DE3831180C2 - Bildaufnahmevorrichtung zur Bildregistrierung von Röntgendurchstrahlungsbildern mit hoher Bildfrequenz - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung ist vor allem dazu bestimmt, Röntgenbilder eines flüchtigen Hochgeschwindigkeitsvorganges aufzunehmen, der z. B. mit Geschwindigkeiten zwischen 1000 und 10 000 m/s abläuft wie die Detonation eines Sprengstoffes oder der Aufschlag eines Geschosses auf einem Ziel.

Aufnahmevorrichtungen der vorgenannten Art sind bereits bekannt. Sie bestehen aus einem Generator für die Erzeugung von Röntgenstrahlimpulsen, die dazu bestimmt sind, auf das Objekt gelenkt zu werden, von dem Röntgenbilder aufzunehmen sind, und hinter dem nacheinander ein Szintillatorschirm, der die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, und Bildregistrierungsteile angeordnet sind.

Da Röntgenbilder eines flüchtigen Hochgeschwindigkeitsvorganges nur dann mit einer vernachlässigbaren Bewegungsunschärfe aufgenommen werden können, wenn die Belichtungszeit der Bildregistrierungsteile zwischen 10 µs und 100 ns liegt, wurde für die Bildaufnahme eine schnell arbeitende elektronische Kamera verwendet. Zieht man aber die Kenndaten dieser Kamera und die maximale Intensität der am Ausgang der besten Röntgenstrahlimpulsgeneratoren verfügbaren Röntgenstrahlung in Betracht, erhält man mit dem vorgenannten Kameratyp auf dem belichteten lichtempfindlichen Film nur eine Bildauflösung in der Größenordnung von 2 bis 3 Linienpaaren pro Millimeter.

Außerdem macht die Analyse von sehr schnell verlaufenden Vorgängen eine Trennung der Bilder erforderlich. Somit kommt auch die Verwendung eines Szintillatorschirms mit einem übertrieben hohen Fluoreszenzwirkungsgrad nicht in Betracht, denn man erhält korrelativ ein Nachleuchten des Schirms, dessen Dauer das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Röntgenstrahlimpulsen überschreitet. Dies führt unweigerlich zu einer Überlagerung eines Bildes mit dem vorhergehenden Bild sowie zu einer Unschärfe dieser Bilder.

Der Artikel der IEE Proceedings, Band 134, Pt. A (Februar 1987), Seiten 107 bis 114, beschreibt Bildaufnahmevorrichtungen, die jedoch für die Röntgenblitzkinematographie, d. h. für eine hohe Bildaufnahmefrequenz, unbrauchbar sind. Ziel ist es, für medizinische bzw. diagnostische Zwecke im Prinzip statische Objekte mit Röntgenstrahlen zu durchleuchten, um hiervon Intensitätsverteilungen bzw. diagnostizierbare Bilder zu erstellen. Dabei wird unter anderem zur Verstärkung der Intensität des Röntgenstrahls nach der Abtastung der Probe eine Photovervielfachungsplatte (Fig. 9) eingesetzt.

Aus der DE 20 07 246 A1 ist ein transistorisiertes Hochspannungs-Schaltersystem für die Gitter von Röntgenröhren bekannt, das im Prinzip auf eine Bildaufnahmevorrichtung bezogen ist, die dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspricht. Dabei werden gemäß dieser Druckschrift Halbleitertransistoren verwendet, um eine hohe Bildaufnahmegeschwindigkeit zu erzielen, die jedoch noch nicht ausreicht, um bei einer sehr guten Qualität der Aufnahmen eine hinreichend hohe Bildsequenz zu erreichen.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, daß diese bei hoher Bildqualität dazu in der Lage ist, eine sehr hohe Bildsequenz zuzulassen.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Bildaufnahmevorrichtung mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, eine Bildregistrierung mit hoher Bildfolgefrequenz durchzuführen, wobei ein Objekt von Röntgenstrahlimpulsen beaufschlagt, diese Röntgenstrahlimpulse in sichtbare Lichtimpulse umgewandelt und mehrere lichtempfindliche Filme oder Teile eines lichtempfindlichen Films mittels der vorgenannten Lichtimpulse nacheinander belichtet werden, um getrennte Bilder des von den Röntgenstrahlen beaufschlagten Objektes aufzunehmen.

Durch dem kombinierten Einsatz von Photovervielfachungsteilen, die als Verstärker der Röntgenstrahlung fungieren, und eines Szintillatorschirms, erhält man einen Wandler, der die Röntgenstrahlungsimpulse in sichtbares Licht umwandelt und dabei Lichtimpulse von hoher Intensität und von sehr kurzer Dauer emittiert. Somit kann man einen Röntgenstrahlimpulsgenerator verwenden, dessen Ausgangsintensität normalerweise unzureichend ist, um sehr kurze Lichtimpulse von hoher Intensität zu erhalten, nachdem die Röntgenstrahlen in einem Szintillator in Licht umgewandelt worden sind. Durch die Verwendung eines Szintillatorschirms mit schwachem Nachleuchten, z. B. unter 10 ns, kann man derart verfahren, daß zwei aufeinanderfolgende Röntgenstrahlimpulse durch ein sehr kurzes Zeitintervall voneinander getrennt sind. Es wird somit möglich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere aufeinanderfolgende Röntgenbilder von sehr schnell verlaufenden Vorgängen aufzunehmen.

Entsprechend einer ersten vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung, bestehen die Photovervielfachungsteile aus einer Platte aus Bleiglas, deren Fläche senkrecht zur einfallenden Röntgenstrahlung ausgerichtet ist, wobei diese Platte von einer Vielzahl von Mikrokanälen durchzogen ist, deren Oberfläche mit einer Schicht aus einem halbleitenden Werkstoff überzogen ist, der sich unter der Einwirkung einer einfallenden Röntgenstrahlung wie eine Photokathode verhält. Somit verhält sich jeder Mikrokanal wie ein einzelner Photovervielfacher.

Entsprechend der Erfindung sind die Bildaufnahmeteile so konzipiert, daß die Bildaufnahmeteile mehrere optische Untergruppen umfassen, von denen jede aus einem Objektiv, einem Verschluß und einem photoempfindlichen Film besteht, wobei jede einzelne optische Untergruppe so angeordnet ist, daß der von dem Szintillatorschirm ausgehende Lichtstrahl auf sie trifft, und daß die Öffnung eines jeden Verschlusses mit einem Spannungsimpuls des Röntgenstrahlimpulsgenerators synchronisiert wird, und dadurch die Emission eines Röntgenstrahlimpulses praktisch gleichzeitig ausgelöst wird.

Aufgrund der Verwendung von optischen Untergruppen von einfacher Konzipierung, d. h. von Untergruppen, die insbesondere keine elektronischen Teile für die Bildwandlung aufweisen, wie dies bei einer schnell arbeitenden elektronischen Kamera der Fall ist, wird eine Verschlechterung der Schärfe der aufgenommenen Bilder verhindert.

Anhand der folgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Bildaufnahmevorrichtung.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Photovervielfachungsteile.

Fig. 3 ist ein erläuterndes, perspektivisches Schema mit getrennter Darstellung eines einzelnen Photovervielfachungskanals der Teile aus Fig. 2 und

Fig. 4 bis 7 sind zeitliche Diagramme und veranschaulichen jeweils:
* die Auslösenimpulse des Generators der Fig. 1,
* die Röntgenstrahlimpulse des vorgenannten Generators,
* die vom Szintillatorschirm der Fig. 1 emittierten Lichtimpulse und
* die Öffnungs- und Schließungsfolgen der optischen Untergruppen der Fig. 1.

Bei der Ausführung in Fig. 1 besteht die Bildaufnahmevorrichtung zur Anwendung der Röntgenkinematographie oder Röntgenblitzkinematographie aus einem Generator 1 für die Erzeugung von Röntgenstrahlimpulsen I_X, dessen Ausgangsrohr 1a auf ein aufzunehmendes Objekt 2 gerichtet ist. Das Objekt 2 stellt zum Beispiel einen Vorgang von sehr kurzer Lebensdauer dar wie die Detonation eines Sprengstoffes oder der Aufschlag eines Geschosses auf einem Ziel. Hinter dem Objekt 2 sind nacheinander, Photovervielfachungsteile 3, ein Szintillatorschirm 4 und Bildregistrierungsteile 5 angeordnet, wobei die Photovervielfachungsteile 3 dazu bestimmt sind, die Intensität der den Szintillatorschirm 4 beaufschlagenden Röntgenstrahlimpulse I_X zu erhöhen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist der Generator 1, der an und für sich von bekannter Art ist, so konzipiert, daß er bei einer Frequenz von ca. 500 kHz vier aufeinanderfolgende Röntgenstrahlimpulse erzeugt, deren Dauer im wesentlichen 40 ns entspricht.

Die Platte 3 mit den Mikrokanälen und der Szintillatorschirm 4, der zum Beispiel einen kreisrunden Querschnitt haben kann, sind dazu bestimmt, die einfallenden Röntgenstrahlimpulse in sichtbare Lichtimpulse I_LS umzuwandeln, die von den Bildregistrierungsteilen 5 ausgewertet werden können.

Der Werkstoff kann für die Fertigung des Schirms 4 so gewählt werden, daß dessen Nachleuchten (siehe Fig. 6) nicht über dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Röntgenstrahlimpulsen liegt, d. h. 2 µs. Im gegenteiligen Falle würde man eine Überlagerung von jedem Bild mit dem vorhergehenden Bild erhalten, und die somit registrierten Bilder wären unscharf.

Für den Schirm 4 kann ein Kunststoff, wie zum Beispiel Paterphenil, verwendet werden, dessen Nachleuchtdauer unter 10 ns liegt, so daß bei einer Emissionsfrequenz der Röntgenstrahlimpulse von 500 kHz, die einer Emissionsperiode von 2 µs entspricht, keine Gefahr für eine Überlagerung von zwei aufeinanderfolgenden Bildern besteht. Die Dicke des Schirms 4 liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm, um Bewegungsunschärfen bei den Bildern zu vermeiden.

Die Photovervielfachungsteile 3 können eine Platte von kreisrunder Form (s. Fig. 2) aus Bleiglas aufweisen, deren Fläche im wesentlichen senkrecht zur Achse des Ausgangsrohrs 1a des Generators 1 ausgerichtet ist. Diese Platte 3 ist von einer Vielzahl von Mikrokanälen 3a durchzogen (s. Fig. 2 und 3), deren Oberfläche mit einer Schicht aus einem halbleitenden Werkstoff 3b überzogen ist, der sich unter der Einwirkung einer einfallenden Röntgenstrahlung wie eine Photokathode verhält, vorausgesetzt, daß die Vorderseite 3c und die Rückseite 3d der Platte 3, die mit einem elektrisch leitenden Werkstoff überzogen sind, mit einer Gleichstromspannungsquelle V in Verbindung stehen (siehe Fig. 1 und 3). Diese metallische Belegung der besagten Seiten 3c und 3d stellt ebenfalls eine elektrische Parallelverbindung zwischen den verschiedenen Kanälen 3a her.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, erzeugt somit die einfallende Strahlung I_X, welche die Oberfläche 3b des Mikrokanals 3a beaufschlagt, die Emission einer ersten Serie von Photonen, von denen jedes einzelne seinerseits die Emission einer zweiten Serie von Photonen unter Beaufschlagung der besagten Oberfläche 3b bewirkt. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zu dem Ausgang des Mikrokanals 3a, so daß durch Photovervielfachungseffekt die Intensität der von der Platte 3 herkommenden Strahlung um einen Faktor verstärkt ist, der im besonderen von der Struktur der Platte 3 und von dem Spannungswert der Quelle V abhängig ist.

Diese Platte und ihre Verwendung werden in "Nuclear Instruments and Methods", Band 162, 1979, Seiten 587 bis 601, eingehend beschrieben.

Durch die Verwendung der Photovervielfachungsplatte 3 ist es insbesondere möglich, die sichtbare Lichtstrahlung I_LS zu verstärken, die dazu bestimmt ist, von den Bildregistrierungsteilen 5 ausgenutzt zu werden, um eine ausgezeichnete Auflösung oder Schärfe dieser Bilder zu erhalten. Man erhält somit mit den Bildregistrierungsteilen, die nachstehend beschrieben werden, eine Bildschärfe, die 100 Linienpaaren pro mm überschreitet, während die bekannten Vorrichtungen lediglich eine Bildschärfe von einigen Linienpaaren pro mm liefern.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung umfassen die Bildregistrierungsteile 5 vier optische Untergruppen 5a, von denen jede aus einem Objektiv 6, einem Verschluß 7 mit elektrischer Steuerung, und einem photoempfindlichen Film 8 besteht, wobei jede einzelne optische Untergruppe 5a so angeordnet ist, daß der von dem Szintillatorschirm 4 herkommende sichtbare Impulslichtstrahl I_LS auf sie trifft. Der Strahl I_LS wird somit auf das Objektiv 6 einer jeden optischen Untergruppe 5a reflektiert, und zwar mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 9 (s. Fig. 1), der in Achsenrichtung des Rohrausgangs 1a des Generators 1 angeordnet ist, entsprechende Abmessungen hat und auf den Schirm 4 ausgerichtet ist, um eine optimale Reflexion auf die Objektive 6 zu gewährleisten. Aufgrund der teilweisen Reflexion, die von jedem Spiegel 9 induziert wird, ist es verständlich, daß die Intensität des auf eine optische Untergruppe 5a fallenden Strahls I_LS um so schwächer ist, je weiter der Spiegel 9, der den Strahl reflektiert, vom Szintillatorschirm 4 entfernt ist. Die Öffnung von jedem Verschluß 7 muß deshalb auf geeignete Weise auf die Position im Verhältnis zum Schirm 4 der optischen Untergruppe 5a, zu der dieser Verschluß gehört, eingestellt werden, d. h. auf die Intensität des aufgenommenen Strahls I_LS.

Der letzte Spiegel 9a der Serie kann natürlich eine Totalreflexion haben.

Damit diese Anordnung die räumliche Trennung der Röntgenbilder des Objektes gewährleisten kann, wird die Öffnung von jedem Verschluß 7 mit einem Spannungsimpuls I_D des Röntgenstrahlimpulsgenerators 1 synchronisiert, und dadurch die Emission eines Röntgenstrahlimpulses I_X praktisch gleichzeitig ausgelöst.

Der Generator 1 besteht aus den an und für sich bekannten Teilen 1b, die mit den optischen Untergruppen 5a verbunden sind, um an diese Untergruppen 5a Synchronisierungsimpulse I_S zu übermitteln und um gleichzeitig die Spannungsimpulse I_D abzugeben, von denen jeder einzelne selektiv und fortlaufend eine Öffnungs- und Schließungsfolge O-F des Verschlusses 7 einer optischen Untergruppe 5a auslöst, um getrennt und nacheinander die vier Bilder zu registrieren, die den vier vom Generator 1 emittierten Röntgenstrahlimpulsen I_X entsprechen. Die vier vorgenannten Röntgenbilder verwirklichen somit den Verlauf des registrierten Vorganges.

Die Zeitdiagramme der Fig. 4 bis 6, auf denen die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen ist, vermitteln jeweils den Verlauf und die Synchronisierung eines Zuges von vier Auslöseimpulsen I_D, von Röntgenstrahlimpulsen I_X und von sichtbaren Lichtimpulsen I_LS am Ausgang des Szintillatorschirms 4. Die entsprechenden Öffnungsperioden O und Schließungsperioden F der fortlaufend aktivierten Verschlüsse 7a, 7b, 7c, 7d, sind in der Fig. 7 dargestellt. Diese Diagramme veranschaulichen die vorstehend beschriebene Arbeitsweise.

Die selektive Steuerung der Verschlüsse 7 mit Hilfe der Impulse I_S wird z. B. erreicht, indem man in den Steuerkreis 1c der Verschlüsse 7 eine Weichenanordnung 10 von an und für sich bekannter Art einfügt, die z. B. vier Impulstore umfaßt, von denen jedes für einen Verschluß 7 bestimmt ist und dessen Öffnung synchronisiert wird mit einem der Impulse I_S, der die Öffnungs- beziehungsweise Schließungsfolge des betreffenden Verschlusses 7 steuert.

Da am Ausgang des Szintillatorschirms 4 sichtbare Lichtimpulse von hoher Intensität aufgrund der Photovervielfachungsteile 3 verfügbar sind, ist es also möglich, Bildregistrierteile 5 von einfacher Bauart zu verwenden, die insbesondere keine elektronischen Bildwandlerkomponenten enthalten, wie diejenigen einer schnell arbeitenden elektronischen Kamera, die in den bekannten Anordnungen zum Einsatz gelangt. Es ist bekannt, daß diese elektronischen Umwandlungsteile die Bildschärfe beeinträchtigen.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird das Objekt 2, von dem Röntgenbilder aufzunehmen sind, in einer Entfernung von etwa 3 m vom Ende des Ausgangsrohrs 1a und in einer Entfernung von etwa 0,3 m von der Einheit, die aus den Photovervielfachungsteilen 3 und dem Szintillatorschirm 4 besteht, angeordnet.

Der Generator 1 und die Bilderegistrierungsteile 5 könnten alternativ derart konzipiert werden, daß mehr als vier aufeinanderfolgende Bilder aufgenommen werden können.

Claims (5)

1. Bildaufnahmevorrichtung zur Bildregistrierung von Röntgenbestrahlungsbildern mit hoher Bildfrequenz, mit

• - einem Generator (1) für die Erzeugung kurzer Röntgenstrahlimpulse (I_X), die ein aufzunehmendes Objekt (2) teilweise durchdringen,
• - mit in Röntgenstrahlrichtung hinter dem Objekt (2) angeordneten Fotovervielfachungsteilen (3),
• - mit einem die vervielfachten Elektronen in sichtbares Licht umwandelnden Szintillatorschirm (4) und
• - mit Bildregistrierungsteilen (5), die das sichtbare Licht mit Hilfe eines photoempfindlichen Filmes (8) registrieren,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Bildregistrierungsteile (5) mehrere optische Untergruppen aufweisen,
daß jede optische Untergruppe einen teildurchlässigen Spiegel (9) für das sichtbare Licht, ein das reflektierte Licht auf dem Film abbildendes Objektiv (6) und einen elektrisch gesteuerten Verschluß (7) aufweist, und
daß die Öffnung der Verschlüsse (7) der verschiedenen Untergruppen auf aufeinanderfolgende Röntgenstrahlimpulse (I_X) synchronisierbar ist.

2. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photovervielfachungsteile aus einer Platte aus Bleiglas bestehen deren Fläche (3c, 3d) auf den Ausgang (1a) des Generators (1) ausgerichtet ist, wobei diese Platte (3) von einer Vielzahl von Mikrokanälen (3a) durchzogen ist, deren Oberfläche mit einer Schicht aus einem halbleitenden Werkstoff (3b) überzogen ist, der sich unter der Einwirkung einer einfallenden Röntgenstrahlung wie eine Photokathode verhält, so daß jeder Mikrokanal (3a) sich wie ein einzelner Photovervielfacher verhält.

3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillatorschirm (4) aus einem Werkstoff mit schwachem Nachleuchten (τ) gefertigt ist, dessen Nachleuchtdauer unter 10 ns liegt.

4. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Röntgenstrahlimpulsgenerator (1) mit Teilen (1b) ausgestattet ist, die mit den optischen Untergruppen (5a) verbunden sind, um an diese Untergruppen (5a) Synchronisierungsimpulse (I_S) zu übermitteln und um gleichzeitig Spannungsimpulse (I_D) abzugeben, von denen jeder einzelne die Erzeugung eines Röntgenstrahlimpulses auslöst, wobei jeder Synchronisierungsimpuls (I_S) selektiv eine Öffnungsfolge (O) und Schließungsfolge (F) des Verschlusses (7a, 7b, 7c, 7d) einer der optischen Untergruppen (5a) bewirkt.