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Dokumentenidentifikation DE4130039A1 11.03.1993
Titel Anordnung zum Erzeugen eines ausgedehnten Röntgenstrahlenbündels mit geringem Querschnitt
Anmelder Philips Patentverwaltung GmbH, 2000 Hamburg, DE
Erfinder Martens, Gerhard, Dr., 2359 Henstedt-Ulzburg, DE;
Harding, Geoffrey, Dr., 2000 Hamburg, DE
DE-Anmeldedatum 10.09.1991
DE-Aktenzeichen 4130039
Offenlegungstag 11.03.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.03.1993
IPC-Hauptklasse G21K 5/04
IPC-Nebenklasse G21K 1/02   G01N 23/02   A61B 6/00   
IPC additional class // G01T 1/29,1/36  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen eines ausgedehnten Röntgenstrahlenbündels mit einem geringen Querschnitt mit einer Röntgenstrahlenquelle und einer zwischen der Röntgenstrahlenquelle und einem Untersuchungsbereich angeordneten Blendenanordnung zum Ausblenden des Strahlenbündels. Eine Erhöhung der Intensität in dem Röntgenstrahlenbündel, ohne daß dessen geometrische Parameter geändert werden, läßt sich dadurch erreichen, daß die Blendenanordnung wenigstens zwei Begrenzungskörper umfaßt, deren einander zugewandte Oberflächen glatt sind und einen der Form des Strahlenbündels entsprechenden Zwischenraum begrenzen und daß die Blendenanordnung so angeordnet ist, daß ein Teil der von dem Röntgenstrahler emittierten Strahlung den Zwischenraum durchsetzt, aber nicht den Begrenzungskörper.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen eines ausgedehnten Röntgenstrahlenbündels mit einem geringen Querschnitt, mit einer Röntgenstrahlenquelle und einer zwischen der Röntgenstrahlenquelle und einem Untersuchungsbereich angeordneten Blendenanordnung zum Ausblenden des Strahlenbündels.

Bei verschiedenen Röntgenuntersuchungsverfahren werden ausgedehnte Röntgenstrahlenbündel mit einem geringen Querschnitt benutzt. So wird beispielsweise in der Computertomographie ein ebener Röntgenstrahlenfächer (fan-beam) benutzt, der senkrecht zur Ebene des Strahlenfächers nur geringe Abmessungen aufweist. Für Zwecke der Messung des Impulsübertragsspektrums ist es aus der EP-OS 3 60 347 bekannt, ein kegelmantelförmiges Strahlenbündel zu verwenden.

Bei den bekannten Anordnungen sind zum Ausblenden des Strahlenbündels Blendenanordnungen mit einem geradlinigen bzw. mit einem ringförmigen Schlitz vorgesehen. Dadurch wird nur ein kleiner Teil der vom Röntgenstrahler emittierten Röntgenstrahlung für die Röntgenuntersuchung ausgenutzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art eine höhere Ausnutzung der vom Röntgenstrahler emittierten Röntgenstrahlung zu erreichen, ohne die Abmessungen des Strahlenbündels zu verändern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Blendenanordnung wenigstens zwei Begrenzungskörper umfaßt, deren einander zugewandte Oberflächen glatt sind und einen der Form des Strahlenbündels entsprechenden Zwischenraum begrenzen und daß die Begrenzungskörper so angeordnet sind, daß ein Teil der von dem Röntgenstrahler emittierten Strahlung den Zwischenraum durchsetzt, aber nicht die Begrenzungskörper.

Bei der Erfindung wird die Röntgenstrahlung also in dem Zwischenraum zwischen den Oberflächen der Begrenzungskörper geführt. Ein Teil der Röntgenstrahlung passiert diesen Zwischenraum, ohne mit einem der Begrenzungskörper in Wechselwirkung zu treten. Ein anderer Teil aber wird an den glatten Oberflächen reflektiert oder gebrochen und wird auf diese Weise zu dem von dem Röntgenstrahler abgewandten Ende der Begrenzungskörper geleitet. Dadurch wird die Intensität am Ausgang der Blendenanordnung (im Vergleich zu einer Schlitzblende) erhöht.

Aus wissenschaftlichen Untersuchungen (Applied Optics, Vo. 27, Nr. 24, S. 5135 ff) ist es bekannt, weiche Röntgenstrahlung in Kapillaren zu führen, wobei die Reflexion der Röntgenstrahlung an den Kapillarwänden ausgenutzt wird. Es handelt sich hierbei jedoch um so weiche Strahlung (20 kV), daß sie für die Zwecke der Computertomographie oder die Bestimmung des Impulsübertrages, beispielsweise für Gepäckuntersuchungen, ungeeignet ist.

Weiterhin ist es aus der US-PS 42 71 353 bekannt, für Zwecke der Röntgenspektroskopie zum Nachweis der charakteristischen Strahlung von Stoffen mit niedriger Ordnungszahl jeweils eine ebene polierte Fläche als Röntgenstrahlenspiegel einzusetzen. Die Energie der nachzuweisenden Röntgenquanten liegt dabei unterhalb von 1 keV.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die einander zugewandten Oberflächen der Begrenzungskörper auf den Mantelflächen von zueinander konzentrischen Kegeln angeordnet sind. Dadurch kann ein kegelmantelförmiges Röntgenstrahlenbündel erzeugt werden.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Oberflächen der Begrenzungskörper eben sind. Damit ist die Erzeugung eines Strahlenfächers möglich, wie er für Zwecke der Computertomographie benötigt wird.

Bei den für die eingangs genannten Röntgenuntersuchungen relevanten Quantenenergien (50 keV oder mehr) liefert die Totalreflexion an den Oberflächen der Begrenzungskörper nur dann einen wesentlichen Beitrag, wenn das Verhältnis zwischen dem Abstand der Oberflächen und der von den Röntgenstrahlen zu passierenden Länge des Zwischenraums zwischen diesen Oberflächen klein ist. Daraus kann ein zu feines Strahlenbündel resultieren, d. h. ein Strahlenbündel mit zu geringen Abmessungen. Um gleichwohl ein Strahlenbündel mit nicht ganz so geringen geometrischen Abmessungen realisieren zu können, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß in dem Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Oberflächen eine oder mehrere in symmetrisch angeordnete glatte Folienpaare angeordnet sind. In diesem Fall kommt es nicht auf den Abstand der Oberflächen der Begrenzungskörper an, sondern auf den Abstand der Folienoberflächen voneinander, deren Neigung und deren Länge.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Begrenzungskörper zumindest im Bereich der Oberflächen aus Glas bestehen. Durch Verwendung von gezogenem Glas oder durch einen Poliervorgang lassen sich sehr glatte Oberflächen erzielen, die eine hohe Oberflächenrauhigkeit aufweisen.

Der Teil der Röntgenquanten, der auf die Oberfläche eines Begrenzungskörpers auftrifft und dort nicht gestreut oder reflektiert wird, tritt in den Begrenzungskörper ein. Wenn diese Röntgenstrahlung den Begrenzungskörper passiert, kann sie den Untersuchungsbereich erreichen und die Untersuchung störend beeinflussen. Dies läßt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß die Begrenzungskörper auf ihrer Außenseite einen die Röntgenstrahlung absorbierenden Belag aufweisen. In diesem Fall wird also die Röntgenstrahlung, die einen der Begrenzungskörper durchsetzt, absorbiert.

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

Fg. 1 eine Anordnung zur Erzeugung eines kegelmantelförmigen Röntgenstrahlenbündels und

Fig. 2 eine Anordnung zur Erzeugung eines fächerförmigen Strahlenbündels in schematischer, nicht maßstäblicher Darstellung.

Ein Röntgenstrahler 1 emittiert ein Röntgenstrahlenbündel 2, das von seinem Fokus 3 ausgeht, der endliche Abmessungen aufweist, so daß sich eine Fokusgröße von z. B. 0,5×0,5 mm ergibt. Das Röntgenstrahlenbündel 2 trifft auf eine ebene Blendenplatte 4, die mit einer ringförmigen Öffnung 5 versehen ist. Hinter der Blendenplatte 4 befinden sich zwei rotationssymmetrisch ausgebildete und konzentrisch zueinander angeordnete Begrenzungskörper. Der innere Begrenzungskörper 6 hat die Form eines Kegelstumpfes, dessen durch die Verlängerung seiner Mantelflächen gebildete Spitze auf den Fokus 3 weist. Der zweite Begrenzungskörper 7 umschließt den ersten Begrenzungskörper 6, wobei seine Innenfläche die Form des Mantels eines Kegelstumpfes aufweist.

Die Begrenzungskörper können aus Glas bestehen, wobei ihre einander zugewandten Oberflächen, die einen Hohlkegel definieren, eine geringe Rauhigkeit aufweisen müssen. Dies läßt sich durch Polieren der Oberflächen oder durch Verwendung von gezogenem Glas erreichen.

Auch wenn in einem die Symmetrieachse 10 der Anordnung enthaltenden Querschnitt die einander zugewandten Flächen der Begrenzungskörper 6 und 7 exakt parallel zueinander verlaufen, sind die Röntgenstrahlen, die an der vom Röntgenstrahler 1 abgewandten Seite der Begrenzungskörper 6, 7 aus dem Zwischenraum austreten, nicht exakt parallel zueinander; sie haben eine gewisse Divergenz, die umso ausgeprägter ist, je größer die Abmessungen des Fokus 3 und der Abstand der einander zugewandten Oberflächen der Begrenzungskörper 6, im Vergleich zum Abstand des Fokus von der Fläche ist, in der die Röntgenstrahlen aus dem z. B. 0,5 mm breiten Zwischenraum zwischen dem Begrenzungskörper 6, 7 austreten. Wenn der letztgenannte Abstand 1000 mal größer ist als der Abstand zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Begrenzungskörper 6 und 7, beträgt die Divergenz der aus dem Zwischenraum austretenden Röntgenstrahlen wenigstens 1 mrad.

Je nachdem, von welchem Punkt des Fokus 3 und unter welchem Winkel Röntgenstrahlung emittiert wird, gibt es vier Möglichkeiten:

  • a) Die Röntgenstrahlung tritt durch den Zwischenraum zwischen den beiden Begrenzungskörpern 6, 7 aus, ohne auf eine der beiden einander zugewandten Oberflächen zu treffen. Dadurch werden Lage und Form des Röntgenstrahlenbündels 9 bestimmt.
  • b) Die Röntgenstrahlung trifft auf einen der Oberflächen unter einem Winkel, der kleiner ist als der Grenzwinkel βc der Totalreflexion. Dieser Grenzwinkel berechnet sich nach der Beziehung,

    βc = 0,0288 * (s*Z/M) 1/2 * 1/E.

    Dabei ist s die Massendichte des Begrenzungskörpers in g/cm3, Z die Summe aller Elektronen in einem Atom bzw. Molekyl, M das Atom bzw. Molekulargewicht in g und E die Energie des Röntgenquants in keV. Für Glas gilt beispielsweise,

    βc(mrad) = 30,2/E.

    Der Grenzwinkel βc der Totalreflexion beträgt für Glas bei einer Quantenenergie von 60 keV beispielsweise 0,5 mrad.

    Somit werden die unter einem Winkel, der unterhalb des Grenzwertes der Totalreflexion liegt, auf eine der Oberflächen auftreffenden Röntgenquanten total reflektiert. Dies ist in Fig. 1 für einen Röntgenstrahl 11 angedeutet. Da der Winkel β kleiner ist als die Divergenz des Strahlenbündels, bleibt die total reflektierte Röntgenstrahlung nach dem Austritt aus dem Zwischenraum zwischen den Begrenzungskörpern 6, 7 innerhalb des Strahlenbündels, das den Zwischenraum ohne Wechselwirkung mit den Oberflächen durchsetzt. Durch die Totalreflexion wird also die Intensität der Röntgenstrahlung in dem aus dem Begrenzungskörper austretenden Strahlenbündel vergrößert, ohne daß dessen Divergenz verändert wird.
  • c) Die Röntgenstrahlung trifft auf eine der Oberflächen unter einem Winkel, der dem Grenzwinkel der Totalreflexion entspricht oder geringfügig größer ist. Der Röntgenstrahl tritt dann in den Begrenzungskörper 6 bzw. 7 ein und wird derart gebrochen, daß er in der Oberfläche bzw. - wenn der Einfallswinkel größer ist als βc - sehr dicht unterhalb der Oberfläche in dem Begrenzungskörper verläuft. Bei hinreichend schwach absorbierendem Material tritt der gebrochene Röntgenstrahl nahezu parallel zu der Oberfläche des Begrenzungskörpers aus und trägt ebenfalls zur Intensitätserhöhung im Strahlenbündel jenseits der Begrenzungskörper bei.
  • d) Die Röntgenstrahlung trifft auf eine der Oberflächen mit einem Einfallswinkel auf, der wesentlich größer ist als βc. Diese Röntgenstrahlung wird in dem Begrenzungskörper nur geringfügig gebrochen. Sie kann den Körper durchdringen, so daß jenseits der Begrenzungskörper Röntgenstrahlung außerhalb des gewünschten Röntgenstrahlenbündels noch wirksam ist.

    Dies läßt sich dadurch verhindern, daß auf den vom Strahler 1 abgewandten Stirnflächen der Begrenzungskörper 6, 7 ein Ring bzw. ein ringförmiger Belag 8a aus stark absorbierendem Material angeordnet ist, der so bemessen ist, daß er nahe an das durch den Zwischenraum zwischen den Begrenzungskörpern vorgegebene Strahlenbündel heranreicht. Außerdem verhindert ein den äußeren Begrenzungskörper 7 umschließender Ring 8b aus ebenfalls stark absorbierendem Material, der gegebenenfalls als Schicht auf die Außenfläche des Begrenzungskörpers 7 aufgebracht sein kann, daß Röntgenstrahlung (z. B. Streustrahlung) aus den Mantelflächen dieses Körpers austritt.


Es wäre nicht sinnvoll, die beiden Begrenzungskörper 6, 7, die das hohlkegelförmige Röntgenstrahlenbündel 9 erzeugen, bis dicht an den Röntgenstrahler heranreichen zu lassen. Zum einen werden dadurch die Herstellungskosten erhöht und zum anderen würde die Röntgenstrahlung auf den vorderen Teil der Begrenzungskörper überwiegend unter einem Einfallswinkel auftreffen, der wesentlich größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Es genügt daher, wenn der Abstand der hinteren Stirnflächen der Begrenzungskörper von dem Fokus 3 etwa dreimal so groß ist wie der entsprechende Abstand der vorderen Stirnfläche. Der Abstand der vorderen Stirnfläche kann vom Fokus z. B. 300 mm und der Abstand der hinteren Stirnfläche kann 800 mm betragen.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, die ein fächerförmiges Strahlenbündel erzeugt, dessen Hauptausdehnungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene dieser Figur verläuft. Es sind zwei Begrenzungskörper 16, 17 beispielsweise aus Glas vorgesehen, deren einander zugewandte Oberflächen eben sind und parallel zueinander verlaufen. Zwischen diesen Begrenzungskörpern und der Strahlenquelle 1 ist eine Blendenplatte 4 vorgesehen, die einen sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Schlitz 5 aufweist, dessen Breite dem Abstand der Blendenkörper 16 und 17 angepaßt ist.

Der Abstand zwischen den Blendenplatten ist im Verhältnis zu dem Abstand der hinteren Stirnfläche der Begrenzungskörper 16, 17 vom Fokus 3 zwar vernachlässigbar klein, aber immerhin so groß, daß die totale Reflexion der Röntgenstrahlung an den Oberflächen der Begrenzungskörper 16 bzw. 17 nur noch einen geringen Betrag ausmachen würde und die Divergenz im Strahlenbündel in der Zeichenebene vergleichsweise groß wäre.

Diesem Mangel wird dadurch begegnet, daß symmetrisch zur Mitte des Zwischenraums zwischen den beiden Begrenzungskörpern ein Paar zu deren Oberflächen geneigter, durch glatte Folien 18 aus Metall, Kunststoff oder metallischem Kunststoff gebildeter Reflexionsebenen eingeführt wird. Die zur Mittelebene der Begrenzungskörper 16, 17 symmetrisch angeordneten Folien liegen in Ebenen, die sich jenseits des Fokus 3 in einer Geraden schneiden. Sie haben in Richtung des Strahlenverlaufs geringere Abmessungen als die Begrenzungskörper. Maßgeblich für den Beitrag der Totalreflexion im Strahlenbündel 9 ist dabei im wesentlichen die Länge, Neigung und Position dieses Folienpaares.

Wichtig ist dabei, daß der Abstand der Schnittgeraden der Folienebenen vom Fokus dem Abstand der Mitte der Folien vom Fokus entspricht. Wenn diese Bedingung jeweils erfüllt ist, können auch mehrere Folienpaare verwendet werden, die ineinander verschachtelt oder hintereinander gestaffelt angeordnet sein können. Im letzteren Fall sollte die Anordnung derart sein, daß die Ebenen der benachbarten Folienpaare sich in der Mitte des Zwischenraumes zwischen diesen Paaren schneiden. In diesem Fall approximieren die Folien eine Parabel, deren Brennpunkt am Ort des Fokus 3 liegt.

Gegebenenfalls können auch die Oberflächen der Begrenzungskörper geneigt sein, wobei ihre Mitte vom Fokus wiederum den gleichen Abstand haben soll wie der Fokus von der Schnittgeraden, die durch die geneigten Oberflächen definiert ist. Die Oberflächen können auch mehrere ebene Teilflächen umfassen, die in einem in der Zeichenebene der Fig. 2 liegenden Querschnitt eine Parabel approximieren, deren Brennpunkt mit dem Fokus zusammenfällt. Gegebenenfalls können die Oberflächen aber auch kontinuierlich entsprechend dieser Parabel gekrümmt sein.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zum Erzeugen eines ausgedehnten Röntgenstrahlenbündels mit einem geringen Querschnitt mit einer Röntgenstrahlenquelle und einer zwischen der Röntgenstrahlenquelle und einem Untersuchungsbereich angeordneten Blendenanordnung zum Ausblenden des Strahlenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung wenigstens zwei Begrenzungskörper (6, 7) umfaßt, deren einander zugewandte Oberflächen glatt sind und einen der Form des Strahlenbündels (9) entsprechenden Zwischenraum begrenzen und daß die Begrenzungskörper (6, 7) so angeordnet sind, daß ein Teil der von dem Röntgenstrahler emittierten Strahlung den Zwischenraum durchsetzt, aber nicht die Begrenzungskörper (6, 7).
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Oberflächen der Begrenzungskörper (6, 7) auf den Mantelflächen von zueinander konzentrischen Kegeln angeordnet sind.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Begrenzungskörper (16, 17) eben sind.
  4. 4. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Oberflächen eine oder mehrere in symmetrisch angeordnete Paare glatter Folien (18) angeordnet sind.
  5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungskörper zumindest im Bereich der Oberflächen aus Glas bestehen.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Begrenzungskörper auf ihrer Außenseite einen die Röntgenstrahlung absorbierenden Belag aufweisen, oder daß außerhalb des Begrenzungskörpers eine Blende vorgesehen ist, die durch die Begrenzungskörper hindurchgetretene Röntgenstrahlung absorbiert.






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