VDI VDE 5575 Blatt 9-2012 X-ray optical systems - X-ray filters.pdf

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1、 ICS 17.180.30 VDI/VDE-RICHTLINIEN Oktober 2012 October 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Rntgenoptische Systeme Rntgenfilter X-ray optical systems X-ray filters VDI/VDE 5575 Blatt 9 / Part 9 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deu

2、tsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Optische Technologien VDI-Handbuch Optis

3、che Technologien VDI/VDE-Handbuch Mikro- und Feinwerktechnik VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgabe:11.11Entwurf, deutschFormeredition:11/11 Draft,inGermanonlyZube

4、ziehendurch/ AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 2 3 Formelzeichen . 2 4 Physikalische Grundlagen . 2 5 Parameter von Rntgenf

5、iltern 7 6 Anwendungen . 7 Schrifttum 8 Preliminary note . 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 2 3 Symbols . 2 4 Basic physical principles . 2 5 Parameters of X-ray filters . 7 6 Applications 7 Bibliography 8 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EE8ED9NormCD - Stand 2012-10 2 VDI/VDE 5575 Blat

6、t 9 / Part 9 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwen

7、dung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an de

8、r Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/5575. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-omm

9、endations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitt

10、ed subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/5575. 1 Anwend

11、ungsbereich Diese Richtlinie bezieht sich auf rntgenoptische Elemente, die den Effekt der Absorption der Rnt-genstrahlung beim Durchgang durch Materie zur Beeinflussung der spektralen Zusammensetzung von Rntgenstrahlung benutzen. 1 Scope This guideline refers to X-ray optical elements which use the

12、effect of the absorption of X-ray radiation in matter to influence the spectral compo-sition of X-ray radiation. 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 5575 Blatt 1:2009-11 Rntgenoptische Systeme; Begriffe 2 Normative referen

13、ces The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 5575 Part 1:2009-11 X-ray optical sys-tems; Terms and definitions 3 Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Benennung Einheit

14、d Dicke des Filters m Q Faktor der relativen Unter-drckung 1 Wellenlnge m linearer Absorptionskoeffizient m1mMassenabsorptionskoeffizient m2/kg spektraler Transmissionsgrad 1 3 Symbols The following symbols are used throughout this guideline: Symbol Term Unit d filter thickness m Q relative suppress

15、ion factor 1 wavelength m linear absorption coefficient m1mmass absorption coefficient m2/kg spectral transmittance 1 4 Physikalische Grundlagen Ein Rntgenfilter ist ein Element zum Blockieren oder Schwchen eines bestimmten spektralen Be-4 Basic physical principles An X-ray filter is an element to b

16、lock or attenuate a particular spectral range in the X-ray spectrum. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EE8ED9NormCD - Stand 2012-10All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 5575 Blatt 9 / Part 9 3 reichs im Rntgenspektrum. Das Funktionsprinzip eines Rntgenfil

17、ters basiert auf dem Effekt der Absorption der Rntgenstrahlung in Materie. Pho-tonen unterschiedlicher Wellenlngen bzw. Ener-gien werden in Materie unterschiedlich stark ab-sorbiert. Nach der Transmission eines Rntgen-strahls durch eine Materialschicht wird seine Inten-sitt reduziert, wobei verschie

18、dene Teile des Spektrums ungleich geschwcht werden. In der Regel werden niederenergetische Photonen strker absorbiert als hochenergetische Photonen. Infolge-dessen wird das Verhltnis zwischen nieder- und hochenergetischen Photonen im Spektrum zuguns-ten des hochenergetischen Anteils gendert, das hei

19、t die Strahlung wird aufgehrtet“. Zur Rntgenabsorption in Materie tragen folgende physikalische Prozesse bei: Fotoeffekt Comptonstreuung kohrente Streuung Bei niedrigen Energien erfolgt die Absorption der Rntgenstrahlung in Materie praktisch ausschlie-lich durch den Fotoeffekt. Der Beitrag des Foto-

20、effekts zur Absorption dominiert fr jedes Element bis zu Energien, die ungefhr vier- bis fnfmal grer sind als die Energie der jeweiligen K-Kante. Danach nimmt der relative Anteil des Fotoeffekts monoton ab, whrend der relative Beitrag der Comptonstreuung stetig anwchst und zur Haupt-ursache der Rntg

21、enabsorption wird. Der Beitrag der kohrenten Streuung ist im gesamten Energie-bereich relativ gering. Der Effekt der Streuung fhrt zur nderung des Strahlprofils. Ein kollimierter quasiparalleler Strahl wird nach der Transmission durch eine Materie-schicht divergenter und breiter. Diese Strahlver-bre

22、iterung ist bei hohen Energien bedeutend, wo der Beitrag der Comptonstreuung zur Gesamtab-sorption dominiert. Ein Rntgenfilter stellt normalerweise eine homo-gene Materialschicht dar. Er kann auch aus mehre-ren homogenen Schichten bestehen. Ein Rntgen-filter wird mithilfe seiner Transmissionsfunktio

23、n quantitativ charakterisiert: () = I()/I0() (1) Dabei ist I0() Eingangsintensitt I() Ausgangsintensitt Die Transmission () ist eine Funktion der Wel-lenlnge und kann experimentell aus zwei Spekt-ralmessungen entsprechend Gleichung (1) be-stimmt werden. Die Transmission kann auch auf-The functional

24、principle of an X-ray filter is based on the effect of the absorption of X-rays in matter. Photons of different wavelengths or energies, re-spectively, are absorbed in matter to different de-grees. The intensity of an X-ray beam is reduced after transmission through a material layer, differ-ent part

25、s of the spectrum being attenuated to a different extent. As a rule, low-energy photons are absorbed more strongly than high-energy photons. As a result, the ratio of low-energy to high-energy photons in the spectrum is changed in favour of the high-energy component, i.e., the radiation is hard-ened

26、. The following physical processes contribute to X-ray absorption in matter: photoeffect Compton scattering coherent scattering At low energies, absorption of X-ray radiation in matter is all but exclusively due to the photoeffect. The contribution of the photoeffect to absorption is dominant for ev

27、ery element up to energies about four to five times that of the respective K-edge. The relative contribution of the photoeffect then decreases monotonically while the relative contri-bution of Compton scattering increases continu-ously and becomes the main cause of X-ray ab-sorption. The contributio

28、n of coherent scattering is relatively small over the entire energy range. The effect of scattering results in the beam profile being changed. After transmission through the matter layer, a collimated quasi-parallel beam be-comes more divergent and broadens. This broaden-ing of the beam is significa

29、nt at high energies where the contribution of Compton scattering to the total absorption dominates. An X-ray filter normally represents a homogene-ous material layer. It can also consist of several homogeneous layers. An X-ray filter is quantita-tively characterized by the transmission function: ()

30、= I()/I0() (1) where I0() input intensity I() output intensity The transmission () is a function of wavelength and can be experimentally determined from two spectral measurements according to Equation (1). The transmission can also be determined on the B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EE8ED9N

31、ormCD - Stand 2012-10 4 VDI/VDE 5575 Blatt 9 / Part 9 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 grund der bekannten Absorptionskoeffizienten be-rechnet werden: () = exp( () d ) (2) Dabei ist () spektraler linearer Absorptionskoeffizient des Filtermaterials d Dicke des

32、Filters Der lineare Absorptionskoeffizient beschreibt die Absorption pro Schichtdickeneinheit: I/I = d (3) Der Massenabsorptionskoeffizient wird definiert als m= / und beschreibt die Absorption pro Masseneinheit. In Bild 1 ist der spektrale Transmissionsgrad als Funktion der Energie fr unterschiedli

33、ch dicke Aluminiumfilter dargestellt. Bild 1. Transmission eines Aluminiumfilters unter-schiedlicher Dicke Ein 1 mm dickes Aluminiumfilter unterdrckt den niederenergetischen Anteil des Spektrums unter-halb von 10 keV praktisch vollstndig. Ein 10 mm dickes Aluminiumfilter blockiert Photonen mit Energ

34、ien unter 20 keV, whrend ein 20 mm dickes Aluminiumfilter notwendig ist, um Photonen mit Energien bis 30 keV zu stoppen. Der hochenergeti-sche Anteil des Spektrums wird ebenfalls ge-schwcht, bleibt aber erhalten. Die Optimierung eines Rntgenfilters besteht darin, das Filtermate-rial und dessen Dicke

35、 so zu whlen, dass nieder-energetische Photonen bis zu einer gewnschten Energie praktisch vollstndig unterdrckt werden, aber der spektrale Transmissionsgrad fr hoch-energetische Photonen mglichst hoch ist. Filter, die nur zur Reduzierung der Intensitt dienen, wer-den in manchen Anwendungen als Absor

36、ber be-zeichnet. Im niederenergetischen Energiebereich, in dem die Absorptionskanten des Filtermaterials liegen, ist basis of the well-known absorption coefficient: () = exp( () d ) (2) where () spectral linear absorption coefficient of the filter material d filter thickness The linear absorption co

37、efficient describes the absorption per unit of layer thickness: I/I = d (3) The mass absorption coefficient is defined as m= / and describes the absorption per unit of mass. Figure 1 shows the spectral transmittance as a function of energy for aluminium filters of differ-ent thickness. Figure 1. Tra

38、nsmission of aluminium filters of dif-ferent thickness An aluminium filter 1 mm thick suppresses the low-energy component of the spectrum below 10 keV almost completely. An aluminium filter 10 mm thick blocks photons with energies below 20 keV, while an aluminium filter 20 mm thick is required to st

39、op photons with energies up to 30 keV. The high-energy component of the spec-trum is also attenuated but it is preserved. An X-ray filter is optimized by selecting the filter mate-rial and its thickness in such a way that low-energy photons up to a desired energy are suppressed al-most completely bu

40、t the spectral transmittance for high-energy photons remains as high as possible. Filters which serve only to reduce the intensity are in some applications referred to as absorbers. In the low-energy region where the absorption edges of the filter material are located, the spectral B55EB1B3E14C22109

41、E918E8EA43EDB30F09DCCB7EE8ED9NormCD - Stand 2012-10All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 5575 Blatt 9 / Part 9 5 der spektrale Transmissionsgrad keine monotone Funktion der Energie (Bild 2). Dieser Effekt kann fr eine energieselektive Filterung verwendet wer-de

42、n. Bild 2. Transmission eines 150 nm dicken Alumi-niumfilters bei niedrigen Energien Der Effekt der Filterung kann hufig mithilfe des folgenden Parameters beschrieben werden: Q = (1)/ (2) (4) Dieser Parameter bestimmt die relative Unterdr-ckung der Intensitt bei der Wellenlnge 2im Vergleich zur Inte

43、nsitt bei der Wellenlnge 1. 1und 2sind zwei typische Wellenlngen der Appli-kation, wobei man anstrebt, den spektralen Anteil um die Wellenlnge 2im Vergleich zum spektra-len Bereich um die Wellenlnge 1deutlich zu schwchen. In der Nhe von Absorptionskanten einzelner Ele-mente kann sich der spektrale T

44、ransmissionsgrad eines Rntgenfilters drastisch verndern. Dieser Effekt wird fr die Unterdrckung der Photonen in einem relativ engen spektralen Bereich genutzt (Bild 3). Bild 3. Transmission eines 15 m dicken Nickel-filters transmittance is not a monotonic function of en-ergy (Figure 2). This effect

45、can be used for en-ergy-selective filtering. Figure 2. Transmission of an aluminium filter 150 nm thick at low energies The effect of filtering can regularly be described by the following parameter: Q = (1)/ (2) (4) This parameter determines the relative suppression of intensity at wavelength 2compa

46、red to the in-tensity at wavelength 1. 1and 2are two typical wavelengths of the application seeking to attenuate the spectral component around wavelength 2as compared to the spectral region around wavelength 1. Close to absorption edges of particular elements, the spectral transmittance of an X-ray

47、filter can change drastically. This effect is used for the sup-pression of photons in a relatively narrow spectral range (Figure 3). Figure 3. Transmission of a nickel filter 15 m thick B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EE8ED9NormCD - Stand 2012-10 6 VDI/VDE 5575 Blatt 9 / Part 9 Alle Rechte v

48、orbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Im gezeigten Beispiel (Bild 3) werden Photonen mit Energien von ca. 8,5 keV bis 11 keV sehr stark geschwcht, whrend Photonen mit Energien un-mittelbar unterhalb der Absorptionskante (das heit 8,3 keV) das Filter nahezu ungeschwcht passieren

49、. Eine der wichtigsten Applikationen die-ses Effekts ist die starke Unterdrckung einer von zwei benachbarten charakteristischen Emissionsli-nien. Bild 3 zeigt die Unterdrckung der Cu-K-Linie im Vergleich zur Cu-K-Linie mithilfe eines 15 m dicken Nickelfilters. Der Faktor der relati-ven Unterdrckung wird in diesem Fall definiert als KK( )