DE2410230A1

DE2410230A1 - Roentgen-abtastsystem

Info

Publication number: DE2410230A1
Application number: DE2410230A
Authority: DE
Inventors: Harald F H Dr Rer N Warrikhoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1974-03-04
Publication date: 1975-09-25
Also published as: US4147935A

Description

Röntgen-Abtastsystem

Bei den heute angewandten Röntgen-Prüfverfahren (med. Diagnostik, Materialprüfung) ist es üblich, von einer nahezu punlctförmigen Röntgenstrahlenquelle das ganze zu, untersuchende Feld gleichzeitig zu bestrahlen und auf einem Film oder Leuchtschirm abzubilden. In einigen Anwendungsfällen wird auch das auf einem Leuchtschirm entstehende Bild (evtl. mittels Bildverstärker in der Leuchtdichte angehoben) von einer Fernsehkamera im ganzen aufgenommen, dann elektronisch punktweise (zeitlich seriell) zerlegt (Videosignal), verstärkt und weiterverarbeitet, um schließlich auf einem Monitor wieder sichtbar gemacht zu werden.

Bei einer derartigen Aufnahmetechnik wird der Kontrast der Röntgen-Abbildung in erheblichem Maße von der im Objekt entstehenden Röntgen-Streustrahlung beeinträchtigt. Dieser Streustrahlenanteil nimmt mit der Größe des zu untersuchenden Feldes zu.

Außerdem ist es technisch aufwendig und wegen der ebenfalls auftretenden Licht-Steustrahlung kontrastmindernd, daß man das für die Fernsehübertragung benötigte Video-Signal erst über eine optische Zwischenabbildung des ganzen Objekts im sichtbaren Bereich und nicht "direkt durch die Röntgenstrahlung erzeugt.

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Es ist deshalb schon verschiedentlich vorgeschlagen worden, das zu untersuchende Objekt mit einem im Raum bewegten Röntgenstrahl punktweise (zeitlich seriell) abzutasten. Wegen des extrem kleinen Strahlenquerschnittes wird dann der Streustrahlenanteil vernachlässigbar und außerdem wird im Detektor ein Video—Signal direkt erzeugt. Dies s"tößt in-sofem auf Schwierigkeiten, als sich die für solche Untersuchungen geeigneten Röntgenstrahlen nicht durch Spiegel, Linsen, Prismen oder dergleichen mit technisch vertretbarem Wxrkungsgrad ablenken lassen. Man muß also z.B. nach Fig 1a und 1b mittels punktförmigem Brennfleck und punktförmiger Blende 2 einen Fadenstrahl 5 erzeugen und diesen durch Bewegung entweder der Blende (Morgan) nach Pig 1a oder des Brennflecks (Moon) nach Fig 1b über das zu untersuchende Objekt 4- führen. Der großflächige röntgenempfindliche Detektor 5 liefert dann das Video-Signal. Auch die mechanische Führung eines nahezu punktförmigen Detektors 6 über die Bildebene 7 bei feststehendem oder mit dem Detektor gekoppeltem Brennfleck 1 über das Objekt 4-nach Fig 1c ist ohne große Erfolge erprobt worden (Mayneord, Evans» Newberry). Bei der von Heller vorgeschlagenen Anordnung nach Fig 1d wird der Fadenstrahl 3 in seinem Querschnitt durch den Durchmesser des bewegten Brennflecks 1 auf der einen Seite des Objekts A- und durch den Durchmesser des Detektors auf der anderen Seite begrenzt. Die nicht auf dem Detektor gesichtete Strahlung wird in einem auf den Detektor fokussieren-r den Blendensystem vernichtet.

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Diese Anordnung nach Heller (Fig 1 d) hat gegenüber derjenigen nach Morgan (Fig 1a) sowie Mayneord, Evan, Newberry (Fig 1c) den Vorteil, daß keine mechanischen Bewegungen, die die Schnelligkeit der Abtastung beeinträchtigen würden, ausgeführt zu werden brauchen. Gegenüber allen vorgenannten Verfahren (Fig 1a, b, c) aber hat das von Heller vorgeschlagene (Fig 1d) den Vorteil der größeren nutzbaren Intensität:

Für die Informationsübertragung maßgebend ist die auf ein Objektdetail («nahezu punktförmig) 8 einfallende Röntgenintensität, ceteris paribus. Diese ist im wesentlichen von dem Raumwinkel abhängig, unter dem dieses Objektdetail, vom Brennfleck 1 aus gesehen, erscheint. Bei gleichem Durchmesser dieses Details wird also die von ihm aufgefangene Intensität um so größer sein, je näher dieses Objektdetail der Röntgenstrahlenquelle gebracht werden kann. Vergleichen wir die. Fig 1a, b, c und d miteinander, so stellt man fest, daß wiederum ceteris paribus (wie z.B. Durchmesser des zu untersuchenden Objektes, der Blende und des Brennflecks) der Abstand Brennfleck - Objektdetail bei der Anordnung nach Fig 1d nur einen Bruchteil derjenigen der Anordnung nach Fig 1a, b und c ausmacht, da bei letzterer der wegen der Schrägdurchstrahlung technisch sinnvolle Röntgenkegel 9 zur Erfassung des ganzen Objektes einen relativ großen Brennfleck-Objekt-Abstand bedingt. Somit wird im Falle der Fig 1d mit

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relativ kurzem Brennfleckabstand eine vielfach höhere irbensität gewährleistet.

Trotzdem ist auch bei der Anordnung nach Heller (Fig 1d) die Ausnutzung der in der Eöntgenröhre erzeugten Röntgenquanten so schlecht, daß bis heute derartige Anlagen keine wirtschaftliche Bedeutung erlangt haben. Dies läßt sich leicht zeigen: Das Bild muß zur Ifernsehübertragung in eine große Anzahl von Bildpunkten zerlegt werdo} z.B. nach der deutschen Fernsehnorm in rd. 4oo.ooo Punkte. Diese Detailpunkte werden bei den heute üblichen Verfahren durch gleichzeitige Röntgenbestrahlung aller Punkte (zeitlich parallel), beim Röntgen-Abtastverfahren dagegen durch Bestrahlung der einzelnen Punkte nacheinander (zeitlich seriell) untersucht. Der Nutzungsgrad für die von der Röntgenröhre 'emittierten Quanten ist also beim Abtastverfahren aus diesem Grunde rd. 4-OO.OOO mal schlechter als beim herkömmlichen Verfahren. Einen gewissen Vorteil bietet aber die Tatsache, daß bei der Anordnung nach Heller das zu untersuchende Objekt so nahe als technisch möglich an den Brennfleck der Röhre gebracht werden kann (der Brennfleck-Durchmesser wird dann etwa gleich dem Durchmesser des kleinsten auflösbaren Details). Eine Verkürzung des Fokus-Objekt-Abstandes auf etwa 1/1ο des bei den heute üblichen Verfahren verwendeten bringt schon eine Intensitätserhöhung um den Faktor 1oo.

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Trotzdem ist das Abtastverfahren auch dann noch intensitätsmäßig um rd. den Faktor 4-.ooo den herkömmlichen unterlegen und alle Überlegungen müssen darauf gerichtet sein, diesen Nachteil auszuschalten.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine spezielle Ausführungsform der Anordnung nach Heller, die durch Verwendung von Vielfach-Detektoren mit η Elementen in geeigneter Geometrie die gleichzeitige Untersuchung von η Detail-Punkte enthaltenden Teilfeidern des zu untersuchenden Objekts ermöglicht, wobei das Abfrageschema für den Vielfach-Detektor, das schrittweise Wandern des Brennflecks und das Anzeigeschema für den Monitor zeitlich und räumlich koordiniert sind. Anhand der folgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert:

In Fig 2 ist die Abbildungsgeometrie der Detailpunkte 8 und 1o durch die Brennfleckstellung 1 auf die Detektoren 6 und dargestellt, die jeweils im Strahlenkern (mit voller Intensität) liegen. Erkennbar ist auch die' Schärfeebene 12 im Objekt 4-, die sich dadurch auszeichnet, daß Details dieser Ebene jeweils nur auf einen Detektor abgebildet werden. Es besteht aber die Möglichkeit, daß z.B. aus dem Strahlenkegel von 1 nach 6 Streustrahlung in den Detektor 11 gelangt und dort eine Verfälschung der Messergebnisse bewirkt. Betrachtet

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-reaber die Streuhäufigkeit in Abhängigkeit vom Streuwinkel bei den üblichen Röntgenröhrenbetriebsspannungen,, so sieht' man, daß vornehmlich in relativ große Winkel gestreut wird (Fig J).

Liegt der Detektor 11 also nur um geringe Winkel gegen 6 verschoben, dann wird er vom Streuanteil des Strahlenkegels von 1 nach 6 nur geringfügig gestört. Unter sehr großen Winkeln zum Zentral-Detektor (z»B. 6) dürfen die weiteren Detek toren (z.B. 13 und. 14) ohnehin nicht angeordnet werden (I¹Xg weil dann durch die Schrägdurchstrahlung des Objektes eine zu große Materialdicke vorgetäuscht wird.

So können also η Detailpunkte 8, 1o usw. von einer einzigen Brennfleckstellung 1 über eine den Detailpunkten gleiche Anzahl von Detektoren 6, 11 usw. gleichzeitig untersucht werden, was einer ebenso großen Intensitätswerhöhung entspricht, da ja nun jedes Objektdetail 1oo χ langer bestrahlt werden kann las wenn man die 1oo Detailpunkte in einer vorgegebenen Zeit nacheinander bestrahlen müßte.

Es wird also nach !ig 5 ein Raster 21 von n^ Zeilen mal n₂ Detektoren je Zeile gleich η Detektoren (z.B. Szintillationskristalle mit optisch (evtl. über einen Bildverstärker) angekoppelten Fotodioden benötigt, die ein Speichervermögen

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entsprechend der Verweilzeit des Brennflecks auf einer Position "besitzen müssen (z.B. Kapazität).

Es wird dann das Objekt in seiner Schärfeebene 12 nicht Punkt für Punkt, sondern Teilfeld für Teilfeld (15, 16, · 17 usw.) abgetastet, die auf dem Leuchtschirm 22 des Monitors als Teilfelder-15¹, 16', 17' abgebildet werden.

Während der Projektion des Teilfeldes 15 z.B. auf die n,, χ np Detektoren 21 bleibt der Brennfleck über die notwendige Bestrahlungszeit in der. Position 1 und erscheint nach einer gewissen Pause für die Abfrage der Detektor-Speicher in der Position 19? 2o usw.

Das Punktschema· bei der Abfrage der einzelnen Detektor-Speicher muß dem Leuchtpunkt-Folgeschema im entsprechenden Teilfeld des Monitors entsprechen. Dies ist mit geeigneten Funktionsgeneratoren ohne weiteres möglich. In.Fig ist z.B. die Abfrage der einzelnen Detektor-Speicher in Reihen 18, entsprechend den Leuchtpunktreihen 18' des Monitors bzw. den Reihen 18'' der Detailpunkte im Teilfeld -dargestellt, die senkrecht zur. Fortbewegungsrichtung des Brennflecks 1, 19, 2o usw. liegen. Auf diese Weise werden im fernsehkameratechnischen Sinne die Detailpunkte der Schärfeebene 12 nicht Zeile für Zeile, sondern z.B. jeweils mit n^| Kurzzeilen 18 zu n^ Punkten aufgenommen und gespeichert.

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Wie man sieht, werden "bei z.B. 1oo Detektoren nur noch i/ioo der Brennfleckpositionen benötigt. Das sind bei der Verwendung der Punktzahl der Deutschen Fernsehnorm immer noch 4.ooo Positionen, also ein Raster von rund 6o χ 6o Brennflecken.

Während nun die Herstellung einer Röntgenröhre mit 4oo.ooo einzelnen und nacheinander ansteuerbaren Elektronenkanonen gleicher Ergiebigkeit schon aus räumlichen Gründen auf erhebliche Schwierigkeiten stieße (Abstand = Brennfleckdurchmesser = Auflösung = 1oo/u),ermöglicht die oben beschriebene Erfindung die Verwendung einer Röhre mit nur 6o χ 6o Elektronenkanonen (Abstand = 1 mm), die schon erheblich einfacher zu erstellen ist. Dies gilt aber erst recht für eine nur einzeilig abfragende Röhre (z.B. 6o Elektronenkanonen), bei der das zu untersuchende Objekt an der Röhre senkrecht zur Bewegungsrichtung des Brennflecks vorbeigezogen wird. Bei einer solchen Röhre, die gegenüber einer Röhre mit abgelenktem Elektronenstrahl wesentlich kleiner gebaut werden kann, werden erfindungsgemäß die Elektronenkanonen nicht so dicht wie die Brennfleckpositionen angeordnet, sondern das Beschleunigungsfeld so gestaltet, daß die Elektronenstrahlen der einzelnen Elektronenkanonen in einen Brennpunkt konvergieren. Die Anodenfläche wird zwischen den Elektronenkanonen einerseits und dem Brennpunkt andererseits

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angeordnet und weist dann bei sukzessiver Ansteuerung der einzelnen Elektronenkanonen einzelne Brennflecke auf, deren Abstand voneinander geringer ist als derjenige der Elektronenkanonen.

Da es sich bei der 'Aufnahme' der einzelnen Detailpunkte um eine Messung der durch den Punkt durchgelassenen Intensität der Röntgenstrahlung handelt, muß die Röntgenemission der Röhre extrem konstant gehalten v/erden. Dabei ist es unerheblich, wie sich die Röntgenemission während der 'Aufnahme¹ (während einer einzelnen Brennfleckposition) ändert, wenn nur ihre Integral von 'Aufnahme' zu 'Aufnahme' (d.h. von einer Brennfleckposition zur nächsten) konstant bleibto

Da hochstabile und konstante Röntgenanlagen einen großen Aufwand erfordern, wird erfindungsgemäß eine am Netz betriebene stabilisierte Transformator-Röntgenanlage verwendet, deren Rest-Welligkeitsfrequenz nach Gleichrichtung gleich oder ein ganzes Vielfaches der Aufnahmefrequenz (frequenz der Brennfleckpositionen) ist. Bei einer solchen Anlage bezieht sich die Stabilisierung nur auf die Konstanz des Strom - Spannungs - Integrals an der Röhre über die einzelnen Phasen der Welligkeit.

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Claims

Patentansprüche

1./Röntgen-Abtastsystem als besondere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen n'ach Heller (DBP 1o89 487) mit Durch- oder Rückstrahlanode dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung von Vielfach-Detektoren in geeigneter Geometrie die gleichzeitige Untersuchung von η Detailpunkte enthaltenden Teilfledern des zu untersuchenden Objekts erfolgt, wobei das Abfrageschema für den Vielfach-Detektor, das schrittweise Wandern des Brennflecks und das Anzeige-Schema für den Monitor zeitlich und räumlich koordiniert sind.

2. Röntgen-Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Röntgenröhre mit einer der Anzahl der Teilfelder gleichen Anzahl von einzeln steuerbaren Elektronenkanonen verwendet wird.

3. Röntgen-Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vielfach-Elektronenkanonen-Röntgenröhre das Beschleunigungsfeld so gestaltet ist, daß die Elektronenstrahlen der einzelnen Elektronenkanonen konvergieren.

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Eöntgen-Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welligkeitsfrequenz des Hochspannungsgenerators für die. Röntgenröhre gleich oder ein ganzes Vielfaches der Frequenz für die Untersuchung der einzelnen Teilfeider ist.

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