DE2533348B2

DE2533348B2 - Target zur Umwandlung eines Elektronenstrahlbfindels hoher kinetischer Energie in Rftntgen-Bremsstrahlung

Info

Publication number: DE2533348B2
Application number: DE2533348A
Authority: DE
Inventors: L. Warren Funk; Stanley O. Schriber
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1974-12-18
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1979-05-23
Also published as: US3999096A; SE7508681L; DE2533348A1; SE406247B; FR2295559A1; GB1497308A; JPS5178188A; CA1003892A; FR2295559B1

Description

= kinetische Anfangsenergie der

Elektronen in MeV,
= Bremsvermögen in MeV/g für

Elektronenkollisionen,
T= Bremsvermögen in MeV/g für

Strahlungskollisionen,
= Strahlungslänge in g/cm-eines

Materials mit der Ordnungszahl Z,

aufweist, und daß auf der Strahlcnaustrittsscite der zweiten Sciicht (4) eine dritte Schicht (5) aus einem Material mit hohe^r Atoir Ordnungszahl (Z > 58) und mit einer gleichförmigen Dicke von etwa 0,06 g/cm² angeordnet ist, wc'che Bremsstrahlungsphotonen geringer Energie absorbiert.

2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (4) eine Mindestdicke aufweist, die erforderlich ist, um alle Elektronen abzubremsen, welche die erste Schicht (3) durchdringen.

3. Target nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien der ersten, zweiten ;ind dritten Schicht (3,4,5) eine hohe Dichte aufweisen.

4. Target nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit hoher Atomordnungszahl Wolfram oder Gold, das Material mit niedriger Atomordnungszahl Aluminium oder Aluminiumoxid und das Material mit mittlerer Atomordnungszahl Nickel oder Kupfer ist.

Gewebes zu vermeiden. Deshalb soll das Target des Strahlungserzeugers ein geeignetes Spektrum von hochenergetischen Photonen erzeugen, jedoch nur eine minimale Anzahl von Neutronen und Elektronen. Dazu ist es bekannt, ein Targetmateria! mit hoher Ordnungszahl, wie Wolfram, mit hochenergetischen Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger zu bombardieren. Bei einem derartigen Target muß die Dicke de Materials groß genug sein, damit alle Elektronen im Target absorbiert werden. Nachteilig ist hierbei, daß der Wirkungsgrad gering ist, da wegen der Dicke des Targets ein gewisser Teil der erzeugten Strahlung absorbiert oder innerhalb des Targets gestreut wird.

In der US-PS 32 39 706 ist bereits ein Target für eine Elektronenenergie von mehr als 500 keV beschrieben, welches zwei Schichten aufweist. Die erste Schicht besteht aus einer dünnen Folie hoher Dichte aus einem Material mit hoher Ordnungszahl, während die zweite Schicht mit geringer Dichte als Absorber ausgebildet ist. Die geringe Dicke der ersten Folienschicht gestattet dabei maximale Elektronenenergien von 0,7 bis 1 MeV.

In der DE-AS s 36 511 VIII c/2I g ist ein Absorptionsfilter zur Beeinflussung der Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung einer energiereichen Strahlenquelle beschrieben, welches aus einem Material mit hoher Ordnungszahl (größer als 30) besteht

Es ist auch ein Target aus Materialien mit mittlerer Ordnungszahl, wie Molybdän (GB-PS 11 84 947) bzw. Rhodium (FR-PS 2130 648) bekannt, welches zur Anregung der K, L bzw. M-Übergänge mit Elektronen im Energiebereich von 25 bis 40 keV bombardiert wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Target der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine optimale Ausbeute an Röntgen-Bremsstrahlung crzielbar ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Target dadurch gelöst, daß ciic erste Schicht aus einem Material mit einer mittleren Alom-Ordnungszahl (25 < Z < J8j besieht und eine gleichförmige Dicke

Die Erfindung betrifft ein Target zur Umwandlung eines Elektroncnstrahlbündels hoher kinetischer Energie (ca. 5 bis 50MeV) in Röntgen-Brcmsstrahlung, das eine erste Schicht aufweist, welche die Elektronenenergie in die Bremsstrahlung umwandelt, und bei dem auf der Striihlcnaustriltsseite der ersten Schicht eine zweite Schicht angeordnet ist, welche aus einem Material mit niedriger Alom-Ordnungszahl (Z < 25) besteht, und die durch die erste Schicht hindurchgehende Elektronen abbremst.

In der medizinischen Strahlentherapie sind Röntgenstrahlen erforderlich, deren Energiespeklrum derart beschaffen ist, daß die Eindringliefe der Strahlung in den Körper des Patienten vorgegeben werden kann, wobei jedoch angestrebt ist, Sirahlungssehäden des gesunden Ι._Ψ, >

0,3 7

T = kinetische Anfangsenergie der

Elektronen in MeV.
n = Bremsvermögen in McV/g für

Elcktroncnkollisioncn.
b ■ T= Bremsvermögen in MeV/g für

Strahlungskollisionen,
/, = .Strahlungslänge in g/cm² eines

Materials mit der Ordnungszahl Z,

aufweist, und daß auf der .Strahlenaustrittsseitc der zweiten Schicht eine dritte Schicht aus einem Material mil hoher Atom-Ordnungszahl (Z > 58) und mit einer gleichförmigen Dicke von etwa 0,06 g/cm² angeordnet ist, welche Bremsslrahlungsplv.)lonen geringer Energie absorbiert.

Durch diese Ausbildung gemäß der Erfindung erreicht man jedoch nicht nur mit hoher Ausbeute eine Röntgcn-Bremsslrahlung von sehr hoher Photonenenergie, es wird zudem noch der Vorteil erzielt, daß diese Bremsstrahlung in einem großen Raumwinkcl abgegeben wird und daß die abgegebene Strahlung nur sehr wenige Neutronen und Elektronen erhall, da insbesondere die Elektronen in dem erfindtingsgemäßcn Targel völlig absorbiert werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. I eine schematische Darstellung des Targets,

Fig. 2 eine grafische Darstellung, in welcher die Strahlungsintensität über der Dicke für Gold aufgetragen ist,

Fig.3(a), 3{b) und 3{c) jeweils eine grafische Darstellung optimaler Dicken für Wolfram, Kupfer bzw. Aluminium über der Elektronenenergie für maximale Strahlung unter Winkeln von 0° (Vorwärtsrichtung), IT und 30°,

Fig.4 eine grafische Darstellung, in welcher die Schichtdicke über der Elektronenenergie aufgetragen ist, und zwar für ein Target mit hohem Z der ersten Schicht, und

F i g. 5 eine grafische Darstellung, in welcher die Schichtdicke über der Elektronenenergie für ein Target mit mittlerem Zder ersten Schicht aufgetragen ist.

Ein Röntgenstrahlentarget 1 gemäß der Erfindung ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt, wobei ein Elektronenstrahlbündel 2 gemäß der Darstellung auf das Target auftrifft und eine Bremsstrahlung 7 das Target verläßt Das Target 1 besteht aus drei einzelnen Schichten von Materialien mit verschiedenen Ordnungszahlen. Die erste Schicht 3, auf welche das Elektronenstrahlbündel 2 auftrifft, hat eine normalerweise gleichförmige Dicke und besieht aus einem Material mit mittlerer Ordnungszahl Z, wobei gilt 25 < Z < 58. Dabei wird ein Photonenbündel erzeug·, welches eine groöe Winkelverteilung aufweist, und zwar durch elastische und unelastische Streuung des Elektronenbündels 2.

Die Dicke der Schicht 3 kann derart gewählt werden, daß eine maximale Strahlung in der Vorwärtsrichtung erzeugt wird, wie es durch den Pfeil 6 angedeutet ist, oder unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Vorwärtsrichtung. Alle Materialien haben eine bestimmte optimale Dicke, die eine Funktion des Materials ist sowie der kinetischen Energie des Elektroncnbündels 2.

In der Veröffentlichung »Bremsstrahlung Production and Shielding of Static and Linear Electron Accelerators below 50 MeV Toxic Gas ^Droduction. Required Exhaust Rates, and Radiation Protection« von Brynjoltsson und M a r I i η — International |ournal of Applied Radiation and Isotopes, 1971, Band 22, Seiten 29—40, ist gezeigt, »'aß die Austrittsstrahlung in der Vorwärtsrichtung eine Funktion der Targetdicke ist. Dies ist in der F i g. 2 veranschaulicht, in welcher in einer grafischen Darstellung die Strahlungsintensität // in der Vorwärtsrichtung über der Targetdicke in g/cni-' für CJoId aufgetragen ist. Die Vorwärtsstrahlungsintensität ist bei einer bestimmten optimalen Dicke /,,,,, auf ein Maximum gebracht. Während Elektronen durch das Material hindurchgehen, wird ihre Energie vermindert, was zu einer geringeren Verteilung auf die gesamte Bremsstrahlungserzeugung führt. Außerdem verstärken die Selbstadsorplion und die Streuung der ,Strahlen in dem Material den Abfall in der Intensität für Dicken größer als /„,„. Die optimale Dicke /,,,„ in Strahlungslängen für ein Material kann annähernd durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

',„„

(U y

Ui I h · Vl ■ /-

wobei folgende Beziehungen gelten:

T = kinetische Anfangsenergie des

Elektrons in Mi;V,
a = Bremsvermögen in MeV/g für

elektronische Kollisionen,
b ■ T= Bremsvermögen in MeV/g für

Strahlungskollisionen,
/, ■= Strahlungslänge in g/cm² eines

Materials mit der Ordnungszahl Z

Unter Winkeln, welche von der Vorwärtsrichtung abweichen, d.h. Winkeln größer als 0°, ist die Austrittsstrahiung auch eine Funktion der Targetdicke, und es hat sich gezeigt, daß die optimale Dicke für eine maximale Strahlung unter einem bestimmten Winkel θ größer ist als die optimale Dicke für eine maximale Strahlung in der Vorwärtsrichtung 0 = 0°. Dies ist in den F i g. 3(a), 3(b) und 3(c) dargestellt, welche grafische Darstellungen wiedergeben, in Jenen die optimale Dicke jeweils über der Elektronenei.ergie für Winkel von Θ = 0°, θ = 12° und θ = 30° aufgetragen ist. Die Fig. 3(a), 3{b) und 3(c) veranschaulichen ootimalc Materialdicken für Wolfram, Kupfer bzw. Aluminium. Die optimale Dicke eines Materials für maximale Strahlung unter anderen Winkeln als den dargestellten Winkeln läßt sich durch Interpolation aus den obigen Figuren ermitteln, und die optimale Dicke von einem anderen Material als den verwendeten Materialien gemäß den obigen Darstellungen läßt sich ebenfalls durch Interpolation aus den obigen Darstellungen zwischen entsprechenden Punkten in den Fig. 3(a), i(b) und 3(c) ermitteln, welche jeweils ein Material mit hohem Z, mit mittlerem Z und mit geringem Z wiedergeben.

Um die Erzeugung von Fotoneutronen auf ein Minimum zu bringen, kann das in der ersten Schicht 3 verwendete Material ein Material mit mittlerem Z wie Ni oder Cu sein. Ein Material mit mittlerem Zkönnte ein Material sein, dessen Atomordnungszahl zwischen 25 und 58 liegt, jedoch führt die Verwendung eines Materials mit mittlerem Z zu einer Strahlung, welche eine geringere Vorwärtsintensität für dieselbe Elektronenstrahlbündelenergii; aufweist.

Die zweite Schicht 4. auf welche das Elekironenstrahlbündel auftrifft, besteht aus einem Material mit niedrigem Z. d. h. aus einem Material, welches eine Ordnungszahl unterhalb von 25 aufweist, beispielsweise aus Aluminium oder Aluminiumoxid. Die Schicht 4 muß eine minimale Dxke in der Größenordnung haben, so daß das Eleklronenstrahlbündel vollständig abgebremst wird, daß Elektronen nicht durch das Target hindurchtre L-i. Diese Dicke ist eine Funktion des in der Schicht verwendeten Materials ebenso wie der kinetischen Einergie des Elekironcnbündels. welches auf die Schicht 4 auftrifft. Ein Material mit geringem Z ist crforderlicn, um die Dämpfung des Photoncnbündcls auf ein Minimum /.u bringen, welches in der ersten Schicht 3 erzeugt wird, wahrend das F.leklronenstrnhlbündcl abgebremst wird. Die Schicht 4 dient weiterhin dazu, vorzugsweise Bremssirahlungspholonen gmt.gcr Energie zu absorbieren, wodurch die mittlere Energie dos Photonenbündels vergrößert wird. Die Erzeugung von Foloncutronen wi^rd weiterhin dadurch vermindert, daß ein Material mit geringem Z verwendet wird, welches einen hohen Schwellenwert und einen geringen Querschnitt für die Fotonetitronenerzcugurig hat. Außerdem muß die Schicht 4 keine glcichförmiKc Dicke

haben, sondern kann vielmehr in ihrer Dicke sehwanken, um die gewünschte Winkelverteilung des Photonenbündels zu erreichen.

Die Schicht 5 besteht aus einer gleichförmigen dünnen Schicht eines Materials mit hohem Z wie Wolfram oder Gold. Die Schicht 5 absorbiert vorzugsweise die Pholonen geringer Energie im Bündel in der Weise, daß die Eintrittsstrahlungsdosierung in einer Substanz, welche ähnlich aufgebaut ist wie Wasser, aus den Photonen geringer Energie, d. h. kleiner als 1 McV. nicht größer ist als diejenige von Photonen hoher Energie, d. h. größer als I MeV. Diese Schicht würde etwa 0.0b g/cm' oder 0.0094 Strahlungslängcn für Wolfram und 0.01 Strahlungslängcn für Gold dick sein.

Gemäß I i g. I liegt die Schicht 4 auf der einen Seite unmittelbar benachbart zu der Schicht 3 und auf der anderen Seite unmittelbar benachbart /ti der Schicht 5. Für medizinische Instrumente ist dies gewöhnlich tier t'aii. und /war wegen des riai/marigcis. jedoch können die Schichten auch auf Abstand voneinander angeordnet sein. Weiterhin wird es im Hinblick darauf bevorzugt, in bezug auf die Dicke das Target mit den geringstmöglichen Abmessungen zu erreichen, ein Material mit hoher Dichte für die verschiedenen Schichten zu verwenden.

In den (■" i g. 4 und 5 ist in grafischer Form die jeweils bevorzugte Dicke für die drei Schichten dargestellt, welche in einem Target gemäß der Erfindung verwendet werden, und zwar als Funktion der kinetischen Anfangsenergie der Elektronen. Die erste Schicht wurde für eine optimale Dicke festgelegt. bezogen auf die maximale Strahlung in der Vorwiirtsrichtung. Die Dicken sind in Strahlungslängcn ausgedrückt, und die in den F i g. 4 und 5 dargestellten Targets haben eine erste Schicht 3. die aus einem Material mit hohem Z wie Wolfram besteht, bzw. eine Schicht mit miitlerem Z wie Nickel. Die Strahlungslangen in g/cm-¹ für einige typische Materialien sind folgende: Al — 26.4; Ni - 13.1; W - 6.J7 und Au - 6.02.

Das Target mit einer ersten Schicht von mittlerem Z gemäß F i g. 3 erzeugt eine ßremsstrahlungsstärkc. welche etwa 10% niedriger liegt als bei dem Target mit einer ersten Schicht von hohem Z. die Fotoncutronenstärke beträgt jedoch etwa 40% weniger bei 40 MeV und 80% weniger bei 25 MeV. Die relativen Stärken der Fotoneutronenerzeugung sind unten in der Tabelle 1 für Targets dargestellt, welche dazu dienen, unter Verwendung von Nickel —Aluminium —Wolfram. Wolfram und Aluminium eine vollständige Bremsung durchzuführen, und zwar im Vergleich zu einem Target unter Verwendung von Wolfram —Aluminium —Wolfram.

• Relative F	otoncutroncncrzeugung	W	Al
Tabelle I		6,5 4.6	0.19 0.49
Elcktroncn- i energie (MlA )	W-Al-W Ni-Al-W
25 40	I 0.23 1 0.61

Die Tabellen Il und II! zeigen die relativen Aiistrittsstrahlungen für eine vollständige Bremsung in einschichtigen Aluminium- und Woiframiargcis im Vergleich zu einem Woll'ram-Aluminium-Wolfram-Targct unter Winkeln von 0° und 12° für dieselbe Eingangshündclenergie.

Tabelle Il	Al	W

I k-klmncn- W Al W	(-) (1°	β (Γ
en LTi; ic	0,83	0.69
(MlA ) (-) (Γ	0.78	0,73
50	0.74	0.76
30	0,69	0.84
20	0.64	0.86
10
5	Al	W

	β - 12°	β 12
	0.44	0.69
	0.48	0.73
	0.57	0.76
Tabelle III	0.55	0.84
Elektronen- W- Al -W	0.47	0.86
L' η ere ie
\Ι·.>\·) (-) \2~·
50
M)
20
Π)
5

Hierzu 3 Blatt Zeiclinuimen

Claims

Putentanspriiehe:

1. Target zur Umwandlung eines Elektronenstrahlbündels hoher kinetischer Energie (ca. 5 bis 50 MeV) in Röntgen-Bremsstrahlung, das eine erste Schicht aufweist, welche die Elektronenenergie in die Bremsstrahlung umwandelt, und bei dem auf der Strahlenaustrittsseite der ersten Schicht eine zweite Schicht angeordnet ist, welche aus einem Material mit niedriger Atom-Ordnungszahl (Z < 25) besteht, und die durch die erste Schicht hindurchgehenden Elektronen abbremst, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (3) aus einem Material mit einer mittleren Atom-Ordnungszahl (25 < Z< 58) besteht und eine gleichförmige Dicke

0,3 T Ui + /'· 7)-

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