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Kollimatorscheibe für Strahlen schneller Elektronen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Kollimatorscheibe mit kreisförmiger öffnung für Strahlen schneller
Elektronen, die aus einer ersten, der Strahlquelle zugewendeten Schicht aus einem
Metall mit niedriger Atomnummer, vorzugsweise kleiner,als 15,
und mindestens
einer weiteren Schicht aus einem Metall mit hoher Atomnummer, vorzugsweise größer
als 70, besteht, wobei die Schichten miteinander fest verbunden sind.
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Wird bei einem Kollimator als Material für die Abbremsung der unerwünschten
Elektronen ein Stoff mit hoher Atomnummer, wie beispielsweise Blei, gewählt, so
werden durch den Aufprall der Elektronen harte Röntgenstrahlen erzeugt. Besteht
andererseits der Kollimator aus einem Stoff mit niedriger Atomnummer, so führt die
Mehrfachstreuung der Elektronen im Kollimator dazu, daß Elektronen mit geringerer
Energie aus den inneren Flächen der Kollimatoröffnung austreten und durch ihre Vermischung
mit den hochenergetischen Elektronen des ausgeblendeten Strahls die Wirksamkeit
der energetischen Elektronen wesentlich verschlechtern. Dies ist besonders deshalb
der Fall, weil zur Abbremsung der unerwünschten Elektronen durch einen Stoff mit
niedriger Atomnummer und niedrigem spezifischem Gewicht der Kollimator eine beträchtliche
Dicke aufweisen muß und aus diesem Grund die inneren Flächen der Kollimatoröffnung
ein beträchtliches Ausmaß aufweisen.
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Es ist bereits bekanntgeworden, Kollimatoren für schnelle Elektronen
aus zwei Stoffen niedriger und hoher Atomnummer derart zusammenzusetzen, daß die
Elektronen in einer ersten Schicht aus einem Stoff mit niedriger Atomnummer so weit
abgebremst werden, daß ihre Energie nicht mehr ausreichend ist, um beim Aufprall
auf die nachfolgende Schichtaus einem Stoff mit hoher Atomnummer nennenswerte Intensitäten
an Röntgenstrahlen auszulösen. In dieser zweiten Schicht werden die Elektronen vollkommen
abgebremst. Zur genügenden Abbremsung der auf den Kollimator auftreffenden schnellen
Elektronen von beispielsweise 35 MeV muß aber die erste Schicht aus dem Stoff
mit niedriger Atomnummer so dick sein, daß sich ein seitlicher Austritt von Streuelektronen
in die Kollimatoröffnung und deren Vermischung mit dem Elektronenstrahl nicht vermeiden
läßt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kollimatorscheibe für Strahlen
schneller Elektronen zu schaffen, bei welcher der Austritt störender Streuelektronen
weitgehend vermieden ist.
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Dies wird dadurch erreicht, daß bei der eingangs genannten Kollimatorscheibe
erfindungsgemäß die die Öffnung begrenzende Fläche der zur Strahleintrittsseite
zu liegenden Schicht in an sich bekanntet Weise weiter von der Strahlachse entfernt
ist als diejenige der zur Strahlaustrittsseite zu liegenden Schicht und daß das
Verhältnis der Differenz des größten und kleinsten Öffnungsdurchmessers der Scheiben
zur Gesamtdicke der Kollimatorscheibe zwischen 0,1
und 0,5 liegt.
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Bei der Ausblendung eines von einer Röntgen-oder GammastrahlenquelIe
ausgehenden Strahlenbündels werden oft Kollimatorsysterne verwendet, bei denen die
Strahlenquelle von einem abschirmenden Gehäuse aus einem Metall mit höherer Atomnummer,
z. B. Blei, eingeschlossen ist, das eine entsprechende öffnung aufweist, vor welcher
der eigentliche Kollimator angebracht ist. Solche Einrichtungen sind z. B. aus der
deutschen Auslegeschrift 1046 207,
der französischen Patentschrift
1246 762, der britischen Patentschrift 888 677 und aus »Am.
Journ. Roentg., Rad. Ther. and Nuclear Med.« 80, 1958, 5,
S. 852, bekannt.
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Die Notwendigkeit, Blenden mit verschieden großem Strahlungsfeld anbringen
zu können, oder die Forderung nach einer Schwenkharkeit der Blendenebene führen
aus konstruktiven Gründen dazu, daß sich das Abblendsystem aus mehreren Schichten
zusammensetzt, wobei die Öffnung der zur Strahleneintrittsseite zu liegenden Schicht
größer ist als die öff-
nung der zur Strahlenaustrittsseite
liegenden Schicht. Beide Schichten bestehen aus einem Material mit hoher Atomnummer,
z. B. Blei, Wolfram oder Uran, Die Funktion dieser Schichten ist daher grundsätzlich
verschieden von der Funktion der Schichten der Kollimatorscheibe gemäß der Erfindung.
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Die Erfindung wird an Hand der Figuren eingehend erläutert.
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In Fig. 1 ist ein Kollimator gezeigt, bei welchem die, inneren
Flächen der Kollimatoröffnung in Strahlrichtung gestuft sind. Mit 1 ist die
erste der Strahlquelle zugewandte Schicht des Kollimators bezeichnet, die aus einem
Stoff mit niedriger Atomnummer, wie Aluminium, besteht. Mit 2 ist die nachfolgende
Schicht aus einem Stoff mit hoher Atomnummer und hohem spezifischem Gewicht, beispielsweise
aus Blei oder Wolfram, bezeichnet. Mit 3 ist der durch den Kollimator ausgeblendete
Elektronenstrahl mit der Strahlachse 4 bezeichnet. Der nicht erwünschte Teil
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des Strahlfeldes prallt auf die erste Schicht 1 des Kollimators auf,
wird in dieser teilweise und in der nachfolgenden Schicht 2 vollständig abgebremst.
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Die innere Fläche der ersten Schicht 1 ist gegenüber der inneren
Fläche der zweiten Schicht 2 etwas zurückversetzt, so daß die innere Fläche der
Schichtl weiter von der Strahlachse 4 entfernt ist als die innere Fläche der Schicht
2. Mit 6 sind die Richtungen der austretenden Streuelektroden angedeutet.
Es ist ersichtlich, daß die aus der Schicht 1 austretenden Streuelektroden
von der vorstehenden Schicht2 im wesentlichen abgefangen werden oder aus
- der Schicht2 mit einem so großen Winkel zur Strahlachse'austreten, daß
sie sich nicht mit den energiereichen Elektronen des Strahls 3 in der Strahlrichtung
vermischen können.
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In der Anordnung gemäß F i g. 1 kann als nachteilig angesehen
werden, daß die in die Kollimatoröffnung ragenden kleinen Flächen der Schicht 2
von Strahlelektronen mit der vollen Energie getroffen werden, so daß in einem gewissen
Ausmaß Röntgenstrahlen erzeugt werden. Die Wirkungen dieser Rönt-g ge nstrahlen
sind aber wegen der kleinen Fläche derart gering, daß sie nicht ins Gewicht fallen.
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In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei
welchem die inneren Flächen der Kollimatoröffnung in Strahlrichtung geneigt sind,
die Kollimatoröffnung sich also in Strahlrichtung verengt. Hierbei sind mit
1 und 2 wiederum die beiden Schichten aus Stoffen niedriger bzw. hoher Atomnummrr
bezeichnet. Mit 3 ist der ausgeblendete Strahl mit der Strahlachse 4 bezeichnet,
während der unerwünschte und durch den Kollimator abgebremste Teil des Strahlfeldes
mit 5 bezeichnet ist. Infolge des Winkels, den die inneren Flächen der Kollimatoröffnung
mit der Richtung der Elektronenstrahlen bilden, werden die durch die Streuung abgelenkten
Elektronen, deren Richtung mit 6 angedeutet ist, teils in der Schicht
1
abgefangen und teils in der Schicht 2 abgebrenist oder gegenüber der Strahlachse
4 stark abgelenkt. Die Streuelektionen mit niedrigerer Energie vermischen sich deshalb
nicht mehr mit den energiereichen Primärelektronen in Strahlrichtung.
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Eine stärkere Ablenkung der in der Schicht 2 nicht vollständig,abgebremsten
und aus ihr noch austretenden Streuelektronen läßt sich, wie in F i g. 3
gezeigt ist, durch eine Kombination der Ausführungen gemäß F i g. 1 und 2
erreichen. Im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 sind die inneren Flächen
der Kollimatoröffnung der ersten, aus einem Metall mi niedriger Atoninummer bestehenden,
der StrahlqueRc zugewandten Schicht 1 in Strahlrichtung geneigt unc die inneren
Flächen der Kollimatoröffnung der nachfolgenden, aus einem Metall mit hoher Atomnummei
bestehenden Schicht 2 in Strahlrichtung gestuft. Dz in diesem Ausführungsbeispiel
die. vom abgebremstei) Teil 5 des Strahlfeldes herrührenden Streuelektronen,
deren Richtungen mit 6 bezeichnet sind, in del Schicht 2 einen größeren Weg
zurücklegen als bei dei Ausführung von F i g. 2, werden sie in der Schicht
2 in größerem Maße abgebremst und treten untei einem größeren Winkel gegenüber der
Strahlachse 4 des ausgeblendeten Strahls 3 aus. Es ist demnach nicht möglich,
daß die noch in den ausgeblendeten Strahl austretenden Streuelektronen zus2mmen
mit den energiereichen Primärelektronen auf die zu bestrahlende, Fläche gelangen.
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Da Wolfram wegen seines höheren spezifischen Gewichts schnelle Elektronen
für eine gegebene Weg-, länge wesentlich stärker abbremst als Blei und auch eine
wesentlich größere Seitenstreuung bewirkt, ist es vorteilhaft, den gestuften Teil
der Kollimatoröffnung ganz oder teilweise aus Wolfram herzustellen. Diese Ausführung
ist in F i g. 4 gezeigt, wo mit 7 ein ringförmiger, aus Wolfram bestehender
Teil der gestuften Schicht bezeichnet ist. Der übrige Teil der Schicht 2 besteht
beispielsweise aus Blei, während die Schicht 1
aus einem Metall mit niedriger
Atomnummer hergestellt ist, also beispielsweise aus Aluminium. Die-sei nur einen
Teil der Innenfläche der Kollimatoröffnung der Schicht 2 bildende Wolframring ist
weniger kostspielig als eine gänzlich aus Wolfram bestehende Schicht 2 und außerdem
leichter herstellbar. Trotzdem wird eine vollständig ausreichende Abbrems-und Ablenkwirkung
des Wolframs auf die Streuelektronen erzielt.
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Zur Ausblendung eines Elektronenstrahls, der eine Energie von etwa
35 MeV hat, mit einem Kollimator gemäß F i g. 1 oder 2, dessen mittlere
Öffnung zur Erzeugung eines Strahls von etwa 61> öffnungswinkel einen Durchmesser
von beispielsweise 100 mm
aufweist, kann die Dicke der Schicht
1 aus Aluminium 25 mm und diejenige der Schicht 2 aus Blei
10 mm betragen. Das störende Austreten von Streuelektronen wird in diesem
Fall wirksam verhindert. wenn in der Anordnung gemäß F i g. 1 die innere
Fläche, der Schicht 1 um etwa 6 mm gegenüber der inneren Fläche der
Schicht 2 von der Strahlachse weg zurückversetzt ist. In der Anordnung gemäß F i
g. 2 wird die gleiche Wirkung erzielt, wenn der Abstand der inneren Fläche der Bleischicht
2 von der Strahlachse 4 an der Strahlaustrittsseite etwa 6 mm kleiner
ist als der Abstand der inneren Fläche der Aluminiumschicht 1 von der Strahlachse
an der Strahleintrittsseite.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß F i g. 3 und 4 ist es bei
Annahme der gleichen Strahlabmessungen und Energien zweckmäßig, den Abstand der
inneren Fläche der Aluminiumschicht 1 von der Strahlachse, 4 an der Strahleintrittsseite
etwa 6 mm größer zu wählen als an der Stelle, wo die Schicht
1 auf der Bleischicht 2 aufliegt. Der gestufte Teil der Bleischicht 2 (F
i g. 3) bzw. des Wolframringes 7 (F i g. 4) soll seinerseits etwa
1 mm näher an der Strahlachse liegen.
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Für andere Strahlenenergien- und -geometrien lassen sich die günstigsten
Dimensionen von Kollimatoren
gemäß der Erfindung durch Berechnung
der mittleren Ablenkung der einfallenden Elektronen in den Metallschichten, insbesondere
in der ersten Schicht aus einem Metall mit niedriger Atomnummer, bestimmen.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die ge# zeigten Ausführungsformen.
Vielmehr sind auch andere Möglichkeiten der Gestaltung der inneren Flächen der Kollimatoröffnung
im Sinne der Erfindung denkbar. Ebenso ist es möglich, die Erfindung bei Kollimatoren
für Elektronenstrahlen anzuwenden, die aus mehr als zwei Schichten bestehen.
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Es zeigt sich, daß durch die Anwendung des Kollimators gemäß der Erfindung
ein begrenzter Elektronenstrahl erzeugt werden kann, dessen Energie nur sehr wenig
streut, so daß bei der Bestrahlung von Wasser oder Geweben günstigere Tiefendosiskurven
erhalten werden. Dadurch wird die Wirkung des Elektronenstrahles in der Tiefe verglichen
mit der unerwünschten Wirkung in geringerer Tiefe wesentlich erhöht. Ein weiterer
Vorteil liegt darin, daß die Herstellung des Kollimators keinen Mehraufwand zui
Folge hat.