DE19726884C1

DE19726884C1 - Fiberoptische Röntgenkamera

Info

Publication number: DE19726884C1
Application number: DE19726884A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Schmitt; Randolf Dr Hanke; Norbert Dr Bauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: DE19825610C1; DE59800394D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die industrielle und medizinische Radioskopie (Röntgeninspektion) und insbe sondere auf eine fiberoptische Röntgenkamera, die aufgrund ihres Aufbaus für den Einsatz unter einer hohen Strahlenbe lastung geeignet ist. Diese Eigenschaft ist für viele indu strielle Anwendungen von Bedeutung, bei denen herkömmliche Röntgenkameras keine ausreichende Standzeit aufweisen.

In Fig. 2 ist eine typische fiberoptische Röntgenkamera dar gestellt, die aus einer Szintillatorvorrichtung 20, einer Fiberoptik 22 und einem Halbleitersensor 24 aufgebaut ist. Der Halbleitersensor 24 besteht im allgemeinen aus CCD-Sen soren oder Photodiodenarrays. Die Szintillatorvorrichtung 20 wandelt eine auf die Röntgenkamera treffende Röntgenstrah lung 26, die beispielsweise ein zu untersuchendes Objekt 28 passiert hat, in sichtbares Licht um, woraufhin die Fiberop tik 22 das in der Szintillatorvorrichtung 20 entstehende Licht auf den Sensor 24 führt, der für die ortsauflösende Erfassung des Lichtes sorgt. Die Fiberoptik 22 ersetzt hier bei eine herkömmliche Linsenoptik, da die Fiberoptik 22 ge genüber einer herkömmlichen Linsenoptik einen wesentlich ge ringeren Lichtverlust aufweist, wodurch die Empfindlichkeit einer fiberoptischen Röntgenkamera wesentlich höher ist als diejenige einer mit einer Linsenoptik aufgebauten Kamera.

Fiberoptische Röntgenkameras können vorteilhaft bei allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine kompakte Bau weise oder eine hohe Ortsauflösung erforderlich ist. Die Fi beroptik 22 kann, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, als soge nannter Taper ausgeführt sein, bei dem das Eingangsfenster auf ein kleineres Ausgangsfenster abgebildet ist.

Fiberoptische Röntgenkameras haben jedoch aufgrund ihrer re lativ kurzen Lebensdauer bei hoher Strahlenbelastung für in dustrielle Anwendungen noch keine Bedeutung erlangt.

Der Grund für die geringe Lebensdauer dieses Kameratyps un ter hoher Strahlenbelastung liegt darin, daß die Röntgen strahlung 26 nur zum Teil von der Szintillatorvorrichtung 20 absorbiert wird, wobei die durchgehende Strahlung in die Fi beroptik 22 gelangt und dort Elektronen verlagert. Diese Elektronen erzeugen im Isolatormaterial, üblicherweise Glas, aus dem die Fiberoptik 22 hergestellt ist, Farbzentren, wo durch sich die Fiberoptik 22 braun verfärbt und immer weni ger Licht von der Szintillatorvorrichtung 20 den Halbleiter sensor 24 erreicht. Bei einer Strahlendosis von typischer weise 100 kRad wird die Kamera unbrauchbar. Bei industriel len Anwendungen kann diese Dosis bereits innerhalb weniger Stunden oder Tage erreicht sein. Gemäß dem Stand der Technik war es notwendig, derart verschlechterte Fiberoptiken ent weder auszutauschen oder während einer langen Betriebsunter brechung auszuheizen.

Die US-5594253 offenbart eine hybride luminiszente Vorrich tung zum Umwandeln von ionisierender und durchdringender Energie, wie z. B. Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen, Neutro nen, Ionen, Elektronen und dergleichen, in sichtbares Licht für Anzeigeanwendungen, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12. Die hybride luminiszente Vorrichtung umfaßt einen Phosphorschirm, der auf einer Eintrittsoberfläche eines Fiberoptikszintillators angeordnet ist, der wiederum mit einer Kamera oder einem entsprechenden Aufzeichnungsmedium abnehmbar gekoppelt sein kann.

Die JP 9-90039 A offenbart einen fiberoptischen Strahlungs sensor, der eine optische Faser verwendet, die durch Be schichten eines Kerns mit einer Ummantelungsschicht gebildet ist, und die Strahlungsdosis in der Umgebung der Faser mißt, indem der Lichtausbreitungsverlust der Faser erfaßt wird, der auftritt, wenn Defekte in dem Glas, aus dem die Faser gebildet ist, durch Gamma-Strahlen hervorgerufen werden, die in der Umgebung der Faser vorhanden sind. Ein Loch, das in der Längsrichtung der Faser verläuft, ist durch die Ummante lungsschicht der Faser gebildet, wobei ein Metalldraht, der Wärme erzeugt, wenn der Draht erregt wird, durch das Loch geführt ist, so daß die Defekte in dem Kern und dem Glas in der Nähe des Kerns wirksam ausgeheilt werden können, wenn der Draht erregt wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine fiberoptische Röntgenkamera zu schaffen, die eine verbesserte und dauer hafte Erfassung von Röntgenstrahlung ermöglicht.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, ein Verfahren zur verbesserten und dauerhaften Erfassung von Röntgenstrahlung zu schaffen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Vor richtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß Anspruch 12 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Er fassung von Röntgenstrahlung, die einen Szintillator zum Um wandeln einer auf denselben einfallenden Röntgenstrahlung in Licht, eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung des durch den Szintillator erzeugten Lichts, und eine Fiberoptik zum Führen des durch den Szintillator erzeugten Lichts zu der Erfassungseinrichtung aufweist. Die Vorrichtung weist ferner eine Heizeinrichtung zum Erwärmen zumindest eines Abschnitts der Fiberoptik auf eine vordefinierte Temperatur während des Erfassens der Röntgenstrahlung auf.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlung, das folgende Schritte auf weist; Umwandeln einer auf einen Szintillator einfallenden Röntgenstrahlung in Licht, Erfassen des durch den Szintilla tor erzeugten Lichts mittels einer Erfassungseinrichtung und Führen des durch den Szintillator erzeugten Lichts zu der Erfassungseinrichtung mittels einer Fiberoptik. Das Verfah ren weist ferner den Schritt des Erwärmens zumindest eines Abschnitts der Fiberoptik auf eine vordefinierte Temperatur während des Erfassens der Röntgenstrahlung mittels einer Heizeinrichtung auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die beschriebenen Probleme bei einem Einsatz einer fi beroptischen Röntgenkamera insbesondere unter einer hohen Strahlenbelastung beseitigt werden können, indem zumindest ein Teil der Faseroptik während des Erfassens von Röntgen strahlung auf eine vordefinierte Temperatur erwärmt wird, bei der eine Abbaurate v_f- von Farbzentren größer oder gleich der Erzeugungsrate v_f+ von Farbzentren ist. Aufgrund dessen wird während des Betriebs der Röntgenkamera die Er zeugung von Farbzentren größtenteils vermieden, wodurch eine Verfärbung der Fiberoptik verhindert wird.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, daß ein Austauschen der Fiberoptik bzw. ein mit einer Be triebsunterbrechung verbundenes Ausheizen der Fiberoptik ganz entfällt oder zumindest erst nach einem erheblich län geren Betrieb als bisher erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil der nachfolgend beschriebenen Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, daß eine we sentlich verbesserte Standzeit der fiberoptischen Röntgenka mera unter erhöhter Strahlenbelastung ermöglicht ist. Die erhöhte Standzeit ermöglicht erstmals den Einsatz dieses Röntgenkameratyps unter industriellen Bedingungen.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer fiberoptischen Rönt genkamera gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 schematisch den Aufbau einer bekannten Röntgenin spektionsanlage mit einer fiberoptischen Röntgenka mera.

Anhand von Fig. 1 wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben.

Ein Szintillator 10 ist an einem Ende einer Fiberoptik 12 angeordnet, während an dem anderen Ende der Fiberoptik 12 eine Erfassungseinrichtung 14 angeordnet ist. Die Fiberoptik 12 ist aus einem Bündel einer Vielzahl von Glasfasern aufge baut. Um den Szintillator 10 und um zumindest einen Ab schnitt der Fiberoptik 12 ist bei dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel eine Halterung 16 angeordnet. In der Halterung 16 sind mehrere Heizdrähte 18 vorgesehen, die während des Erfassens von Röntgenstrahlung mittels der fiberoptischen Röntgenkamera den benachbart zu dem Szintillator 10 angeord neten Teil der Fiberoptik 12 erwärmen.

Der Szintillator 10 kann beispielsweise entweder als Szin tillatorschicht ausgebildet oder durch Dotieren der End abschnitte, z. B. mit Erbium, in den einzelnen Faserenden der Fiberoptik 12 eingebacken sein.

Die beim unbeheizten Betrieb von Fiberoptiken auftretende strahlungsbedingte Verfärbung derselben kann durch mehrtägi ges Heizen der Fiberoptik auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 150°C größtenteils rückgängig gemacht werden. Der Grund hierfür besteht darin, daß die durch die Röntgenstrah lung verlagerten Elektronen bei solchen Temperaturen eine höhere Beweglichkeit erhalten und dadurch die Rekombinati onsrate, d. h. die Rate, mit der Farbzentren abgebaut wer den, anwächst.

Durch die Röntgenstrahlung, die durch den Szintillator in die Fiberoptik eindringt, werden Farbzentren mit einer Rate v_f+, die vom Strahlungsspektrum und von der Dosis abhängt, erzeugt. Die vorliegende Erfindung basiert nun darauf, daß diese erzeugten Farbzentren durch ein Heizen der Fiberoptik 12 während des Betriebs der Röntgenkamera abgebaut werden können. Dabei werden die Farbzentren bei einer Erwärmung der Fiberoptik 12 auf eine Temperatur T mit einer Rate von v_f- abgebaut.

Somit kann ein Abbau der erzeugten Farbzentren erreicht wer den, indem die Fiberoptik 12 während des Betriebs der Rönt genkamera auf einer Temperatur T gehalten wird, bei der die Rate v_f+ für die Erzeugung der Farbzentren kleiner oder gleich der Rate v_f- für den Abbau der Farbzentren ist. Die hierfür erforderliche Temperatur hängt naturgemäß vom Rönt genspektrum und von der Dosisleistung ab, die auf die Rönt genkamera gelangt. Bei derzeit typischerweise für industri elle Anwendungen verwendeten Spektren und Dosen zeigt sich eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 150°C als ausrei chend.

Da die Strahlenbelastung der Fiberoptik 12 durch Absorption der Röntgenstrahlung mit wachsender Materialdicke abnimmt, kann es ausreichend sein, die Fiberoptik 12 wie bei dem dar gestellten Ausführungsbeispiel nur auf der dem Szintillator 10 zugewandten Seite zu beheizen, während die der Erfas sungseinrichtung 14, d. h. dem Sensor, zugewandte Seite bei spielsweise auf Raumtemperatur gehalten wird. Alternativ kann anwendungsabhängig die gesamte Faseroptik beheizt wer den, wobei ein Temperaturgradient von dem Szintillator zu dem Sensor verwendet werden kann.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau einer fiberoptischen Röntgenkamera erfolgt die Heizung der Fiberoptik 12 über isolierte Heizdrähte 18 einer beheizbaren Halterung 16, die eine elektrische Widerstandsheizung bilden, wobei nur der vordere Teil der Fiberoptik 12 beheizt wird, um eine zu starke Erwärmung der Erfassungseinrichtung 14 zu vermeiden. Diese Anordnung ist bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen die Röntgenstrahlung eine Energie im Bereich von ca. 50- 150 keV aufweist, da in diesem Fall die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung in die Fiberoptik im Bereich von einigen Millimetern bis Zentimetern liegt. Sofern es erforderlich ist, kann die Erfassungseinrichtung rückseitig, z. B. durch einen Peltier-Kühlelement (nicht gezeigt), gekühlt werden. Dies kann beispielsweise bei Erfassungseinrichtungen mit ei nem mit der Temperatur stark zunehmenden Dunkelsignal not wendig sein, z. B. bei CCD-Sensoren.

Alternativ zu dem in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Aus führungsbeispiel existiert eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Fiberoptik zu heizen. Beispielsweise kann die Fiberoptik zum Teil oder vollständig in ein geheiztes Gehäuse eingebaut sein, wobei die Heizung der Fiberoptik dann ebenfalls durch eine Wärmeleitung hervorgerufen wird.

Darüberhinaus sind jedoch neben der Heizung durch Wärmelei tung weitere, sich davon unterscheidende Ausführungsformen für die Heizung der Fiberoptik realisierbar, die auf einer Konvektion oder einer Strahlung basieren.

Beispielsweise kann die Fiberoptik derart in einem Gehäuse angeordnet sein, daß um die Fiberoptik ein abgeschlossenes Luft- bzw. Gasvolumen entsteht. Die Heizung erfolgt dann durch Erwärmen der eingeschlossenen Luft, bzw. eines geeig neten Schutzgases, wobei die Heizung der Fiberoptik durch Konvektion hervorgerufen wird.

Die Vorderseite der Fiberoptik könnte ferner direkt mittels einer Strahlung, z. B. einer Infrarotstrahlung, aufgeheizt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung, mit fol genden Merkmalen:
einem Szintillator (10) zum Umwandeln einer auf densel ben einfallenden Röntgenstrahlung in Licht;
einer Erfassungseinrichtung (14) zur Erfassung des durch den Szintillator (10) erzeugten Lichts; und
einer Fiberoptik (12) zum Führen des durch den Szintil lator (10) erzeugten Lichts zu der Erfassungseinrichtung (14),
gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (18) zum Erwärmen zumindest eines Abschnitts der Fiberoptik (12) auf eine vordefinierte Temperatur während des Erfassens der Röntgenstrahlung.

2. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß An spruch 1, bei der die vordefinierte Temperatur einer Temperatur entspricht, bei der eine Abbaurate (v_f-) von während des Empfangs der Röntgenstrahlung in der Fiber optik (12) erzeugten Farbzentren gleich oder größer ist als eine Erzeugungsrate (v_f+) der Farbzentren.

3. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß An spruch 1 oder 2, bei der die vordefinierte Temperatur zwischen 100°C und 150°C liegt.

4. Vorrichtung zur Erfassung der Röntgenstrahlung gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Heizeinrichtung durch ein geheiztes Gehäuse gebildet ist, in das zumin dest ein Teil der Fiberoptik (12) gehäust ist.

5. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Heizeinrichtung durch eine beheizte ringförmige Halterung (16) zum Hal ten der Fiberoptik (12) gebildet ist.

6. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zumindest ein Teil der Fiberoptik (12) in einem abgeschlossenen Luftvolumen angeordnet ist, wobei die Fiberoptik (12) durch eine Er wärmung der in dem Luftvolumen enthaltenen Luft erwärmt wird.

7. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Heizeinrichtung durch eine Strahlungseinrichtung zum Bestrahlen zumin dest eines Teils der Fiberoptik (12) gebildet ist.

8. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß An spruch 7, bei der die Strahlungseinrichtung eine Infra rotstrahlungseinrichtung ist.

9. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Erfassungsein richtung (14) zur Erfassung des Lichts durch einen Halb leitersensor gebildet ist.

10. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Halbleitersensor durch ein Halbleitersensorarray gebildet ist.

11. Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 10, bei der durch die Heizein richtung (18) der zu dem Szintillator (10) benachbarte Teil der Fiberoptik (12) erwärmt wird.

12. Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlung mit folgen den Schritten:
Umwandeln einer Röntgenstrahlung in Licht mittels eines Szintillators (10);
Erfassen des durch den Szintillator (10) erzeugten Lichts mittels einer Erfassungseinrichtung (14); und
Führen des durch den Szintillator (10) erzeugten Lichts zu der Erfassungseinrichtung (14) mittels einer Fiberop tik (12);
gekennzeichnet durch den folgenden Schritt des
Erwärmens zumindest eines Abschnitts der Fiberoptik (12) auf eine vordefinierte Temperatur während des Erfassens der Röntgenstrahlung mittels einer Heizeinrichtung (18).

13. Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß An spruch 12, bei dem die vordefinierte Temperatur einer Temperatur entspricht, bei der eine Abbaurate (v_f-) von während des Empfangs der Röntgenstrahlung in der Fiber optik (12) erzeugten Farbzentren gleich oder größer ist als eine Erzeugungsrate (v_f+) der Farbzentren.

14. Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlung gemäß An spruch 12 oder 13, bei dem der zu dem Szintillator (10) benachbarte Abschnitt der Fiberoptik (12) erwärmt wird.