DE19825610C1 - Fiber optic x-ray camera - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die industrielle und medizinische Radioskopie (Röntgeninspektion) und insbe sondere auf eine fiberoptische Röntgenkamera gemäß dem Hauptpatent 197 26 884, die aufgrund ihres Aufbaus für den Einsatz unter einer hohen Strahlenbelastung geeignet ist. Diese Eigenschaft ist für viele industrielle Anwendun gen von Bedeutung, bei denen herkömmliche Röntgenkameras keine ausreichende Standzeit aufweisen.The present invention relates to industrial and medical radioscopy (x-ray inspection) and esp special to a fiber optic X-ray camera according to the Main patent 197 26 884, which due to its structure for suitable for use under high radiation levels is. This property is for many industrial applications gene, where conventional X-ray cameras do not have sufficient service life.
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.In Fig. 2, a typical fiber-optic X-ray camera is shown, which is composed of a scintillator device 20 , a fiber optic 22 and a semiconductor sensor 24 . The semiconductor sensor 24 generally consists of CCD sensors or photodiode arrays. The scintillator device 20 converts an x-ray beam 26 striking the x-ray camera, which has passed, for example, an object 28 to be examined, into visible light, whereupon the fiber optics 22 guides the light produced in the scintillator device 20 to the sensor 24 , which is responsible for the spatially resolving Detection of light ensures. The fiber optic 22 replaces a conventional lens optic here, since the fiber optic 22 has a significantly lower light loss compared to a conventional lens optic, whereby the sensitivity of a fiber-optic X-ray camera is significantly higher than that of a camera constructed with a lens optic.
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. Fiber-optic X-ray cameras can be used advantageously in all applications where a compact design or a high spatial resolution is required. The fi optics 22 , as shown in FIG. 2, can be designed as a so-called taper, in which the input window is mapped to a smaller output window.
Fiberoptische Röntgenkameras haben jedoch aufgrund ihrer re lativ kurzen Lebensdauer bei hoher Strahlenbelastung für in dustrielle Anwendungen noch keine Bedeutung erlangt.However, fiber optic x-ray cameras have due to their re relatively short lifespan with high radiation exposure for in industrial applications have gained no importance.
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.The reason for the short lifespan of this type of camera under high radiation exposure is that the X-ray radiation 26 is only partially absorbed by the scintillator device 20 , the continuous radiation reaching the optical system 22 and displacing electrons there. These electrons produce in the insulator material, usually glass, from which the fiber optics 22 are made, color centers, where the fiber optics 22 discolors brown and less and less light from the scintillator device 20 reaches the semiconductor sensor 24 . With a radiation dose of typically 100 kRad, the camera becomes unusable. In industrial applications, this dose can be reached within a few hours or days. According to the prior art, it was necessary either to replace such deteriorated fiber optics or to heat them up during a long interruption in operation.
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 gemäß dem Hauptpatent 197 26 884. 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.US 5594253 discloses a hybrid luminous device device for converting ionizing and penetrating Energy such as B. X-rays, gamma rays, neutro NEN, ions, electrons and the like, in visible light for display applications, according to the preambles of the claims 1 and 12 according to the main patent 197 26 884. The hybrid Luminous device includes a phosphor screen that on an entry surface of a fiber optic scintillator is arranged, which in turn with a camera or corresponding recording medium can be detachably coupled can.
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.JP 9-90039 A discloses a fiber optic radiation sensor using an optical fiber by Be layers of a core are formed with a cladding layer and measures the radiation dose around the fiber, by detecting the loss of light propagation of the fiber which occurs when defects in the glass from which the fiber is formed, caused by gamma rays that are present in the vicinity of the fiber. A hole that in the longitudinal direction of the fiber is through the sheath tion layer of fiber formed, using a metal wire, the Heat is generated through the hole when the wire is excited is guided so that the defects in the core and the glass in near the core can be effectively cured if the wire is excited.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 daher die Aufgabe zu grunde, eine fiberoptische Röntgenkamera zu schaffen, die eine verbesserte und dauerhafte Erfassung von Röntgenstrah lung ermöglicht.The invention is based on this prior art according to the main patent 197 26 884 therefore the task reasons to create a fiber optic X-ray camera that an improved and permanent detection of X-rays enables.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 besteht darin, ein Verfahren zur verbesserten und dauerhaften Erfassung von Röntgenstrahlung zu schaffen.Another object of the invention according to the main patent 197 26 884 is a method for improving and create permanent detection of X-rays.
Die Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 schafft eine Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung, die einen Szintillator zum Umwandeln einer auf denselben einfal lenden 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 vordefi nierte Temperatur während des Erfassens der Röntgenstrahlung auf.The invention according to the main patent 197 26 884 creates a device for detecting X-rays, the a scintillator to convert one to the same lumens x-rays in light, a detection device to detect the light generated by the scintillator, and fiber optics for guiding it through the scintillator generated light to the detection device. The The device also has a heating device for heating at least a section of fiber optics on a predefi temperature during the acquisition of the X-rays on.
Die Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 schafft ferner ein Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlung, das folgende Schritte aufweist; Umwandeln einer auf einen Szin tillator einfallenden Röntgenstrahlung in Licht, Erfassen des durch den Szintillator erzeugten Lichts mittels einer Erfassungseinrichtung und Führen des durch den Szintillator erzeugten Lichts zu der Erfassungseinrichtung mittels einer Fiberoptik. Das Verfahren weist ferner den Schritt des Er wärmens zumindest eines Abschnitts der Fiberoptik auf eine vordefinierte Temperatur während des Erfassens der Röntgen strahlung mittels einer Heizeinrichtung auf.The invention according to the main patent 197 26 884 creates also a method for detecting X-rays, the comprises the following steps; Convert one to a Szin tillator incident x-rays in light, detecting of the light generated by the scintillator using a Detection device and guiding the through the scintillator generated light to the detection device by means of a Fiber optics. The method also includes the step of Er warming at least a portion of the fiber optics onto a predefined temperature during the acquisition of the x-ray radiation by means of a heating device.
Der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die beschriebenen Probleme bei ei nem Einsatz einer fiberoptischen Röntgenkamera insbesondere unter einer hohen Strahlenbelastung beseitigt werden können, indem zumindest ein Teil der Fiberoptik während des Erfas sens von Röntgenstrahlung auf eine vordefinierte Temperatur erwärmt wird, bei der eine Abbaurate vf- von Farbzentren größer oder gleich der Erzeugungsrate vf+ von Farbzentren ist. Aufgrund dessen wird während des Betriebs der Röntgen kamera die Erzeugung von Farbzentren größtenteils vermieden, wodurch eine Verfärbung der Fiberoptik verhindert wird.The invention according to the main patent 197 26 884 is based on the knowledge that the problems described can be eliminated when using a fiber-optic X-ray camera, in particular under a high radiation exposure, by heating at least part of the fiber optics to a predefined temperature during the detection of X-rays at which a degradation rate v f- of color centers is greater than or equal to the generation rate v f + of color centers. Because of this, the generation of color centers is largely avoided during operation of the X-ray camera, thereby preventing discoloration of the fiber optics.
Ein Vorteil der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 besteht daher darin, daß ein Austauschen der Fiberoptik bzw. ein mit einer Betriebsunterbrechung verbundenes Aushei zen der Fiberoptik ganz entfällt oder zumindest erst nach einem erheblich längeren Betrieb als bisher erforderlich ist.An advantage of the invention according to the main patent 197 26 884 therefore consists in replacing the fiber optics or an interruption associated with a business interruption zen of the fiber optics completely or at least only after considerably longer operation than previously required is.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 besteht darin, daß eine wesentlich verbesserte Standzeit der fiberoptischen Röntgenkamera unter erhöhter Strahlenbelastung ermöglicht ist. Die erhöhte Standzeit er möglicht erstmals den Einsatz dieses Röntgenkameratyps unter industriellen Bedingungen.Another advantage of the invention according to the main patent 197 26 884 is that a much improved Service life of the fiber-optic X-ray camera under increased Radiation exposure is enabled. The increased service life he enables the use of this type of X-ray camera for the first time industrial conditions.
Die in der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 be schriebene Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenstrahlung bzw. das Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlen weist während des Betriebs der fiberoptischen Röntgenkamera, d. h. vor allem beim Heizen der Fiberoptik, einige Nachteile auf. The be in the invention according to the main patent 197 26 884 Written device for detecting X-rays or the method for detecting X-rays during the operation of the fiber optic x-ray camera, d. H. especially when heating fiber optics, some disadvantages.
Ein direkt an die Fiberoptik gekoppelter Sensor ist während des Betriebs der fiberoptischen Röntgenkamera aufgrund der starken Erwärmung der Fiberoptik einer hohen Temperatur aus gesetzt. Diese hohe Temperatur verursacht in dem Sensor ein hohes Dunkelsignal, was zu einer verschlechterten Bildquali tät und einer geringeren Dynamik der Röntgenkamera fügt.A sensor coupled directly to the fiber optics is in progress the operation of the fiber optic X-ray camera due to the strong heating of the fiber optics from a high temperature set. This high temperature causes in the sensor high dark signal, resulting in deteriorated image quality low dynamic range of the X-ray camera.
In der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Fiberoptik auf der dem Sensor zugewandten Seite gekühlt wird. Ein Nachteil die ser Lösung besteht jedoch darin, daß aufgrund der sich erge benden inhomogenen Temperaturverteilung in der Fiberoptik hohe mechanische Spannungen zu erwarten sind, die zur Bil dung von Rissen und damit zu einer Beschädigung der Fiberop tik führen können.In the invention according to the main patent 197 26 884 solved this problem in that the fiber optics on the the side facing the sensor is cooled. One downside However, this solution is that due to the erge inhomogeneous temperature distribution in fiber optics high mechanical stresses are to be expected, which lead to bil formation of cracks and thus damage to the fiberop tik can lead.
Diese inhomogene Temperaturverteilung in der Fiberoptik hat einen weiteren Nachteil der fiberoptischen Röntgenkamera ge mäß dem Hauptpatent 197 26 884 zur Folge, der darin be steht, daß bei einem ungünstigen Verhältnis Durchmesser/Län ge der Fiberoptik die stark inhomogene Temperaturverteilung in der Fiberoptik außerdem eine ortsabhängige Variation der Strahlungsresistenz und damit eine unregelmäßige und be reichsweise Verfärbung der Fiberoptik verursacht.This inhomogeneous temperature distribution in fiber optics has another disadvantage of the fiber-optic X-ray camera according to the main patent 197 26 884, the be is that with an unfavorable ratio diameter / Län the highly inhomogeneous temperature distribution in fiber optics also a location-dependent variation of the Radiation resistance and thus an irregular and be causes extensive discoloration of the fiber optics.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gemäß der Zusatzan meldung besteht darin, eine verbesserte fiberoptische Rönt genkamera und ein verbessertes Verfahren zur Erfassung von Röntgenstrahlung zu schaffen, um einen dauerhaften Betrieb der fiberoptischen Röntgenkamera auch unter einer erhöhten Strahlenbelastung zu ermöglichen, wobei eine mechanische Be lastung oder eine ungleichmäßige Strahlungsresistenz der Fi beroptik aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung in der Fiberoptik vermieden wird.The object of the present invention according to the addendum message is an improved fiber optic x-ray gene camera and an improved method for capturing X-rays to create permanent operation the fiber-optic X-ray camera also under an elevated Allow radiation exposure, with a mechanical loading load or an uneven radiation resistance of the fi overoptics due to an inhomogeneous temperature distribution in fiber optics is avoided.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung gemäß der Zusatzan meldung wird durch Vorrichtung zur Erfassung von Röntgen strahlung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Er fassung von Röntgenstrahlung gemäß Anspruch 16 gelöst.This object of the present invention according to the addendum The message is generated by a device for recording X-rays radiation according to claim 1 and by a method for Er X-ray version according to claim 16 solved.
Der Erfindung gemäß der vorliegenden Zusatzanmeldung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die vor allem im Zusammenhang mit der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 be schriebenen Probleme bei dem Einsatz einer fiberoptischen Röntgenkamera insbesondere unter einer hohen Strahlenbela stung beseitigt werden können, indem die Erfassungseinrich tung (dem Sensor) räumlich getrennt von der Fiberoptik ange ordnet ist, wobei das aus der Fiberoptik austretende Licht über eine optische Einrichtung zu dem Sensor geführt wird. Da die Fiberoptik über ihrer gesamten Länge gleichförmig er wärmt werden kann, wird eine homogene Temperaturverteilung in der Fiberoptik erreicht, ohne dabei die elektronischen Eigenschaften des Sensors zu beeinflussen, wobei ferner ein schnelleres Aufheizen der gesamten Fiberoptik gegenüber der im Hauptpatent 197 26 884 beschriebenen Anordnung ermög licht wird. Außerdem wird durch die homogene Temperaturver teilung in der Fiberoptik das Auftreten von mechanischen Spannungen in dem Fiberoptikmaterial weitgehend vermieden, wodurch die mechanische Belastung der Fiberoptik und damit eine mögliche Beschädigung der Fiberoptik stark verringert wird.The invention according to the present additional application based on the knowledge that the most related with the invention according to the main patent 197 26 884 be described problems when using a fiber optic X-ray camera, especially under a high radiation load can be eliminated by the registration device device (the sensor) spatially separated from the fiber optics is arranged, whereby the light emerging from the fiber optics is guided to the sensor via an optical device. Because the fiber optics are uniform over their entire length can be warmed, there is a homogeneous temperature distribution achieved in fiber optics without losing the electronic Influencing properties of the sensor, further a faster heating of the entire fiber optic compared to the arrangement described in the main patent 197 26 884 enables light becomes. In addition, the homogeneous Temperaturver division in fiber optics the occurrence of mechanical Tensions in the fiber optic material largely avoided which causes the mechanical stress on the fiber optics and thus possible damage to the fiber optics is greatly reduced becomes.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying Drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer fiberoptischen Rönt genkamera gemäß dem Hauptpatent 197 26 884; Fig. 1 is a schematic diagram of a fiber optic X-ray camera according to the main patent 197 26 884;
Fig. 2 schematisch den Aufbau einer bekannten Röntgenin spektionsanlage mit einer fiberoptischen Röntgenka mera. Fig. 2 shows schematically the structure of a known Röntgenin inspection system with a fiber-optic Röntgenka mera.
Fig. 3 schematisch den Aufbau einer fiberoptischen Röntgen kamera gemäß dem Hauptpatent 197 26 884. Fig. 3 shows schematically the structure of a fiber optic X-ray camera according to the main patent 197 26 884.
Fig. 4 schematisch den Aufbau einer fiberoptischen Röntgen kamera gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung gemäß der Zusatzanmeldung. Fig. 4 schematically shows the structure of a fiber optic X-ray camera according to an embodiment of the vorlie invention according to the additional application.
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer fiberoptischen Rönt genkamera gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung gemäß der Zusatzanmeldung. Fig. 5 is a schematic diagram of a fiber optic X-ray camera according to an embodiment of the present invention according to the additional application.
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer fiberoptischen Rönt genkamera gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß der Zusatzanmel dung. Fig. 6 shows a schematic diagram of a fiber-optic X-ray camera according to a further embodiment of the present invention according to the additional application.
Anhand von Fig. 1 wird nun eine fiberoptische Röntgenkamera gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 näher beschrieben:A fiber-optic X-ray camera according to main patent 197 26 884 is now described in more detail with reference to FIG. 1:
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 der dargestellten fiberop tischen Röntgenkamera eine Halterung 16 angeordnet. In der Halterung 16 sind mehrere Heizdrähte 18 vorgesehen, die wäh rend des Erfassens von Röntgenstrahlung mittels der fiberop tischen Röntgenkamera den benachbart zu dem Szintillator 10 angeordneten Teil der Fiberoptik 12 erwärmen.A scintillator 10 is arranged at one end of a fiber optic 12 , while a detection device 14 is arranged at the other end of the fiber optic 12 . The fiber optics 12 is built up from a bundle of a large number of glass fibers. Around the scintillator 10 and at least a section from the fiber optics 12 , a holder 16 is arranged in the fiber optic X-ray camera shown. In the holder 16 , a plurality of heating wires 18 are provided, which heat the part of the fiber optics 12 arranged adjacent to the scintillator 10 during the detection of X-rays by means of the fiber-optic X-ray camera.
Der Szintillator 10 kann beispielsweise entweder als Szin tillatorschicht ausgebildet oder durch Dotieren der Endab schnitte, z. B. mit Erbium, in den einzelnen Faserenden der Fiberoptik 12 eingebacken sein.The scintillator 10 can, for example, either be formed as a scintillator layer or by doping the end portions, e.g. B. with erbium, be baked into the individual fiber ends of the fiber optics 12 .
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.The one that occurs during the unheated operation of fiber optics radiation-induced discoloration of the same can take several days heating the fiber optics to a temperature in the range of 100 ° C to 150 ° C can be largely reversed. Of the The reason for this is that the by the x-ray electrons shifted at such temperatures get higher mobility and thereby the recombinati onsrate, d. H. the rate at which color centers are degraded the one that grows.
Durch die Röntgenstrahlung, die durch den Szintillator in die Fiberoptik eindringt, werden Farbzentren mit einer Rate vf+, die vom Strahlungsspektrum und von der Dosis abhängt, erzeugt. Die Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 basiert nun darauf, daß diese erzeugten Farbzentren durch ein Heizen der Fiberoptik 12 während des Betriebs der Rönt genkamera abgebaut werden können. Dabei werden die Farbzen tren bei einer Erwärmung der Fiberoptik 12 auf eine Tempera tur T mit einer Rate von vf- abgebaut.The X-rays that penetrate the fiber optics through the scintillator produce color centers at a rate v f + , which depends on the radiation spectrum and the dose. The invention according to the main patent 197 26 884 is now based on the fact that these color centers generated can be reduced by heating the fiber optics 12 during operation of the X-ray camera. The color centers are broken down when the fiber optics 12 are heated to a temperature T at a rate of v f .
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 vf+ für die Erzeugung der Farbzentren kleiner oder gleich der Rate vf- 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 von Bereich von 100°C bis 150°C als ausrei chend.Thus, degradation of the color centers generated can be achieved by maintaining the fiber optics 12 during the operation of the X-ray camera at a temperature T at which the rate v f + for the generation of the color centers is less than or equal to the rate v f- for the degradation of the color centers. The temperature required for this naturally depends on the X-ray spectrum and on the dose rate that reaches the X-ray camera. With spectra and cans currently typically used for industrial applications, a temperature of 100 ° C to 150 ° C is sufficient.
Da die Strahlenbelastung der Fiberoptik 12 durch Absorption der Röntgenstrahlung mit wachsender Materialdicke abnimmt, kann es ausreichend sein, die Fiberoptik 12 wie bei der dar gestellten fiberoptischen Röntgenkamera nur auf der dem Szintillator 10 zugewandten Seite zu beheizen, während die der Erfassungseinrichtung 14, d. h. dem Sensor, zugewandte Seite beispielsweise auf Raumtemperatur gehalten wird. Al ternativ kann anwendungsabhängig die gesamte Faseroptik be heizt werden, wobei ein Temperaturgradient von dem Szintil lator zu dem Sensor verwendet werden kann. Since the radiation exposure of the fiber optics 12 decreases with increasing material thickness due to absorption of the x-rays, it may be sufficient to heat the fiber optics 12, as in the fiber optic x-ray camera shown, only on the side facing the scintillator 10 , while that of the detection device 14 , ie the sensor , facing side is kept at room temperature, for example. Alternatively, depending on the application, the entire fiber optic can be heated, wherein a temperature gradient from the scintillator to the sensor can be used.
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.In the construction of a fiber-optic X-ray camera shown in FIG. 1, the fiber optics 12 are heated via insulated heating wires 18 of a heatable holder 16 , which form an electrical resistance heater, only the front part of the fiber optics 12 being heated in order to overheat the detection device 14 to avoid. This arrangement is advantageous in applications in which the x-ray radiation has an energy in the range of approximately 50-150 keV, since in this case the depth of penetration of the x-ray radiation into the fiber optics is in the range of a few millimeters to centimeters. If it is necessary, the detection device on the back, for. B. cooled by a Peltier cooling element (not shown). This can be necessary, for example in the case of detection devices with a dark signal which increases sharply with the temperature, for. B. with CCD sensors.
Alternativ zu dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel 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 her vorgerufen wird.As an alternative to the example shown in FIG. 1, there are a multitude of possibilities for heating the fiber optics. For example, part or all of the fiber optics can be installed in a heated housing, the heating of the fiber optics then also being brought about by heat conduction.
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.In addition, however, in addition to heating by heat device further, different embodiments realizable for heating the fiber optics on a Convection or radiation based.
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 Fiberop tik könnte ferner direkt mittels einer Strahlung, z. B. ei ner Infrarotstrahlung, aufgeheizt werden. For example, the fiber optics can be in one housing be arranged to complete the fiber optics Air or gas volume arises. The heating then takes place by heating the enclosed air or a suitable one protective gas, the heating of the fiber optics by Convection is caused. The front of the fiberop tik could also directly by means of radiation, for. B. egg infrared radiation.
In Fig. 3 ist der schematische Aufbau einer fiberoptischen Röntgenkamera, wie sie oben bezugnehmend beschrieben wurde, mit einer geheizten Fiberoptik 12A und einer direkten Sen sorkopplung zur Verdeutlichung nochmals vereinfacht darge stellt.In Fig. 3, the schematic structure of a fiber-optic X-ray camera, as described above with reference, with a heated fiber optic 12 A and a direct sensor coupling for the sake of clarification again represents Darge.
Im folgenden werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gemäß der Zusatzpatentanmeldung be schrieben.Preferred embodiments of the present invention according to the additional patent application wrote.
Die im Stand der Technik beschriebenen und insbesondere be züglich der Erfindung gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 aufgeführten Probleme, d. h. hohe mechanische Spannungen in der Fiberoptik aufgrund einer stark inhomogenen Temperatur verteilung in der Fiberoptik bzw. eine inhomogene Strah lungsresistenz der Fiberoptik, sind durch die direkte Kopp lung der Fiberoptik an den Sensor bedingt. Bei der vorlie genden Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß ein Sensor (eine Erfassungseinrichtung) 34 nicht direkt mit ei ner geheizten Fiberoptik 32A gekoppelt ist, sondern die Aus gangsseite der geheizten Fiberoptik 32A über eine Linsenop tik (ein Objektiv) 36 auf den Sensor 34 abgebildet wird. Ei ne solche Anordnung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Diese Kopplungsanordnung hat zwar eine geringere Lichtemp findlichkeit der fiberoptischen Röntgenkamera zur Folge, bietet aber den Vorteil, daß die Fiberoptik homogen und schnell aufgeheizt werden kann.The problems described in the prior art and listed in particular with respect to the invention according to the main patent 197 26 884, ie high mechanical stresses in the fiber optics due to a strongly inhomogeneous temperature distribution in the fiber optics or an inhomogeneous radiation resistance of the fiber optics, are due to the direct Coupling of the fiber optics to the sensor conditionally. In the vorlie invention, this problem is solved in that a sensor (a detection device) 34 is not directly coupled to egg ner heated fiber optics 32 A, but the output side of the heated fiber optics 32 A via a lens optics (a lens) 36 on the sensor 34 is imaged. Such an arrangement is shown schematically in FIG. 4. This coupling arrangement has a lower light sensitivity of the fiber-optic X-ray camera, but offers the advantage that the fiber optics can be heated up homogeneously and quickly.
Im folgenden wird nun anhand von Fig. 5 ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel einer geheizten fiberoptischen Röntgenkame ra gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.In the following, a preferred exemplary embodiment of a heated fiber-optic X-ray camera according to the present invention is shown with reference to FIG. 5.
Ein Szintillator 30 ist an einem Ende einer Fiberoptik 32 angeordnet, während an dem anderen Ende der Fiberoptik 32 räumlich getrennt von der Fiberoptik 32 eine Erfassungsein richtung 34 angeordnet ist. Zwischen der Fiberoptik 32 und der Erfassungseinrichtung 34 ist eine optische Einrichtung 36 vorgesehen. Die Fiberoptik 32 ist aus einem Bündel einer Vielzahl von Glasfasern aufgebaut. Um den Szintillator 30 und im wesentlichen um die gesamte Fiberoptik 32 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der Zusatzanmeldung eine Halterung 38 angeordnet. In der Halterung 38 sind meh rere Heizdrähte 40 vorgesehen, die während des Erfassens von Röntgenstrahlung mittels der fiberoptischen Röntgenkamera die gesamte Fiberoptik 32 homogen erwärmen. Das aus der Fi beroptik 32 austretende Licht wird über die optische Ein richtung 36 auf die Erfassungseinrichtung 34 abgebildet.A scintillator 30 is disposed at one end of a fiber optic system 32, while the fiber optic system 32 towards a Erfassungsein is spatially separated at the other end of the fiber optic 32 is disposed 34th An optical device 36 is provided between the fiber optics 32 and the detection device 34 . The fiber optic 32 is constructed from a bundle of a large number of glass fibers. In the exemplary embodiment shown, a holder 38 is arranged around the scintillator 30 and essentially around the entire fiber optics 32 . In the holder 38 , several heating wires 40 are provided, which heat the entire fiber optics 32 homogeneously during the detection of X-rays by means of the fiber-optic X-ray camera. The light emerging from the fiber optics 32 is imaged on the detection device 34 via the optical device 36 .
Da die Erfassungseinrichtung 34 räumlich getrennt von der Fiberoptik 32 angeordnet ist, tritt keine gegenseitige stö rende thermische Beeinflussung zwischen der Erfassungsein richtung 34 und der Fiberoptik 32 auf. Während des Betriebs der fiberoptischen Röntgenkamera kann die Fiberoptik 32 folglich über ihrer gesamten Länge beheizt werden, wodurch in der Fiberoptik 32 eine im wesentlichen homogene Tempera turverteilung erreicht wird. Aufgrund dieser homogenen Tem peraturverteilung werden in der Fiberoptik 32 hohe mechani sche Spannungen vermieden, die zur Bildung von Rissen und damit zu einer Beschädigung der Fiberoptik führen können. Folglich kann das Aufheizen der Fiberoptik 32 wesentlich schneller als bei den im Stand der Technik beschriebenen An ordnungen erfolgen.Since the detection device 34 is arranged spatially separated from the fiber optics 32 , there is no mutual interfering thermal influence between the detection device 34 and the fiber optics 32 . During the operation of the fiber-optic X-ray camera, the fiber optics 32 can consequently be heated over their entire length, as a result of which an essentially homogeneous temperature distribution is achieved in the fiber optics 32 . Due to this homogeneous temperature distribution 32 high mechanical stresses are avoided in the fiber optics, which can lead to the formation of cracks and thus damage to the fiber optics. Consequently, the heating of the fiber optics 32 can take place much faster than in the arrangements described in the prior art.
Aufgrund der erreichten sehr homogenen Temperaturverteilung in der Fiberoptik 32 ergibt sich außerdem eine gleichförmige Strahlungsresistenz der Fiberoptik 32. Diese gleichförmige Strahlungsresistenz bewirkt, daß die Abbaurate vf- von Farb zentren, die größer oder gleich der Erzeugungsrate vf+ von Farbzentren in der Fiberoptik 32 ist, in dem gesamten Mate rial der Fiberoptik 32 einen einheitlichen Wert annimmt, wo durch ein ungleichmäßiger Abbau von Farbzentren und damit eine mögliche ungleichmäßige Verfärbung bestimmter Bereiche der Fiberoptik 32 vermieden wird. Dadurch wird eine Beein trächtigung der optischen Eigenschaften der Fiberoptik 32 während des Betriebs der fiberoptischen Röntgenkamera weit gehend verhindert.Due to the very homogeneous temperature distribution achieved in the fiber optics 32 , there is also a uniform radiation resistance of the fiber optics 32 . This uniform radiation resistance causes the degradation rate v f- of color centers, which is greater than or equal to the generation rate v f + of color centers in the fiber optics 32 , assumes a uniform value in the entire material of the fiber optics 32 , where due to an uneven degradation of Color centers and thus a possible uneven discoloration of certain areas of the fiber optics 32 is avoided. This largely prevents the optical properties of the fiber optics 32 from being impaired during the operation of the fiber optic X-ray camera.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung dargestellt.In Fig. 6, another embodiment of the vorlie invention is shown.
Die Anordnung des Szintillators 30, der Fiberoptik 32, der Halterung 38 und des Heizdrahtes 40 ist entsprechend der bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 dargestellten Anordnung aufgebaut und wird folglich nicht nochmals erläutert.The arrangement of the scintillator 30 , the fiber optics 32 , the holder 38 and the heating wire 40 is constructed in accordance with the arrangement shown in the embodiment of FIG. 5 and is therefore not explained again.
Im Unterschied zu dem oben bezugnehmend auf Fig. 5 beschrie benen Ausführungsbeispiel ist nun zwischen der getrennt von der Fiberoptik 32 angeordneten Erfassungseinrichtung 34 und dem Objektiv 36 zusätzlich ein Umlenkspiegel 44 vorgesehen, über den das aus der Fiberoptik 32 austretende Licht zu der getrennt von der Fiberoptik 32 angeordneten Erfassungsein richtung 34 geführt wird. Das Objektiv 36 kann jedoch auch an einer Position zwischen dem Umlenkspiegel 44 und der Er fassungseinrichtung 34 angeordnet sein (nicht dargestellt), ohne daß die Funktionsweise der Anordnung verändert wird. Ferner ist zwischen der getrennt von der Fiberoptik 32 ange ordneten Erfassungseinrichtung 34 und der Fiberoptik 32 eine Abschirmung 46 mit einer Öffnung 48 vorgesehen.In contrast to the embodiment described above with reference to FIG. 5, a deflection mirror 44 is now additionally provided between the detection device 34 arranged separately from the fiber optics 32 and the objective 36 , via which the light emerging from the fiber optics 32 is separated from the light from the fiber optics 32 arranged detection device 34 is guided. However, the lens 36 may also be arranged at a position between the deflecting mirror 44 and the detection device 34 (not shown) without the operation of the arrangement being changed. Furthermore, a shield 46 with an opening 48 is provided between the detection device 34 , which is arranged separately from the fiber optics 32 , and the fiber optics 32 .
Da ein Teil der Röntgenstrahlung bei entsprechend hoher Energie der Röntgenstrahlung die Fiberoptik 32 durchdringen und auf die Erfassungseinrichtung 34 gelangen kann, ist ent weder zwischen der Fiberoptik 34 und dem Objektiv 36 oder zwischen dem Objektiv 36 und der Erfassungseinrichtung 34 ein Umlenkspiegel 44 vorgesehen, so daß die Erfassungsein richtung 34 außerhalb des direkten Röntgenstrahls angeordnet sein kann. Die Erfassungseinrichtung 34 kann zusätzlich durch eine entsprechende Blende bzw. Abschirmung 46, die beispielsweise aus Blei gebildet ist, vor der Röntgenstrah lung geschützt werden. Die Größe der Öffnung 48 in der Ab schirmung 46 ist so gewählt, daß das aus der Fiberoptik 32 austretende Licht über das Objektiv 36, das sowohl vor als auch nach dem Umlenkspiegel 44 angeordnet sein kann, und über den Umlenkspiegel 44 ungehindert die Erfassungseinrich tung 34 erreichen kann.Since part of the x-rays can penetrate the fiber optics 32 and reach the detection device 34 at a correspondingly high energy of the x-rays, a deflection mirror 44 is provided between the fiber optics 34 and the lens 36 or between the lens 36 and the detection device 34 , so that the detection device 34 can be arranged outside the direct X-ray beam. The detection device 34 can additionally be protected from the X-ray radiation by a corresponding aperture or shield 46 , which is formed, for example, from lead. The size of the opening 48 in the shielding 46 is selected so that the light emerging from the fiber optics 32 via the lens 36 , which can be arranged both before and after the deflecting mirror 44 , and unhindered by the deflecting mirror 44, the detection device 34 can reach.
Diese erfindungsgemäße Anordnung gemäß der Zusatzanmeldung stellt sicher, daß die elektrischen Eigenschaften der Erfas sungseinrichtung 34 nicht durch die die Fiberoptik 32 durch dringende Röntgenstrahlung beeinträchtigt werden.This arrangement according to the invention according to the additional application ensures that the electrical properties of the detection device 34 are not affected by the fiber optics 32 by urgent X-rays.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mittels der vorliegenden erfindungsgemäßen fiberoptischen Röntgenkamera deutliche Verbesserungen der mechanischen, optischen und elektronischen Eigenschaften der Anordnung auch gegenüber der fiberoptischen Röntgenkamera gemäß dem Hauptpatent 197 26 884 erreicht werden, wodurch die Standzeit dieses Röntgenkameratyps bei einem Einsatz unter industriellen Be dingungen erfindungsgemäß weiter erhöht wird.In summary, it can be said that by means of present fiber-optic X-ray camera according to the invention significant improvements in mechanical, optical and electronic properties of the arrangement also opposite the fiber optic X-ray camera according to the main patent 197 26 884 can be achieved, reducing the service life of this X-ray camera types when used under industrial conditions conditions according to the invention is further increased.
Claims (22)
einem Szintillator (30) zum Umwandeln einer auf densel ben einfallenden Röntgenstrahlung in Licht;
einer Erfassungseinrichtung (34) zur Erfassung des durch den Szintillator (30) erzeugten Lichts;
einer Fiberoptik (32; 32A) zum Führen des durch den Szintillator (30) erzeugten Lichts zu der Erfassungsein richtung (34), und
einer Heizeinrichtung (40) zum Erwärmen zumindest eines Abschnitts der Fiberoptik (32; 32A) auf eine vordefi nierte Temperatur während des Erfassens der Röntgen strahlung nach dem Hauptpatent 197 26 884,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Erfassungseinrichtung (34) räumlich getrennt von der, Fiberoptik (32; 32A) angeordnet ist und zwischen der Er fassungseinrichtung (34) und der Fiberoptik (32; 32A) eine optische Einrichtung vorgesehen ist, die das von der Fiberoptik (32; 32A) austretende Licht auf die Er fassungseinrichtung (34) richtet.1. Device for detecting X-rays, with the following features:
a scintillator ( 30 ) for converting an incident X-ray radiation into light;
detection means ( 34 ) for detecting the light generated by the scintillator ( 30 );
a fiber optic ( 32 ; 32 A) for guiding the light generated by the scintillator ( 30 ) to the detection device ( 34 ), and
a heating device ( 40 ) for heating at least a section of the fiber optics ( 32 ; 32 A) to a predefined temperature during the detection of the X-ray radiation according to the main patent 197 26 884,
characterized in that
the detection device ( 34 ) is arranged spatially separate from the fiber optics ( 32 ; 32 A) and between the detection device ( 34 ) and the fiber optics ( 32 ; 32 A) an optical device is provided which detects that of the fiber optics ( 32 ; 32 A) escaping light directed to the detection device ( 34 ).
Umwandeln einer Röntgenstrahlung in Licht mittels eines Szintillators (30);
Erfassen des durch den Szintillator (30) erzeugten Lichts mittels einer Erfassungseinrichtung (34);
Führen des durch den Szintillator (30) erzeugten Lichts zu der Erfassungseinrichtung (34) mittels einer Fiberop tik (32; 32A); und
Erwärmen zumindest eines Abschnitts der Fiberoptik (32; 32A) auf eine vordefinierte Temperatur während des Er fassens der Röntgenstrahlung mittels einer Heizeinrich tung (40) nach dem Hauptpatent 197 26 884;
gekennzeichnet durch folgenden Schritt
Richten des aus der Fiberoptik (32; 32A) austretenden Lichts auf die von der Fiberoptik (32; 32A) räumlich ge trennt angeordnete Erfassungseinrichtung (34) mittels einer zwischen der Erfassungseinrichtung (34) und der Fiberoptik (32; 32A) vorgesehenen optischen Einrichtung (36, 44, 46).16. Procedure for the detection of X-rays with the following steps:
Converting x-ray radiation to light using a scintillator ( 30 );
Detecting the light generated by the scintillator ( 30 ) by means of a detection device ( 34 );
Guide the light generated by the scintillator ( 30 ) to the detection device ( 34 ) by means of a fiber optic ( 32 ; 32 A); and
Heating at least a portion of the fiber optics ( 32 ; 32 A) to a predefined temperature during the detection of the X-rays by means of a heating device ( 40 ) according to the main patent 197 26 884;
characterized by the following step
Directing from the fiber optic system (32; 32 A) emerging light to the fiber optic system (32; 32 A) spatially ge separates arranged detecting means (34) by means of a between the detection means (34) and the fiber optic system (32; 32 A) provided optical device ( 36 , 44 , 46 ).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
| AF | Is addition to no. |
Ref country code: DE Ref document number: 19726884 Format of ref document f/p: P |
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| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
| R142 | Lapse of patent of addition due to non-payment of renewal fees for parent patent |
Ref document number: 19726884 Country of ref document: DE Effective date: 20120412 |
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120222 |