DE102009040034A1

DE102009040034A1 - Photonenquelle

Info

Publication number: DE102009040034A1
Application number: DE200910040034
Authority: DE
Inventors: Holger Baule; Marvin Möller; Sven Dr. Müller
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-17
Also published as: WO2011026776A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photonenquelle, die beim Auftreffen von in einer Elektronenquelle erzeugten Elektronen (2) auf ein Target (1) Photonenstrahlung (3) erzeugt, die durch einen der Aufhärtung der Photonenstrahlung (3) dienenden Modulator (4) tritt. Erfindungsgemäß ist der Modulator (4) in wenigstens zwei Modulationsstufen schaltbar, wobei in einer ersten Modulationsstufe (4a) die Photonenstrahlung (3) ungefiltert aus dem Modulator (4) austritt und in wenigstens einer weiten Modulationsstufe (4b, 4c, 4d) die Photonenstrahlung (3) nach einer Filterung aufgehärtet aus dem Modulator (4) austritt. Eine derartige Photonenquelle ist konstruktiv einfach aufgebaut und ermöglicht eine schnelle und sensitive Bildgebung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photonenquelle, die beim Auftreffen von in einer Elektronenquelle erzeugten Elektronen auf ein Target Photonenstrahlung erzeugt, die durch einen der Aufhärtung der Photonenstrahlung dienenden Modulator tritt.
Photonenstrahlung verschiedener Energie (keV bis MeV) wird in vielen Bereichen zur Durchstrahlung oder Bestrahlung eingesetzt, beispielsweise zur Bildgebung in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung sowie zur Bildgebung in der Medizin bei Diagnose und Therapie. Außerdem wird Photonenstrahlung ab 100 keV bis weit in den MeV-Bereich zur direkten Strahlentherapie genutzt.
Die Photonenstrahlung wird durch Abbremsung (Bremsstrahlung) eines Strahls schneller Elektronen in einem Target erzeugt. Die so erzeugten Photonen (Photonenquanten) haben eine spektrale Verteilung, deren maximale Energie der Energie der beschleunigten Elektronen entspricht. Das Photonenspektrum lässt sich beispielsweise verändern durch die Modifikation der Energie der auf das Target auftreffenden Elektronen (z. B. von 1 MeV bis 6 MeV), durch die Auswahl des Targetmaterials und dessen Dicke sowie durch den Einsatz diverser Aufhärtungsfilter hinter dem Target. Dies wird z. B. in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung zur Materialerkennung genutzt. Das Verfahren beruht darauf, dass Materialen bei spektral unterschiedlicher Photonenstrahlung ein verändertes Absorptionsverhalten haben. Für eine schnelle materialsensitive Bildgebung ist eine rasche Umschaltung der Elektronenenergie bzw. rasche spektrale Veränderung der zur Durchleuchtung verwendeten Photonenstrahlung notwendig.
Um eine Veränderung der Photonenstrahlung zu erreichen, wird die Beschleunigungsenergie der Elektronen verändert, wodurch sich die obere Grenzenergie des Photonenspektrums verschiebt.
Diese Art der Energieumschaltung ist aufwändig, da die Beschleunigungsenergie der Elektronen primär durch eine Änderung der Amplitude der E-Felder im Beschleuniger (Elektronenquelle) erreicht wird. Diese E-Felder müssen somit in den kurzen Zeitabständen der aufeinander folgenden Strahlungspulse umgeschaltet werden. Die pro Strahlungspuls unterschiedlich beschleunigten Elektronen bewirken durch ihre Wechselwirkung im Target Photonenstrahlungspulse mit unterschiedlich ausgedehnten Energiespektren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine konstruktiv einfach aufgebaute Photonenquelle zu schaffen, die eine schnelle und sensitive Bildgebung ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Photonenquelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Photonenquelle sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Photonenquelle nach Anspruch 1 umfasst ein Target, das beim Auftreffen von in einer Elektronenquelle erzeugten Elektronen Photonenstrahlung erzeugt, die durch einen der Aufhärtung der Photonenstrahlung dienenden Modulator tritt. Erfindungsgemäß ist der Modulator in wenigstens zwei Modulationsstufen schaltbar, wobei in einer ersten Modulationsstufe die Photonenstrahlung ungefiltert aus dem Modulator austritt und in wenigstens einer weiteren Modulationsstufe die Photonenstrahlung nach einer Filterung aufgehärtet aus dem Modulator austritt.
Die vorliegende Erfindung nutzt hierzu den Effekt der Aufhärtung von Photonenstrahlung im Target und/oder nach dem Target, durch zumindest ein Filter in wenigstens einer weiteren Modulationsstufe.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Modulation des Spektrums der Photonenstrahlung nicht durch eine aufwändige Veränderung der Beschleunigungsenergie der Elektronen, sondern durch eine Aufhärtung der im Target erzeugten Photonenstrahlung. Die Aufhärtung der Photonenstrahlung erfolgt durch zumindest ein Filter, das im Strahlgang der vom Target emittierten Photonenstrahlung angeordnet ist und das Bestandteil wenigstens einer weiteren Modulationsstufe ist.
Bei der Aufhärtung von Photonenstrahlung handelt es sich um eine spezielle Filterung der Photonenstrahlung, bei der der Anteil von weicher (energiearmer) Photonenstrahlung reduziert wird. Weiche Photonenstrahlung besitzt eine geringere Durchdringungsfähigkeit von Materie, weist also eine höhere Absorption auf. Dies führt zu einer zusätzlichen Strahlenbelastung (Erhöhung der Strahlenexposition des Patienten) und ist deshalb unerwünscht. Auch bei der Materialuntersuchung ist es von Vorteil, mit unterschiedlich aufgehärteten Photonenspektren zu arbeiten.
Durch erfindungsgemäße Maßnahme bleibt die Ausdehnung des Spektrums der Photonenstrahlung erhalten (Grenzwellenlängen bleiben gleich), jedoch werden die niederenergetischen Photonen der Photonenstrahlung durch wenigstens ein in seinem Material auf das gewünschte Photonenspektrum abgestimmtes Filter stärker geschwächt als die höherenergetischen Photonen der Photonenstrahlung. Somit verschieben sich die Anteile im Photonenspektrum hin zu höheren Energien und man erhält insgesamt härtere Strahlung (relative Zunahme der energiereicheren Photonenstrahlung). Damit kann sowohl mit der primären Bremsstrahlung als auch mit der aufgehärteten Photonenstrahlung gearbeitet werden, eine Änderung der E-Feld-Amplitude ist nicht erforderlich. Damit stehen bei der erfindungsgemäßen Lösung zwei oder mehrere unterschiedliche Photonenspektren zur Durchleuchtung von Materialien oder Personen zur Verfügung.
Der Einfluss unterschiedlicher Filterung auf das Photonenspektrum besteht darin, dass die Intensität bei zunehmender Filterdicke und bei gleichem Filtermaterial bzw. bei steigender Ordnungszahl Z des Filtermaterials und bei gleicher Filterdicke vermindert wird und dass sich zusätzlich die spektrale Zusammensetzung der Photonenstrahlung verändert. Somit lassen sich durch eine geeignete Wahl der Filterdicken und/oder der Filtermaterialien verschieden aufgehärtete Photonenspektren mit einer einzigen Elektronenquelle erzeugen. Weiche Anteile der Photonenstrahlung werden im Filtermaterial stärker gefiltert als härtere Anteile (kürzere Wellenlänge bzw. höhere Frequenz), was zu einer Aufhärtung der Photonenstrahlung führt. Der Zweck zusätzlicher Filterung besteht somit darin, weiche Anteile der Photonenstrahlung zu absorbieren, um sowohl in der Materialuntersuchung und in der Bildgebung als auch in der Therapieanwendung schnell mit Photonenstrahlung unterschiedlicher spektraler Verteilung arbeiten zu können.

Materialuntersuchung: Materialspezifische Kontraständerung bei Durchleuchtung,
Therapie: Verringerung der Strahlenexposition des Patienten,
Bildgebung: Erhöhung der Bildinformation (Dual Energy).

Der Modulator der erfindungsgemäßen Photonenquelle umfasst eine erste Modulationsstufe, in der die Photonenstrahlung (vom Target emittierte Bremsstrahlung) ungefiltert aus dem Modulator austritt und zumindest eine weiteren Modulationsstufe, aus der ein aufgehärteter und damit modulierter Photonenstrahl austritt. Bei mehreren weiteren Modulationsstufen ist es möglich – abhängig von der jeweils angesteuerten weiteren Modulationsstufe – entsprechend unterschiedlich aufgehärtete Photonenstrahlung zu erzeugen. Durch die unterschiedlich stark aufgehärtete Photonenstrahlung (nicht aufgehärtet bis stark aufgehärtet) wird auf einfache Weise eine schnelle und sensitive Bildgebung für eine vollständige zerstörungsfreie Untersuchung verschiedener Materialien bzw. für eine strahlungsarme Untersuchung von Patienten ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photonenquelle ist der Modulator als drehbewegliche Scheibe ausgebildet, die eine den Modulationsstufen entsprechende Anzahl von Aussparungen aufweist.
Eine alternative, ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Photonenquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator als linearbeweglicher Einschub ausgebildet ist, der eine den Modulationsstufen entsprechende Anzahl von Aussparungen aufweist.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator und das Target als gemeinsames Bauteil ausgeführt sind.
Weist der Modulator eine den Modulationsstufen entsprechende Anzahl von Aussparungen auf, dann ist es vorteilhaft, wenn die Photonenstrahlungspulsen mit den Aussparungen bzw. den Modulationsstufen mittels einer Synchronisationseinrichtung synchronisierbar sind.
Die Synchronisationseinrichtung kann hierbei beispielsweise eine Laserquelle und einen Fotodetektor oder alternativ einen Magneten und eine Hallsonde umfassen.
Die für die Aufhärtung der Photonenstrahlung notwendige Filterung wird erfindungsgemäß in einer oder in mehreren weiteren Modulationsstufen vorgenommen. Die hierfür benötigten Filter können beispielsweise aus Wolfram oder Kupfer bestehen. Bei einer Aufhärtung eines 6 MeV-Photonenspektrums mittels Wolfram ist eine Filter-Schichtdicke von ca. 1 mm bis ca. 20 mm vorteilhaft. Die Kombination von Filtermaterial und Filterdicke ist hierbei abhängig vom Spektrum der vom Target emittierten Photonenstrahlung (Bremsstrahlungsspektrum).
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Photonenquelle in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Photonenquelle im Bereich eines der Aufhärtung der Photonenstrahlung dienenden Modulators und
2 eine Draufsicht auf den Modulator der Photonenquelle gemäß 1.
Die in 1 dargestellte Photonenquelle umfasst ein Target 1, das beim Auftreffen von Elektronen 2 Photonenstrahlung 3 erzeugt. Die Elektronen 2 werden z. B. durch thermische Emission auf an sich bekannte Weise in einer Elektronenquelle erzeugt, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
Die im Target 1 erzeugte Photonenstrahlung 3 (Bremsstrahlung) tritt durch einen Modulator 4 und wird dadurch unterschiedlich stark aufgehärtet (nicht aufgehärtet bis stark aufgehärtet).
Der Modulator 4 ist in wenigstens zwei Modulationsstufen schaltbar, wobei in einer ersten Modulationsstufe die Photonenstrahlung 3 ungefiltert aus dem Modulator 4 austritt und in wenigstens einer weiteren Modulationsstufe die Photonenstrahlung 3 nach einer Filterung aufgehärtet aus dem Modulator 4 austritt.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Modulator 4 als eine um eine Rotationsachse 5 drehbare Scheibe 6 ausgebildet. Die Scheibe besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und weist eine den Modulationsstufen 4a, 4b, 4c, 4d entsprechende Anzahl von Aussparungen 6a, 6b, 6c, 6d auf.
Der in 2 gezeigte Modulator 4 umfasst eine erste Modulationsstufe 4a, aus der die Photonenstrahlung 3 ungefiltert austritt. In diesem Fall besitzt die Photonenstrahlung 3 nach ihrem Durchtritt durch die Aussparung 6a weiterhin das primäre Bremsspektrum. Der Modulator 4 umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem drei weitere Modulationsstufen 4b, 4c, 4d, in denen die Photonenstrahlung 3 jeweils durch eine Filterung unterschiedlich stark aufgehärtet wird. Hierzu ist in jeder der drei Aussparungen 6b, 6c, 6d jeweils ein anderer Filter 7b, 7c, 7d angeordnet, durch den die im Target 1 erzeugte Photonenstrahlung 3 (Bremsstrahlung) hindurch tritt und aufgrund der drei verschiedenen Filter 7b, 7c, 7d jeweils unterschiedlich aufgehärtet wird.
Die Auswahl der Filter 7b, 7c, 7d hinsichtlich Material und Schichtdicke ist hierbei abhängig von der ursprünglichen Energie der Bremsstrahlung und der auf den Anwendungsfall abgestimmten Aufhärtung der Photonenstrahlung.
Nach ihrer Aufhärtung tritt die Photonenstrahlung 3 aus dem Modulator 4 aus und trifft auf das zu untersuchende Objekt (Patient oder Materialprobe).
Durch die Rotation der runden Scheibe 6 gelangen nacheinander alle Aussparungen 6a, 6b, 6c, 6d in den Strahlengang des Photonenstrahls 1. In Abhängigkeit von der Stellung der Scheibe 6 ergibt sich für den Photonenstrahl 1 somit nacheinander eine unterschiedliche Aufhärtung (Filterung).
Weist der Modulator eine den Modulationsstufen entsprechende Anzahl von Aussparungen auf, dann ist es vorteilhaft, wenn die Photonenstrahlungspulse mit den Aussparungen bzw. den Modulationsstufen mittels einer in den 1 und 2 nicht dargestellten Synchronisationseinrichtung synchronisierbar sind. Der Photonenstrahlungspuls ist dadurch mit der Position der Aussparungen 6a, 6b, 6c, 6d getriggert.
Die Synchronisationseinrichtung kann beispielsweise eine Laserquelle und einen Fotodetektor oder alternativ einen Magneten und eine Hallsonde umfassen.
Anstelle einer mit einer gepulsten Elektronenstrahlung synchronisierten Spektrenmodulation ist im Rahmen der Erfindung bei einer kontinuierlichen Strahlungsquelle (Röntgenröhre oder Nuklide) auch eine positionsgesteuerte Spektrenmodulation möglich. Der Modulator gemäß 2 besteht in diesem Fall in den durchstrahlten Bereichen aus Kreissegmenten, die aus entsprechenden Filtermaterialien und/oder entsprechenden Filterdicken gefertigt sind.
Die bei dem drehbeweglichen Modulator erläuterten Maßnahmen sind ohne weiteres auch bei einem linearbeweglichen Modulator anwendbar.

Claims

Photonenquelle, die beim Auftreffen von in einer Elektronenquelle erzeugten Elektronen (2) auf ein Target (1) Photonenstrahlung (3) erzeugt, die durch einen der Aufhärtung der Photonenstrahlung (3) dienenden Modulator (4) tritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (4) in wenigstens zwei Modulationsstufen schaltbar ist, wobei in einer ersten Modulationsstufe (4a) die Photonenstrahlung (3) ungefiltert aus dem Modulator (4) austritt und in wenigstens einer weiteren Modulationsstufe (4b, 4c, 4d) die Photonenstrahlung (3) nach einer Filterung aufgehärtet aus dem Modulator (4) austritt.
Photonenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (4) als drehbewegliche Scheibe (6) ausgebildet ist, die eine den Modulationsstufen (4a–4d) entsprechende Anzahl von Aussparungen (6a–6d) aufweist.
Photonenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator als linearbeweglicher Einschub ausgebildet ist, der eine den Modulationsstufen entsprechende Anzahl von Aussparungen aufweist.
Photonenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator und das Target (1) als gemeinsames Bauteil ausgeführt sind.
Photonenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonenstrahlung (3) eine Vielzahl von Photonenstrahlungspulsen umfasst, die mit den Aussparungen (6a–6d) der Modulationsstufen (4a–4d) mittels einer Synchronisationseinrichtung synchronisierbar sind.
Photonenquelle nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung eine Laserquelle und einen Fotodetektor umfasst.
Photonenquelle nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung einen Magneten und eine Hallsonde umfasst.