DE4033051A1

DE4033051A1 - Optisches bestimmen der brennfleckgroesse einer roentgenroehrenanode sowie roentgenroehre

Info

Publication number: DE4033051A1
Application number: DE4033051A
Authority: DE
Inventors: Michael Kent Cueman; Iii Lewis Jones Thomas; Casmir Robert Trzaskos; August David Matula; Michael John Austin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1991-05-02
Also published as: FR2653933A1; US4979199A; GB2237716A; JPH03190043A; GB9023293D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Überwachen von Röntgenröhren und mehr im besonderen auf das Überwachen von Position, Intensität und Fokussierung des Emissions fleckes einer Mikrofokus-Röntgenröhre.

Bei der Untersuchung von industriellen Gegenständen, z. B. Verbundstrukturen von Flugzeugtriebwerken usw. auf Fehler, ist es erwünscht, in der Läge zu sein, selbst sehr kleine Fehler nachzuweisen. Aus diesem Grunde werden Mikrofokus- Röntgenröhren, die eine Einrichtung zum Fokussieren des auf die Anode auftreffenden Elektronenstrahles aufweisen, als Strahlungsquelle für die Radiographie solcher Gegenstände mit hoher Auflösung benutzt. Diese Röhren können scharfe Bilder kleiner Fehler oder Besonderheiten erzeugen, da sie eine Punktquelle von Röntgenstrahlen annähern. Im besonde ren hat ihr Röntgen-Emissionsfleck einen Durchmesser von etwa 20 bis 50 µm, verglichen mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 2 mm für eine andere als Mikrofokus-Röntgen röhre. Die Röntgenstrahlen, die den Gegenstand durchdrin gen, gelangen üblicherweise durch einen Kollimator, um zer streute Röntgenstrahlen zurückzuweisen und bei der Begren zung des inspizierten Bereiches zu helfen. Die kollimierten Röntgenstrahlen werden dann nachgewiesen und das nachgewie sene Signal üblicherweise an einen Computer gelegt, so daß eine Tomographie ausgeführt werden kann.

Für die Computer-Tomographie ist ein konstantes Intensi tätssignal erforderlich. Um dies zu erzielen, wird der Spannungsunterschied zwischen Anode und Kathode der Röhre geregelt, so daß Röntgenstrahlen konstanter Energie emit tiert werden und somit das Eindringen der Röntgenstrahlen in den Gegenstand eine Konstante ist. Weiter wird der An odenstrom bestimmt und an eine die Steuergitterspannung be stimmende Schaltung gelegt, um diesen Strom zu halten und somit die Menge der Röntgenstrahlen eine Konstante sein zu lassen. Das Abbilden mit hoher Qualität erfordert auch eine sorgfältige Kontrolle der Position und Größe des Röntgen strahlen emittierenden Fleckes auf der Anode. Dies erfolgte durch Betrachten des abgebildeten Bildes eines Systems mit einem Kollimator. Dann wird die Fokussierungseinrichtung zur Erzielung der größten Bildintensität eingestellt, da in Systemen, die einen Kollimator aufweisen, die Fokussie rungseinrichtungs-Einstellung, die die größte Bildintensi tät ergibt, auch das schärfste Bild ergibt. Für Systeme ohne Kollimator wird ein Fluoroskop benutzt, um ein darge stelltes Bild zu erhalten, und dann wird die Fokussierungs einrichtung auf das schärfste Bild eingestellt. Unglückli cherweise ist der erste dieser Prozesse nicht in "Echtzeit", da die Vorrichtung den industriellen Gegenstand nicht abbilden kann, wenn dieser Prozeß ausgeführt wird, da die erhaltenen Daten ungültig sein werden. Dies gestattet das Defokussieren des Fleckes, das durch Änderungen in der Röhrengeometrie aufgrund thermischer Deformation verursacht wird, während des Abbildens des Gegenstandes. Der zweite Prozeß ist umfangreich und teuer.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine in "Echttzeit" arbeitende, kompakte und billige fokussie rende und intensitätseinstellende Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren für eine Mikrofokus-Röntgenröhre zu schaffen.

Es ist eine andere Aufgabe, eine Mikrofokus-Röntgenröhre zur Verwendung in einer solchen Vorrichtung und in einem solchen Verfahren zu schaffen.

Kurz gesagt, werden diese und andere Aufgaben durch eine Vorrichtung zur Verwendung mit einer Einrichtung zum Emit tieren erster und zweiter Strahlungsarten gelöst, die eine Einrichtung umfaßt, die benachbart der Emittierungseinrich tung angeordnet ist, um nur die zweite Strahlungsart längs eines Pfades zu reflektieren sowie eine Einrichtung, die in dem Pfad angeordnet ist, um die reflektierte Strahlung nachzuweisen.

Ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Verwendung mit einem Emitter erster und zweiter Strahlungsarten umfaßt das Re flektieren nur der zweiten Strahlungsart und das Nachweisen der reflektierten Strahlung.

Eine Mikrofokus-Röntgenröhre gemäß der Erfindung umfaßt einen Längskolben mit einem ersten und einem zweiten Ende, eine Kathodeneinrichtung, die benachbart dem ersten Ende angeordnet ist, um Elektronen zu emittieren, eine Fokussie rungseinrichtung, die zwischen den genannten Enden angeord net ist, um die emittierten Elektronen zu fokussieren und eine Anodeneinrichtung, die an dem zweiten Ende angeordnet ist, um Röntgenstrahlen sowie sichtbares und nahes IR-Licht aufgrund des Auftreffens der genannten Elektronen zu emit tieren und eine Spiegeleinrichtung, die benachbart der An odeneinrichtung angeordnet ist, um nur das sichtbare und nahe IR-Licht längs eines Pfades zu reflektieren.

Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise schematische und teilweise blockdia grammartige Darstellung einer Ausführungsform der Erfin dung, und

Fig. 2 ein Diagramm eines dargestellten Bildes einer An ode und ihres Emissionsfleckes.

Fig. 1 zeigt eine Mikrofokus-Röntgenröhre, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, und einen Kolben 12 aufweist, der üblicherweise aus geerdetem, elektrisch leitendem Material besteht und genügend Festigkeit und Dicke aufweist, um ei nem Vakuum im Inneren des Kolbens und Umgebungsdruck auf seiner Außenseite zu widerstehen. Ein Hochtemperaturglas mit einem geerdeten leitenden inneren Überzug, z. B. aus Aluminium, kann ebenfalls benutzt werden. Ein geerdeter Überzug wird benutzt, um einen Rückkehrpfad für Streuelek tronen und für die Sicherheit zu schaffen. Am ersten Ende 14 des Kolbens 12 ist eine Kathode 16 angeordnet, die mit einer Wechselstromquelle 18 gekoppelt ist, die üblicher weise zwei bis drei Volt bei etwa einem Ampere an eine Glühfadenkathode 16 legt, so daß diese Elektronen emit tiert. Eine Gleichstromzufuhr könnte auch für die Quelle 18 benutzt werden. Die die Kathode 16 mit der Quelle 18 ver bindenden Zuleitungen sind vom Kolben 12 isoliert, um einen Kurzschluß zu verhindern, wie auch alle anderen sich durch den Kolben 12 erstreckenden Zuleitungen isoliert sind. Die emittierten Elektronen werden von einer Gleichstromquelle 20 geliefert, deren positiver Anschluß geerdet und deren negativer Anschluß mit einer der Zuleitungen der Kathode 16 verbunden ist. Die Quelle 20 liefert üblicherweise etwa 160 kV bei etwa 1 mA. Obwohl die Kathode 16 als direkt beheizte Kathode dargestellt ist, kann auch eine indirekt beheizte benutzt werden, doch können die von einer direkt beheizten Kathode emittierten Elektronen enger fokussiert werden.

Der von der Kathode 16 emittierte Elektronenstrahl 20 ge langt durch eine Öffnung 22 eines Steuergitters 24, das ne ben der Kathode 16 angeordnet und mit dem negativen An schluß einer Gleichstromquelle 26 gekoppelt ist, die einen geerdeten positiven Anschluß hat. Die Quelle 26 liefert etwa 2 bis 3 kV und ist einstellbar, um eine Steuerung des Stromes zwischen Anode und Kathode zu gestatten und so die Menge der Röntgenstrahlen zu steuern. Als nächstes geht der Elektronenstrahl durch eine Fokussierungseinrichtung oder eine Elektronenlinse, z. B. eine Zylinderspule 27, die mit einer Linsen-Gleichstromleistungszufuhr 28 gekoppelt ist, die Strom an die Spule 27 liefert. Die Menge des Stromes wird durch das Potentiometer 30 bestimmt, das daher das Fo kussieren und die Fleckgröße auf der Anode steuert. Obwohl eine elektromagnetische Fokussierungseinrichtung gezeigt und beschrieben worden ist, kann auch eine elektrostatische Fokussierungseinrichtung benutzt werden.

Der Elektronenstrahl 20 schlägt schließlich auf eine ge neigte Oberfläche 31 einer geerdeten elektrisch leitenden Anode 32 auf, die an einem zweiten Ende 33 des Kolbens 12 angeordnet ist. Die Anode 32 besteht vorzugsweise aus Wolf ram, da es eine hohe Atomzahl hat und daher einen hohen Elektronenquerschnitt sowie einen hohen Schmelzpunkt, doch können auch andere Metalle benutzt werden. Die Kathode 16 und der negative Anschluß der Quelle 20 können geerdet und der positive Anschluß der Quelle 20 mit der Anode 32 gekop pelt werden, ohne geerdet zu sein. Die geerdete Anodenkon figuration, die in Fig. 1 gezeigt und oben beschrieben ist, gestattet jedoch ein leichteres Ersetzen der Anode 32.

Ein sehr geringer Anteil der kinetischen Energie des Strah les 20 wird in eine erste Strahlungsart umgewandelt, d. h. die Röntgenstrahlen 34, die die Röhre 10 durch ein Röntgen fenster 36 verlassen, das üblicherweise aus Beryllium oder Aluminium, usw. hergestellt ist. Ein sehr großer Anteil dieser Energie wird in Wärme umgewandelt und somit eine zweite Strahlungsart, d. h. ein sichtbares oder nahes IR- Licht. Die Röntgenstrahlen 34 treffen dann auf einen nicht dargestellten Gegenstand auf, der abzubilden ist. Ein nicht dargestellter Röntgendetektor, z. B. Szintillatormaterial, das mit einer linearen Fotodiodenreihe gekoppelt ist, weist die Röntgenstrahlen, die durch den Gegenstand übertragen werden, nach und liefert ein Signal an einen nicht darge stellten Computer, der die Tomographie ausführt. Statt ei ner Fotodiodenreihe und eines Computers kann ein Fluoroskop benutzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Spiegel 40 mit ei nem lichtreflektierenden Überzug, z. B aus Silber, Alumi nium usw., benachbart der Anode 32 auf der Innenseite des Kolbens 12 angeordnet, und ein optisches Fenster 44 ist auf einer gegenüberliegenden Seite des Kolbens 12 angeordnet. Eine nicht gegenüberliegende Konfiguration kann auch be nutzt werden. Ein Teil 38 der zweiten Strahlungsart wird durch den Spiegel 40 längs eines Pfades 42 reflektiert. Die auf den Spiegel 40 auftreffenden Röntgenstrahlen passieren ihn einfach ohne reflektiert zu werden. Die zweite Strah lungsart läßt die Röhre 10 durch eine Sichtöffnung oder ein optisches Fenster 44, das für die zweite Strahlungsart transparent ist und im Pfad 42 angeordnet ist. Das Fenster 44 besteht vorzugsweise aus Quarz guter thermischer Stabi lität, doch können auch andere Materialien z. B. Hochtempe raturglas, benutzt werden. Wird der Kolben 12 aus transpa rentem Glas hergestellt, das einen inneren leitenden Über zug trägt, dann kann das Fenster 44 einfach aus einem über zugsfreien Abschnitt des Kolbens 12 bestehen, der sich dort befindet, wo der Pfad 42 den Kolben 12 kreuzt. Ist der Kol ben jedoch aus einem transparenten Glas ohne den Überzug hergestellt, dann ist ein bestimmtes Fenster nicht erfor derlich, da der gesamte Kolben als Fenster wirkt. Im Pfad 42 ist ein optischer Sensor 46, wie eine Farb- oder Mono chrom-Fernsehkamera, ein Fotodiodendetektor, ein linearer CCD-Abbilder, usw. angeordnet. Wird eine Farbfernsehkamera benutzt, dann legt man ihr Ausgangssignal üblicherweise an eine Farbfernsehanzeige 48, durch die die Anodenfläche 50 und der Emissionsfleck 52 beobachtet werden können.

Fig. 2(a) zeigt den Fleck 52 einer schlecht eingestellten Mikrofokus-Röntgenröhre, der üblicherweise anfänglich groß, matt und rötlich in der Farbe ist. Der Bereich des Elektro nenstrahles 20 ist nicht fest fokussiert. Da der sichtbare Fleck 52 in Beziehung steht mit dem röntgenemittierenden Fleck, sind emittierte Röntgenstrahlen 34 schlecht fokus siert und bilden kleine Details nicht scharf ab. Während des Abbildens des industriellen Gegenstandes nimmt die Be dienungsperson wiederholt Einstellungen des Potentiometers 30 und der Spannung von der Quelle 26 vor, bis die Darstel lung wie in Fig. 2b aussieht, in der der Fleck 52 klein, hell und blau-weiß in der Farbe ist. Diese Einstellung kon zentriert den Elektronenstrahl 20 auf einen kleinen Bereich der Anode 32. Die emittierten Röntgenstrahlen 34 sind nun scharf fokussiert und geeignet für eine Inspektion mit ho her Auflösung. Ist entweder die Kamera 46 oder die Anzeige 48 eine Monochrom-Einheit, dann wird der oben beschriebene Einstellungsprozeß ausgeführt, um die kleinste Fleckgröße zu erzielen. Ist der optische Sensor 46 eine lineare CCD- Reihe oder eine Fotodiode, dann kann die Anzeige 48 ein Meßgerät umfassen, um die Signalamplitude anzuzeigen, und der oben beschriebene Einstellungsprozeß wird ausgeführt, um die größte Signalamplitude zu erzielen. Wenn erwünscht, kann eine Rückkopplungsschaltung benutzt werden, um diesen Prozeß zu automatisieren. Wenn der Sensor 46 eine Fernseh kamera und die Anzeige 48 eine Fernsehanzeige umfaßt, dann können Fleckposition und Anodenbeschädigung überwacht und durch Einstellung eines nicht dargestellten elektromagneti schen oder elektrostatischen Ablenkungssystems korrigiert werden, um einen anderen Auftreffpunkt auf der Oberfläche 31 auszuwählen. Letztlich wird die Anode 32 jedoch einen Ersatz erfordern. Die vorliegende Erfindung kann auch Emis sionsstabilitäten überwachen und ein Korrektursignal an den Computer geben (wenn ein solcher benutzt wird), so daß die erhaltenen Daten gültig sind.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein in Echtzeit ausgeführtes, kompaktes und billiges Überwachen und Einstellen einer Mikrofokus-Röntgenröhre.

Claims

1. Vorrichtung zur Verwendung mit einer Einrichtung zum Emittieren erster und zweiter Strahlungsarten, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Einrichtung, die benachbart der Emissionseinrichtung angeordnet ist, um nur die zweite Strahlungsart längs eines Pfades zu reflektieren und
eine Einrichtung, die in dem genannten Pfad angeordnet ist, um die reflektierte Strahlung nachzuweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend die Emis sionseinrichtung, die eine Röntgenröhre mit einer Anode um faßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Röhre weiter eine in dem genannten Pfad angeordnete Sichtöffnung umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Reflektionsein richtung einen Spiegel umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Strahlungs art Röntgenstrahlen und die zweite Strahlungsart sichtbares und nahes IR-Licht umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Nachweisen einer Fotodiode umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Nachweiseinrich tung eine Fernsehkamera umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine An zeigeeinrichtung, die mit der Nachweiseinrichtung gekoppelt ist.

9. Vorrichtung zur Verwendung mit einer Mikrofokus-Röntgen röhre mit einer Anodeneinrichtung zur Emission von Röntgen strahlen und sichtbarem und nahem IR-Licht, wenn Elektronen darauf auftreffen, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Spiegeleinrichtung, die benachbart der Anode angeord net ist, um nur das sichtbare und nahe IR-Licht längs eines Pfades zu reflektieren und
eine Einrichtung, die in dem Pfad angeordnet ist, um das reflektierte sichtbare und nahe IR-Licht nachzuweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Röhre einen Kol ben hat, der eine Sichtöffnung aufweist, die in dem genann ten Pfad angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Spiegeleinrich tung und die Sichtöffnung einander gegenüberliegen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Sichtöffnung Quarz umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin der Spiegel versil bert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Nachweiseinrich tung eine Fotodiode umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Nachweiseinrichtung eine Fernsehkamera umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, worin die Kamera eine Farbkamera umfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, worin die Nachweisein richtung einen CCD-Abbilder umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine An zeigeeinrichtung, die mit der Nachweiseinrichtung gekoppelt ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Anzeigeeinrich tung eine Fernsehanzeige umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin die Anzeige eine Farbanzeige umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Röhre ein Steu ergitter und eine Fokussierungseinrichtung aufweist, und die Vorrichtung weiter eine Einrichtung zum Einstellen der Fokussierung und Intensität der emittierten Röntgenstrahlen umfaßt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, worin die Einstellungs einrichtung eine Leistungszufuhr variabler Spannung umfaßt, die an das Gitter gekoppelt werden kann sowie eine Lei stungszufuhr variablen Stroms, die an die Fokussierungsein richtung gekoppelt werden kann.

23. Verfahren zur Verwendung mit einem Emitter erster und zweiter Strahlungsarten, umfassend:
das Reflektieren nur der zweiten Strahlungsart und
das Nachweisen der reflektierten Strahlung.

24. Verfahren nach Anspruch 23, worin die erste Strahlungs art Röntgenstrahlen und die zweite Strahlungsart sichtbares und nahes IR-Licht umfaßt.

25. Verfahren nach Anspruch 23, worin die Nachweisstufe das Abbilden umfaßt.

26. Verfahren nach Anspruch 25, worin die Abbildungsstufe das Farbabbilden umfaßt.

27. Verfahren nach Anspruch 23, weiter umfassend das Anzei gen der nachgewiesenen Strahlung.

28. Verfahren nach Anspruch 27, worin die Anzeigestufe das Anzeigen in Farbe umfaßt.

29. Verfahren nach Anspruch 23, weiter umfassend das Ein stellen des Emitters.

30. Verfahren nach Anspruch 29, worin die Einstellungsstufe das Einstellen von Intensität und Brennpunkt des Emitters umfaßt.

31. Mikrofokus-Röntgenröhre umfassend:
einen Längskolben mit einem ersten und einem zweiten Ende,
eine Kathodeneinrichtung, die benachbart dem ersten Ende angeordnet ist, um Elektronen zu emittieren;
eine Fokussierungseinrichtung, die zwischen den genannten Enden angeordnet ist, um die emittierten Elektronen zu emittieren;
eine Anodeneinrichtung, die an dem genannten zweiten Ende angeordnet ist, um aufgrund des Auftreffens der genannten Elektronen-Röntgenstrahlen, sichtbares und nahes IR-Licht zu emittieren und
eine Spiegeleinrichtung, die benachbart der Anodeneinrich tung angeordnet ist, um nur das sichtbare und nahe IR-Licht längs eines Pfades zu reflektieren.

32. Röhre nach Anspruch 31, worin die Kathodeneinrichtung eine direkt beheizte Kathode umfaßt.

33. Röhre nach Anspruch 31, worin die Fokussierungseinrich tung eine Spule umfaßt.

34. Röhre nach Anspruch 31, worin die Anode Wolfram umfaßt.

35. Röhre nach Anspruch 31, worin die Spiegeleinrichtung einen versilberten Spiegel umfaßt.

36. Röhre nach Anspruch 31, weiter umfassend eine Sichtöff nung, die in dem Kolben in dem genannten Pfad angeordnet ist.

37. Röhre nach Anspruch 36, worin die Sichtöffnung Quarz umfaßt.

38. Röhre nach Anspruch 36, worin die Sichtöffnung und die Spiegeleinrichtung einander gegenüberliegen.

39. Röhre nach Anspruch 31, weiter umfassend ein Steuergit ter, das zwischen der Kathodeneinrichtung und der Elektro nenlinsen-Einrichtung angeordnet ist.