DE1085339B

DE1085339B - Messverfahren und Strahlenabsorptionssystem zur Bestimmung der Dichte oder Dicke eines Messobjektes

Info

Publication number: DE1085339B
Application number: DEG27130A
Authority: DE
Inventors: John Edward Bigelow; Robert Alexander Arrison Jun; Stanley Berstein
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1958-06-05
Filing date: 1959-05-26
Publication date: 1960-07-14
Also published as: US2983819A; FR1226302A; GB886634A

Description

Meßverfahren und Strahlenabsorptionssystem zur Bestimmung der Dichte oder Dicke eines Meßobjektes Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Strahlungsmeßsysteme und insbesondere auf Röntgenmeßvorrichtungen, die dazu dienen sollen, die Dichte oder die Dicke eines Meßobjektes zu messen.
Bei der Messung der Dichte oder Dicke von Materialien mit Hilfe der darin absorbierten einfallenden Strahlen, wie etwa Röntgenstrahlen, genügt es nicht, die Menge der auf das Prüfobjekt fallenden Strahlen und den Betrag der sie durchsetzenden Strahlung zu kennen, sondern man muß außerdem die Durchdringungseigenschaften der Strahlung kennen. Wenn ein Isotop als Quelle für die durchtretende Strahlung verwendet wird, kann angenommen werden, daß die Menge der in das Prufobjekt einfallenden Strahlen und ihre Durchdringungsfähigkeit konstant bleiben. In diesem Fall kann die Dichte oder Dicke eines Objektes einfach dadurch bestimmt werden, daß man die durch den Gegenstand durchtretende Strahlung mißt. Wenn die Quelle der Röntgenstrahlen aber eine röntgenstrahlerzeugende Röhre ist, können die Menge und die Güte der einfallenden Strahlen nicht als konstant angenommen werden, da die Menge und die Güte der Röntgenstrahlen, die von einer Röhre ausgesendet werden, sich auf Grund von veränderlichen Betriebsbedingungen ändern können, z. B. der Spannung zwischen Anode und Kathode oder die Schwelle, bei der die Kathode zur Elektronenemission angeregt wird. Die Durchdringungsfähigkeit und die Menge der ausgesandten Strahlen sind nichtlineare Funktionen solcher veränderlicher Röhrenbetriebsgrößen.
Um die unbekannte Dichte oder Dicke eines Meßobjektes zu bestimmen, muß man drei bekannte Größen haben. Bei einigen Röntgenmeßvorrichtungen von hoher Stabilität wird die Dichte oder Dicke eines Meßobjektes dadurch bestimmt, daß man die Intensität der von einer Quelle gelieferten Strahlung mißt, nachdem sie das Meßobjekt und ein Bezugsobjekt von bekannter Dichte oder Dicke durchsetzt hat. Bei einer derartigen Anordnung sind die drei bekannten Größen (1) die Dicke des Bezugsobjektes, (2) die gemessene Intensität der durch das Meßobjekt hindurchgekommenen Strahlung und (3) die gemessene Intensität der Strahlung, welche das Bezugsobjekt durchsetzt hat. Derartige Meßvorrichtungen benutzen keilförmige Vergleichsproben von bekannter Dichte und benötigen einen Servomechanismus, um die in dem Strahlenbündel verschiebbaren Keile zu verstellen, wobei außerdem die verwendeten Keile sehr sorgfältig und genau hergestellt sein müssen. Es ist ein Ziel der Erfindung, die genau hergestelllten Keile und die teuere Keilverstellvorrichtung innerhalb der Meßvorrichtung zu beseitigen.
Die Erfindung bietet eine Vorrichtung zur Stabilisierung von zwei veränderlichen Größen der Röntgenstrahlenquelle, nämlich der Menge oder Intensität der ausgesandten Strahlung und ihrer Durchdringungseigen- schaften Es sind zwei Detektoren vorgesehen, welche die Strahlungsintensität vor und nach dem Durchgang durch das Meßobjekt messen. Die Ausgangssignale der beiden Detektoren werden miteinander verglichen, so daß man ein Signal erhält, welches die Durchdringungsfähigkeit der Strahlung darstellt. Dieses Signal wird an die strahlenerzeugende Röhre angelegt und regelt die Spannung zwischen Anode und Kathode. Weiterhin kann man die Kathodenheizung der strahlenerzeugenden Röhre regeln, um die gervünschte Menge an ausgesandten Strahlen zu erhalten. Ein Detektor ist so angeordnet, daß er die Intensität von Strahlen mißt, die durch einen festen Absorber von bekannter Dicke oder Dichte geschickt worden ist. Bei einer abgewandelten Anordnung wird der in der Röhre fließende Strom gemessen und liefert ein Signal, welches der Menge der ausgesandten Strahlung entspricht, wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, die dieses Signal so an die strahlenerzeugende Röhre anlegt, daß es die Kathodenheizung steuert.
Zu den Zeichnungen: Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Anordnung der Vorrichtung von Fig. 1; Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer abgewandelten Meßvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Meßvorrichtung umfaßt eine Röntgenröhre 12 mit einer Anode 13 und einer Kathode 14, die in einer Hülle 15 eingeschlossen sind und einen Stahl 16 aussenden.
Vor und hinter dem Meßobjekt ist je ein Detektor vorgesehen. Der vordere Detektor erhält die Strahlung direkt von der Quelle. Er ist so eingestellt, daß er eine geringere Empfindlichkeit aufweist als der andere Detektor, der die Strahlung aufnimmt, nachdem sie das Meßobjekt durchsetzt hat. Das Verhältnis der Strahlintensitäten vor und nach dem Durchgang durch das Meßobjekt ist ein Maß für die Durchdringungsfähigkeit des Strahles. Die durch das Ansprechen der Detektoren auf die Strahlung hervorgerufenen Signale werden einer Subtraktionsschaltung zugeführt, welche die Anodenspannung der Röhre steuert. Wenn die an die Subtraktionsschaltung angelegten Signale gleich bleiben, ist das Verhältnis der Strahlintensitäten vor und nach dem Durchgang durch das Meßobjekt, was ja ein Maß für die Durchdringungsfähigkeit des Strahles darstellt, konstant. Mit wachsender Dicke des Meßobjektes muß auch die angelegte Spannung proportional ansteigen, um ein konstantes Verhältnis der Strahlintensitäten vor und nach dem Durchgang durch das Meßobjekt aufrechtzuerhalten. Die Änderung der angelegten Spannung kann dann als Maß für die Dicke des Meßobjektes betrachtet werden. Die Kathodenheizung ist ebenfalls einstellbar, so daß die von der Röhre ausgesandte Strahlung nicht ein konstantes Intensitätsverhältnis, sondern eine absolute Größe hat, die der Dicke des Meßobjektes direkt proportional ist. Die Ausgangsspannung jedes der beiden Detektoren, die eine Funktion der Röhrenspannung ist, kann einem Meßgerät vorzugsweise über einen geeigneten Verstärker zugeführt werden, um die Dicke oder die Dichte des Meßobjektes anzuzeigen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung durchläuft der Strahl nacheinander einen ersten Detektor D-1, ein Meßobjekt X von unbekannter Dicke oder Dichte, einen zweiten Detektor D-2, ein strahlenabsorbierendes Teil F, welches so gewählt ist, daß es eine feste Menge oder ein festes Verhältnis der durchgehenden Strahlung absorbiert, und einen dritten Detektor D-3. Die Detektoren D-1, D-2 und D-3 bestehen vorzugsweise aus handelsüblichen Ionisationskammern.
Die Detektoren D-2 und D-3 sollen vorzugsweise die gleiche Empfindlichkeit aufweisen, während die Empfindlichkeit des Detektors D-1 um einen gewählten Faktor K ge ringer ist. Die Detektoren D-1 und D-2 sind so geschaltet, daß sie die Härte der von der Röhre 12 ausgesandten Strahlung regulieren. Sie liefern einer Additionsschaltung L-1 zwei Ausgangsströme 1, und I2 von entgegengesetztem Vorzeichen. An die Detektoren sind Batterien B angeschlossen, welche die Vorspannung liefern. Sofern eine Differenz zwischen den Strömen I, und I2 besteht, bildet sie ein Steuersignal, welches einer Steuerschaltung C-1 zugeführt wird, die in die Zufuhrleitung der Anodenspannung der Röhre eingeschaltet ist. Dementsprechend ist die der Röntgenröhre zugeführte Arbeitsspannung immer so groß, daß die Strahlenintensität bei dem DetektorD-l auf einem Wert gehalten wird, der sich von der Strahlenintensität beim DetektorD-2 um den Faktor K unterscheidet, der das Empfindlichkeitsverhältnis der Detektoren D-1 und D-2 wiedergibt.
Die Detektoren D-2 und D-3 werden dazu verwendet, das absolute Niveau der Röntgenintensität, wie sie von der Strahlenquelle geliefert wird, zu regeln, so daß die Ausgangsspannung eines der beiden Detektoren in einer Beziehung zur Dicke oder Dichte des Meßobjektes X steht. Die Intensität der ausgesandten Strahlung wird so geregelt, daß die Differenz der Intensitätshöhen, wie sie von den Detektoren D-2 und D-3 gemessen wird, auf beiden Seiten des festen Absorbers F konstant gehalten wird. Die Strahlungsintensität am Detektor D-3 ist geringer als die Intensität am Detektor D-2. Wenn die Ausbeute der strahlenerzeugenden Röhre sich bei konstanter Anodenspannung verdoppeln würde, indem z. B. die Heizung der Kathode erhöht würde, dann würde sich die Differenz der von den beiden Detektoren D-2 und D-3 gelieferten Ströme I2 und I3 ebenfalls verdoppeln. Ein Differenzstrom ID wird nun in derAdditionsschaltung L2 derart zugefügt, daß die algebraische Summe des Differenzstromes 1D und des Ausgangsstromes des Detektors D-3 im wesentlichen gleich dem Ausgangsstrom des Detektors D-2 ist und daher die Summe von 12, I3 und 1D verschwindet. Jegliche Abweichung vom Wert Null liefert ein Signal zur Steuerung der Kathodenheizung über eine Regelschaltung C-2. Die Anordnung hält also die Differenz der Ströme I2 und I3 mit Hilfe der Kontrolle der Katho den anregung der strahlerzeugenden Röhre konstant.
Der feste Absorber F müßte eine relativ dünne Platte sein, damit die Änderung des Ionisationsstromes je Einheit der Dicke annähernd ein konstanter Wert ist.
Wenn die von den Detektoren D-2 und D-3 gelieferten Ströme wegen der geringen Absorption in dem dünnen festen Absorber F nur eine geringe Differenz aufweisen und diese Differenz konstant gehalten wird, dann ist die Strahlung, welche den DetektorD-2 erreicht, so groß, daß die Änderung des Stromes mit der Dicke eine feste Größe ist. Folglich ist die Ausgangsspannung des Detektors D-2 proportional der Dicke des Meßobjektes X und kann als Maß dafür betrachtet werden. Da der von dem Detektor D-1 gelieferte Strom gleich dem von Detektor D-2 gelieferten ist, kann ein Meßgerät G zugeschaltet werden, welches den von Detektor D-1 gelieferten Strom mißt und die Dicke anzeigt.
Die folgenden Gleichungen zeigen, daß das Ansprechen des Systems eine lineare Beziehung zwischen der Dichte oder Dicke des MeßobjektesX und dem Ausgangsstrom eines der beiden Detektoren D-1 und D-2 liefert: Im allgemeinen Fall gilt, wenn 1o der Ausgangsstrom eines unmittelbar den von einer Quelle kommenden Strahlen ausgesetzten Detektors und 1 der Ausgangsstrom eines identischen Detektors, der Strahlen ausgesetzt ist, die von einer Quelle aus einem Absorber der Dicke X mit einem Absorptionskoeffizienten u durchlaufen, I=I0e-yX (1) 1 = 1o (1 - X), (2) wobei MX gegen Null geht. dl O nach Differentiation.
Differentiation Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung ist IjI e1 1 (4) K da durch Rückkopplung I1I2 = 0. x=-(-lnK) (5) 12 - 13 1D, (s6) eine Konstante, da durch Rückkopplung I2(I3+ID)=0 (13 - 12) = -[tI2, (7) F da die Gleichung (3) wegen der Dünne von F gilt.
Io I2F indem (6) in (7) einsetzt und nach ,u auflöst.
X = (- ln K) F12, (9) 1D indem man (8) in (5) einsetzt.
I2 und I1 sind also lineare Funktionen von X.
Wie die Fig. 2 zeigt, können die Detektoren D-1, D-2 und D-3 derart angeordnet sein, daß der erste Detektor wie in der Ausführung der Fig. 1 die Strahlung direkt von der Strahlenquelle erhält und der zweite und dritte Detektor Strahlen ausgesetzt sind, die das Meßobjekt bzw. den festen Absorber F durchlaufen haben, während ansonsten das Meßsystem dem in Fig. 1 gezeigten gleicht.
Das abgewandelte System der Fig. 2 arbeitet in gleicher Weise wie das System von Fig. 1, da kein funktioneller Unterschied bei der Verwendung der Detektoren D-1 und D-2 besteht, und die Differenz der Ausgangsgrößen von D-1 und D-3 kann an Stelle der Differenz zwischen D-2 und D-3 in Fig. 1 benutzt werden, da die Strahlungsintensität einfach K-mal so groß ist.
Bei der Entwicklung der Erfindung wurde gefunden, daß unter normalen Bedingungen die Kathodenheizung der strahlenerzeugenden Röhre konstant bleibt und daß ein Meßsystem, welches nur die ersten beiden Detektoren D-1 und D-2 enthält, eine äußerst einfache Meßvorrichtung für die Dichte oder die Dicke eines Meßobjektes darstellt. Dementsprechend kann das Meßsystem der Erfindung in der in Fig. 3 gezeigten Weise vereinfacht werden. Dabei wird der dritte Detektor D-3 und der feste Absorber F beseitigt, während ihre Funktionen im wesentlichen durch einen Regler C-2 durchgeführt werden, der die Kathodenheizung der strahlenerzeugenden Röhre auf Grund von Änderungen des in der Röhre fließenden Anodenstromes regelt, der ja eine Funktion der Intensität der emittierten Strahlen ist.
Der Hauptunterschied zwischen dem System der Fig. 3 und dem in Fig. 1 und 2 gezeigten System beruht in der Vorrichtung und dem Verfahren, mit deren Hilfe man ein Kontrollsignal für die Steuerung der Kathodenheizung in der strahlenerzeugenden Röhre erhält. Man mißt das an einem in dem Anodenkreis liegenden Widerstand herrschende Potential und vergleicht diese Spannung mit einer geeigneten Bezugsspannung, die in dem Regler C-2 für die Kathodenheizung eingebaut sein kann.
Die drei Veränderlichen, welche in dem System mit drei Detektoren (Fig. 1) gemessen werden, werden gleichfalls in dem Zweidetektorsystem (Fig. 3) gemessen.
In dem Zweidetektorsystem der Fig. 3 wird jedoch an Stelle der Dämpfung des Strahles durch einen festen Absorber F als Maß für den Strom in der Röntgenröhre der Anodenstrom der Röhre selbst gemessen und benutzt, um die Kathodenheizung zu regeln.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Meßverfahren zur Bestimmung der Dichte oder Dicke eines Meßobjektes, bei welchem von einer Röntgenröhre ein Bündel von Röntgenstrahlen durch das Objekt geschickt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Signale erzeugt werden, die dem gemessenen Durchdringungsvermögen des Strahles vor und nach dem Durchgang durch das Meßobjekt entsprechen, daß ferner das Durchdringungsvermögen der Strahlung in Abhängigkeit von dem Verhältnis dieser beiden Signale gesteuert wird und daß die Kathodenheizung der Röhre so geregelt wird, daß die Intensität der ausgesandten Strahlung nach dem Durchgang durch das Meßobjekt konstant ist, wodurch die ausgesandte Strahlintensität der Dicke oder Dichte des Meßobjektes proportional wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einem von den beiden Intensitätssignalen abgeleiteten Regelsignal die an die Röhre angelegte Anodenspannung und damit entsprechend das Durchdnngungsvermögen der Strahlung geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenheizung entsprechend den Änderungen des Anodenstromes geregelt wird, um dadurch eine konstante Strahlenintensität zu erhalten, so daß Änderungen des Durchdringungsvermögens der Dicke oder Dichte des Meßobjektes proportional sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenheizung der Röhre gemäß einem zweiten Steuersignal in Übereinstimmung mit Abweichung von einem gewählten Niveauunterschied der Intensität des Strahles vor und nach dem Durchgang durch einen festen Absorber gesteuert wird.
5. Strahlenabsorptionsmeßsystem mit einer Röntgenröhre, die eine Anode und eine Kathode enthält, welche zu einer veränderlichen Elektronenemission angeregt werden kann, gekennzeichnet durch primäre Strahlendetektoren, die so angeordnet sind, daß sie die Strahlen direkt vor bzw. nach ihrem Durchgang durch ein Meßobjekt aufnehmen und ein entsprechendes Detektorsignal liefern, durch eine Vorrichtung, welche entsprechend dem Verhältnis der Detektorsignale ein Steuersignal erzeugt, durch eine Vorrichtung, die der Röhre ein Anoden-Kathoden-Potential zuführt, das sich in Übereinstimmung mit dem Steuersignal ändert, und durch eine Vorrichtung zur Messung eines der beiden Detektorsignale.
6. Strahlenabsorptionsmeßsystem nach Anspruch 5 mit einer Vorrichtung für die Regelung der Kathodenheizung gemäß der absoluten Strahlintensität.
7. Meßsystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die Kathodenheizung in Übereinstimmung mit Änderungen des Anodenstromes der Röhre regelt.
8. Meßsystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur fortlaufenden Erzeugung eines sekundären Steuersignals entsprechend dem Anodenstrom in der Röhre und eine Vorrichtung zur Regelung der Kathodenheizung in Übereinstimmung mit diesem sekundären Steuersignal.
9. Meßsystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zweiten Strahlendetektor, der so angeordnet ist, daß er die von der Röhre ausgehenden Strahlen nach ihrem Durchgang durch ein Meßobjekt und einen festen Absorber aufnimmt und ein entsprechendes Ansprechsignal liefert, durch eine Vorrichtung zur Ableitung eines sekundären Steuersignals aus den Detektorsignalen dieses zweiten und eines der beiden primären Detektoren und durch eine Vorrichtung zur Regelung der Kathodenheizung in Übereinstimmung mit dem sekundären Steuersignal.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem sekundären Detektor und einem der primären Detektoren erzeugten Signale mit entgegengesetztem Vorzeichen an eine Summierschaltung angelegt werden, um das sekundäre Steuersignal zu erhalten.
11. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Detektoren erzeugten Signale mit entgegengesetztem Vorzeichen an eine Summierschaltung angelegt werden, um das Steuersignal zu erzeugen.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA. -Patentschriften Nr. 2 723 350, 2 549402.