EP0425718A1 - Röntgenstrahlerzeuger - Google Patents

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EP0425718A1
EP0425718A1 EP89120143A EP89120143A EP0425718A1 EP 0425718 A1 EP0425718 A1 EP 0425718A1 EP 89120143 A EP89120143 A EP 89120143A EP 89120143 A EP89120143 A EP 89120143A EP 0425718 A1 EP0425718 A1 EP 0425718A1
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EP
European Patent Office
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cathode
ray generator
anode
generator according
ray
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EP89120143A
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English (en)
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EP0425718B1 (de
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Manfred Dr. Schuster
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Bruker AXS Analytical X Ray Systems GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Priority to DE58908218T priority patent/DE58908218D1/de
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    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
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    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
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    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/08—Targets (anodes) and X-ray converters
    • H01J2235/081—Target material
    • H01J2235/082—Fluids, e.g. liquids, gases

Definitions

  • the invention relates to an X-ray generator according to the preamble of patent claim 1.
  • X-ray tubes for fine structure examinations are known from J. Urlaub, X-ray analysis vol. 1. X-rays and detectors (Siemens, Düsseldorf 1974) pages 71 to 75.
  • the invention has for its object to provide an X-ray generator of the type mentioned, which is simple in construction and has a high brilliance. This object is achieved by an X-ray generator according to claim 1.
  • the brilliance of an X-ray tube can generally be improved because liquid anodes tolerate a higher electron beam power density (no crack formation, better heat dissipation by mixing).
  • the brilliance can also be increased selectively in terms of energy or wavelength by means of X-ray optical effects with a flat beam tap. The prerequisite for this, a smooth anode surface, is ideally met by liquid anodes.
  • claims 2 to 12 relate to configurations of the x-ray generator according to claim 1
  • claims 13 and 15 are directed to a method for operating an x-ray generator.
  • the X-ray generator shown schematically in Fig. 1 consists essentially of a housing formed by the metal wall 1, the beam exit windows 2, the anode support 3/4 and the glass high-voltage bushing 5, a filament 7 arranged in a high vacuum of the housing and connected to voltage supply lines 6 as Cathode and a Wehnelt electrode 8 for focusing the electrons emitted by the incandescent filament 7 onto the anode 9 which is liquid during operation.
  • water 16 or another coolant is added the channel 11 present in the fastening flange 10 is brought up to the anode support base 4 and derived via the channel 12.
  • the coolant circuit between the anode support base 4 and the mounting flange 10 is sealed by an O-ring 13.
  • Performance there is no significant loss of anode liquid 9 to be feared by evaporation, provided that it is cooled sufficiently.
  • the evaporation rate rises considerably at high tube outputs, so that the loss of material can no longer be neglected.
  • There is a dynamic equilibrium between the evaporation rate and the condensation rate since the cooling effect increases with decreasing thickness of the anode liquid 9.
  • the heating and cooling capacity must be set so that the housing pressure does not exceed 10 (-9) bar during operation.
  • Metals with a low melting point FP and a high boiling point KP as well as low vapor pressure and high thermal conductivity are particularly suitable as anode materials, in particular gallium Ga, indium In, tin Sn and their alloys.
  • the melting and boiling points FP and KP of the metals Ga, In and Sn are given in Table 1.
  • the heating by the electron beam is generally so high that no additional heating devices are required to liquefy the anode material.
  • Liquids have a low surface roughness and, if vibrations are avoided, also a low ripple. Since the average roughness of liquids (thermally excited capillary waves) at temperatures T «T KP that are not too high is typically below 1 nm, it is possible to tap the X-rays 14 emitted by the anode 9 at extremely flat angles ⁇ 2 ⁇ 1 °. This is particularly important for increasing the spectral brilliance of the X-ray generator. The size is referred to as spectral brilliance B E
  • Typical values for the exit limit angle are at 0.5 °. Since the X-ray optical properties of the anode surface in the region of extremely small tapping angles (see Eq. (2)) are used to increase the brilliance in the present invention, the flatness of the anode surface must meet the highest requirements.
  • the transmitted intensity is increased in part in the form of diffuse radiation, which does nothing to increase the brilliance.
  • This condition can be derived from the work of B. Vidal and P. Vincent, Applied Optics, 23 No 11 (1984) pp. 1794-1801 and SK Sinha, EB Sirota, S. Garoff and HB Stanley, Phys. Rev. B38 No 4 (1988) pp. 2297-2311.
  • Such a requirement must be met with highly polished solid anodes and in particular with liquid anodes.
  • the gain in brilliance B E with a flat jet tap is based on a geometric effect (projective Reduction of the emitting anode area) and an X-ray optical effect which makes the main contribution (solid angle concentration due to refraction at the anode-vacuum interface).
  • the photon flux can be spectrally selectively amplified or weakened by a suitable choice of the angle ⁇ 2 . This is a decisive advantage over conventional X-ray tubes, in which the photon flow is weakened by angle or spectrally selectively, but never increased, by using the primary or secondary monochromators, filters and diaphragms which improve the signal-background ratio.
  • the nuclear charge number Z and the density p of the anode and the electron inclusion angle ⁇ are also taken into account as parameters (JI Goldstein, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis; Plenum Press, New York, 1981 pp. 355 ff.) (IV) exp (- zllm k lZ
  • FIG. 4 shows an X-ray generator in which the electrons pass through a funnel-shaped constriction 17 between the filament 7 and the anti-cathode 9, which is liquid during operation.
  • This taper 17, which acts as a hollow anode also has the task of coating the top side 3 of the carrier again after the tube has been transported with the anti-cathode liquid 18 collecting on the tube bottom.
  • the tube is briefly turned over and erected again, so that the liquid 18 hits the upper side 3 of the carrier arranged below the hollow anode and completely wets it.
  • the use of a border arranged on the upper side 3 of the support and projecting in the direction of the cathode 7 is out of the question since this would hinder the desired flat steel tap.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 shows an X-ray generator in which the electrons emitted by the cathode 7 and accelerated in the direction of the hollow anode 17 pass through a window 20, which seals the housing 19 in a vacuum-tight manner, in order to dispose of the anti-cathode liquid arranged outside the housing 19 on the water-cooled upper side 3 of the carrier 9 to generate brake radiation and characteristic X-ray radiation 14.
  • the height d of the spacer 21 screwed to the housing 19, the anti-cathode support 3 and the fastening flange 10 can be chosen to be very small (d ⁇ 1 mm), so that no appreciable electron absorption takes place in the atmosphere.
  • the absorption in the electron exit window 20 also remains very low when using 0.5 .mu.m thick quantum as window material (to be obtained from Kevex Cooperation, Foster City CA). Since a low vapor pressure does not have to be required for the materials which can be used as the anti-cathode, sodium and mercury can also be considered as anti-cathode materials in addition to galium, indium and tin.
  • the advantage of the beam generator described here is in particular that the low-energy spectral components can also be used experimentally.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6 shows an X-ray generator, the anode of which is formed by an electrically conductive liquid 9 with a low vapor pressure.
  • a Faraday pump 23 is provided in the insulating body-guided anode liquid 9, the horseshoe magnet 24 of which generates a magnetic field oriented perpendicular to the desired flow direction 25.
  • An electrical current flowing between the electrodes 26 perpendicular to the magnetic field and flow direction 25 ensures the Lorentz force accelerating the anode liquid 9.
  • the heated anode liquid 9 is cooled in a heat exchanger 27.
  • the cooling water enters through the opening 28 in the heat exchanger 27 in order to flow off again at the outlet 29.
  • the nozzle 30 (Laval nozzle) provided in the channel of the anode liquid 9 serves to adapt the magnetic circulation pressure to the gas pressure p ⁇ (10 (-9) bar present in the housing, in order thereby to achieve a smooth interface between the nozzle 30 and the point of impact 31 of the To ensure electron beam flowing anode liquid 9. As mentioned at the beginning, this is an indispensable prerequisite for the applicability of the beam tap at the critical angle of the total reflection.
  • the arrangement consisting of the ceramic insulating body 22, the cathode 7 and the focusing unit 8 (Wehnelt electrode, focusing trough or Pierce electrode) is located in an evacuated housing (not shown), the vacuum-tight voltage and cooling water feedthroughs and windows for the exit at an angle a 2 has tapped x-rays 14.
  • the liquid 9 heated by the electron beam is exchanged very quickly and supplied to the cooling unit 27.
  • the comparatively low thermal conductivity of the anode materials used, gallium, indium and tin, does not have any disadvantageous effects, since the anode liquid 9 stores the heat and releases it very quickly as a result of the mixing in the backflow region.
  • the electron beam thus constantly strikes the liquid flowing in with cooling, as a result of which the permissible power density of the electron beam can be significantly increased compared to a liquid anode which has not been circulated.
  • the anode liquid 9 is circulated with the aid of a rotating drum 32.
  • An electric motor 36 which is rigidly connected to the evacuated housing 34/35 via the carrier 33, is used as the drive unit, a coupling 38 consisting of two opposite magnets 37 each transmitting the rotary movement of the outer cylinder 39 to the drum 32.
  • the rotating drum 32 with the paddle wheels 40 exerts pressure on the anode liquid 9 flowing off at the open end faces, so that it starts to move in the pipeline 41. It flows through the heat exchanger 42 and the central tube 41 in order to exit again via the diffuser 43.
  • the anode liquid 9 is gripped by the rotating drum 32 and pressed against the inner wall by the centrifugal force. It then flows off again via the paddle wheels 40, so that the pressure required for the recirculation builds up again.
  • the electrons emitted by the cathode 7 are accelerated by a high voltage supplied via the connections 44 and focused on the anode liquid 9 with the aid of a Pierce or Wehnelt electrode 8. Here they generate braking radiation and characteristic X-rays 14, which are picked up again at a flat angle a 2 and coupled out through the window 2.
  • a vacuum pump (not shown in FIG.
  • a turbomolecular pump in particular a turbomolecular pump, is used to evacuate the housing, which consists of two parts 34/35 and is rigidly connected to the motor mount by a screw connection, and which sucks off the residual gas via the connection piece 45.
  • a vacuum seal in particular a gold wire seal, is provided between the two housing parts 34 and 35.
  • the invention is of course not limited to the exemplary embodiments described. It is thus readily possible to replace the drum described above with a rotating disk, the anode liquid emerging from a hollow axis carrying the disk and wetting the disk surface.

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Abstract

Röntgenröhren mit Drehanoden sind technisch aufwendig, da die zum Antrieb der Anode und zum Austausch des Kühlmittels erforderlichen Drehdurchführungen den Kühlmittelkreislauf und das evakuierte Gehäuse auch bei hohen Drehzahlen noch sicher abdichten müssen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die konventionelle Drehanode durch eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (9) zu ersetzen. Zur Steigerung der spektralen Brillanz der Röntgenröhre wird die durch Brechung hervorgerufene Raumwinkelkonzentration der Röntgenstrahlung (14) im Bereich des Austrittsgrenzwinkels ausgenutzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlerzeuger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Röntgenröhren für die medizinische Diagnostik werden in der US-A-4 357 555, der EP-A-0 136 762 und in Philips Tech. Rev. 41, 1983/84 Nr. 4, Seite 126 bis 134 beschrieben.
  • Röntgenröhren für Feinstrukturuntersuchungen sind aus J. Urlaub, Röntgenanalyse Bd. 1. Röntgenstrahlen und Detektoren (Siemens, Karlsruhe 1974) Seite 71 bis 75 bekannt.
  • Zur Durchführung hochempfindlicher Röntgenanalyseverfahren (Totalreflexions-Röntgen-Fluoreszenzanalyse, Reflektometrie, Interferometrie, Diffraktometrie, usw.) werden Röntgenquellen mit einer hohen spektralen Brillanz benötigt. Da Synchrotrons, die derzeit intensivitätsstärksten Röntgenlichtquellen, nicht als Laborquellen verfügbar sind, wird versucht, die Brillanz konventioneller Röntgenröhren durch Anwendung der folgenden Techniken zu erhöhen:
    • - Verringerung des Elektronenfokus auf der Anode (Erhöhung der Leistungsdichte des Elektronenstrahls)
    • - Verwendung einer Drehanode (Verteilung der thermischen Belastung auf die Mantelfläche einer schnell rotierenden Anode)
    • - Verringerung der effektiven Röntgenemissionsfläche durch flachen Strahlabgriff (s. beispielsweise J. Urlaub, Röntgenanalyse Bd. 1, S. 96 bis 98).
  • Sowohl bei Fixanoden als auch bei Drehanoden ist die mit diesen Techniken erreichbare Brillanz bereits bis zu den Materialgrenzwerten hin ausgeschöpft. Die Verwendung von Drehanoden bereitet darüberhinaus erhebliche technische Schwierigkeiten, da die zum Antrieb der Anode und zum Austausch des Kühlmittels erforderlichen Drehdurchführungen auch bei Drehzahlen von bis zu 6000 U/min den Kühlmittelkreislauf und das evakuierte Röhrengehäuse noch sicher abdichten müssen. Trotz aufwendiger Konstruktionen führen Undichtigkeiten aber immer wieder zu Ausfällen. Außerdem bewirkt der Elektronenstrahl eine starke lokale Aufheizung der Anode, wodurch diese extremen mechanischen Spannung unteworfen ist und deshalb sehr schnell altert. Mit zunehmender Betriebsdauer bilden sich Risse. Dies bewirkt wegen der stärkeren Selbstabsorption eine Brillanzverminderung. Die Risse können darüberhinaus zu einem Kühlmittelaustritt in das Röhrenvakuum führen. Die starke lokale Aufheizung der Anode kann auch ein Abdampfen von Anodenmaterial verursachen und bei den hohen elektrischen Feldstärken zu Überschlägen führen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röntgenstrahlerzeuger der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach aufgebaut ist und eine hohe Brillanz aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Röntgenstrahlerzeuger nach Patentanspruch 1 gelöst.
  • Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht zum einen darin, daß die Brillanz einer Röntgenröhre generell verbessert werden kann, weil flüssige Anoden eine höhere Elektronenstrahlleistungsdichte vertragen (keine Rißbildung, bessere Wärmeabfuhr durch Durchmischung). Zum anderen kann die Brillanz durch röntgenoptische Effekte bei flachem Strahlabgriff zusätzlich energie- bzw. wellenlängenselektiv gesteigert werden. Die Voraussetzung hierfür, eine glatte Anodenoberfläche, wird von Flüssiganoden in idealer Weise erfüllt.
  • Während die Unteransprüche 2 bis 12 Ausgestaltungen des Röntgen strahlerzeugers nach Patentanspruch 1 betreffen, sind die Ansprüche 13 und 15 auf ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgenstrahlerzeugers gerichtet.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlerzeugers,
    • Fig. 2 die relative Brillanz eines Röntgenstrahlerzeugers in Abhängigkeit vom Abgriffswinkel CZ2 und der Photonenenergie Evo
    • Fig. 3 die geometrischen Verhältnisse beim Austritt der Röntgenstrahlung in das Röhrenvakuum,
    • Fig. 4 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Röntgenstrahlerzeuger.
  • Der in Fig. 1 schematisch dargestellten Röntgenstrahlerzeuger besteht im wesentlichen aus einem von der Metallwandung 1, den Strahlaustrittsfenstern 2, dem Anodenträger 3/4 und der Glas-Hochspannungsdurchführung 5 gebildeten Gehäuse, einer im Hochvakuum des Gehäuses angeordneten, mit Spannungszuführungen 6 verbundenen Glühwendel 7 als Kathode sowie einer Wehneltelektrode 8 zur Fokusierung der von der Glühwendel 7 emittierten Elektronen auf die während des Betriebes flüssige Anode 9. Zur Kühlung der die Anodenträgeroberseite 3 vollständig benetzenden Anodenflüssigkeit 9 (ein Abfließen wird durch die Oberflächenspannung verhindert) wird Wasser 16 oder ein anderes Kühlmittel über den im Befestigungsflansch 10 vorhandenen Kanal 11 an den Anodenträgesockel 4 herangeführt und über den Kanal 12 abgeleitet. Die Abdichtung des Kühlmittelkreises zwischen dem Anodenträgersockel 4 und dem Befestigungsflansch 10 erfolgt durch einen O-Ring 13. Beim Betrieb des Röntgenstrahlerzeugers mit niedriger Leistung ist kein nennenswerter Schwund an Anodenflüssigkeit 9 durch Abdampfen zu befürchten, sofern man diese ausreichend kühlt. Die Abdampfrate steigt bei hohen Röhrenleistungen allerdings erheblich an, so daß der Materialverlust nicht mehr zu vernachlässigen ist. Durch starke Kühlung des Anodenträgers 3/4 und gleichzeitiges Erwärmen des übrigen Röhrengehäuses, insbesondere des Anodenflüssigkeitsvorrats 18 mit Hilfe des Heizleiters 46, kann man allerdings sicherstellen, daß die verdampfte Anodenflüssigkeit wieder auf der Anodenträgeroberseite 3 kondensiert. Es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Abdampfrate und Kondensationsrate ein, da die Kühlwirkung mit abnehmender Dicke der Anodenflüssigkeit 9 zunimmt. Die Heiz- und Kühlleistung sind hierbei so einzustellen, daß der Gehäusedruck während des Betriebs 10 (-9) bar nicht übersteigt.
  • Als Anodenmaterialien kommen in erster Linie Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt FP und hohem Siedepunkt KP sowie niedrigem Dampfdruck und hoher Wärmeleitfähigkeit in Betracht, insbesondere Gallium Ga, Indium In, Zinn Sn und deren Legierungen. Die Schmelz- und Siedepunkte FP bzw. KP der Metalle Ga, In und Sn sind in Tabelle 1 angegeben. Hierbei ist die Aufheizung durch den Elektronenstrahl im allgemeinen so hoch, daß keine zusätzlichen Heizeinrichtungen zur Verflüssigung des Anodenmaterials erforderlich sind.
  • Figure imgb0001
    Flüssigkeiten besitzen eine geringe Oberflächenrauhigkeit und, wenn man Vibrationen vermeidet, auch eine geringe Welligkeit. Da die mittlere Rauhigkeit von Flüsigkeiten (thermisch erregte Kapillarwellen) bei nicht zu hohen Temperaturen T«TKP typischerweise unter 1 nm liegt, ist es möglich, die von der Anode 9 emittierte Röntgenstrahlung 14 unter extrem flachen Winkeln α2 < 1 ° abzugreifen. Dies ist insbesondere für die Steigerung der spektralen Brillanz des Röntgenstrahlerzeugers von Bedeutung. Als spektrale Brillanz BE bezeichnet man hierbei die Größe
    Figure imgb0002
  • die die Anzahl N, der pro Zeitintervall dt, Raumwinkelelement d02 und Energieintervall dE, emittierten Photonen bezogen auf die effektive Größe dA2 der Röntgenstrahlquelle angibt.
  • Zur Steigerung der spektralen Brillanz BE des Röntgenstrahlerzeugers wird die in Jap. Journ. of Appl. Phys. Vol. 24, No. 6, 1985, S. L 387 - L 390 beschriebene Raumwinkelkonzentration der in oberflächennahen Schichten der Anode erzeugten und ins Vakuum austretenden Röntgenstrahlung 14 ausgenutzt. Da dieser durch Brechung hervorgerufene Effekte nur im Bereich des Austrittsgrenzwinkels α2c wirksam wird, sollte der durch die Blende 15 vorgegebene Abgriffswinkel α2 die Beziehung
    Figure imgb0003
    erfüllen. Der dem Grenzwinkel der Totalreflexion entsprechende, von der Photonenenergie E, sowie dem verwendeten Anodenmaterial abhängige Austrittsgrenzwinkel α2c errechnet sich hierbei aus dem Dispersionsanteil des Brechungsindex
    Figure imgb0004
    gemäß der Formel
    Figure imgb0005
    Dabei hängt β über
    Figure imgb0006
    mit dem Absorptionskoeffizenten zusammen. Bei hohen Photonenenergien E, > EAK (EAK: Energie der K-Schalen-Absorbtionskante) ist 5 näherungsweise durch
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    • mit ro : klassisher Elektronenradius
    • NA : Avogadro-Konstante
    • h : Planck-Konstante
    • c : Vakuumlichtgeschwindigkeit
    • e : Elementarladung
    • p : Dichte des Anodenmaterials
    • Z : Kernladungszahl des Anodenmaterials
    • Ar : relative Atommasse des Anodenmaterials
    • E, : Photonenenergie gegeben.
  • Typische Werte für den Austrittsgrenzwinkel
    Figure imgb0009
    liegen bei 0,5°. Da man in der vorliegenden Erfindung die röntgenoptischen Eigenschaften der Anodenoberfläche im Bereich extrem kleiner Abgriffswinkel (s. Gl. (2)) zur Brillanzsteigerung ausnutzt, sind an die Ebenheit der Anodenoberfläche höchste Anforderungen zu stellen.
  • Um in diesem Winkelbereich einen definierten Abgriffswinkel
    Figure imgb0010
    zu gewährleisten und eine Strahlaufweitung zu verhindern, darf die Welligkeit
    Figure imgb0011
  • nicht übersteigen. Eine zu starke Welligkeit würde bewirken, daß die Strahlung an den verschieden geneigten Facetten der Anodenoberfläche Brechung in unter schiedliche Austrittsrichtungen erfährt. Dies hätte eine Ausschmierung der austretenden Röntgenstrahlintensität über den Austrittswinkel α2 und damit eine Verminderung der durch flachen Strahlabgriff erzielbaren Brillanzsteigerung zur Folge. Neben der Welligkeit, die den langwelligen, sanft oszillierenden Teil der Anodenunebenheit erfaßt, ist auch die die kurzwelligen Oszillationen beschreibende Rauhigkeit von Bedeutung. Diese Rauhigkeit bewirkt eine Interferenz sowohl bei den transmittierten als auch bei den reflektierten Röntgenstrahlen. Dadurch vermindert sich die Intensität der in die Anode zurückreflektierten Strahlung und in gleichem Maße erhöht sich die Intensität der transmittierten Strahlung. Die Erhöhung der transmittierten Intensität erfolgt jedoch zum Teil in Form von diffuser Strahlung, die nichts zur Brillanzsteigerung beiträgt. Insgesamt ist der Einfluß der Rauhigkeit auf die transmittierte Intensität aufgrund der mäßigen Reflektivität gering, wenn die mittlere Rauhigkeit σ der Anodenoberfläche der Bedingung
    Figure imgb0012
    genügt ( λ: Wellenläge λ = hc/Eν). Diese Bedingung läßt sich aus den Arbeiten von B. Vidal und P. Vincent, Applied Optics, 23 No 11 (1984) S. 1794 - 1801 und S. K. Sinha, E.B. Sirota, S. Garoff und H.B. Stanley, Phys. Rev. B38 No 4 (1988) S. 2297 -2311 herleiten. Für Ga-Ka-Strahlung aus einer flüssigen Ga-Anode bedeutet dies für a2 = 1,5α2c = 1,5 0,28° σ≲2nm. Eine solche Anforderung ist mit hochglanzpolierten Festkörperanoden und insbesondere mit Flüssiganoden zu erfüllen.
  • Der Gewinn an Brillanz BE bei flachem Strahlabgriff beruht auf einem geometrischen Effekt (projektive Verkleinerung des emittierenden Anodenbereichs) und einem den Hauptbeitrag liefernden röntgenoptischen Effekt (Raumwinkelkonzentration durch Brechung an der Grenzfläche Anode-Vakuum). Wie Fig. 2 zeigt (dargestellt ist die relative Brillanz BE (Eν, α 2)/BE (Eν,α2 = 90°) für eine konventionelle Cu-Anode in Abhängigkeit von der Photonenenergie Eν und dem Abgriffswinkel α2 für eine Elektronenenergie Ee = 30 keV), läßt sich beispielsweise die Brillanz der Cu-Ka-Linie um einen Faktor 3 steigern, wenn man die Strahlung, nicht wie bisher üblich, bei einem Winkel a2 = 6°, sondern bei einem Winkel a2 = 0,8° (Austrittsgrenzwinkel für Cu-K -Strahlung in Cu: α2c = 0,4°) abgreift. Im Bereich der hochenergetischen Grenze des Bremsstrahlungskontinuums fällt der Gewinn an Brillanz für einen extrem flachen Abgriffswinkel von α2 = 0,2° noch deutlich höher aus (Faktor 30 gegenüber dem Abgriff bei a2 = 6°). Außerdem ist zu erkennen, daß man den Photonenfluß durch geeignete Wahl des Winkels α2 spektralselektiv verstärken oder schwächen kann. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber konventionellen Röntgenröhren, in denen der Photonenfluß durch Verwendung der das Signal- Untergrundverhältnis verbessernden primär-oder sekundärseitigen Monochromatoren, Filter und Blenden winkel- oder spektralselektiv geschwächt, jedoch nie erhöht wird.
  • Die spektrale Brillanz BE (Eν , a2) für die aus einer Anode bei Anregung mit einem monoenergetischen Elektronenstrahl austretende Röntgenstrahlung ergibt sich aus folgender Beziehung:
    Figure imgb0013
    Figure imgb0014
    einfallende Elektronenstromdichte,
    • Ne: Anzahl der Elektronen,
    • dt: Zeitintervall,
    • A1: Strahlquerschnitt des Elektronenstrahls.
  • je sin γ Anzahl der Elektronen pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit der Anodenoberfläche Ao. (II)
    Figure imgb0015
    beschreibt die Verkleinerung der Quellfläche in der Projektion des Strahlabgriffs gemäß: A2 = Ao sin α2. (III) Φ (z, Eν) Photonenproduktion als Funktion der Entstehungstiefe z und der Photonenenergie Eν. Sie gibt die Anzahl der Photonen der Energie Eν an, die pro einfallendem Elektron der Energie Ee in der Tiefe z pro.Tiefenintervall dz erzeugt werden. Als Parameter gehen noch die Kernladungszahl Z und die Dichte p der Anode sowie der Elektroneneinschlußwinkel γ ein (J.I. Goldstein, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis; Plenum Press, New York, 1981 S. 355 ff.) (IV) exp(-zllm klZ |) Schwächungsfaktor der Strahlungsflußdichte der austretenden Photonen innerhalb der Anode.
    Figure imgb0016
    Figure imgb0017
  • Transmissionsgrad der Photonen durch die Anodenoberfläche.
    • ni: Brechungsindex des Anodenmaterials,
    • n1 =1-δ iβ,
    • n2: Brechungsindex des Vakuums, n2 = 1,
    • T12: Transmissionskoeffizient
      Figure imgb0018
      Figure imgb0019
      Figure imgb0020
      Figure imgb0021
      Raumwinkelkonzentration;
      • Verhältnis des Raumwinkelelements im Anodenmaterial dΩ1 = dα1dτ zum Raumwinkelelement im Vakuum di22 = dα2dτ . dr beschreibt die Ausdehnung des Strahlenbündels senkrecht zu da1 bzw. da2. In Fig. 3 sind die Strahlgeometrie und die zugehörigen Größen dargestellt.
  • Die Fig. 4 zeigt einen Röntgenstrahlerzeuger, bei dem die Elektronen zwischen der Glühwendel 7 und der während des Betriebes flüssigen Antikathode 9 eine trichterförmige Verengung 17 durchlaufen. Diese als Hohlanode wirkende Verjüngung 17 hat darüberhinaus die Aufgabe, die Trägeroberseite 3 nach dem Transport der Röhre wieder mit der sich am Röhrenboden ansammelnden Antikathodenflüssigkeit 18 zu beschichten. Um dies zu erreichen, wird die Röhre kurz umgedreht und wieder aufgerichtet, so daß die Flüssigkeit 18 auf die unterhalb der Hohlanode angeordnete Trägeroberseite 3 auftrifft und diese vollständig benetzt. Die Verwendung einer auf der Trägeroberseite 3 angeordneten, in Richtung der Kathode 7 überstehenden Berandung kommt nicht in Betracht, da diese den angestrebten flachen Stahlabgriff behindern würde.
  • Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 zeigt einen Röntgenstrahlerzeuger, bei dem die von der Kathode 7 emittierten und in Richtung der Hohlanode 17 beschleunigte Elektronen ein das Gehäuse 19 vakuumdicht abschließendes Fenster 20 durchlaufen, um in der außerhalb des Gehäuses 19 auf der wassergekühlten Trägeroberseite 3 angeordneten Antikathodenflüssigkeit 9 Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung 14 zu erzeugen. Aufgrund des flachen Strahlabgriffs kann man die Höhe d des mit dem Gehäuse 19, dem Antikathodenträger 3 und dem Befestigungsflansch 10 verschraubten Distanzstücks 21 sehr klein wählen (d ≲ 1 mm), so daß in der Atmosphäre keine nennenswerte Elektronenabsorption stattfindet. Die Absorption im Elektronenaustrittsfenster 20 bleibt bei Verwendung von 0, 5 um dickem Quantum als Fenstermaterial (zu beziehen durch Kevex Cooperation, Foster City CA) ebenfalls sehr gering. Da für die als Antikathode in Frage kommenden Materialen kein niedriger Dampfdruck gefordert werden muß, kommen neben Galium, Indium und Zinn auch Natrium und Quecksilber als Antikathodenmaterialen in Betracht. Der Vorteil des hier beschriebenen Strahlerzeugers besteht insbesondere darin, daß auch die niederenergetischen Spektralanteile experimentiell genutzt werden können.
  • Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt einen Röntgenstrahlerzeuger, dessen Anode von einer elektrisch leitenden Flüssigkeit 9 mit niedrigem Dampfdruck gebildet wird. Zur Umwälzung dieser in einem Isolierkörper geführten Anodenflüssigkeit 9 ist eine Faradaypumpe 23 vorgesehen, deren Hufeisenmagnet 24 ein senkrecht zur gewünschten Strömungsrichtung 25 orientiertes Magnetfeld erzeugt. Ein zwischen den Elektroden 26 senkrecht zur Magnetfeld- und Strömungsrichtung 25 fließender elektrischer Strom sorgt für die die Anodenflüssigkeit 9 beschleunigende Lorentzkraft. Im Rückströmbereich wird die aufgeheizte Anodenflüssigkeit 9 in einem Wärmeaustauscher 27 gekühlt. Das Kühlwasser tritt hierbei durch die Öffnung 28 in dem Wärmeaustauscher 27 ein, um an Auslaß 29 wieder abzufließen. Die im Kanal der Anodenflüssigkeit 9 vorgesehen Düse 30 (Laval-Düse) dient der Anpassung des magnetischen Umwälzdrucks an den im Gehäuse vorhandenen Gasdruck p<(10(-9) bar, um dadurch eine glatte Grenzfläche der aus der Düse 30 zum Auftreffpunkt 31 des Elektronenstrahls strömenden Anodenflüssigkeit 9 zu gewährleisten. Wie eingangs erwähnt, ist dies eine unabdingbare Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Strahlabgriffs am Grenzwinkel der Totalreflexion.
  • Die aus dem keramischen Isolierkörper 22, der Kathode 7 und der Fokussierungseinheit 8 (WehneltElektrode, Fokussierungsmulde oder Pierce-Elektrode) bestehende Anordnung befindet sich in einem evakuierten Gehäuse (nicht dargestellt), das vakuumdichte Spannungs- und Kühlwasserdurchführungen sowie Fenster zum Austritt der unter einem Winkel a2 abgegriffenen Röntgenstrahlung 14 aufweist.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die vom Elektronenstrahl aufgeheizte Flüssigkeit 9 sehr schnell ausgetauscht und der Kühleinheit 27 zugeführt. Die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Anodenmaterialen Gallium, Indium und Zinn wirkt sich nicht nachteilig aus, da die Anodenflüssigkeit 9 die Wärme speichert und diese infolge der Durchmischung im Rückströmbereich sehr schnell wieder abgibt. Der Elektronenstrahl trifft somit ständig auf die gekühlt zuströmende Flüssigkeit, wodurch sich die zulässige Leistungsdichte des Elektronenstrahls, verglichen mit einer nicht umgewälzten Flüssigkeitsanode, wesentlich steigern läßt.
  • Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Anodenflüssigkeit 9 mit Hilfe einer rotierenden Trommel 32 umgewälzt. Als Antriebseinheit findet ein über den Träger 33 starr mit dem evakuierten Gehäuse 34/35 verbundener Elektromotor 36 Verwendung, wobei eine aus jeweils zwei gegenüberliegenden Magneten 37 bestehende Kupplung 38 die Drehbewegung des äußeren Zylinders 39 auf die Trommel 32 überträgt. Nach dem Prinzip der Kreiselpumpe, übt die rotierende Trommel 32 mit den Schaufelrädern 40 einen Druck auf die an den offenen Stirnflächen abfließende Anodenfiüssigkeit 9 aus, so daß diese sich in der Rohrleitung 41 in Bewgung setzt. Sie durchströmt den Wärmetauscher 42 und das zentrale Rohr 41, um über den Diffusor 43 wieder auszutreten. Hier wird die Anodenflüssigkeit 9 von der rotierenden Trommel 32 erfaßt und durch die Zentrifugalkraft an die Innenwand gedrückt. Sie fließt anschließend wieder über die Schaufelräder 40 ab, so daß sich erneut der für die Umwälzung erforderliche Druck aufbaut. Die von der Kathode 7 emittierten Elektronen werden durch eine über die Anschlüsse 44 zugeführte Hochspannung beschleunigt und mit Hilfe einer Pierce- oder Wehneltelektrode 8 auf die Anodenflüssigkeit 9 fokussiert. Hier erzeugen sie Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung 14, die man wieder unter einem flachen Winkel a2 abgreift und durch das Fenster 2 auskoppelt. Zur Evakuierung des aus zwei Teilen 34/35 bestehenden, durch eine Verschraubung starr mit dem Motorträger verbundenen Gehäuses wird eine in Fig. 7 nicht dargestellte Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe verwendet, die das Restgas über den Stutzen 45 absaugt. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 34 bzw. 35 ist eine Vakuumdichtung, insbesondere eine Golddrahtdichtung, vorgesehen.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. so ist es ohne weiteres möglich, die oben beschriebene Trommel durch eine rotierende Scheibe zu ersetzen, wobei die Anodenflüssigkeit aus einer die Scheibe tragenden Hohlachse austritt und die Scheibenoberfläche benetzt.

Claims (15)

1. Röntgenstrahlerzeuger mit einer in einem evakuierten Gehäuse (1 bis 5, 19) angeordneten Kathode (7), einer Antikathode (9) und einer Einrichtung (8) zur Fokussierung der von der Kathode (7) emittierten Teilchen auf die Antikathode (9),
dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit als Antikathode vorgesehen ist.
2. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Metallschmelze als elektrisch leitfähige Flüssigkeit.
3. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch ein Blendensystem (15) zur Definition des Abgriffswinkels a2 der Röntgenstrahlung (14), wobei a2 die Bedingung U2C -<- a2 < 3 a2c erfüllt und a2C den Grenzwinkel der Totalreflexion der Röntgenstrahlung (14) bezeichnet.
4. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (19) ein teilchendurchlässiges Fenster (20) aufweist und daß die Antikathode (9) außerhalb des Gehäuses (19) angeordnet ist.
5. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine innerhalb des Gehäuses (1 bis 5, 19) zwischen Kathode (7) und Antikathode (9) angeordnete Anode (17).
6. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (17) als Hohlanode ausgebildet ist.
7. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, kennzeichnet durch eine Einrichtung (23, 32, 36, 37) zur Umwälzung der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit (9).
8. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Faraday-Pumpe als Einrichtung zur Umwälzung der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit (9).
9. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (9) in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist.
10. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Flüssigkeit (9) auf einer gekühlten Trägervorrichtung (3, 4) angeordnet ist.
11. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine um eine Achse drehbare Trommel (32), deren Innenwand mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit (9) benetzt ist.
12. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Motor (36) und eine magnetische Kupplung (38) zum Antrieb der Trommel (32).
13. Verfahren zum Betrieb eines Röntgenstrahlerzeugers der eine in einem evakuierten Gehäuse (1 bis 5, 19) angeordnete Kathode (7), eine Antikathode (9) und eine Einrichtung (8) zur Fokussierung der von der Kathode (7) emittierten Teilchen auf die Antikathode (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Antikathode (9) emittierte Röntgenstrahlung (14) unter einem Winkel a2 abgegriffen wird, wobei der Winkel a2 die Bedingung
Figure imgb0022
erfüllt und α 2c den Grenzwinkel der Totalreflexion der Röntgenstrahlung (14) bezeichnet.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (9) als Antikathode verwendet und durch Kühlung der Antikathode auf eine Temperatur gebracht wird, die niedriger ist als die Temperatur des Gehäuses (1 bis 5, 19).
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (9) umgewälzt wird.
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