DE2910250B2

DE2910250B2 - Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE2910250B2
Application number: DE2910250A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Fukuda; Sho Kusumoto; Sadao Hitachiota Nemoto; Naoki Hitachi Sakurama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-03-16
Filing date: 1979-03-15
Publication date: 1980-11-13
Also published as: JPS601576B2; GB2017469B; JPS54122176A; DE2910250A1; US4284887A; GB2017469A; DE2910250C3

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahlungsquelle für polychromatische Röntgenstrahlen gemäß dem

Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als typisches Beispiel für ein mit polychromatischen Röntgenstrahlen arbeitendes Beugungsgerät sei ein Meßgerät für mechanische Spannungen 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. Polychromatische 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

Bei einem solchen Spannungs-eßgerät wird als Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung gewöhnlich eine Röntgenröhre verwendet. Bei einer Röntgenröhre bekannter Art ist es erforderlich, eine Absaugpumpe zum Evakuieren der Röntgenröhre, 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 eine erheblichen Raum ein, sie haben ein großes Gewicht, und sie sind teuer. Außerdem haben Röntgenstrahlenbeugungsgeräte mit einer Quelle für polychromatische Röntgenstrahlen nicht nur große Abmessungen, sondern man benötigt auch viel Zeit, um sie betriebsbereit zu machen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung zur Verwendung bei einem Röntgenstrahlenbeugungsgerät zu schaffen, 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, und welche die polychromatische Röntgenstrahlung aus der von einem radioaktiven Muclid ausgesandten Gammastrahlung erzeugt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

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

F i g. 1 in einem Blockschaltbild ein Spannungsmeßgerät mit einer Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung gemäß der Erfindung und

F i g. 2 bis 6 jeweils einen Axialschnitt, der den Aufbau einer Ausführungsform einer Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung gemäß der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild ein typisches Beispiel für ein Spannungsmeßgerät dargestellt, zu dem eine Quelle 10 gemäß der Erfindung für polychromatische Röntgenstrahlung gehört, die ein radioaktives Nuclid enthält, welches Gammastrahlen aussendet, die im polychromatische Röntgenstrahlen verwandelt werden, welch letztere dann auf einen zu messenden Gegenstand geworfen werden. Die auf den Gegenstand i'.l 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 Signai wird durch einen Vorverstärker 16 und einen linearen Verstärker 18 verstärkt, uod das verstärkte Signal wird einem Mehrkanal-Impulshöhenanalysator 20 zugeführt mittels dessen die Energieverteilung der einfallenden Röntgenstrahlen im Wege der Impulshöhenanalyse bestimmt wird. Die so ermittelte Energieverteilung wird mit Hufe eines Registriergeräts 22 aufgezeichnet oder mit Hilfe eines Rechners 24 weiter analysiert um die bei dem Gegenstand 12 vorhandenen mechanischen Spannungen oder Ermüdungserscheinungen zu ermitteln.

Fig.2 zeigt einen Axialschnitt einer polychromatischen Röntgenstrahlung liefernden Quelle zum Gebrauch in Verbindung mit dem Röntgenstrahlenbeugungsgerät nach F i g. 1. Gemäß F i g. 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 du -ch 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. Mit dem Behälter 28 ist durch ein weiteres Halteteil 42 ein Strahlungsreflektor 40 verbunden, der aus einem Schwermetall, ζ. 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. Das 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 sich 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 40 einer 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 Collimator 46 geleitet, durch den die einfallenden Röntgenstrahlen parallelgerichtet werden. Beispielsweise haben die von Americium 241 ausgesandten 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 Bremsstrah- *>i lung in polychromatische Röntgenstrahlen verwandelt werden. Der Reflektor 40 rufi nicht nur die Compton-Streuune 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 Reflektion der Bremsstrahlung durch den Reflektor 40 entstehen. Die auf diese Weise erzeugten polychromatischen Röntgenstrahlen werden durch den Colliiuator 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 polychrornatischen Röntgenstrahlen als parallelgerichtetes Strahlenbündel abzugeben oder zurückzuhalten, kann man die Schiebetür 48 nach Bedarf öffnen oder schließen. Ist die Schiebetür 48 geschlossen, wird die Strahlung durch das die Strahlung absorbierende Material in dem Behälter 28 zurückgehalten.

F i g. 3 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer Quelle gemäß der Erfindung für polychromatische Röntgenstrahlung. In diesem Fall hat eine radioaktive Substanz bzw. ein Radioisotop 52 die Form einer Scheibe, so daß die von dem Radioisotop ausgesandten Garomastrahlen in Richtung auf den Collimator 46 eine gleichmäßige Intensität haben können. In dem Behälter 28 ist zwischen dem Radioisotop 52 und dem Collimator 4ό und vorzugsweise nahe der inneren Mündung des Strahlungsaustrittskanals 32 ein Schirm 34 angeordnet der aus einem Stoff besteht welcher geeignet ist bei Gammastrahlen eine Compton-Streuung herbeizuführen, z. B. aus einem Schwermetall wie Gold oder Wolfram.

Bei der in F i g. 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 10 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.

F i g. 4 zeigt im Schnitt eine dritte Ausführungsform einer Quelle 10 gemäß der Erfindung für polychromatische Röntgenstrahlung. Gemäß F i g. 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 Collimator 46 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 Radioisotops ausgesandten Gammastrahlen längs unterschiedlicher Strecken fortpflanzen, bevor sie aus der äußeren Fläche des Formkörpers austreten.

Bei der Strahlungsquelle 10 gemäß der Erfindung 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 IaBt 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 '/ioo 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 Radioisotcp 60 ein Gas, z. B. Krypton 85, verwendet vrird. 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 60 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 Collimator 46 parallelgerichtet werden und dann die Strahlungsquelle 10 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 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 Wellenbereich haben, so daß es erforderlich ist, das Material und die Dicke des Schirms 64 entsprechend zu wählen. Wird als Radioisotop Kryptongas verwendet, so kann der Schirm 64 aus Aluminiumfolie bestehen, so daß man polychromatische Röntgenstrahlen mit einer flachen Intensitätskennlinie erhall:, 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. Zinnfoliie oder dergU ersetzt werden. Da jedoch solche Metallfolien mit Ausnahme von Aluminiumfolie bezüglich der Gammastrahlung einen Absorptionskoeffizienten aufweisen, der mit der Abnahme des Energieniveaus der einfallenden Gammastrah len 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 F i g. 6 muß die Gasoder Flüssigkeitsschicht 68 eine größere Dicke haben als die Metallfolie, da sie im Vergleich zu der Metallfolie einen kleineren Absorptionskoeffizienten für Gamma-

ίο strahlen 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 Änderung des Absorptions-

'.5 koeffizienten in Abhängigkeit von der Änderung des Energieniveaus einer linearen Funktion entspricht, herrschen Gammastrahlen mit niedrigen Energieniveaus vor. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei spielen besteht das Material zum Streuen der Gamma strahlen aus einem einzigen Element Jedoch beschränkt sich die Erfindung nicht hierauf.

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 Röntgen-

« röhre 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 Röntgen-

•i 5 strahlen 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Strahlungsabschirmungsmaterial hergestellten Behälter is (28) mit einem Röntgenstrahlen-Austrittskanal (32), ein in dem Behälter angeordnetes Radionuclid (34, 52, 60) zum Aussenden von Gamma- und/oder Beta-Strahlen, einen in dem Behälter angeordneten Stoff (40, 54, 64, 68) zum Erzeugen polychromatischer Röntgenstrahlung durch Streuen und Absorbieren der von dem Radionuclid ausgesandten Strahlen, eine aus einem Strahlenabschirmungsmaterial bestehende Einrichtung (48) zum öffnen und Schließen des Kanals, längs dessen sich die polychromatische Röntgenstrahlung von dem Stoff aus in Richtung auf die Probe (12) fortpflanzt, sowie einen Collimator (46), der nahe dem äußeren Ende des Kanals angeordnet ist, um die polychromatische Röntgenstrahlung parallelzurichten.

2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Stoff derjenige ist, welcher eine Streuung der von dem Radionuclid (34) abgegebenen 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 Strahlen dadurch in polychromatische Röntgenstrahlung umgewandelt werden, daß der Reflektor eine Compton-Streuung bewirkt.

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) cine 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 Strahlen durch den Stoff hindurch in Richtung auf das äußere Ende des Kanals weitergeleitet werden.

6. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Radionuclid (56) in Form <>o eines Pulvers mit dem genannten Stoff gemischt ist, so daß es in dem Stoff gleichmäßig verteilt ist.