DE2404618A1 - Roentgenstrahlen-fluoreszenzanalysevorrichtung - Google Patents

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Röntgenstrahlen-Fluoreszenzanalysevorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Quellenhalter-Kollimator zum Einkapseln radioaktiven Materials und zum Sammeln der von dem Material ausgehenden Emanationen.

Die Bestimmung von Bleipegeln in biologischen Proben ist von Wichtigkeit, beispielsweise die Bestimmung des Bleiniveaus im Blut von Kindern, bei denen durch Aufnahme von Farbstückchen gefährliche Bleiniveaus erreicht werden können. Diese Bleipegel gehen hinauf bis 0,08 mg % oder mehr, wohingegen normale Pegel zwischen 0,02 mg % bis 0,04 mg % betragen, d.h. 0,2 ppm, wobei 0,02 mg % = 0,2 mg Pb/100 g Blut 0,2 ug/ml =

409831/0901

Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung dieser Bleipegel verwendet worden; beispielsweise bekannte qualitative und/oder quantitative chemische Laboruntersuchungen, um so unbekannte Verunreinigungen in Proben festzu-. stellen; diese Systeme sind jedoch teuer und zeitaufwendig und ihre Genauigkeit hängt von der Ausbildung der die Versuche durchführenden Personen ab; darüber hinaus erfordern diese Versuche eine umfangreiche Verarbeitung der Proben, beispielsweise eine vorherige chemische Trennung der Verunreinigungen von der Probe.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile und sieht gemäß einem Ausführungsbeispiel ein ringförmiges Röntgenstrahlen-Fluoreszenzsystem vor, welches eine geformte ringwulstförmige Probengestalt um eine radioaktive Quelle niedriger Energie herum verwendet, die gegenüber einem Röntgenstrahlendetektor in enger Nachbarschaft zur Probe abgeschirmt ist. Durch richtige Auswahl der Bauteile wird - wie im folgenden im einzelnen beschrieben - die gewünschte Feststellung erreicht.

Kurz gesagt sieht gemäß einem Ausführungsbeispiel die Erfindung eine 36O°-Bestrahlung einer geformten ringwulstförmigen Probe um eine Ringanordnung von radioaktivem Material mit niedriger Energie vor, das eingekapselt und gegenüber dem Röntgenstrahlendetektor abgeschirmt ist, und zwar durch einen Kollimator, der die Primäremissionen vom radioaktiven Material vom Detektor weg und zur Probe hin kollimiert, wobei letztere in einer Ebene liegt, die durch die Ringanordnung und die geformte ringwulstförmige Probe verläuft. Der Detektor gestattet die gewünschte Röntgenstrahlen-Fluoreszenzanalyse, da er von den Primäremissionen des radioaktiven Materials abgeschirmt ist, aber noch immer in wirkungsvoller Weise die sekundären Rontgenstrahlenemissxonen von der Probe aufnimmt, die darin um 360° durch die kollimierten Primäremissionen von der Ringanordnung des radioaktiven Materials erzeugt werden. Gemäß einer Ausbildung ist eine radioaktive Quelle vorgesehen, die eine Ringanordnung von Sphären (Kugeln) eingekapselten radioaktiven Materials niedriger Energie aufweist,

409831/0901

_3- 2^04618

um selektiv spezielle Röntgenstrahlen ia der Probe anzuregen, wobei Mittel vorgesehen sind, die einen Halbleiterdetektor besitzen, um diese Röntgenstrahlen für die Röntgenstrahlen-Fluoreszenzanalyse festzustellen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt also, eine Niedrigenergie-Röntgenstrahlenfluoreszenzanalyse zur Feststellung von Blei in Blut anzugeben, wobei gemäß der Erfindung eine ringwulstförmige Probe benutzt wird, die um 3 60 herum bestrahlt wird, so daß sich ein schnelles, genaues und einfaches System ergibt, ohne daß die vorherige Trennung von Blei aus der Probe erforderlich ist.

Zum Stand der Technik wird auf die folgenden US Patentschriften verwiesen: 3 449 575; 2 479 882; 3 316 406; 2 797 333

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Teildraufsicht auf den Kollimator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1a eine Einzelheit der Fig. 1;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung sieht eine transportfähige Vorrichtung zur Bestimmung geringer Pegel von Metallverunreinigungen in biologischen Proben.vor, wobei ein Minimum an Probenaufbereitung erforderlich ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden "normale" Bleipegel im Blut, beispielsweise bis zu 0,02 mg % festgestellt, und insoferne sieht die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, welche überall, d.h. unabhängig vom Labor, im Aussendienst zur Untersuchung von Blutproben hinsichtlich Blei benutzbar sind. Es können jedoch höhere Bleipegel als 0,02 mg % in Blut oder anderen Proben gemäß dieser Erfindung für Forschungszwecke oder auf einer automatischen Basis bestimmt werden, wie sich aus der folgenden Diskussion im

409831/0901

einzelnen ergibt. Dem Fachmann ist klar, daß das erfindungsgemäße System auch zur Feststellung von Spurenelementen in irgendeiner in einen Wulstring geformten Probe, wie beispielsweise von Wasser, Luftreinigungsfiltern, usw., verwendet werden kann.

Es ist bekannt, daß die Fluoreszenz zur Feststellung von Elementen in einer Probe benutzt werden kann. Kurz gesagt, besteht die Röntgenstrahlenfluoreszenzanalysemethode darin, daß die Charakteristik der Röntgenstrahlen festgestellt und gemessen wird, die von den Atomen der Elemente in der Probe abgegeben werden, und zwar bei Erzeugung der Anregungszustände, wobei die Anregungszustände der Atome mit der Erzeugung von Leerstellen in den normalerweise besetzten elektronischen Energiepegeln oder Schalen, d.h. den M, L oder K Energieschalen zusammenhängen. Nach Erzeugung derartiger Leerstellen führt die darauffolgende Wiedereinstellung der Elektronen zur Emission spezieller Röntgenstrahlen mit bekannten Energien, welche für die Elemente charakteristisch sind, wobei die zur Erzeugung der Leerstellen erforderliche Energie bekannt ist und Leerstellen durch geeichte Energiestrahlungsquellen erzeugt werden, wie beispielsweise durch Elektronen, Protonen, Alphateilchen oder Photonen von hinreichender Energie, um ein Elektron aus einer Elektronenschale der Atome zu entfernen. Da die elektronischen Energiepegel oder -niveaus sämtlicher Elemente der Probe diskret sind und eine endliche Differenz dieser Niveaus zwischen deren Elementen besteht, hat es die genaue Messung der während der Anregung der Probe emittierten Energien ermöglicht, viele der Elemente in einer Verschiedenheit von Proben zu identifizieren.

Von den zwei bislang bekannten Röntgenstrahlenfluoreszenzanalysesystemen hat das Energiedispersionsverfahren gewisse Vorteile gegenüber dem Wellenlängendispersionsverfahren, wobei das erstere gemäß der Erfindung benutzt wird, um ein tragbares Detektorsystem zu erhalten. Das Energiedispersionsverfahren ist sehr wirkungsvoll durch Eliminierung der Verwendung von Brechungskristallen und Kollimatoren, die bislang im Zusammenhang mit dem Wellenlängendispersionsverfahren benutzt wurden, wobei noch hinzukommt, daß ein Detektor, dessen Ausgangsgröße eine Funktion der darin abgegebenen Energie ist, benachbartzu der

409831 /0901

2A04618

zu analysierenden Probe gebracht werden kann. Durch Verwendung dieses Verfahrens mit einem derartigen Detektor wird das gesamte Spektrum der in der Probe erzeugten Röntgenstrahlen durch elektronisches Sortieren der Detektorimpulse gemessen.

Anwendungen der beschriebenen Energiedispersionsmethode, wie beispielsweise industrielle Anwendungen für die Mehrelementanalyse von Proben, die Elemente bis hinab zu Natrium im periodischen System enthalten, sind in folgender Literaturstelle beschrieben: New York University Institute of Environmental Medicine Report NYU-3040 von Laurer, Kniep, Wrenn und Eisenbud. Die vorliegende Erfindung verwendet das oben erwähnte Energiedispersions-Röntgenstrahlenfluoressenzverfahren zur Feststellung von Blei in Blut, wobei eine ringwulstförmige Blutprobe verwendet wird, die auf 360° durch kollimierte Primäremissionen bestrahlt wird, welche durch einen Kollimator laufen, und zwar von einer Ringanordnung eingekapselten radioaktiven Quellenmaterials in der Mitte der ringwulstförmigen Probe, wobei die Probe den Kollimator umkreist, um den Detektor gegenüber Primäremissionen vom Quellenmaterial abzuschirmen. Wie im folgenden noch im einzelnen verständlich werden wird, verwendet ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine spezielle Anordnung mit einem Detektor, wie beispielsweise dem kürzlich entwickelten Halbleiterdetektor, wobei die Detektorausgangsgrößen eine Funktion der Energie der Sekundärröntgenstrahlenemissionen von der Probe sind, welche durch die Primäremissionen von der Quelle darin erzeugt werden. Die Erfindung verwendet in einem Ausführungsbeispiel eine spezeille radioaktive Quelle in einer kompakten Anordnung, um eine tragbare Vorrichtung zur Feststellung von Bleiin einer Blutprobe vorzusehen, und zwar in quantitativer und qualitativer Hinsicht, ohne daß die vorherige Trennung des Bleis aus dem Blut erforderlich wäre.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel - vergleiche dazu die Zeichnung - weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Quellenhalter 10 auf, der von einem Detektor 24 getrennt ist, welcher - wie im folgenden beschrieben wird - emittierte sekundäre Röntgenstrahlen aufnimmt und mißt.

409831/0901

ο -

24CH618

Der Halter 10 besteht aus eine^ scheibenförmigen Kollimator 17, der durch ein Paar von trapezoidförmigen Metall-Kollimiervorrichtungen 34 und 34' gebildet ist, die - wie gezeigt - mit abgeschrägten Seiten 38 und gemeinsamen Basen 36 zusammengebaut sind, um einen ringförmigen rechteckigen Kolliiaatorkanal 42 in seiner Kante 39 aufzuweisen, wobei ein kleinerer innerer Ringkanal 40 konzentrisch zum Kanal 42 verläuft. Der Kanal 40 ist mit dem Quellenmaterial 12 in einer Ringanordnung 14 angefüllt, was weiter unten beschrieben wird. Die Kante 39 trägt - wie unten beschrieben werden wird - die Blutprobe 22 längs einer kleineren Achse 41 in einem zu bestrahlenden Proben-Halteringwulst 52. Ein geeignetes Material für den Ringwulst 52 ist ein kleine Poren aufweisendes absorbierendes Kissen aus weissem Zellulosematerial, welches ein Aufsaugmedium oder Löschpapier bildet. In der Praxis wurde festgestellt, daß keine von aussen kommende störende Fluoreszenzspitzen durch das Aufsaugmaterial des das Blut haltenden Behälter-Wulstrings 52 erzeugt werden. Der Ring 52 wird durch den Kollimator 17 mittels einer Preßpassung an der äußeren Kante 39 gehalten.

Aus der dargestellten Konfiguration erkennt man, daß die Probe 22 sehr dicht zur Strahlungsquelle angeordnet sein kann, ohne daß eine Störung der Kollimation erfolgt, welche durch die Mittel 34 und 34' bewirkt wird. Der Kollimator 17 wird aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Nickel, hergestellt, was eine richtige Abschirmung gegenüber der Strahlung vom Quellenmaterial 12 bewirkt.

Innerhalb des rechteckigen Kanals 42 ist ein ringförmiges Berylliumaustrittsfenster 50 zwischen dem/Kanal 40 angeordneten radioaktiven Quellenmaterial 12 und dem Probenhaltewulstring angeordnet, um das radioaktive Quellenmaterial innerhalb des Kanals 40 zu halten und um auch als Filter die gewünschte Primärstrahlung von dem Quellenmaterial zur Blutprobe zu übertragen.

Der Detektor 24 ist innerhalb eines durch flüssigen Stickstoff gekühlten Kryostaten 51 angeordnet, um eine Ausgangsgröße 26 zu erzeugen und um die Auflösungseigenschaften des unten zu be-

409831/0901

schreibenden Detektoxmacerials aufrechtzuerhalten, was dem Fachmann ohne weiteres verständlich ist. Die Ausgangsgröße 26 wird - wie unten erläutert - zur Erzeugung einer Spektralanalyse verwendet, durch welche das Vorhandensein von Blei festgestellt und gemessen werden kann.

Der Kollimator 17 ist direkt auf dem Kryostaten 51 benachbart oder in Berührung mit einem Berylliumfenster 49 angeordnet, welches gestattet, daß die von der Probe innerhalb des Behälters 52 emittierten Röntgenstrahlen in der durch die Pfeile angedeuteten Weise ungehindert in Richtung des Detektors 24 laufen können. Es sei darauf hingewiesen, daß der Ringquellen-Haltekanal 40, das Ring-Berylliumfenster 50 und der Ringproben-Haltebehälter 52 auf Drehachse 23 zentriert sind und sämtlich in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die parallel zum Fenster 49,im Kryostaten 51 verläuft, so daß der Detektor 24 in wirksamer Weise mit gleichem Abstand gegenüber sämtlichen obigen Elementen der Anordnung gehalten ist.

Ein geeignetes radioaktives Quellenmaterial 12, welches eine ringförmige zentrierte Kern- oder Core-Vorrichtung zur Verwendung im Kanal 14 bildet, weist eine Ringanordnung von Mikrosphären (Mikrokügelchen) auf, die ungefähr 250 Mikron Durchmesser be-

238 238

sitzen und aus PuO- bestehen. Pu zerfällt durch Alphateilchenemission mit einer Halbwertszeit von 86 Jahren, so daß eine Erneuerung dieses Materials während der normalen Lebenszeit der Vorrichtung nicht erforderlich ist. Der Uran-234 Abkömmling dieses Isotops emittiert L-Röntgenstrahlen von 11,6 keV, 13,5 keV, 17,0 keV und 20,2 keV in annähernd 13% seines Zerfalls. Diese Röntgenstrahlen liegen nahe der L-Absorptionsflanke des Bleis, was einen wesentlichen Anstieg der Absorption durch Blei der Röntgenstrahlen zur Folge hat. Die Auswirkung der Strahlung vom PuO₂-Quellenmaterial besteht darin, daß das in der Probe vorhandene Blei veranlaßt wird, sekundäre Röntgenstrahlen auszusenden, welche durch Detektor 24 festgestellt und gemessen werden können.

409831/0901

_ Ω —

Im Betrieb wird eine auf Blei zu untersuchende Blutprobe durch Kapillarwirkung in ein Hematokritrohr gezogen und dann Tropfen für Tropfen in ein absorbierendes Material gegeben, welches in der Form des beschriebenen Blutbehälter-Wulstrings 52 ausgebildet ist, um so das Festhalten und die Formgestaltung oder Formung der Blutprobe zu erreichen. Der Ringwulst wird sodann in der in der Zeichnung gezeigten Weise in den Kollimator 17 eingesetzt. Die von der Quelle 12 ausgehende Strahlung wird radial nach aussen gehend durch die beschriebene Form gesammelt, wodurch das Blei in der Blutprobe angeregt wird. Der Detektor 24 erzeugt eine Spektralanalyse, aus welcher die Menge des Bleigehalts in der Blutprobe entnehmbar ist. Es wurde festgestellt, daß gute Ergebnisse mit Belichtungszeiten von weniger als 1 Minute erreicht werden können.

Zum Zwecke der Eichung kann eine Standardbleilösung einer Probe bleifreien Blutes der gleichen Art hinzugefügt werden, aus welcher dann ein Aliquot entnommen und zentrifugiert wird, um die 95% der Blutbleilast enthaltenden roten Blutkörperchen zu trennen. Das beispielsweise in einer Zentrifuge erfolgende Zentrifugieren konzentriert das Blei in wirkungsvoller Weise in der Probe mit einem Faktor von ungefähr zwei. Nach dem Umlaufenlassen durch das Zentrifugieren wird der die roten Blutkörperchen enthaltende Teil auf den durch den Ringwulst 52 gebildeten Behälter getropft und der Detektor kann durch übliche Verfahren unter Verwendung standardisierten radioaktiven Quellenmaterials und eines Einkanalanalysators geeicht werden. Im folgenden seien Beispiele für die Erfindung angegeben.

BEISPIELE

Eine Blutprobe wurde zur Feststellung von lediglich der davon herrührenden Blexrontgenstrahlen verwendet, während andere Fluoreszenzanalysen gleichzeitig die Feststellung von Röntgenstrahlen verschiedener Elemente vornehmen; die erfindungsgemäße Auswahl der Materialien und ihre ringwulstförmige Anordnung gewährleisteten eine Bestrahlung des Probenringwulstes in der Ebene der Quelle um 360° herum, und zwar selbst dann, wenn die Quelle bis auf 1mm der Probenoberfläche und die Probe bis auf 1 mm des Detektoreingangsfensters gebracht wurde. Die Fluoreszenzröntgen-

409831/09Q1

strahlen trugen nicht V73sentiicp zur Bleiröntgenstrahlenenergieregion bei, da die wulstringförmige Anordnung der vorliegenden Erfindung die Streuung von der Quellenstruktur minimierte, während das Probenfluoreszenz/Streu-Verhältnis maximiert wurde. Es wurde festgestellt, daß ohne die beschriebene Anordnung einer der signifikanten Beiträge zu den Dunkelstössen bei der Dispersionsfluoreszenzanalyse infolge sowohl kohärenter als auch inkohärenter Streuung der Prxmärerregungsröntgenstrahlen an den Strukturmaterialien und der Probe selbst auftritt.

Es wurde ein Halbleiter-Röntgenstrahlendetektor mit hoher Auflösung und Eigenleistungsfähigkeit verwendet. Ein verwendeter Detektor war ein Lithiumdrift-Silizium Si(Li) -Detektor. Diese Detektorart ist in den US Patenten 3 381 367 und 3 278 668 beschrieben und weist eine Silizium-Intrinsicregion und eine Lithiumdriftregion auf, was in Verbindung mit diesen Detektoren und den alternativ verwendbaren Ge-Detektoren bekannt ist, wobei letztere in dem "Brookhaveri Nat. Lab. Report BNL 16610 beschrieben sind. Unterhalb ungefähr 16 keV hatte der verwendete 3 mm dicke Si(Li)-Detektor ungefähr 100% Wirkungsgrad, und die festgestellten L-Schalen Röntgenstrahlen des Bleis waren samt- ■ lieh unterhalb dieser Energie, wobei die Bleiröntgenstrahlen beispielsweise Energien von 14,762 keV (Ly), 12,620 keV (L.,), 12,611 keV (L. ), 10,549 keV (L ) oder 10,448 keV (L. )

• ¹ 1 2

hatten.

Der Detektor war in einem vakuumdichten Behälter mit einem Röntgenstrahleneintrittsfenster untergebracht und wies ein 5/1000 Zoll dickes Berylliumfenster 49 auf, welches für eine 100%-ige Durchlässigkeit der sekundären charakteristischen Röntgenstrahlen von der Blutprobe oberhalb 10 keV ausgewählt war. Um überlegene Auflösungseigenschaften beizubehalten, war der Si(Li)-Detektor auf Temperaturen des flüssigen Stickstoffs abgekühlt.

Die verwendete Eichkurve für den Si(Li)-Detektor wurde mit einer

Co-Quelle mit Photonenenergien von 6,399 keV, 7,057 keV und

14,40 keV hergestellt. Dies lieferte eine Energieeichung, wo

409831/0901

der Mittelpunkt der 10,5 keV Pb L-Röntgenstrahlenspitze im Kanal 270 des Analysators erschien.

2 Die folgenden Instrumente wurde zusammen mit einem 200 mm Si(Li) Detektor 24 verwendet:

1. Vorverstärker

2. Spektroskopischer Verstärker

Ein leerer Proben-Ringwulst ergab eine erste Mehrkanalanalysatorausgangsgröße und somit eine bleifreie Dunkelstoßzählung. Wenn dann die Ringwülste Blei enthielten, wurden qualitative und quantitative Kanalausgangsgroßen erzeugt, die für das im Ringwulst vorhandene Blei charakteristisch sind.

Die Auswahl der Betektorgröße gründete sich auf die beiden Faktoren der Auflösung und des geometrischen Wirkungsgrades. Die Auflösung war gut genug, um einen, wenn nicht beide, der am meisten vorhandenen L-Röntgenstrahlen vom Blei in der Blutprobe, d.h. 10,5 keV und 12,6 keV, gegenüber anderen Röntgenstrahlen von der Blutprobe zu trennen. Die Detektorfläche war so groß als möglich, um maximalen geometrischen Wirkungsgrad zu erhalten.

Da die von dem Si(Li)-Detektor erhaltbare Auflösung eine umgekehrte Funktion seiner Größe war, war die gewählte Größe ein primär durch die anderen Röntgenstrahlen vom Blut diktierter Kompromiss. Die Tabelle I gibt die Normalwerte mit Bereichen des Elektrolytgehalts des menschlichen Bluts an:

409831/0901

	- 11 - TABELLE I	der Bestandteil	Gesamtblutwert der gleichen Art (jag/100 ml)
Bestandteil	Gesamtblutwert gleichen Art (ug/100 ml)	Lithium	1,9(0,9-3,0)
Aluminium	(21-94)	Mangan	4,040(3580-4500)
Brom	810(330-1730)	Quecksilber	0,385(0,16-0,51
Kalzium	9,700	Phosphor (gesamt)	35,000
Chlorid	295,000	Kalium	168 000
Chrom	3,5	Rubidium	303(260-345)
Kupfer	98(72-124)	Silizium	830
Fluor	(11-45)	Silber	Spuren
Gold	12	Natrium	200,000
Jod	9,7(2,5-16,9)	Schwefel (gesamt)	1,928
Eisen	(45,500-52,300)	Zinn	13
Blei	29(18-49)	Zink	880(480-1280)

war
Zwar/eine große Anzahl von Elementen in der Blutprobe, die sämtlich mehr oder weniger zu Matrixwirkungen in der Probe beitragen könnten, nichtsdestoweniger erfordern aber Rubidium (ungefähr 300 Mikrogramm/100ml), Brom (ungefähr 800 Mikrogramm/ 100 ml) und Zink (ungefähr 900 Mikrogramm/100 ml) die sorgfältigste Betrachtung im Hinblick auf ihre mögliche spektrale Interferenz mit den Bleispitzen in den durch den Detektor erzeugten Ausgangssignalen.

Es wurde in der Praxis festgestellt, daß K^ und K^ von Brom bei 11,9 keV und 13,4 keV und die 15,1 keV und 13,35 keV K^ und K₀^ Spitzen des Rubidiums die 14,7 keV L ^-und 12,6 keV L^ Röntgenstrahlen des Bleis in der Blutprobe umklammerten, während die Brom (11,9 keV) und die 9,6 keV K4 Röntgenstrahlen des Zinks die 10,5 keV L ^Röntgenstrahlen des Bleis umgaben. Infolge der geringen Mengen und der engen Nachbarschaft gegenüber den K /3 Röntgenstrahlen des Rubidiums wurden die L ^ Röntgenstrahlen des Bleis vermieden und der Detektor analysierte stattdessen die verbleibenden K.^(10,5 keV) und L a (12,6 keV) Röntgenstrahlen des Bleis, die beide um ungefähr 900 eV gegenüber möglichen

409831 /090 1

240Λ618

Interferenzröntgenstrahlen getrennt waren. Die minimale Auflösung betrug somit 350 eV (volle Breite der Spitze bei 1/2 maximaler

2
Höhe). Zu dem Zwecke wurde ein 200 mm Si(Li)-Detektor mit garantierten Auflösungen von < 300 eV (volle Breite der Spitze bei 1/2 maximaler Höhe) bei der 5,9 keV Mn K. Energie verwendet. Das tatsächliche System hatte eine garantierte Auflösung von 270 eV, volle Breite der Spitze bei 1/2 Maximalhöhe, (5,9 keV), was unter Verwendung von 6,4 keV Fe K₀^ Röntgenstrahlen bei 280 eV (volle Breite der Spitze bei 1/2 Maximalhöhe) geprüft wurde. Ein tatsächlich verwendetes System war ein Ortec-Modell Nr. 7016-16270 aus Oak Ridge, Tennessee, USA.

Im Hinblick auf Sicherheitsbetrachtungen bei der tragbaren Vorrichtung dieses Beispiels wurde die Quelle allgemein auf Stärken in der Größenordnung von Millicurie gehalten, was jedoch die verfügbaren primären Ausgangsemissionen auf die Größenordnung von

7 R
10 bis 10 Photonen/Sekunde begrenzte. Um eine Isotopenquelle mit den korrekten Emissionen für die erforderliche wirkungsvolle Anregung der Probe zu erhalten, wurden gleiche Größe aufweisende

Pu-MikroSphären (Mikrokügelchen) von FuO« mit Durchmessern von

250 Mikron als zweckmäßig erkannt, obwohl auch größere oder kleinere Durchmesser-Quellen benutzt werden können. Diese Sphärengröße hat eine Aktivität pro Sphäre gemäß der folgenden Tabelle II-

TABELLE II

Volumen = 4/3 iTr³ = 4,2 (1,25 χ 10~² cm)³ = 8,15 χ 1O~⁶ cm³

Masse von Pu = 8,15 χ 10 cnT χ 7,35 gm/cirr⁵

= 6,0 χ 10 gm Pu

²³⁸Pu Aktivität = 6,0 χ 10~⁵ gm χ 17,5 Ci/gm

= 105 χ 10~⁵ Ci
oder κ 1,0 mCi/250 μ Sphäre PuO „

Dies ergibt eine Aktivität von 25 m Ci in einem 2 mm Durchmesserkreis, der die kleinere Achse der Ringanordnung der radioaktiven Mikrosphären, d.h. der eingekapselten Pellets bildet.

409831/0901

Die Quellen waren vorteilhafterweise frei von störenden Strahlungen und hatten angemessene Kosten. Eine Plutionium-238 Quelle zerfällt durch Alphateilchenemission mit einer Halbwertszeit von 86 Jahren, während der Uran-234-Abkömmling L Röntgenstrahlen von 11,6 keV, 13,5 keV, 17,0 keV und 20,2 keV in annähernd 13% seiner Zerfälle emittiert. Die Uran-L-Röntgenstrahlen sind 2,5 χ größer

109
als diejenigen von Cd.

Eine tatsächlich verwendete Quelle war eine 4 mm Durchmesser 20 m Ci-Quelle von Amersham-Searle, die fünf 1 mm Durchmesser

238

perlenförmige Pellets verwendete, wobei jede 4 m Ci Pu für eine Gesamtaktivität von 20 mi Ci sandwichartig zwischen 0,5 mm Kupferscheiben enthielt. Eine Quelle der Mound Laboratorien

ο O Q

wies Pu-Sphären in der Form von PuO₂ von 50 Mikron bis 400 Mikron Durchmesser auf, wobei die erwünschten 250 Mikronsphären eine Aktivität pro Sphäre gemäß der obigen Berechnung aufwiesen. Durch Anordnung der Mikrosphären in der in der Zeichnung gezeigten Weise ist es möglich, 25 m Ci Aktivität in einem 2 mm Durchmesser-Kreis zu erhalten.

Um die niedrigste mögliche Feststellungsgrenze mit dem beschriebenen Röntgenstrahlenfluß zu erhalten, optimierte die Ausbildung der Ringquelle, des Halters und des Kollimators dieser Erfindung die Quellen-Proben-Detektor-Geometrie durch Anordnung der Probe dicht am Detektor zur Maximierung des Detektorwirkungsgrads, wobei gleichzeitig die Anzahl der von der Quelle zum Dektektor direkt übertragenen Röntgenstrahlen minimiert, die Steuerung und Fluoreszenz von den Strukturmaterialien um die Quelle herum minimiert und das Fluoreszenz/Streuungs-Verhältnis der Probe maximiert wird. Darüber hinaus bringt die erfindungsgemäße ringwulstartige Ausbildung der Quellen-Proben-Geometrie eine Streuung für die Anregungsphotonen unter den besten Winkeln, um das Energieinkrement zwischen den Bleiröntgenstrahlen und die Streuinterferenz zu erhöhen und die Anzahl der gestreuten Photonen zu vermindern.

Zu diesem Zweck wurde die Blutprobe in Wulstringform geformt, um so ein wulstringförmiges Ziel zu schaffen, das um 60 herum bestrahlt wurde. Die Wulstringe wurde mit einem 8 mm Aussendurch-

409831/0901

.. ₁₄ - 24ÜA618

messer und einem 4,2 mm Innendurchmesser geschnitten, um die

die Probe leicht über die 4 mm Quelle zu schieben. Die/Quelle in ihrer Lage haltende Fadenkreuze hielten auch den Ringwulst in seiner Lage um das Berylliumaustrittsfenster herum, welches für die Quelle im Kollimationsraum ausgebildet im Kollimator vorgesehen ist.

Während der Herstellung wurde der Wulstring auf einer 4,2 mm Durchmesser-Welle mit einer Grundbefestigungsanordnung gehalten, die aus einer Polytetrafluoräthylenstange geschnitten war, an der Blut nicht anhaftet. Ein filterpapierartiges toroidförmiges Aufsaugelement von 0,8 mm Dicke wurde zu einem Ringwulst geformt, worauf nach Hinzufügung der Blutprobe der Ringwulst unter einer Wärmelampe getrocknet wurde, während die Welle stillstand. Eine ausreichende Trocknung erfolgte innerhalb von 3 bis 4 Minuten, worauf dann der Ringwulst für die Fluoreszenzanalyse bereit war und um eine Ringanordnung von eingekapselten radioaktiven Pellets angeordnet wurde, welche als hohler Zentralkern nahe der Probe um 360° angeordnet waren, während die Probe von der Quelle durch den Kollimator abgeschirmt, aber dicht zum Detektor um 360 herum lag. Diese Anordnung gestattet die Bestrahlung der Probe in der Quellenebene um 360° herum, während die Quelle innerhalb eines Abstands von ungefähr 1 mm gegenüber der Oberfläche der Probe lag und die Probe ungefähr 1 mm vom Be-Eintrittsfenster 49 des Detektorkryostaten 51 angeordnet war. Die Detektorlage innerhalb des Kryostaten war durch den Hersteller auf einen Minimalabstand von 5 mm gegenüber dem Fenstereintritt eines vakuumdichten Behälterkryostaten 51 festgelegt.

Bei der ringwulstförmigen Ausbildung dieses Beispiels verhinderte ein 1 mm Kollimationsraum zwischen der Quelle und der Probe die direkte Übertragung der Quellenemissionen von der Quelle zum Detektor, und durch Anordnung der Quelle innerhalb der Probe wurde aussenliegendes Struktur- oder Konstruktionsmaterial eliminiert, wodurch die Streuinterferenz auf die Probe selbst beschränkt wurde, während eine minimale Streumenge und Fluoreszenz von den Kanten des Quellenhalters, gebildet durch den Kollimator, erzeugt wurde. Darüber hinaus bestand der Kollimator aus Nickel, so daß

409831/0901

seine Fluoreszenzrontgenstrahlen keine Interferenz mit der 10,5 keV Pb-Region hervorriefen. Wegen der durch den beschriebenen Aufbau und den Kollimator bezüglich des Detektors hervorgerufenen Richtung der Quellenemissionen war die Streuung vorherrschend 90 , so daß die Verminderung in der Anzahl der bei diesem Winkel gestreuten Photonen im interessierenden Energiebereich und die angestiegene Energietrennung zwischen dei Pb-Fluoreszenzenergien ausgenützt wurden.

angestiegene Energietrennung zwischen der 90°-Streuung und den

Es wurde festgestellt, daß dieser Aufbau somit die Dunkelstöße minimiert, und zwar infolge der Streuung und Fluoreszenz der äußeren Strukturmaterialien, während das Analysatorausgangssignal erhöht wird, und zwar durch die dichtest mögliche Nachbarschaft von sowohl der Quelle-Probe als auch von Probe-Detektor. Schätzungen des geometrischen Wirkungsgrades für die in diesem Beispiel verwendete Ausbildung lagen "bei annähernd 11% für Quelle zu Probe und 10% für Probe zu Detektor mit einem 8 mm

Durchmesser Be-Eintrittsfenster/am Kryostaten, wie in der Zeichnung gezeigt. Infolge der Symmetrie von Quelle und Probe kann der Proben-Detektor-Wirkungsgrad um 20% durch die richtige Verwendung von zwei der beschriebenen Detektoren erhöht werden.

Die Systemempfindlichkeit und die Feststellgrenze für die Messung von Blei in Blut unter Verwendung der beschriebenen 20 m Ci Amersham-Searle Quelle wurde durch Hinzufügung bekannter Mengen standardisierter Bleilösung zu gemessenen Mengen "normalen" Blutes bestimmt. Die verwendete Standardbleilösung enthielt 1000 ppm oder 1 Milligramm Pb/ml. Ein Zehntel ml der Standardlösung, d.h. 100 Mikrogramm Pb wurden 10 ml Blut hinzugefügt, um eine 100 Mikrogramm/10.1 ml = 9,9 Mikrogramm/ml =9,9 ppm enthaltende Lösung herzustellen. Es wurden 9 Blutlösungen hergestellt, die 0,5; 1,0; 2,0; 3,3; 4,3; 5,0; 6,2; 7,4; und 9,9 ppm Blei enthielten.

Blutproben für die Zählgeschwindigkeitsbestimmungen wurden in Ringwülsten hergestellt, und zwar unter Verwendung von Aliquots von 75 Mikroliter jeder der neun Lösungen, die in den Ringwulst eingetropft und getrocknet wurden.

409831/0901

I k U U 6 1 8

Für jede der Proben wurden zehn 1-Minuten-Zählungen durchgeführt, aus welchen die mittleren Standardabweichungen berechnet wurden, die als repräsentativ für die Zählgeschwindigkeit dieser Probe angesehen werden. Die mittlere Zählgeschwindigkeit eines 75 Mikroliter Aliquots von "normalem " Blut mit keinem hinzugefügten Blei, ebenfalls zehnmal gezählt, wurde dann von den 9 Proben abgezogen. Die resultierende Kurve wurde als gerade Linie berechnet (p = 0,994) bei einer Neigung von 29,7 cpm/ppm.

Die folgende Tabelle III faßt die obigen Ergebnisse zusammen:

Zeit
(Min. )

TABELLE	III	(pg%)-	(yig)
		59	0,089
(ppm)	Feststellungsgrenze	42	0,063
0,59	(jig /ml)	26	0,040
0,42	0,59	19	0,028
0,26	0,42	15	0,023
0,19	0,26	11	0,016
0,15	0,19
0,11	0,15
0,11

Die oben beschriebene tragbare Vorrichtung kann normale Pegel von Blei in Blut mit minimaler Probenaufbereitung innerhalb einer kurzen Analysezeit feststellen; diese Vorrichtung kann im Aussendienst zur überwachung, als Forschungsvorrichtung und/oder in automatischen Systemen benutzt werden. Hinsichtlich der Grundparameter dieses Systems, d.h. Hintergrundempfindlichkeit, Feststellgrenzen und Drift (Basislinie und Verstärkung) ist jedes dieser Systeme identisch, während die Instrumentierung unterschiedlich ist. Das Überwachungssystem erzeugt dabei (die Leistungsversorgung sei hier nicht betrachtet) eine ja/nein-Entscheidung und arbeitet mit nur einem Verstärker, einem Einkanalanalysator und einer Skalen-Zeit-Auslese-Vorrichtung. Das Forschungssystem wird für quantitative Messungen verwendet und ist zur Überwachung des gesamten Energiebereichs von ungefähr 2 keV bis 20 keV ausgerüstet. Letzteres erfordert einen zusätzlichen Mehrkanalanalysator. Für den automatischen Betrieb wird

409831/0901

2ACK618

ein automatischer Ausdrucker und ein Punktzeichner für die Betrachtung des Spektrums hinzugefügt. Im Falle automatischen Betriebs mit dem uberwachungssystem würde bei übernachtbetrieb eine automatische Drucker-Skalenvorrichtung hinzugefügt.

409831/0901

Claims (7)

1. - 18 P ATENT AN SP RÜ CHE

   j Röntgenstrahlenfluoreszenzanalysevorrichtung zur Feststellung von Blei im Blut von Kindern mit einer radioaktiven Quelle zur Bestrahlung einer Probe und zur Erzeugung sekundärer Reaktionsprodukte, die entsprechend dem Blei in der Probe festgestellt werden,
   gekennzeichnet durch

   einen wulstringförmigen Probenring (22), der um 360 herum durch eine radioaktive Quelle in dem Ring innerhalb des Probenrings bestrahlt wird und eine Abschirmung zwischen der Quelle und dem Detektor zur Kollimation der Strahlung von der Quelle zur Probe und vom Detektor weg.
2. 2. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zentrierte erste Kernmittel, die eine Ringanordnung aus radioaktivem Material in einer Ebene bilden, um Primäremissionen aus dem radioaktiven Material zu erzeugen, wobei scheibenförmige zweite Mittel einen Halter mit einer Nut um die Aussenkante herum bilden, um die Ringanordnung des radioaktiven Materials zu halten, einzuschließen und zu umfaßen, und um die Primäremissionen davon nach aussen in der Nut zu kollimieren, und zwar in einer Richtung vom Zentrum der Ringanordnung in der Ebene der Ringanordnung weg, wobei ferner wulstringförmige dritte Mittel einen ringförmigen Behälter bilden, um die biologische Probe in eine entsprechende Form zu bringen, und wobei dieser Behälter auf der Drehachse der Ringanordnung um die Nut herum ausgebildet ist, und wobei schließlich vierte Mittel einen Detektor bilden, der benachbart zu den wulstringförmigen dritten Mitteln liegt und gegenüber den Emissionen des radioaktiven Materials abgeschirmt ist, und zwar durch die scheibenförmigen zweiten Mittel.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen sekundären Emissionen Röntgenstrahlen sind, die von den Atomen des Metallelements abgegeben werden, und zwar infolge der Erzeugung angeregter Zustände durch die

   409831/0901

   Primäremissionen, und wobei die vierten Mittel einen Röntgenstrahlenfluoreszenzdetektor für die von dem Metall abgegebenen Röntgenstrahlen aufweisen.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Sekundäremissionen Röntgenstrahlen sind, die von den Atomen des Metallelements abgegeben werden und zwar infolge der Erzeugung von Anregungszustanden in diesen durch die darauf einfallenden Primäremissionen in der biologischen Probe in den dritten Mitteln, wobei die vierten Mittel die charakteristischen Sekuridäremissionen unterscheiden, und zwar durch Energiedispersion als ein Maß für die Menge des in der biologischen Probe vorhandenen Elements, wobei die vierten Mittel eine Ausgangsgröße als Funktion der Energie erzeugen, die in diesen durch die charakteristischen Sekundäremissionen abgeschieden wurde.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

   die vierten Mittel einen Halbleiter aufweisen, und zwar einen Silizium-, Germanium- oder Lithium-Drift-Halbleiterdetektor, und wobei Mittel vorgesehen sind, um eine Ausgangsgröße proportional der Energie der charakteristischen Sekundäremissionen zu erzeugen, die von den Detektoren von der biologischen Probe empfangen werden.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Blut als biologische Probe verwendet wird, welches durch Blei als Metallelement verunreinigt ist, und wobei die vierten Mittel auf die charakteristischen Sekundäremissionen des Bleis ansprechen, um eine Ausgangsgröße proportional der Bleimenge in der biologischen Probe zu erzeugen.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Mittel auf charakteristische -Sekundäremissionen ansprechen, die 10,5 und 12,6 keV K^_- Röntgenstrahlen sind, um eine Ausgangsgröße proportional der Bleimenge zu erzeugen.

   409831/0901

   8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Mittel einen vakuumdichten Behälter aufweisen, der kryogen gekühlt ist, und daß für die vierten Mittel ein Berylliumfenster vorgesehen ist, und wobei die vierten Mittel zur Auswahl und Feststellung der Sekundäremissionscharakteristik der Bleiverunreinigung in einer biologischen Probe dienen.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das

   238
   ■ erste Mittel Pu ist, um Primäremissionen im Energiebereich der L-Absorptionszone des Bleis zu erzeugen, und um charakteri

   7 8 stische Sekundäremissionen im Bereich von 10 bis 10 Photonen pro Sekunde zur Feststellung der vierten Mittel zu liefern.

   A 09831/0901