DE2910250A1

DE2910250A1 - Quelle fuer polychromatische roentgenstrahlung

Info

Publication number: DE2910250A1
Application number: DE19792910250
Authority: DE
Inventors: Yoshio Fukuda; Sho Kusumoto; Sadao Nemoto; Naoki Sakurama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-03-16
Filing date: 1979-03-15
Publication date: 1979-09-20
Also published as: GB2017469A; JPS601576B2; DE2910250B2; GB2017469B; JPS54122176A; DE2910250C3; US4284887A

Description

BISCHEl IBUN5

Die Erfindung bezieht sich auf eine polychromatische Röntgenstrahl enquel Ie zur Verwendung bei einem Röntgenstrahlen· beugungsgerät und betrifft insbesondere eine Röntgenstrahlenquelle, bei der von einen radioaktiven Nuclid ausgesandte Gammastrahlen in polychromatische Röntgenstrahlen verwandelt werden und bei der die polychroaatiscben Röntgenstrahlen zu einem parallelgerichteten Röntgenstrahlenbündel vereinigt werden, das auf einen zu messenden Gegenstand geworfen wird.

Als typisches Beispiel für ein mit polychromatischen Röntgen« strahlen arbeitendes Beugungsgerät sei ein Spannungsmeßgerät genannt, bei dem polychromatische Röntgenstrahlen verwendet werden; ein solches Gerät wird im folgenden der Einfachheit halber kurz als Spannungsmeßgerät bezeichnet· Ein solches Spannungsmeßgerät arbeitet in der nachstehend beschriebenen Weise. Polychromatisehe Röntgenstrahlen werden auf ein polykristallines Objekt geworfen, das gemessen werden soll. Die durch die kristallographischen Ebenen des Objekts gebeugten Röntgenstrahlen werden erfaßt bzw. nachgewiesen, so daß man die Energiewerte der nachgewiesenen Röntgenstrahlen messen kann, um die gewünschten Informationen über die Verteilung der auf das Objekt wirkenden mechanischen Spannungen oder über Ermüdungsschäden zu erhalten, die bei dem Objekt nach wiederholtem Aufbringen von Spannungen aufgetreten sind« Ein solches mit polychromatischen Röntgenstrahlen arbeitendes SpannungsneSgerät ist z.B. in der US-PS 4 128 762 beschrieben.

Bei einem solchen Spannungsmeßgerät wird als Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung gewöhnlich eine Röntgenröhre verwendet. Bei einer Röntgenröhre bekannter Art ist es erforderlich, eine Absaugpumpe zum Evakuieren der Röntgenröhre,

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eine stabile Hochspannungsquelle oder einen Hochleistungstransformator zum Erzeugen der Röntgenstrahlen sowie eine Einrichtung zum Kühlen der Röntgenröhre zu benutzen« Daher nehmen die gegenwärtig gebräuchlichen Quellen für polychromatische Röntgenstrahlung einen erheblichen Raum ein, sie haben ein großes Gewicht, und sie sind teuer; außerdem haben Röntgen« Strahlenbeugungsgeräte mit einer Quelle für polychromatische Röntgenstrahlen nicht nur große Abmessungen, sondern man benötigt auch viel Zeit, um sie betriebsbereit zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung zur Verwendung bei einem Röntgenstrahlenbeugungsgerät zu schaffen _t die kleine Abmessungen hat, die sich innerhalb sehr kurzer Zeit für eine Messung betriebsbereit machen läßt und bei der man ohne Verwendung einer stabilen Hochspannungsquelle bzw. eines.Transformators, einer Vakuumpumpe und einer Kühleinrichtung auskommt. Ferner soll eine Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung zur Verwendung bei einem Röntgenstrahlenbeugungsgerät geschaffen werden, bei dem die polychromatische Röntgenstrahlung aus der von einem radioaktiven Nuclid ausgesandten Gammastrahlung gewonnen wird.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung einer Röntgenstrahlenquelle für polychromatische Röntgenstrahlung zur Verwendung bei einem Röntgenstrahlenbeugungsgerät gelöst, bei dem polychromatisehe Röntgenstrahlen auf eine zu analysierende Probe geworfen werden, bei dem die Energiewerte der durch die kr!stenographischen Ebenen der Probe gebeugten Röntgenstrahlen gemessen werden und bei dem die physikalischen Eigenschaften der Probe auf der Basis der gemessenen Energie» werte ermittelt werden. Zu der Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung gehört ein Behälter aus einem die Strahlung abschirmenden Material mit einem Röntgenstrahlen-Austrittskanal; dieser Behälter enthält ein Radionuclid zum Aussenden radioaktiver Strahlen sowie einen Stoff zum Streuen und Ab-

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sorbieren der radioaktiven Strahlen, die von dem Stoff ausgehen, derart daß man polychromatische Röntgenstrahlen erhält. Die von dem Stoff abgegebenen polychromatischen Röntgenstrahlen durchlaufen den Röntgenstrahlen-Austrittskanal und werden dann mit Hilfe eines Soller-Schlitzes parallelgerichtet, um dann auf die Probe geworfen zu werden. Der Austrittskanal ist mit einer Schiebetür versehen, damit das Austreten der polychromatischen Röntgenstrahlen nach Bedarf verhindert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild ein Spannungsmeßgerät mit einer erfindungsgemäßen Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung; und

Fig. 2 bis 6 jeweils einen Axialschnitt, der den Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung zeigt.

In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild ein typisches Beispiel für ein Spannungsmeßgerät dargestellt, zu dem eine erfindungsgemäße Quelle 10 für polychromatische Röntgenstrahlung gehört, die ein radioaktives Nuclid enthält, welches Gammastrahlen aussendet, die in polychromatische Röntgenstrahlen verwandelt werden, welch letztere dann auf einen zu messenden Gegenstand geworfen werden. Die auf den Gegenstand 12 geworfenen polychromatischen Röntgenstrahlen werden durch die kristallographischen Ebenen in dem Gegenstand 12 als gebeugte Röntgenstrahlen in verschiedenen Richtungen reflektiert. Ein ortsfest angeordneter Halbleiterdetektor 14 zum Nachweisen von Röntgenstrahlen nimmt nur diejenigen Komponenten der gebeugten Röntgenstrahlen auf, welche eine Wellenlänge haben, die der Bedingung von Bragg entspricht. Das nachgewiesene Signal wird durch einen Vorverstärker 16 und einen linearen Verstär-

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ker 18 verstärkt, und das verstärkte Signal wird einem Mehrkanal-Impulshöhenanalysator 20 zugeführt, mittels dessen die Inergieverteilung der einfallenden Röntgenstrahlen im Wege der Impulshöhenanalyse bestimmt wird. Die so ermittelte Energieverteilung wird mit Hilfe eines Registriergeräts 22 aufgezeichnet oder mit Hilfe eines Rechners 24 weiter analysiert, um die bei dem Gegenstand 12 vorhandenen Spannungen oder Ermüdungsschäden zu ermitteln.

Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt einer polychromatische Röntgenstrahlung liefernden Quelle zum Gebrauch in Verbindung mit dem Röntgenstrahlenbeugungsgerät nach Fig. 1. Gemäß Fig. 2 ist ein Behälter 28 vorhanden, der aus einem Strahlungsabschirmungsmaterial, z.B. Blei, besteht und eine Öffnung 30 zum Einführen bzw. Entnehmen eines radioaktiven Nuclids sowie einen Strahlungsaustrittskanal 32 aufweist* Ein Radionuclid 34 wird von einem Stopfen 36 aus durch ein Halteteil 38 unterstützt. Der Stopfen 36 läßt sich mit festem Sitz in die Öffnung 30 einbauen, um das Radionuclid 34 in dem Behälter 28 starr zu unterstützen. Hit dem Behälter 28 ist durch ein weiteres Halteteil 42 ein Strahlungsreflektor 40 verbunden, der aus einem Schwermetall, z.B. Gold oder Wolfram, besteht und als konkaver Spiegel ausgebildet ist. In seiner Gebrauchsstellung ist das Radionuclid 34 im Brennpunkt des konkaven Reflektorspiegels 40 angeordnet. Bas Radionuclid 34 ist zusätzlich in eine Strahlungsabschirmung bzw. einen reflektierenden Stoff 44 eingeschlossen, wobei diese Abschirmung jedoch in Richtung auf den Reflektor 40 offen ist. Bei dem Radionuclid 34 handelt es ich um einen Gammastrahler, z.B. ein Radioisotop von Rhodium, Americium oder Thulium. Die von dem Radionuclid 34 ausgesandten Gammastrahlen werden durch den Reflektor 40 zurückgeworfen und als nahezu parallelgerichtetes Strahlenbündel auf den Austrittskanal 32 gerichtet. Die Einfallswinkel der Gammastrahlen gegenüber dem Reflektor 40 variieren in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Reflektors 40 und dem Einfallspunkt, so daß die durch die Atome des Reflektors einer

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Compton-Streuung unterworfenen Gammastrahlen in polychromatische Röntgenstrahlen verwandelt werden, die einen großen Wellenlängenbereich haben, wobei die Wellenlängen größer sind als diejenigen der ursprünglichen Gammastrahlen. Die polychromatischen Röntgenstrahlen werden durch den Austrittskanal 32 zu einem Soller-Schlitz 46 geleitet, durch den die einfallenden Röntgenstrahlen parallelgerichtet werden. Beispielsweise haben die von Axnericium 241 ausgesandeten Gammastrahlen eine typische Energiespitze von etwa 0,06 MeV, und daher kann man mit Hilfe der Compton-Streuung polychromatische Röntgenstrahlen mit einem Energieband von 5 bis 40 keV erhalten. Das Radioisotop 241 von Americium sendet neben Gammastrahlen auch Betastrahlen aus, welch letztere durch die Erscheinung der Bremsstrahlung in polychromatische Röntgenstrahlen verwandelt werden. Der Reflektor 40 ruft nicht nur die Compton-Streuung hervor, sondern er absorbiert auch einfach die Strahlungsenergie. Daher enthalten die polychromatischen Röntgenstrahlen, welche durch den Reflektor 40 in Richtung auf den Austrittskanal 32 zurückgeworfen werden, notwendigerweise diejenigen Röntgenstrahlen, welche durch die einfache Absorption und Reflexion der Bremsstrahlung durch den Reflektor 40 entstehen. Die auf diese Weise erzeugten polychromatischen Röntgenstrahlen werden durch den Soller-Schlitz 46 in ein parallelgerichtetes Strahlenbündel verwandelt und auf den zu messenden Gegenstand geworfen. Der Strahlungsaustrittskanal 32 ist ferner mit einer Schiebetür 48 aus einem Röntgenstrahlen abschirmenden Material, z.B. Blei, versehen. Um die polychromatischen Röntgenstrahlen als parallelgerichtetes Strahlenbündel abzugeben oder zurückzuhalten, kann man die Schiebetür 48 nach Bedarf öffnen oder schließen. Ist die Schiebetür geschlossen, wird die Strahlung durch das die Strahlung absorbierende Material in dem Behälter 28 zurückgehalten.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung. In diesem Fall hat eine radioaktive Substanz bzw. ein Radio-

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isotop 52 die Form einer Scheibe, so daß die von dem Radioisotop ausgesandten Gammastrahlen in Richtung auf den Soller-Schlitz 46 eine gleichmäßige Intensität haben können. In dem Behälter 23 ist zwischen dem Radioisotop 52 und dem Soller-Schlitz 46 und vorzugsweise nahe der inneren Mündung des Strahlungsaustrittskanals 32 eine Schirm 34 angeordnet, der aus einem Soff besteht, welcher geeignet ist, bei Gammastrahlen eine Compton-Streuung herbeizuführen, z.B. aus einem Schwermetall wie Gold oder Wolfram.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung ist der Schirm 54, der bei den Gammastrahlen eine Compton-Streuung hervorruft, so dünn, daß sich eine geringe Anzahl von Streuungsvorgängen ergibt. Bei dieser Konstruktion ergibt sich eine Quelle zum Erzeugen polychromatischer Röntgenstrahlen, die bei Messungen verwendbar sind, bei welchen man Röntgenstrahlen mit nur einem engen Bereich von Energieniveaus benötigt. Durch Variieren der Dicke des Schirms 54 ist es möglich, den Bereich der Energieniveaus der abgegebenen Röntgenstrahlung nach Bedarf zu wählen.

Fig. 4 zeigt im Schnitt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung. Gemäß Fig. 4 wird ein Gammastrahlenemitter 56 verwendet, bei dem ein pulverisiertes Radioisotop gleichmäßig in einem Formkörper verteilt ist, der aus einem Schwermetall wie Gold oder Wolfram besteht und geeignet ist, Gammastrahlen durch den Compton-Effekt zu streuen. Diese Ausführungsform ähnelt bezüglich ihrer Wirkungsweise einer Anordnung, bei der ein Stoff, welcher eine Streuung von Gammastrahlen durch den Compton-Effekt herbeiführt, zwischen einem Radioisotop und einem Soller-Schlitz im Weg der Gammastrahlen angeordnet ist.

Bei dieser Ausführungsform haben die erzeugten polychromatischen Röntgenstrahlen einen sehr großen Energieniveaubereich, da sich die von verschiedenen Teilchen des pulverförmigen

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Radioisotops ausgesandten Gammastrahlen längs unterschiedlicher Strecken fortpflanzen, bevor sie aus der äußeren Fläche des Formkörpers austreten.

Bei der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle ergibt sich scheinbar ein Problem daraus, daß die Intensität der Strahlung des Emitters im Laufe der Zeit abnehmen könnte, da als Röntgenstrahlungsquelle ein Radioisotop verwendet wird. Dieses Problem läßt sich jedoch leicht lösen, wenn man ein Radioisotop mit einer langen Halbwertzeit verwendet, z.B. Americium 241 mit einer Halbwertzeit von 458 Jahren. Während eine Zeitspanne abläuft, die 1/100 der Halbwertzeit entspricht, d.h. 4,58 Jahren im Fall von Americium 241, geht die Intensität der Strahlung des Radioisotops um den Faktor von etwa 0,01 zurück. Dies bedeutet, daß man die änderung der Intensität der Strahlung der Strahlungsquelle gemäß der Erfindung geringer machen kann als bei den bekannten Geräten, bei denen Röntgenröhren verwendet werden.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der als Radioisotop 60 ein Gas, z.B. Krypton 85, verwendet wird. Der Hauptraum in dem Behälter 28 ist mit dem radioaktiven Gas 60 gefüllt, und die innere Mündung des Strahlungsaustrittskanals 32 ist durch ein Dichtungsteil 62 abgeschlossen, das einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen aufweist und dazu dient, das Entweichen des gasförmigen Isotops 60 zu verhindern. Die von dem Radioisotop ausgesandten Gammastrahlen durchlaufen das Abdichtungsteil 62 und werden dann durch einen Schirm 64 aus Gold oder Wolfram gestreut und absorbiert, so daß sie in polychromatische Röntgenstrahlen umgewandelt werden, welche durch den Soller-Schlitz 46 parallelgerichtet werden und dann die Strahlungsquelle verlassen. Bei Krypton 85 herrscht die Bremsstrahlung, deren Intensitätswerte bei abnehmenden Energieniveaus zunehmen, in dem Wellenlängenbereich vor, der demjenigen von Röntgenstrahlen entspricht. Daher kann der größte Teil der durch den Schirm 64 erhaltenen polychromatischen Röntgenstrahlen von der Teilabsorption der

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Bremsstrahlung und nicht etwa von der Compton-Streuung der Gammastrahlen herrühren. Die in Frage kommenden polychromatischen Röntgenstrahlen sollen vorzugsweise eine gleichmäßige Intensität über einen großen Wellenlängenbereich haben, so daß es erforderlich ist, das Material und die Dicke des Schirms 64 entsprechend zu wählen. Wird als Radioisotop Kryptongas verwendet, kann der Schirm aus Aluminiumfolie bestehen, so daß »an polychromatische Röntgenstrahlen mit einer flachen Intensitatskennlinie erhält, denn der Absorptionskoeffizient von Aluminium für Gammastrahlen nimmt mit der Abnahme des Energieniveaus der einfallenden Gammastrahlen zu« Die Aluminiumfolie kann durch andere Metallfolien, z.B. Zinnfolie oder dergl., ersetzt werden. Da jedoch solche Metallfolien mit Ausnahme von Aluminiumfolie bezüglich der Gammastrahlung einen Absorptionskoeffizienten aufweisen, der mit der Abnahme des Energieniveaus der einfallenden Gammastrahlen schnell zunimmt, läßt sich nur schwer eine flache Kennlinie erreichen.

Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der als streuendes Material anstelle des erwähnten Schwermetalls eine Gas- oder Flüssigkeitsschicht verwendet wird. Gemäß Fig. 6 muß die Gas- oder Flüssigkeitsschicht 68 eine größere Dicke haben als die Metallfolie, da sie im Vergleich zu der Metallfolie einen kleineren Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen hat. Da ferner der Grad der Zunahme des Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen bei einem Gas oder einer Flüssigkeit bei abnehmendem Energieniveau der einfallenden Gammastrahlen niedriger ist als bei einem Metall und da die Xnderung des Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Xnderung des Energieniveaus einer linearen Funktion entspricht, herrschen Gammastrahlen mit niedrigeren Energieniveaus vor.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht das Material zum Streuen der Gammastrahlen aus einem einzigen Element. Jedoch beschränkt sich die Erfindung nicht hierauf.

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Beispielsweise könnte man auch ein zusammengesetztes Streuglied verwenden, das aus mehreren Elementen in Form einer Legierung oder einer Kombination einzelner Platten besteht, um den erhaltenen Röntgenstrahlen eine gleichmäßige Intensität über einen großen Wellenlängenbereich zu verleihen.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist durch die Erfindung eine Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung geschaffen worden, die kleiner, leichter und billiger ist als die bekannten Quellen für polychromatische Röntgenstrahlung, bei denen man eine Röntgenröhre in Verbindung mit einer stabilen Hochspannungsquelle bzw. einem Transformator, eine Vakuumpumpe und eine Kühleinrichtung benötigt. Ferner ist es gemäß der Erfindung möglich, die Abgabe der polychromatischen Röntgenstrahlung nach Bedarf einzuleiten bzw» zu beenden; hierzu ist es nur erforderlich, eine Schiebetür zu öffnen bzw. zu schließen; somit ergibt sich kein Zeitaufwand, um die Strahlungsquelle zur Durchführung einer Messung gebrauchsbereit zu machen. Weiterhin ist es möglich, polychromatische Röntgenstrahlen mit einem gewünschten Bereich von Energieniveaus und der gewünschten Intensitätskennlinie zu erzeugen, indem man als Gammastrahler entsprechende Radioisotope und zum Streuen der Gammastrahlen geeignete Materialien wählt. Schließlich erleichtert die Erfindung die Untersuchung von Gegenständen mit großen Abmessungen oder von komplizierter Form mit Hilfe der Beugung von polychromatischen Röntgenstrahlen.

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Claims

HITACHI, LIMITED DEA-14412

15« März 1979

Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung ANSPRÜCHE

Strahlungsquelle für polychromatische Röntgenstrahlung zur Verwendung bei einem mit polychromatischer Röntgenstrahlung arbeitenden Beugungsgerät, bei dem polychromatische Röntgenstrahlung auf eine zu untersuchende Probe geworfen wird, wobei die Energiewerte der durch die kristallographischen Ebenen der Probe gebeugten Röntgenstrahlen gemessen und die physikalischen Eigenschaften der Probe auf der Basis der gemessenen Energiewerte ermittelt werden, gekennzeichnet durch einen aus einem Strahlungabschirmungsmaterial hergestellten Behälter (28) mit einem Röntgenstrahlen-Austrittskanal (32), ein in dem Behälter angeordnetes Radionuclid (34) zum Aussenden radioaktiver Strahlen, einen

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in dem Behälter angeordneten Stoff zum Erzeugen polychromatischer Röntgenstrahlung durch Streuen und Absorbieren der von dem Radionuclid ausgesandten radioaktiven Strahlen, eine Einrichtung (48) zum Öffnen und Schließen des Kanals, längs dessen sich die polychromatisehe Röntgenstrahlung von dem Stoff aus in Richtung auf die Probe (12) fortpflanzt, sowie einen Soller-Schlitz (46), der nahe dem äußeren Ende des Kanals angeordnet ist, um die polychromatische Röntgenstrahlung paralIeIzurichten.

2_e Strahlungsquelle nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet , daß der genannte Stoff derjenige ist, welcher eine Streuung der von des Radionuclid (34) abgegebenen radioaktiven Strahlen durch den Compton-Effekt bewirkt, um polychromatische Röntgenstrahlen zu erzeugen.

3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Stoff ein Reflektor (40) für Strahlung ist, der eine reflektierende Fläche ähnlich derjenigen eines konkaven Spiegels aufweist, und daß die von dem Radionuclid (34) ausgesandten radioaktiven Strahlen dadurch in polychromatische Röntgenstrahlung umgewandelt werden, daß der Reflektor eine Compton-Streuung bewirkte

4. Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Radionuclid (34) im Brennpunkt der konkaven reflektierenden Fläche des Reflektors (40) angeordnet ist.

5. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Radionuclid (52) eine sich im rechten Winkel zur Achse des Strahlungsaustrittskanals (32) erstreckende ebene Fläche aufweist, daß der genannte Stoff als Schirm (54) ausgebildet und zwischen dem Radionuclid und dem Kanal angeordnet ist und daß die von der ebenen Fläche des Radionuclids ausgesandten radioaktiven Strahlen durch den Stoff hindurch in Richtung auf das äußere Ende des Kanals weitergeleitet werden.

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6· Strahlungsquelle nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Radionuclid (56) in Form eines Pulvers mit dem genannten Stoff gentischt ist, so daß es in dem Stoff gleichmäßig verteilt ist.

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