DE69200634T2

DE69200634T2 - Röntgenapparat mit einem K-Kanten Filter.

Info

Publication number: DE69200634T2
Application number: DE69200634T
Authority: DE
Inventors: Sueki Baba; Koichi Ohmori; Tetsuro Ohtsuchi; Hiroshi Tsutsui
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2012-02-15
Also published as: JPH0527043A; US5365567A; EP0499975A1; EP0499975B1; US5285489A; JP2962015B2; DE69200634D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgengerät aufweisend eine Röntgenstrahlung emittierende Röntgenquelle, ein K-Kantenfilter zum Auftrennen des Spektrums der von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlung in einen Bereich mit hoher und in einen Bereich mit niedriger Energie und einen Röntgendetektor, der die Röntgenstrahlung auffängt, die durch ein zwischen dem K-Kantenfilter und dem Röntgendetektor angeordnetes Objekt hindurchgetreten ist, und der Ausgangsimpulse abgibt, deren Energieverteilung einer Röntgenstrahlung mit niedrigerer Energie als einer vorgesetzten Grenze und einer Röntgenstrahlung mit höherer Energie als einer vorgesetzten Grenze entspricht, wobei die Grenze zwischen dem hohen und dem niederen Bereich des K-Kantenfilters ausgewählt wird.
Im allgemeinen setzt sich die von einer Röntgenquelle erzeugte Röntgenstrahlung aus Photonen von unterschiedlichem Energieniveau zusammen und weist ein Energiespektrum auf, in dem das charakteristische Röntgenspektrum mit steilen Kurven und ein glattes, kontinuierliches Röntgenspektrum zusammen auftreten, wie in Fig. 12 gezeigt. Die Absorption der durch eine Substanz hindurchgetretenden Röntgenstrahlung wird entweder durch ein Phänomen (1) bewirkt, bei dem die Röntgenstrahlung in der Substanz einen photoelektrischen Effekt auslöst, wobei Photoelektronen in der Weise emittiert werden, daß Photonen verlorengehen, oder aber durch ein Phänomen (2), bei dem die Röntgenstrahlung auf ihrem Weg durch die Substanz teilweise gestreut wird. Die durch das Phänomen (2) bewirkte Absorption der Röntgenstrahlung zeigt eine diskontinuierliche Änderung ("Absorptionskante" genannt) des Abschwächungskoeffizienten (Absorptionskoeffizienten). Die aufgrund der Elektronen der K-Schale auftretende Absorptionskante wird als "K-Absorptionskante" bezeichnet, und die Eigenschaften der diskontinuierlichen Änderung des Abschwächungskoeffizienten werden für Röntgenfilter genutzt.
Es ist allgemein üblich, die einzusetzende Röntgenstrahlung zu messen, indem der Wellenlängenbereich begrenzt wird, oder Röntgenstrahlung mit mehreren begrenzten Wellenlängenbereichen zu messen, um sie miteinander zu vergleichen. Bei einer Vorrichtung zur Messung einer Substanz, beispielsweise der Knochenmineraldichte, wird durch Aufteilung der Wellenlänge der Röntgenstrahlung in mehrere Wellenlängenbereiche, nämlich durch Verwendung der Meßergebnisse mehrerer pseudo-monochromatisch gemachter Röntgenstrahlen, eine Berechnung durchgeführt, um eine Messung vorzunehmen. Das K-Kanten-Filter wird als Röntgenfilter zur Aufteilung des Energiespektrums der Röntgenstrahlung in einen Bereich hoher Energie und einen Bereich niedriger Energie verwendet. Das K-Kanten-Filter besteht aus einem Material, bei dem nicht nur die K- Absorptionskante im Zielenergiebereich der Röntgenstrahlung liegt, sondern welches auch einen energieabhängigen Schwächungskoeffizienten hat, wie in Fig. 13 gezeigt. Die Menge der Röntgenstrahlung, die durch das K-Kanten- Filter hindurchgetreten ist, ändert sich an der K-Absorptionskante deutlich, so daß das Energiespektrum der Röntgenstrahlung in die beiden Energiebereiche aufgeteilt wird.
Fig. 14 zeigt ein Röntgenspektrum, das man erhält, nachdem die Röntgenstrahlung durch ein 100 µm dickes K-Kanten-Filter aus Gadolinium (Gd) hindurchgetreten ist. Aus Fig. 14 ist zu ersehen, daß das Energiespektrum der Röntgenstrahlung an einer K-Absorptionskante von 50,2 keV des Gadoliniums in zwei Energiebereiche aufgeteilt wird. Die herkömmlichen K-Kanten-Filter werden gewöhnlich aus nur einem Element hergestellt, dessen K-Absorptionskante im Bereich der Röntgenstrahlung liegt, beispielsweise aus Cer (Ce), Samarium (Sm) oder dergleichen.
In einer Meßeinrichtung mit K-Kanten-Filter wird ein Röntgendetektor gewöhlich durch Kombination eines Szintillators aus NaI oder GdWO&sub3; mit einer Photomultiplier-Röhre gebildet. Das für den Röntgendetektor verwendete K- Kanten-Filter besteht aus Sm, Ce oder dergleichen.
Die vorgenannten Einrichtungen haben jedoch folgende Nachteile: Bei einem K- Kanten-Filter, das aus einem einzigen Element besteht, wie in Fig. 14 gezeigt, ist der Unterschied zwischen der effektiven Energie des Bereichs niedriger Energie und des Bereichs hoher Energie des aufgeteilten Energiespektrums der Röntgenstrahlung klein, und die Strahlung wird im Bereich der Energietrennungsgrenze dicht. Deshalb kann das Energiespektrum der Röntgenstrahlung nicht scharf in einen Bereich hoher und einen Bereich niedriger Energie aufgeteilt werden. Weil die Breite des Spektrums der beiden Energiebereiche groß wird, können außerdem nicht mehrere pseudo-monochrome Röntgenstrahlen erzeugt werden. Wenn die Dicke des aus einem einzigen Element bestehenden K-Kanten-Filters so erhöht wird, daß das Energiespektrum der Röntgenstrahlung deutlich in einen Bereich hoher Energie und einen Bereich niedriger Energie aufgetrennt wird, nimmt die Anzahl der durch das K-Kanten- Filter hindurchtretenden Röntgen-Photonen in unerwünschter Weise ab.
In einem Röntgendetektor wird durch die einfallende Röntgenstrahlung die für die den Röntgendetektor bildende Substanz charakteristische Röntgenstrahlung erzeugt. Wenn diese charakteristische Röntgenstrahlung erneut vom Röntgendetektor absorbiert wird, erhält man einen Ausgangsimpuls, der exakt der Energie der einfallenden Röntgenstrahlung entspricht. Wenn jedoch die charakteristische Röntgenstrahlung den Röntgendetektor verläßt, ohne in diesem absorbiert zu werden, d.h. wenn charakteristische Röntgenstrahlung entweicht, wird nur ein Impulssignal abgegeben, dessen Pulshöhe kleiner ist, als es der Energie der einfallenden Röntgenstrahlung entspricht. Mit anderen Worten ergibt sich in diesem Fall ein Ausgangssignal, als ob vom Röntgendetektor eine Röntgenstrahlung als Energie der charakteristischen Röntgenstrahlung aufgefangen worden wäre, deren Energie geringer ist als die Energie der tatsächlich eingefallenen Röntgenstrahlung. Dieses Phänomen wird im allgemeinen als "charakteristischer Röntgen-Escape" bezeichnet. Ausgangsimpulse, deren Pulshöhe durch dieses Phänomen kleiner ausfällt, werden als "Escape- Peak der charakteristischen K-Strahlung" bezeichnet. Die Häufigkeit des Auftretens eines charakteristischen Röntgen-Escapes ist abhängig vom Volumen des Röntgendetektors und ist umso gößer, je kleiner das Volumen des Röntgendetektors ist.
Wenn der Detektor gewöhnliche Röntgenstrahlung mit einem Energiespektrum, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, erfaßt, ergibt sich bei den Ausgangsimpulsen eine Pulshöhenverteilung, wie sie mit Kurve a in Fig. 15 dargestellt ist. Diese Pulshöhenverteilung enthält eine Pulshöhenkomponente, die dem charakteristischen Röntgen-Escape entspricht, wie mit Kurve b in Fig. 15 dargestellt. Auch wenn das Energiespektrum der Röntgenstrahlung durch das K- Kanten-Filter in einen Bereich mit hoher und einen Bereich mit niedriger Energie aufgeteilt wird, ist eine durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingte Impulskomponente gegeben. Wenn also das Röntgenspektrum durch das K- Kanten-Filter bei Verwendung einer Energie im Bereich der K-Absorptionskante als Grenze zwischen dem Bereich hoher und dem Bereich niedriger Energie in einen Bereich mit hoher und einen Bereich mit niedriger Energie aufgeteilt wird, wobei die Messung in der Weise erfolgt, daß Daten über die Anzahl der im Bereich mit hoher Energie und im Bereich mit niedriger Energie vorhandenen Photonen verwendet werden, taucht deshalb wegen des charakteristischen Röntgen-Escape ein Teil der Photonen mit einer Energie aus dem Bereich hoher Energie als Signal für den Bereich niedriger Energie auf. Somit ist es unmöglich, eine exakte Energieverteilung der am Röntgendetektor einfallenden Photonen zu erhalten.
In einem NaI-Szintillationszähler wird beispielsweise eine für Na und I charakteristische Röntgenstrahlung von etwa 1 keV bzw. 28,3 bis 33,2 keV erzeugt. Von dieser charakteristischen Röntgenstrahlung bereitet insbesondere die charakteristische Röntgenstrahlung von I Probleme. Fig. 16 zeigt Ergebnisse einer Messung, bei der Röntgenstrahlung, die Photonen mit einer maximalen Energie von 80 keV emittiert, vom NaI-Szintillationszähler durch Energieaufteilung mittels eines K-Kanten-Filters aus Ce mit K-Absorptionskante bei 40,4 keV gemessen wird. Der NaI-Szintillationszähler wird in der Betriebsart Photonenzählung betrieben, und die Amplitude der Ausgangsimpulse des NaI- Szintillationszählers ist proportional zur Energie der einfallenden Röntgenphotonen. An der Abszisse von Fig. 16 ist die Amplitude als Photonenenergie aufgetragen. Wenn charakteristische Röntgenstrahlung von I entwichen ist, werden nur Impulse mit einer der Energie von 28,3 bis 33,2 keV entsprechenden Pulshöhe abgegeben, die schwächer sind, als es der Energie der einfallenden Photonen entspricht. Angenommen beispielsweise, der NaI-Szintillationszähler fängt Röntgenphotonen von 70 keV auf, und es entweicht die charakteristische Röntgenstrahlung von I, dann werden Impulse mit einer Pulshöhe, die einer Energie von 36,8 bis 41,7 keV entspricht, abgegeben. Die effektive Energie des Ausgangspeaks auf der Seite unter der Trennenergie von 40,4 keV ist 38 keV, während die effektive Energie des Ausgangspeaks auf der Seite über der Trennenergie 74 keV ist. Bei Fig. 16 zeigt die Kurve b den durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingten Ausgang an. Wie in Fig. 16 durch Schraffieren angezeigt, ist die effektive Energie des durch einfallende Röntgenstrahlung induzierten Röntgen-Escape-Peaks auf der Seite über der Trennenergie 44 keV.
Wenn die Gesamtzählung der Signale, die einer Energie von nicht weniger als der Trennenergie von 40,4 keV entsprechen, und die Gesamtzählung der Signale, die einer Energie von nicht mehr als der Trennenergie von 40,4 keV entsprechen, als Daten gewonnen werden, werden durch das Einfallen von Photonen aus dem vom K-Kanten-Filter abgetrennten Bereich hoher Energie Signale erzeugt, wie sie durch die Schraffierung in Fig. 16 angezeigt werden, sie werden jedoch sowohl auf der Seite mit höherer Energie als auch auf der Seite mit niedrigerer Energie als der Trennenergie des K-Kanten-Filters entspricht gemessen. Bei diesem Beispiel werden 40 % der durch Schraffieren in Fig. 16 angezeigten Signale auf der Seite mit höherer Energie als der Trennenergie gemessen.
Bei Verwendung des NaI-Szintillationszählers werden durch die Energieaufteilung am K-Kanten-Filter in der oben beschriebenen Weise Röntgenphotonen mit einer maximalen Energie von 100 keV gemessen. Fig. 17 zeigt Ergebnisse einer Impulshöhenanalyse für ein K-Kanten-Filter aus Sm. Sm hat eine Trennenergie von 47 keV. Die effektive Energie des Peaks auf der Seite der Energie kleiner der Trennenergie ist 45 keV, während die effektive Energie des Peaks auf der Seite der Energie größer der Trennenergie 80 keV ist. Wie in Fig. 17 durch Schraffierung angezeigt, ist die effektive Energie des Escape-Peak der durch die einfallende Röntgenstrahlung induzierten charakteristischen Röntgenstrahlung auf der Seite der Energie größer der Trennenergie 50 keV. Da die Trennenergie von 47 keV kleiner ist als die effektive Energie von 50 keV des Escape-Peaks der durch die einfallende Röntgenstrahlung induzierten charakteristischen Röntgenstrahlung auf der Seite der Energie größer der Trennenergie, erscheinen etwa 40 % der Ausgangsimpulse bezogen auf den charakteristischen Röntgen-Escape auf der Seite der Energie größer der Trennenergie.
Wenn durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingte Signale sowohl auf der Seite der Energie größer als auch auf der Seite der Energie kleiner der Trennenergie gemessen werden, sollte dieser Einfluß berichtigt werden. Eine Berichtigung dieses Einflusses ist jedoch umso schwieriger, je höher die Anzahl derartiger Signale ist, so daß die Wirkung der Berichtigung des Einflusses geringer wird und die Genauigkeit der Messung der Substanz etc. abnimmt.
Aus der US-A 4 956 859 und der EP-A 0 081 227 ist die Verwendung eines K- Kanten-Filters zur Aufspaltung von Röntgenstrahlung in mehrere Energiebänder bei der Spektralanalyse bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Beseitigung der Nachteile des Standes der Technik ein Röntgengerät mit Röntgenquelle und K- Kanten-Filter zur Verfügung zu stellen, das eine klare Aufteilung des Energiespektrums in einen Bereich hoher und einen Bereich niedriger Energie sowie die exakte Messung der Energie der Röntgenstrahlung erlaubt.
Das erfindungsgemäße Röntgengerät entsprechend obiger Definition ist dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil des K-Kanten-Filters aus einem Material hergestellt ist, welches mindestens zwei Elementarten enthält, wobei der Unterschied der K-Absorptionskante zwischen den Elementen im Bereich von 5 bis 10 keV liegt, und daß die Grenze so ausgewählt ist, daß sie zu liegen kommt zwischen einem ersten Energiewert, der entweder der Wert einer Energie ist, bis zu der die Röntgenstrahlung als Daten einsetzbar ist, oder die wirksame Energie des abgegebenen Peaks im Bereich der hohen Energie ist und einem zweiten Wert von niedrigerer Energie, der entweder dem Wert der maximalen Amplitude der vom Röntgendetektor detektierten Röntgenenergie aufgrund des charakteristischen Röntgen-Escape oder der wirksamen Energie des Peaks des charakteristischen Röntgen-Escape entspricht.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Aufgabe und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus nachfolgender Beschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor; es zeigen:
Fig. 1: ein K-Kanten-Filter im Querschnitt,
Fig. 2: eine graphische Darstellung des Spektrums der durch das K-Kanten- Filter von Fig. 1 hindurchgetretenen Röntgenstrahlung,
Fig. 3: ein K-Kanten-Filter im Querschnitt,
Fig. 4: eine graphische Darstellung des Spektrums der durch das K-Kanten- Filter von Fig. 3 hindurchgetretenen Röntgenstrahlung,
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgengeräts,
Fig. 6: eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ausgangs- Impulshöhe des Röntgengeräts nach Fig. 5 und der Energie der einfallenden Röntgenstrahlung,
Fig. 7: eine graphische Darstellung des Ausgangsspektrums eines CdTe- Röntgendetektors, wie er im Röntgengerät nach Fig. 5 verwendet wird,
Fig. 8: eine graphische Darstellung des Ausgangsspektrums des CdTe-Röntgendetektors nach Fig. 7 während der Einstrahlung von γ-Strahlung in den Detektor,
Fig. 9: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10: eine graphische Darstellung des Ausgangsspektrums eines in dem Röntgengerät nach Fig. 9 verwendeten CdTe-Röntgendetektors,
Fig. 11: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12: eine graphische Darstellung eines von einer bekannten Röntgenquelle erzeugten Röntgenspektrums,
Fig. 13: eine graphische Darstellung des Röntgenschwächungskoeffizienten eines herkömmlichen K-Kanten-Filters,
Fig. 14: eine graphische Darstellung des Spektrums von Röntgenstrahlen, die durch ein herkömmliches K-Kanten-Filter hindurchgeleitet wurden,
Fig. 15: eine graphische Darstellung des Ausgangsspektrums des charakteristischen Röntgen-Escape,
Fig. 16: eine graphische Darstellung des Ausgangsspektrums eines Röntgendetektors bei Verwendung eines herkömmlichen K-Kanten-Filters und
Fig. 17: eine graphische Darstellung eines weiteren Ausgangsspektrums eines Röntgendetektors bei Verwendung eines anderen herkömmlichen K-Kanten-Filters.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein K-Kanten-Filter F1. Das Filter F1 wird gebildet aus zwei dünnen, aneinanderliegenden Platten 1 und 2, die aus Gadolinium (Gd) bzw. Erbium (Er) bestehen. Die dünne Platte 1 hat eine K- Absorptionskante von 50,4 keV; sie ist 200 µm dick. Die dünne Platte 2 hat eine K-Absorptionskante von 57,4 keV und ist 100 µm dick.
Fig. 2 zeigt das Spektrum von Röntgenstrahlung, die durch das Filter F1 hindurchgeleitet worden ist. Bei einem Vergleich mit Fig. 14, wo ein Spektrum von Röntgenstrahlung gezeigt ist, die durch ein bekanntes K-Kanten-Filter geleitet worden ist, fällt auf, daß das Energiespektrum der Röntgenstrahlung schärfer in einen Bereich mit hoher und einen Bereich mit niedriger Energie aufgeteilt ist, und daß die Menge der an der Grenze zwischen dem Bereich hoher und dem Bereich niedriger Energie durch das K-Kanten-Filter hindurchgelangten Röntgenstrahlung über einen breiteren Energiebereich reduziert ist. Daher kann die Grenze zwischen dem Bereich hoher und dem Bereich niedriger Energie aus einem breiteren Energiebereich gewählt werden als bei Fig. 14.
Obwohl nun aber bei Fig. 2 der Anstieg des Bereichs niedriger Energie steiler und die Breite des Spektrums des Bereichs niedriger Energie schmaler ist, ist die Menge der durch das K-Kanten-Filter hindurchgelangten Röntgenstrahlung im wesentlichen dieselbe wie bei Fig. 14. Die für das Filter F1 verwendeten Elemente sind so miteinander kombiniert, daß der Unterschied zwischen ihrer K-Absorptionskante bei 5 bis 10 keV liegt. Das Filter kann statt mit den dünnen Platten 1 und 2 auch dadurch gebildet werden, daß auf einem Substrat aus einem Element mit relativ niedriger Ordnungszahl, beispielsweise Glas, durch Aufwachsen oder Sputtern eine dünne Schicht von Gd, Er usw. gebildet wird. Statt durch Sputtern kann die dünne Schicht auch durch Aufdampfen, Gasphasenabscheidung (CVD) oder Plasma-CVD gebildet werden.
Fig. 3 zeigt ein K-Kanten-Filter F2. Beim Filter F2 sind Gd-Pulver 3 und Er- Pulver 4 gleichmäßig mit Epoxidharz vermischt, so daß sich eine Dicke von 100 um pro Flächeneinheit bzw. von 300 um pro Flächeneinheit ergibt. Fig. 4 zeigt ein Spektrum von Röntgenstrahlung, die durch das Filter F2 hindurchgetreten ist. Aus Fig. 4 ist zu ersehen, daß bei Verwendung der beiden Elemente, von denen jedes eine K-Absorptionskante im Energiebereich der Zielröntgenstrahlung hat, eine deutliche Aufteilung des Energiespektrums der Röntgenstrahlung vorgenommen werden kann.
Fig. 5 zeigt ein Röntgengerät entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Röntgengerät besitzt eine Röntgenquelle 11 zum Emittieren eines dünnen Röntgenstrahls 12, ein K-Kanten-Filter 13, einen CdTe-Röntgendetektor 14, in dem Cadmium (Cd) und Tellurium (Te) verwendet sind, einen Verstärker 15, einen Zähler 16, eine Recheneinheit 17 und eine Anzeigeeinheit 18. Bei diesem Röntgengerät erfolgt eine Aufteilung der Energie der Röntgenstrahlung 12 in einen Bereich mit hoher Energie und einen Bereich mit niedriger Energie durch das K-Kanten-Filter 13, und die Anzahl der Photonen im Bereich hoher Energie sowie im Bereich niedriger Energie wird vom CdTe-Röntgendetektor 14 gemessen, so daß eine quantitative Analyse der zu messenden Probe 10 durchgeführt wird. Bei Fig. 5 strahlt der dünne Röntgenstrahl 12 ausgehend von der Röntgenquelle 11 durch das K-Kanten-Filter 13 hindurch auf die Probe 10 ein, und die durch die Probe 10 übertragenen Röntgenphotonen werden vom CdTe-Röntgendetektor 14 in elektrische Impulse umgewandelt. Anschließend werden die elektrischen Impulse vom Verstärker 15 verstärkt, so daß sie vom Zähler 16 gezählt werden können. Durch synchrones Scannen von Röntgenquelle 11 und CdTe-Röntgendetektor 14 kann eine zweidimensionale Messung der Probe 10 vorgenommen werden. Währenddessen können Bilder der durch die Probe hindurchgetretenen Röntgenstrahlung oder die Ergebnisse der anhand der Meßwerte von der Recheneinheit 17 durchgeführten Berechnungen an der Anzeigeeinheit 18 angezeigt werden.
Der CdTe-Röntgendetektor 14 wird in der Betriebsart Photonenzählung betrieben. Wie in Fig. 6 gezeigt, gibt der CdTe-Röntgendetektor 14 Ausgangsimpulse ab, deren Pulshöhe proportional zur Energie der einfallenden Röntgenphotonen ist. Das Spektrum der einfallenden Röntgenstrahlung erhält man durch Messen der Pulshöhenverteilung der Ausgangsimpulse des CdTe-Röntgendetektors 14. Die Anzahl der Photonen, deren Energie höher ist als die Trennenergie, erhält man durch Messen der Impulse, die eine größere Pulshöhe haben als der Trennenergie entspricht. Dagegen erhält man die Anzahl der Photonen, deren Energie niedriger ist als die Trennenergie, durch Messen der Impulse, deren Pulshöhe kleiner ist als die Trennenergie.
Beim CdTe-Röntgendetektor 14 entwickelt sowohl das Cd als auch das Te eine charakteristische Röntgenstrahlung mit einer Energie von 28,0 bis 32,5 keV. Deshalb erscheinen bei den von der Röntgenquelle 11 abgestrahlten Röntgenphotonen durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingte Ausgangsimpulse auf einer Seite mit einer Pulshöhenverteilung, deren Energie niedriger ist als die Energie, die man durch Subtraktion von 28 keV von dem maximalen als Daten verwendbaren Energiewert erhält. Das K-Kanten-Filter 13 weist eine 300 um dicke Gd-Platte und eine 100 um dicke Er-Platte auf.
Fig. 7 zeigt die Pulshöhenverteilung der Ausgangsimpulse bei Messung von Röntgenstrahlung, bei der mittels dem K-Kanten-Filter 13 eine Energieaufteilung vorgenommen worden ist, mit dem CdTe-Röntgendetektor 14. Wie in Fig. 2 gezeigt, liegt die Trennenergie zwischen 50 und 60 keV. Bei dieser Ausführungsform ist die Trennenergie auf 55 keV festgelegt, wie mit Punkt r angezeigt. Durch Wahl der 55 keV entsprechenden Pulshöhe als Grenze werden die Summe der Photonen mit Pulshöhe unter dem Grenzwert und die Summe der Photonen mit Pulshöhe über dem Grenzwert ermittelt, so daß auf der Grundlage der Zählergebnisse eine quantitative Analyse usw. der Probe 10 durchgeführt wird. Wie durch Punkt p angegeben, beträgt die maximale Energie der Photonen, die als Daten verwendet werden können, 75 keV. In Fig. 7 zeigen die mit gestrichelten Linien markierten Bereiche Ausgangsimpulse an, die durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingt sind. Die maximale Energie q der durch den Peak des charakteristischen Röntgen-Escape bedingten Ausgangsimpulse beträgt 47 keV (= 75 - 28). Daher liegt die Trennenergie r von 55 keV zwischen der maximalen Energie q von 47 keV der durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingten Ausgangsimpulse und der maximalen Energie p von 75 keV der als Daten verwendbaren Photonen.
Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, sind bei der Zählung der Anzahl der Photonen alle durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingten Ausgangsimpulse, die von Photonen aus dem durch Schraffieren angezeigten Bereich hoher Energie erzeugt werden, unter den Ausgangsimpulsen zu finden, deren Energie niedriger ist als die Trennenergie. Ausgehend von einer Wahrscheinlichkeit A des Auftretens des charakteristischen Röntgen-Escape, einer gezählten Anzahl CH von Photonen aus dem Bereich hoher Energie, die vom CdTe-Röntgendetektor 14 gemessen worden ist, und einer gezählten Anzahl CRH von Photonen aus dem Bereich hoher Energie, die tatsächlich in den CdTe-Röntgendetektor 14 einstrahlen, kann somit die gezählte Anzahl CRH in einfacher Weise durch folgende Gleichung ermittelt werden:
CRH = CH / (1 - A)
Ausgehend von einer gezählten Anzahl CL von Photonen aus dem Bereich niedriger Energie, die vom CdTe-Röntgendetektor 14 gemessen worden ist, und einer gezählten Anzahl CRL von Photonen aus dem Bereich niedriger Energie, die tatsächlich in den CdTe-Röntgendetektor 14 einstrahlen, ergibt sich die gezählte Anzahl CRL aus folgender Gleichung:
CRL = CL - CRH x A / (1 - A).
Bei Berücksichtigung der Gesamtenergie des charakteristischen Röntgen-Escape des CdTe-Röntgendetektors 14 und des K-Kanten-Filters 13 kann die Röntgenstrahlung auf einfache Weise exakt gemessen werden. Der oben beschriebene Effekt kann auch durch eine beliebige Kombination von Elementen wie Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) usw. erzielt werden.
Die Wahrscheinlichkeit A kann vorab aus dem in Fig. 8 dargestellten Energiespektrum ermittelt werden, indem man unter Verwendung von ²&sup4;¹Am (Americium) monoenergetische γ-Strahlung einstrahlen läßt. In Fig. 8 ist die Wahrscheinlichkeit A das Verhältnis des schraffierten Bereichs zur gezählten Gesamtzahl der Photonen.
Wenn die maximale Energie der zu messenden Röntgenstrahlung 120 keV beträgt, kann die Energieaufteilung im Bereich von 90 keV vorgenommen werden. In diesem Fall können für das K-Kanten-Filter 13 Blei (Pb) und Polonium (Po) kombiniert werden. Alternativ können für das K-Kanten-Filter auch Radon (Rn), Francium (Fr), Thallium (Tl), Polonium (Po), Bismuth (Bi) usw. kombiniert werden.
Daneben kann bei Verwendung eines CdSe-Röntgendetektors mit Cadmium (Cd) und Selen (Se) oder eines CdS-Röntgendetektors mit Cadmium (Cd) und Schwefel (S) eine exakte Messung der Röntgenstrahlung durch Verwendung eines K-Kanten- Filters 13 aus Gd und Er vorgenommen werden, weil die charakteristische Röntgenstrahlung hauptsächlich von Cd erzeugt wird.
Fig. 9 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgengeräts. Das Röntgengerät besitzt eine Röntgenquelle 21 zum Emittieren eines sich aufweitenden Röntgenstrahls 22, ein K-Kanten-Filter 23, einen Mehrkanal-CdTe- Röntgendetektor 24, einen Verstärker 25, einen Zähler 26, eine Recheneinheit 27 und eine Anzeigeeinheit 28. Durch synchrones Scannen von CdTe-Röntgendetektor 24 und Röntgenquelle 21 kann die Anzahl der durch eine zu messende Probe 20 hindurchgeleiteten Röntgenphotonen in einem zweidimensionalen Bereich gemessen werden. Bei dieser Ausführungsform weist jeder Kanal des CdTe-Röntgendetektors einen Verstärker 25 und einen Zähler 26 auf. Der CdTe- Röntgendetektor 24 wird in Betriebsart Photonenzählung betrieben und erzeugt Ausgangsimpulse, deren Pulshöhe proportional zur Energie der einfallenden Röntgenphotonen ist. Beim Mehrkanal-CdTe-Röntgendetektor 24 hat jedes Detektorelement eine reduzierte Größe. Deshalb ist auch die Menge der von einem einzelnen Detektorelement aufgenommenen Röntgenstrahlung reduziert, und die vom einzelnen Detektorelement ausgegebene Impulszahl ist verringert, und es kann zum charakteristischen Röntgen-Escape kommen.
Bei einer quantitativen Analyse der Probe 20 erhöht sich die Meßgenauigkeit mit steigener Impulszahl. Deshalb wird die maximale Energie der zu emittierenden Röntgenphotonen so erhöht, daß sich die gezählte Anzahl von Röntgenphotonen im Bereich hoher Energie erhöht. Bei dieser Ausführungsform beträgt die maximale Energie der zu emittierenden Röntgenphotoonen 100 keV, und das K-Kanten-Filter 23 weist eine 200 um dicke Gd-Platte und eine 100 um dicke Er-Platte auf.
Fig. 10 zeigt die Pulshöhenverteilung der Ausgangsimpulse der einzelnen Detektorelemente des CdTe-Röntgendetektors 24. Die Pulshöhe der Ausgangsimpulse eines jeden Detektorelements ist proportional zur Energie der in das betreffende Detektorelement einstrahlenden Photonen. Auf der Abszisse von Fig. 10 ist die Pulshöhe als Photonenenergie aufgetragen. Die durch den charakteristischen Röntgen-Escape bedingten Ausgangsimpulse, die durch einstrahlende Photonen aus dem Bereich hoher Energie erzeugt werden, erscheinen in einem Bereich, in dem die Pulshöhe kleiner ist als es 72 keV entspricht, wie durch die Schraffierung in Fig. 10 angezeigt wird. Wie mit Punkt s angezeigt, beträgt die effektive Energie des Peaks dieses charakteristischen Röntgen-Escape, der durch die einfallende Röntgenstrahlung auf der Seite höherer Energie induziert wird, etwa 45 keV.
Die effektive Energie des Ausgangspeaks auf der Seite der Energie, die niedriger ist als die Trennenergie der durch das K-Kanten-Filter 23 hindurchgetretenen Röntgenstrahlung ist 45 keV, während die effektive Energie des Ausgangspeaks auf der Seite der Energie, die höher ist als die Trennenergie der durch das K-Kanten-Filter 23 hindurchgetretenen Röntgenstrahlung 75 keV beträgt, wie durch Punkt t angezeigt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, nimmt die Menge der durch das K-Kanten-Filter 23 gelangenden Röntgenstrahlung im Bereich von 50 bis 60 keV ab, so daß die Trennenergie zwischen 50 und 60 keV liegt. Somit kann die Trennenergie im Bereich von 50 bis 60 keV gewählt werden. Um den Einfluß des charakteristischen Röntgen-Escape zu verringern, wird die Trennenergie auf 57 keV eingestellt, wie mit Punkt u angezeigt, so daß sie zwischen der effektiven Energie t von 75 keV des Ausgangspeaks auf der Seite hoher Energie und der effektiven Energie s von 45 keV des Peaks des charakteristischen Röntgen-Escape liegt. Unter Verwendung der Pulshöhe, die der Trennenergie u von 57 keV entspricht, als Grenze werden die Anzahl der Impulse im Bereich niedriger Energie und die Anzahl der Impulse im Bereich hoher Energie gezählt, um berechnet zu werden. Wie aus Fig. 10 zu ersehen ist, erscheinen die meisten Pulshöhenanteile des Peaks des charakteristischen Röntgen-Escape auf der Seite der unter der Trennenergie liegenden Energie. Da 96 % des charakteristischen Röntgen-Escape auf der Seite der unter der Trennenergie liegenden Energie gezählt werden, kann bei dieser Ausführungsform die Korrektur des Einflusses des charakteristischen Röntgen-Escape sehr genau vorgenommen werden.
Ausgehend von einer Wahrscheinlichkeit A' des Auftretens des charakteristischen Röntgen-Escape, einer Anzahl CL von Ausgangsimpulsen niedriger Energie, einer Anzahl CH von Ausgangsimpulsen hoher Energie, einer Anzahl CRL von Röntgenphotonen niedriger Energie, die auf den CdTe-Röntgendetektor 24 einstrahlen, und einer Anzahl CRH von Röntgenphotonen hoher Energie, die auf den CdTe-Röntgendetektor 24 einstrahlen, werden die Anzahlen CRH und CRL wie folgt ausgedrückt:
CRH = CH / (1 - A')
CRL = CL - CRH x A' / (1 - A')
Durch diese Korrektur kann auch eine ausreichende Genauigkeit der quantitativen Analyse erreicht werden.
Da das K-Kanten-Filter so angeordnet ist, daß die Trennenergie, wie vorstehend beschrieben, zwischen der effektiven Energie des Ausgangspeaks auf der Seite hoher Energie und der effektiven Energie des Peaks des charakteristischen Röntgen-Escape liegt, kann bei dieser Ausführungsform der Einfluß des charakteristischen Röntgen-Escape abgeschwächt werden und somit eine recht hohe Meßgenauigkeit erzielt werden.
Wird der CdTe-Röntgendetektor 24 durch einen CdS-Röntgendetektor ersetzt, beträgt die charakteristische Röntgenstrahlung der K-Schale von S nur etwa 2,3 keV. Somit ist es am wenigsten wahrscheinlich, daß ein charakteristischer Röntgen-Escape von S auftritt. In diesem Fall braucht also nur der charakteristische Röntgen-Escape von Cd berücksichtigt zu werden, und es kann auch ein K-Kanten-Filter 23 aus Gd und Er verwendet werden.
Fig. 11 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgengeräts. Das Röntgengerät besitzt eine Röntgenquelle 31 zum Emittieren einer Röntgenstrahlung 32, ein K-Kanten-Filter 33, einen NaI-Szintillationszähler 34 als Röntgendetektor, einen Zähler 35, eine Recheneinheit 36 und eine Anzeigeeinheit 37. Der NaI-Szintillationszähler 34 kann auch durch einen GdWO&sub3;-Szintillationszähler ersetzt werden. Bei dem Röntgengerät strahlt die von der Röntgenquelle 31 erzeugte Röntgenstrahlung 32 durch das K-Kanten- Filter 33 hindurch auf die zu messende Probe 30 ein. Anschließend werden die durch die Probe 30 hindurchgetretenen Röntgenphotonen vom NaI-Szintillationszähler 34 gemessen. Der NaI-Szintillationszähler 34 gibt Impulse ab, deren Pulshöhe proportional zur Energie der einfallenden Röntgenphotonen ist. Die Ausgangsimpulse des Szintillationszählers 34 werden vom Zähler 35 gezählt, und die Zählergebnisse des Zählers 35 gehen in den Rechenvorgang der Recheneinheit 36 ein, so daß die Rechenergebnisse der Recheneinheit 36 auf der Anzeigeeinheit 37 angezeigt werden.
Wenn Röntgenphotonen mit einer maximalen Energie von 80 keV unter Energieaufteilung gemessen werden, erscheinen ab etwa 50 keV im Bereich niedriger Energie Signale, die durch den charakteristischen Röntgen-Escape von I bedingt sind. Daher sollte für das K-Kanten-Filter 33 eine Kombination von Elementen verwendet werden, deren K-Absorptionskante nicht unter 50 keV liegt. Beispielsweise kann bei einer Kombination von Terbium (Tb), Holmium (Ho) und Erbium (Er) eine Energieaufteilung im Bereich von 56 keV erreicht werden. Daher wird bei dieser Ausführungsform für das K-Kanten-Filter 33 eine Kombinaton von Tb, Ho und Er verwendet. Außer dieser Kombination können auch Kombinationen von Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu), Hafnium (Hf), Tantal (Ta) usw. verwendet werden.
Wenn Röntgenphotonen mit einer maximalen Energie von 100 keV unter Energieaufteilung gemessen werden, können beim K-Kanten-Filter 33 - wie bei der zweiten Ausführungsform - Gd und Er kombiniert werden. In diesem Fall kann durch die Verbreiterung des Bandes der Energieaufteilung die Trennenergie zwischen dem Ausgangspeak im Bereich hoher Energie und der effektiven Energie des Peaks des charakteristischen Röntgen-Escape bedingt durch Photonen im Bereich hoher Energie gewählt werden, so daß eine Korrektur des Einflusses des charakteristischen Röntgen-Escape vorgenommen werden kann.
Auch wenn ein mit Quecksilber (Hg) und Iod (I) arbeitender HgI&sub2;-Röntgendetektor verwendet wird, stellt die charakteristische Röntgenstrahlung von I ein Problem dar. Da die charakteristische Röntgenstrahung von Hg zwischen 68,9 und 82,6 keV liegt, ist der charakteristische Röntgen-Escape bei einer Röntgenstrahlung von etwa 100 keV und darunter kein besonderes Problem. Daher kann ein K-Kanten-Filter mit derselben Elementkombination wie beim K-Kanten- Filter 33 für den NaI-Szintillationszäher 34 verwendet werden.
Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, ist bei der vorliegenden Erfindung ein K-Kanten-Filter mit zwei Arten von Absorptionsmaterialien hervorragend zur Energieaufteilung der Röntgenstrahlung geeignet. Durch Wahl der entsprechenden Kombination von K-Kanten-Filter und Röntgendetektor im Hinblick auf die Energie des vom Röntgendetektor hervorgerufenen charakteristischen Röntgen-Escape und auf die Bereiche hoher und niedriger Energie, in die die Energie der Röntgenstrahlung durch das K-Kanten-Filter aufgeteilt worden ist, kann daher die Anzahl der Photonen der auf den Röntgendetektor einstrahlenden Röntgenstrahlung sowohl für den Bereich hoher Energie als auch für den Bereich niedriger Energie exakt ermittelt werden.

Claims

1. Röntgengerät, aufweisend

eine Röntgenstrahlung emittierende Röntgenquelle (11, 21, 31),

ein K-Kantenfilter (13, 23, 33) zum Auftrennen des Spektrums der von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlung in einen Bereich mit hoher und (einen Bereich mit) niedriger Energie und einen Röntgendetektor (14, 24, 34) der die Röntgenstrahlung auffängt, die durch ein zwischen dem K-Kantenfilter und dem Röntgendetektor angeordnetes Objekt (10, 20, 30) hindurchgetreten ist und der Ausgangspulse abgibt, deren Energieverteilung einer Röntgenstrahlung mit niedrigerer Energie als einer vorgesetzten Grenze (r, u) und einer Röntgenstrahlung mit höherer Energie als einer vorgesetzten Grenze (r, u) entspricht, wobei die Grenze zwischen dem hohen und niederen Bereich des K-Kantenfilters (13, 23, 33) ausgewählt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Hauptteil des K-Kantenfilters (13, 23, 33) aus einem Material hergestellt ist, welches mindestens zwei Elementarten (1, 2; 3, 4) enthält, wobei der Unterschied der K-Absorptionskante zwischen den Elementen im Bereich von 5 bis 10 keV liegt, und

daß die Grenze (r, u) so ausgewählt ist, daß sie zu liegen kommt zwischen einem ersten Energiewert (p, t), der entweder der Wert (p) einer Energie ist, bis zu der die Röntgenstrahlung als Daten einsetzbar ist, oder die wirksame Energie (t) des abgegebenen Peaks im Bereich der hohen Energie ist, und einem zweiten Wert (q, s) mit niedrigerer Energie, der entweder einem Wert (q) maximaler Amplitude der vom Röntgendetektor (14, 24, 34) detektierten Röntgenenergie aufgrund des charakteristischen Röntgen- Escape oder der wirksamen Energie (s) des Peaks des Röntgen-Escape entspricht.

2. Röntgengerät nach Anspruch 1, wobei die 0rdnungszahl der Elemente des K- Kantenfilters (13, 23, 33) im Bereich von 50 bis 85 liegt.

3. Röntgengerät nach Anspruch 1, wobei in dem Hauptteil des K-Kantenfilters (13, 23, 33) die zwei Elemente Gd und Er eingesetzt sind.

4. Röntgengerät nach Anspruch 1, wobei der Hauptteil des K-Kantenfilters (F1) aus mindestens zwei dünnen Platten (1, 2) oder aus mindestens zwei dünnen Schichten gebildet ist, die aufeinandergeschichtet und aus den jeweiligen Elementen hergestellt sind.

5. Röntgengerät nach Anspruch 1, wobei der Hauptteil des K-Kantenfilters (F2) aus mindestens zwei Pulvermaterialien (3, 4) der Elemente hergestellt ist, wobei die Pulvermaterialien (3, 4) miteinander gemischt sind, so daß sie in dem Hauptteil fest positioniert sind.

6. Röntgengerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Röntgendetektor (24) ein Vielkanal-Röntgendetektor ist.

7. Röntgengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Röntgendetektor (14, 24) ein CdTe-Röntgendetektor ist.

8. Röntgengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Röntgendetektor (14, 24) ein CdS-Röntgendetektor ist.

9. Röntgengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Röntgendetektor (34) ein Vertreter aus der Gruppe NaI-Szintillationsdetektor (34), GdWO&sub3;- Szintillationsdetektor und HgI&sub2;-Röntgendetektor ist.

10. Röntgengerät nach Anspruch 1, wobei der Röntgendetektor (14) ein elektrisches Pulssignal abgibt, welches eine zur Energie der einfallenden Röntgenstrahlung proportionale Pulshöhe hat.