DE4215343A1

DE4215343A1 - Filterverfahren für ein Röntgensystem und Anordnung zur Durchführung eines solchen Filterverfahrens

Info

Publication number: DE4215343A1
Application number: DE4215343A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Dr Harding
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1992-05-09
Filing date: 1992-05-09
Publication date: 1993-11-11
Also published as: EP0571017A2; EP0571017A3; JP3456722B2; DE59307657D1; EP0571017B1; JPH0638949A; US5394454A

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterverfahren für ein Röntgensystem sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Filterverfahrens. Aus der Zeitschrift J. Phys. E., Vol. 18, 1985, Seiten 354-357 ist ein Filterverfahren für ein Röntgensystem bekannt, das einen Untersuchungsbereich durchstrahlt, wobei die Röntgenstrahlung aus dem Untersuchungsbereich von einer Detektoranordnung gemessen wird. Bei dem bekannten Verfahren wird eine erste Messung mit einem ersten Filter im Strahlengang zwischen Röntgenstrahler und Untersuchungsbereich durchgeführt und eine zweite Messung mit einem zweiten Filter. Die beiden Filter besitzen unter schiedliche Absorptionskanten und sind so bemessen, daß sie für alle Röntgenquan ten außerhalb des Energiebereiches zwischen den Absorptionskanten der beiden Filter die gleiche Absorption bzw. Transmission aufweisen. Wird das Ergebnis der beiden Messungen voneinander subtrahiert, dann resultiert ein Differenzwert, der nur von den Spektralkomponenten des polychromatischen Röntgenstrahlers abhängt, die innerhalb des Energiebereiches zwischen den beiden Absorptions kanten liegen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein anderes Filterverfahren anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Filterverfahren für ein Rönt gen-System mit einem Röntgenquanten emittierenden Röntgenstrahler und einer wenigstens ein Meßsignal liefernden Detektoranordnung zur Erfassung der mit einem Objekt in einem Untersuchungsbereich in Wechselwirkung getretenen Röntgenquanten mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Es wird eine Messung durchgeführt, bei der sich im Strahlengang zwischen dem Röntgenstrahler und dem Untersuchungsbereich ein Filter befindet.
b) Es wird eine Messung durchgeführt, bei der sich im Strahlengang zwischen dem Untersuchungsbereich und der Detektoranordnung ein Filter befindet, das aus dem gleichen Material besteht wie das bei der anderen Messung benutzte Filter.
c) Die bei den beiden Messungen erhaltenen Meßsignale werden subtraktiv miteinander kombiniert.

Während also bei dem bekannten Verfahren bei zwei Messungen Filter aus unterschiedlichem Material jeweils im Strahlengang zwischen Röntgenstrahler und Untersuchungsbereich plaziert werden, wird bei der Erfindung bei der einen Messung ein Filter in den Strahlengang zwischen Röntgenstrahler und Unter suchungsbereich und bei der anderen Messung ein Filter in den Strahlengang zwischen dem Untersuchungsbereich und der Detektoranordnung plaziert, wobei das Filtermaterial in beiden Fällen dasselbe ist. Deshalb kann bei beiden Messungen das gleiche Filter verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, zwei Filter aus demselben Material zu verwenden.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß Röntgenquanten mit einem Objekt im Untersuchungsbereich in unterschiedlicher Weise in Wechselwirkung treten können:

1) Bei der elastischen Streustrahlung (Rayleigh-Streuung) ändert sich zwar die Richtung der Röntgenstrahlung, nicht aber ihre Energie.
2) Bei der inelastischen (Compton-Streuung) verliert die Röntgenstrahlung bei einer Richtungsänderung Energie. Der Energieverlust hängt von der Größe der Richtungsänderung und von der Quantenenergie ab.
3) Bei der photoelektronischen Bremsstrahlung wird durch ein mit einem Atom in Wechselwirkung tretendes Röntgenquant ein Elektron vornehmlich aus der K-Schale befreit, wodurch ein Photoelektron (Röntgenquant) entsteht, dessen Energie um den Betrag kleiner ist als die Energie des primären Röntgenquants, der erforderlich ist, um das Elektron aus der K-Schale zu lösen. Dieser Energie betrag steigt kubisch mit der Ordnungszahl des Atoms im periodischen System an.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die Komponenten, die durch unterschiedliche Wechselwirkung mit dem Untersuchungsbereich entstanden sind, voneinander zu trennen.

Eine erste Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein im wesentlichen monochromatischer Röntgenstrahler verwendet wird, daß das Filtermaterial eine Absorptionskante bei einer Quantenenergie hat, die geringfügig niedriger ist als die Energie der von dem monochromatischen Röntgenstrahler emittierten Röntgen quanten und daß die Röntgenquanten von der Detektoranordnung unter einem Winkel erfaßt werden, der größer ist als der Winkel, bei dem der Energieverlust der Röntgenquanten durch Compton-Streuung gerade der Differenz zwischen der Energie der Röntgenquanten und der Energie entspricht, bei der das Filter seine Absorptionskante hat. Dieses Verfahren gestattet die Bestimmung des Streuquer schnitts für elastische (kohärente) Streustrahlung oder auch für inelastische (inkohärente) Streustrahlung.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein im wesentlichen monochromatischer Röntgenstrahler verwendet wird, daß das Filter material eine Absorptionskante bei einer Quantenenergie hat, die geringfügig niedriger ist als die Energie der von dem monochromatischen Röntgenstrahler emittierten Röntgenquanten, daß die Röntgenquanten von der Detektoranordnung unter einem Winkel erfaßt werden, der kleiner ist als der Winkel, bei dem der Energieverlust der Röntgenquanten durch Compton-Streuung gerade die Differenz zwischen der Energie der Röntgenquanten und der Quantenenergie entspricht, bei der das Filtermaterial eine Absorptionskante aufweist, und daß die Quantenenergie energieauflösend gemessen wird. Bei dieser Ausgestaltung können die auf Compton- und Rayleigh-Streuung zurückgehenden Komponenten unterdrückt werden, so daß nur Komponenten verbleiben, die durch photoelektronische Bremsstrahlung erzeugt werden. Man kann damit in einem (ausgedehnten) Untersuchungsbereich den Gehalt von Stoffen mit niedriger Ordnungszahl, z. B. Kohlenstoff, Sauerstoff bzw. Stickstoff bestimmen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein polychromatischer Röntgenstrahler verwendet wird, und daß die unter einem bestimmten Streuwinkel bereich austretende Streustrahlung von der Detektoranordnung gemessen wird. Die nach subtraktiver Kombination der Meßsignale erhaltenen Meßwerte werden nur von Röntgenquanten innerhalb eines bestimmten Energiebandes bestimmt; die Wirkung der anderen Röntgenquanten wird durch die subtraktive Kombination eliminiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Filterverfahrens.

Fig. 2 ein Spektrum, das sich bei einer Ausführungsform jenseits des Unter suchungsbereiches ergibt.

Fig. 3 die Emissionslinien eines für das Verfahren geeigneten monochromatischen Röntgenstrahlers.

Fig. 4 das Energiespektrum, das sich bei einer anderen Ausführungsform ergibt.

Fig. 5 ein Bremsstrahlungsspektrum vor und hinter dem Untersuchungsbereich.

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 7 ein bei der Anordnung nach Fig. 6 verwendbares Filter.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Röntgenstrahler bezeichnet, der monochromatische Röntgenstrahlung emittiert; die von dem Strahler 1 emittierten Röntgenquanten haben also alle im wesentlichen die gleiche Energie. Eine mit einer zentralen Bohrung versehene Blende 2 läßt von der von dem Röntgenstrahler 1 emittierten Röntgenstrahlenbündel nur einen Nadelstrahl (pencil-beam) 3 durch. Der Nadelstrahl 3 durchsetzt die zentrale Öffnung in einer weiteren Blendenplatte 4. Die beiden Blendenplatten 2 und 4 begrenzen in Richtung senkrecht zu dem Nadelstrahl 3 einen Untersuchungsbereich, in dem sich ein Untersuchungsobjekt 7 befindet. Die Röntgenquanten in dem Nadelstrahl 3 treten mit dem Unter suchungsobjekt 7 in Wechselwirkung, und erzeugen u. a. elastische und inelastische Streustrahlung. Die Streustrahlung, die im Untersuchungsobjekt 7 zwischen einem minimalen Winkel β₁ und einem maximalen Winkel β₂ erzeugt wird, kann durch eine zum Nadelstrahl 3 konzentrische, ringförmige Öffnung 8 in der Blende 4 hindurch einen ringförmigen Detektor 9 erreichen. Das Detektorsignal wird von einem integrierend wirkenden Verstärker 10 verstärkt und von einem Analog- Digital-Wandler in ein digitales Datenwort umgesetzt. Dieses Datenwort ist der Zahl der während eines Integrationsintervalls bzw. einer Meßzeit vom ringförmigen Detektor 9 registrierten Röntgenquanten proportional und von der Energie der Röntgenquanten unabhängig.

Das Datenwort kann in einem Speicher 12 gespeichert und in einer arithmetisch logischen Einheit (ALU 13) weiterverarbeitet werden. Die Einheiten 10-13 werden von einer Steuereinheit 14 gesteuert. Die Einheiten 12-14 können Teil eines Microprozessors sein.

Im folgenden wird die Durchführung eines Meßverfahrens mit Hilfe der in Fig. 1 skizzierten Anordnung erläutert. Es wird zunächst eine erste Messung durchgeführt. Bei dieser ersten Messung befindet sich im Strahlengang zwischen dem monochro matischen Röntgenstrahler 1 und dem Untersuchungsbereich 7 ein Filter 5, das eine Absorptionskante bei einer Quantenenergie E_k hat, die geringfügig niedriger liegt als die Energie der von dem Röntgenstrahler 1 emittierten Röntgenquanten.

Fig. 2 zeigt das Energiespektrum (d. h. die Intensität der Röntgenstrahlung als Funktion der Energie der Röntgenquanten). Man erkennt in dem Spektrum eine Linie E_p und eine Komponente E_s mit geringerer Energie. Die Linie E_p entsteht durch elastische Streuung, bei der die Röntgenquanten bekanntlich keine Energie verlieren. Die Energie E_p ist daher auch die Energie der vom Röntgenstrahler 1 emittierten Röntgenquanten. Die Komponente E_s entsteht durch Compton- Streuung. Bei diesem inelastischen Streuprozeß verlieren die Röntgenquanten Energie gemäß der Beziehung

1/E_s - 1/E_p = c (1 - cos β) (1)

Dabei ist E_p die Energie des Röntgenquants vor dem Streuprozeß, E_s die Energie des Röntgenquants, nach dem Streuprozeß c eine Konstante und β der Winkel, den die Bahn des gestreuten Röntgenquants mit der Richtung des Nadelstrahls 3 einschließt.

Bei Gleichung (1) wird vorausgesetzt, daß die Elektronen stationär sind. In der Realität bewegen sich die Elektronen aber. Dies führt zu einer Verbreiterung der Compton-Linie (Compton-shift). In diesem Fall beschreibt Gleichung (1) die Energie des Compton-peaks. Für Streuung unter einem kleinen Streuwinkel ist die Breite des Compton-peaks klein.

Die Verbreiterung der Komponente E_s im Vergleich zur Komponente E_p ergibt sich auch dadurch, daß Röntgenquanten den Detektorring 9 unter unterschiedlichen Streuwinkeln erreichen können. Wenn dafür gesorgt wird, daß Streustrahlung nur unter einem definierten Streuwinkel die Detektoranordnung erreichen kann, ergibt sich für die Komponente E_s näherungsweise eine Linie. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß anstelle eines nadelförmigen Primärstrahls ein Primär strahlenbündel mit der Form eines Kegelmantels verwendet wird und die Blende 4 durch zur Symmetrieachse des Kegelmantels konzentrische Kollimatorkörper gebildet wird, wie in der DE-OS 40 34 602 beschrieben.

Das in Fig. 1 dargestellte Filter 5 besteht aus einem Material mit einer Absorp tionskante bei einer Energie E_k, die geringfügig kleiner ist als die Energie der vom Röntgenstrahler emittierten Röntgenquanten aber größer als die Energie E_s der durch den Streuprozeß beeinflußten Röntgenquanten. In Fig. 2 ist der Verlauf der Transmission dieses Filters als Funktion der Quantenenergie durch eine gestrichelte Kurve F schematisch angedeutet. Die Transmission nimmt bis zur Absorptionskante monoton zu, um dann auf einen niedrigen Wert zu springen und danach wieder anzusteigen. Die Transmission des Filters 5 für die Energie der Primärstrahlung ist mit T_p, und die (größere) Transmission des Filters für die Energie E_s ist mit T_s bezeichnet. Durch den Einsatz des Filters 5 im Bereich zwischen Röntgenstrahler und Untersuchungsbereich werden die Spektralkomponenten E_s und E_p im gleichen Maße reduziert und zwar entsprechend dem Transmissionsfaktor T_p.

Am Ende des Meßzeitraumes liefert der Analog-Digital-Wandler 11 ein Signal, das dem zeitlichen Integral über die Intensität proportional ist.

Danach wird eine weitere Messung durchgeführt, bei der - wie durch Pfeile angedeutet - das Filter 5 aus dem Strahlengang und ein Filter 6 in den Strahlengang zwischen dem Untersuchungsbereich 7 und der Detektoranordnung 9 bewegt wird. Das Filter 6 muß aus dem gleichen Material bestehen wie das Filter 5 und kann dieselbe Dicke haben. Im letzteren Fall könnte man mit einem Filter auskommen, das bei der einen Messung oberhalb des Untersuchungsbereichs, und bei der anderen Messung unterhalb des Untersuchungsbereichs angeordnet wird. Das Filter 6 beeinflußt die gestreuten Komponenten E_p und E_s nicht in gleicher Weise. Die Komponente E_p wird durch das Filter 6 in gleichem Maße geschwächt wie durch das Filter 5. Hingegen wird die Komponente E_s weniger stark geschwächt, weil T_s größer ist als T_p. Die für diese Messung zur Verfügung stehende Meßzeit entspricht der Meßzeit bei der vorangehenden Messung.

Nach den beiden Messungen kann die Differenz der bei den Messungen erhaltenen Signale gebildet werden. Da bei den beiden Messungen die Komponente E_p im gleichen Maße durch die Filter 5 bzw. 6 gedämpft wird, hängt die Differenz der Meßsignale nur von der Komponente E_s ab, die durch Compton-Streuung hervorgerufen wird. Das Differenzsignal ist also ein Maß für die Compton-Streuung.

Verwendet man im Strahlengang zwischen Untersuchungsbereich und Detektor anordnung ein Filter aus dem gleichen Material wie das Filter 6, jedoch mit einer um den Faktor T_s/T_p größeren Dicke, dann erfährt die Componente E_s bei beiden Messungen dieselbe Dämpfung, während die Komponente E_p bei dieser zweiten Messung stärker unterdrückt wird. Bildet man daher wiederum die Differenz zwischen den Meßsignalen bei den beiden Messungen, dann ist das Differenzsignal unabhängig von E_s und ein Maß für die elastische Streustrahlung. Das gleiche Ergebnis kann man aber auch erreichen, wenn man im Strahlengang zwischen Untersuchungsbereich 7 und Detektoranordnung 9 ein Filter aus dem gleichen Material und von der gleichen Dicke verwendet, wie das Filter 5 und die Intensität des Nadelstrahls 3 oder aber die Meßzeit um den Faktor T_s/T_p erhöht.

Eine Modifikation der Anordnung nach Fig. 1 gestattet die Berechnung des Streuquerschnitts eines Volumenelements für elastische und/oder nicht elastische Streustrahlung. Dazu muß zwischen Detektoranordnung 9 und dem Untersuchungs bereich 7 eine Blendenanordnung angeordnet sein, durch die hindurch die Detektoranordnung nur ein Volumenelement auf dem Nadelstrahl 3 des Unter suchungsbereichs 7 "sehen" kann. (In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn das Objekt 7 relativ zu den übrigen Komponenten der Anordnung - oder umgekehrt - nicht nur senkrecht zum Nadelstrahl 3, sondern auch in Richtung des Nadelstrahls 3 verschiebbar ist, damit jedes Volumenelement innerhalb des Körpers 7 bei Bedarf untersucht werden kann). Für die bei den beiden Messungen erhaltenen Meßsignale S1 und S2 gilt dann folgendes:

S1 = I_p · T_p · (A_e + A_i) (2)

S2 = I_p · (T_p A_e + T_s · A_i) (3)

Dabei sind A_e und A_i Faktoren, die Streuquerschnitten für elastischen (Rayleigh-) bzw. inelastische (Compton-)Streustrahlung proportional sind und I_p die Intensität im Nadelstrahl 3. Aus den Gleichungen 2 und 3 lassen sich die Streuquerschnitte wie folgt ableiten:

I_p · A_i = (S2 - S1)/(T_s - T_p) (4)

I_p · A_e = (S1 · T_s - S2 · T_p)/(T_s · T_p - T_p²) (5)

Gleichung 5 zeigt, daß man den Querschnitt A_e für die elastische Streustrahlung auch ermitteln kann, ohne die Filterdicke, die Meßzeit oder die Intensität I_p zu verändern. Allerdings darf man die subtraktive Kombination der Signale S1 und S2 nicht unmittelbar durch Differenzbildung realisieren, sondern durch eine Linear kombination, bei der die Differenz der gewichteten Meßsignale gebildet wird.

Wie Fig. 2 deutlich zeigt, ist Voraussetzung für die Trennung der Komponenten E_s und E_p, daß das Filter eine Absorptionskante bei einer Energie E_k hat, die unterhalb von E_p und oberhalb von E_s liegt. Damit dies der Fall ist, muß der Energieverlust E_p-E_s eines Röntgenquants bei einem Compton-Streuprozeß genü gend groß sein. Gemäß Gleichung 1 steigt der Energieverlust E_p-E_s nämlich mit dem Streuwinkel. Bei einem bestimmten Streuwinkel entspricht der Energieverlust gerade der Differenz zwischen der Energie E_p und der Energie der E_k Absorptions kante. Die Streuwinkel, unter denen die Detektoranordnung 9 die gestreuten Röntgenquanten erfaßt, müssen daher größer sein als dieser Streuwinkel, damit elastisch gestreute Röntgenquanten und inelastisch durch einen Compton-Prozeß gestreute Quanten voneinander getrennt werden.

Eine monochromatische Röntgenstrahlung könnte grundsätzlich mittels eines Radionuklids erzeugt werden. Diese Strahlenquellen haben jedoch nur eine geringe Intensität. Eine weitaus höhere Intensität hat ein Röntgenstrahler, der zunächst eine polychromatische Röntgenstrahlung erzeugt, welche in einem Target in quasi monochromatische Fluoreszenzstrahlung umgesetzt wird. Derartige Röntgenstrahler sind aus der EP-OS 292 055 (PHD 87-098 EP) bzw. aus der DE-OS 40 17 002 bekannt. Fig. 3 zeigt das Emissionsspektrum eines derartigen Röntgnestrahlers mit einem Target aus Tantal. Das Spektrum eines derartigen Strahlers setzt sich aus vier K-Linien α2, α1, β1 und β2 (in der Reihenfolge steigende Energie) zusammen; alle anderen in Fig. 3 nicht dargestellten Fluoreszenzlinien von Tantal haben eine weit darunter liegende Energie. Die K_α ₁-Linie hat eine Energie von 57,532 keV, während die K_β ₁-Linie ca. 7,5 keV höher liegt. In Verbindung mit einem derartigen Röntgenstrahler ist ein Filter aus Erbium mit einer Absorptionskante bei einer Quantenenergie E_k von 57,485 keV günstig, die oberhalb der K_α ₂-Linie und unterhalb der K_α ₂-Linie und unterhalb der K_α ₁-Linie liegt.

Die Gleichungen 2 und 3 sind für jede der vier Linien gültig. Wenn aber die Emissionslinie und die nach Streuung entstehende Linie entweder beide oberhalb oder beide unterhalb der K-Absorptionskante des Filters liegen, sind T_p und T_s praktisch identisch, und die Beiträge dieser Linien zu dem nach der subtraktiven Kombination der Signale S1 und S2 entstehenden Signale heben sich auf. Die K_α ₂- Linie und erst recht die sich daraus durch Compton-Streuung ergebende Linie liegt unterhalb der Absorptionskante E_k des Erbiumfilters. Die K_β ₁- und K_β ₂-Linie und die sich daraus durch Streuung ergebenden Linien liegen oberhalb der Absorptions kante liegen, solange der Energieverlust bei den Streuprozessen kleiner ist als 7,5 keV bzw. der Streuwinkel kleiner als 90°. Einzig die K_α ₁-Linie liefert einen Beitrag, weil ihre Energie oberhalb der Absorptionskante liegt, während die daraus durch Compton-Streuung entstehende Linie unterhalb der Absorptionskante liegt, wenn der Streuwinkel mindestens 7° beträgt.

Mit leichten Modifikationen ist es möglich, mit der Anordnung nach Fig. 1 die durch den Nadelstrahl erzeugte photoelektronische Bremsstrahlung unabhängig von der durch Compton- oder Rayleigh-Streuung erzeugten Streustrahlung zu messen. Dazu muß der Detektorring 9 und die zwischen diesem Detektorring und dem Untersuchungsbereich angeordnete Blende 4 bzw. Kollimatoranordnung so gestaltet sein, daß der Detektorring aus dem Untersuchungsbereich Strahlung nur unter einem Winkel empfangen kann, der größer ist als 0° und kleiner als derjenige Streuwinkel, bei dem der Energieverlust durch Compton-Streuung im Bereich der Differenz der Energie der monochromatischen Strahlenquelle 1 und der Quanten energie ist, bei der das Filter 5 eine Absorptionskante hat; bei der zuvor erläuterten Kombination aus einer Tantalfluoreszenzstrahlungsquelle und einem Erbiumfilter ist dieser Winkel 7°. In diesem Fall haben nicht nur die durch elastische Streuung beeinflußten Röntgenquanten, sondern auch die durch Compton-Streuung hervorgerufenen Röntgenquanten eine Energie, die oberhalb der Absorptionskante des Filters 5 bzw. 6 liegt. Nach der Subtraktion der Meßsignale (die sich mit dem Filter 5 bzw. dem Filter 6 im Strahlengang ergeben) hebt sich daher der Einfluß dieser Streusignale auf.

Für die photoelektronische Bremsstrahlung gilt das jedoch nicht. Diese Strahlung entsteht, wenn Röntgenquanten jeweils ein Elektron aus der K-Schale eines Atoms befreien, wodurch ein Photoelektron entsteht, dessen Energie kleiner ist als die Energie des primären Röntgenquants. Der Energieunterschied gegenüber dem erzeugenden (primären) Röntgenquant hängt von der Ordnungszahl des Atoms ab. Er beträgt z. B. für Kohlenstoff ca. 284 eV, für Stickstoff ca. 400 eV, und für Sauerstoff 532 eV. Wenn er größer ist als die Energiedifferenz zwischen der Quantenenergie der Absorptionskante und der Energie der monochromatischen Strahlung - was bei der Tantalstrahler/Erbiumfilter-Kombination der Fall ist - liegt die Energie der photoelektronischen Bremsstrahlung unterhalb der Energie der Absorptionskante, so daß, wie in Verbindung mit Fig. 2 erläutert wurde, ein getrennter Nachweis dieser Strahlung möglich ist.

Besondere Vorteile ergeben sich bei dieser Modifikation, wenn die Röntgenquanten energieaufgelöst gemessen werden. Es muß dann ein geeigneter Detektor 9, z. B. eine Germaniumdetektor, vorhanden sein, der bei der Detektion eines Röntgen quants ein impulsförmiges Signal erzeugt, dessen Amplitude der Quantenenergie proportional ist. Hinter dem Verstärker 10 muß ein Impulshöhenanalysator vorgesehen sein, der für die verschiedenen Amplitudenbereiche die Zahl der Impulse registriert, deren Amplitude in den jeweiligen Amplitudenbereich fällt. Dieser Impulshöhenanalysator liefert also bei jeder Messung eine Anzahl von Zahlen, die das gemessene Energiespektrum, d. h. die Intensität als Funktion der Energie charakterisieren.

Die auf diese Weise erreichbaren Ergebnisse lassen sich anhand von Fig. 4 verstehen, die das bei den beiden Messungen hinter dem Untersuchungsobjekt auftretende Energiespektrum zeigt. Man erkennt wiederum eine Line E_p, die durch die Energie des monochromatischen Strahlers bedingt ist und z. B. mit der K_α ₁-Linie der Tantalfluoreszenzstrahlung übereinstimmt. Die durch Compton-Streuung entstehende Linie bei E_s liegt unterhalb von E_p, ist oberhalb der Energie E_k der Absorptionskante des Filters, das bei den beiden Messungen im Strahlengang vor bzw. hinter dem Untersuchungsbereich wirksam ist. Unterhalb der Absorptions kante E_k zeigt sich ein kontinuierliches Spektrum, nämlich das photoelektronische Bremsstrahlungsspektrum. Dabei ist angenommen, daß in dem Untersuchungs bereich als Elemente mit niedrigster Ordnungszahl Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) vorhanden sind. Wenn ein Röntgenquant aus der K-Schale eines Kohlenstoffatoms ein Elektron befreit, ergibt sich ein Bremsstrahlungsspektrum, dessen höchste Energie unterhalb von E_k liegt und um ca. 284 eV niedriger ist als E_p. Die höchste Energie des durch den Stickstoffanteil hervorgerufenen Brems strahlungsspektrum liegt ca. 400 eV niedriger als E_p, während bei Sauerstoff die höchste Energie ca. 532 eV unterhalb von E_p liegt.

Wenn im Untersuchungsbereich mehr als eines der Elemente C/N/O vorhanden ist, hat das Energiespektrum in seinem kurzwelligen Teil einen stufenförmigen Verlauf. Die Höhe jeder der Stufen ist ein Maß für den Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffanteil. Durch ein geeignetes Kurven-Anpassungsverfahren (Curve-Fitting) kann daher das Verhältnis der drei Komponenten zueinander bestimmen. Da Sprengstoffe bekanntlich ein wohl definiertes C/N/O-Verhältnis haben, läßt sich dieses Verfahren zum Nachweis von Sprengstoffen innerhalb eines ausgedehnteren Untersuchungsbereiches benutzen, beispielsweise bei der Gepäckkontrolle.

Die Fig. 5 bis 7 dienen zur Erläuterung eines Verfahrens, das mit polychroma tischer Röntgenstrahlung arbeitet. Die mit einer ausgezogenen Linie dargestellte Kurve P in Fig. 5 stellt das Energiespektrum eines solchen Röntgenstrahlers dar, der eine Röntgenröhre mit einer Wolfram-Anode umfaßt. Man erkennt den typischen Verlauf eines Bremsstrahlungsspektrums mit zwei Intensitätsspitzen (Peaks) im mittleren Energiebereich, die durch die charakteristische Strahlung von Wolfram hervorgerufen werden. Die mit S gestrichelt dargestellte Kurve stellt das Spektrum (in einem anderen Maßstab als das Spektrum P) dar, das sich ergibt, wenn Röntgenstrahlung mit dem Energiespektrum P im Untersuchungsbereich unter einem Streuwinkel von z. B. 140° gestreut wird. Die unter einem solchen Winkel gestreute Strahlung wird im wesentlichen durch Compton-Streuprozesse hervor gerufen, die gemäß Gleichung (1) zu einem mit steigender Quantenenergie zunehmendem Energieverlust führt.

Mißt man nun die gestreute Röntgenstrahlung und fügt bei dieser Messung zwischen dem Untersuchungsbereich und der Detektoranordnung ein Filter ein mit einer Absorptionskante bei der Energie E_a (dabei kann es sich beispielsweise um ein Wolframfilter mit einer Absorptionskante bei ca. 70 keV handeln), dann ergibt sich für Quantenenergien unterhalb E_s eine geringe Dämpfung und für Quanten energien oberhalb E_s eine große Dämpfung.

Führt man eine weitere Messung durch und fügt dabei in den Strahlengang zwischen der Strahlenquelle und dem Untersuchungsbereich ein Filter aus dem gleichen Material ein, dann liegt der durch die Absorptionskante bedingte Transmissionssprung wegen des Energieverlustes beim Compton-Streuprozeß bei der niedrigeren Energie E_b. Spektralkomponenten oberhalb von E_b haben eine große Dämpfung und Spektralkomponenten unterhalb von E_b haben eine niedrige Dämpfung.

Bei beiden Messungen erfahren also die Spektralkomponenten unterhalb E_b eine niedrige und oberhalb E_a eine höhere Dämpfung, wobei allerdings (bei gleicher Filterdicke) die Dämpfungswirkung auf der Primärseite etwas geringer ist als auf der Sekundärseite. Wenn man diese Absorptions- bzw. Transmissionsunterschiede dadurch ausgleicht, daß man das Filter auf der Primärseite etwas dicker macht oder - bei gleicher Dicke der Filter - die Meßzeit entsprechend vergrößert, wenn das Filter auf der Sekundärseite eingefügt ist, dann hebt sich der Einfluß der Spektralkomponenten unterhalb E_b und oberhalb E_a im wesentlichen auf, wenn die bei den beiden Messungen erhaltenen Signale voneinander subtrahiert werden. Nur in dem Bereich zwischen E_b und E_a ist dies nicht der Fall. Das Differenzsignal entspricht daher demjenigen Signal, das sich ergeben würde, wenn der Röntgen strahler nur Röntgenquanten mit einer Energie zwischen E_b und E_a auftreten würde. Das beschriebene Verfahren bewirkt also eine Bandpaßfilterung.

Für das beschriebene Ausführungsbeispiel mit einem Filter von einer Absorptions kante bei 69,5 keV und einem Streuwinkel von 140° ergibt die Differenzbildung einen Bandpaß, der Quantenenergien im Bereich von 56 keV bis 69,5 keV auf der Sekundärseite wirksam macht, was einer Quantenenergie von 69,5 bis 91,5 keV auf der Primärseite entspricht. Wenn man das Wolframfilter durch ein Cer-Filter ersetzt, das eine K-Absorptionskante bei 40,45 KeV aufweist, ergibt sich bei einem Streuwinkel von 140° mit diesem Verfahren ein Energieband zwischen 35,5 und 40,45 keV auf der Sekundärseite bzw. von 40,45 bis 47 keV auf der Primärseite. Die Breite des Energiebandes, das durch dieses Verfahren wirksam wird, ist von dem Streuwinkel abhängig und nimmt mit diesem ab. Bei einem Streuwinkel von 90° beispielsweise reicht das mit einem Wolframfilter hervorzuhebende Energieband von 61,2 keV bis 69,5 keV auf der Sekundärseite bzw. von 69,5 bis 80,44 keV auf der Primärseite.

Nachfolgend wird anhand von Fig. 6 ein Gerät beschrieben, mit dem dieses Verfahren durchgeführt werden kann. Das Gerät besitzt einen Meßkopf 15, der mit einem zur Zeichenebene der Fig. 6 senkrechten Spalt 16 versehen ist. Der Spalt 16 blendet aus dem polychromatischen Strahlenbündel eines nicht näher dargestellten Röntgenstrahlers ein fächerförmiges Strahlenbündel aus, das auf eine drehbare Walze 17 mit einem die Röntgenstrahlung absorbierenden Material trifft. In der Walze sind zwei um 180° gegeneinander versetzte spiralförmig verlaufende Schlitze vorgesehen, so daß in jeder Walzenposition aus dem fächerförmigen Strahlenbündel 17 ein Nadelstrahl 18 ausgeblendet wird, der bei einer Drehung der Walze in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene geschwenkt wird.

Der Nadelstrahl 18 durchsetzt ein Untersuchungsobjekt 19 und erzeugt darin (Compton-)Streustrahlung. Die Streustrahlung, die unter einem Winkel von ca. 140° mit dem Nadelstrahl gestreut wird, tritt durch zwei zur Zeichenebene senkrechte und beiderseits der durch den Spalt 16 definierten Ebene befindliche Schlitze 19 im Meßkopf hindurch und trifft auf zwei aus jeweils mehreren Detektorelementen bestehende Detektoranordnungen 20 in dem Meßkopf. Die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Detektorelemente erfassen wegen der Schlitzgeometrie die Streustrahlung aus unterschiedlichen Tiefen des Objektes.

Insoweit als bisher beschrieben, ist die Anordnung nach Fig. 6 aus der EP-PS 184 247 bekannt. Zusätzlich ist aber im Strahlengang zwischen dem Objekt 19 und dem Meßkopf 15 eine Filteranordnung 21 vorgesehen. Mit dieser Filteranordnung werden für jede Position des Nadelstrahls 18 vier verschiedene Messungen durchgeführt.

Wie aus Fig. 7 hervorgeht, die die Filteranordnung in einer gegenüber Fig. 6 um 90° gedrehten Position zeigt, umfaßt die Filteranordnung eine Halterung 215 für vier Filterplatten 210 . . . 213. Die beiden Filterplatten 210 und 211 bestehen aus Wolfram und haben die gleiche Dicke. Die beiden Filterplatten 212 und 213 bestehen aus Cer und sind gleich dick. Zwischen benachbarten Filterplatten besteht ein Zwischenraum, durch den Röntgenstrahlung unbeeinflußt hindurchtreten kann.

Bei einer ersten Messung ist das Filter so im Strahlengang positioniert, daß der Nadelstrahl 18 ungeschwächt zwischen den Filterplatten 210 und 211 hindurchtreten kann. Die Streustrahlung hingegen trifft auf ihrem Weg zu den Schlitzen 19 auf die Platten 210 bzw. 211 und wird dadurch beeinflußt. Danach wird das Filter seitlich verschoben, so daß bei der zweiten Messung der Nadelstrahl 18 die Filterplatte 211 ersetzt. Die Streustrahlung erreicht dann die Schlitze 19 ungehindert. Aus den in Verbindung mit Fig. 5 erläuterten Gründen dauert diese zweite Messung etwas länger als die erste Messung. Die von jedem einzelnen Element der Detektoranord nungen 20 für dieselbe Position des Nadelstrahls 18 und die beiden Positionen der Filteranordnung 21 gelieferten Meßwerte werden voneinander subtrahiert. Wie in Verbindung mit 5 erläutert, ist das Differenzsignal einem Meßsignal äquivalent, das sich ergeben würde, wenn das Spektrum des Röntgenstrahlers auf ein bestimmtes Energieband (E_b-E_a - vergl. Fig. 5) beschränkt wäre.

Nach einer weiteren Verschiebung der Filteranordnung 21 wird bei einer dritten Messung das Cer-Filter 212 von dem Nadelstrahl 18 durchsetzt. Die gestreute Strahlung hingegen erreicht die Detektoranordnung 20 ungehindert durch die Schlitze 19 hindurch. Nach einer neuerlichen Verschiebung der Filteranordnung durchsetzt der Primärstrahl bei einer vierten Messung den Zwischenraum zwischen den beiden Cer-Filtern 212 und 213, die dann die gestreute Strahlung vor ihrem Durchtritt durch die Schlitze 19 filtern. Für jedes Detektorelement und für jede Nadelstrahlposition wird wiederum die Differenz der bei der dritten und der vierten Position der Filteranordnung gemessenen Signale gebildet, woraus sich ein Differenzsignal ergibt, das einem Energieband entspricht, das niedriger liegt als das Energieband, das sich aus der Differenz der ersten und der zweiten Messung mit den Wolfram-Filtern 210 bzw. 211 ergibt.

Somit wird das Objekt 18 mit zwei verschiedenen Energien durchstrahlt, was für die sognannten "Dual-Energy"-Verfahren wesentlich ist. Diese Verfahren liefern zusätzliche Informationen über das Untersuchungsobjekt 19. Mit dem erfindungs gemäßen Verfahren kann ein solches Dual-Energy-Verfahren durchgeführt werden, ohne daß das Spektrum der vom Röntgenstrahler erzeugten Röntgenstrahlung geändert werden muß, beispielsweise durch Umschaltung der Hochspannung, die an die im Röntgenstrahler enthaltene Röntgenröhre angelegt wird. Ebensowenig ist es erforderlich, zur Durchführung des Dual-Energy-Verfahrens die gestreute Röntgenstrahlung energieaufgelöst zu messen.

Wie in einem Aufsatz von Harding & Tischler (Phys. Med. Biol, Vol. 31, 477-489, 1986) beschrieben, ist es mit einem Dual-Energy-Verfahren möglich, die Schwächung durch Compton-Streuung und durch photoelektrische Absorption getrennt zu erfassen. Dazu müssen die aus den vier Messungen resultierenden beiden Sätzen von Differenzsignalen in der in der Veröffentlichung genannten Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

1. Filterverfahren für ein Röntgen-System mit einem Röntgenquanten emittierenden Röntgenstrahler und einer wenigstens ein Meßsignal liefernden Detektoranordnung zur Erfassung der mit einem Objekt in einem Untersuchungsbereich in Wechselwir kung getretenen Röntgenquanten mit folgenden Verfahrensschritten:

2. Filterverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen monochromatischer Röntgen strahler verwendet wird, daß das Filtermaterial einer Absorptionskante einer Quantenenergie hat, die geringfügig niedriger ist als die Energie der von dem monochromatischen Röntgenstrahler emittierten Röntgenquanten und daß die Röntgenquanten von der Detektoranordnung unter einem Winkel erfaßt werden, der größer ist als der Winkel, bei dem der Energieverlust der Röntgenquanten durch Compton-Streuung gerade der Differenz zwischen der Energie der Röntgen quanten und der Energie entspricht, bei der das Filter eine Absorptionskante hat.

3. Filterverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen monochromatischer Röntgen strahler verwendet wird, daß das Filtermaterial einer Absorptionskante bei einer Quantenenergie hat, die geringfügig niedriger ist als die Energie der von dem monochromatischen Röntgenstrahler emittierten Röntgenquanten, daß die Rönt genquanten von der Detektoranordnung unter einem Winkel erfaßt werden, der kleiner ist als der Winkel, bei dem der Energieverlust der Röntgenquanten durch Compton-Streuung gerade die Differenz zwischen der Energie der Röntgenquanten und der Quantenenergie entspricht, bei der das Filtermaterial eine Absorptions kante aufweist, und daß die Quantenenergie energieauflösend gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein polychromatischer Röntgenstrahler verwendet wird, und daß die unter einem bestimmten Streuwinkelbereich austretende Streu strahlung von der Detektoranordnung gemessen wird.

5. Filterverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Tantalfluoreszenzstrahlung emittierender Röntgenstrahler und ein Erbiumfilter verwendet werden.

6. Anordnung zum Durchführen des Filterverfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Röntgensystem mit einem Röntgenstrahler und einer Detektoranordnung zur Erfassung der mit einem Untersuchungsobjekt in Wechselwirkung getretenen Röntgenquanten, mit Filtermitteln zum Einbringen eines Filters entweder in den Strahlengang zwischen dem Röntgenstrahler und dem Untersuchungsobjekt oder in den Strahlengang zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Detektor und mit Mitteln zum subtraktiven Kombinieren der von der Detektoranordnung gelieferten Meßsignale.

7. Anordnung nach Anspruch 6 mit einem polychromatischen Röntgenstrahler und einer Detektoranordnung zum Erfassen der unter einem Winkel von mehr als etwa 90° gestreuten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filteranordnung mit wenigstens einem ebenen Filter vorgesehen ist, die in wenigstens zwei Positionen senkrecht zu dem zwischen Röntgenstrahler und Untersuchungsbereich verlaufenden Strahlengang verschiebbar ist, wobei in der einen Position das Filter von der Primärstrahlung und in der anderen Position von der Streustrahlung durchsetzt wird.