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Absorptionsfilter für energiereiche Röntgenstrahlung Die. Erfindung
betrifft ein Absorptionsfilter zur Erzielung einer geforderten Intensitätsverteilung
der Röntgenstrahlung einer energiereichen Strahlenquelle (Energien über i MeV).
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Die durch Elektronen hoher Energie, wie sie z. B. in der Elektronenschleuder
erzeugt werden, erzielbare Röntgenbremsstrahlung weist starke Intensitätsunterschiede
in ihrer Richtungsverteilung auf, und zwar entsteht in der Richtung. des erzeugenden
Elektronenstrahls ein Maximum der Strahlungsintensität, das mit zunehmender Energie
immer ausgeprägter wird. Für die praktische Anwendung, insbesondere für .die medizinische
Anwendung, ist ein Strahlenbündel mit einer derartigen Intensitätsverteilung aber
meist ungeeignet. Um über eine bestimmte, durch das Strahlenbündel gelegte Fläche
eine konstante Intensität zu erreichen, wird in bekannter Weise ein Absorptionsfilter.
in den Strahlengang gebracht, das einen Teil der Strahlung im Intensitätsmaximum
absorbiert, die Randzonen des
Strahlungsfeldes dagegen unbeeinflu:ßt
läßt. Seine Dicke ist also in der Mitte am größten und nimmt nach den Rändern hin
ab.
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Man hat als Material für derartige Ausgleichsfilter für Röntgenstrahlung
über i MeV bisher Stoffe mit möglichst niedriger Ordnungszahl benutzt, und zwar
aus folgenden Gründen.: i. Im allgemeinen absorbieren Filterstoffe die weichen Komponenten
einer Röntgenstrahlung stärker als deren harte Komponenten und insbesondere schweratomige
Stoffe sind in: dieser Hinsicht zur »Aufhärtung« eines Strahlengemische-s, d. h.
zur Erhöhung der mittleren Strahlenenergie einer Strahlung vorteilhaft. Diese Überlegung
gilt jedoch nur bis zu Energien von i MeV. Oberhalb dieser Grenze steigt das Absorptionsvermögen
der schweratomigen Stoffe wieder steil .an. Diese Verhältnisse sind in der Fig.
i, in der die Gesamtabsorption für monöchromatische Röntgenstrahlung als Funktion
der Energie dargestellt ist, wiedergegeben. Die Kurven i, 2 und 3 stellen den Verlauf
des Absorptionskoeffizienten von Aluminium, Kupfer und Blei in Abhängigkeit von
der Energie dar. Durch Verwendung eines schweratomigen Filters für Energien groß.
gegen i MeV würden daher nicht nur die energiearmen, sondern auch die energiereichen
Anteile der Röntgenstrahlung .geschwächt, und das ist im Hinblick auf die gute Durchdringungsfähigkeit
der energiereichen Strahlung im Gewebe, das aus Elementen kleiner Ordnungszahl aufgebaut
ist, meist unerwünscht.
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2. Im Absorptionsfilter werden unvermeidlich Sekundärelektronen ausgelöst.
Da diese Elektronen gegenüber der Röntgenstrahlung eine geringe Reichweite, aber
starke Ionisationswirkung haben, ist man bestrebt, im Hinblick auf eine gute relative
Tiefendosis im Gewebe ihre Zahl möglichst niedrig zu halten. Bezogen auf eine gleich
wirksame Absorberdicke nimmt die Zahl der von der Röntgenstrahlung ausgelösten Sekundärelektronen
mit der Ordnungszahl zu. Andererseits werden bei großer Ordnungszahl des Filtermaterials
diese Elektronen im Absorber selbst wieder stark absorbiert. Mäßgebend ist darum
die Zahl der Elektronen, die aus einer. Schichtdicke gleich der mittleren Elektronenreichweite
ausgelöst werden. Diese Zahl ist für die durch Comptoneffekt ausgelösten Elektronen
unabhängig von der Ordnungszahl, und steigt für die Paarbildung dagegen proportional
mit der Ordnungszahl. Die Gesamtzahl der Elektronen ist also bei kleinen Energien
konstant, bei Energien groß gegen i MeV steigt sie infolge Paarbildung immer mehr
(aber stets weniger als proportional) mit der Ordnungszahl an.
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Infolge dieser Überlegungen herrschte in- der Fachwelt ein Vorurteil
gegen die Verwendung von Absorptionsfiltern aus Stoffen hoher Ordnungszahl (v g1.
z. B. die Arbeit von H. (Q u a s t 1 e r et a1. S. 604, abgedruckt in dem Buch »The
American Journal of Roentgenology and Radium Therapy«, Volume 61, Januar bis Juni.
1949), obwohl derartigen. Filtern wegen ihrer geringeren Dicke gegenüber Filtern
aus leichtatomigen Stoffen vom konstruktiven Gesichtspunkt aus der Vorzug, zu geben
wäre.
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Es sind zwar bereits Absorptionsfilter aus Stoffen hoher Ordnungszahl
zwischen das zu bestrahlende Objekt und eine Fotoplatte eingebracht worden, diese
Filter hatten jedoch nicht den Zweck die räumliche Intensitätsverteilung der auf
das zu durchstrahlende Objekt auftreffenden Röntgenstrahlenbündels zu beeinflussen,
sondern sollten vielmehr die Fotoplatte vor Streustrahlung und Sekundärstrahlung
aus diesem Objekt bewähren.
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Die in den Ansprüchen im einzelnen gekennzeichnete Erfindung besteht
demgegenüber in dem Vorschlag, bei der genannten Einrichtung zur Erzielung einer
geforderten räumlichen Intensitätsverteilung einer energiereichen Röntgenstrahlung
ein Absorptionsfilter mindestens auf seiner Strahlenaustrittsseite mit einer Schicht
aus einem Stoff hoher Ordnungszahl (Ordnungszahl> 30) zu versehen, vorzugsweise
jedoch für das ganze Filter einen Stoff hoher Ordnungszahl als Filtermaterial zu
verwenden. Es wurde nämlich gefunden, daß ein Filter aus einem Stoff hoher Ordnungszahl
den bekannten leichtatomigen Filtern für die prakti§che Anwendung wegen eines geringeren
Sekundärelektronenanteils des genutzten Strahlenbündels überlegen ist. Das hat folgende
Gründe: i. Die oben wiedergegebene Überlegung hinsichtlich der unerwünschten Absorptionseigenschaften
schweratomiger Filter ist im Prinzip richtig, ihre Bedeutung wird aber überschätzt.
Experimentell hat sich gezeigt, daß die Tiefendosiskurven im Gewebe (und damit ungefähr
auch die spektrale Zusammensetzung) einer 15 MeV-Röntgenbremsstrahlung, die einmal
mit einem Bleifilter von einer Halbwertschicht (HWS)-Dicke und ein andermal mit
einem entsprechenden Aluminiumfilter geschwächt wurde, praktisch gleich sind, wie
in Fig. 2 dargestellt, in der das Spektrum einer 15 MeV-Bremsstrahlung i durch die
Kurve 4 sowie einer durch i HWS Blei und durch i HWS Aluminium gefilterten, 15 MeV-Strahlung
durch die Kurven i' und 3' dargestellt ist. Dies ist-deshalb verständlich, weil
der-Absorptionskoeffizient, selbst für Stoffe sehr großer Ordnungszahl, wie Blei,
für Strahlung über 3 MeV nur verhältnismäßig langsam mit der Energie ansteigt, so
daß sich starke Verschiebungen im energiereichen Teil des Spektrums der gefilterten
Strahlung erst bei Filterwerten von mehreren HWS bemerkbar machen. Filterwerte von
mehr als einer HWS werden aber bei den beschriebenen Ausgleichsfiltern im Intensitätsmaximum
der zu beeinflussenden Strahlung selten benötigt.
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2. Die in der Fachwelt herrschende Ansicht hinsichtlich der Sekundärelektronenauslösung
läßt die Tatsache unberücksichtigt, daß die Sekundärelektronen innerhalb des Absorptionsfilters
in einen um so größeren Winkelbereich gestreut werden, je größer die Ordnungszahl
des Filtermaterials ist. Wären diese Streuwinkel klein gegen den Öffnungswinkel
des Röntgenstrahlenbündels, so blieben alle Sekundärelektronen innerhalb des Röntgenstrahlenkegels.
Bei Verwendung von Filtern aus einem
Stoff hoher Ordnungszahl, also
aus ähnlichem Material wie die Antikathode, liegen die Verhältnisse jedoch umgekehrt:
Die im Filter ausgelösten Elektronen sind energieärmer als die auf die Antikathode
auftreffenden Primärelektronen, und das Filter ist dicker als die Antikathode. Beides
bewirkt, daß die Sekundärelektronenstrahlung einen bedeutend weiteren Öffnungskegel
hat -als die Primärelektronen in der Antikathode und die in gleicher Richtung wie
die Elektronen in der Antikathode verlaufende Röntgenstrahlung, besonders, wenn
diese durch Blendensysteme noch künstlich eingeengt wird. Unter diesen Verhältnissen
ist aber nicht mehr die Zahl der insgesamt ausgelösten Elektronen, die ja zum größten
Teil den Röntgenstrahlenkegel seitlich verlassen und z. B. im Blendensystem abgefangen
werden, für die Verschlechterung der relativen Tiefendosis maßgebend, sondern ihre
Flächendichte (= Intensität) im für Bestrahlungszwecke ausgenutzten Röntgenstrahlenkegel.
Diese wird, da der Streuwinkel der Sekundär= elektronenstrahlun:g annähernd proportional
mit der Ordnungszahl des Filtermaterials steigt, ungefähr umgekehrt quadratisch
. mit der Ordnungszahl kleiner, was trotz der mit der Ordnungszahl ansteigenden
Zahl der insgesamt ausgelösten Sekundärelektronen noch einen klaren Vorteil für
Filter mit großer Ordnungszahl bringt.
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Das Filter aus einem Stoff hoher Ordnungszahl verlangt wegen seiner
geringen Dicke nur einen geringen Einbauraum. Bei einer Elektronenschleuder läßt
es sich an der fokusnahen Seite des Blendensystems anbringen, was neben konstruktiven
Vorteilen den Vorzug hat, daß das Filter noch vollständig im Einflußbereich des
Magnetfeldes der Schleuder liegt, wodurch die im Filter ausgelösten Sekundärelektronen
seitlich aus dem Röntgenstrahlenbündel heraus auf die Blenden gelenkt werden. Außerdem
bringt die Anordnung des Filters in möglichst kleiner Entfernung vom Fokus der Röntgenstrahlung,
also in großer Entfernung vom bestrahlten Objekt, den Vorteil, daß die Intensität
der im Filter ausgelösten Sekundärelektronen infolge des quadratischen Abstandsgesetzes
am Objektort kleiner ist.
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Versieht man das Filter lediglich auf seiner Strahlenaustrittsseite
mit einer Schicht aus einem Stoff hoher Ordnungszahl, um die im Filter ausgelösten
Sekundärelektronen zu absorbieren und zu streuen, so hat man - bei Verzicht auf
einen geringen Raumbedarf für das Filter - den Vorteil eines geringen Sekundärelektronenanteils
der gefilterten Strahlung. Dieser Kompromiß ist eventuell bei Röntgenstrahlung sehr
hoher Energie angezeigt. In der Fig. 3 ist die Anordnung des Filters nach der Erfindung
in einer im Äquatorialschnitt schematisch dargestellten Elektronenschleuder zur
Erzeugung von Röntgenstrahlung veranschaulicht. Die im Innern eines kreisringförmigen
Vakuumgefäßes 5 durch ein nicht dargestelltes` Magnetsystem längs des Sollkreises
6 beschleunigten Elektronen können nach Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit
nach innen auf eine Antikathode 7 zur Erzeugung eines Röntgenstrahlenbündels 8 abgelenkt
werden. In der Bleiabschirmung 9 ist eine Öffnung io für den Austritt der Röntgenistra'hlung
freigelassen. Ein Lichtvisiersystem, bestehend aus der Lichtquelle ii und dem Spiegel
12, gestattet die Ausrichtung des Strahlenbündels auf das zu bestrahlende Objekt.
Die Öffnung für den Durchtritt der köntgenstrahlung kann durch auswechselbare Einsätze
13 zur Erzielung verschieden großer Strahlungskegel verengt werden. Das Rleiabsorptionsfilter
14 nach der Erfindung befindet sich im Strahlengang der Röntgenstrahlung möglichst
nahe an der Vakuumröhre i, damit die ausgelösten Sekundärelektronen noch einem möglichst
starken magnetischen Streufeld der Schleuder ausgesetzt sind, durch das sie aus
der Strahlrichtung abgelenkt und somit vom Blendensystem 9, 13 absorbiert werden.
Das dargestellte Filter 14 dient zur Erzeugung eines Strahlenbündels mit homogener
Intensitätsverteilung. Selbstverständlich lassen sich durch andere Filterformen
beliebige andere Intensitätsverteilungen erzielen.