DE4110468A1 - Einrichtung zur roentgenbestrahlung von objekten - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur
Bestrahlung von Körperschichten mit Röntgenstrahlen.
Die Einrichtung weist eine Röntgenstrahlenquelle
zur Erzeugung des Röntgenstrahls, der auf ein zu
untersuchendes Objekt zu dessen Durchdringung ausge
richtet ist, sowie einen Detektor auf, der in Durch
strahlungsrichtung des Röntgenstrahls gesehen hinter
dem Objekt angeordnet ist und die Intensitätsvermin
derung des Röntgenstrahls nach Durchdringen des Ob
jektes mißt. Als Röntgenstrahlenquelle dient in be
kannter Weise ein als Anode geschaltetes metalli
sches Target, das im Strahlengang eines unter Hoch
spannung zwischen Anode und Kathode an der Kathode
emittierten Elektronenstrahls angeordnet ist, der
das Target im Brennfleck trifft.
Röntgenstrahlungseinrichtungen dieser Art sind be
kannt. Sie werden verstärkt insbesondere zur Rönt
gen-Tomographie eingesetzt, bei der rechnergestützt
von den durchstrahlten Objekten räumliche Bilder
erzeugt werden. Dabei wird in üblicher Weise die
Intensitätsverminderung der Röntgenstrahlung nach
ihrem Durchgang durch das Objekt gemessen. Die In
tensitätsverminderung ist vom durchstrahlten Mate
rial und dessen Struktur abhängig. Um räumliche Bil
der zu erhalten, wird das zu untersuchende Objekt
bisher durch schrittweises Drehen des Objekts um
eine ortsfeste Drehachse bei verschiedenen Winkel
stellungen bestrahlt. Die dabei im einzelnen erhal
tenen Bilder werden zunächst elektronisch gespeichert
und mittels geeigneter Rechnerprogramme ausgewertet.
Durch Rückrechnen der aus den aufeinanderfolgenden
Bildern erhaltenen Daten werden Informationen über
die räumliche Materialverteilung und damit über die
Struktur des Objekts ermittelt.
Angewendet wird die Durchstrahlung von Objekten mit
Röntgenstrahlen (Röntgenoskopie) neben dem medizi
nischen Bereich auch zur zerstörungsfreien Werkstoff
prüfung. Es werden Risse, Abscheidungen und andere
Materialinhomogenitäten untersucht. Während die für
die Untersuchung erforderliche Ortsauflösung im me
dizinischen Bereich bei mm liegt, interessieren bei
der Materialprüfung Bereiche bis hin zu um. Es ist
dazu je nach zu untersuchendem Objekt das Röntgen
strahlenspektrum von Interesse, das vom verwendeten
Target als Anodenmaterial bestimmt wird. Von wesent
licher Bedeutung für eine räumliche Bildauflösung
ist auch die mögliche Winkelverstellung für die mit
unterschiedlichem Bestrahlungswinkel nacheinander
aufzunehmenden Objektbilder.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur
Röntgenoskopie zu schaffen, bei der räumliche Objekt
strukturen mit hoher Präzision in einfacher Weise
darstellbar sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die
in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Durch Versteilen des Elektronenstrahls wird die Lage
des Brennflecks auf dem Target örtlich verlagert.
Diese Art der Brennfleckverlagerung erlaubt sehr
geringe Veränderungen des Durchstrahlungswinkels
so, daß tomographische Bilder mit hoher Ortsauflösung
erreichbar sind. Die Veränderung des Durchstrahlungs
winkels wird ohne eine Lageveränderung des Objekts
oder eine Verstellung des Targets erzielt. Durch
ein mechanisches Bewegen von Objekt oder Target ver
ursachte Qualitätsminderungen und Unschärfen des
tomographischen Bildes sind somit vermieden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Patent
anspruch 2 ist eine schrittweise Brennfleckverschie
bung vorgesehen, wobei die Schrittweite bei dieser
Verschiebung auf dem Target derart bemessen ist,
daß die dadurch erzielte Röntgenstrahlverschiebung
auf dem Detektor kleiner ist, als die Flächenabmes
sung eines einzelnen Detektorelementes. Bevorzugt
entspricht die Schrittweite auf dem Target einer
Verschiebung des Röntgenstrahls um eine halbe Flä
chenabmessung eines Detektorelements, Patentanspruch 3.
Das Bemessen der Schrittweite in der vorgenannten
Weise erhöht die von den Detektorelementen her be
stimmte Bildauflösung. Strukturgrenzen lassen sich
wegen der vorgesehenen geringen Veränderung des Be
strahlungswinkels zwischen aufeinanderfolgenden Rönt
genbildern schärfer erkennen. Die Schrittweite auf
eine halbe Detektorelementenlänge zu begrenzen er
laubt beispielsweise eine sehr genaue Differenzie
rung bei kontinuierlichen Veränderungen der Objekt
struktur, z. B. ist in Grenzzonen von Adsorbtions
schichten eine hohe Auflösung erreichbar.
Für eine insgesamte weite Brennfleckverstellung,
die zur Untersuchung von Proben ohne eine Änderung
der Probenposition erforderlich wird, ist es vor
teilhaft, den Detektor dem Röntgenstrahl nachfahrbar
anzuordnen, Patentanspruch 4. Um den Abstand zwischen
dem Brennfleck auf dem Target und der Drehachse für
die aufeinanderfolgenden Röntgenbilder beeinflussen
zu können, insbesondere konstant zu halten, ist ge
mäß Patentansprüchen 5 und 6 die Targetoberfläche
entsprechend geformt, insbesondere ist das Target
als hohlkegelartig geformte Schale ausgebildet.
Zur Untersuchung eines Objektes oder verschiedener
Objekte mit Röntgenstrahlen, die jeweils unterschied
liche Röntgenstrahlenspektren aufweisen, besteht
das Target nach Patentanspruch 7 aus unterschiedli
chen Materialien, die benachbart angeordnet und
alternativ zu benutzen sind. Zur Umschaltung auf
die jeweils gewünschte charakteristische Röntgen
strahlung ist der Elektronenstrahl auf die verschie
denen Metalle ausrichtbar, Patentanspruch 8.
Zur Führung des Elektronenstrahls in erfindungsge
mäßer Weise eignet sich bevorzugt die Verstellein
richtung eines Elektronenstrahls, wie sie in einem
Elektronenmikroskop vorgesehen ist. Das Target wird
daher zweckmäßig vom Elektronenstrahl eines Elek
tronenmikroskopes bestrahlt, Patentanspruch 9, und
die Einrichtung zur Untersuchung des Objektes ist
so ausgebildet, daß sie im Probenraum eines Elek
tronenmikroskopes einsetzbar ist. Um Meßstörungen
durch auf den Detektor auftreffende Primärelektro
nen zu vermeiden, wird der Detektor durch eine elek
trisch leitfähige Folie geschützt, die auf konstan
tem elektrischen Potential gehalten wird und die
störenden Primärelektronen ableitet, Patentanspruch 10.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh
rungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
im einzelnen:
Fig. 1 Einrichtung zur Röntgenbestrahlung
von Objekten mit Detektor;
Fig. 2 Abbildung einer Objektkante;
Fig. 3 Schrittweises Abtasten einer Absorb
tionsschicht;
Fig. 4 hohlkegelartig geformtes Target.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Röntgenbestrah
lung eines Objekts 1 schematisch dargestellt. Auf
eine Targetschneide eines elektrisch als Anode ge
schalteten Targets 2 trifft ein Elektronenstrahl
3 im Brennfleck 4, 4′ oder 4′′ auf. Der Elektronen
strahl 3 wird im Hochspannungsfeld zwischen Target
2 und in Fig. 1 nicht dargestellten Kathode in
üblicher Weise durch Emittieren von Elektronen an
der Kathode erzeugt. Das Target 2 ist derart angeord
net, daß der im Brennfleck 4 erzeugte Röntgenstrahl
5 das Objekt 1 erfaßt und nach Durchstrahlen des
Objekts auf einen Detektor 6 auftrifft. Der Detektor
mißt die verbliebene Intensität des Röntgenstrahls
5 und stellt im Vergleich mit der Ausgangsintensi
tät am Brennfleck 4 die Intensitätsverminderung der
Röntgenstrahlung fest. Im Ausführungsbeispiel ist
vor dem Detektor 6 im Strahlengang des Röntgen
strahls 5 noch eine elektrisch leitfähige Folie 7
angeordnet, die über einen entsprechenden elektri
schen Anschluß 8 auf konstantem elektrischen Poten
tial gehalten ist.
Das Target 2 besteht aus unterschiedlichen, benach
bart angeordneten Metallen 9, 10 und 11. Im Aus
führungsbeispiel sind nebeneinander Cu sowie Fe
und W als Targetmaterial eingesetzt. Es lassen sich
jedoch auch andere Metalle verwenden, die unter
schiedliche Röntgenstrahlenspektren aufweisen.
Der Elektronenstrahl 3 läßt sich in der Einrichtung
derart verstellen, daß sich durch Verschieben des
Brennflecks von 4 nach 4′ oder 4′′ und Ausrichten
des Elektronenstrahls 3 auf eines der Metalle 9, 10,
11 alternativ Röntgenstrahlen mit verschiedenem
Röntgenstrahlenspektrum erzeugen lassen. Zur Unter
suchung des Objekts 1 stehen somit ohne erhebliche
Umstellung der Einrichtung durch einfaches Regulie
ren der Elektronenstrahlungsrichtung verschiedene
Röntgenstrahlcharakteristiken zur Verfügung.
Im Ausführungsbeispiel wird zur Änderung der Elek
tronenstrahlrichtung die Verstellungsmöglichkeit
des Elektronenstrahls in einem Elektronenmikroskop
genutzt. Diese Einrichtung ist in Fig. 1 nicht dar
gestellt, sie entspricht vielmehr in üblicher Weise
den bei Elektronenmikroskopen vorhandenen Verstell
einrichtungen. Die gesamte Einrichtung mit Target
2, Objekt 1 und Detektor 6 ist derart dimensioniert,
daß die Einrichtung insgesamt in den Probenraum
eines Elektronenmikroskops einsetzbar ist.
Als Detektor 6 wird im Ausführungsbeispiel ein CCD-
Detektor CCD = charge coupled device) mit CCD-Chip
12 und Detektorelementen 13, mit Glasfaseroptik 14
und Szintillationsschicht 15 benutzt. Der CCD-Chip
12 wird von Peltierelementen 16 gekühlt und auf kon
stanter Temperatur gehalten, im Ausführungsbeispiel
üblicher Weise auf eine Temperatur T = -40°C.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das zu durch
strahlende Objekt 1 um eine Drehachse 17 drehbar
gelagert. Diese Drehbewegung wird jedoch nur für
Gesamtdrehungen (360°) oder eine Groborientierung
des Objekts genutzt, zur Aufnahme von Objektbildern
aus verschiedenen Blickwinkeln in einem engeren Win
kelbereich wird die bereits beschriebene Verstell
barkeit des Elektronenstrahls 3 im Elektronenmikros
kop genutzt.
Zu letzterem, also zur Aufnahme von Objektbildern
aus verschiedenen Blickwinkeln ist in Fig. 2
eine schrittweise Verstellung eines Röntgenstrahls
5a und die damit erzielte erhöhte Auflösung von
tomographischen Bildern schematisch wiedergegeben.
In Fig. 2 ist die Röntgenbestrahlung einer Kante
18 eines Objekts 1a unter schrittweiser Drehung des
Röntgenstrahls 5a um eine Schrittweite X durch eine
Brennfleckverschiebung eines Brennflecks 4a aus
seiner Lage 19a über 19b nach 19c gezeigt. Der auf
die Kante 18 auftreffende Röntgenstrahl 5a wandert
bei dieser Verschiebung des Brennflecks auf dem De
tektor 6 um die Röntgenstrahlverschiebung Y vom De
tektorelement 13a zum Detektorelement 13b. Da der
Röntgenstrahl 5a jedoch erst in der Lage 19c des
Brennflecks auf das Detektorelement 13b auftrifft,
wird vom Detektor 6 erst in dieser Stellung des
Brennflecks ein der Abbildung der Kante 18 entspre
chendes geändertes Signal abgegeben. Durch Bewegen
des Elektronenstrahls und Verschieben des Brennflecks
läßt sich somit die Lage der Kante 18 sehr genau
austasten.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 wie
dergegeben. Durch Verstellen des Elektronenstrahls
und Verschieben eines Brennflecks 4b auf einem Target
aus einer Brennfleckposition A nach A′ wird mit
dem Röntgenstrahl der Verlauf 20 einer Absorbtions
schicht 21 abgetastet. Die Absorptionsschicht be
ginnt an der Stelle l0 auf der Oberfläche eines Ob
jekts und steigert ihre Stärke von der Dicke d0 all
mählich, bis sie an der Stelle l8 ihre maximale Dicke
d8 erreicht. Bestrahlt man die Absorptionsschicht
21 mit einem Röntgenstrahl aus der Brennfleckposi
tion A, so erhält man auf dem Detektor über die De
tektorelemente 13c bis 13e aufgrund ihrer endlichen
Abmessung L, die dem doppelten Abstand zwischen den
Stellen l₁ und l2 der Objektoberfläche, also einem
Abstand L=| l₁ bis l₃ | = | l3 bis l5 | usw. entspricht,
mittlere Meßwerte W1, W2, W3 über die Dicke d der
Absorptionsschicht 21, die dem Integralwert der
Dicke jeweils von d1 bis d3 bzw. d3 bis d5 usw. zwi
schen den Stellen l1 bis l3 bzw. l3 bis l5 usw. ana
log sind. Verschiebt man den Brennfleck anschließend
so, daß der Verschiebeweg X zwischen den Brennfleck
positionen A, A′ einer Verstellung Y des auf dem
Detektor auftreffenden Röntgenstrahls um eine halbe
Detektorelementenlänge L entspricht, so erhält man
jetzt von den Detektorelementen 13c bis 13e mittlere
Meßwerte W1′, W2′, W3′ über die Dicke der Absorp
tionsschicht, die den Intergralwerten der Dicke je
weils von d2 bis d4 bzw. d4 bis d5 usw. zwischen
den Stellen l2 bis l4 bzw. l4 bis l6 usw. analog
sind. Bei dieser Verstellung des Brennflecks im Aus
führungsbeispiel nach Fig. 3 um eine Schrittweite
x = L/2 (halbe Länge L eines Detektorelementes) wer
den somit in einfacher Weise bei Messung der Absorp
tionsschicht Zwischenwerte erzielt, die das Abbilden
der Absorptionsschicht 21 verschärfen. Bei alter
nierender Verstellung des Brennflecks zwischen A
und A′ werden die Konturen von Objekten somit genauer
erfaßbar und die tomographischen Bilder deutlicher.
In Fig. 4 ist ein Target 23 mit einer hohlkegelar
tig geformten Schneidenoberfläche gezeigt. Das Tar
get ist schalenförmig ausgebildet. Die Form der
Schneidenoberfläche ist derart gestaltet, daß die
auf der Schneidenoberfläche erzeugbaren Brennfleck
lagen zur Drehachse 17 des zu durchstrahlenden Ob
jekts einen bestimmten gewünschten Abstand 25 auf
weisen, insbesondere stets einen gleich großen Ab
stand, wie dies bei der hohlkegelartigen Form nach
Fig. 4 der Fall ist, wo die Brennpunkte auf einer
Kreisbahn um die Drehachse geführt werden.
Wesentlicher Kern der Erfindung ist die Verschieb
barkeit des Brennflecks auf dem Target. Mit dieser
Verschiebung lassen sich sowohl tomographische Bil
der ohne mechanisches Bewegen der abzubildenden Ob
jekte selbst erzeugen, zugleich läßt sich aber auch
die Bildschärfe steigern, es werden klarere tomogra
phische Aufnahmen erreicht. Die Verwendung bereits
vorgesehener Verstellmöglichkeiten für die Ausrich
tung von Elektronenstrahlen in Elektronenmikrosko
pen ist ein großer Vorteil für die Realisierung der
Erfindung. Auf den Einsatz der erfindungsgemäßen
Einrichtung in Elektronenmikroskopen und die Beobach
tung von Objekten unter Verwendung von Elektronen
mikroskopen ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt.
Claims (10)
1. Einrichtung zur Röntgenbestrahlung von Körper
schichten mit einer Röntgenstrahlenquelle zur
Erzeugung eines Röntgenstrahls, der auf ein zu
untersuchendes Objekt zu dessen Durchdringung
ausgerichtet ist, und mit einem die Intensitäts
verminderung des Röntgenstrahls nach Durchdringen
des Objekts messenden Detektors, der in Durch
strahlungsrichtung des Röntgenstrahls gesehen
hinter dem Objekt angeordnet ist, wobei als Rönt
genstrahlenquelle ein als Anode geschaltetes Tar
get dient, das im Strahlengang eines kathodisch
emittierten Elektronenstrahls angeordnet ist,
der das Target im Brennfleck trifft,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektronenstrahl (3) zur Verlagerung
des Brennflecks (4) auf dem Target (2) ver
stellbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine schrittweise Brennfleckverschiebung vor
gesehen ist, wobei die Schrittweite (X) der
Brennfleckverschiebung auf dem Target (Z) der
art bemessen ist, daß die dadurch erzeugte Rönt
genstrahlverschiebung (Y) auf dem Detektor (6)
kleiner als die Flächenabmessung (L) eines Detek
torelementes (13) ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schrittweite (X) einer Verschiebung um
eine halbe Flächenabmessung (L) eines Detektorele
mentes (13) entspricht.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor (6) in seiner Stellung der ver
änderten Röntgenstrahlrichtung entsprechend nach
fahrbar angeordnet ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Target (23) eine dem gewünschten Abstand
zwischen Brennfleck (4) und Drehachse (17) für
die aufeinanderfolgenden Röntgenbilder entspre
chend ausgeformte Targetoberfläche aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Target (23) als hohlkegelartig geformte
Schale ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Target (2) aus zumindest zwei verschie
denen, benachbart angeordneten Metallen (9, 10,
11) besteht.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektronenstrahl (3) auf die verschie
denen Metalle (9, 10, 11) des Targets (2) aus
richtbar ist.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf das Target (2) der Elektronenstrahl (3)
eines Elektronenmikroskops ausgerichtet wird.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Objekt (1) und Detektor (6) eine
auf konstantem elektrischen Potential gehaltene
elektrisch leitfähige Folie (7) eingesetzt ist.
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