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Die
Erfindung befasst sich mit einem Kollimatorensystem für eine Röntgendiffraktometrie
mit einem Primärkollimator
und einen Sekundärkollimator.
Darüber
hinaus befasst sich die Erfindung auch mit einem Röntgenbeugungsscanner
mit einer Röntgenröhre, einem
Kollimatorensystem, einem Untersuchungsbereich zwischen Primärkollimator
und Sekundärkollimator
und einem Detektor. Schließlich
befasst sich die Erfindung auch mit einem Verfahren zur Durchführung einer
Röntgenbeugungsanalyse,
wobei ein erster Beugungsring eines Ringes eines Volumenelements
in einer Ebene parallel zur xy-Ebene aufgenommen wird, und der Ring
durch einen primären
Kegelmantelstrahl mit einem festen Öffnungswinkel getroffen wird,
wobei nur der Teil des am Ring gebeugten Kegelmantelstrahls detektiert
wird, der parallel zur z-Achse gebeugt wird.
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Bei
einer Gepäckprüfung wird
häufig
ein Computertomographiesystem eingesetzt, um mittels Röntgenstrahlung
gefährliche
oder verbotene Stoffe innerhalb eines Gepäckstücks zu detektieren. Dazu ist
es bekannt, dass mittels der Röntgencomputertomographie
in dem Gepäckstück lediglich
einzelne kritische Regionen festgestellt werden. Diese müssen dann
in einem weiteren Verfahrensschritt näher spezifiziert werden, um
mit Sicherheit festzustellen, ob es sich um gefährliche oder verbotene Stoffe
handelt. Dies wird beispielsweise durch eine Röntgendiffraktometrie erreicht.
Die Röntgendiffraktometrie
ist jedoch nur bedingt geeignet, ganze Abfertigungen von Gepäckstücke zu untersuchen,
da dies zu lange Zeit in Anspruch nimmt und somit die angefallenen
Gepäckstücke – beispielsweise
an einem Flughafen – nicht
in einer akzeptablen Zeit überprüft werden
können.
Dagegen kann die Röntgendiffraktometrie
sehr gut eingesetzt werden, wenn lediglich wenige Regionen in einem
Gepäckstück zur Untersuchung
im zweiten Schritt anstehen. Kleine Bereiche können unter Einsatz einer starken
Rönt genröhre flächig abgescannt
werden. Diese Anlagen verfügen
meist über
hohe Baugrößen und
sind relativ teuer. Reine punktuelle und kostengünstige Untersuchungen werden
bislang so gemacht, dass eine Festanodenröhre mit 1 bis 2 kW Leistung
verwendet wird, die einen Nadelstrahl erzeugt. Der Nadelstrahl wird
nur über
die Regionen gerastert, die im ersten Schritt mittels des Computertomographieverfahrens
als kritisch erkannt wurden. Mittels eines geeigneten Sekundärkollimators
werden die unter einem bestimmten Winkel (also auf einem Kegelmantel
liegend) gebeugten Röntgenstrahlen
mittels eines Einkanal-Ge-Detektors aufgenommen. Über die
aufgenommenen Beugungsprofile kann auf das Material innerhalb der
kritischen Region zurückgeschlossen
werden. Damit ist eine sichere Entscheidung möglich, ob in der kritischen
Region ein gefährlicher
oder unzulässiger
Stoff enthalten ist.
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Aus
der
US 5,008,911 ist
eine Vorrichtung zur Messung der Impulsübertragung von Röntgenquanten
bekannt, die in einem Untersuchungsbereich elastisch gestreut werden.
Die Vorrichtung weist ein Kollimatorensystem mit einem Primärkollimator
zwischen Röntgenquelle
und Untersuchungsbereich und einem Sekundärkollimator zwischen Untersuchungsbereich
und Detektor auf. Der Primärkollimator
lässt zum
einen einen punktförmigen
Zentralstrahl und zum anderen einen Kegelmantelstrahl durch. Der
Sekundärkollimator
lässt den
Zentralstrahl sowie einen sich verjüngenden Kegelmantelstrahl durch.
Alternativ zu dem Durchlass eines kegelmantelförmigen Strahls ist in einem
anderen Ausführungsbeispiel
ein zylindermantelförmiger
Durchlass des gebeugten Strahles offenbart.
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Aus
der
EP 0 924 967 A2 ist
ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung der Röntgenbeugung an einem Prüfobjekt
bekannt, die einen Primär-
und einen Sekundärkollimator
aufweist. Der Primärkollimator erzeugt
drei Punktstrahlen, wovon einer der Zentralstrahl ist und die anderen
beiden unter einem Öffnungswinkel
zueinander verlaufen. Bevor die drei Strahlen auf ein Prüfobjekt
treffen, werden die beiden unter einem Öff nungswinkel verlaufenden
Strahlen über
jeweils einen Kristallmonochromator durch Beugung oder Reflexion
und eine anschließende
Blende so ausgerichtet, dass sie parallel zueinander laufen. Der
Sekundärkollimator
weist im Bereich der drei Strahlengänge der Punktstrahlen drei
Löcher
auf, durch die die Strahlen in jeweils einen Detektor fallen.
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Aus
der
US 6,442,233 B1 ist
eine Röntgenvorrichtung
bekannt, die einen fächerförmigen Röntgenstrahl
erzeugt. Dieser wird auf ein Prüfobjekt
geschossen. Die im Objekt gebeugten und gestreuten Röntgenquanten
werden mittels zweier Sekundärkollimatoren
auf jeweils einen zugeordneten Detektor geleitet. In Vorwärtsrichtung
des einfallenden Röntgenstrahls
ist ein Sekundärkollimator
mit parallelen Platten, die in Richtung des Objekts zum Zentralstrahl
hin geneigt sind, ausgebildet. Der weitere Sekundärkollimator
steht unter 90° zur
Einfallsebene der Röntgenquanten.
Er weist unter 90° zur
Einfallsebene ausgerichtete, parallel zueinander verlaufende Metallplatten
auf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Kollimatorensystem sowie einen Röntgenbeugungsscanner mit
Kollimatorensystem zur Verfügung
zu stellen, mit dem eine vorhandene Strahlintensität optimal
genutzt werden kann. Hierzu soll auch ein Verfahren zur Durchführung einer
Röntgenbeugungsanalyse
gefunden werden. Eine weitere Aufgabe, insbesondere für vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung, ist es, einen möglichst kleinbauenden Röntgenbeugungsscanner
zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Kollimatorensystem für eine Röntgendiffraktometrie mit einem
Primärkollimator
und einem Sekundärkollimator
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass der Primärkollimator
eine zentrale Blendenöffnung
aufweist, durch die die z-Achse verläuft und eine dazu konzentrisch
angeordnete ringförmige Durchbrechung,
wird nicht nur die Intensität
der Röntgenquelle
eines Nadelstrahls auf ein Objekt durchgelassen, sondern darüber hinaus
auch weitere Röntgenstrahlung,
die als Kegelmantelstrahl das Objekt trifft und zwar konzentrisch
um den Nadelstrahl. Dadurch, dass der Sekundärkollimator eine zylindermantelförmige Durchbrechung
aufweist, die konzentrisch zur z-Achse ver läuft, und gleichzeitig eine
kegelmantelförmige
Durchbrechung aufweist, die auf einen Ursprungspunkt auf der z-Achse
zwischen dem Primärkollimator
und dem Sekundärkollimator zuläuft, ist
es möglich,
die Röntgenbeugungsanalyse eines
Volumenelements eines Tunnels einer Röntgenanordnung (im folgenden
kurz Volumenelement genannt) aufzunehmen, das in einer Ebene parallel zur
xy-Ebene angeordnet ist und dort von einem Ursprungspunkt sowie
einem dazu konzentrischen Kreisring herrührt und dessen Beugungswinkel
für sämtliche
Streustrahlung – egal
ob sie vom zentralen Ursprungspunkt oder vom konzentrischen Kreisring stammt – unter
ein- und demselben Winkel aufgenommen wird. Dadurch wird für die gesamte
detektierte gestreute Strahlung die für eine zuverlässige Durchführung der
Röntgendiffraktometrie
zwingende Bedingung erfüllt.
Die Intensität
ist hierbei jedoch bedeutend höher,
als wenn nur die unter dem bestimmten Winkel gebeugte Strahlung
vom zentralen Punkt aufgenommen und analysiert würde oder nur die gebeugte Strahlung
aus einem Kegelmantelstrahl.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sekundärkollimator
zwei in z-Richtung voneinander beabstandete plattenförmige Blenden
aufweist, wobei die zylindermantelförmige Durchbrechung durch jeweils
eine in jeder Blende vorhandene, in z-Richtung fluchtende ringförmige Durchbrechung
gebildet wird, und die kegelmantelförmige Durchbrechung durch jeweils
eine in jeder Blende vorhandene konzentrisch um die z-Achse angeordnete
ringförmige
Durchbrechung gebildet wird. Dadurch ist es möglich, dass der Sekundärkollimator nicht
aus einem in z-Richtung massiven Körper ausgebildet sein muss.
Gegenüber
einer solchen Ausbildung wird im vorliegenden Fall Masse eingespart
und darüber
hinaus auch der "Schmutzeffekt" möglichst klein
gehalten, der von einer Streuung entlang der Durchbrechungen in
z-Richtung stammen würde.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Abstand zwischen erster Blende und zweiter Blende in z-Richtung
konstant ist. Dadurch ist es möglich,
dass für
den durchgelassenen Kegelmantelstrahl immer derselbe Öffnungswinkel
gegeben ist. Dies führt
dazu, dass auch die Bedingung für
den Abstand einer Röntgenröhre vom Primärkollimator
fest ist, da diese den Öffnungswinkel
des Kegelmantelstrahls, der einen ringförmigen Bereich des Objekts
ausleuchtet, definiert.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Sekundärkollimator mindestens
zwei Systeme von Durchbrechungen aufweist, wobei zu jedem System
eine zylindermantelförmige
Durchbrechung und eine kegelmantelförmige Durchbrechung gehören und
zwischen dem Sekundärkollimator
und dem Primärkollimator
eine verschiebbare Blockerblende mit mindestens einer ringförmigen Durchbrechung
vorhanden ist, die eines der beiden Systeme von Durchbrechungen überdeckt. Dadurch
ist es möglich,
dass der Untersuchungsbereich, in dem ein Objekt angeordnet ist,
in zwei Schichten hinsichtlich der z-Achse aufgeteilt wird. Dies
bedeutet, dass je nachdem, welches System von Durchbrechung gerade
nicht geblockt wird, das Volumenelement, von dem die gebeugte Strahlung aufgenommen
wird, weiter oder weniger weit von der Röntgenröhre entfernt ist. Dadurch kann
das gesamte Kollimatorensystem, somit auch ein Röntgenbeugungsscanner, in dem
ein solches Kollimatorensystem eingesetzt ist, flacher gebaut werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Primärkollimator
und der Sekundärkollimator über Verbindungsmittel
so miteinander verbunden sind, dass ihr Abstand in z-Richtung konstant
ist. Dadurch ist es möglich,
dass in sehr einfacher Art und Weise die z-Komponente des zu untersuchenden
Volumenelements variiert werden kann, ohne dass jeweils eine neue
Justierung des Beugungswinkels erfolgen muss. Dies gilt dann, wenn
auch die Röntgenröhre einen
festen Abstand zum Primärkollimator
und somit einen festen vorgegebenen Öffnungswinkel des erzeugten
Kegelmantelstrahls hat.
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Außerdem wird
die Aufgabe durch einen Röntgenbeugungsscanner
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Ein solcher erfindungsgemäßer Röntgenbeugungsscanner
weist neben einer Röntgenröhre, die
Röntgenstrahlung
in z-Richtung emittiert, einen Untersuchungsbereich zwischen einem
Primärkollimator
und einem Sekundärkollimator auf,
wobei diese beiden Kollimatoren zu einem vorgeschriebenen erfindungsgemäßen Kollimatorensystem
gehören.
Darüber
hinaus weist der erfindungsgemäße Röntgenbeugungsscanner
einen Detektor auf, der in z-Richtung hinter dem Sekundärkollimator
angeordnet ist. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kollimatorensystems
ergeben sich die oben ausgeführten
Vorteile.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Röntgenröhre und
das Kollimatorensystem über
Verbindungsmittel so miteinander verbunden sind, dass ihr jeweiliger
Abstand zueinander in z-Richtung konstant ist. Dadurch ist es möglich – wie oben
schon ausgeführt –, dass
die Röntgenröhre immer
einen Kegelmantelstrahl auf das Objekt treffen lässt, der einen festen Öffnungswinkel
aufweist. In Verbindung mit einem festen Abstand zwischen Primärkollimator
und Sekundärkollimator
ist somit immer gewährleistet,
dass ohne eine Nachjustierung – selbst
bei einem Verschieben des gesamten Systems aus Röntgenröhre und Kollimatorensystem – immer
die Beugungsanalyse aus ein- und demselben Volumenelement erfolgt,
egal in welchem z-Abstand sich dieses innerhalb des Untersuchungsbereichs befindet.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Abstand des Detektors zum Sekundärkollimator in z-Richtung konstant
ist. Dadurch wird gewährleistet,
dass die Größe des Detektors
immer ausreichend ist, um sämtliche
gebeugte Strahlung zu detektieren und keine Beugungsstrahlung an
diesem vorbeigeht, was zu einer Verringerung der Intensität führen würde.
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Des
Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß des Patentanspruchs
9 gelöst. Hierbei
wird der zentrale Nadelstrahl unter einem festen Beugungswinkel
gebeugt, der den halben Öffnungswinkel
des Kegelmantelstrahls, der vom Primärkollimator durchgelassen wird,
entspricht. Gleichzeitig wird der vom Kegelmantelstrahl ausgeleuchtete
Ring im Volumenelement gebeugt und lediglich die Strahlung durchgelassen,
die unter demselben Beugungswinkel wie diejenige des Nadelstrahls
erzeugt wird. Hierbei handelt es sich dann um einen zylindermantelförmigen Beugungsstrahl.
Somit wird eine optimale Ausnutzung der gesamten zur Verfügung stehenden
Intensität
an Beugungsstrahlung unter einem vorgegebenen Beugungswinkel gewährleistet.
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Besonders
vorteilhaft kann eine solche optimale Ausbeute dadurch erzielt werden,
dass ein erfindungsgemäßer – oben schon
beschriebener – Röntgenbeugungsscanner
verwendet wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Röntgenbeugungsscanner
in Abhängigkeit
von der z-Komponente des zu untersuchenden Volumenelements in z-Richtung verschoben
wird. Dadurch ist es möglich,
dass das zu untersuchende Volumenelement in z-Richtung auf den vorab
in einem tomographischen oder einem anderen geeigneten Verfahren
festgestellten Bereich eingestellt werden kann und nur dieser spezifisch
untersucht werden kann. Dadurch ist es nicht nötig, das zu untersuchende Objekt
in seiner Höhe
zu ändern, sondern
der Röntgenbeugungsscanner
wird auf die jeweilige Höhe
eingestellt.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
eine geeignete Blockerblende in den Röntgenbeugungsscanner eingebracht wird,
um nur ein System von Durchbrechungen frei zu lassen und somit eine
Schicht in z-Richtung
des Untersuchungsbereichs auszuwählen,
in der sich das zu untersuchende Volumenelement befindet. Damit
ist es möglich,
den maximalen Untersuchungsbereich in z-Richtung in zwei Schichten
einzuteilen. Es ist dadurch nicht nötig, unter Umständen den
Röntgenbeugungsscanner
in seiner Höhe
bezüglich
der z-Komponente zu verschieben, wenn ein Volumenelement in der
oberen Schicht und eines in der unteren Schicht nacheinander geprüft werden
müssen.
Außerdem
wird dadurch die Bauhöhe
des Röntgenbeugungsscanners
verringert, da dieser entlang der z-Achse nicht mehr über die
volle Höhe
des Untersuchungsbereichs bewegt werden muss, um diesen vollständig abzudecken,
sondern lediglich noch um die Hälfte
der Höhe.
Es versteht sich von selbst, dass weitere Systeme von Durchbrechungen
mit weiteren Blockerblendenausgestaltungen möglich sind. Je mehr Systeme
von Durchbrechung vorhanden sind, desto kleiner wird die Höhe jeder
einzelnen Schicht und somit auch die Verfahrlänge des Röntgenbeugungsscanners in z-Richtung.
Dies führt
dazu, dass mit zunehmender Anzahl von Systemen von Durchbrechungen
die Bauhöhe
geringer wird.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den
Figuren dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röntgenbeugungsscanners
in einer ersten Position,
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2 der
Röntgenbeugungsscanner
der 1 in einer zweiten Position,
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3 einen
schematischen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röntgenbeugungsscanners
mit Blockerblende in einer ersten Position, und
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4 den
Röntgenbeugungsscanner
der 3 mit der Blockerblende in einer zweiten Position.
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In 1 ist
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Röntgenbeugungsscanners
im Querschnitt dargestellt. Eine Röntgenröhre 15 emittiert von
ihrem Fokus 16 aus Röntgenstrahlung 17.
Es wird angenommen, dass sich im Fokus 16 der Ursprung
eines kartesischen Koordinatensystems befindet. Die x-Achse verläuft in der
Blattebene horizontal, die y-Achse steht senkrecht auf die Blattebene
und die z-Achse
verläuft
vertikal in der Blattebene.
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Aus
dem in z-Richtung emittierten Röntgenstrahl 17 wird
mittels eines Primärkollimators 1 nur ein
Teil durchgelassen. Der Primärkollimator 1 weist eine
zentrale Blendenöffnung 3 auf
der z-Achse und eine konzentrisch darum herum angeordnete erste ringförmige Durchbrechung 4 auf,
die in einer Ebene parallel zur xy-Ebene ausgerichtet ist. Dadurch
erhält man
hinter dem Primärkollimator 1 einen
zentralen Nadelstrahl, der sich entlang der z-Achse ausbreitet und
einen konzentrisch darum angeordneten Kegelmantelstrahl. Der Kegelmantelstrahl
weist einen Öffnungswinkel α auf, der
im Bereich von 1° bis
5° liegt und
beispielsweise 4° beträgt. Der
Durchmesser des Nadelstrahls beträgt ungefähr 1-2 mm. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
ist der Öffnungswinkel α stark vergrößert dargestellt.
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Diese
beiden Strahlgeometrien treten in einen Untersuchungsbereich 18,
beispielsweise einen Tunnel, ein. Innerhalb des Tunnels befindet
sich ein zu untersuchendes Objekt, dessen Teilvolumen 20 einer
Röntgendiffraktometrie
unterzogen werden soll. Der Nadelstrahl trifft dieses Volumenelement 20 zentral
an einem Ursprungspunkt 24. Dagegen trifft der Kegelmantelstrahl
dieses Volumenelement 20 in einem Kreisring 21,
der konzentrisch um den Ursprungspunkt 24 verläuft. Sowohl
im Ursprungspunkt 24 als auch im Ring 21 wird
die primäre
Röntgenstrahlung
gestreut. Zur Durchführung
der energiedispersiven Röntgendiffraktometie
ist es notwendig, dass alle detektierten Strahlen unter demselben
Beugungswinkel β = α/2 registriert
werden.
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Um
dies zu gewährleisten,
wird außerhalb des
Untersuchungsbereichs 18 ein Sekundärkollimator 2 angeordnet.
Im dargestellten Fall handelt es sich hierbei um eine erste plattenförmige Blende 7, die
in einem festen Abstand zu einer zweiten parallelen plattenförmigen Blende 8 angeordnet
ist. Die erste Blende 7 weist eine zweite ringförmige Durchbrechung 9 auf,
die bezüglich
der x-Richtung fluchtend mit einer dritten ringförmigen Durchbrechung 10 in der
zweiten Blende 8 angeordnet ist. Dadurch wird aus dem Volumenelement 20 vom
Kreisring 21 stammend lediglich ein Zylindermantelstrahl 26 durchgelassen,
der einen ersten Beugungsring 22 am Detektor 19 erzeugt.
Der Beugungswinkel β dieses
Zylindermantelstrahls 26 ist gerade halb so groß wie der Öffnungswinkel α des durch
den Primärkollimator 1 erzeugten
Kegelmantelstrahls. Die Höhe,
also die z-Komponente, des Volumenelements 20 hängt vom Durchmesser
der zweiten und dritten ringförmigen Durchbrechung 9, 10 sowie
dem primären Öffnungswinkel α ab.
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Um
die Intensität
der aufgenommenen Röntgenstrahlung
im Detektor 19 für
die Röntgendiffraktometrie
zu erhöhen,
trifft unter demselben Beugungswinkel β, unter dem auch der Zylindermantelstrahl 26 gebeugt
wird, ein weiterer gebeugter Röntgenstrahl in
den Detektor 19. Hierzu ist in dem Sekundärkollimator 2 eine
kegelmantelförmige
Durchbrechung 6 ausgebildet, deren Öffnungswinkel α dem doppelten Beugungswinkel β entspricht.
Die kegelmantelförmige
Durchbrechung 6 wird durch eine vierte ringförmige Durchbrechung 11 in
der ersten Blende 7 und eine fünfte ringförmige Durchbrechung 12 in
der zweiten Blende 8 erzeugt. Diese sind zueinander konzentrisch
um die z-Achse ausgebildet, so dass sie einen Kegelmantel bilden,
dessen Spitze innerhalb des Volumenelements 20 im Ursprungspunkt 24 liegt.
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Der
Detektor 19 ist gerade so weit vom Sekundärkollimator 2 entfernt,
dass sowohl ein vom Zylindermantelstrahl 26 erzeugter erster
Beugungsring 22 als auch ein vom Kegelmantelstrahl 23 erzeugter zweiter
Beugungsring 25 deckungsgleich im Detektor 19 entstehen.
Der Detektor 19 hat im dargestellten Beispiel einen Durchmesser
von ca. 8 cm. Das Volumenelement hat einen Durchmesser von ca. 5
cm parallel zur xy-Ebene und eine Höhe von ca. 5 cm in z-Richtung.
Bei einer normalen Tunnelhöhe
von 600 mm reicht mit dem oben genannten Werten für den Öffnungswinkel α der vorgenannte
Durchmesser von 8 cm des Detektors 19 aus, um die gesamte
unter dem Beugungswinkel β aus
dem Volumenelement 20 stammende Streustrahlung zu detektieren.
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Mittels
dieses erfindungsgemäßen Röntgenbeugungsscanners
ist es somit möglich,
die Intensität
der unter einem bestimmten Beugungswinkel β ausgehende Röntgenstrahlung
aus einem Volumenelement 20 stark zu steigern. Dies hilft
immens, das Ergebnis der Röntgendiffraktometrie
zu optimieren und Messzeiten zu verkürzen.
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Anstatt
der Verwendung eines Sekundärkollimators 2 aus
zwei Blenden 7, 8, ist es auch möglich, den
Sekundärkollimator
in z-Richtung durchgängig als
eine einzige Blende auszugestalten. Anstatt eines einzigen Detektors 19 ist
es auch möglich,
diesen zu segmentieren, beispielsweise einen Detektor für eine Halbseite
und einen Detektor für
die andere Halbseite oder insgesamt vier Segmente, usw. vorzusehen. Es
ist ebenfalls möglich,
durch eine Änderung
des Abstandes zwischen dem Fokus 16 der Röntgenröhre 15 und
dem Primärkollimator 1 den Öffnungswinkel α des erzeugten
Kegelmantelstrahls nach α' zu ändern. Dadurch
ergibt sich für
den Zylindermantelstrahl 26, der im Volumenelement 20 durch
den Kreisring 21 erzeugt wird, dass der Beugungswinkel β' sich ändert. Wie
schon oben erwähnt
muss die Beziehung β' = α'/2 eingehalten werden.
Dies bedeutet jedoch, dass zu einer nutzbaren Ausschöpfung der Intensität – wie oben
beschrieben – der
Winkel der kegelmantelförmigen
Durchbrechung 6 im Sekundärkollimator 2 angepasst
werden muss. Dies ist dadurch möglich,
dass der Abstand zwischen den beiden Blenden 7, 8 in
z-Richtung geändert
wird.
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Wird
dieser so eingestellt, dass er dem neuen Beugungswinkel β' entspricht, gelangt
die gewünschte
gebeugte Intensität – wie oben
schon beschrieben – durch
den Sekundärkollimator 2 und
tritt den Detektor 19, wenn der Detektor 19 mit
dem neu eingestellten Skundärkollimator 2 ebenfalls
in z-Richtung entsprechend angepasst wird.
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In 2 ist
der Röntgenbeugungsscanner der 1 dargestellt,
wobei sich das Volumenelement 20 an einer tieferen Stelle
um einen Verschiebeweg 27 gegenüber demjenigen der 1 befindet. Da
es sich bei dem Röntgenbeugungsscanner
der 2 um denselben wie in 1 handelt,
wird lediglich auf die relevanten Änderungen hinsichtlich 1 hingewiesen,
wobei die Bezugszeichen beibehalten wurden. Der Röntgenbeugungsscanner
wurde so bewegt, dass der Abstand zwischen Fokus 16 und
Primärkollimator 1 konstant
bleibt. Dadurch ist der Öffnungswinkel α gleich geblieben.
Außerdem
ist der Abstand zwischen dem Sekundärkollimator 2 und dem
Primärkollimator 1 ebenfalls
in z-Richtung konstant gehalten worden und gleichzeitig der Abstand zwischen
erster Blende 7 und zweiter Blende 8 des Sekundärkollimators 2 in
z-Richtung gleich geblieben ist. Dadurch hat sich auch der Beugungswinkel β nicht geändert. Dies
bedeutet, dass der einzige Unterschied zur 1 derjenige
ist, dass nun Röntgenstrahlung
detektiert wird, die aus einem Volumenelement 20 kommt,
welches um den Verschiebeweg 27 tiefer liegt, d.h. in z-Richtung
nach unten verschoben ist.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist weiterhin der Abstand zwischen Detektor 19 und Sekundärkollimator 2 ebenfalls
konstant gehalten. Dadurch fallen der erste Beugungsring 22 und
der zweite Beugungsring 25 im Detektor 19 wieder
zusammen. Die gesamte Geometrie wurde nur im Bezug auf den Tunnel
verändert.
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Es
ist jedoch auch möglich,
den Detektor 19 an einer festen Stelle zu lassen und somit
seine Entfernung in z-Richtung vom Sekundärkollimator 2 zu verändern, wenn
die Höheneinstellung
des Volumenelements 20 vorgenommen wird. Dies hat lediglich dahingehend
Auswirkung, dass der erste Beugungsring 22 nicht mehr mit
dem zweiten Beugungsring 25 zusammenfällt. Es ist dann darauf zu
achten, dass auch die durch den Kegelmantelstrahl 23 herrührende Beugungsstrahlung
vollständig
im Detektor 19 erfasst wird, damit keine Intensitätseinbußen erfolgen.
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Bei
einem gängigen
Röntgenbeugungsscanner
mit einer Tunnelhöhe
von 600 mm bedeutet dies, wenn diese gesamte Höhe des Tunnels untersucht werden
soll, dass oberhalb des Tunnels ein zusätzlicher Raumbedarf von 600
mm und unterhalb des Tunnels ebenfalls ein zusätzlicher Raumbedarf von 600
mm besteht, um den Röntgenbeugungsscanner vollständig über die
gesamte Höhe
in z-Richtung zu verfahren. Damit ergibt sich eine Gesamtbauhöhe von mindestens
1.800 mm zuzüglich
der Baumaße der
Anordnung Röhre 15 und
Primärkollimator 1 sowie
Sekundärkollimators 2 und
Detektors 19.
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Mittels
des zweiten Ausführungsbeispiels
eines Röntgenbeugungsscanners
wird anhand der 3 und 4 erläutert, wie
die Bauhöhe
reduziert werden kann.
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Der
Aufbau des Röntgenbeugungsscanners in 3 entspricht
im Wesentlichen demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels aus den 1 und 2.
Im Folgenden wird deswegen lediglich auf die Unterschiede eingegangen;
gleiche bzw. gleichwirkende Teile sind mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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Der
Hauptunterschied liegt im Sekundärkollimator 2 begründet. Dieser
ist auch wieder aus zwei Blenden 7, 8 aufgebaut.
Sowohl die erste Blende 7 als auch die zweite Blende 8 weisen
jedoch nicht nur jeweils zwei konzentrische Durchbrechungen auf, sondern
jeweils insgesamt vier konzentrische Durchbrechungen. Hierbei liegen
jeweils zwei der Durchbrechungen der ersten Blende 7 in
z-Richtung fluchtend über
zwei der Durch brechungen in der zweiten Blende 8. Diese
bilden somit jeweils zwei zylindermantelförmige Durchbrechungen 5.
Dies bedeutet im Ergebnis, dass unter dem weiterhin unveränderten Beugungswinkel β Röntgenstrahlung
aus zwei verschiedenen Volumenelementen in unterschiedlichen Höhen in den
Detektor (nicht gezeigt) eintreten würden. Dies wird jedoch dadurch
verhindert, dass eine Blockerblende 13 oberhalb der ersten
Blende 7 angeordnet ist und eine der beiden zylindermantelförmigen Durchbrechungen 5 (hier
die näher
an der z-Achse befindliche) abdeckt. Damit kann lediglich gebeugte
Strahlung vom tieferen Ring 21 in den Detektor unter dem
Beugungswinkel β fallen.
Ebenfalls unter dem Beugungswinkel β vom oberen Ring 21' herrührende Röntgenstrahlung
wird dagegen abgeblockt.
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Im
Ursprungspunkt 24 auf der z-Achse im selben Volumenelement 20 gelangt
unter dem Beugungswinkel β durch
die konzentrischen ringförmigen Durchbrechungen 11 und 12 ein
weiterer Kegelmantelstrahl 6 in den Detektor 19.
Im Sekundärkollimator 2 ist
allerdings noch eine zweite kegelmantelförmige Durchbrechung 6 ausgebildet,
die Röntgenstrahlung unter
dem Beugungswinkel β aus
einem anderen Volumenelement durchlassen würde. Dies wird jedoch ebenfalls
durch die Blockerblende 13 verhindert. Es ist somit so,
dass die Blockerblende 13 zwei ringförmige Durchbrechungen 14 aufweist,
durch die lediglich die unter dem Beugungswinkel β aus dem
Volumenelement 20 im unteren Bereich durchkommen, jedoch
die ebenfalls unter dem Beugungswinkel β im oberen Volumenelement stammenden
Röntgenstrahlung
durch die Blockerblende 13 abgehalten werden.
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In 4 ist
dargestellt, wie die Blockerblende 13 mit einer geänderten
ringförmigen
Durchbrechung 14 nun Röntgenstrahlung
durchlässt,
die unter dem Beugungswinkel β aus
dem oberen Volumenelement 20 stammen. Dagegen wird jegliche
Röntgenstrahlung
unter dem Beugungswinkel β aus
dem unteren Volumenelement (wie diese in 3 noch durch
die Sekundärkollimator 2 hindurchtrat)
nicht durchgelassen.
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Das
Ergebnis ist es, dass allein durch Wechseln der Stellung der Blockerblende 13 eine
Entscheidung getroffen werden kann, ob Röntgenstrahlung unter dem Beugungswinkel β aus dem
oberen Volumenelement 20 oder dem unteren Volumenelement 20 in
den Detektor 19 gelangen soll. Dies bedeutet im Ergebnis,
dass es zwei Schichten 28, 29 gibt, die völlig voneinander
getrennt sind, was die Analyse mittels Röntgendiffraktometrie angeht.
Somit kann sehr einfach gewechselt werden zwischen der ersten Schicht 28 in
der unteren Hälfte
des Untersuchungsbereichs 18 und der zweiten Schicht 29 im oberen
Bereich. Dies bedeutet im Endeffekt, dass die in den 1 und 2 dargestellte
Verschiebung des Röntgenbeugungsscanners
nur noch über
die Hälfte
der Strecke in z-Richtung erfolgen muss, um die gesamte Höhe abzufahren
und jedes mögliche Volumenelement 20 abzudecken.
Dadurch ist es möglich,
dass Bauhöhe
eingespart wird. Die Tunnelhöhe
bleibt bei 600 mm, jedoch ist es nur noch nötig, oberhalb und unterhalb
jeweils 300 mm Verschiebungsweg vorzusehen. Somit reduziert sich
die Bauhöhe
um 600 mm auf 1.200 mm zuzüglich
der oben genannten Baumaße.
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Dem
Fachmann ist klar, dass die Erfindung auch bei Tunnels mit anderen
Höhen anwendbar
ist. So ist es beispielsweise bei einer Tunnelhöhe von 400 mm so, dass zwei
Mal der halbe Verschiebungsweg (jeweils nach oben und unten) von
200 mm eingespart wird. Somit ergibt sich anstatt einer Bauhöhe von 1.200
mm bei konventioneller Ausführung
hier eine Bauhöhe
von nur 1.000 mm. Entsprechendes gilt für andere Tunnelhöhen.
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Die
Blockerblende 13 ist so ausgebildet, dass die beiden konzentrischen
Durchbrechungen 14 der 3 und die
ringförmige
Durchbrechung 14' der 4 nebeneinander
angeordnet sind. Ein Übergang
von dem in 3 dargestellten Modus in den
in der 4 dargestellten Modus erfolgt durch eine Verschiebung
der Blockerblende 13 parallel zur xy-Ebene.
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Für den Fachmann
ist es in Kenntnis der Erfindung klar, dass durch weitere Systeme
von Durchbrechungen (zusätzlich
zu den in den 3 und 4 dargestellten
zwei Systemen von Durchbrechungen) eine weitere Reduzierung der
Bauhöhe
erfolgen kann. Dabei ist es dann nötig, dass die Blockerblende 13 noch
weitere Stellungen aufweist, wo sie jeweils immer nur ein System
von Durchbrechungen freigibt.
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Die
Blockerblende 13 muss bezüglich ihrer geometrischen Ausgestaltung
nicht so akkurat ausgeführt
sein wie die erste Blende 7 und die zweite Blende 8.
Es ist lediglich nötig,
dass die nicht benötigten
Durchbrechungen des Sekundärkollimators 2 abgedeckt
werden. Eine Blockerblende 13 kann deswegen aus konzentrischen
Kreisen und Ringen von röntgenstrahlenabsorbierendem
Material bestehen, welches auf eine dünne Folie, beispielsweise aus Plexiglas
aufgeklebt ist. Dagegen können
die beiden Blenden 7, 8 nicht so ausgeführt sein,
da diese sehr exakt den Beugungswinkel β definieren müssen. Die Blenden 7, 8 sind
deshalb normalerweise aus einem röntgenstrahlenundurchlässigen Material
gefertigt, wobei die ringförmigen
Durchbrechungen 9 bis 12 jeweils dünne Stege
aufweisen oder ähnliche
Halterungen, die die zueinander konzentrischen Ringe miteinander
verbinden. Dadurch erhält
man zwar einen geringen Intensitätsverlust,
dieser fällt
jedoch nicht so stark ins Gewicht, wie wenn eine Änderung
des Beugungswinkels β wegen
mangelnder Genauigkeit gegeben wäre.
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- 1
- Primärkollimator
- 2
- Sekundärkollimator
- 3
- zentrale
Blendenöffnung
- 4
- erste
ringförmige
Durchbrechung
- 5
- zylindermantelförmige Durchbrechung
- 6
- kegelmantelförmige Durchbrechung
- 7
- erste
Blende
- 8
- zweite
Blende
- 9
- zweite
ringförmige
Durchbrechung
- 10
- dritte
ringförmige
Durchbrechung
- 11
- vierte
ringförmige
Durchbrechung
- 12
- fünfte ringförmige Durchbrechung
- 13
- Blockerblende
- 14
- konzentrische
Durchbrechungen
- 14'
- ringförmige Durchbrechung
- 15
- Röntgenröhre
- 16
- Fokus
- 17
- Röntgenstrahlung
- 18
- Untersuchungsbereich
- 19
- Detektor
- 20
- Volumenelement
- 21,
21'
- Kreisring
- 22
- erster
Beugungsring
- 23,
23'
- Kegelmantelstrahl
- 24,
24'
- Ursprungspunkt
- 25
- zweiter
Beugungsring
- 26,
26'
- Zylindermantelstrahl
- 27
- Verschiebeweg
- 28
- erste
Schicht
- 29
- zweite
Schicht
- α, α'
- Öffnungswinkel
- β, β'
- Beugungswinkel