DE69228285T2

DE69228285T2 - Methode um die abbildung der inneren struktur eines objektes zu erhalten

Info

Publication number: DE69228285T2
Application number: DE69228285T
Authority: DE
Inventors: Elena Anatolievna Belyaevskaya; Valery Pavlovich Efanov; Viktor Natanovich Ingal
Original assignee: V Ray Imaging Corp
Current assignee: Russian Technology Group San Mateo Calif Us In
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2012-05-15
Also published as: JP2694049B2; WO1992021016A1; DE69228285D1; JPH06507019A; US5319694A; ATE176323T1; EP0539608A4; EP0539608B1; EP0539608A1; RU2012872C1; US5579363A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum zerstörungslosen Testen von Objekten unter Verwendung harter Strahlung und betrifft insbesondere Verfahren zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts.

Stand der Technik

Ein bekanntes Verfahren zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts umfaßt bekanntermaßen die Bestrahlung des zu testenden Objekts mit einem Röntgenstrahlbündel und Aufzeichnung der Strahlung, die durch das Objekt hindurchgedrungen ist, mit Hilfe eines Detektors, beispielsweise eines röntgenstrahlempfindlichen Films. Nützliche Informationen erscheinen nach dem Decodieren der Röntgenphotographien als Daten bezüglich der Menge der durch die Gebiete des zu testenden Objekts absorbierten Strahlung, wobei die Gebiete unterschiedliche Röntgenstrahldurchlässigkeiten aufweisen.
Die in dem bisher bekannten Verfahren benutzten Röntgenstrahlen besitzen jedoch ein kontinuierliches Röntgenstrahlspektrum von polychromatischer Strahlung. Dies führt zu einigen Schwierigkeiten bei der Interpretation der erhaltenen Ergebnisse, insofern als die langwelligen Spektralkomponenten in der Regel von dem Objekt selbst absorbiert werden und das Verhältnis der absorbierten Strahlung von einem Objekt zum anderen variiert, was nicht für alle Zeiten erlaubt werden kann. Dies wiederum führt zu einer geringen Verläßlichkeit der Ergebnisse der Prüfung einer inneren Struktur des zu testenden Objekts.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts umfaßt bekanntlich die Bestrahlung des zu testenden Objekts mit einem Röntgenstrahl, gefolgt von der Aufzeichnung der durch das Objekt hindurchgedrungenen Strahlung mit einem Detektor (W.A. Ellingson, M.W. Vanier "Application of Dual-energy X-ray Computed Tomography to Structural Ceramics", Adv., X-ray, Anal., 1988, v. 32, S. 629- 640).
Dieses Verfahren liefert eine höhere Empfindlichkeit und Verläßlichkeit der Prüfungsergebnisse aufgrund der Erzeugung von quasi-monochromatischen äquivalenten Abbildungen.
Das in Frage stehende Verfahren ist wie das zuvor diskutierte jedoch praktisch ungeeignet, um die innere Struktur der Objekte zu testen, die sich durch eine schwache Absorption einer harten Strahlung auszeichnen, insbesondere solcher Bereiche des zu testenden Objekts, bei denen das Maß der Röntgenstrahldurchlässigkeit nahe an der des umgebenden Mediums liegt.
Die internationale Patentanmeldung WO-A-89/05450 offenbart eine Vorrichtung zum kontaktlosen Messen mechanischer Spannungen an sich schnell bewegenden Objekten mit einer kristallinen Struktur, wobei ein analysierender Kristall und ein Detektor in einem Gehäuse angeordnet sind und zueinander in einem festen Winkel entlang eines Kreisbogens eines Winkelmessers um das Testobjekt verschwenkt sind, und die sich ergebende Spannung aus den Differenzen zwischen den Beugungswinkeln erhalten wird, die bei nicht vorhandenen Spannungen und bei vorhandenen Spannungen gemessen werden.
Schließlich ist ebenfalls ein Verfahren zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts bekannt, bei dem der Fluß einer eindringenden Strahlung, die von einer Quelle ausgesandt wurde, von einem ersten Einkristall-Monochromator reflektiert wird, das Objekt mit der parallel gerichteten Strahlung bestrahlt wird, und bei der die Strahlung, die das Objekt durchdrungen hat, von einem zweiten Einkristall (Analysator) reflektiert und dann von einem Detektor (SU, A, 1,402,871) detektiert wird.
Gemäß dem diskutierten Verfahren wird die Strahlung, die auf das Objekt auftrifft und durch dieses hindurchtritt, in einem Winkelbereich beeinflußt, der dem charakteristischen Brechungswinkeln der in Frage stehenden Strahlung entspricht, die an der Grenze von unterschiedlich dichten Medien des unter Test stehenden Objekts wirksam sind. Die Kristalle sind Einkristalle perfekter Qualität, die vor und hinter dem zu testenden Objekt parallel zueinander angeordnet sind, so daß die Miller-Indizes der reflektierenden Oberflächen den gleichen Wert und entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.
Wenn die oben genannte Bedingung erfüllt ist, werden die Strahlen, die beim Durchdringen des Objekts nicht gebrochen wurden und die nicht von der ursprünglichen durch den ersten Einkristall-Monochromator vorgegebenen Richtung gebeugt wurden, von dem zweiten Einkristall reflektiert, was von dem Detektor als ein gebeugter Strahl aufgezeichnet wird. Zur gleichen Zeit gehen die Strahlen, die von der ursprünglichen Richtung an der Grenze der zwei Medien mit unterschiedlicher Dichte gebeugt werden, über die Grenzen des Bereichs der Bragg-Reflexion des zweiten Einkristalls hinaus, was in dem Detektor zu einem Ab fall der Strahlungsintensität des gebeugten Strahls an der Grenze führt. Somit wird die Abbildung der inneren Strukturen eines Objekts entsprechend dem zuvor diskutierten Verfahren erzielt. Das Verfahren kennzeichnet sich durch eine höhere Empfindlichkeit bezüglich der Menge der absorbierten Strahlung im Vergleich zu den zuvor diskutierten Verfahren zum Testen der inneren Struktur eines Objekts aus und ist in der Lage, solche Objekte zu testen, die durch eine schwache Absorption harter Strahlung gekennzeichnet ist.
Wenn jedoch das unter Test stehende Objekt sich durch eine Grenze zwischen zwei Medien auszeichnet, wobei deren Brechungskoeffizienten so nahe beieinander liegen, daß der Beugungswinkel der Strahlen an der Grenze in den Bereich der Winkel der Bragg-Reflexion des zweiten Einkristalls fällt, würde eine solche Grenze von dem Detektor nicht registriert werden, da die an der Grenze gebeugten Strahlen auf die Detektorempfangsoberfläche gleichzeitig mit den Strahlen auftreffen, die das Objekt ohne Beugung durchdrungen haben. Somit verursachen die gebeugten Strahlen keine wahrnehmbare Verminderung der Strahlenintensität gegenüber dem Hintergrund der nicht gebeugten Strahlen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung strebt die Schaffung eines Verfahrens zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts an, das es möglich machen soll, auf dem Detektor die Strahlen zu detektieren, die an der Grenze zweier Medien in dem unter Test stehenden Objekt mit Winkeln gebeugt wurden, die kleiner sind als jene im Bereich der Bragg-Reflexion in dem zweiten Einkristall, so daß die Empfindlichkeit erhöht wird und damit das Verfahren informativer gemacht wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, und eine Vorrichtung, wie in Anspruch 7 beansprucht, vorgesehen.
Es ist vorteilhaft, daß zum Erhalt des maximalen Abbildungskontrastes der zweite Einkristall vor der Erfassung um eine Achse gedreht wird, die in dessen Ebene liegt und die an die Bragg-Beugungsebene innerhalb des Bereichs der Bragg-Reflexionswinkel angepaßt wird, daß die Interferenzmuster der inneren Struktur des unter Test stehenden Objekts bei verschiedenen Rotationswinkeln des Einkristalls beobachtet werden und mit dem letztgenannten Einkristall in einer Position aufgezeichnet werden, die einem maximalen Abbildungskontrast des gewünschten Gebiets des unter Test stehenden Objekts entspricht.
Um den Abbildungskontrast zu verbessern, ist es möglich, den zweiten Einkristall aus seiner exakten Bragg-Position alternativ in beide Richtungen im gleichen Winkel relativ zu der exakten Bragg-Position im Bereich der Bragg-Beugungswinkel zu verändern, um die Abbildungen des Objekts in beiden Positionen zu erhalten, um eine algebraische Addition der Abbildungen durchzuführen und um das Ergebnis der Addition aufzuzeichnen.
Es ist möglich, die Abbildung der inneren Struktur des Objekts in den übertragenen und gebeugten Strahlbündeln gleichzeitig zu beobachten, und die Abbildung aufzuzeichnen, die eine größere Intensität aufweist, wodurch sich die Möglichkeit der Erkennung von Artefakten in der Abbildung ergibt.
Wann immer die Dicke des zweiten Einkristalls so ist, daß weniger als 10% der harten Strahlung darin absorbiert wird, kann der Abbildungskontrast verbessert werden, indem eine algebraische Addition der Abbildungen durchgeführt wird, die in den übertragenen und gebeugten Strahlbündeln erhalten werden, und indem das Ergebnis der Addition aufgezeichnet wird.
Um die Elemente zu beseitigen, die sich aus der photoelektrischen Absorption der Strahlung von dem unter Test stehenden Objekt ergeben, soll der zweite Einkristall zunächst um einen Winkel abgelenkt, der den Bereich der Bragg-Reflexionswinkel überschreitet, worauf die Abbildung des Objekts, die mit dem Einkristall in der abgelenkten Position erhalten wird, zu der Abbildung algebraisch addiert werden soll, die am Punkt des maximalen Kontrasts beobachtet wird, und soll das Additionsergebnis aufgezeichnet werden.
Wenn eine Quelle harter Strahlung, die eine Wellenlänge unterhalb 0,3 Å besitzt, verwendet wird, ist es zum Zwecke der Reduzierung der Gesamtabmessungen der Vorrichtung vorteilhaft, daß die Abbildung sofort hinter der Ausgangsseite des zweiten Einkristalls aufgezeichnet wird.
Das Verfahren zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen Dichtegradienten und trägt wesentlich zum Erhalt der Kontrastabbildungen der inneren Struktur der Objekte bei, die auch Informationen über die Ob jektgrenzen tragen, an denen die Strahlen einer harten Strahlung mit Winkeln gebeugt wurden, die kleiner sind als der Bereich der Bragg-Reflexionswinkel des zweiten Einkristalls.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert im wesentlichen beste Resultate bei einer photoelektrischen Absorption von Null in dem Material des unter Test stehenden Objekts. Eine praktische Anwendung des Verfahrens liefert bei einer minimalen absorbierten Strahlungsdosis eine hohe Empfindlichkeit und Informationskapazität, was das Verfahren besonders vielversprechend für Anwendungen in der Medizin macht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in einer detaillierten Beschreibung einiger spezifischer illustrativer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen offenbart, wobei:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung ist, um das Verfahren zum Erhalt einer Abbildung einer inneren Struktur des unter Test stehenden Objekts entsprechend der Erfindung auszuführen;
Fig. 2 eine Ansicht der Fig. 1 ist, wobei die Fig. 2 eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Verwendung einer harten Strahlung zeigt;
Fig. 3 eine Ansicht der Fig. 1 ist, wobei Fig. 3 ein Blockdiagramm der Einheit zur algebraischen Addition der Abbildungen zeigt; und
Fig. 4 eine Verteilungskurve der integralen Intensität J eines Strahls darstellt, der von dem zweiten Einkristall (Reflexionskurve) reflektiert wird, wobei als Abszisse die Winkelabweichung QB des zweiten Einkristalls von einer exakten Bragg-Position aufgetragen ist, die als Einheit der halben Breite WS der Verteilungskurve ausgedrückt ist.

Beste Modi zur Ausführung der Erfindung

Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur des unter Test stehenden Objekts entsprechend der Erfindung umfaßt wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, eine Quelle 1 einer harten Strahlung, beispielsweise Röntgenstrahlung, eine Schlitzanordnung 2, 3, die das Strahlbündel der Strahlungsquelle 1 formt, einen Einkristall- Monochromator 4, der in dem Strahlungsweg angeordnet ist und so ausgerichtet ist, daß die von der Quelle 1 ausgehende Strahlung auf die Eingangsfläche des Einkristall-Monochromators mit einem Glanzwinkel α auftrifft. Ein unter Test stehendes Objekt 7 wird in den Weg eines Strahlbündels 5 gebracht, das von dem Einkristall-Monochromator 4 hinter einer Schlitzanordnung 6 reflektiert wird, wobei das Objekt 7 in Halter (in der Zeichnung weggelassen) gesetzt ist. Hinter dem Objekt 7 entlang des Strahlungsweges ist ein zweiter Einkristall 8, der nachfolgend als Kristall-Analysator 8 bezeichnet wird, und ein koordinatensensitiver Strahlungsdetektor 9 angeordnet.
Entsprechend einer Ausführungsform der Vorrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist, unterscheidet sich diese von der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung darin, daß der Einkristall- Monochromator 4 aus zwei einzelnen Kristallen 4-1 und 4-2 aufgebaut ist.
Das Verfahren zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts entsprechend der Erfindung wird wie folgt ausgeführt:
Ein Fluß der Röntgenstrahlen, die von der Quelle 1, beispielsweise eine Röntgenstrahlröhre mit einer M&sub0;-Anode ausgestrahlt werden, wird von dem Einkristall-Monochromator 4 parallel gerichtet, indem eine asymetrische Reflexion der Strahlung an einem ebenen System (hkl), beispielsweise (220) des Einkristall-Monochromators 4 verwendet wird, und ein pseudoflächenförmiges Strahlbündel 5 wird ausgebildet, das eine breite Wellenfront und eine Divergenz in der Bragg-Beugungsebene aufweist, die zumindest halb so groß ist wie die Breite des Bragg-Reflexionsbereichs des Kristall-Analysators 8.
Als Einkristall-Monochromator 4 wird ein perfekter Kristall verwendet, wie der von Silizium, Germanium oder Quarz, der ein Gebiet seiner wirksamen Oberfläche aufweist, das -zig oder Hunderte von Quadratzentimetern mißt und einen Asymmetriefaktor über vier aufweist. In diesem besonderen Fall wird solch ein Einkristall-Monochromator ausgewählt, der einen Asymmetriefaktor von 25 besitzt. Dies bedeutet erstens, daß die Front eines ursprünglichen Strahlbündels, das auf die Eingangsfläche des Einkristall-Monochromators 4 auftrifft, um einen Faktor 25 in dem reflektierten Strahlbündel 5 vergrößert wird, und zweitens, daß die Divergenz des reflektierten Strahlbündels 5 um einen Faktor von 25 kleiner sein wird als die Breite des Winkelsbereichs der Bragg-Reflexion.
Je kleiner der Glanzwinkel α eines auf den Einkristall- Monochromator 4 auftreffenden Strahls ist, desto größer ist das Maß der Asymmetrie der verwendeten Strahlung, und folglich desto kleiner die Divergenz des pseudo-flächenförmigen Strahlbündels 5, das durch den Einkristall-Monochromator 4 gebildet wird. Der Winkel α des streifenden Strahlbündels wird innerhalb der Grenzen von QB > α > αc, gewählt, wobei αc der Winkel der äußeren Totalreflexion der Röntgenstrahlen an dem Einkristall- Monochromator 4 ist. Gleichzeitig mit der Verminderung der Winkelbreite des Röntgenstrahls, der auf den Einkristall-Monochromator 4 fällt, und der Bildung einer pseudo-flächenförmigen Welle, wird die Wellenfront ausgedehnt. Wenn das Maß der Verminderung der Winkelbreite oder das Maß der Vergrößerung der Wellenfront nicht zur Ausbildung des Strahlbündels 5 ausreicht, das das Objekt 4 bestrahlt, wird eine Bank (bestehend aus zwei oder mehreren) Einkristall-Monochromatoren 4-1, 4-2 verwendet, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn beispielsweise der Asymmetriefaktor des Einkristall-Monochromators 4-1 25 entspricht und der des Einkristall-Monochromators 4-2 30 ist, so wird sich das Strahlbündel 5 durch eine Divergenz von 0,08" auszeichnen.
Unter den zuvor beschriebenen Bedingungen sollen ein oder mehrere Einkristall-Monochromatoren 4 das pseudo-flächenförmigen Strahlbündel formen, das Eigenschaften aufweist, die zur Erstellung einer Interferogramm (Beugungsgitter)-Abbildung des Objekts 7 geeignet sind, das durch das Strahlbündel 5 bestrahlt wird.
Der Kristall-Analysator 8 soll so positioniert sein, daß er die Bragg-Reflexionsbedingungen bezüglich seiner reflektierenden Ebenen erfüllt, in Bezug auf das pseudo-flächenför mige Strahlbündel 5, das durch den Einkristall-Monochromator 4 gebildet wird, beispielsweise wird der Kristall-Analysator 8 in Reflexion (220) gebracht.
Als Kristall-Analysator 8 wird ein perfekter Kristall verwendet, der frei von jeglichen Makrospannungen, Versetzungen oder zweitphasigen Einschlüssen ist und einen Perfektionsgrad besitzt, der groß genug ist, um nicht selbst Störungen in die Abbildung des Objekts 7 einzubringen.
Der Kristall-Analysator 8 kann in eine Position gebracht werden, in der seine Reflexionsebenen "zur Übertragung" oder "zur Reflexion" ausgerichtet sind. Die reflektierenden Ebenen selbst können sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch sein.
Die Strahlen, die auf die Eingangsseite des Kristall- Analysators 8 fallen und zu dem pseudo-flächenförmigen Strahlbündel 5 gehören, das durch den Einkristall-Monochromator 4 geformt wird, wobei die Strahlen das Objekt 7 ohne Beugung durchlaufen haben, und die Strahlen, die einer Mikrostreuung an der Grenze der Medien unterschiedlicher Dichte unterworfen wurden und eine zusätzliche Phasenverschiebung erhielten, überlagern sich nach der Reflexion an Ebenen des Kristall-Analysators 8. Somit sind an der Bildung einer Interferenz-Abbildung des Objekts 7 sowohl die Strahlen beteiligt, die das Objekt 7 ohne Beugung durchlaufen haben, als auch die Strahlen, die an der Grenze gebeugt wurden, einschließlich jener, die mit Winkeln gebeugt wurden, die kleiner als die Winkel der Parallelrichtung sind, wobei die Parallelausrichtung durch den Einkristall- Monochromator 4 und durch den Kristall-Analysator 8 ausgeführt wird, der hinter dem Objekt 7 angeordnet ist. Als Ergebnis wird eine Interferenz-Abbildung der inneren Struktur des Objekts 7 am Ausgang des Kristall-Analysators 8 erzeugt. Die so erhaltene Interferenz-Abbildung zeigt nicht nur die Grenzen, die sich aus einer geringeren Strahlungsintensität (auf einem Positiv als schwarze Gebiete gegenüber einem helleren Hintergrund gezeigt) aufgrund der Beugung der Strahlen an der Grenze der Medien in dem Objekt für Winkel ergibt, die den Bereich der Bragg-Reflexionswinkel übersteigen, aber auch Informationen über die Grenzen tragen, an denen die Strahlen mit Winkeln gebeugt wurden, die kleiner als jene des Bragg-Reflexionsbereichs für den Kristall-Analysator 8 sind. Diese Grenzen sind in der Abbildung des Objekts 7 als zusätzliche Schwarz- und Weiß- und Weiß- und Schwarz-Kontrast-Abbildungen vorhanden.
Entsprechend dem Verfahren der Erfindung wird eine Winkelposition des Kristall-Analysators 8 vor der Aufnahme der inneren Struktur des Objekts 7 durch Verwendung des koordinatensensitiven Detektors 9 verändert, der die Abbildung einem Monitorschirm übermittelt, indem der Kristall-Analysator sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn bezüglich der exakten Bragg-Position QB im Bereich der Bragg-Reflexionswinkel um eine Achse gedreht wird, die in seiner Ebene liegt und an die Bragg-Beugungsebene angepaßt ist, anders ausgedrückt, innerhalb der Breite der Reflexionskurve. In diesem Fall wird die Abbildung der Grenzen der Schnittstellen in dem Objekt, die sich durch unterschiedliche Dichtegradienten auszeichnen, mit einem maximalen Kontrast nur beobachtet, wenn der Kristall- Analysator 8 eine Position einnimmt, die für jede der Grenzen am geeignetsten ist. Somit wird beispielsweise die Winkelposition des Kristall-Analysators 8, die dem Punkt A in Fig. 4 entspricht, eine äußere Kontur des Objekts besser darstellen, wo hingegen die Winkelposition entsprechend dem Punkt C eine innere Struktur des Objekts besser darstellen wird. Eine exakte Bragg-Position QB des Kristall-Analysators 8 (Fig. 1) entspricht praktisch nie einem maximalen Kontrast der Abbildung der Konturen des Objekts und dessen innerer Struktur. Durch Ablenken/Verschwenken des Kristall-Analysators 8 ist man in der Lage, die Interferogramm-Abbildungen der inneren Struktur des Objekts 7 zu beobachten und eine solche Position des Kristall- Analysators 8 auszuwählen, die den betroffenen Teilen der Abbildung einen maximalen Kontrast verleiht. Der Kristall- Analysator ist in dieser Position festgehalten und die Abbildung wird aufgenommen.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens entsprechend der Erfindung wird der Kristall-Analysator 8 um gleiche Winkel im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn bezüglich einer exakten Bragg-Position QB im Bereich der Bragg-Reflexionswinkel (Punkte C und C' in Fig. 4) abgelenkt bzw. verschwenkt. Die mit dem Kristall-Analysator 8 in der ersten und der zweiten Position erhaltenen Abbildungen werden algebraisch addiert (mit entgegengesetzten Vorzeichen) und das Ergebnis der Addition wird aufgezeichnet. Eine solche algebraische Addition ähnlicher Abbildungen, die sich nur im Vorzeichen des Kontrasts unterscheiden (d. h. eines schwarz und weiß und das andere weiß und schwarz), macht es möglich, den Kontrast der erhaltenen Abbildung als ein Resultat einer solchen Addition wesentlich zu erhöhen.
Entsprechend dem Verfahren der Erfindung tragen beide Strahlbündel, die aus dem Kristall-Analysator 8 hervorgehen, Informationen über die innere Struktur des Objekts 7, d. h. das übertragene Strahlbündel R&sub0; und das gebeugte Strahlbündel RH Somit ermöglicht eine gleichzeitige Beobachtung des Objekts in den beiden Strahlbündeln R&sub0; und RH, Artefakte in der Abbildung, wie beispielsweise Defekte des Aufzeichnungsgeräts oder des Detektors festzustellen. Der Punkt ist, daß sich der Abbildungskontrast der gleichen Grenze zwischen zwei Medien in dem Objekt 7, wie in den Strahlbündeln R&sub0; und RH gesehen wird, bei jedem Strahlbündel unterscheidet, aber in beiden Strahlbündeln obligatorisch vorhanden ist. Wenn die Abbildung, die in einem der beiden Strahlbündel detektiert wird, einige Elemente aufweist, die in der in dem anderen Strahlbündel registrierten Abbildung nicht vorhanden sind, weist dies auf das Vorhandensein eines zufälligen Defekts hin, beispielsweise eines Defekts der Emulsion auf einem Röntgenfilm.
Wenn die Dicke des Kristall-Analysators 8 nur so ist, daß weniger als 10 Prozent der harten Strahlung darin absorbiert wird, ist der Kontrast der Abbildung der Grenzen in dem Objekt, wie in dem übertragenen Strahlbündel R&sub0; und in dem gebeugten Strahlbündel RH zu sehen ist, regelmäßig komplementär, d. h. schwarz/weiß und weiß/schwarz. In diesem Fall werden die in den Strahlbündeln R&sub0; und RH registrierten Abbildungen mit entgegengesetzten Vorzeichen miteinander addiert. Der Kontrast der Abbildungen der Grenzen in der sich ergebenden Abbildung wird zusätzlich aufgrund der Subtraktion der Information über die Gebiete vergrößert, innerhalb der nur photoelektrische Absorption auftritt.
Die zuvor genannte Ausführungsform des Verfahrens ist hilfreich bei der Erreichung eines höheren Abbildungs-Kontrasts ohne Präzisionsablenkung des Kristall-Analysators 8.
Eine weitere Ausführungsform des hier offenbarten Verfahrens besteht darin, daß der Kristall-Analysator 8 zunächst um einen Winkel abgelenkt wird, der den Bereich der Bragg-Reflexionswinkel (Punkt D in Fig. 4) übersteigt, um die Abbildung des Objekts 7 mit der zuvor benannten Position des Kristall- Analysators 8 zu erhalten. Die Abbildung enthält Informationen nur über die Verteilung der Gebiete in dem Objekt 7, die sich bezüglich der photoelektrischen Absorption unterscheiden. Sobald die Abbildung detektiert wurde, wird der Kristall-Analysator 8 in die Position gebracht, in der der maximale Kontrast der Objektabbildung erreicht wird (beispielsweise Punkt A in Fig. 4), und die Abbildungen mit entgegengesetzten Vorzeichen werden addiert, so daß sich die Abbildung von dem Kontrast befreit, der sich aus einer photoelektrischen Absorption ergibt.
Wenn eine Quelle harter Strahlung verwendet wird, die sich durch eine Wellenlänge unterhalb von 0,3 Å auszeichnet, was beispielsweise bei der medizinischen Untersuchung eines lebenden Organismus der Fall ist, sind die Bragg-Winkel der reflektierenden Ebenen gleich einigen Grad, so daß der Detektor 9 in einem erheblichen Abstand (etwa 1 m) entfernt von dem Kristall- Analysator 8 angeordnet sein muß, sofern der Kristall-Analysator 8 "zur Übertragung" für getrennte Aufnahmen der Abbildungen des Objekts 7 in dem übertragenen Strahlbündel R&sub0; und dem gebeugten Strahlbündel RH ausgerichtet ist, wobei sich daraus eine deutliche Erhöhung der Gesamtabmessungen der Vorrichtung ergibt.
In einem solchen Fall wird die Abbildung des Objekts 7 direkt nach der Ausgangsebene des Kristall-Analysators 8 in einer Zone detektiert, in der das übertragene bzw. das gebeugte Strahlbündel R&sub0;, RH sich praktisch noch nicht voneinander getrennt haben. Dies macht es möglich, Kontrastabbildungen mit der gleichen Gesamtabmessung der Vorrichtung zu erhalten. Zu diesem Zweck soll der Detektor 9 nahe an der Ausgangsebene des Kristall-Analysators 8 angeordnet sein, wie in Fig. 2 zu sehen ist.
Fig. 3 stellt eine der möglichen Varianten eines Blockdiagramms einer Vorrichtung zur Ausführung einer numerischen algebraischen Addition der Abbildungen dar. Zusätzlich zu den mit Bezug auf die Fig. 1 beschriebenen Elementen umfaßt die Vorrichtung gemäß Fig. 3 zwei koordinaten-sensitive Detektoren 9-1, 9-2, wobei der Detektor 9-1 zur Detektion des gebeugten Strahlbündels RH und der Detektor 9-2 zur Detektion des übertragenen Strahlbündels R&sub0; angepaßt ist. Mit dem Ausgang des Detektors 9-2 ist ein Analog-Digital-Wandler 10 verbunden, dessen Ausgänge mit Puffer-Speicher-Einheiten 11, 12 verbunden sind, die ihrerseits über deren Ausgänge mit den Eingängen eines Addierers 13 verbunden sind. Mit dem Ausgang des Addierers 13 ist eine Reihenschaltung aus einer Puffer-Speicher-Einheit 14, einem Digital-Analog-Wandler 15 und einem Video-Monitor 16 verbunden. Der Ausgang des Detektors 9-1 ist über eine Rückkopplungseinheit 17 mit dem Eingang des Präzisions-Ablenkungs- Aktuators des Kristall-Analysators 8 verbunden.
Jedes Paar der detektierten Abbildungen, das einer Addition unterzogen wird, wird von dem Analog-Digital-Wandler 10 in eine Folge von numerischen Codes umgewandelt, die Informationen über die Signalamplitude in jedem der Abbildungselemente tragen. Die Koordinaten der Abbildungselemente werden durch die Position eines Codes definiert, der einem gegebenen Element in der numerischen Folge entspricht. Der Addierer 13 führt Element für Element eine algebraische Addition der Codes durch, und die sich daraus ergebende Information wird in die Puffer-Speicher- Einheit 14 geschrieben, indem genauso die Element-für-Element- Technik verwendet wird. Danach wird die Information in dem Digital-Analog-Wandler 15 verarbeitet und dann dem Bildschirm des Video-Monitors 16 zugeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Testen von Objekten geeignet, die eine amorphe Struktur, eine kristalline Struktur oder eine Verbundstruktur aus beidem aufweisen. Die unter Test stehenden Objekte können auch biologischen Ursprungs sein.
Die einzige Beschränkung, die das unter Test stehende Objekt erfüllen muß, besteht darin, daß eine maximale Absorption einer harten Strahlung 50 Prozent nicht überschreiten darf. Anderenfalls würde das Strahlbündel, das einer Mikrostreuung an den Schnittstellen in dem Objekt unterworfen wurde, absorbiert werden, so daß keine Interferogramm-Abbildungen beobachtet würden.
Somit führt die Verwendung eines pseudo-flächenförmigen Strahlbündels, das durch die Reflexion an den asymmetrischen Ebenen eines Einkristall-Monochromators gebildet wird, zur Bestrahlung des zu untersuchenden Objekts zu einer Vergrößerung des zu prüfenden Gebiets und einer höheren Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber kleinen Dichtegradienten, soweit erfindungsgemäß die Genauigkeit der Auswahl einer Winkelablenkung des detektierten Strahlbündels und dessen Bestimmung nicht durch die Breite der Reflexionskurve definiert ist, was bei dem bekannten Verfahren der Fall ist, sondern durch die Divergenz des pseudo-flächenförmigen Strahlbündels, das auf das unter Test stehende Objekt fällt, wobei die Divergenz wesentlich kleiner sein kann als die Breite der Reflexionskurve. Aufgrund des zuvor genannten Merkmals wird der Kontrast an den Grenzen der Medien, die nahe beieinander liegende Brechungskoeffizienten der verwendeten Strahlung aufweisen, ebenfalls erhöht.
Eine Möglichkeit, eine Anzahl von Abbildungen mit dem Kristall-Analysator 8 in unterschiedlichen Winkelpositionen zu erhalten, erlaubt es, eine bessere Kenntnis der inneren Struktur des Objekts zu erhalten, da die Strahlbündel, die für unterschiedliche Winkel an den Grenzen gebeugt wurden, in jeder Winkelposition des Kristall-Analysators 8 gebildet werden.
Gleichzeitig ermöglicht das Aufzeichnen der Abbildungen zweier Strahlbündel, des übertragenen und des gebeugten, die Zuverlässigkeit von Abbildungselementen mit geringem oder niedrigem Kontrast exakter zu bestimmen und Fehler in der Interpretation der Abbildung aufgrund von Unzulänglichkeiten im Abbildungsdetektor zu beseitigen. Zusätzlich vergrößert die algebraische Addition der Abbildungen den Kontrast der Grenzen zwischen den Medien mit unterschiedlicher Dichte, was sich aufgrund der Beseitigung eines Hintergrunds ergibt, der aus der photoelektrischen Absorption von Strahlung in dem Objekt resultiert, und aufgrund einer zusätzlichen Unterscheidung der Grenzen.
Das gleiche Ziel wird durch eine aufeinanderfolgende Aufnahme von Abbildungen mit dem Kristall-Analysator erreicht, der solche Winkelpositionen einnimmt, die um gleichen Winkel von der exakten Bragg-Position abweichen, gefolgt von einer algebraische Addition der Abbildungen, und ebenfalls von fortlaufenden Aufnahmen der Abbildungen mit dem Kristall-Analysator 8, der zwei Winkelpositionen einnimmt, wobei eine der beiden innerhalb der Grenzen der Reflexionskurve liegt und die andere außerhalb der Grenzen dieser Kurve.
Die Aufnahme einer kombinierten Abbildung, die sich aus einer Superposition von Abbildungen ergibt, die in den übertragenen und gebeugten Strahlbündeln gebildet werden, vereinfacht wesentlich den Abbildungserzeugungsvorgang, der die Kontrastierung der Grenzen in der inneren Struktur des unter Test stehenden Objekts umfaßt, indem eine harte Strahlung mit kleinen Beugungswinkeln und vernachlässigbarem Auflösungsverlust verwendet wird.
Das hier offenbarte Verfahren wird besonders nützlich, wenn energiereiche Bestrahlungsquellen, insbesondere sehr harte Bestrahlungsquellen verwendet werden, und ist zur Untersuchung von biologischen Objekten, Keramiken, Verbundmaterialien, Polymeren sowie Mischungen unterschiedlich dichter Flüssigkeiten anwendbar.

Industrielle Anwendbarkeit

Das vorliegende Verfahren zum Erhalt der Abbildung der inneren Struktur eines Objekts kann zum zerstörungslosen Testen von Objekten angewendet werden, die aus einer Vielzahl von Ma terialien, einschließlich Metall, Keramiken, Verbundmaterialien, Polymeren und biologischen Objekten bestehen.
Das Verfahren ist bevorzugt zur Diagnose von Objekten anwendbar, die ein geringes Maß an Absorption einer harten Strahlung besitzen und die kleine Dichtegradienten ihrer Komponenten aufweisen, beispielsweise zur Untersuchung von lebenden Organismen oder Polymeren oder keramischen Produkten.

Claims

1. Verfahren zum Erhalt einer Abbildung einer inneren Struktur eines Objekts, mit den Schritten:

Bereitstellen eines Strahlbündels einer harten Strahlung;

Einbringen eines asymmetrischen Einkristall-Monochromators in den Strahlengang, wobei das daran reflektierte Strahlbündel ein flächenförmiges Strahlbündel einer im wesentlichen parallel gerichteten aber leicht divergenten Strahlung ist, die einen spezifischen Divergenzwinkel besitzt,

Durchstrahlen des Objekts mit dem flächenförmigen Strahlbündel, so daß die Strahlung durch das Objekt hindurch geht,

Einbringen eines Einkristall-Analysators in den Strahlengang strahlabwärts des Objekts an eine Position, in der die Braggsche Reflexion des flächenförmigen Strahlbündels wirksam ist, das auf den Kristall-Analysator auftrifft, um das Strahlbündel zu beugen und ein gebeugtes Strahlbündel und ein durchgelassenes Strahlbündel zu bilden, wobei die Anordnung so ist, daß der Winkelbereich der Reflexion von den wirksamen Kristallflächen des Analysators um den exakten Braggschen Reflexionswinkel herum zumindest zweimal so groß ist wie der Divergenzwinkel des flächenförmigen Strahlbündels, das durch den Einkristall-Monochromator gebildet wird, und

Registrieren des gebeugten Strahlbündels oder sowohl des durchgelassenen als auch des gebeugten Strahlbündels an einem punktsensitiven Strahldetektor.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten:

Aufrichten des Kristall-Analysators durch Drehen um eine Achse, die senkrecht zu der Beugungsfläche ist, um einen Winkel innerhalb des Winkelbereichs,

Bestimmen des Drehwinkels, der dem vergrößerten Kontrastbereich der Abbildung des untersuchten Bereichs des Objekts entspricht, und Registrieren des flächenförmigen Strahlbündels der Strahlung, die von dem Kristall-Analysator reflektiert wird, durch den Detektor unter dem bestimmten Drehwinkel.

3. Verfahren nach Anspruch 2, mit den Schritten: Aufeinanderfolgendes Drehen des Kristall-Analysators um die Achse in entgegengesetzte Richtungen um die exakte Braggsche Position des Kristall-Analysators zu den gleichen Winkeln innerhalb des Winkelbereichs,

Aufeinanderfolgendes Registrieren zunächst des Strahlbündels, das von dem Kristall-Analysator reflektiert wird, wenn er in eine Richtung und dann in die andere Richtung gedreht wird, durch den Detektor,

algebraisches Addieren der erhaltenen Abbildungen, und Registrieren des Ergebnisses der algebraischen Addition der erhaltenen Abbildungen, und Registrieren der Ergebnisse der algebraischen Addition.

4. Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: Algebraisches Aufaddieren der beiden Abbildungen, die beim Registrieren des von dem Kristall-Analysator durchgelassenen und von dem Kristall-Analysator gebeugten flächigen Strahlbündels erhalten wurden, Registrieren des Ergebnisses der algebraischen Addition der beiden Abbildungen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, mit den Schritten: Zusätzliches Drehen des Kristall-Analysators um eine Achse, die senkrecht zu der Beugungsfläche ist, bis zu einem Winkel, der größer ist als der Bereich der Braggschen Reflexionswinkel,

Registrieren des flächigen Strahlbündels, das durch den Kristall-Analysator hindurchgelaufen ist, durch den Detektor, wenn der Kristall-Analysator um den Winkel gedreht wird, algebraisches Aufaddieren der beiden Abbildungen, die beim Registrieren des flächigen Strahlbündels erhalten werden, das von dem Kristall-Analysator reflektiert wird, wenn er um einen Winkel im Bereich der Braggschen Reflexionswinkel gedreht wird, und das durch den Kristall-Analysator durchgelassen wird, wenn er um einen Winkel gedreht wird, der größer ist als der Bereich der Braggschen Reflexionswinkel, und Registrieren des Ergebnisses der algebraischen Aufaddition der beiden Abbildungen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erhaltene Abbildung sofort registriert wird in der Nähe des Kristall-Analysators.

7. Vorrichtung zum Erhalt einer Abbildung der inneren Struktur eines Objekts, mit

einer Quelle für harte Strahlung,

einem asymmetrischen Einkristall-Monochromator zum Empfang von Strahlung von dieser Quelle und Bilden eines flächenförmigen Strahlbündels dieser Strahlung und Ausrichten des Strahlbündels auf das Objekt, wobei das flächenförmige Strahlbündel im wesentlichen parallel gerichtet ist aber mit einer geringen Divergenz mit einem spezifischen Divergenzwinkel,

einem Einkristall-Analysator, der Reflexionsflächen aufweist, um eine Interferenzabbildung des Objekts zu bilden, wobei der Kristall-Analysator strahlabwärts eines Empfangsstrahlbündels des Objekts liegt, wobei der Kristall-Analysator posi tioniert ist, um die Braggsche Reflexion des Strahlbündels in einem Durchlaßmodus zu bewirken, wobei die Anordnung so ist, daß der Winkelbereich der Reflexion von der wirksamen Kristallfläche des Analysators um den exakten Braggschen Reflexionswinkel herum zumindest zweimal so groß ist wie der Divergenzwinkel des flächenförmigen Strahlbündels; und

einem Detektor zum Registrieren einer Abbildung des Objekts, indem die durch den Kristall-Analysator darauf reflektierte Strahlung detektiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die harte Strahlung eine harte Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge unterhalb von 0,03 mm ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Reflexionsfläche des Einkristall-Monochromators einen Asymmetriefaktor über vier hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Reflexionsfläche des Einkristall-Monochromators einen Asymmetriefaktor von etwa 25 hat.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, mit zusätzlichen Einkristall-Monochromatoren, um eine Bank von Einkristall-Monochromatoren zu schaffen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, ferner mit einem ersten Spalt, der strahlaufwärts des Einkristall- Monochromators angeordnet ist, um ein definiertes Strahlbündel zu formen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, ferner mit einem zweiten Spalt, der strahlabwärts des Einkristall- Monochromators und strahlaufwärts des Objekts angeordnet ist, um das Strahlbündel der harten Strahlung weiter zu formen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Dicke des Kristall-Analysators so ist, daß weniger als zehn Prozent der harten Strahlung, die auf den Kristall-Analysator auftrifft, dort absorbiert wird, und mit einem punktsensitiven Strahldetektor, der hinter dem Kristall-Analysator angeordnet ist, um die harte Strahlung zu detektieren, die durch den Kristall Bragg-reflektiert wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der punktsensitive Strahldetektor ein röntgenstrahlempfindlicher Film ist.