DE2910250C3 - Quelle für polychromatische Röntgenstrahlung - Google Patents
Quelle für polychromatische RöntgenstrahlungInfo
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Description
65
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 Auforingen von Spannungen aufgetreten
sind.
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, eine stabile Hochspannungsquelle oder einen Hochleistungstransformator zum Erzeugen der Röntgenstrahlen
sowie eir.e 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
Nuclid 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
Fig. 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.] ist in einem Blockschaltbild ein typisches Beispiel für ein Spannungsmeßgerät dargestellt, zu dem
eine Quelle 10 gemäß der Erfindung für polychromalische 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 Verstärker 18
verstärkt, und 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 Hilfe 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 Römgenstrahlenbeugungsgerät
nach Fig. 1. Gemäß Fi 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 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. Mit dem Behälter 28 ist durch ein weiteres Haltetoil 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. 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 Gammastrahlen 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 unte rworfenen 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 Bremsstrahlung
in poiychromatische 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 Reflektion
dei Bremsstrahlung durch den Reflektor 40 entstehea Die auf diese Weise erzeugten polychromatischen
Röntgenstrahlen werden durch den Collimator 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 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 Gammastrahlen in Richtung auf den Collimator 46 eine
gleichmäßige Intensität haben können. In dem Behälter 28 ist zwischen dem Radioisotop 52 und dem Collimator
46 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.
Fig.4 zeigt im Schnitt eine dritte Ausführungsform
einer Quelle 10 gemäß der Erfindung 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 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 pulverformigen 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 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 Vioo 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.
F i g. 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 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, weiche 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 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.
F i g. 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 Gasoder
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
Äbsorptionskoeffizienten 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 Absorptionskoeffizienten
in Abhängigkeit von der Änderung des Energieniveaus einer linearen Funktion, entspricht,
herrschen Gammastrahlen mit niedrigen 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.
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 2'eitaufwand, 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
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 '5
(28) mit einem Röntgenstrahlen-Austrittskanal (32), ein in dem Behälter angeordnetes Radionuclid (34,
52, 60) ium 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 polycliromatische Röntgenstrahlen zu erzeugen.
3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Stoff ein Reflektor
(40) für Strahlung ist, dyr 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) 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 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
eines Pulvers mit dem genannten Stoff gemischt ist.
so daß es in dem Stoff gleichmäßig verteilt ist.
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