Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbilden eines Objektes mittels
das Objekt durchdringender energiereicher Strahlung auf ein für die Strahlung empfindliches
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen
Patentansprüche.
Ein wichtiges, jedoch nicht ausschliessliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die
Beobachtung und Überwachung des Kristallwachstums in einem Tiegelofen während der
Züchtung von Kristallen aus der Gasphase. Infolge der dabei zur Anwendung kommenden hohen
Temperaturen sind geschlossene Tiegelöfen aus wärmebeständigem Material wie Graphit
erforderlich, die demzufolge keine direkte optische Beobachtung des wachsenden Kristalles und
der unmittelbaren Wachstumsumgebung erlauben. Die Beheizung des Tiegelofens erfolgt im
allgemeinen auf induktivem Wege mittels einer um den Ofen herumgelegten
Induktionsheizspule. Die Spule bedeutet für die Beaufschlagung des Kristalls mit einer
Röntgenstrahlung zu dessen Abbildung auf einem Röntgenfilm oder dgl. ein Hindernis, indem
das Material der Induktionsspule (z. B. Kupfer) häufig um mehrere Zehnerpotenzen stärker
strahlenabsorbierend wirkt als das Tiegel- oder Kristallmaterial und die Spulenwindungen z. B.
50% oder mehr des Objektes gegenüber einer Strahlungsquelle abzudecken vermögen. Eine
bekannte Methode (DD-45 638) zur Erzielung eines gleichmässigen Röntgenbildes trotz im
Strahlenweg vor dem abzubildenden Objekt angeordneter strahlenabsobierender Schachtblenden
besteht darin, die Schachtblenden nicht ortsfest zu halten, sondern während der
Röntgenaufnahme zu bewegen. Es wurde festgestellt, dass mit dieser Methode zwar den
Anforderungen in der Medizintechnik weitgehend entsprochen werden kann, nicht jedoch in der
Kristallzüchtungstechnologie, die höhere Auflösungen erfordert, um Objekte, deren Abbildung
durch die Gegenwart strahlenabsorbierender Induktionsspulen beeinflusst wird, zuverlässig
darstellen und auswerten zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Gattung
zu schaffen, die die Gesamtabbildung und Auswertung mit einem geeigneten
Auflösungsvermögen von mittels energiereicher Strahlung von durch strahlenabsorbierendem
Material teilweise abgedeckten Objekten auf einem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel und
eventuelle weitere messtechnische Auswertungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 5 aufgeführten alternativen
Verfahren und einer Vorrichtung gemäss dem Patentanspruch 10 in überraschend einfacher und
wirksamer Weise gelöst. Die Erfindung sieht vor, dass die auf dem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabematerial geschaffenen Abbildungen des Objekts, sei es dass diese
mit oder ohne Bewegung der strahlenabsorbierenden Bereiche erhalten wurden, mittels einer
Abtasteinrichtung nach Hell/Dunkelfeldern abgetastet werden. Dies kann mit einer gewünschten
Empfindlichkeit erfolgen und liefert gleichzeitig zur weiteren Auswertung geeignete
Aussgangssignale. Durch diese Massnahmen lassen sich insbesondere zuverlässige Aussagen
über das Wachstum von Kristallen in induktionsbeheizten Tiegelöfen während der
Wachstumsphase gewinnen, wobei die gewonnenen Signale, wenn erwünscht, zur Steuerung der
Wachstumsbedingungen im Tiegelofen herangezogen werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, die
schematisch eine Gesamtobjektabbildungsvorrichtung gemäss einer Ausführungsform der
Erfindung zeigt.
Obschon die Erfindung nachfolgend in Verbindung mit der Überwachung des Kristallwachstums
in einem Tiegelofen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf dieses
Anwendungsgebiet beschränkt ist, sondern immer dann zum Einsatz kommen kann, wenn es gilt,
ein Objekt zur Beobachtung oder sonstigen Kontrolle mittels energiereicher Strahlung auf einem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel vollständig abzubilden, obschon das Objekt gegenüber
einer Strahlungsquelle teilweise durch strahlungsabsorbierendes Material abgedeckt bzw.
abgeschirmt ist, so dass eine vollständige Objektabbildung auf dem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel nicht ohne weiteres erfolgen kann. Andere
Anwendungsgebiete sind in der medizinischen Röntgenologie, Gepäckkontrolle auf z. B.
Flughäfen, Werkstoffprüfung etc. Der Begriff "Objekt" umfasst daher jedwede Art von von
energiereicher Strahlung, insbesondere γ-oder Röntgenstrahlung durchdringbaren räumlich
definierten Gegenständen.
Der Aufbau einer Vorrichtung zur Abbildung eines Kristalles mittels Röntgenstrahlung gemäss
einer Ausführungsform der Erfindung umfasst, wie in der Zeichnung dargestellt, eine γ-
Strahlungsquelle 1, die einen grundsätzlich herkömmlichen Aufbau haben kann und zur
Erzeugung von γ-Strahlung mit einer ausreichenden Energie von z. B. etwa 10 bis etwa 100 KV
ausgelegt ist. Ferner umfasst sie ein für die von der Strahlungsquelle 1 ausgesandte Strahlung
empfindliches Aufzeichnungsmittel 3, bei dem es sich ebenfalls um ein handelsübliches
Material, wie z. B. einen Röntgenleuchtstofffilm, eine Röntgenleuchtstoffplatte, die
beispielsweise von der Firma Fuji Photo Film Europe GmbH/Düssseldorf unter dem
Handelsnamen Fuji Imaging Plate St-III, St-V, HR-III oder HR-V beziehbar sind, oder
alternativ um ein Bildwiedergabegerät, z. B. eine CCD-Kamera, vorausgesetzt das
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel besitzt eine ausreichende Empfindlichkeit für die von der
Strahlungsquelle abgegebene Strahlung, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird.
Im Strahlenweg zwischen der Strahlungsquelle 1 und dem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel
3 ist ferner ein abzubildendes Objekt 2 angeordnet, bei dem es sich im vorliegenden Fall um
einen Kristall aus z. B. Siliciumkarbid (SiC) handelt, der in einem Tiegelofen 6 aus einem
geeigneten Material, wie Graphit, aus der Gasphase bei hohen Temperaturen von z. B. 2000° bis
2500°C gezüchtet wird. Eine direkte optische Beobachtung des Kristallwachstums ist daher
nicht möglich. Andererseits ist der Tiegelofen 6 für die von der Strahlungsquelle 1 abgegebene
Strahlung, wenn auch unter gewisser Schwächung, grundsätzlich durchlässig.
Die für ein Kristallwachstum erforderlichen Temperaturen im Tiegelofen 6 werden bevorzugt
auf induktivem Wege mittels einer elektrischen Induktionsheizspule 7 aufgebracht, die den
Tiegelofen 6 aussenumfänglich in Abstand umgibt. Die Spule 7 bildet damit quasi ein Raster
oder Gitter aus abwechselnden Windungsbereichen und windungsfreien Zwischenbereichen im
Strahlenweg zwischen dem abzubildenden Objekt 2 und der Strahlungsquelle 1, so dass die Teile
der Strahlung, die auf das Material, z. B. Kupfer, der Windungsbereiche der Spule 7 fallen,
aufgrund der strahlenabsorbierenden Eigenschaft dieses Materials zu einem hohen Grad
absorbiert werden. Dagegen werden diejenigen Teile der Strahlung, die auf die
Zwischenbereiche der Spule 7 treffen, praktisch ungehindert zum Objekt 2 durchgelassen und
können daher nach Durchtritt durch das Objekt 2 auf dem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel
3 ein Bild erzeugen. Dagegen wird derjenige Teil der Strahlung, der infolge der Absorption an
den stark absorbierenden Bereichen der Spule 7 nicht oder nur mit verringerter Intensität auf das
Objekt 2 fällt, auf dem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 3 keine oder eine nur geringfügige
Belichtung veranlassen, so dass die Abbildung des Objektes 2 auf dem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 3 ohne die nachfolgend näher beschriebenen Massnahmen
unvollständig wäre.
Das auf dem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 3 geschaffene Objektbild kann mittels einer
Abtasteinrichtung 4, z. B. eines Scanners, nach Hell/Dunkelfeldern abgetastet werden. Die
Abtasteinrichtung 4 kann digitale für die Hell/Dunkelfelder kennzeichnende Ausgangssignale an
eine Auswertungseinrichtung 5 liefern, die eine Auswertung des auf dem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 3 erzeugten und mittels der Abtasteinrichtung 4
verarbeiteten Bildes in einer gewünschten Weise ermöglicht. Die Auswertungseinrichtung 5
kann beispielsweise Einzelbilder zu einem Gesamtbild zusammensetzen, das sich zur
Darstellung auf einem Bildschirm oder dgl. eignet. Die Auswertungseinrichtung 5 kann auch
dazu dienen, Steuersignale zur Steuerung der Kristallwachstumsbedingungen, z. B. der
Temperatur des Tiegelofens 6, aufgrund der ermittelten Objektabbildung zu liefern. Ein Beispiel
für eine geeignete Abtasteinrichtung 4 ist ein von der Firma Fuji Photo Film Europe
GmbH/Düssseldorf unter dem Handelsnamen Image Reader Typ FCR-AC erhältlicher Scanner.
1. Verfahrensalternative
Die durch die Windungen der Spule 7 abgedeckten Bereiche des Objektes 2 können sichtbar
gemacht und dadurch eine Gesamtabbildung des Objektes auf dem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 4 erhalten werden, indem die Spule 7 während des
Betriebes der Strahlungsquelle 1 in der in der Zeichnung durch den Doppelpfeil A angedeuteten
Richtung quer zum Strahlenweg (in der Zeichnung vertikal nach oben oder nach unten)
bewegt bzw. verschoben wird. Dadurch wird erreicht, dass der Teil der Strahlung, vgl.
Bezugsziffer 8, der bislang auf die Zwischenbereiche der Spule 7 fiel, nach der Bewegung der
Spule 7 nunmehr auf eine Spulenwindung trifft und dadurch entsprechend absorbiert
bzw. geschwächt wird. Dagegen wird ein zuvor an einer Spulenwindung absorbierter Teil der
Strahlung, vgl. Bezugszeichen 9, nunmehr zu einem Zwischenbereich der Spule 7 ausgerichtet
und damit ungehindert an das Objekt 2 weitergeleitet. Die, übrigen Aufbauteile der Vorrichtung
bleiben während der Bewegung der Spule 7 ortsfest. Es wird daher auf dem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 4 nacheinander das gesamte Objekt 2 zur weiteren
Auswertung abgebildet.
Die Bewegung der Spule 7 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Im ersten Fall
wird die Strahlungsquelle 1 kontinuierlich betrieben und kontinuierlich sukzessive eine
Abbildung des gesamten Objektes auf dem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 4 geschaffen.
Bei einem diskontinuierlichen Betrieb wird die Spule 7 bei abgeschalteter Strahlungsquelle 1
schrittweise um geeignete Wegstrecken von z. B. dem 0,5- bis 1,0-fachem Windungsabstand
(oder einem Vielfachen davon) in der einen Querrichtung weiterbewegt und zwischen jedem
Bewegungsschritt die Strahlungsquelle 1 vorübergehend kurzzeitig in Betrieb gesetzt, so dass
sukzessive die Zwischenbereiche der Spule 7 zu sämtlichen Bereichen des Objektes 2
ausgerichtet zu liegen kommen und dadurch das gesamte Objekt 2 mit Strahlung beaufschlagt
werden kann.
Wird als Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 4 ein Plattenmaterial verwendet, entsteht darauf
die Abbildung des gesamten Objektes 2 ohne weiteres. Bei Verwendung eines Filmmateriales,
ggf. in Verbindung mit einer CCD-Kamera, müssen die erhaltenen Einzelbilder mittels eines
geeigneten Gerätes, z. B. Computers, zusammengesetzt werden, um ein Gesamtbild des Objektes
2 zu erhalten.
Die Strahlendosis, mit der das Objekt 2 zu beaufschlagen ist, sollte zwischen etwa 1 µGy und
etwa 1 Gy, vorzugsweise bei etwa 1 mGy, liegen.
2. Verfahrensalternative
Eine für die Durchführung der zweiten Verfahrensalternative geeignete Vorrichtung
unterscheidet sich von der vorbeschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Alternative
darin, dass die Spule ebenso wie die übrigen Aufbauteile der Vorrichtung stationär gehalten und
eine Auswertungseinrichtung mit einstellbarer Empfindlichkeit vorgesehen ist. Für gleiche oder
ähnliche Aufbauteile wie bei der vorbeschriebenen Alternative werden daher im folgenden die
gleichen Bezugszeichen verwendet. Modifizierte Aufbauteile tragen dagegen den Zusatz "'".
Ein wesentlicher Bestandteil der Vorrichtung gemäss der zweiten Alternative ist eine
modifizierte Bildabtasteinrichtung 4' für die Hell/Dunkelfelder des auf dem
Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 3 geschaffenen Objektbildes, die eine Abtastung mit einer
unterschiedlichen Empfindlichkeit ermöglicht. Die Empfindlichkeit der Bildabtasteinrichtung 4',
bei der es sich vorzugsweise um einen Scanner handelt, kann mittels eines Fotomultipliers (nicht
gezeigt) eingestellt werden, indem die Steuerspannung des Fotomultipliers verändert wird. Eine
hohe Steuerspannung bewirkt eine hohe Empfindlichkeit, während eine niedrige Steuerspannung
die Empfindlichkeit in geeigneter Weise herabsetzt. Ein geeigneter Scanner ist in "Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research", A 413 (1998), S. 175-184 beschrieben, worauf
deshalb bezüglich weiterer Details Bezug genommen werden kann.
Das auf dem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 3 durch einen Bestrahlungsvorgang
geschaffene Objektbild wird mittels der Bildabtasteinrichtung 4' zunächst mit niedriger
Empfindlichkeit nach Hell/Dunkelfeldern abgetastet. Dabei erscheinen die von den Windungen
der Spule 7' abgedeckten Bereiche des Objektes 2 auf einer Auswertungseinrichtung 5 als
dunkle nicht informative Felder und die nicht abgedeckten Bereiche als helle informative Felder.
Letztere geben demzufolge Bereiche des abzubildenden Objektes wieder, die zu den
windungsfreien Zwischenbereichen der Spule 7' ausgerichtet sind. Die Dunkelfelder werden bei
der Auswertung vernachlässigt.
Im Anschluss an diesen ersten Abtastschritt wird eine weitere Abtastung desselben Bildes auf
dem Aufzeichnungs/Bildwiedergabemittel 3 bei erhöhter Empfindlichkeit der
Bildabtasteinrichtung 4' vorgenommen. Infolge der erhöhten Empfindlichkeit "sättigen" die
Hellfelder des Bildes unter diesen Umständen die Bildabtasteinrichtung 4'. Diese Hellfelder
werden bei der Auswertung vernachlässigt. Andererseits wird infolge der erhöhten
Empfindlichkeit die in den Dunkelfeldern enthaltene Information nunmehr auswertbar, indem
trotz der strahlenabsorbierenden Eigenschaft der Windungen der Spule 7' dennoch Strahlung in
allerdings stark abgeschwächter Form die Windungen passieren kann und das Objekt 2 dadurch
beaufschlagt wird. Die Dunkelfelder beinhalten demzufolge Informationen von Bereichen des
Objektes, die durch die Windungen der Spule 7' abgedeckt sind. Die zur Auswertung
herangezogenen Hell- und Dunkelfelder, die sich aus der Abtastung mit niedriger bzw. erhöhter
Empfindlichkeit ergeben, werden anschliessend mittels der Auswertungseinrichtung 5 zu einem
Bild zusammengesetzt, das eine Gesamtabbildung des Objektes 2 darstellt.
Es wurde festgestellt, dass die Strahlendosis, mit der das Objekt 2 bei der zweiten Alternative zu
beaufschlagen ist, zwischen etwa 1 mGy und etwa 1 Gy, vorzugsweise zwischen etwa 50 und
etwa 100 mGy betragen sollte. Ferner sollte der Empfindlichkeitsunterschied zwischen der ersten
und zweiten Abtastung im Bereich von 1 : 2,5 bis 1 : 20, vorzugsweise bei etwa 1 : 10, liegen.