zweite Translationsvorrichtung 22 umfasst, die im Wesentlichen gleich ausgeführt ist, wie die erste Translationsvorrichtung 12 des Detektors 10. Sie weist zwei unabhängig voneinander bewegbare Antriebspunkte, den dritten Antriebspunkt 23 und den vierten Antriebspunkt 24, auf. Diese beiden Antriebspunkte 23, 24 sind jeweils in einer Führung 25, die beide parallel zur y-Achse und somit auch parallel zu den Führungen 15 des Detektors 10 verlaufen, geführt. Es ist zweckmäßig, die beiden Führungen 25 des Objektschlittens 20 außerhalb der beiden Führungen 15 des Detektors 10 anzuordnen, da der Objektschlitten 20 regelmäßig breiter ist als der Detektor 10 und somit alle Antriebspunkte 13, 14, 23, 24 im jeweils äußeren Endbereich der ersten Translationsvorrichtung 12 bzw. des Objektschlittens 20 angeordnet werden können. Aufgrund der genannten zweiten Translationsvorrichtung 22 sind prinzipiell die gleichen Bewegungen möglich, die oben schon für den Detektor 10 beschrieben wurden, also eine Translationsbewegung entlang der y-Achse und/oder eine Rotation um die zweite Drehachse 21 (oben schon zu 2 beschrieben), die sich innerhalb des Objekts 31 befindet.
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Das Objekt 31 ist nicht direkt auf dem Objektschlitten 20 angeordnet, sondern auf einem Objekthalter 30, der auf dem Objektschlitten 20 verfahrbar ist und in vorgegebenen Positionen zu diesen festlegbar ist. Die Bewegungsrichtung erfolgt dabei parallel zur Verbindungslinie zwischen drittem Antriebspunkt 23 und viertem Antriebspunkt 24. Damit können verschiedene zweite Drehachsen 21, die für den zu untersuchenden Bereich des Objekts 31 relevant sind, eingestellt werden, ohne dass das Objekt 31 aus dem Objekthalter 30 entfernt und an einer anderen Stelle wieder eingesetzt werden müsste.
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Aufgrund der jeweils möglichen Translationsbewegung sowohl des Detektors 10 als auch des Objekts 31 entlang der y-Achse – wobei diese Translationsbewegungen unabhängig voneinander erfolgen können – kann sowohl der Abstand zwischen Strahlenquelle 1 und Detektor 10 als auch zwischen Objekt 31 und Detektor 10 unterschiedlich eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, verschiedene Abbildungsgeometrien, insbesondere mit unterschiedlichen Vergrößerungsmaßstäben einzustellen und somit individuell auf die benötigte Abbildungsgeometrie in Abhängigkeit des zu untersuchenden Objekts 31 und der verwendeten Strahlenquelle 1 bzw. des verwendeten Detektors 10 einzugehen.
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Zur Durchführung einer in X-Richtung orientierten linearen Laminographie werden Detektor 10 und Objektschlitten 20 synchron zueinander um die erste Drehachse 11 (gilt für den Detektor 10) bzw. die zweite Drehachse 21 (gilt für den Objektschlitten 20) gedreht. Hierzu werden die erste Translationsvorrichtung 12 bzw. die zweite Translationsvorrichtung 22 synchron zueinander bewegt, indem die jeweiligen Antriebspunkte 13, 14; 23, 24 synchron bewegt werden. Diese Bewegungen ersetzen somit die in 2 dargestellte gegenläufige Bewegung von Strahlenquelle 1 und Detektor 10 bei feststehendem Objekt 31 (bzw. Objektschlitten 20). Vorteilhaft ist dabei noch, dass auch bei großen Verschiebelängen keine Nachführung der Strahlenquelle 1 um eine Achse parallel zur z-Achse – wie in 2 dargestellt – nötig ist, da die große Verschiebelänge durch eine stärkere Verdrehung des Detektors 10 um die erste Drehachse 11 ersetzt wird und die volle Ausleuchtung des Detektors 10 durch den Strahlenkegel 2 der Strahlenquelle 1 somit auch in diesen extremen Positionen gewährleistet ist.
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Zur Durchführung einer Rotationslaminographie bzw. einer Laminographie auf einer frei wählbaren Bahn ist eine kompliziertere Bewegung der Strahlenquelle 1 und des Detektors 10 entlang der ersten Linearführung 4 der Strahlenquelle 1 bzw. der zweiten Linearführung (nicht dargestellt) des Detektors 10 parallel zur z-Achse in gegenläufiger Richtung in Verbindung mit aufeinander abgestimmten Rotationen des Detektors 10 um die erste Drehachse 11 und des Objektschlittens 20 um die zweite Drehachse 21 nötig. Da es sich hierbei jedoch lediglich um eine Umwandlung der in 4 dargestellten gegenläufigen Rotationsbewegungen der Strahlenquelle 1 und des Detektors 10 bei feststehendem Objekt 31 um den virtuellen Drehpunkt 33 handelt (dies gilt nur für eine Rotationslaminographie, jedoch nicht bei freier Bewegungsbahn), ist es dem Fachmann ohne weiteres möglich, diese Bewegungen auf Bewegungen des Detektors 10, des Objektschlittens 20 und der Strahlenquelle 1 für die durch die in 1 dargestellte Röntgen-Laminographieanlage zu transformieren. Ein näheres Eingehen auf diese komplexen Bewegungen, die aufeinander synchronisiert werden müssen, ist demnach nicht nötig. Im Ergebnis werden die beiden gegenläufigen Rotationsbewegungen in Sinus/Cosinus-Projektionen umgewandelt. Für frei definierte Bahnen sind dann die aus der Geometrie herzuleitenden Transformationen für den Fachmann ebenfalls problemlos zu berechnen.
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Durch eine erfindungsgemäße Verwendung einer Röntgen-Laminographieanlage, werden Vorteile gegenüber der bislang in dem Stand der Technik bekannten Röntgen-Laminographieanlagen erzielt. Hierzu gehört, dass mittels einfachen, mechanischen Standardkomponenten eine erfindungsgemäße Röntgen-Laminographieanlage aufgebaut werden kann, die bzgl. der zu detektierenden Fehlerart und Fehlerorientierung eine wahlfreie Ausführung von linearem, rotativem oder sonstigem Bewegungsmuster zulässt und dabei selbst bei feststehenden Hochspannungsgeneratoren nur solche Bewegungen der Strahlenquelle 1 notwendig sind, die für die Hochspannungskabel unkritisch sind.
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Die linearen Achsen – in Form der Führungen 15, 25 – sind als Standardkomponenten verfügbar, das Anlagenkonzept ist somit leicht skalierbar und kann innerhalb weiter Grenzen an die Größe von Objekten 31 und bildgebenden Komponenten – die Strahlenquelle 1 und der Detektor 10 – angepasst werden.
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Durch die Variation des Abstandes zwischen dem Fokus der Strahlenquelle 1 und dem Objekt 31 sowie des Abstandes zwischen dem Objekt 31 und dem Detektor 10 wird die geometrische Vergrößerung einstellbar, damit kann zwischen der Größe des zu untersuchenden Bereichs und der erzielbaren Detailerkennbarkeit optimiert werden.
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Mit der Skalierbarkeit der Größe korrespondiert die Wahl der Strahlenquelle 1: insbesondere für große Prüfobjekte und solche aus stark absorbierenden Materialien kann auch eine Strahlenquelle 1 verwendet werden, die eine höhere Leistungsstärke hat, als dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Rotationslaminographieanlagen der Fall ist, hier ist beispielsweise an einen Linearbeschleuniger zu denken.
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In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung einer Röntgen-Laminographieanlage dargestellt. Diese ist dabei so modifiziert, dass mit ihr ein Computertomographie-Verfahren (CT-Verfahren) durchgeführt werden kann. Hierzu wird die aus 1 bekannte Röntgen-Laminographieanlage dadurch erweitert, dass am Objekthalter 30 ein Drehteller 40 angeordnet ist, der um eine parallel zur z-Achse ausgerichtete Rotationsachse 41 mittels einer bekannten und nicht dargestellten CT-Rotationsvorrichtung rotierbar ist. In 5 ist lediglich zur Verdeutlichung, dass es sich um den Objekthalter 30 handelt, auch das Objekt 31 gemäß der 1 gestrichelt dargestellt. Das Objekt, das mit dieser CT-Anlage untersucht wird, ist jedoch nicht direkt am Objekthalter 30 angeordnet, sondern auf dem Drehteller 40 festgelegt.
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Die Durchführung einer CT-Analyse ist dem Fachmann gut bekannt und muss deshalb nicht im Einzelnen näher ausgeführt werden. Im Folgenden wird nur kurz auf die Ausrichtung der einzelnen Komponenten der Röntgen-Laminographieanlage gemäß 5 eingegangen:
Der Detektor 10 ist so ausgerichtet, dass er in einer Ebene liegt, die parallel zur xz-Ebene verläuft. Dadurch trifft der Zentralstrahl 3 der Strahlenquelle 1 senkrecht auf ihn auf.
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Die Ausrichtung des Objektschlittens 20 ist parallel zu der Ausrichtung des Detektors 10. Dies ist nur dann nötig, wenn eine Verschiebung des Drehtellers 40 parallel zur x-Achse durchgeführt werden soll, beispielsweise weil das zu prüfende Objekt über den Drehteller 40 hinausragt und nicht vollständig im Strahlenkegel 2 der Strahlenquelle 1 liegt. Die Möglichkeit einer präzisen Querbewegung vereinfacht auch die Justage der Anlage.
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Auch hier kann der Abstand zwischen Strahlenquelle 1 und Drehteller 40 bzw. Drehteller 40 und Detektor 10 (also der Abstand Fokus zu Objekt bzw. Objekt zu Detektor 10) auf die nötige bzw. gewünschte Abbildungsgeometrie eingestellt werden. Darüber hinaus kann auch bei in z-Richtung zu prüfenden Objekten eine synchrone Verfahrung der Strahlenquelle 1 entlang der ersten Linearführung 4 und des Detektors 10 entlang der zweiten Linearführung (nicht dargestellt) parallel zur z-Achse durchgeführt werden. Dadurch werden verschiedene Abschnitte des zu prüfenden Objekts in z-Richtung untersucht, wobei auf jeder angefahrenen z-Höhe die Durchführung einer vollständigen CT-Messung erfolgt. Alternative Messverfahren (Helix-CT, Z-scan) sind ebenfalls möglich.
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Mit einer solchen zweiten erfindungsgemäßen Verwendung einer Röntgenlaminographieanlage gemäß der 5 kann mit im Wesentlichen derselben Anlage zusätzlich zur Röntgenlaminographie auch ein Röntgen-CT-Verfahren durchgeführt werden.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in den 1 und 5 dargestellt, sieht eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Detektor mittels einer Translationsvorrichtung senkrecht zur z-Richtung, parallel zur Detektorebene (also in der Grundstellung in x-Richtung) verfahrbar ist. Durch Zusammenfügen von mehreren, in verschiedenen Positionen aufgenommenen Einzelbildern kann ein in dieser Richtung breiterer Detektor simuliert werden. Damit wird insbesondere die bei starken Verdrehwinkeln reduzierte effektive Detektorfläche, also der der Strahlenquelle zugewandte Flächenanteil, wirksam vergrößert. Diese translatorische Bewegung wird im CT-Modus zur Messkreiserweiterung eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlenquelle
- 2
- Strahlenkegel
- 3
- Zentralstrahl
- 4
- erste Linearführung
- 5
- Schwenkachse
- 10
- Detektor
- 11
- erste Drehachse
- 12
- erste Translationsvorrichtung
- 13
- erster Antriebspunkt
- 14
- zweiter Antriebspunkt
- 15
- Führung
- 20
- Objektschlitten
- 21
- zweite Drehachse
- 22
- zweite Translationsvorrichtung
- 23
- dritter Antriebspunkt
- 24
- vierter Antriebspunkt
- 25
- Führung
- 30
- Objekthalter
- 31
- Objekt
- 32
- virtuelle Drehachse
- 33
- virtueller Drehpunkt
- 40
- Drehteller
- 41
- Rotationsachse
