DE2813964A1

DE2813964A1 - Gammastrahlen-bestrahlungskopf

Info

Publication number: DE2813964A1
Application number: DE19782813964
Authority: DE
Inventors: Guy Azam; Andre Bensussan
Original assignee: CGR MEV SA
Current assignee: CGR MEV SA
Priority date: 1977-04-01
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1978-10-05
Also published as: FR2386109B1; US4229657A; JPS53123799A; CA1115764A; FR2386109A1

Description

Dipl.-Ing Dipl-Chem. Dipl.-Ing.

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Λ-

Unser Zeichen: C 3172 30.März 1978

C.G.R. MeV

Route de Guyancourt

78530 BUC, Frankreich

Gammastrahlen-Bestrahlungskopf

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gammastrahlen-Bestrah lungs kopf für eine Panorama-Bestrahlung mit einem Bündel geladener und beschleunigter Teilchen.

Gammastrahlen werden auf bestimmten technischen Gebieten, beispielsweise in der Metallurgie, in zunehmendem Maße verwendet. Sie ermöglichen die Entdeckung von Fehlern eines bearbeiteten Teils (durch Radiographie) oder die Verfolgung der Wirkungen einer mechanischen oder thermischen Bearbeitung. Pur die Radiographie dicker Gegenstände muß eine Strahlung großer Energie verwendet werden. Zu diesem Zweck trifft ein Elektronenbündel, dessen Elektronen auf eine Energie von .2 bis 10 MeV beschleunigt worden sind, in einer evakuierten Röhre auf ein metallisches Target (Zielelektro-

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de), im allgemeinen eine Wolframpille, wodurch eine Gammastrahlung erzeugt wird. Das Target ist in einem Kupferblock befestigt und wird gekühlt, denn die kinetische Energie des größten Teils der auftreffenden Elektronen wird in Wärme umgewandelt, weshalb das Target in der Lage sein muß, eine beträchtliche Temperaturerhöhung auszuhalten. Das Durchdringungsvermögen der Strahlen ist umso größer, je größer die Anodenspannung ist. Die Emissionskeule der Strahlung ist umso schmaler (gerichtete Strahlung), je größer die Energie der auftreffenden Elektronen ist. Für eine Bestrahlung in einem großen Raumwinkel ist es möglich, die rückgestreute Bremsstrahlung zu verwenden; Die Strahlung ist dann zerstreut, aber sie ist nur für geringe Energien beträchtlich. Die Erfahrung zeigt also, daß mit den üblichen Bestrahlungsköpfen, bei denen das Target eine in der Achse des Bündels beschleunigter Elektronen angeordnete Wolframpille ist, die Emission von Gammastrahlen hoher Energie nicht mit einer Streuung der Strahlung vereinbar ist; es ist daher nicht möglich, gleichzeitig mehrere rings um das Target verteilte Gegenstände oder einen hohlen Gegenstand mit einer energiereichen Strahlung zu bestrahlen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Bestrahlungskopfes für eine Panorama-Bestrahlung, wobei die emittierten Strahlen einen großen Raumwinkel einnehmen. Zu diesem Zweck ist das verwendete Target zur Achse des beschleunigten Teilchenbündels rotationssymmetrisch, und es sind Einrichtungen zur Ablenkung der beschleunigten Elektronen vorgesehen, damit die Elektronen das rotationssymmetrische Target treffen.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 die Emissionskeulen, die der Verwendung eines

herkömmlichen Targets entsprechen, Figur 2 die Emissionskeulen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 3 die Emissionskeulen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 4 eine erste Ausführungsform des Bestrahlungskopfes nach der Erfindung, bei welchem die Bestrahlung gleichzeitig in allen Azimutrichtungen erfolgt,

Figur 5 eine zweite Ausführungsform des Bestrahlungskopfes nach der Erfindung, bei welchem die Bestrahlung gleichzeitig in allen Azimutrichtungen erfolgt und

Figur 6 eine dritte Ausführungsform des Bestrahlungskopfes nach der Erfindung, bei welchem die Panoramabestrahlung dadurch erfolgt, daß das Target durch das Elektronenbündel abgetastet wird.

Die Emission von Gammastrahlen großer Energie mit Hilfe eines Linearbeschleunigers geschieht auf folgende Weise: Elektronen werden von einer Thermoemissionskathode unter einer Beschleunigungsspannung von beispielsweise 30 bis 50 kV geliefert. Diese Elektronen werden anschließend in einem UHF-Beschleunigungsabschnitt (mit einer Frequenz von einigen tausend MHz) durch Impulse von mehreren Mikrosekunden und großer Leistung (einigen Megawatt) beschleunigt, und sie treffen auf das Target auf, das im allgemeinen eine Wolframpille ist. Wenn

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ein Elektron das Target trifft, erfolgt eine plötzliche Bremsung und die Emission einer elektromagnetischen Strahlung. Elektronen des Bündels verursachen ferner die Ionisierung gewisser Atome des Targets, und die Wanderungen der Elektronen zwischen den verschiedenen Atomhüllen verursachen die Emission von Photonen. Die Intensität der Strahlung hängt von der Heizspannung der Kathode ab, und die Richtwirkung der emittierten Strahlung hängt von der Energie der emittierten Gammastrahlen ab· In Figur 1, die den Stand der Technik zeigt, emittiert ein Wolframtarget 1 unter dem Aufprall des Elektronenbündels eine Strahlungskeule 2 bei Elektronen mit einer Energie von 2 MeV, eine Strahlungskeule 3 bei Elektronen mit einer Energie von 5 MeY und eine Strahlungskeule 4 bei Elektronen mit einer Energie von 10 MeY; die schmalere Keule 4 entspricht einer stärker gerichteten Strahlung.

Figur 2, die einer Ausführungsform der Erfindung entspricht, zeigt ein Target 5 aus Wolfram in Form eines Kegelstumpfes, das unter dem Aufprall eines abgelenkten Elektronenbündels e~ eine Strahlungskeule 6 emittiert. Das Ablenksystem für das Elektronenbündel e~ ist so beschaffen, daß die Aufprallzone auf dem Target einen Kreis beschreibt, der zentrisch zur Achse des nicht abgelenkten Bündels liegt, und das Ende der Strahlungskeule beschreibt ebenfalls einen Kreis mit dem Radius R in der senkrecht zur Achse des beschleunigten Bündels liegenden Ebene. Eine andere Stellung der Strahlungskeule ist in Figur 2 gestrichelt dargestellt.

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Bei der Anordnung von Figur 3, die einer zweiten Ausführungsform der Erfindung entspricht, wird das beschleunigte Elektronenbündel e~ mit Hilfe eines Elektronen-Ablenksystems divergierend gemacht, so daß es auf einem großen Teil der Oberfläche eines sphärischen Targets 7 auftrifft. Die emittierte Gammastrahlung 8 nimmt einen großen Raumwinkel ein, und sie ermöglicht die Bestrahlung von Gegenständen, die im Innern der dargestellten Zone liegen. Figur 4- zeigt eine Schnittansicht eines Gammastrahlen-Bestrahlungskopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Die Haube 20 des Bestrahlungskopfes enthält ein Vakuumgefäß 21, in dem ein Bündel 22 beschleunigter Elektronen läuft. Das Elektronenbündel ist vor einer Fokussierungelinse 2? leicht divergierend. Diese Linse ist durch Magnetspulen gebildet, durch die im Betrieb ein Strom fließt, so daß das erzeugte Magnetfeld die Elektronen konvergieren läßt. Bei einer üblichen Einrichtung dieser Art ist das Magnetfeld so beschaffen, daß die Elektronen am Punkt A konvergieren, an dem ein Wolframtarget 24 angeordnet ist. Di· Vorrichtung nach der Erfindung enthält zusätzlich zu dem Target 24 ein Target 26, das eine zur Achse des Elektronenbündels rotationssymmetrische Fläche hat. Di· Targets sind In einem Kupferblock 26 befestigt. Das Target 25 hat kleine Abmessungen, da der Durchmesser des Bestrahlungskopfes nach der Erfindung nur einige Zentimeter beträgt.

Venn der Strom in den Magnetspulen zunimmt, wächst auch das Magnetfeld, und der Fokuseierungepunkt des Elektronenbündels wandert auf der Achse beispielsweise bis zu dem Punkt B. Hinter diesem Punkt ist das

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Bündel dann wieder divergierend, und es nimmt einen Raumwinkel ein, der umso größer ist, je größer der Strom ist. Die Elektronen treffen auf einen Teil der Oberflache des rotationssymmetrischen Targets 25 auf. Yon jedem Punkt dieses Targets wird eine Gammastrahlungskeule emittiert; insgesamt ist die Photonenkeule rotationssymmetrisch, und sie ermöglicht die gleichzeitige Bestrahlung von Gegenständen, die den Bestrahlungskopf ringsum die ganze Seitenwand umgeben. Bei einem solchen Betrieb trifft ein Teil des llektronenbündels auch auf das direkte Target 24 auf, das auf der Achse des Elektronenbtindels liegt, doch ist der auf dieses direkte Target treffende Anteil der Strahlung gering (nämlich im Verhältnis der Flächen).

Das rotationssymmetrische Target 25 kann, wie das direkte Target 24, direkt hinter dem Beschleunigungsabschnitt des Beschleunigers angebracht sein, oder auch am Ende eines Laufraumes·

Figur 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Gammastrahlen-Bestrahlungskopfes nach der Erfindung. Die gleichen Beetandteile wie in Figur 4 sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei der Anordnung von Figur 5 hat das Ende des Bestrahlungskopfes die Form einer Kugelkalotte, ebenso wie das Target 27, das an die'Form der Innenwand angepaßt ist.

Bei diesen beiden Ausführungsformen des Bestrahlungskopfes nach der Erfindung erfolgt di© Bestrahlung in einem Raumwinkel; die Elektronen werden also auf ein Target verteilt, dessen Oberfläche groß im Vergleich

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zu der Oberfläche der üblichen Targets ist. Zur Erzielung eines genügend kontrastreichen Bildes des zu untersuchenden Gegenstandes ist es demzufolge notwendig, diese Oberfläche für eine ausreichend lange Zeit zu bestrahlen, damit jeder Punkt die erforderliche Photonenmenge empfängt.

Der in Figur 6 dargestellte Bestrahlungskopf ermöglicht die Ablenkung des Elektronenbündels in seiner Gesamtheit derart, daß er das Target in einer Auftreff zone von kleiner Oberflächenausdehnung trifft. Diese Auftreffzone kann auf dem Target entweder schrittweise verschoben werden, so daß dann Bilder jedes der Punkte des zu analysierenden Gegenstandes erhalten werden, oder auch kontinuierlich, wobei die Auftreffzone das Target in einem Rhythmus bestreicht, der durch die Frequenzen der den Ablenkspulen zugeführten Ströme bestimmt ist.

In Figur 6 sind wieder die gleichen Bestandteile wie in den Figuren 4 und 5 mit den gleichen Bezugszeichen wie dort versehen. Die Haube des Bestrahlungskopfes 20 enthält wieder ein Vakuumgefäß 21, durch das ein Bündel 22 beschleunigter Elektronen läuft. Das Wolframtarget 25 hat die Form eines Kegelstumpfes. Bei dieser Ausftihrungsform wird das beschleunigte Elektronenbündel in seiner Gesamtheit gegenüber der Achse des ankommenden Elektronenbündels abgelenkt und rings um diese Achse in Drehung versetzt; dies geschieht mit Hilfe eines magnetischen Vierpols 40, dessen Anschlußschema im unteren Teil von Figur 6 dargestellt ist, wo der im oberen Teil von Figur β im Längsschnitt gezeigte Bestrahlungskopf in einer

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Querschnittsansicht in der Ebene X-X gezeigt ist. Ein Strom I₁ fließt durch die Wicklungen der Pole 41 und 42 zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2, während ein Strom I₂ durch die Wicklungen der Pole 43 und 44 zwischen den Punkten 3 und 4 fließt. Die Ströme I₁ und I₂ sind Sinusströme der Kreisfrequenzω , die gegeneinander um π/2 phasenverschoben sind.

Die Pole 41 und 42 erzeugen eine Augenblicks-Induktion B_ = Bo _ sin ω tin der Richtung der X-Achse, wobei Bo die größte Amplitude der Induktion in der Richtung der X-Achse ist.

Unter der Wirkung dieser Induktion erfährt das Elektronenbündel in der Richtung der X-Achse die folgende Ablenkung:

χ = k Bo ein ut.

Die Pole 43 und 44 erzeugen eine Augenblicks-Induktion B = Bo cosut In der Richtung der Y-Achse, wobei Bo die größte Amplitude der Induktion in der Richtung der Y-Achse 1st. Unter der Wirkung dieser Induktion erfährt das Elektronenbündel in der Richtung der Y-Achse die folgend· Ablenkung:

y = k Bo cos ut.

Dabei 1st k ein· Konstante, die von der Länge, der !Form der Pq 1· des Vierpole und der Strecke abhängt, die das Bund·! nach dem Verlassen d*e Raumes, in dem die Wechselwirkung mit den Hagnetfeldern stattfindet, bis zum Target zurückgelegt hat. Der Mittelpunkt der Auftreffzone des Bündels auf dem Target in einer senkrecht zur Achse des Bestrahlungskopfes liegenden Ebene beschreibt einen Kreis, wenn die Komponenten Βο_χ und

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Mi -

Bo in der X-Richtung bzw. der Y-Richtung gleich sind, oder eine Ellipse, wenn diese Komponenten voneinander verschieden sind.

Derartige Wechselströme machen es also möglich, daß die Auftreffzone beispielsweise einen Kreis auf dem Wolfram-Target beschreibt, wobei die Achse der Strahlungskeule dann einen Kegelstumpf erzeugt. Wenn bei der gleichen Vorrichtung die Ströme I^ und I« auf konstante Werte eingestellt werden, wird das Elektronenbttndel aus seiner Bahn in der Richtung der X-Achse und der Y-Achse um konstante Werte abgelenkt, und es bleibt feststehend, solange die Ströme I₁ und I₂ ihren Wert nicht ändern. Eine derartige Vorrichtung ermöglicht die punktweise Untersuchung von Strukturen, in welch· der Beetrahlungskopf eingeführt werden kann. Durch Vergrößerung des durch die Ablenkspulen fliessenden Stroms wird das Elektronenbündel um einen größeren Winkel abgelenkt, und wenn die Form der Pole und die Form des Vakuumgefäßes so gewählt werden, daß das Elektronenbündel von den Wänden des Gefäßes nicht blockiert wird und einwandfrei auf das Target auftrifft, ist es im Grenzfall möglich, eine Gammastrahlungskeule zu erhalten, deren Achs· senkrecht zu der Ach·· d·· ·infallenden Elektronenbündels liegt, so daß die Bestrahlung dann in Bezug auf die Rotationssymmetrieachse des Beetrahlungskopf·β radial erfolgt.

Man erhält mit einer solchen Vorrichtung eine Panorama-Bestrahlung durch Abtastung dee rotationssymmetrischen Targets,wobei sich das Elektronenbündel um die Achse des Bestrahlungskopfes dreht.

Di· Erfindung ist aicht auf die beschriebenen und dar-

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- If »

gestellten Ausführungsformen des Bestrahlungskopfes beschränkt. Insbesondere ist die Form des Targets nicht auf die beschriebenen Beispiele eines Kegelstumpfes oder einer Kugelkalotte beschränkt; beispielsweise kann ein Target in Form eines rotationssymmetrischen Zylinders verwendet werden. Damit aber die emittierte Strahlung für die verschiedenen Azimutrichtungen homogen ist, muß darauf geachtet werden, daß die Einfallsrichtungen der Elektronen in den entsprechenden Zonen des Targets nicht so sehr voneinander verschieden sind. Die in den Zeichnungen dargestellten Formen ermöglichen den Beschüß des Targets unter nahezu senkrechten Einfallsrichtungen, unabhängig von dem Azimutwinkel.

Ferner war bei der Beschreibung des Abtastbetriebs angegeben worden, daß die durch die beiden Elektromagnete fließenden Ströme die gleiche Kreisfrequenz haben. Wenn diese Ströme verschiedene Kreisfrequenzen haben, kann immer noch eine Abtastung des Targets durchgeführt werden, doch wird dann eine Liasajous-Figur beschrieben«

Schließlich können die beschriebenen Ablenksysteme für die Erzielung der gewünschten Ergebnisse am einfachsten angewendet werden (Ablenkung des Bündels in seiner Gesamtheit mit Abtastung dee Targets, oder Verwendung eines divergierend gemachten Bündels zur Erfassung eines Raumwinkels). Es können auch Ablenksysteme verwendet werden, bei denen mehrere Polpaare angewendet werden, um das Bündel geladener Teilchen um die Achse des Bestrahlungskopfes zu drehen. Zur Erzielung einer periodischen Abtastung des rotationssymmetrisch^ Targets ist es beispielsweise

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möglich, drei Polpaare zu verwenden, die mit Strö men gespeist werden, die um π/5 phasenverschoben sind, oder allgemein η Polpaare, die mit Strömen gespeist werden, die um ττ/η phasenverschoben sind und ein rotierendes Magnetfeld erzeugen.

Der beschriebene Bestrahlungskopf kann in einem tragbaren Beschleuniger verwendet werden, beispielsweise für Sondierungen bei der Erdölsuche, für die medizinische Radiographie oder in der Metallurgie für die Untersuchung von Blechen, Eesselmänteln oder Hohlteilen.

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Claims

Patentanwälte 28139t Dipl.-lng. 34 Dipl.-lng. Dipl.-Chem. G. Leiser E. Prinz Dr. G. Hauser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60

Unser ZeichemC 3172 30.März 1978

C.G.R. MeV

Route de Guyancourt

78530 BUC Prankreich

Patentansprüche

M .jGamraastrahlen-Bestrahlungskopf für eine Panorama-Bestrahlung unter Verwendung eines Bündels geladener und beschleunigter Teilchen, gekennzeichnet durch eine elektromagnetische Ablenkvorrichtung für die geladenen Teilchen und durch ein Target mit einer zur Achse des Bestrahlungskopfes relationssymmetrischen aktiven Fläche, wobei die Ablenkvorrichtung die Teilchenbahnen von der Achse derart entfernt, daß die Teilchen die aktive Fläche des Targets treffen*

2» Gammastrahlen-Bestrahlungskopf nach Anspruch 1_g dadurch gekennzeichnet, daß ä&s Sarget die Form eines mit dem Bsstrahlungskopf gleichaehsigen lege!stumpfes hat j wobei die kleiae (Jrunäf lache öas Kegels das Ende des Bestrahlungskopfes bildete

3. Gammastrahlen-Bestrablungsfcopf nach Anspruch 1_? da-

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durch gekennzeichnet, daß das Target die Form einer zentrisch zur Achse des Bestrahlungskopfes liegenden Kugelkalotte hat.

4. Gammastrahlen-Bestrahlungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung eine mehrpolige magnetische Vorrichtung ist, die das Bündel geladener Teilchen in seiner Gesamtheit in eine mittlere Richtung ablenkt und auf dem Target konvergieren läßt, und daß die Ablenkvorrichtung von einem Stromversorgungskreis so gespeist wird, daß sich das Magnetfeld um die Achse des Bestrahlungskopfes dreht, so daß die mittlere Richtung des Teilchenbündels veränderlich ist und die Auftreffzone auf dem Target wandert.

5. Gammastrahlen-Bestrahlungskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Ablenkvorrichtung vierpolig ist, und daß die Spulen der Polteile des Vierpols im Stromversorgungskreis paarweise in Serie mit zwei um 90° phasenverschobenen Sinusströmen gespeist werden, damit das Target να« Teilchenbündel periodisch abgetastet wird.

6. Gammastrahlen-Bestrahlungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3s dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung ein® magnetische Pokassiervorrichtung ist, äi© das Teilehenbündel auf der Achse des Bestrahlungskopfes vor äem Target konvergieren läßt5 so daß das Target ein divergierendes Teilchenbünäel empfängt_o

7« Garamastrahlsn-Bsstrahlangslcopf nach Anspruch 2₉ äa-

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durch gekennzeichnet, daß ein direktes Target in der Achse des Bestrahlungskopfes auf der kleinen Grundfläche des Kegelstumpfes angeordnet ist, und daß die Ablenkvorrichtung für die geladenen Teilchen bei einer direkten Bestrahlung nicht gespeist wird.

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