EP0571017B1 - Filterverfahren für ein Röntgensystem und Anordnung zur Durchführung eines solchen Filterverfahrens - Google Patents

Filterverfahren für ein Röntgensystem und Anordnung zur Durchführung eines solchen Filterverfahrens Download PDF

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EP0571017B1
EP0571017B1 EP93201335A EP93201335A EP0571017B1 EP 0571017 B1 EP0571017 B1 EP 0571017B1 EP 93201335 A EP93201335 A EP 93201335A EP 93201335 A EP93201335 A EP 93201335A EP 0571017 B1 EP0571017 B1 EP 0571017B1
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EP
European Patent Office
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filter
ray
energy
quanta
measurement
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EP93201335A
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English (en)
French (fr)
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EP0571017A2 (de
EP0571017A3 (de
Inventor
Geoffrey Dr. Harding
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/10—Scattering devices; Absorbing devices; Ionising radiation filters

Definitions

  • the invention relates to a filter method for an X-ray system and an arrangement for carrying out this filter method.
  • a filter method for an X-ray system which irradiates an examination area, the X-ray radiation from the examination area being measured by a detector arrangement.
  • a first measurement is carried out with a first filter in the beam path between the X-ray emitter and the examination area and a second measurement is carried out with a second filter.
  • the two filters have different absorption edges and are dimensioned such that they have the same absorption or transmission for all X-ray quanta outside the energy range between the absorption edges of the two filters. If the result of the two measurements is subtracted from one another, a difference value results which only depends on the spectral components of the polychromatic X-ray emitter which lie within the energy range between the two absorption edges.
  • filters made of different materials are placed in the beam path between the X-ray source and the examination area
  • a filter is placed in the beam path between the X-ray source and the examination area
  • a filter is placed in the beam path placed between the examination area and the detector arrangement, the filter material being the same in both cases.
  • the same filter can therefore be used for both measurements.
  • the method according to the invention makes it possible to separate the components which have arisen from different interactions with the examination area.
  • a first further development of the invention provides that an essentially monochromatic x-ray emitter is used, that the filter material has an absorption edge at a quantum energy which is slightly lower than the energy of the x-ray quanta emitted by the monochromatic x-ray emitter and that the x-ray quanta from the detector arrangement under one An angle is detected that is greater than the angle at which the energy loss of the X-ray quanta by Compton scattering corresponds exactly to the difference between the energy of the X-ray quanta and the quantum energy at which the filter has its absorption edge.
  • This method allows the scatter cross section to be determined for elastic (coherent) scatter radiation or also for inelastic (incoherent) scatter radiation.
  • an essentially monochromatic x-ray emitter is used, that the filter material has an absorption edge at a quantum energy which is slightly lower than the energy of the x-ray quanta emitted by the monochromatic x-ray emitter, that the x-ray quanta are below the detector arrangement an angle is detected that is smaller than the angle at which the energy loss of the X-ray quanta by Compton scattering corresponds exactly to the difference between the energy of the X-ray quanta and the energy of the X-ray quanta at which the filter material has an absorption edge and that the quantum energy is energy-resolving is measured.
  • the components due to Compton and Rayleigh scattering can be suppressed, so that only components remain which are generated by photoelectronic braking radiation. It can be used to determine the content of substances with a low atomic number, e.g. Determine carbon, oxygen or nitrogen).
  • Another embodiment of the invention provides that a polychromatic x-ray emitter is used and that the scattered radiation emerging under a certain scattering angle range is measured by the detector arrangement.
  • the measured values obtained after subtractive combination of the measurement signals are only determined by X-ray quanta within a certain energy band; the effect of the other X-ray quanta is eliminated by the subtractive combination.
  • Fig. 1 denotes an X-ray emitter which emits monochromatic X-ray radiation; the X-ray quanta emitted by the radiator 1 therefore all have essentially the same energy.
  • a diaphragm 2 provided with a central bore allows only one needle beam (pencil beam) 3 to pass through the x-ray beam emitted by the x-ray emitter 1.
  • the needle beam 3 passes through the central opening in a further diaphragm plate 4.
  • the two diaphragm plates 2 and 4 delimit an examination area in the direction perpendicular to the needle beam 3, in which an examination object 7 is located.
  • the X-ray quanta in the needle beam 3 interact with the examination object 7 and produce, among other things, elastic and inelastic scattered radiation.
  • the scattered radiation which is generated in the examination object 7 between a minimum angle ⁇ 1 and a maximum angle ⁇ 2 can be formed in the aperture 4 through an annular opening 8 which is concentric with the needle beam 3 reach an annular detector 9 therethrough.
  • the detector signal is amplified by an integrating amplifier 10 and converted into a digital data word by an analog-digital converter. This data word is proportional to the number of X-ray quanta registered by the annular detector 9 during an integration interval or a measuring time and is independent of the energy of the X-ray quanta.
  • the data word can be stored in a memory 12 and further processed in an arithmetic logic unit (ALU 13).
  • ALU 13 arithmetic logic unit
  • the units 10-13 are controlled by a control unit 14.
  • the units 12-14 can be part of a microprocessor.
  • a first measurement is carried out first.
  • this first measurement there is a filter 5 in the beam path between the monochromatic x-ray emitter 1 and the examination area 7, which has an absorption edge at a quantum energy E k which is slightly lower than the energy of the x-ray emitter emitted by the x-ray emitter 1.
  • FIG. 2 shows the energy spectrum (ie the intensity of the X-ray radiation as a function of the energy of the X-ray quanta).
  • a line E p and a component E s with lower energy can be seen in the spectrum.
  • the line E p is created by elastic scattering, in which the X-ray quanta are known to lose no energy.
  • the energy E p is therefore also the energy of the X-ray quanta emitted by the X-ray emitter 1.
  • E p is the energy of the X-ray quantum before the scattering process
  • E s is the energy of the X-ray quantum
  • after the scattering process c is a constant
  • ⁇ is the angle that the path of the scattered X-ray quantum includes with the direction of the needle beam 3.
  • Equation (1) assumes that the electrons are stationary. In reality, however, the electrons move. This leads to a widening of the Compton line (Compton shift). In this case, equation (1) describes the Energy of the Compton peak. The width of the Compton peak is small for scattering under a small scattering angle.
  • the broadening of the component E s compared to the component E p also results from the fact that X-ray quanta can reach the detector ring 9 at different scattering angles. If it is ensured that scattered radiation can only reach the detector arrangement at a defined scattering angle, there is approximately a line for component E s .
  • This can be achieved, for example, by using a primary beam with the shape of a cone shell instead of a needle-shaped primary beam and by forming the diaphragm 4 by collimator bodies concentric to the axis of symmetry of the cone shell, as described in DE-OS 40 34 602.
  • the filter 5 shown in FIG. 1 consists of a material with an absorption edge at a quantum energy E k which is slightly smaller than the energy of the X-ray quanta emitted by the X-ray emitter but greater than the energy E s of the X-ray quanta influenced by the scattering process.
  • E k the course of the transmission of this filter as a function of the energy of the X-ray quanta
  • the transmission increases monotonously up to the absorption edge, then jumps to a low value and then rises again.
  • the transmission of the filter 5 for the energy of the primary radiation is denoted by T p
  • the (larger) transmission of the filter for the energy E s is denoted by T s .
  • the analog-digital converter 11 delivers a signal which is proportional to the time integral over the intensity.
  • a further measurement is then carried out, in which - as indicated by arrows - the filter 5 is moved out of the beam path and a filter 6 into the beam path between the examination area 7 and the detector arrangement 9.
  • the filter 6 must be made of the same material as the filter 5 and can have the same thickness. In the latter case, one could get by with a filter that is above the examination area for one measurement and for the another measurement is arranged below the examination area.
  • the filter 6 does not affect the scattered components E p and E s in the same way.
  • the component E p is weakened by the filter 6 to the same extent as by the filter 5.
  • the component E s is weakened less because T s is greater than T p .
  • the measurement time available for this measurement corresponds to the measurement time for the previous measurement.
  • the difference between the signals obtained in the measurements can be formed. Since the component E p is damped to the same extent by the filters 5 and 6 in the two measurements, the difference between the measurement signals depends only on the component E s , which is caused by Compton scattering. The difference signal is therefore a measure of the Compton scatter.
  • the component E s experiences the same attenuation in both measurements, while the component E p is suppressed more during this second measurement. Therefore, if the difference between the measurement signals in the two measurements is formed, the difference signal is independent of E s and a measure of the elastic scattered radiation.
  • the same result can also be achieved if a filter made of the same material and the same thickness is used in the beam path between the examination area 7 and the detector arrangement 9 as the filter 5 and the intensity of the needle beam 3 or the measuring time by a factor of T s / T p increased.
  • a modification of the arrangement according to FIG. 1 allows the calculation of the scattering cross section of a volume element for elastic and / or non-elastic scatter radiation.
  • a diaphragm arrangement must be arranged between the detector arrangement 9 and the examination area 7, through which the detector arrangement can only "see” a volume element on the needle beam 3 of the examination region 7. (In this case, it is expedient if the object 7 can be displaced relative to the other components of the arrangement - or vice versa - not only perpendicularly to the needle beam 3, but also in the direction of the needle beam 3, so that each volume element within the body 7 is examined if necessary can be).
  • a e and A i are factors that are proportional to the scattering cross sections for elastic (Rayleigh) and inelastic (Compton) scattering radiation and I p the intensity in the needle beam 3.
  • Equation 5 shows that the cross section A e for the elastic scattered radiation can also be determined without changing the filter thickness, the measuring time or the intensity I p .
  • the subtractive combination of the signals S1 and S2 must not be realized directly by forming the difference, but by a linear combination in which the difference between the weighted measurement signals is formed.
  • the filter has an absorption edge at a quantum energy E k which is below E p and above E s .
  • the energy loss E p - E s of an X-ray quantum in a Compton scattering process must be sufficiently large.
  • the energy loss E p -E s increases with the scattering angle.
  • the energy loss corresponds exactly to the difference between the energy E p and the quantum energy E k at the absorption edge.
  • the scattering angles at which the detector arrangement 9 detects the scattered X-ray quanta must therefore be larger than this scattering angle in order for elastically scattered X-ray quanta and inelastically scattered quanta to be separated from one another by a Comptom process.
  • a monochromatic X-ray radiation could in principle be generated using a radionuclide. However, these radiation sources are of low intensity.
  • An X-ray emitter has a much higher intensity, initially generating a polychromatic X-ray radiation, which is converted into quasi-monochromatic fluorescence radiation in a target.
  • Such X-ray emitters are known from EP-OS 292 055 (PHD 87-098 EP) and from DE-OS 40 17 002. 3 shows the emission spectrum of such an X-ray emitter with a target made of tantalum.
  • the spectrum of such a radiator is composed of four K lines ⁇ 2, ⁇ 1, ⁇ 1 and ⁇ 2 (increasing energy in the order); all other fluorescent lines of tantalum, not shown in FIG. 3, have a wide range underlying energy.
  • the K ⁇ 1 line has an energy of 57.532 keV, while the K ⁇ 1 line is approximately 7.5 keV higher.
  • a filter made of erbium with an absorption edge at a quantum energy E k of 57.485 keV is favorable, which lies above the K ⁇ 2 line and below the K ⁇ 2 line and below the K ⁇ 1 line.
  • Equations 2 and 3 apply to each of the four lines. However, if the emission line and the line resulting from scattering are both both above or both below the K-absorption edge of the filter, T p and T s are practically identical, and the contributions of these lines to that arising after the subtractive combination of signals S1 and S2 Signals cancel out.
  • the K ⁇ 2 line and especially the line resulting from it by Compton scattering lies below the absorption edge E k of the erbium filter.
  • the K ⁇ 1 and K ⁇ 2 lines and the lines resulting therefrom by scattering lie above the absorption edge as long as the energy loss in the scattering processes is less than 7.5 keV or the scattering angle is less than 90 °. Only the K ⁇ 1 line makes a contribution because its energy lies above the absorption edge, while the line resulting from it by Compton scattering lies below the absorption edge if the scattering angle is at least 7 o .
  • the detector ring 9 and the diaphragm 4 or collimator arrangement arranged between this detector ring and the examination area must be designed in such a way that the detector ring from the examination area can only receive radiation at an angle which is greater than 0 ° and smaller than that scattering angle at which is the energy loss due to Compton scattering in the range of the difference between the energy of the monochromatic radiation source 1 and the quantum energy at which the filter 5 has an absorption edge; In the aforementioned combination of a tantalum fluorescent radiation source and an erbium this angle 7 is o.
  • This radiation arises when X-ray quanta each liberate an electron from the K shell of an atom, creating a photoelectron whose energy is less than the energy of the primary X-ray quantum.
  • the energy difference compared to the generating (primary) X-ray quantum depends on the atomic number. It is e.g. for carbon approx. 284 eV, for nitrogen approx. 400 eV, and for oxygen 532 eV.
  • a suitable detector 9 e.g. a germanium detector, which generates an impulsive signal when an X-ray quantum is detected, the amplitude of which is proportional to the energy of the X-ray quanta.
  • a pulse height analyzer must be provided behind the amplifier 10, which registers the number of pulses for the different amplitude ranges, the amplitude of which falls within the respective amplitude range. This pulse height analyzer therefore provides a number of numbers for each measurement that represent the measured energy spectrum, i.e. characterize the intensity as a function of energy.
  • FIG. 4 shows the energy spectrum occurring behind the examination object in the two measurements.
  • a line E p which is determined by the energy of the monochromatic emitter and which, for example, corresponds to the K ⁇ 1 line of the tantalum fluorescent radiation, can again be seen.
  • the line resulting from Compton scattering at E s lies below E p , but above the quantum energy E k of the absorption edge of the filter, which is effective in the two measurements in the beam path in front of and behind the examination area. Below the absorption edge E k there is a continuous spectrum, namely that Photoelectronic brake radiation spectrum.
  • the energy spectrum has a step-shaped course in its short-wave part.
  • the height of each of the stages is a measure of the proportion of carbon, nitrogen and oxygen.
  • the ratio of the three components to one another can therefore be determined using a suitable curve fitting method. Since explosives are known to have a well-defined C / N / O ratio, this method can be used to detect explosives within a broader area of investigation, for example when checking baggage.
  • FIG. 5 represents the energy spectrum of such an X-ray emitter which comprises an X-ray tube with a tungsten anode.
  • the curve shown in dashed lines with S represents the spectrum (on a different scale than the spectrum P) that results when X-rays with the energy spectrum P in the examination area under a scattering angle of e.g. Is scattered 140 °.
  • the radiation scattered at such an angle is essentially caused by Compton scattering processes which, according to equation (1), leads to an increasing energy loss with increasing energy of the X-ray quanta.
  • the transmission jump caused by the absorption edge is due to the energy loss in the Compton scattering process at the lower energy E b .
  • Spectral components above E b have a large attenuation and spectral components below E b have a low attenuation.
  • the spectral components experience a lower attenuation below E b and higher attenuation above E a , although the attenuation effect on the primary side is slightly less than on the secondary side (with the same filter thickness). If you compensate for these differences in absorption or transmission by making the filter a little thicker on the primary side or - with the same thickness of the filter - increasing the measurement time accordingly if the filter is inserted on the secondary side, the influence of the spectral components increases below E b and above E a essentially when the signals obtained in the two measurements are subtracted from one another. This is not the case only in the area between E b and E a . The difference signal therefore corresponds to the signal that would result if the X-ray emitter only had X-ray quanta with an energy between E b and E a . The method described thus effects bandpass filtering.
  • the difference formation results in a bandpass filter which makes X-ray quanta with energies in the range from 56 keV to 69.5 keV effective on the secondary side, which means an energy from 69.5 to 91.5 keV on the primary side. If you replace the tungsten filter with a cerium filter that has a K absorption edge at 40.45 KeV, this method results in an energy band between 35.5 and 40.45 keV on the secondary side or at a scattering angle of 140 °. from 40.45 to 47 keV on the primary side.
  • the width of the energy band which is effective by this method, depends on the scattering angle and decreases with it. With a scattering angle of 90 °, for example, the energy band to be emphasized with a tungsten filter is sufficient from 61.2 keV to 69.5 keV on the secondary side or from 69.5 to 80.44 keV on the primary side.
  • the device has a measuring head 15, which is provided with a gap 16 perpendicular to the plane of FIG. 6.
  • the gap 16 fades out a fan-shaped beam bundle from the polychromatic beam bundle of an X-ray emitter, not shown, which strikes a rotatable roller 17 with a material that absorbs the X-ray radiation.
  • two spirally extending slots are provided, which are offset from one another by 180 °, so that in each roller position a needle beam 18 is faded out of the fan-shaped beam 17, which is pivoted when the roller rotates in a plane perpendicular to the plane of the drawing.
  • the needle beam 18 passes through an examination object 19 and generates (Compton) scattered radiation therein.
  • the scattered radiation which is scattered at an angle of approximately 140 ° with the needle beam, passes through two slots 19 in the measuring head, which are perpendicular to the plane of the drawing and on both sides of the plane defined by the gap 16, and strikes two detector arrangements 20 each consisting of a plurality of detector elements in the measuring head.
  • the detector elements which extend perpendicular to the plane of the drawing, detect the scattered radiation from different depths of the object because of the slot geometry.
  • FIG. 6 the arrangement according to FIG. 6 is known from EP-PS 184 247.
  • a filter arrangement 21 is provided in the beam path between the object 19 and the measuring head 15. With this filter arrangement, four different measurements are carried out for each position of the needle beam 18.
  • the filter assembly comprises a holder 215 for four filter plates 210 .... 213th
  • the two filter plates 210 and 211 are made of tungsten and have the same thickness.
  • the two filter plates 212 and 213 are made of cerium and have the same thickness. There is a space between adjacent filter plates through which X-rays can pass unaffected.
  • the filter In a first measurement, the filter is positioned in the beam path in such a way that the needle beam 18 can pass between the filter plates 210 and 211 without being weakened.
  • the scattered radiation strikes the plates 210 and 211 on their way to the slots 19 and is influenced thereby.
  • the filter is then moved laterally so that the filter plate 211 replaces the needle jet 18 in the second measurement.
  • the scattered radiation then reaches the slots 19 unhindered.
  • this second measurement takes somewhat longer than the first measurement.
  • the measured values supplied by each individual element of the detector arrangements 20 for the same position of the needle beam 18 and the two positions of the filter arrangement 21 are subtracted from one another.
  • the difference signal is equivalent to a measurement signal that would result if the spectrum of the X-ray emitter were restricted to a certain energy band (E b -E a - see FIG. 5).
  • the cerium filter 212 is penetrated by the needle beam 18 in a third measurement.
  • the scattered radiation reaches the detector arrangement 20 unhindered through the slots 19.
  • the primary beam passes through the space between the two Cer filters 212 and 213 in a fourth measurement, which then filter the scattered radiation before it passes through the slots 19.
  • the difference between the signals measured at the third and fourth positions of the filter arrangement is again formed, which results in a difference signal that corresponds to an energy band that is lower than the energy band that results from the difference of the first and the second measurement with the tungsten filters 210 and 211 results.
  • Object 18 is thus irradiated with two different energies, which is essential for the so-called “dual energy” methods. These methods provide additional information about the examination subject 19.
  • a dual-energy method can be carried out without the spectrum of the X-ray radiation generated by the X-ray emitter having to be changed, for example by switching over the high voltage that is present in the X-ray emitter X-ray tube is put on.

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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 unterschiedliche Absorptionskanten und sind so bemessen, daß sie für alle Röntgenquanten 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 Absorptionskanten liegen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein anderes Filterverfahren anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein 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 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 miteinader 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 Untersuchungsbereich 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 Energie der Röntgenquanten 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 Energiebetrag 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 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 Röntgenquanten und der Quantenenergie entspricht, bei der das Filter seine Absorptionskante hat. Dieses Verfahren gestattet die Bestimmung des Streuquerschnitts 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 Filtermaterial 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 Energie der Röntgenquanten 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 Streuwinkelbereich 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 Untersuchunbsbereiches 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 Untersuchungsobjekt 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 monochromatischen Röntgenstrahler 1 und dem Untersuchungsbereich 7 ein Filter 5, das eine Absorptionskante bei einer Quantenenergie Ek 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 Ep und eine Komponente Es mit geringerer Energie. Die Linie Ep entsteht durch elastische Streuung, bei der die Röntgenquanten bekanntlich keine Energie verlieren. Die Energie Ep ist daher auch die Energie der vom Röntgenstrahler 1 emittierten Röntgenquanten. Die Komponente Es entsteht durch Compton-Streuung. Bei diesem inelastischen Streuprozeß verlieren die Röntgenquanten Energie gemäß der Beziehung 1/E s - 1/E p = c (1-cosβ)
    Figure imgb0001
  • Dabei ist Ep die Energie des Röntgenquants vor dem Streuproßeß, Es 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 Es im Vergleich zur Komponente Ep 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 Es näherungsweise eine Linie. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß anstelle eines nadelförmigen Primärstrahls ein Primärstrahlenbündel mit der Form eines Kegelmantels verwendet wird und die Blende 4 durch zur Symmetrieachse des Kegelmantels konzentrische Kollimatorkörper gebildet wid, wie in der DE-OS 40 34 602 beschrieben.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Filter 5 besteht aus einem Material mit einer Absorptionskante bei einer Quantenenergie Ek, die geringfügig kleiner ist als die Energie der vom Röntgenstrahler emittierten Röntgenquanten aber größer als die Energie Es der durch den Streuprozeß beeinflußten Röntgenquanten. In Fig. 2 ist der Verlauf der Transmission dieses Filters als Funktion der Energie der Röntgenquanten 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 Tp, und die (größere) Transmission des Filters für die Energie Es ist mit Ts bezeichnet. Durch den Einsatz des Filters 5 im Bereich zwischen Röntgenstrahler und Untersuchungsbereich werden die Spektralkomponenten Es und Ep im gleichen Maße reduziert - und zwar entsprechend dem Transmissionsfaktor Tp.
  • 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 Ep und Es nicht in gleicher Weise. Die Komponente Ep wird durch das Filter 6 in gleichem Maße geschwächt wie durch das Filter 5. Hingegen wird die Komponente Es weniger stark geschwächt, weil Ts größer ist als Tp. 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 Ep im gleichen Maße durch die Filter 5 bzw. 6 gedämpft wird, hängt die Differenz der Meßsignale nur von der Komponente Es ab, die durch Compton-Streuung hervorgerufen wird. Das Differenzsignal ist also ein Maß für die Compton-Streuung.
  • Verwendet man im Strahlengang zwischen Untersuchungsbereich und Detektoranordnung ein Filter aus dem gleichen Material wie das Filter 6, jedoch mit einer um den Faktor Ts/Tp größeren Dicke, dann erfährt die Componente Es bei beiden Messungen dieselbe Dämpfung, während die Komponente Ep 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 Es 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 Ts/Tp 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 Untersuchungsbereich 7 eine Blendenanordnung angeordnet sein, durch die hindurch die Detektoranordnung nur ein Volumenelement auf dem Nadelstrahl 3 des Untersuchungsbereichs 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 Volumnelement 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 )
    Figure imgb0002
     S2 = I p · (T p A e + T s · A i )
    Figure imgb0003
  • Dabei sind Ae und Ai Faktoren, die Streuquerschnitten für elastischen (Rayleigh-) bzw. inelastische (Compton-) Streustrahlung proportional sind und Ip 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 )
    Figure imgb0004
     I p · A e = (S1 · T s - S2 · T p )/(T s · T p - T p ​ 2 )
    Figure imgb0005
  • Gleichung 5 zeigt, daß man den Querschnitt Ae für die elastische Streustrahlung auch ermitteln kann, ohne die Filterdicke, die Meßzeit oder die Intensität Ip zu verändern. Allerdings darf man die subtraktive Kombination der Signale S1 und S2 nicht unmittelbar durch Differenzbildung realisieren, sondern durch eine Linearkombination, bei der die Differenz der gewichteten Meßsignale gebildet wird.
  • Wie Fig. 2 deutlich zeigt, ist Voraussetzung für die Trennung der Komponenten Es und Ep, daß das Filter eine Absorptionskante bei einer Quantenenergie Ek hat, die unterhalb von Ep und oberhalb von Es liegt. Damit dies der Fall ist, muß der Energieverlust Ep - Es eines Röntgenquants bei einem Compton-Streuprozeß genügend groß sein. Gemäß Gleichung 1 steigt der Energieverlust Ep-Es nämlich mit dem Streuwinkel. Bei einem bestimmten Streuwinkel entspricht der Energieverlust gerade der Differenz zwischen der Energie Ep und der Quantenenergie Ek am der Absorptionskante. 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 Comptom-Prozeß gestreute Quanten voneinander getrennt werden.
  • Eine monochromatische Röntgenstrahlung könnte grundlätzlich 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 umgesetztwird. 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 α1 - Linie hat eine Energie von 57,532 keV, während die K β1-Linie ca. 7,5 keV höher liegt. In Verbindung mit einem derartigen Röntgenstrahler ist ein Filter aus Erbium mit einer Absorptionskante bei einer Quantenenergie Ek von 57,485 keV günstig, die oberhalb der K α2-Linie und unterhalb der Kα2-Linie und unterhalb der Kα1-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 Tp und Ts praktisch identisch, und die Beiträge dieser Linien zu dem nach der subtraktiven Kombination der Signale S1 und S2 entstehenden Signale heben sich auf. Die Kα2-Linie und erst recht die sich daraus durch Compton-Streuung ergebende Linie liegt unterhalb der Absorptionskante Ek des Erbiumfilters. Die K β1- und K β2-Linie und die sich daraus durch Streuung ergebenden Linien liegen oberhalb der Absorptionskante liegen, solange der Energieverlust bei den Streuprozessen kleiner ist als 7,5 keV bzw. der Streuwinkel kleiner als 90°. Einzig die K α1-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 7o 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 0o und kleiner als derjenige Streuwinkel, bei dem der Energieverlust durch Compton-Streuung im Bereich der Differenz der Energie der monochromatischen Strahlenquelle 1 und der Quantenenergie ist, bei der das Filter 5 eine Absorptionskante hat; bei der zuvor erläuterten Kombination aus einer Tantalfluoreszenzstrahlungsquelle und einem Erbiumfilter ist dieser Winkel 7o. 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 enes 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 Quantenenergie 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 Röntgenquants ein impulsförmiges Signal erzeugt, dessen Amplitude der Energie der Röntgenquanten 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 Ep, die durch die Energie des monochromatischen Strahlers bedingt ist und z.B. mit der K α1-Linie der Tantalfluoreszenzstrahlung übereinstimmt. Die durch Compton-Streuung entstehende Linie bei Es liegt unterhalb von Ep, aber oberhalb der Quantenenergie Ek der Absorptionskante des Filters, das bei den beiden Messungen im Strahlengang vor - bzw. hinter dem Untersuchungsbereich wirksam ist. Unterhalb der Absorptionskante Ek zeigt sich ein kontinuierliches Spektrum, nämlich das photoelektronische Bremsstrahlungsspektrum. Dabei ist angenommen, daß in dem Untersuchungsbereich 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 Ek liegt und um ca. 284 eV niedriger ist als Ep. Die höchste Energie des durch den Stickstoffanteil hervorgerufenen Bremsstrahlungsspektrum liegt ca. 400 eV niedriger als Ep, während bei Sauerstoff die höchste Energie ca. 532 eV unterhalb von Ep 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 Figuren 5 bis 7 dienen zur Erläuterung eines Verfahrens, das mit polychromatischer 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 hervorgerufen, die gemäß Gleichung (1) zu einem mit steigender Energie der Röntgenquanten 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 Quantenenergie Ea (dabei kann es sich beispielsweise um ein Wolframfilter mit einer Absorptionskante bei ca. 70 keV handeln), dann ergibt sich für Energien der Röntgenquanten unterhalb Ea eine geringe Dämpfung und für Energien oberhalb Ea 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 Eb. Spektralkomponenten oberhalb von Eb haben eine große Dämpfung und Spektralkomponenten unterhalb von Eb haben eine niedrige Dämpfung.
  • Bei beiden Messungen erfahren also die Spektralkomponenten unterhalb Eb eine niedrige und oberhalb Ea 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 Eb und oberhalb Ea im wesentlichen auf, wenn die bei den beiden Messungen erhaltenen Signale voneinander subtrahiert werden. Nur in dem Bereich zwischen Eb und Ea ist dies nicht der Fall. Das Differenzsignal entspricht daher demjenigen Signal, das sich ergeben würde, wenn der Röntgenstrahler nur Röntgenquanten mit einer Energie zwischen Eb und Ea auftreten würde. Das beschriebene Verfahren bewirkt also eine Bandpaßfilterung.
  • Für das beschriebene Ausführungsbeispiel mit einem Filter von einer Absorptionskante bei 69,5 keV und einem Streuwinkel von 140° ergibt die Differenzbildung einen Bandpaß, der Röntgenquanten mit Energien im Bereich von 56 keV bis 69,5 keV auf der Sekundärseite wirksam macht, was einer Energie von 69,5 bis 91,5 keV auf der Primärseite entsricht. 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 90o 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 Detektoranordnungen 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 (Eb-Ea - 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 erfindungsgemäßen 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 (7)

  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 Wechselwirkung getretenen Röntgenquanten mit folgenden Verfahrensschritten:
    a) Es wird eine erste Messung durchgeführt, bei der sich im Strahlengang zwischen dem Röntgenstrahler und dem Untersuchungsbereich ein Filter befindet.
    b) Es wird eine weitere 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 ersten Messung benutzte Filter.
    c) Die bei den beiden Messungen erhaltenen Meßsignale werden subtraktiv miteinader kombiniert.
  2. Filterverfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, 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 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 Röntgenquanten und der Qunatenenergie entspricht, bei der das Filter eine Absorptionskante hat.
  3. Filterverfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen monochromatischer Röntgenstrahler 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 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 Energie energieauflösend gemessen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein polychromatischer Röntgenstrahler verwendet wird, und daß die unter einem bestimmten Streuwinkelbereich austretende Streustrahlung 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 mit einem Röntgensystem mit einem Röntgenstrahler und einer Detektoranordnung zur Erfassung der mit einem Untersuchungsobjekt in Wechselwirkung getretenen Röntgenquanten, mit Filtermitteln zum Einbringen eines Filters in den Strahlengang zwischen dem Röntgenstrahler und dem Untersuchungsobjekt für die erste Messung und in den Strahlengang zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Detektor für die weitere Messung 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 Untersuchungsbereichverlaufenden Strahlengang verschiebbar ist, wobei in der einen Position das Filter von der Primärstrahlung und in der anderen Position von der Streustrahlung durchsetzt wird.
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