DE2259382A1 - Roentgenstrahlenquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlenquelle zur Erzeugung monoenergetischer Röntgenstrahlen hoher Intensität mit einer zylinderförmigen Primärstrahlenquelle und einer Austrittsstelle für die Röntgenstrahlen.

In der Röntgen- und Gamma-Dosirnetrie werden heute Dosimeter verwendet, deren Wirkungsweise auf unterschiedlichen physikalischen Erscheinungen beruht» Die Anzeige der Dosimeter ist von der Quantenenergie der auftreffenden Strahlung abhängig. Mangels geeigneter monochromatischer Strahlung und insbesondere mangels einerleistungsstarken, monochromatischen, punktförmigen Röntgenstrahlenquelle ist es heute nicht möglich, verschiedene Systeme zu vergleichen und zu kalibrieren.

Auch die Verwendung breitbandiger Bremsspektren, wie sie von üblichen Röntgenröhren erzeugt werden, hat für die Röntgendiagnostik wesentlich negative Folgerungen, da u.a. der weiche Anteil des eingestrahlten Spektrums von dem zu durchstrahlenden Gewebe nahezu vollständig absorbiert wird. Er steigert nur die Strahlenbelastung, ohne anschließend als Informationsträger zur Verfügung zu stehen- Für die hochenergetische Seite des Spektrums ist die Nachweiswahrscheinlichkeit des Detektors nicht mehr optimal. Nur bei monochromatischer Röntgenstrahlung ist eine Optimalisierung der

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Parameter Strahlenqualität, Detektorempfindlichkeitsbereich und untersuchter Körper möglich. Ein weiterer Nachteil der Diagnostik mit Bremsspektren liegt darin, daß die Trennung niederenergetischer Streustrahlung und bilderzeugender geschwächter Primärstrahlung nur mit großem Aufwand möglich ist.

Diese kontraststeigernde Aufspaltung von informationstragender Strahlung und dem diffusen Sekundärstrahlungsuntergrund ist nur mit monochromatischer Strahlung erreichbar, d.h. monochromatische Quantenstrahlung würde in der Röntgendiagnostik die Vorteile einer geringeren Dosisbelastung mit gleichzeitiger Kontraststeigerung bringen.

Auch für grundlegende biologische Untersuchungen (Empfindlichkeitsfunktionen von Gewebe im Energiebereich von etwa 10 keV bis 100 keV) ist eine leistungsfähige Rontgenfluoreszenzanlage von großer Bedeutung. Solche Untersuchungen konnten nur unzureichend gelöst werden mit den radioaktiven Präparaten Americium 241 (60 keV) und Cer 12 9 (80 keV), die die einzigen verwendbaren natürlichen Strahlenquellen im genannten Energi .bereich sind.

Die bisher aufgebauten Rontgenfluoreszenzanordnungen bedecken zwar den angegebenen Bereich dicht genug, jedoch reicht die Strahlenintensität für viele Zwecke nicht aus, auch ist die Quelle zu groß, um für Abbildungszwecke verwendbar zu sein.

Einefür derartige Zwecke brauchbare Primärstrahlenquelle ist bekannt als Hochleistungsröntgenröhre (nach Prof. Dr. B. Rajewsky). Sie besitzt großflächige zylindrische Anoden, in deren Innenraum das Nutzstrahlenfeld entsteht. Die Anoden werden Topfanoden genannt und besitzen einenvertikalen, topfförmigen Bestrahlungsraum mit einem Inhalt von ca. 4000 cm . Der Bestrahlungsraum selbst wird mit einer strahlenundurchlässigen Abdeckung verschlossen.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, da"ß eine raonoenergetische Röntgenstrahlung hoher Intensität im Bereich von IO keV bis lOO keV erzeugbar sein soll, wobei der Energiebereich möglichst dicht überdeckt werden und die Röntgenfluoreszenzstrahlenquelle möglichst geringe Ausdehnung haben soll. Außerdem ist ein konzentrischer Aufbau des Fluoreszenzsystems erwünscht, in dessen Innenraum ein nahe-* zu homogenes, sehr dichtes Strahlungsfeld erzeugbar ist, und gleichzeitig muß das System leicht von einer Strahlenenergie auf eine andere umgestellt werden können, ohne daß eine sonst notwendige neue Justierung von Streukörper und Primärstrahlenquelle notwendig wird. V7eiterhin soll-durch geeignete Wahl der Geometrie des .Streukörpers ein für die Abbildungseigenschaften der Fluoreszenzstrahlung optilaales, d.h. . gaußförmiges Emissionsprofil erreicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in der Achse der Primärstrahlenquelle, von einem Primärfilter getrennt, ein die Röntgenfluoreszenzstrahlen erzeugender Streukörper angeordnet ist, dem sich in Richtung der Austrittsstelle ein eine Innenbohrung aufweisender Kollimator anschließt, daß der dem Streukörper abgewandten Öffnung der Innenbohrung des Kollimators eine Blende nachgeschaltet ist, und daß die Blendenöffnung mittels eines chromatisierenden Sekundärfilters abgedeckt ist. Dabei kann der Streukörper ein Kegel sein, dessen Spitze zur Innenbohrung des Kollimators weist.

In Ausführungsformen der Erfindung kann der Kollimator ebenfalls aus aktivem, d.h. Röntgenfluoreszenzstrahlen erzeugenden Material bestehen. Die Primärstrahlenquelle kann sowohl eine Topfanode sein als auch aus einem den Streukörper umschließenden radioaktiven Präparat bestehen.

In bevorzugten Weiterführungen der Erfindung bestehen der Kollimator und der Streukörper aus dem gleichen Material.

In einer Weiterführung der Erfindung können auch Spektren mit mehreren wählbaren diskreten Linien erzeugt werden. Daz\x wird der Streukörper aus Gemischen von verschiedenen Elementen erstellt, so daß entsprechend der Anzahl der Gemischanteile mehrere Fluoreszenz-Linien erhalten werden. Aus diesen setzt sich dann das gewünschte Spektrum

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zusammen. Mit Hilfe solcher Mischstrahlenquellen ist es außerdem möglich, z.B. bei Aufnahmen in der Röntgendiagnostik, die günstig-· sten Kontrastverhältnisse für unterschiedliche Gewebearten (z.3. Luft-Gewebekontrast, Knochen-Gewebskontrast) gleichseitig zu erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels einer schematischen Figur näher erläutert.

In der Figur ist als Primärstrahlenquelle ein Teil der evakuierbaren Röntgenröhre 1 aus Glas dargestellt, welche einen napfartigen Fortsatz 2 mit Boden 3 besitzt. Auf dem Boden 3 ist der Streukörper 4 bzw. die Röntgenfluoreszenzstrahlenquelle aufgestellt. Der Streukörper 4 besteht aus einer Scheibe 5 mit einem auf ihrer Oberfläche 6 aufaesetzten Kegel 7 mit vorzugsweise einem Öffnungswinkel von 20°.

Der Spitzeides Kegels 7 ist in ,Achsrichtung 9 der Kollimator 10 nachgeordnet, welcher eine Innenbohrung 11 aufweist. Der Kollimator 10 selbst weist Zylinderform auf. Der Kollimator 10 und der Streukörper 4 sind von einem Primärfilter 12 umgeben, welches ebenfalls Zylindarform aufweist. Das Primärfilter 12 ist in den Napf 2 eingeschoben.

Der Napf 2 ist von einer ringförmigen Topfanode 13 umgeben, die von einer im Abstand sie umgebenden Kathode 14 zur Erzeugung der Primärstrahlung angeregt wird. Die Primärstrahlung der Topfanode 13 wird durch das Primärfilter 12 gefiltert und die durch das Filter 12 hindurchtretende Strahlung erzeugt im Streukörper 4 eine Röntgenfluoreszenzstrahlung. Der Abstand zwischen der Topfanode 13 und dem Streukörper 4 kann sehr klein gehalten werden, so daß sich eine entsprechend hohe Primärstrahlungsdichte im Vergleich zur herkömmlichen Röntgenfluoreszenzquelle erreicht werden kann. Die Leistungssteigerung für die Erzeugung von Röntgenfluoreszenzstrahlung beträgt einen Faktor 50 bei gleichzeitiger Verkleinerung des Quellendurchmessers auf ca. 2 mm.

Dem Kollimator 10, der selbst aus einem Material bestehen kann, welches aktiv einen Beitrag zur Röntgenfluoreszenzstrahlung liefert, ist eine Blende 15 nachgeschaltet, die eine Öffnung 16 aufweist.

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Die konische Öffnung 16 liegt über der öffnung 17 der Innenbohrung 11 im Kollimator 10 und wird auf der der Öffnung 17 abgewandten Seite von dem Sekundärfilter 18 verschlossen, welches nur Strahlung der gewünschten Art aus der Strahlenquelle herausläßt. Die Öffnung 16 mit dem Sekundärfilter 18 kann als Austrittsstelle für eine intensive monochromatische Röntgenstrahlung angesehen werden.

Das Streukörperblendensystem 4, 10, 12, 15, 18 kann, wie ein Okular in ein Mikroskop, in den Napf 2 der Primärstrahlenquelle eingeführt werden. Um den gewünschten Bereich von 10 — 100 keV einigermaßen dicht zu überdecken, werden etwa 20 solcher Systeme benötigt, die dann jeweils in der gleichen Primärstrahlenquelle ausgetauscht werden können. Das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Quellendurchmesser muß dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden. So bestehen auch der Kollimator 10 und der Streukörper 4 meist aus dem gleichen Material. Auch kann der Streukörper 4 bzw. der Kollimator lO aus einem Gemisch bzw. aus einer Legierung von verschiedenen Materialien bestehen.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel des Streukörperblendensystems nach der Erfindung wurde ein Durchmesser der Topfanode 13 von 7,4 mm gewählt. Der Quellendurchmesser (Streukörper 4) beträgt auf der Oberseite 6 der Scheibe 5 zwei Millimeter; das Streukörpermaterial besteht aus Zinn, Cer oder Blei genauso wie das Kollimator-

2 material. Das Primärfilter 12 besteht aus Aluminium (0,27 g/cm )

2 und das Sekundärfilter 18 aus Silber (0,05 g/cm ), Barium oder Gold. Das gesamte System kann von einem nicht näher dargestellten Strah-' lenschutzschild aus Blei umgeben sein. Die Blende 15 sowie das Sekundärfilter 18 können genauso wie das Primärfilter 12 in der Röntgenröhre 1 selbst gehaltert sein.

Die Ausgangsleistung des Systems beträgt in Verbindung mit einer 2 kW Topfanodenröhre 13 im Abstand von 50 cm vom Streukörper 4 100 mR/min. Andererseits beträgt die Ausgangsleistung in Verbin- ·'■■ dung mit einer, konzentrisch angebrachten 1 kci starken Gamraaquelle im gleichen Abstand von Streukörper 4 10 mR/min.

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Claims (15)

GESELLSCHAFT FÜR. STRAHLEN- O IMeuherberg, den 27. November 1972 UKD UMWELTFORSCHUKG MBH PLA 72/71 Ga/sz M ü η c h e η Patentansprüche;

1.) Röntganstrahlenquelle zur Erzeugung monoenergetischer Röntgenstrahlen hoher Intensität mit einer zylinderförmigen Prirnärstrahlenquelle und einer Austrittsstelle für die Röntgenfluoreszenzstrahlen, dadurch gekennzeichnet,, daß in der Achse (9) der Primärstrahlenquelle (13), von einem Primärfilter (12) getrennt,
ein dia Röntgenfluoreszenzstrahlen erzeugender Streukörper (4) angeordnet ist, dem sich in Richtung der Austrittsstelle (16, 18) ein eine Innenbohrung (11) aufweisender Kollimator (lo) anschließt, daß der dem Streukörpar (7) abgewandten Öffnung (17) der Innenbohrung (11) des Kollimators (10) eine Blende (15) nachgeordnet ist, und daß die Blendenöffnung (16) mittels eines
chromatisierenden Sekundärfilters (18) abgedeckt ist.

2. Rontgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) ein Kegel ist, dessen Spitze (8) zur
Innenbohrung (11) des Kollimators (lo) weist.

3. Rontgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (10) aus aktivem, ebenfalls Röntgenfluoreszenzstrahlen erzeugenden Material besteht.

4. Rontgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (13) eine Topfanode ist.

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5. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (13) oder das Primärfilter (12) aus einem radioaktiven Präparat besteht.

6. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollinator (10) aus dem glei- . chen Material besteht wie der Streukörper (4).

7. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) aus einem Gemisch oder einer Legierung aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt ist..

8. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) aus Zinn, der Kollimator (10) aus Zinn, das Primärfilter (12) aus Aluminium . und das Sekundärfilter (18) aus Silber bestehen.

9. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) aus Cer, der Kollimator (10) aus Cer, das Primärfilter (12) aus Aluminium und das Sekundärfilter (18) aus Barium bestehen.

10. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) aus Blei, der Kollimator (10) aus Blei, das Primärfilter (11) aus Aluminium und das Sekundärfilter (18) aus Gold bestehen.

11. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen umgebenden Schutzschild aus Blei.

12. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) und der Kollimator (10) eine Fluoreszenzstrahlenquelle bilden.

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13. Röntganstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder einem dar folgenden_f dadurch gekennzeichnet, daß das Primärfilter (12) als Hohlzylinder die Fluoreszenzstrahlenquelle (4, 10) umgibt.

14. Röntgenstrahlencfuelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzstrahlenquelle (4, 10), Blende (15) und Sekundärfilter (18) in einem gemeinsamen, evakuierbaren Gehäuse untergebracht sind.

15. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Streukörpers ein für eine Abbildung optimales gaußförmiges Emissionsprofil erzeugt.

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