DE69124547T2

DE69124547T2 - Röntgenanalysegerät, insbesondere Computertomograph

Info

Publication number: DE69124547T2
Application number: DE69124547T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Izumi; Shoji Kamata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2011-05-24
Also published as: EP0461776B1; DE69124547D1; US5222114A; EP0461776A3; JPH0432800A; EP0461776A2; JPH07119837B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenanalysevorrichtung, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Vorrichtung der mit Röntgenstrahlen arbeitenden Computertomographie. Das Prinzip der mit Röntgenstrahlen arbeitenden Computertomographie ist bekannt und muß hier nicht beschrieben werden. In der vorliegenden Beschreibung ist "Computertomographie" durch CT abgekürzt.
In neuerer Zeit wurden CT-Systeme zum Prüfen von Produkten zur industriellen Nutzung entwickelt. Da derartige Produkte, wie zum Beispiel Metallprodukte, generell eine hohe Dichte aufweisen, weisen Prüfstrahlungen, wie Röntgenstrahlen, Gammastrahlen oder Lichtstrahlen, einen zu niedrigen Transmissionsgrad auf, wenn deren Energie niedrig ist. Daher muß das Energieniveau der Prüfstrahlung angehoben werden. Ferner beträgt die geforderte räumliche Auflösung 0,2 mm. Jedoch treten, wenn die Teststrahlung eine hohe Energie aufweist, die unten erörterten Probleme auf, und insbesondere eine hohe Auflösung ist schwer zu realisieren. Diese Anforderungen sind insbesondere für ein Röntgen-CT-System hoch. Nun wird vorgeschlagen, einen Strahl geladener Teilchen, wie einen Elektronenstrahl, zu verwenden.
Wie in "Recent Medical Diagnostic Systems" (1988), Seiten 86-89, beschrieben, handelt es sich beim typischen Röntgenstrahlgenerator eines CT-Systems um einen Röntgenstrahlgenerator, bei welchem über einer Kathode und einer Anode, die im Innern einer Hochvakuumröhre angeordnet sind, eine Hochspannung anliegt und ausgehend von der Kathode beschleunigte Elektronen auf dem röntgenstrahlerzeugenden (in der vorliegenden Beschreibung vereinfachend "Target" genannten) Target der Anode auftreffen, um Röntgenstrahlen zu erzeugen.
US-A-4607380 zeigt eine rotierende Anode, welche üblicherweise verwendet wurde, um eine Beschädigung der Anode durch den auftreffenden Elektronenstrahl zu verringern. Der Strahl wird fokussiert, tritt durch eine Aperturblende hindurch und wird anschließend durch Fokussiermagnete erneut fokussiert, so daß er auf der rotierenden Anode zur Konvergenz gelangt. Die Anode ist in einer Vakuumkammer über die Apertur mit der die Elektronenquelle enthaltenden Vakuumkammer verbunden. Die Röntgenstrahlen werden von der Oberfläche der Anode ausgestrahlt, welche durch den Elektronenstrahl bombardiert wird. Diese Vorrichtung ist als nützlich zur industriellen Prüfung von Gegenständen, wie dicken Metallteilen, beschrieben und erreicht einen kleinen Brennpunkt mit hoher Leistungsabgabe an der Anode.
US-A-4573185 zeigt eine rotierende Anode, ohne irgendeinen besonderen Nutzen derselben zu erwähnen. Eine Fokalspur aus Wolfram ist auf einem Substrat angeordnet und weist eine Breite auf, die kleiner ist als die des Elektronenstrahls von der Kathode, so daß eine Fehlausrichtung zwischen dem Strahl und der Spur keinen Einfluß auf die wirksame Brennpunkt-Größe bzw. den Brennpunkt-Ort hat.
Im Journal of Nuclear Science and Technology (Japan) 26 (1989), Seiten 826-832, ist ein Prototyp eines Hochenergie- Röntgen-CT-Systems zur Verwendung beim Abbilden dichter und großer Gegenstände beschrieben. Ein Linearbeschleuniger wird zum Beschleunigen des Elektronenstrahls und zum Erzeugen von Röntgenstrahl-Photonen mit einer maximalen Energie von 12 MeV verwendet. Bei Verwendung einer Röntgenstrahl-Quelle einer derartig hohen Energie existiert jedoch das Problem, daß selbst eine rotierende Anode nicht ausreichend gekühlt werden kann, um eine Beschädigung der durch den Energiestrahl bombardierten Oberfläche zu vermeiden.
EP-A-239 882 zeigt ein Target für einen Elektronen-Linearbeschleuniger, bei welchem eine Flüssigkeit, wie Quecksilber, zwischen durch ein Ausdehnungsstück verbundenen parallelen Platten gehalten wird. Das Quecksilber wird gekühlt, indem es durch einen Wärmetauscher geführt wird. Das Target ist außerhalb der Vakuumkammer des Beschleunigers angeordnet.
Zuerst werden Probleme eines mit einem Elektronenstrahl arbeitenden Röntgenstrahl-Generators erörtert. Die hohe Energie der Röntgenstrahlen bedeutet, daß die Energie der Elektronen ebenfalls hoch ist. Das erste Problem des Röntgenstrahl-Generators besteht darin, daß die hohe Energie der Elektronen die Größe des Röntgenstrahl-Erzeugungsbereichs ausdehnt und somit die räumliche Auflösung verschlechtert. Wenn die beschleunigten Elektronen höchstens etwa 200 keV aufweisen, sind die Energieniveaus der erzeugten Elektronen verhältnismäßig gleichmäßig. Daher kommt es zu einer geringfügigen Defokussierung der Elektronen auf dem Target, und der Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich von 0,2 mm war realisierbar, ohne eine spezielle Konvergenzeinrichtung zu verwenden. Steigt jedoch die Energie der Elektronen auf 1 MeV oder mehr an, so erweitert sich die Dispersion der Energie der Elektronen, und auch die Defokussierung der Elektronen auf dem Target wird größer, so daß sich der Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich ausdehnt.
Ein zweites Problem besteht darin, daß sich die Vakuumleistung des Röntgenstrahl-Generators verschlechtert, so daß die nötige räumliche Auflösung nicht erreicht wird. Beim Stand der Technik ist das ganze Target aus einem Röntgenstrahlen erzeugenden Target-Element von ungenügendem Wärmeleitkoeffizienten gebildet. Ferner ist beim Stand der Technik das Target im gleichen Vakuum wie die Vorrichtung zum Erzeugen der Elektronen installiert. Folglich verschlechtern die großen Mengen von Gasen, die vom bombardierten Teil (das heißt vom Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich) des Targets erzeugt werden, die Vakuumleistung des Röntgenstrahl-Generators, wenn die Elektronen eine hohe Energie aufweisen. Bei verschlechtertem Vakuum werden die erzeugten Elektronen infolge der Gase nicht ausreichend beschleunigt, und die erforderliche Energie läßt sich nicht erreichen. Folglich wird es unmöglich, Röntgenstrahlen mit ausreichender Energie zu erhalten und die erforderliche räumliche Auflösung zu erzielen. Ferner erfahren die Elektronen bei verschlechtertem Vakuum infolge der Gase eine Streuung, und der Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich vergrößert sich. Als Folge daraus verschlechtert sich ebenfalls die räumliche Auflösung.
Ein drittes Problem besteht darin, daß sich die Effizienz der Wartung verschlechtert. Wird das Target mit Elektronen bombardiert, die eine hohe Energie aufweisen, so wird das Target stärker beschädigt, so daß die Austauschhäufigkeit des Targets ansteigt. Trotzdem ist ein Austausch aufwendig, da das Target innerhalb des Vakuumbereichs installiert ist.
Es sei erwähnt, daß FR-A-2 184 238 ein Target in einer Röntgenvorrichtung mit Elementen eines in Aperturen einer Platte angebrachten, Röntgenstrahlen erzeugenden Materials zeigt.
Dementsprechend ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenanalysevorrichtung, insbesondere ein CT-System, mit hoher Auflösung zu schaffen.
Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenanalysevorrichtung mit hoher Wartungseffizienz und hoher Targetleistung zu schaffen.
Die Erfindung schafft eine wie in Anspruch 1 dargelegte Röntgenanalysevorrichtung. Vorzugsweise wird ein Elektronenstrahl-Generator verwendet, der in der Lage ist, einen Elektronenstrahl mit einer Durchschnittsenergie von mindestens 1 MeV zu erzeugen.
Die Röntgenanalysevorrichtung kann mit einem Detektor arbeiten, der elektrische Signale erzeugt, oder es kann sich bei dem Detektor um einen bezüglich eines Röntgenstrahls empfindlichen Film, zum Beispiel für Radiographie, handeln.
Vorzugsweise sind Einrichtungen zum Kühlen des Targets, zum Beispiel durch Luft oder Wasser, vorgesehen.
Da eine herkömmliche, schnell rotierende Anode für Strahlen hoher Energie ungeeignet sein kann, ist das Target vorzugsweise relativ zum Strahl verschiebbar, wodurch dem Strahl geladener Teilchen ein neuer, durch den Teilchenstrahl zuvor nicht bombardierter Abschnitt des Targets ausgesetzt wird. So kann das Target relativ zum Strahl geladener Teilchen verschiebbar sein, so daß Analysevorgänge selbst dann fortgesetzt werden können, wenn der Strahl eine Perforation des Targets bewirkt. Geeigneterweise weist der Röntgenstrahl- Erzeugungsbereich des Targets eine Maximalbreite von 0,2 mm auf, bzw. das Röntgenstrahlen erzeugende Targetmaterial weist eine Breite auf, die kleiner ist als der Durchmesser des Strahls geladener Teilchen, der das Target bombardiert.
Das Target kann ein Matrixmaterial, zum Beispiel ein Material mit hohem Wärmeleitwert, umfassen, in welches die Spur integriert ist, und die Spur kann eine nicht-kreisförmige Form, wie zum Beispiel eine Spiralform und eine kontinuierlich rechteckige Form, aufweisen. Alternativ ist das Targetmaterial mit einer Vielzahl von vom Target getragenen Drähten versehen.
Der Abstand zwischen dem Target und dem Detektor kann variabel sein. Dies ermöglicht eine Anpassung der Vorrichtung gemäß der Breite des Prüflings.
Diese Vorrichtung kann einen vor dem Detektor angeordneten Kollimator für die von einem Prüfling transmittierten Röntgenstrahlen aufweisen. Der Kollimator weist eine Vielzahl von Kollimationsspalten mit in Richtung der transmittierten Röntgenstrahlen verlaufenden Achsen auf und umfaßt ferner eine Einrichtung zum Ändern der relativen Richtungen der Achsen der Kollimatorspalte. Der Kollimator kann eine Vielzahl von bewegbaren, die Seitenwände der Kollimatorspalte bildenden Teilen und eine Einrichtung zum Bewegen der bewegbaren Teile in Verbindung aufweisen, um die relativen Richtungen der Spaltachsen zu variieren.
Alternativ ist ein Kollimator für die von einem Prüfling transmittierten Röntgenstrahlen vor dem Detektor angeordnet und weist eine Vielzahl von austauschbaren Sätzen von Kollimationsspalten auf, wobei der Winkel zwischen den Achsen zweier benachbarter Spalte innerhalb jedes Satzes von Spalten ein konstanter Winkel ist, während der Winkel zwischen den Sätzen von Spalten verschieden ist.
Geeigneterweise umfaßt der Kollimator einen Kollimatorkörper mit einer Vielzahl von Kollimatorspalten, die durchgehend durch den Körper verlaufen, wobei die Spalte eine veränderbare Spaltbreite aufweisen. Dies ermöglicht eine Auswahl der Spaltbreite gemäß einem gewünschten Wert der räumlichen Auflösung.
Die Spaltbreite kann durch Austauschen in der Kollimationsposition vor dem Detektor mindestens zweier austauschbarer Sätze von Spalten mit jeweils verschiedenen Spaltbreiten veränderbar sein, so daß sich die wirksamen Spalt-Eintrittsöffnungen hinsichtlich der Breite verändern und jeder Spalt über seine gesamte Länge eine konstante Breite aufweist.
Alternativ weist der Kollimatorkörper zwei Abschnitte auf, die relativ bewegbar sind, um die Spaltbreite derart zu ändern, daß sich die wirksamen Spalt-Eintrittsöffnungen hinsichtlich der Breite ändern und jeder Spalt über seine gesamte Länge eine konstante Breite aufweist. In diesem Fall weist der Kollimator vorzugsweise eine Einrichtung für einen Fluidschirm auf, der einen Durchgang von Röntgenstrahlen durch ungewünschte Lücken im Kollimatorkörper verhindert, die durch eine Bewegung der relativ zueinander bewegbaren Abschnitte verursacht werden.
Zwischen dem Beschleuniger und dem Target kann eine Einrichtung zum Verringern des Durchmessers des Strahls geladener Teilchen angeordnet sein. Vorzugsweise ist zwischen dem Beschleuniger und dem Target eine Einrichtung zum Auswählen der Energie des Strahls geladener Teilchen angeordnet.
Das Target der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen der Erfindung kann eine erste Seite, auf welcher der Strahl geladener Teilchen eintritt, und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite aufweisen, von der Röntgenstrahlen emittiert werden. Dieses Target weist ferner ein aus einem Röntgenstrahlen erzeugenden Material hergestelltes Element auf, das sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Seite exponiert ist, wobei das Element eine schmale, längliche Form aufweist und seine Längungsrichtung parallel zur ersten und zweiten Oberfläche verläuft.
Vorzugsweise weist das Element eine Breite von weniger als 1 mm in der zu seiner Längungsrichtung transversalen Richtung auf.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung als nicht beschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden, generell schematischen Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Draufsicht ist, die ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines CT-Systems darstellt;
Fig. 2(a) eine Seitenansicht ist, die ein Ausführungsbeispiel der Target-Vorrichtung des Systems von Fig. 1 darstellt, und Fig. 2(b) eine Vorderansicht eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Targets ist;
Fig. 3 eine Ansicht ist, die ein weiteres bei der vorliegenden Erfindung verwendetes Target und eine Target-Vorrichtung darstellt;
Fig. 4(a), Fig. 4(b) und Fig. 4(c) Ansichten sind, die weitere Ausführungsbeispiele von bei der Erfindung verwendeten Targets darstellen;
Fig. 5 eine Ansicht zum Erläutern von Faktoren ist, welche zur räumlichen Auflösung der vorliegenden Erfindung beitragen; und
Fig. 6 eine allgemeine, perspektivische Ansicht eines die Erfindung verkörpernden industriellen CT-Systems ist.
Zuerst werden zu einer räumlichen Auflösung beitragende Faktoren in Verbindung mit einem die vorliegende Erfindung verkörpernden und in Fig. 5 dargestellten Röntgen-CT-System beschrieben, wobei Fig. 5 die Beziehungen zwischen einer Elektronenstrahl-Quelle 1 mit einem Beschleuniger, einem eine Röntgenstrahl-Quelle im ST-System darstellenden Target 3, einem Prüfling 6, einem Kollimator 7 und einem Detektor 8 schematisch darstellt. Röntgenstrahlen werden generell in Form eines Fächerstrahls ausgestrahlt, und Fig. 5 stellt den in einen Kollimatorspalt eintretenden Röntgenstrahl dar. Da die auf die Seitenflächen eines Spalts auftreffenden Röntgenstrahlen vernachlässigbar sind, sind die in den Detektor eintretenden Röntgenstrahlen diejenigen Röntgenstrahlen, welche von einer Breite Wt auf dem Target ausgestrahlt wurden. Die räumliche Auflösung wird mit kleiner werdender Breite W des Strahls auf dem Prüfling höher. Wirksame Maßnahmen zum Verringern der Breite W bestehen (a) im Verringern der Breite Wt, das heißt Kleinmachen des Röntgenstrahl-Erzeugungsbereichs auf dem Target, (b) im Verringern der Breite des Kollimatorspalts, (c) im Verkürzen der Distanz zwischen der Strahlungsquelle und dem Prüfling und (d) im Verlängern der Distanz zwischen dem Prüfling und dem Kollimator (Detektor). Die vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten schafft Techniken, die Lösungen für zumindest einige dieser Maßnahmen liefern.
Verfahren zum Ergreifen der Maßnahme (a), bei welcher der Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich klein gemacht wird, unterteilen sich allgemein in drei Verfahren. Geladene Teilchen, wie Elektronen, treffen auf ein Target-Element auf, um dadurch Röntgenstrahlen zu erzeugen. Ein Ziel ist daher, den Durchmesser der zur Kollision mit dem Target-Element gebrachten geladenen Teilchen auf dem Target zu verringern. Ein zweites Ziel ist, die Breite des Target-Elements zum Erzeugen der Röntgenstrahlen kleiner zu machen als den Durchmesser des Strahls geladener Teilchen, der auf dem Target definiert ist. Wie erwähnt, ist dies beim Stand der Technik für eine rotierende Anode vorgeschlagen. Ein drittes Ziel ist, das Vakuum eines Erzeugers geladener Teilchen aufrechtzuhalten, so daß im Generator geladener Teilchen erzeugte geladene Teilchen nicht infolge ihrer Kollisionen mit Gasen in einer Phase, in der sie beschleunigt werden, divergieren. Diesen Zweck erfüllt die Anordnung, bei welcher das Target, das die Erzeugungsquelle der Gase darstellt, außerhalb des Vakuums, das heißt außerhalb des Generators geladener Teilchen angeordnet ist. Die geladenen Teilchen treten aus dem Vakuum aus, jedoch hat dies bei hohen Energieniveaus eine geringe Wirkung. Ferner sind aufgrund der Tatsache, daß sich das Target außerhalb des Vakuums befindet, der Austausch des Targets und die Wartung der Target-Antriebsvorrichtung deutlich erleichtert.
Nachfolgend ist das in Fig. 1 dargestellte, die vorliegende Erfindung verkörpernde Röntgen-CT-System beschrieben. Dieses System umfaßt einen Generator und Beschleuniger 1, der ein Generator geladener Teilchen (Elektronenstrahl-Generator) zum Erzeugen und Beschleunigen von Elektronen ist, und eine Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2, durch welche ein beschleunigter Elektronenstrahl 24 vom Generator und Beschleuniger 1 an einem Target 3 gebündelt wird. Eine Target-Antriebsvorrichtung 4 steuert die Auftreffposition des Elektronenstrahls 24 auf dem Target 3. Ein CT-Abtaster 5 tastet einen Prüfling 6 ab, indem er ihn verschiebt und dreht. Ein Kollimator 7 wählt einen durch das Target erzeugten und durch den Prüfling 6 transmittierten Röntgenstrahl 10 aus. Ein Detektor 8 für den durch den Prüfling 6 hindurchgegangenen, kollimierten Röntgenstrahl 10 ist hinter dem Kollimator angeordnet. Beim Detektor 8 kann es sich um einen herkömmlichen Detektor des CdWO4-Szintillator-Typs handeln. Eine Steuervorrichtung 9 steuert die Betätigungen dieser Komponenten. Das Röntgen-CT-System erhält das Tomogramm jeder gewünschten Ebene des Prüflings 6. Zu diesem Zweck wird der Prüfling 6 für Translation und Rotation durch den CT-Abtaster 5 abgetastet, die Transmission des Elektronenstrahls durch den Prüfling 6 in sämtlichen Richtungen durch den Detektor 8 erfaßt und in Datensignale umgewandelt, und die Transmissions-Datenelemente werden gemäß dem Prinzip der Computertomographie durch eine (nicht dargestellte) Datenverarbeitungseinrichtung verarbeitet.
Die Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2 verringert die Größe des Röntgenstrahl-Erzeugungsbereichs auf dem Target 3. Die Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2 ist zwischen dem Beschleuniger 1 und dem Target 3 angeordnet und umfaßt eine Vielzahl von Konvergenz-Magnetspulen 21 und eine zwischen den Konvergenzspulen angeordnete Blende bzw. Apertur 22. Fig. 1 stellt einen Fall zweier Konvergenz-Magnetspulen dar. Die Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2 ist mit dem Beschleuniger verbunden, so daß sie im gleichen Vakuum gehalten wird, und dieses Vakuum wird durch einen ein Austrittsfenster auf dessen Targetseite bildenden Film 23 aufrechtgehalten. Da der Elektronenstrahl 24 eine hohe Energie aufweist, konvergiert er auf dem Target 3 selbst bei Hindurchtreten durch den Film 23 mit sehr geringer Abschwächung.
Die Energie des durch den Beschleuniger 1 beschleunigten Elektronenstrahls geht einher mit einer Dispersion, und es ist beispielsweise ein Elektronenstrahl 25, dessen Energie größer bzw. kleiner ist als eine genau festgelegte Energie, neben dem Elektronenstrahl 24 mit der genau festgelegten Energie vorhanden. Differiert die Strahlenergie, so differiert eine auf der Konvergenzspule beruhende Brennweite. Dies bedeutet, daß der Elektronenstrahl höherer Energie seinen Fokus hinter einer Target-Fokusposition hat, wohingegen der Elektronenstrahl niederer Energie seinen Fokus vor der Target-Fokusposition hat. Aus diesem Grunde läßt sich der Elektronenstrahl 25 der unbestimmten Energie durch Anordnen der Blende 22 an der Fokusposition des Elektronenstrahls 24 der bestimmten Energie eliminieren. Der Elektronenstrahl 24 der bestimmten Energie wird durch die folgende Konvergenzspule 21 erneut zur Konvergenz gebracht und auf dem Target 3 fokussiert. Ein Elektronenstrahl sehr kleinen Durchmessers läßt sich durch Vorsehen einer Vielzahl von Sätzen aus der Kombination der Konvergenzspule und der Blende erhalten. Auf diese Weise kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel der auf dem Target 3 zu definierende Durchmesser des Elektronenstrahls verkleinert werden, so daß sich der Durchmesser des durch das Target zu erzeugenden Röntgenstrahls verkleinern läßt. Folglich läßt sich der Prüfling mit hoher Auflösung analysieren.
Obwohl das obige Ausführungsbeispiel mit einer Vielzahl von Konvergenzspulen und Blenden versehen ist, kann der Durchmesser des Elektronenstrahls selbst dann kleiner gemacht werden als beim Stand der Technik, wenn der Elektronenstrahl lediglich durch die Konvergenzspulen zur Konvergenz gebracht wird. Alternativ hierzu kann eine ähnliche Wirkung erzielt werden, wenn die Konvergenz-Magnetspulen durch elektrostatische Linsen ersetzt werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist das Target 3 in atmosphärischer Luft außerhalb des Vakuumbereichs der Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2 angebracht. Dementsprechend dringen selbst dann, wenn durch Kollisionen zwischen dem Elektronenstrahl 24 und dem Target 3 eine große Anzahl von Gasteilchen erzeugt wird, die Gase nicht in den Generator und Beschleuniger 1 bzw. in die Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2 ein, so daß diese das Vakuum beibehalten können. Folglich kann der Elektronenstrahl 24 einer stabilen Bahn ohne Beeinflussung durch Gase innerhalb des Generators und Beschleunigers 1 und der Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2 folgen. Der Durchmesser des Elektronenstrahls auf dem Target läßt sich verringern und folglich kleiner machen als beim System des Stands der Technik, bei welchem das Target innerhalb des Vakuums angeordnet ist.
Ferner ist dieses Ausführungsbeispiel mit der Target-Antriebsvorrichtung 4 ausgestattet, durch welche ein Röntgenstrahlen erzeugendes Target mit einem länglichen, spiralförmigen Element 32, wie in Fig. 2 dargestellt, bewegt wird, um zu jedem Zeitpunkt im Elektronenstrahl zu liegen. Infolge der Anbringung des Targets außerhalb des Vakuums läßt sich die Target-Antriebsvorrichtung 4 leicht aufbauen, betreiben und warten. Folglich sind der Austausch des Targets 3 und die Wartung der Target-Antriebsvorrichtung 4 erleichtert, und es kann ein CT-System mit hoher Zuverlässigkeit geschaffen werden.
Die Targets von Fig. 2 bis Fig. 4 sind für einen mit den beschleunigten Elektronenstrahlen hoher Energie arbeitenden Betrieb ausgelegt, wobei bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die genannten beschleunigten Elektronenstrahlen hoher Energie verwendet werden. Sie weichen von den Targets einer schnell rotierenden Anode des Standes der Technik dahingehend ab, daß sie nur langsam oder intermittierend bewegt werden, da das Targetmaterial zum Verschleiß ausgelegt ist. Obwohl das Target gekühlt werden kann, ist eine Kühlung nicht ausreichend, um einen derartigen Verschleiß zu verhindern. Zweitens besitzt das Target eine erste Seite, auf welche der Strahl geladener Teilchen auftrifft, und eine gegenüberliegende zweite Seite, von der die gewünschten Röntgenstrahlen in Richtung des Prüflings emittiert werden. Das Targetmaterial, welches bei diesen Ausführungsbeispielen auf einer schmalen, keine durchgängig kreisförmige Form aufweisenden Spur angeordnet ist, ist so auf beiden Seiten des Targets exponiert.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel genauer beschrieben, bei welchem die Elektronenenergie so hoch ist, daß sie das Target perforiert. Ist der Durchmesser des auf das Target auftreffenden Elektronenstrahls klein, so wird das Target beschädigt. In einem beispielhaften Fall eines Durchmessers eines Elektronenstrahls von 0,2 mm erreicht das Targetmaterial eine hohe Temperatur, die dessen Schmelzpunkt weit überschreitet, und es verdampft. In Anbetracht dieser Tatsache sind die Target-Elemente 32 (zum Beispiel aus Wolfram) in einem rechteckigen Muster innerhalb eines Target-Halteelements 31 von hoher thermischer Leitfähigkeit ausgebildet, und Röntgenstrahlen werden in einer derartigen Weise erzeugt, daß das Target durch den Elektronenstrahl perforiert wird, während es durch die Target-Antriebsvorrichtung 4 vertikal und lateral abgetastet wird. Der Fall von Fig. 3 ist ein Beispiel, bei welchem die Bewegungsgeschwindigkeit des Targets auf etwa 1 bis 2 mm pro Puls des Elektronenstrahls gesetzt ist und in Intervallen von etwa 1 bis 2 mm hintereinander Aperturen mit Durchmessern, die annähernd gleich dem Durchmesser des Elektronenstrahls von 0,2 mm sind, vorgesehen sind. Daher ist die Bahn des Elektronenstrahls, wenn das Target, wie oben dargelegt, außerhalb des Vakuums angeordnet ist, selbst durch die Erzeugung großer Gasmengen infolge der Perforation des Targets nicht beeinträchtigt, so daß der Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich klein gemacht werden kann, um eine höhere räumliche Auflösung zu erzielen.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele des bei der vorliegenden Erfindung zum Kleinmachen des Röntgenstrahl- Erzeugungsbereichs verwendeten Targets beschrieben. Fig. 2 zeigt eines der Ausführungsbeispiele. Das Target 3 besteht aus einem aus Kupfer oder ähnlichem mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellten Target-Halteelement 31 und dem aus einen Metall, wie zum Beispiel Wolfram, hergestellten, spiralförmigen Target-Element 32. Die Breite des Target-Elements ist kleiner als der Durchmesser des Elektronenstrahls, so daß der Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich unabhängig vom Durchmesser des Elektronenstrahls klein gemacht werden kann. Ferner ist die Wärmeableitung des Elements aufgrund der Tatsache, daß das Target-Element 32 durch das Target-Halteelement 31 von hoher thermischer Leitfähigkeit gehalten wird, erleichtert, so daß die Emission von Gasen abnimmt. Folglich läßt sich der Verschleiß des Target-Elements 32 unterdrücken, um die Lebensdauer des Targets zu verlängern, den Austausch- Zeitraum zu verlängern und die Wartungseffizienz zu verbessern. Außerdem ist es infolge der Unterdrückung der Emissionsgase manchmal zulässig, das Target 3 innerhalb des Vakuums anzubringen. Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß das Target-Element 32 als spiralförmige Spur ausgebildet ist, dessen Gesamtlänge verlängert werden, um die Lebensdauer des Targets zu verlängern.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Targets beschrieben, welches den Röntgenstrahl-Erzeugungsbereich noch kleiner macht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Target-Element 32 zum weiteren Verringern des Durchmessers bzw. der Breite des Bereichs, wie in Fig. 4a dargestellt, die Form eines Fadens bzw. Filaments auf, oder es ist, wie in Fig. 4(b) dargestellt, ein Punkt mit der Form einer kleinen Kugel bzw. Scheibe, die von einem Faden getragen ist, oder das ganze Target weist, wie in Fig. 4(c) dargestellt, die Form eines Netzes auf. Selbst unter Berücksichtigung der der Verschlechterung der Signalverarbeitung des Detektors etc. zuzuschreibenden Verschlechterung der räumlichen Auflösung läßt sich auf diese Weise, wenn die Targetbreite beispielsweise auf etwa 0,15 mm festgelegt ist, eine hohe räumliche Auflösung von 0,2 mm erreichen. Selbstverständlich kann auch durch ein Verfahren, bei welchem der Durchmesser des Elektronenstrahls durch die Ladungsteilchen-Konvergenzvorrichtung 2 auf etwa 0,15 mm ausreichend verkleinert wird, ein ähnliches Ergebnis erzielt werden.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer industriellen Röntgen-CT-Abbildungsvorrichtung. Der durch eine CT-Abtastung zu analysierende Prüfling 6 ist auf einem rotierenden Drehtisch 5a angebracht, welcher wiederum auf einem in Querrichtung bewegbaren Schlitten 5 geführt wird. Es ist eine den Prüfling 6 fixierende Spannvorrichtung 5b dargestellt. Der Elektronenstrahl-Generator und -Beschleuniger 1 und die Elektronenstrahl-Konvergenzvorrichtung 2 sind zusammen mit dem Target 3 in einem auf einem Schlitten 11 geführten Behälter angebracht, wobei der Schlitten 11 in Vertikal- und Horizontalrichtung in Richtung des Prüflings 6 und von diesem weg in einem Gestell 12 bewegbar ist. Ebenso ist der Detektor 8 mit einem Kollimator in Vertikalrichtung in einem Gestell 82 bewegbar, um seine Vertikalposition bezüglich des Röntgenstrahl-Generators 1, 2, 3 beizubehalten. Schraubenspindeln 13 und 83 bewegen den Röntgenstrahl-Generator 1, 2, 3 und den Detektor 8 in Vertikalrichtung in den Gestellen 12 und 82.
Obwohl so weit Röntgen-CT-Systeme beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Röntgensysteme, zum Beispiel Durchstrahlungssysteme für Radiographie, anwendbar, bei welchen ein bezüglich Röntgenstrahlen empfindlicher Film als Detektor verwendet wird.
Ferner können zum Erzeugen der Röntgenstrahlen Strahlen geladener Teilchen verwendet werden, bei denen es sich nicht um Elektronenstrahlen handelt, wie zum Beispiel Protonenstrahlen und Alphateilchen-Strahlen.

Claims

1. Röntgenanalysegerät mit einem Erzeuger eines geladenen Teilchenstrahls (1, 2), der eine Vakuumkammer und eine Einrichtung (1) zum Erzeugen eines geladenen Teilchenstrahls (24) in der Vakuumkammer aufweist, einem vom Strahl bombardierten, röntgenstrahlerzeugenden Target (3) und einem Detektor (8) von Röntgenstrahlen vom Target (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer ein vakuumbeständiges Austrittfenster (23) zum Austritt des geladenen Teilchenstrahls aufweist und das Target (3) aus einem festen Metallmaterial hergestellt ist und sich außerhalb der Vakuumkammer des Strahlerzeugers (1, 2) befindet, so daß die räumliche Auflösung des Geräts durch Reduzieren der Strahlgröße auf dem Target (32) verbessert wird.

2. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß Anspruch 1, wobei der Erzeuger eines geladenen Teilchenstrahls (1, 2) ein Elektronenstrahlerzeuger ist, der das Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Durchschnittsenergie von wenigstens 1 MeV ermöglicht.

3. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß Anspruch 1 oder 2, zur Verwendung für Computertomographie, weiter aufweisend einen vor dem Detektor angeordneten Kollimator (7) zum Parallelrichten der Röntgenstrahlen vom Target, die durch ein Probestück übertragen werden, eine Abtasteinrichtung (5) zum Drehen des Probestücks relativ zum Target und dem Detektor und eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der in den Signalen vom Detektor befindlichen Daten.

4. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Detektor ein für Röntgenstrahl empfindlicher Film ist.

5. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter aufweisend eine Einrichtung zum Kühlen des Targets.

6. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Target (3) relativ zum Strahl verschiebbar ist, so daß ein neuer, vorher nicht bombardierter Bereich des Targets dem Strahl ausgesetzt wird.

7. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein röntgenstrahlerzeugendes Target-Element (32) des Targets eine maximal Breite von 0,2 mm aufweist.

8. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß einen der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Target (7) ein Matrixmaterial aufweist, in der eine nicht kreisförmige Spur (32) des röntgenstrahlerzeugenden Materials integriert ist.

9. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Targetmaterial mit einer Vielzahl von vom Target getragenen Drähten versehen ist.

10. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Einrichtung (22) zum Bestimmen der Energie des geladenen Teilchenstrahls, die zwischen der Einrichtung (1) zum Erzeugen des geladenen Teilchenstrahls und den Target (3) angeordnet ist.

11. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß Anspruch 10, wobei der Strahlerzeuger (1, 2) eine Einrichtung zum Verringern des Strahldurchmessers mit einer Vielzahl von strahlkonvergierten Magneten oder längs der Axialrichtung voneinander getrennten elektrostatischen Linsen und eine Strahlenergiewahl-Apertur (22) zwischen den Magneten oder Linsen aufweist.

12. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Strahlerzeuger (1, 2) eine Strahlkonvergenzspule (21) zum Fokussieren des geladenen Teilchenstrahls auf dem Target (3) aufweist.

13. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß Anspruch 1, wobei das Target (3) eine erste Seite, auf der der geladenen Teilchenstrahl eintritt, und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, von der die Röntgenstrahl emittiert werden, aufweist, wobei das Target ein aus röntgenstrahlerzeugendem Material hergestelltes Element (32) aufweist, das sowohl auf der ersten als auch der zweiten Seite exponiert ist und eine schmale, längliche Form parallel zu der ersten und zweiten Oberfläche besitzt.

14. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß Anspruch 13, wobei das Element des Targets wenigstens ein Draht (32) aus röntgenstrahlerzeugendem Material ist.

15. Röntgenstrahlanalysegerät gemäß Anspruch 13, wobei das Element (32) des Targets ein Draht ist, der einen Körper aus röntgenstrahlerzeugendem Material trägt.