WO2009098027A1 - X-ray target - Google Patents

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WO2009098027A1
WO2009098027A1 PCT/EP2009/000706 EP2009000706W WO2009098027A1 WO 2009098027 A1 WO2009098027 A1 WO 2009098027A1 EP 2009000706 W EP2009000706 W EP 2009000706W WO 2009098027 A1 WO2009098027 A1 WO 2009098027A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ray
substrate
source layer
ray source
electron beam
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/000706
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Sukowski
Norman Uhlmann
Gisela Anton
Anja Loehr
Randolf Hank
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00X-ray tubes
    • H01J35/02Details
    • H01J35/04Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/12Cooling non-rotary anodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00X-ray tubes
    • H01J2235/12Cooling
    • H01J2235/1225Cooling characterised by method
    • H01J2235/1291Thermal conductivity

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray source for generating X-ray radiation at an impact region of an electron beam on the X-ray target, and more particularly to a reflection X-ray target with a thin X-ray source layer of high atomic number and a substrate of low atomic number.
  • X-rays are not only of great importance in medical technology, but are also used in material testing, eg in As regards the detection of defects in materials, a diverse application.
  • X-ray radiation can be generated, for example, by means of an electron beam which is shot at a target, so that the incident electrons are strongly decelerated by emitting a Bremsstrahlung and deliver their remaining energy in the form of heat to the target.
  • the Bremsstrahlung has a continuous spectrum ranging from a low energy range to a high energy range.
  • the high radiation energy is caused by the fact that the electrons are abruptly decelerated in the sudden impact on the target within a very short range.
  • the braking effect is achieved by interaction of the electrons with the atoms with the emission of X-rays (or generally of photons with the corresponding energy).
  • the angle of the outgoing X-ray radiation depends on the one hand on the energy of the radiating electron and on the angle at which the electrons hit the X-ray target. It is thereby possible to operate X-ray targets both as a transmission X-ray target and as a reflection X-ray target.
  • X-ray targets both as a transmission X-ray target and as a reflection X-ray target.
  • transmission targets the X-radiation, which is reflected in motion
  • reflection X-ray targets the X-ray radiation which propagates from the surface on which the electron beam impinges is used (in the direction of reflection).
  • the X-ray targets are usually constructed in a two-layer system. In a first layer, the electron beam is decelerated while emitting the X-ray radiation and in the second layer, the conversion of the remaining kinetic energy of the electrons into heat energy, which is then derived as efficiently as possible.
  • Layered-target X-ray tubes are described in the prior art in DE 27 29 833, in US 20 90 636, in US 3 894 239, EP 0 584 871, DE 10 2005 018 342 A1 and EP 0 432 568.
  • the x-ray radiation in the transmission direction is used in the x-ray tubes or x-ray targets known from these publications, with the x-ray radiation being used both in the transmission direction and in the reflection direction in the case of the document EP 0 432 568.
  • the operation of the X-ray target in the transmission direction ie the use of X-radiation propagating in the direction of the electron beam, is disadvantageous in that the X-ray target may have only a (limited) layer thickness, otherwise the X-ray radiation will be completely absorbed by the target would become.
  • the limited upper layer thickness simultaneously has a greatly limited heat-absorbing capacity and heat dissipation capability. This leads to a considerable heating of the X-ray target.
  • the present invention has the object to provide an X-ray target, which allows a large-volume distribution and thus an efficient dissipation of the heat caused by the electron radiation.
  • the present invention is based on the finding to provide an X-ray target by a substrate and an X-ray source layer formed thereon, wherein the Substrate has a minimum thickness.
  • the minimum thickness is chosen to efficiently dissipate the amount of heat caused by the electron beam incident on the X-ray target.
  • the minimum layer thickness of the substrate may be at least 1 cm or at least 2 cm measured along the surface normal to the surface on which the electron beam impinges.
  • the present invention is based on the finding that the X-ray target thus created is used in the reflection mode and the radiation in a small target angle (the 90 ° complementary angle between the surface normal of the X-ray source layer and the emitted X-radiation).
  • the subject of the present invention thus comprises an X-ray target for generating X-ray radiation in an incident region of an electron beam onto the X-ray target.
  • the X-ray target comprises an X-ray source layer comprising a high atomic number material and a substrate having a low atomic number material, wherein the high atomic number of the X-ray source layer is at least twice the low atomic number of the substrate.
  • the x-ray source layer is formed on the substrate, and the substrate has a thickness in the direction of a surface normal of an interface between the x-ray source layer and the substrate at the impact region of at least 1 cm.
  • the substrate has a first major surface on which the x-ray source layer is formed and a second major surface on the side opposite the x-ray source layer, wherein surface normals of the first and second major surfaces intersect at an inclination angle and the inclination angle is between 0 ° and 45 ° ,
  • the x-ray source layer is formed directly on the substrate without the need for additional intermediate layers.
  • Such a 2-layer X-ray target can be optimized so that Excitation energies of more than 30 keV or a range between 30 keV and 100 keV in the direction of reflection as many photons as possible (as intense as possible X-radiation) at a thermal limit load of the target (Röntgentar- get) are generated.
  • the diameter of the optical focal spot is for example between 1 .mu.m and 1000 .mu.m or between 50 .mu.m and 500 .mu.m or between 100 .mu.m and 300 .mu.m.
  • the x-ray source layer (upper layer on which the electron beam strikes) has, for example, tungsten as a material of a higher atomic number. In this layer, the X-radiation is generated, while in the lower layer, the substrate, the electrons release their residual energy as heat to the solid.
  • the physical background to using a layered target is the relationship between the type of interactions over which the electrons in the electron beam lose their energy into a material, the interaction in particular being dependent on the kinetic energy of the electrons E and the atomic number Z of the electron Material depends.
  • the energy loss by Bremsstrahlung generally the following qualitative context applies (numerical factors are omitted):
  • the remaining energy, d. H. the energy that the electrons do not emit in the form of photons (bremsstrahlung) is converted as heat in the target material.
  • the highest possible emission of X-radiation is thus achieved with the highest possible atomic number of the target material and with a high kinetic energy of the electrons.
  • the amount of energy that is converted into X-rays is generally very low.
  • the target x-ray source layer
  • energy for the electron beam of 100 keV only about 1% of the energy is converted to x-rays, so that the remaining 99% will be converted to thermal energy, and hence the anode, as the the x-ray target in an x-ray tube generally serves to receive the remaining energy of the electron beam and thereby strongly heat.
  • increasing the power of the X-radiation by increasing the power of the electron beam is limited (because of the enormous amount of heat additionally produced).
  • the (X-ray) beam generation in the X-ray source layer is efficient, but the generated heat is deposited to a very small volume. Accordingly, the thickness of the x-ray source layer is chosen such that electrons which have lost part of their kinetic energy and thus have a low probability of producing further x-ray radiation leave this layer again. The remaining or remaining energy is then deposited in the substrate.
  • the heat-deposition density in the substrate is lower by a factor of 3 to 30 or 5 to 10 compared to the heat-deposit density in the x-ray source layer in the x-ray source layer, which, as stated, reduces the substrate significantly less (the amount of heat becomes larger) volume distributed or derived). This is realized by a small atomic number of the substrate.
  • the substrate serves to quickly dissipate the heat from the x-ray source layer to a cooling bottom.
  • carbon configurations such as. As graphite or diamond, suitable as materials.
  • Another object of the present invention is the use of the X-ray target in the reflection mode - instead of in the transmission mode, as used in the prior art described above.
  • the advantage of the reflection mode is that the substrate can in principle be arbitrarily thick in order to absorb as much heat as possible.
  • efficient cooling mechanisms can be realized on the side of the substrate remote from the electron beam (e.g., cooling bottom, copper plate, etc.).
  • the electron beam radiation causes the X-ray target to strongly heat up during operation, with the x-ray source layer becoming significantly warmer than the underlying substrate.
  • the X-ray source layer should not be too thick be chosen so that a large proportion of the energy of the electron beam is given in the form of heat to the underlying substrate and the X-ray source layer is essentially the generation of X-rays, but not the conversion of the kinetic energy of the electrons into heat energy.
  • the thickness of the X-ray source layer can be selected, for example, such that the heat input into the X-ray source layer amounts to a maximum of 20% of the total heat deposited in the anode (X-ray target). This means that the large amount of energy that is released into the substrate in the form of heat should be at least 80%.
  • the X-ray target in embodiments of the present invention on the one hand, formed wedge-shaped, so that the electron beams impinge on the X-ray target at an acute angle and, secondly, the substrate may be formed on an underlying cooling floor.
  • the cooling floor can, for example, have a copper plate, which can efficiently transport heat.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an X-ray target according to an embodiment of the present invention
  • Figs. 2A, B are top views of the X-ray source layer with a labeled electric focal spot
  • 3 is a cross-sectional view through the X-ray target illustrating the geometric dimensions of the substrate; 4 shows a cross-sectional view through the X-ray target and the cone-shaped X-ray radiation;
  • Fig. 6 is a cross-sectional view through an X-ray tube with the X-ray target according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through the X-ray target, wherein X-ray radiation 110 is impinged by an electron beam which impinges on an X-ray source layer 130 at an angle of incidence ⁇ and the X-ray source layer is formed on a substrate 140.
  • the angle of incidence ⁇ is determined relative to a surface normal 150, the surface normal 150 having been determined at the point of incidence M of the electron radiation 120 on the x-ray source layer 130.
  • the x-ray radiation 110 generated by the electron beam 120 is generated almost uniformly in all directions starting from the impact point M.
  • the used X-radiation 110 forms a cone.
  • the opening angle of the cone is defined by the size of the exit window and the distance of the exit window (or aperture) to the impact point M.
  • the electrons of the electron beam 120 When generating the X-ray radiation, the electrons of the electron beam 120 first penetrate into the X-ray source layer 130, are decelerated there by emitting the Bremsstrahlung, the Bremsstrahlung emitted as X-radiation 110 from the X-ray source layer 130 becomes.
  • the Bremsstrahlung has a continuous spectrum with a high energy X-ray content.
  • the remaining kinetic energy of the electrons is usually released to the substrate 140 in the form of heat.
  • the substrate 140 may further include a terminal (not shown in the figure).
  • the substrate 140 is designed in such a way that X-ray radiation 110 is emitted substantially only as reflection beams from the X-ray source layer 130-but not as transmission beams through the substrate 140.
  • the operation of the X-ray target in the reflection mode makes it possible to make the substrate 140 sufficiently thick (in the one-beam direction), so that the heat generated there can be dissipated efficiently.
  • the layer thickness D of the substrate 140-measured along the surface normal 150-can have a value which is at least 1 cm or at least 1.5 cm or at least 2 cm.
  • FIGS. 2A and 2B are plan views of the x-ray source layer 130, with the impact point M of the x-rays 120 shown as a geometric center.
  • the impact point M may also deviate from the geometric center of the surface facing the electron beam 120 and be located in a region G.
  • the electron beam may also travel in the region G, so that uniform heating of the region G occurs and not a particular point is heated particularly strongly.
  • the area G is shown as a circle concentrically arranged around the geometric center M. is.
  • the geometric center M can be formed, for example, by minimizing the sum of the mean square distances to all points on the surface of the x-ray source layer 130. In the simple case of a rectangle or a circle, the geometric center can be determined by the intersection of the diagonals of opposite corner points.
  • the region G can comprise either the entire surface of the x-ray source layer 130 or only part of the x-ray source layer 130.
  • the area G may comprise at least 5% or at most 70% or a value between 20% and 60% of the area of the x-ray source layer 130.
  • the region G is obtained by simply scaling the surface of the x-ray source layer 130, wherein the surface of the x-ray source layer 130 again has a rectangular (or square) shape.
  • the scaling is effected by a scale factor by which the surface of the x-ray source layer 130 is reduced to the geometric center point M.
  • the scaling factor may be in a range between 1.5 and 10, for example.
  • Other embodiments for the area G are also possible and it may be advantageous to choose the area G as large as possible, so that the x-ray source layer 130 is loaded as evenly as possible by the electron beam.
  • FIG. 3 again shows a cross-sectional view through the X-ray target, wherein the region G, on which the electron beam 110 impinges on the X-ray source layer 130, is centered.
  • the region G thus appears as a line segment between a first boundary point Ma with a first surface normal 150a and a second boundary point Mb with a second surface normal 150b, wherein the surface normals in turn relate to the surface of the x-ray source layer 130.
  • the first and second surface normals 150a and 150b are traversed by the substrate 140 having a first major surface 142 and a second major surface 144, where the x-ray source layer 130 is formed on the first major surface 142.
  • the first surface normal 150a has a first length Da measured along the first surface normal 150a between the first and second main surfaces 142 and 144.
  • the second surface normal 150b has a second length Db for a portion extending within the substrate 140.
  • all the surface normals that can be drawn in the region G have distances between the first and second main surfaces 142 and 144 that lie between the first length Da and the second length Db.
  • a circle K is drawn around the first boundary point Ma, the circle K having a radius R selected so that the circle K contacts the second major surface 144 of the substrate 140, but does not intersect it.
  • the substrate 140 is selected such that for all points of incidence M in the region G, the respective radii have a value that is at least 1 cm or preferably at least 2 cm (ie, R> 1 cm or R> in FIG. 3) 2cm).
  • the region G may, as explained in FIG. 2, comprise part of the first main surface 142 or may also comprise the entire first main surface 142.
  • the substrate 140 is selected such that it has a layer thickness that exceeds a minimum value.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view through an X-ray target with the substrate 140 and the X-ray source layer 130, which is hit by the electron beam 120 and emits cone-shaped X-ray radiation 110 at a target angle ⁇ , the cone tip being the point of impact M of the electron beam 120 on the X-ray source layer 130 ,
  • the target angle ⁇ is thus the 90 ° complementary angle between the surface normal at the point of impingement M and the axis of the cone which the generated X-radiation 110 spans.
  • the embodiment has an aperture 160 which blocks out part of the X-radiation 110.
  • the diaphragm can also be used to influence by an appropriate choice of the aperture 160, the emerging intensity of the X-ray radiation 110 (the energy and intensity distribution of the Bremsstrahlung is angle-dependent).
  • the first main surface 142 is inclined relative to the second main surface 144 of the substrate 140 by an inclination angle Y, so that the X-ray target has a wedge-shaped structure.
  • the inclination angle Y may be, for example, greater than 0 ° or greater than 5 ° or in a range between 0 and 30 °.
  • the X-ray radiation is in turn emitted into a target angle ⁇ (measured from a tangent to the X-ray source layer 130).
  • the shape of the X-ray target may be chosen differently in other embodiments, so that in addition to the wedge-shaped arrangement (or trapezoidal configuration) other shapes are possible -.
  • the first major surface 142 is parallel to the second major surface 144 or that the first major surface 142 is not linearly formed compared to the second major surface 144 (eg, parabolic).
  • FIG. 5 again shows a cross-sectional view of the X-ray target, in which the electron beam 120 in FIG. 5 is fanned onto the X-ray source layer 130 via an electric focal spot B and the electron beam 120 fanned out by a first electron beam 120 a and a second electron beam 120 b in the Cross-sectional view of Fig. 5 is limited.
  • the fanned-out electron beam 120 is therefore delimited by a first edge point Ma and a second edge point Mb, which in turn are the starting point for the generated X-ray radiation 110.
  • first conical spanned X-rays 110a are generated at the first edge point Ma
  • second conical spanned X-rays 110b are also generated at the second edge point Mb.
  • the X-ray radiation 110a and 110b spanned by an X-ray focal spot .DELTA.
  • the incident electron beam 120 forms an electric focal spot B on the X-ray source layer 130 is.
  • the X-ray focal spot ⁇ is essentially dependent on the angle of inclination Y, ie, at a smaller angle of inclination Y, the X-ray focal spot ⁇ also decreases for the constant electric focal spot B of the incident electron beam 120.
  • the X-ray focal spot ⁇ does not increase significantly when the electron beam 120 is fanned out and the electron beam 120 is distributed over an electrical focal spot B. It can thereby be achieved that the x-ray source layer 130 heats up less, since the electrons can impinge on the x-ray source layer 130 over a larger area and need not be focused on a narrow space.
  • Fig. 6 shows an embodiment of an X-ray tube with an X-ray target according to the present invention. Electrons are released from a cathode 180 and accelerated to the X-ray target having the X-ray source layer 130 with the substrate 140 and serving as an anode as the electron beam 120. The electrons may optionally be focused by lateral deflection electrodes 182a and 182b such that they strike the x-ray source layer 130 in the region G or be focused on the x-ray source layer 130 via an electric focal spot B.
  • the x-ray radiation 110 generated in the x-ray source layer 130 leaves the x-ray source layer 130 from the side facing the electron beam 120 and leaves the x-ray tube through a stop 160.
  • the x-ray tube further has a cooling bottom 170 and a housing 190, wherein the cooling bottom 170 is designed to fix the x-ray target along the second main surface 144 and to absorb and dissipate the heat generated in the substrate 140.
  • the cooling bottom 170 can be formed, for example, by a copper block or have another material that ensures efficient heat transport as well as a discharge of the electrons that have penetrated into the substrate 140.
  • the thickness of the substrate 140 may be selected such that a residual part of the kinetic energy of the electrons is emitted in the cooling bottom 170, so that the braking of the electrons can take place as follows: via the Bremsstrahlung in the X-ray genquelltik 130, a first thermal cooling of the electrons in the substrate 140 and in a final thermal cooling of the electrons in the cooling bottom 170th
  • the angle of incidence ⁇ can be, for example, in a range between 0 ° and 70 ° or between 5 ° and 45 ° or between 10 ° and 30 °.
  • the angle of inclination Y may, for example, be in a range between 0 ° and 70 ° or between 5 ° and 45 ° or between 10 ° and 30 °.
  • the target angle ⁇ may, for example, be in a range between 0 ° and 70 ° or between 5 ° and 45 ° or between 10 ° and 30 °.
  • the present invention describes a layered x-ray tube target which radiates the used x-ray radiation 120 in the direction of reflection.
  • the X-ray tube target or simply X-ray target comprises two layers of different material, wherein the layer (X-ray source layer 130) facing the electron beam 120 is made of a high atomic number material, while the layer (substrate 140) facing away from the electron beam is a lower material 70skohl has.
  • the material of the x-ray source layer 130 may have an atomic number that is greater than (or at least twice as large as) the ordinal number of the material of the substrate 140.
  • the x-ray source layer may comprise the following materials: molybdenum (Mo), rhodium (Rh), tungsten (W), rhenium (Re), platinum (Pt), gold (Au).
  • the substrate 140 may include, for example, the following materials: beryllium, graphite, diamond, silicon carbide, etc.
  • the thickness of the x-ray source layer 130 should be sufficiently small so that at most 20% of the heat deposited in the anode is deposited in the x-ray source layer 130 becomes.
  • the thickness of the x-ray source layer 130 may also be determined by the energy range of the electron beam 120 (the higher the energy range of the electron beam 120, the thicker the x-ray source layer 130 should be).
  • the substrate 140 should be so thick that the surface of the substrate 140 (cooling floor) remote from the electron beam 120 can be kept at room temperature.
  • the corresponding values for the thicknesses can be determined, for example, for an electron beam 120 with an energy between 30 keV and 100 keV or of more than 30 keV.
  • Corresponding measurements for determining the layer thicknesses can be made, for example, in a stationary operation of the x-ray tube (in which the x-ray tube and in particular the x-ray target have reached their operating temperatures).

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Abstract

An X-ray target for producing X-rays (110) in a region of incidence (M) of an electron beam (120) onto the X-ray target comprises an X-ray source layer (130) and a substrate (140). The X-ray source layer (130) comprises a high atomic number material and the substrate (140) comprises a low atomic number material. The X-ray source layer (130) is formed on the substrate (140) and the substrate (140) has a layer thickness (D) in the direction of a surface normal (150) in the region of incidence (M) of at least 1 cm.

Description

Röntgentargβt Röntgentargβt
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Röntgentar- get zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung an einer Auftreffregion eines Elektronenstrahles auf das Röntgentarget und insbesondere auf ein Reflexionsröntgentarget mit dünner Röntgenquellschicht hoher Ordnungszahl und einem Substrat niedriger Ordnungszahl.The present invention relates to an X-ray source for generating X-ray radiation at an impact region of an electron beam on the X-ray target, and more particularly to a reflection X-ray target with a thin X-ray source layer of high atomic number and a substrate of low atomic number.
Röntgenstrahlen besitzen nicht nur in der Medizintechnik eine herausragende Bedeutung, sondern finden auch bei der Materialprüfung, z. B. hinsichtlich der Feststellung von Defekten in Materialien, eine vielfältige Anwendung. Röntgenstrahlung kann beispielsweise mittels eines Elektronenstrahls erzeugt werden, der auf ein Target geschossen wird, so dass die auftreffenden Elektronen unter Aussendung einer Bremsstrahlung stark abgebremst werden und ihre verbleibende Energie in Form von Wärme an das Target abgeben. Die Bremsstrahlung weist ein kontinuierliches Spektrum auf, das von einem Niederenergiebereich bis zu einem Hochenergiebereich reicht. Die hohe Strahlungsenergie wird dadurch verursacht, dass die Elektronen bei dem plötzlichen Auftreffen auf das Target innerhalb eines sehr kurzen Bereiches abrupt abgebremst werden. Die Bremswirkung wird durch Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomen unter Aussendung von Röntgenstrahlung (oder allgemein von Photonen mit der entsprechenden Energie) erreicht.X-rays are not only of great importance in medical technology, but are also used in material testing, eg in As regards the detection of defects in materials, a diverse application. X-ray radiation can be generated, for example, by means of an electron beam which is shot at a target, so that the incident electrons are strongly decelerated by emitting a Bremsstrahlung and deliver their remaining energy in the form of heat to the target. The Bremsstrahlung has a continuous spectrum ranging from a low energy range to a high energy range. The high radiation energy is caused by the fact that the electrons are abruptly decelerated in the sudden impact on the target within a very short range. The braking effect is achieved by interaction of the electrons with the atoms with the emission of X-rays (or generally of photons with the corresponding energy).
Der Winkel der ausgehenden Röntgenstrahlung hängt dabei zum einen von der Energie der einstrahlenden Elektronen als auch von dem Winkel unter welchem die Elektronen auf das Röntgentarget treffen ab. Es ist dadurch möglich Röntgen- targets sowohl als Transmissionsröntgentarget als auch als Reflexionsröntgentarget zu betreiben. Bei Transmissionstargets wird die Röntgenstrahlung, die sich in Bewegungsrich- tung der einfallenden Elektronen ausbreitet, genutzt, währenddessen bei Reflexionsröntgentargets die Röntgenstrahlung genutzt wird, welche sich von der Oberfläche, auf der die Elektronenstrahlung auftrifft, ausbreitet (in Reflexionsrichtung) .The angle of the outgoing X-ray radiation depends on the one hand on the energy of the radiating electron and on the angle at which the electrons hit the X-ray target. It is thereby possible to operate X-ray targets both as a transmission X-ray target and as a reflection X-ray target. For transmission targets, the X-radiation, which is reflected in motion In the case of reflection X-ray targets, the X-ray radiation which propagates from the surface on which the electron beam impinges is used (in the direction of reflection).
Da die einfallenden Elektronen ihre Energie als Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) und in Form von elastischen und unelastischen Stößen an das Material abgeben und das Mate- rial aufheizen, sind die Röntgentargets zumeist in einem Zweischichtensystem aufgebaut. In einer ersten Schicht wird der Elektronenstrahl unter Aussendung der Röntgenstrahlung abgebremst und in der zweiten Schicht erfolgt die Umwandlung der verbleibenden kinetischen Energie der Elektronen in Wärmeenergie, die dann möglichst effizient abzuleiten ist.Since the incident electrons release their energy as bremsstrahlung (X-radiation) and in the form of elastic and inelastic collisions to the material and heat up the material, the X-ray targets are usually constructed in a two-layer system. In a first layer, the electron beam is decelerated while emitting the X-ray radiation and in the second layer, the conversion of the remaining kinetic energy of the electrons into heat energy, which is then derived as efficiently as possible.
Röntgenröhren mit geschichteten Targets sind im Stand der Technik in DE 27 29 833, in US 20 90 636, in US 3 894 239, EP 0 584 871, DE 10 2005 018 342 Al und EP 0 432 568 beschrieben. Bei den aus diesen Druckschriften bekannten Röntgenröhren oder Röntgentargets wird die Röntgenstrahlung in Transmissionsrichtung genutzt, wobei im Falle der Druckschrift EP 0 432 568 die Röntgenstrahlung sowohl in Trans- missions- als auch in Reflexionsrichtung genutzt wird.Layered-target X-ray tubes are described in the prior art in DE 27 29 833, in US 20 90 636, in US 3 894 239, EP 0 584 871, DE 10 2005 018 342 A1 and EP 0 432 568. The x-ray radiation in the transmission direction is used in the x-ray tubes or x-ray targets known from these publications, with the x-ray radiation being used both in the transmission direction and in the reflection direction in the case of the document EP 0 432 568.
Das Betreiben des Röntgentargets in Transmissionsrichtung, d. h. das Nutzen der Röntgenstrahlung, die sich in Richtung des Elektronenstrahls ausbreitet, ist dahingehend nachtei- lig, dass das Röntgentarget nur eine (nach oben) begrenzte Schichtdicke aufweisen darf, da ansonsten die Röntgenstrahlung vollkommen durch das Target absorbiert werden würde. Die nach oben begrenzte Schichtdicke weist jedoch gleichzeitig eine stark eingeschränkte Wärmeaufnahmefähigkeit und Wärmeableitfähigkeit auf. Das führt zu einer erheblichen Aufheizung des Röntgentargets. Gerade bei der Erzeugung einer hochintensiven Röntgenstrahlung, die beispielsweise durch einen hochintensiven Elektronenstrahl, welcher auf die Röntgenröhre trifft, erzeugt werden kann, ist es jedoch wichtig, dass die dadurch zu- sätzlich erzeugte Wärmemenge effizient abgeleitet wird, damit das Material des Röntgentargets nur einer begrenzten thermischen Belastung ausgesetzt ist. Da die Elektronen ihre kinetische Energie überwiegend in Wärme abgeben und nur einen kleinen Prozentbereich (beispielsweise ca. 1 %) in Form von Bremsstrahlung abgeben, wird eine große Wärmemenge während des Betriebes der Röntgenröhre erzeugt. Wenn also eine Zunahme der Leistung der Röntgenstrahlung durch eine Erhöhung der Leistung des Elektronenstrahles erreicht wird, führt dies gleichzeitig zu einer deutlichen Erhöhung der Wärmemenge, die von dem Röntgentarget bzw. der Röntgenröhre abzuleiten ist. Andererseits darf das Röntgentarget, wenn es in Transmissionsrichtung betrieben werden soll, wie oben bereits erwähnt nur eine begrenzte Dicke (Maximalschichtdicke) aufweisen, damit die Röntgenstrahlung nicht oder kaum durch das Röntgentarget absorbiert wird. Somit erfordern diese konventionellen Röntgentargets stets einen Kompromiss hinsichtlich der Dimensionierung des Röntgentargets .The operation of the X-ray target in the transmission direction, ie the use of X-radiation propagating in the direction of the electron beam, is disadvantageous in that the X-ray target may have only a (limited) layer thickness, otherwise the X-ray radiation will be completely absorbed by the target would become. However, the limited upper layer thickness simultaneously has a greatly limited heat-absorbing capacity and heat dissipation capability. This leads to a considerable heating of the X-ray target. However, it is important, especially when producing a high-intensity X-ray radiation, which can be generated, for example, by a high-intensity electron beam which impinges on the X-ray tube, that the additionally generated heat quantity be efficiently diverted so that the material of the X-ray target is only limited is exposed to thermal stress. Since the electrons release their kinetic energy predominantly into heat and emit only a small percentage range (for example about 1%) in the form of bremsstrahlung, a large amount of heat is generated during the operation of the x-ray tube. Thus, if an increase in the power of the X-radiation is achieved by an increase in the power of the electron beam, this simultaneously leads to a significant increase in the amount of heat to be derived from the X-ray target or the X-ray tube. On the other hand, if the x-ray target is to be operated in the transmission direction, as already mentioned above, it must have only a limited thickness (maximum layer thickness) so that the x-ray radiation is not or hardly absorbed by the x-ray target. Thus, these conventional X-ray targets always require a compromise with respect to the dimensioning of the X-ray target.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Röntgentarget zu schaffen, das eine großvolumige Verteilung und damit eine effiziente Ableitung der durch die Elektronenstrahlung verursachten Wärme ermöglicht.Starting from this prior art, the present invention has the object to provide an X-ray target, which allows a large-volume distribution and thus an efficient dissipation of the heat caused by the electron radiation.
Diese Aufgabe wird durch ein Röntgentarget nach Anspruch 1, einer Verwendung nach Anspruch 12, einer Röntgenröhre nach Anspruch 13 und ein Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 15 gelöst.This object is achieved by an X-ray target according to claim 1, a use according to claim 12, an X-ray tube according to claim 13 and a method of manufacturing according to claim 15.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, ein Röntgentarget durch ein Substrat und einer darauf ausgebildeten Röntgenquellschicht zu schaffen, wobei das Substrat eine Mindestdicke aufweist. Die Mindestdicke ist gewählt, um die Wärmemenge, die durch die auf das Röntgen- target auftreffende Elektronenstrahlung verursacht wird, effizient abzuleiten. Die Mindestschichtdicke des Substrats kann entlang der Flächennormale zu der Fläche, auf die die Elektronenstrahlung auftrifft, gemessen zumindest 1 cm oder zumindest 2 cm betragen. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass das so geschaffene Röntgentarget im Reflexionsbetrieb und die Strahlung in einen kleinen Targetwinkel verwendet wird (der zu 90° komplementäre Winkel zwischen der Flächennormalen der Röntgenguellschicht und der abgestrahlten Röntgenstrahlung) .The present invention is based on the finding to provide an X-ray target by a substrate and an X-ray source layer formed thereon, wherein the Substrate has a minimum thickness. The minimum thickness is chosen to efficiently dissipate the amount of heat caused by the electron beam incident on the X-ray target. The minimum layer thickness of the substrate may be at least 1 cm or at least 2 cm measured along the surface normal to the surface on which the electron beam impinges. Furthermore, the present invention is based on the finding that the X-ray target thus created is used in the reflection mode and the radiation in a small target angle (the 90 ° complementary angle between the surface normal of the X-ray source layer and the emitted X-radiation).
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfasst somit ein Röntgentarget zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung in einer Auftreffregion eines Elektronenstrahls auf das Röntgentarget. Das Röntgentarget umfasst eine Röntgenquellschicht , die ein Material mit hoher Ordnungszahl aufweist, und ein Substrat, das ein Material mit niedriger Ordnungszahl aufweist, wobei die hohe Ordnungszahl der Röntgenquellschicht zumindest doppelt so groß ist wie die niedrige Ordnungszahl des Substrats. Die Röntgenquellschicht ist auf dem Substrat ausgebildet und das Substrat weist eine Dicke in Richtung einer Flächennormalen einer Grenzfläche zwischen der Röntgenquellschicht und dem Substrat an der Auftreffregion von zumindest 1 cm auf. Das Substrat weist eine erste Hauptoberfläche, auf der die Röntgenquellschicht ausgebildet ist, und eine zweite Hauptoberfläche auf der der Röntgenquellschicht abgewandten Seite auf, wobei Flächennormalen der ersten und zweiten Hauptoberfläche sich in einem Neigungswinkel schneiden und der Neigungswinkel einen Wert zwischen 0° und 45° aufweist.The subject of the present invention thus comprises an X-ray target for generating X-ray radiation in an incident region of an electron beam onto the X-ray target. The X-ray target comprises an X-ray source layer comprising a high atomic number material and a substrate having a low atomic number material, wherein the high atomic number of the X-ray source layer is at least twice the low atomic number of the substrate. The x-ray source layer is formed on the substrate, and the substrate has a thickness in the direction of a surface normal of an interface between the x-ray source layer and the substrate at the impact region of at least 1 cm. The substrate has a first major surface on which the x-ray source layer is formed and a second major surface on the side opposite the x-ray source layer, wherein surface normals of the first and second major surfaces intersect at an inclination angle and the inclination angle is between 0 ° and 45 ° ,
In der einfachsten Form ist die Röntgenquellschicht unmittelbar auf dem Substrat ausgebildet, ohne dass zusätzliche Zwischenschichten erforderlich sind. Solch ein 2-schichtige Röntgentarget kann dahingehend optimiert werden, dass bei Anregungsenergien von mehr als 30 keV oder einem Bereich zwischen 30 keV und 100 keV in Reflexionsrichtung möglichst viele Photonen (möglichst intensive Röntgenstrahlung) bei einer thermischen Grenzbelastung des Targets (Röntgentar- get) erzeugt werden. Der Durchmesser des optischen Brennfleckes liegt dabei beispielsweise zwischen 1 μm und 1.000 μm oder zwischen 50 μm und 500 μm oder zwischen lOOμm und 300μm.In its simplest form, the x-ray source layer is formed directly on the substrate without the need for additional intermediate layers. Such a 2-layer X-ray target can be optimized so that Excitation energies of more than 30 keV or a range between 30 keV and 100 keV in the direction of reflection as many photons as possible (as intense as possible X-radiation) at a thermal limit load of the target (Röntgentar- get) are generated. The diameter of the optical focal spot is for example between 1 .mu.m and 1000 .mu.m or between 50 .mu.m and 500 .mu.m or between 100 .mu.m and 300 .mu.m.
Die Röntgenquellschicht (obere Schicht, auf die die Elektronenstrahlung auftrifft) weist als Material höherer Ordnungszahl beispielsweise Wolfram auf. In dieser Schicht wird die Röntgenstrahlung erzeugt, während in der unteren Schicht, dem Substrat, die Elektronen ihre Restenergie als Wärme an den Festkörper abgeben.The x-ray source layer (upper layer on which the electron beam strikes) has, for example, tungsten as a material of a higher atomic number. In this layer, the X-radiation is generated, while in the lower layer, the substrate, the electrons release their residual energy as heat to the solid.
Physikalischer Hintergrund, ein geschichtetes Target zu verwenden, ist der Zusammenhang zwischen der Art der Wechselwirkungen, über welche die Elektronen in dem Elektronen- strahl ihre Energie in ein Material verlieren, wobei die Wechselwirkung insbesondere von der kinetischen Energie der Elektronen E und der Ordnungszahl Z des Materials abhängt. Für den Energieverlust durch Bremsstrahlung gilt allgemein folgender qualitative Zusammenhang (numerische Faktoren sind weggelassen) :The physical background to using a layered target is the relationship between the type of interactions over which the electrons in the electron beam lose their energy into a material, the interaction in particular being dependent on the kinetic energy of the electrons E and the atomic number Z of the electron Material depends. For the energy loss by Bremsstrahlung generally the following qualitative context applies (numerical factors are omitted):
dEBreras oc Z E In E Breras or Z E In E
Die verbleibende Energie, d. h. jene Energie, die die Elektronen nicht in Form von Photonen (Bremsstrahlung) abgeben, wird als Wärme im Targetmaterial umgesetzt. Eine möglichst hohe Abgabe von Röntgenstrahlung wird somit bei einer möglichst hohen Ordnungszahl des Targetmaterials und bei einer hohen kinetischen Energie der Elektronen er- reicht.The remaining energy, d. H. the energy that the electrons do not emit in the form of photons (bremsstrahlung) is converted as heat in the target material. The highest possible emission of X-radiation is thus achieved with the highest possible atomic number of the target material and with a high kinetic energy of the electrons.
Um eine möglichst effiziente Umsetzung der Energie des Elektronenstrahles in Röntgenstrahlung zu erreichen, ist es sehr wichtig, das Material der Röntgenquellschicht als auch das Material des Substrats geeignet zu wählen. Kriterien bei der Materialwahl für die Röntgenquellschicht sind beispielsweise:In order to achieve the most efficient implementation of the energy of the electron beam in X-rays, it is very important to choose the material of the x-ray source layer as well as the material of the substrate suitable. Criteria for the choice of material for the x-ray source layer are, for example:
Hohe Ordnungszahl,High atomic number,
Hoher Schmelzpunkt undHigh melting point and
Hohe Wärmeleitfähigkeit.High thermal conductivity.
Allerdings ist der Anteil der Energie, die in Röntgenstrahlung umgesetzt wird, im Allgemeinen sehr niedrig. Selbst bei einer Verwendung von Wolfram als Target (Röntgenquellschicht) und bei einer Energie für den Elektronenstrahl von 100 keV wird beispielsweise etwa nur 1 % der Energie in Röntgenstrahlung umgesetzt, so dass die verbleibenden 99 % in Wärmeenergie umgesetzt werden und folglich die Anode, als die das Röntgentarget in einer Röntgenröhre im Allgemeinen dient, die verbleibende Energie des Elektronenstrahls aufnimmt und sich dadurch stark erhitzt. Aus diesem Grund ist die Erhöhung der Leistung der Röntgenstrahlung durch eine Erhöhung der Leistung des Elektronenstrahls nur begrenzt möglich (wegen der enormen zusätzlich produzierten Wärmemenge) .However, the amount of energy that is converted into X-rays is generally very low. For example, even using tungsten as the target (x-ray source layer) and energy for the electron beam of 100 keV, only about 1% of the energy is converted to x-rays, so that the remaining 99% will be converted to thermal energy, and hence the anode, as the the x-ray target in an x-ray tube generally serves to receive the remaining energy of the electron beam and thereby strongly heat. For this reason, increasing the power of the X-radiation by increasing the power of the electron beam is limited (because of the enormous amount of heat additionally produced).
Aufgrund der hohen Ordnungszahl ist die (Röntgen) Strahlerzeugung in der Röntgenquellschicht effizient, jedoch wird die erzeugte Wärme auf ein sehr geringes Volumen deponiert. Die Dicke der Röntgenquellschicht wird demnach so gewählt, dass Elektronen, die einen Teil ihrer kinetischen Energie verloren haben und somit eine geringe Wahrscheinlichkeit aufweisen, weitere Röntgenstrahlung zu erzeugen, diese Schicht wieder verlassen. Die verbleibende oder restliche Energie wird dann im Substrat deponiert. Die Wärmedepositi- onsdichte im Substrat ist im Vergleich zur Wärmedepositi- onsdichte in der Röntgenquellschicht, die wie gesagt beispielsweise Wolfram aufweist, um einen Faktor von 3 - 30 oder 5 - 10 geringer, wodurch das Substrat deutlich weniger erwärmt wird (die Wärmemenge wird auf größeres Volumen verteilt oder abgeleitet) . Dies wird durch eine kleine Ordnungszahl des Substrats realisiert. Darüber hinaus dient das Substrat dazu, die Wärme von der Röntgenquellschicht schnell zu einem Kühlboden abzuführen.Due to the high atomic number, the (X-ray) beam generation in the X-ray source layer is efficient, but the generated heat is deposited to a very small volume. Accordingly, the thickness of the x-ray source layer is chosen such that electrons which have lost part of their kinetic energy and thus have a low probability of producing further x-ray radiation leave this layer again. The remaining or remaining energy is then deposited in the substrate. The heat-deposition density in the substrate is lower by a factor of 3 to 30 or 5 to 10 compared to the heat-deposit density in the x-ray source layer in the x-ray source layer, which, as stated, reduces the substrate significantly less (the amount of heat becomes larger) volume distributed or derived). This is realized by a small atomic number of the substrate. In addition, the substrate serves to quickly dissipate the heat from the x-ray source layer to a cooling bottom.
Kriterien bei der Materialwahl für das Substrat sind somit:Criteria for the choice of material for the substrate are thus:
Niedrige Ordnungszahl, Hoher Schmelzpunkt und - Hohe Wärmeleitfähigkeit.Low atomic number, high melting point and - high thermal conductivity.
Beispielsweise sind Kohlenstoffkonfigurationen, wie z. B. Graphit oder Diamant, als Materialien geeignet.For example, carbon configurations, such as. As graphite or diamond, suitable as materials.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung des Röntgentargets im Reflexionsbetrieb - anstatt im Transmissionsbetrieb, wie es in dem oben beschriebenen Stand der Technik verwendet wird. Vorteil des Reflexionsbetriebes ist, dass das Substrat im Prinzip beliebig dick sein kann, um möglichst viel Wärme aufzunehmen. Zudem können an der dem Elektronenstrahl abgewandten Seite des Substrats effiziente Kühlmechanismen realisiert werden (z.B. Kühlboden, Kupferplatte, etc.).Another object of the present invention is the use of the X-ray target in the reflection mode - instead of in the transmission mode, as used in the prior art described above. The advantage of the reflection mode is that the substrate can in principle be arbitrarily thick in order to absorb as much heat as possible. In addition, efficient cooling mechanisms can be realized on the side of the substrate remote from the electron beam (e.g., cooling bottom, copper plate, etc.).
Ferner sind durch kleine Targetwinkel bei Reflexion zudem sehr kleine Brennflecken bei größeren elektrischen Brennflecken möglich. Dies bedeutet, dass im Reflexionsbetrieb der Elektronenstrahl nicht auf einen Punkt fokussiert zu werden braucht und trotzdem eine weitestgehende Fokussie- rung der Röntgenstrahlung innerhalb kleiner Winkelabweichungen möglich wird.Furthermore, very small focal spots are possible with larger electric focal spots due to small target angles during reflection. This means that in reflection mode, the electron beam does not need to be focused on a single point, and nevertheless the X-ray radiation can be focussed as far as possible within small angular deviations.
Wie oben beschrieben, führt die Elektronenstrahlung während des Betriebs dazu, dass sich das Röntgentarget während des Betriebs stark aufheizt, wobei die Röntgenquellschicht deutlich wärmer wird als das darunter befindliche Substrat. Um die Röntgenquellschicht zu schützen (Verhindern des Schmelzens) , sollte die Röntgenquellschicht nicht zu dick gewählt sein, so dass ein großer Anteil der Energie des Elektronenstrahls in Form von Wärme an das darunter liegende Substrat abgegeben wird und die RÖntgenquellschicht im Wesentlichen der Erzeugung der Röntgenstrahlung dient, nicht jedoch der Umwandlung der kinetischen Energie der Elektronen in Wärmeenergie. Die Dicke der RÖntgenquellschicht kann beispielsweise derart gewählt werden, dass der Wärmeeintrag in die RÖntgenquellschicht maximal 20 % der gesamten in der Anode (Röntgentarget) deponierten Wärme beträgt. Dies bedeutet, dass der große Anteil der Energie, die in Form von Wärme an das Substrat abgegeben wird, zumindest 80% betrage sollte.As described above, during operation, the electron beam radiation causes the X-ray target to strongly heat up during operation, with the x-ray source layer becoming significantly warmer than the underlying substrate. In order to protect the X-ray source layer (preventing melting), the X-ray source layer should not be too thick be chosen so that a large proportion of the energy of the electron beam is given in the form of heat to the underlying substrate and the X-ray source layer is essentially the generation of X-rays, but not the conversion of the kinetic energy of the electrons into heat energy. The thickness of the X-ray source layer can be selected, for example, such that the heat input into the X-ray source layer amounts to a maximum of 20% of the total heat deposited in the anode (X-ray target). This means that the large amount of energy that is released into the substrate in the form of heat should be at least 80%.
Um effizient den Reflexionsbetrieb zu gewährleisten, ist das Röntgentarget bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zum einen keilförmig gebildet, so dass die Elektronenstrahlen in einem spitzen Winkel auf das Röntgentarget auftreffen und zum anderen kann das Substrat auf einen darunter befindlichen Kühlboden ausgebildet sein. Der Kühlboden kann beispielsweise eine Kupferplatte aufweisen, die effizient Wärme transportieren kann.In order to ensure efficient reflection operation, the X-ray target in embodiments of the present invention, on the one hand, formed wedge-shaped, so that the electron beams impinge on the X-ray target at an acute angle and, secondly, the substrate may be formed on an underlying cooling floor. The cooling floor can, for example, have a copper plate, which can efficiently transport heat.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Röntgentargets gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;1 is a cross-sectional view of an X-ray target according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2A,B Draufsichten auf die RÖntgenquellschicht mit markiertem elektrischem Brennfleck;Figs. 2A, B are top views of the X-ray source layer with a labeled electric focal spot;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch das Röntgentarget zur Veranschaulichung der geometrischen Abmaße des Substrats; Fig. 4 eine Querschnittsansicht durch das Röntgentarget und der kegelförmig erzeugten Röntgenstrahlung;3 is a cross-sectional view through the X-ray target illustrating the geometric dimensions of the substrate; 4 shows a cross-sectional view through the X-ray target and the cone-shaped X-ray radiation;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht durch das Röntgentarget mit einem großen elektrischen Brennfleck; und5 shows a cross-sectional view through the X-ray target with a large electric focal spot; and
Fig. 6 eine Querschnittsansicht durch eine Röntgenröhre mit dem Röntgentarget gemäß der vorliegenden Erfindung.Fig. 6 is a cross-sectional view through an X-ray tube with the X-ray target according to the present invention.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibung dieser Funktionselemente in den verschiedenen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.With regard to the following description, it should be noted that in the different embodiments, identical or equivalent functional elements have the same reference numerals and thus the description of these functional elements in the various embodiments are interchangeable.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch das Röntgentarget, wobei Röntgenstrahlung 110 durch einen Elektronen- strahl, der in einem Einfallswinkel α auf eine Röntgen- quellschicht 130 auftrifft und die Röntgenquellschicht auf einem Substrat 140 ausgebildet ist. Der Einfallwinkel α wird dabei relativ zu einer Flächennormale 150 ermittelt, wobei die Flächennormale 150 an dem Auftreffpunkt M der Elektronenstrahlung 120 auf die Röntgenquellschicht 130 ermittelt worden ist. Die durch den Elektronenstrahl 120 erzeugte Röntgenstrahlung 110 wird dabei nahezu gleichmäßig in allen Richtungen ausgehend von dem Auftreffpunkt M erzeugt. Die genutzte Röntgenstrahlung 110 bildet einen Kegel. Der Öffnungswinkel des Kegels wird definiert durch die Größe des Austrittsfensters und den Abstand des Austrittsfensters (oder einer Blende) zum Auftreffpunkt M.FIG. 1 shows a cross-sectional view through the X-ray target, wherein X-ray radiation 110 is impinged by an electron beam which impinges on an X-ray source layer 130 at an angle of incidence α and the X-ray source layer is formed on a substrate 140. The angle of incidence α is determined relative to a surface normal 150, the surface normal 150 having been determined at the point of incidence M of the electron radiation 120 on the x-ray source layer 130. The x-ray radiation 110 generated by the electron beam 120 is generated almost uniformly in all directions starting from the impact point M. The used X-radiation 110 forms a cone. The opening angle of the cone is defined by the size of the exit window and the distance of the exit window (or aperture) to the impact point M.
Bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung dringen die Elektro- nen des Elektronenstrahls 120 zunächst in die Röntgenquellschicht 130 ein, werden dort unter Aussendung der Bremsstrahlung abgebremst, wobei die Bremsstrahlung als Röntgenstrahlung 110 von der Röntgenquellschicht 130 ausgesandt wird. Die Bremsstrahlung weist ein kontinuierliches Spektrum mit einem hochenergetischen Röntgenanteil auf. Die verbleibende kinetische Energie der Elektronen wird in Form von Wärme zumeist an das Substrat 140 abgegeben. Um die in das Substrat 140 eingedrungenen Elektronen schließlich abzuleiten, kann das Substrat 140 ferner einen Anschluss aufweisen (in der Figur nicht gezeigt) .When generating the X-ray radiation, the electrons of the electron beam 120 first penetrate into the X-ray source layer 130, are decelerated there by emitting the Bremsstrahlung, the Bremsstrahlung emitted as X-radiation 110 from the X-ray source layer 130 becomes. The Bremsstrahlung has a continuous spectrum with a high energy X-ray content. The remaining kinetic energy of the electrons is usually released to the substrate 140 in the form of heat. In order to eventually dissipate the electrons that have penetrated the substrate 140, the substrate 140 may further include a terminal (not shown in the figure).
Das Substrat 140 ist dabei derart ausgebildet, dass Rönt- genstrahlung 110 im Wesentlichen nur als Reflexionsstrahlen von der Röntgenquellschicht 130 aus gesendet werden - nicht jedoch als Transmissionsstrahlen das Substrat 140 passieren. Das Betreiben des Röntgentargets im Reflexionsbetrieb ermöglicht es, das Substrat 140 ausreichend dick (in Ein- Strahlrichtung) zu gestalten, so dass die dort erzeugte Wärme effizient abgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Schichtdicke D des Substrats 140 - gemessen entlang der Flächennormale 150 - einen Wert aufweisen, der zumindest 1 cm oder zumindest 1,5 cm oder zumindest 2 cm beträgt.In this case, the substrate 140 is designed in such a way that X-ray radiation 110 is emitted substantially only as reflection beams from the X-ray source layer 130-but not as transmission beams through the substrate 140. The operation of the X-ray target in the reflection mode makes it possible to make the substrate 140 sufficiently thick (in the one-beam direction), so that the heat generated there can be dissipated efficiently. By way of example, the layer thickness D of the substrate 140-measured along the surface normal 150-can have a value which is at least 1 cm or at least 1.5 cm or at least 2 cm.
Fig. 2A und 2B zeigen Draufsichten auf die Röntgenquellschicht 130, wobei der Auftreffpunkt M der Röntgenstrahlen 120 als geometrischer Mittelpunkt gezeigt ist. Der Auf- treffpunkt M kann jedoch ebenfalls von dem geometrischen Mittelpunkt der Oberfläche, die dem Elektronenstrahl 120 zugewandt ist, abweichen und in einem Gebiet G gelegen sein. Um ein „Einbrennen" (lokales Schmelzen) zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, den Elektronenstrahl nicht auf einen Punkt zu fokussieren und stattdessen den Elektronen- strahl auf das Gebiet G oder einen Teil des Gebiets G zu verteilen, so dass ein größerer elektrischer Brennfleck gebildet wird. Alternativ kann der Elektronenstrahl ebenfalls in dem Gebiet G wandern, so dass es zu einer gleichmäßigen Aufheizung des Gebietes G kommt und nicht ein bestimmter Punkt besonders stark aufgeheizt wird.FIGS. 2A and 2B are plan views of the x-ray source layer 130, with the impact point M of the x-rays 120 shown as a geometric center. However, the impact point M may also deviate from the geometric center of the surface facing the electron beam 120 and be located in a region G. In order to avoid "burn-in" (local melting), it may be advantageous not to focus the electron beam to a point and instead to distribute the electron beam to the region G or a part of the region G, so that a larger electrical focal spot Alternatively, the electron beam may also travel in the region G, so that uniform heating of the region G occurs and not a particular point is heated particularly strongly.
In Fig. 2A ist das Gebiet G als ein Kreis dargestellt, der konzentrisch um den geometrischen Mittelpunkt M angeordnet ist. Der geometrische Mittelpunkt M kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass die Summe der mittleren Abstandsquadrate zu allen Punkten auf der Oberfläche der Röntgenquellschicht 130 minimiert wird. Im einfachen Fall eines Rechtecks oder eines Kreises kann der geometrische Mittelpunkt durch den Schnittpunkt der Diagonalen von gegenüberliegenden Eckpunkten ermittelt werden. Es ist ebenfalls möglich, dass das Gebiet G entweder die gesamte Oberfläche der Röntgenquellschicht 130 oder auch nur einen Teil der Röntgenquellschicht 130 umfasst. Beispielsweise kann das Gebiet G zumindest 5 % oder höchstens 70 % oder einen Wert zwischen 20 % und 60 % der Fläche der Röntgenquellschicht 130 umfassen.In Fig. 2A, the area G is shown as a circle concentrically arranged around the geometric center M. is. The geometric center M can be formed, for example, by minimizing the sum of the mean square distances to all points on the surface of the x-ray source layer 130. In the simple case of a rectangle or a circle, the geometric center can be determined by the intersection of the diagonals of opposite corner points. It is also possible for the region G to comprise either the entire surface of the x-ray source layer 130 or only part of the x-ray source layer 130. For example, the area G may comprise at least 5% or at most 70% or a value between 20% and 60% of the area of the x-ray source layer 130.
In Fig. 2B ist das Gebiet G durch ein einfaches Skalieren der Oberfläche der Röntgenquellschicht 130 erhalten, wobei die Oberfläche der Röntgenquellschicht 130 wiederum eine rechteckige (oder quadratische) Form aufweist. Die Skalierung erfolgt dabei durch einen Skalenfaktor, um den die Fläche der Röntgenquellschicht 130 zu dem geometrischen Mittelpunkt M hin verkleinert wird. Der Skalierungsfaktor kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 1,5 und 10 liegen. Andere Ausgestaltungen für das Gebiet G sind ebenfalls möglich und es kann vorteilhaft sein, das Gebiet G möglichst groß zu wählen, so dass die Röntgenquellschicht 130 durch den Elektronenstrahl möglichst gleichmäßig belastet wird.In Fig. 2B, the region G is obtained by simply scaling the surface of the x-ray source layer 130, wherein the surface of the x-ray source layer 130 again has a rectangular (or square) shape. The scaling is effected by a scale factor by which the surface of the x-ray source layer 130 is reduced to the geometric center point M. The scaling factor may be in a range between 1.5 and 10, for example. Other embodiments for the area G are also possible and it may be advantageous to choose the area G as large as possible, so that the x-ray source layer 130 is loaded as evenly as possible by the electron beam.
Fig. 3 zeigt wiederum eine Querschnittsansicht durch das Röntgentarget, wobei das Gebiet G, auf das der Elektronenstrahl 110 auf die Röntgenquellschicht 130 auftrifft, zentriert angeordnet ist. In der in Fig. 3 gezeigten Querschnittsansicht erscheint das Gebiet G somit als ein Linienabschnitt zwischen einem ersten Randpunkt Ma mit einer ersten Flächennormalen 150a und einem zweiten Randpunkt Mb mit einer zweiten Flächennormalen 150b, wobei die Flächennormalen sich wiederum auf die Oberfläche der Röntgenquellschicht 130 beziehen. Die erste und zweite Flächennormale 150a und 150b sind durch das Substrat 140 mit einer ersten Hauptoberfläche 142 und einer zweiten Hauptoberfläche 144 durchgezeichnet, wobei die Röntgenquellschicht 130 auf der ersten Hauptoberfläche 142 ausgebildet ist.3 again shows a cross-sectional view through the X-ray target, wherein the region G, on which the electron beam 110 impinges on the X-ray source layer 130, is centered. In the cross-sectional view shown in FIG. 3, the region G thus appears as a line segment between a first boundary point Ma with a first surface normal 150a and a second boundary point Mb with a second surface normal 150b, wherein the surface normals in turn relate to the surface of the x-ray source layer 130. The first and second surface normals 150a and 150b are traversed by the substrate 140 having a first major surface 142 and a second major surface 144, where the x-ray source layer 130 is formed on the first major surface 142.
Die erste Flächennormale 150a weist eine erste Länge Da, die entlang der ersten Flächennormale 150a zwischen der ersten und zweiten Hauptoberfläche 142 und 144 gemessen wird, auf. In analoger Weise weist die zweite Flächennorma- Ie 150b eine zweite Länge Db für einen Abschnitt, der sich innerhalb des Substrats 140 erstreckt auf. In dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen somit alle Flächennormalen, die in dem Gebiet G eingezeichnet werden können, Abstände zwischen der ersten und zweiten Hauptober- fläche 142 und 144 auf, die zwischen der ersten Länge Da und der zweiten Länge Db liegen.The first surface normal 150a has a first length Da measured along the first surface normal 150a between the first and second main surfaces 142 and 144. In an analogous manner, the second surface normal 150b has a second length Db for a portion extending within the substrate 140. Thus, in the embodiment shown in FIG. 3, all the surface normals that can be drawn in the region G have distances between the first and second main surfaces 142 and 144 that lie between the first length Da and the second length Db.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist der beschriebene Längenbereich der Flächennormalen derart gewählt, dass der Minimalwert (=erste Länge Da in der Fig. 3) zumindest einen Wert von 1 cm aufweist oder zumindest einen Wert von 2 cm aufweist.In embodiments of the present invention, the described length range of the surface normal is selected such that the minimum value (= first length Da in FIG. 3) has at least a value of 1 cm or at least a value of 2 cm.
Ferner ist in Fig. 3 um den ersten Randpunkt Ma ein Kreis K gezeichnet, wobei der Kreis K einen Radius R aufweist, der so gewählt ist, dass der Kreis K die zweite Hauptoberfläche 144 des Substrats 140 berührt, diese jedoch nicht durchschneidet. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist das Substrat 140 so gewählt, dass für alle Auftreffpunkte M in dem Gebiet G die jeweiligen Radien einen Wert aufweisen, der zumindest 1 cm oder vorzugsweise zumindest 2 cm aufweist (d.h. in Fig. 3 gilt R > 1 cm oder R > 2cm) . Das Gebiet G kann, wie bei der Fig. 2 erläutert, einen Teil der ersten Hauptoberfläche 142 umfassen oder auch die gesamte erste Hauptoberfläche 142 umfassen. Somit ist das Substrat 140 derart gewählt, dass es eine Schichtdicke aufweist, die einen Mindestwert überschreitet. Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein Röntgentar- get mit dem Substrat 140 und der Röntgenquellschicht 130, auf die der Elektronenstrahl 120 auftrifft und in einem Targetwinkel ß Röntgenstrahlung 110 kegelförmig aussendet, wobei die Kegelspitze den Auftreffpunkt M der Elektronenstrahlung 120 auf die Röntgenquellschicht 130 ist. Der Targetwinkel ß ist somit der zu 90° komplementäre Winkel zwischen der Flächennormale an dem Auftreffpunkt M und der Achse des Kegels, den die erzeugt Röntgenstrahlung 110 aufspannt. Sofern die Röntgenstrahlung 110 in einem rechten Winkel von der Richtung des Elektronenstrahls abgestrahlt wird gilt somit, dass der Einfallswinkel α gleich dem Targetwinkel ß ist (ß=α) .Further, in Fig. 3, a circle K is drawn around the first boundary point Ma, the circle K having a radius R selected so that the circle K contacts the second major surface 144 of the substrate 140, but does not intersect it. In further embodiments, the substrate 140 is selected such that for all points of incidence M in the region G, the respective radii have a value that is at least 1 cm or preferably at least 2 cm (ie, R> 1 cm or R> in FIG. 3) 2cm). The region G may, as explained in FIG. 2, comprise part of the first main surface 142 or may also comprise the entire first main surface 142. Thus, the substrate 140 is selected such that it has a layer thickness that exceeds a minimum value. 4 shows a cross-sectional view through an X-ray target with the substrate 140 and the X-ray source layer 130, which is hit by the electron beam 120 and emits cone-shaped X-ray radiation 110 at a target angle β, the cone tip being the point of impact M of the electron beam 120 on the X-ray source layer 130 , The target angle β is thus the 90 ° complementary angle between the surface normal at the point of impingement M and the axis of the cone which the generated X-radiation 110 spans. Insofar as the X-radiation 110 is radiated at a right angle from the direction of the electron beam, the angle of incidence α is equal to the target angle β (β = α).
Ferner weist das Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, eine Blende 160 auf, die einen Teil der Röntgenstrahlung 110 ausblendet. Damit wird es möglich, dass die Röntgenstrahlung 110 nur in einem gerichteten Bereich aus der Röntgenröhre austritt und sich nicht unkontrolliert in einem darum befindlichen Raum ausbreiten kann. Darüber hinaus kann die Blende ebenfalls dazu genutzt werden, um durch eine entsprechende Wahl der Blende 160 die austretende Intensität der Röntgenstrahlung 110 zu beeinflussen (die Energie- und Intensitätsverteilung der Bremsstrahlung ist winkelabhängig) .Furthermore, as shown in FIG. 4, the embodiment has an aperture 160 which blocks out part of the X-radiation 110. This makes it possible for the X-ray radiation 110 to exit the X-ray tube only in a directional area and not to spread uncontrollably in a space located around it. In addition, the diaphragm can also be used to influence by an appropriate choice of the aperture 160, the emerging intensity of the X-ray radiation 110 (the energy and intensity distribution of the Bremsstrahlung is angle-dependent).
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Hauptoberfläche 142 relativ zu der zweiten Hauptoberfläche 144 des Substrats 140 um einen Neigungswinkel Y geneigt, so dass das Röntgentarget eine keilförmige Struktur aufweist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem der Elektronenstrahl 120 senkrecht zur zweiten Hauptoberfläche 144 einfällt ist der Neigungswinkel Y auch gleichzeitig der Einfallwinkel α (α=γ) , mit der Elektronen- strahl 120 auf die Röntgenquellschicht 130 auftrifft. Bei anderen Ausführungsbeispielen braucht dies jedoch nicht der Fall zu sein. Der Neigungswinkel Y kann beispielsweise größer als 0° oder größer als 5° sein oder in einem Bereich zwischen 0 und 30° liegen. Die Röntgenstrahlung wird wiederum in einen Targetwinkel ß abgestrahlt (gemessen von einer Tangente an die Röntgenquellschicht 130) .In the embodiment shown in FIG. 4, the first main surface 142 is inclined relative to the second main surface 144 of the substrate 140 by an inclination angle Y, so that the X-ray target has a wedge-shaped structure. In the present exemplary embodiment, in which the electron beam 120 is incident perpendicular to the second main surface 144, the angle of inclination Y is also simultaneously the angle of incidence α (α = γ) with which the electron beam 120 impinges on the x-ray source layer 130. However, in other embodiments this need not be the case. The inclination angle Y may be, for example, greater than 0 ° or greater than 5 ° or in a range between 0 and 30 °. The X-ray radiation is in turn emitted into a target angle β (measured from a tangent to the X-ray source layer 130).
Die Form des Röntgentarget kann bei weiteren Ausführungsbeispielen anders gewählt sein, so dass neben der keilförmigen Anordnung (oder trapezförmigen Ausgestaltung) auch andere Formen möglich sind - z. B. dass die erste Hauptoberfläche 142 parallel zur zweiten Hauptoberfläche 144 ist oder aber dass die erste Hauptoberfläche 142 nicht linear im Vergleich zur zweiten Hauptoberfläche 144 ausgebildet ist (z. B. parabolisch) .The shape of the X-ray target may be chosen differently in other embodiments, so that in addition to the wedge-shaped arrangement (or trapezoidal configuration) other shapes are possible -. B. that the first major surface 142 is parallel to the second major surface 144 or that the first major surface 142 is not linearly formed compared to the second major surface 144 (eg, parabolic).
Fig. 5 zeigt wiederum eine Querschnittsansicht des Röntgen- targets, wobei die Elektronenstrahlung 120 in der Fig. 5 über einen elektrischen Brennfleck B auf der Röntgenquellschicht 130 aufgefächert ist und der so aufgefächerte Elektronenstrahl 120 durch einen ersten Elektronenstrahl 120a und einen zweiten Elektronenstrahl 120b in der Quer- schnittsansicht von Fig. 5 begrenzt wird. In der gezeigten Querschnittsansicht ist somit der aufgefächerte Elektronenstrahl 120 durch einen ersten Randpunkt Ma und einen zweiten Randpunkt Mb begrenzt, die wiederum Ausgangspunkt für die erzeugte Röntgenstrahlung 110 sind. Somit werden an dem ersten Randpunkt Ma erste kegelförmig aufgespannte Röntgenstrahlen 110a erzeugt, und ebenso werden an dem zweiten Randpunkt Mb zweite kegelförmig aufgespannte Röntgenstrahlen 110b erzeugt. Wie die Fig. 5 zeigt, ist die Röntgenstrahlung 110a und 110b, die von einem Röntgen-Brennfleck Δ aufgespannt wird, währenddessen die einfallende Elektronenstrahlung 120 einen elektrischen Brennfleck B auf der Röntgenquellschicht 130 bildet.FIG. 5 again shows a cross-sectional view of the X-ray target, in which the electron beam 120 in FIG. 5 is fanned onto the X-ray source layer 130 via an electric focal spot B and the electron beam 120 fanned out by a first electron beam 120 a and a second electron beam 120 b in the Cross-sectional view of Fig. 5 is limited. In the cross-sectional view shown, the fanned-out electron beam 120 is therefore delimited by a first edge point Ma and a second edge point Mb, which in turn are the starting point for the generated X-ray radiation 110. Thus, first conical spanned X-rays 110a are generated at the first edge point Ma, and second conical spanned X-rays 110b are also generated at the second edge point Mb. As shown in FIG. 5, the X-ray radiation 110a and 110b spanned by an X-ray focal spot .DELTA. During which the incident electron beam 120 forms an electric focal spot B on the X-ray source layer 130 is.
Der Röntgen-Brennfleck Δ ist dabei im Wesentlichen von dem Neigungswinkel Y abhängig, d. h. bei einen kleineren Neigungswinkel Y verringert sich auch der Röntgen-Brennfleck Δ für gleich bleibenden elektrischen Brennfleck B der einfallenden Elektronenstrahlung 120. Das bietet den Vorteil, dass bei Röntgentargets gemäß der vorliegenden Erfindung der Röntgen-Brennfleck Δ, sich nicht wesentlich vergrößert, wenn der Elektronenstrahl 120 aufgefächert wird und der Elektronenstrahl 120 sich über einen elektrischen Brenn- fleck B verteilt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Röntgenquellschicht 130 sich weniger aufheizt, da die Elektronen über ein größeres Gebiet auf die Röntgenquellschicht 130 auftreffen können und nicht auf einen engen Raum fokussiert zu werden brauchen.The X-ray focal spot Δ is essentially dependent on the angle of inclination Y, ie, at a smaller angle of inclination Y, the X-ray focal spot Δ also decreases for the constant electric focal spot B of the incident electron beam 120. This offers the advantage In the case of X-ray targets according to the present invention, the X-ray focal spot Δ, does not increase significantly when the electron beam 120 is fanned out and the electron beam 120 is distributed over an electrical focal spot B. It can thereby be achieved that the x-ray source layer 130 heats up less, since the electrons can impinge on the x-ray source layer 130 over a larger area and need not be focused on a narrow space.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Röntgenröhre mit einem Röntgentarget gemäß der vorliegenden Erfindung. Elektronen werden von einer Kathode 180 freigesetzt und zum Röntgentarget, das die Röntgenquellschicht 130 mit dem Substrat 140 aufweist und als Anode dient, als der Elektronenstrahl 120 beschleunigt. Die Elektronen können optional durch seitliche Ablenkelektroden 182a und 182b derart fokussiert werden, dass sie die Röntgenquellschicht 130 in dem Gebiet G treffen bzw. über einen elektrischen Brenn- fleck B auf der Röntgenquellschicht 130 fokussiert werden. Die in der Röntgenquellschicht 130 erzeugte Röntgenstrahlung 110 verlässt die Röntgenquellschicht 130 von der dem Elektronenstrahl 120 zugewandten Seite und verlässt durch eine Blende 160 die Röntgenröhre. Die Röntgenröhre weist ferner einen Kühlboden 170 und ein Gehäuse 190 auf, wobei der Kühlboden 170 ausgebildet ist, das Röntgentarget entlang der zweiten Hauptoberfläche 144 zu fixieren und die in dem Substrat 140 erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuleiten.Fig. 6 shows an embodiment of an X-ray tube with an X-ray target according to the present invention. Electrons are released from a cathode 180 and accelerated to the X-ray target having the X-ray source layer 130 with the substrate 140 and serving as an anode as the electron beam 120. The electrons may optionally be focused by lateral deflection electrodes 182a and 182b such that they strike the x-ray source layer 130 in the region G or be focused on the x-ray source layer 130 via an electric focal spot B. The x-ray radiation 110 generated in the x-ray source layer 130 leaves the x-ray source layer 130 from the side facing the electron beam 120 and leaves the x-ray tube through a stop 160. The x-ray tube further has a cooling bottom 170 and a housing 190, wherein the cooling bottom 170 is designed to fix the x-ray target along the second main surface 144 and to absorb and dissipate the heat generated in the substrate 140.
Der Kühlboden 170 kann beispielsweise durch einen Kupferblock gebildet sein oder ein anderes Material aufweisen, das einen effizienten Wärmetransport als auch ein Ableiten der in das Substrat 140 eingedrungenen Elektronen sicherstellt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Dicke des Substrats 140 derart gewählt sein, dass ein Restteil der kinetischen Energie der Elektronen in dem Kühlboden 170 abgegeben wird, so dass ein Abbremsen der Elektronen wie folgt erfolgen kann: über die Bremsstrahlung in der Rönt- genquellschicht 130, einer ersten thermischen Abkühlung der Elektronen in dem Substrat 140 und in einer abschließenden thermischen Abkühlung der Elektronen in dem Kühlboden 170.The cooling bottom 170 can be formed, for example, by a copper block or have another material that ensures efficient heat transport as well as a discharge of the electrons that have penetrated into the substrate 140. In further exemplary embodiments, the thickness of the substrate 140 may be selected such that a residual part of the kinetic energy of the electrons is emitted in the cooling bottom 170, so that the braking of the electrons can take place as follows: via the Bremsstrahlung in the X-ray genquellschicht 130, a first thermal cooling of the electrons in the substrate 140 and in a final thermal cooling of the electrons in the cooling bottom 170th
Für die verschiedenen Winkel können beispielhaft die folgenden Bereiche gewählt werden. Der Einfallwinkel α kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0° und 70° oder zwischen 5° und 45° oder zwischen 10° und 30° liegen. Der Neigungswinkel Y kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0° und 70° oder zwischen 5° und 45° oder zwischen 10° und 30° liegen. Der Targetwinkel ß kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0° und 70° oder zwischen 5° und 45° oder zwischen 10° und 30° liegen.For the various angles, the following ranges can be selected by way of example. The angle of incidence α can be, for example, in a range between 0 ° and 70 ° or between 5 ° and 45 ° or between 10 ° and 30 °. The angle of inclination Y may, for example, be in a range between 0 ° and 70 ° or between 5 ° and 45 ° or between 10 ° and 30 °. The target angle β may, for example, be in a range between 0 ° and 70 ° or between 5 ° and 45 ° or between 10 ° and 30 °.
Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Erfindung ein geschichtetes Röntgenröhrentarget, welches die genutzte Röntgenstrahlung 120 in Reflexionsrichtung abstrahlt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist das Röntgenröhrentarget oder einfach Röntgentarget zwei Schichten aus unter- schiedlichem Material auf, wobei die dem Elektronenstrahl 120 zugewandte Schicht (Röntgenquellschicht 130) aus einem Material hoher Ordnungszahl besteht, währenddessen die dem Elektronenstrahl abgewandte Schicht (Substrat 140) ein Material mit niedriger Ordnungszahl aufweist. Beispielswei- se kann das Material der Röntgenquellschicht 130 eine Ordnungszahl aufweisen die größer ist als (oder zumindest doppelt so groß ist wie) die Ordnungszahl des Materials des Substrats 140.In summary, the present invention describes a layered x-ray tube target which radiates the used x-ray radiation 120 in the direction of reflection. In further embodiments, the X-ray tube target or simply X-ray target comprises two layers of different material, wherein the layer (X-ray source layer 130) facing the electron beam 120 is made of a high atomic number material, while the layer (substrate 140) facing away from the electron beam is a lower material Ordnungszahl has. By way of example, the material of the x-ray source layer 130 may have an atomic number that is greater than (or at least twice as large as) the ordinal number of the material of the substrate 140.
Beispielsweise kann die Röntgenquellschicht folgende Materialien aufweisen: Molybdän (Mo) , Rhodium (Rh) , Wolfram (W), Rhenium (Re), Platin (Pt), Gold (Au) . Das Substrat 140 kann beispielsweise folgende Materialien aufweisen: Beryllium, Graphit, Diamant, Siliziumcarbid etc.For example, the x-ray source layer may comprise the following materials: molybdenum (Mo), rhodium (Rh), tungsten (W), rhenium (Re), platinum (Pt), gold (Au). The substrate 140 may include, for example, the following materials: beryllium, graphite, diamond, silicon carbide, etc.
Die Dicke der Röntgenquellschicht 130 soll dabei ausreichend klein sein, so dass höchstens 20 % der in der Anode deponierten Wärme in die Röntgenquellschicht 130 deponiert wird. Die Dicke der Röntgenquellschicht 130 kann beispielsweise ebenfalls durch den Energiebereich des Elektronenstrahls 120 bestimmt werden (je höher der Energiebereich des Elektronenstrahls 120 desto dicker sollte die Röntgen- quellschicht 130 gewählt sein) . Andererseits soll das Substrat 140 so dick sein, dass die dem Elektronenstrahl 120 abgewandte Fläche des Substrats 140 (Kühlboden) auf Raumtemperatur gehalten werden kann. Die entsprechenden Werte für die Dicken können beispielsweise für einen Elekt- ronenstrahl 120 mit einer Energie zwischen 30 keV und 100 keV oder von mehr als 30 keV bestimmt werden. Entsprechende Messungen zu Bestimmung der Schichtdicken können beispielsweise in einem stationären Betrieb der Röntgenröhre (in dem die Röntgenröhre und insbesondere das Röntgentarget ihre Betriebstemperaturen erreicht haben) vorgenommen werden. The thickness of the x-ray source layer 130 should be sufficiently small so that at most 20% of the heat deposited in the anode is deposited in the x-ray source layer 130 becomes. For example, the thickness of the x-ray source layer 130 may also be determined by the energy range of the electron beam 120 (the higher the energy range of the electron beam 120, the thicker the x-ray source layer 130 should be). On the other hand, the substrate 140 should be so thick that the surface of the substrate 140 (cooling floor) remote from the electron beam 120 can be kept at room temperature. The corresponding values for the thicknesses can be determined, for example, for an electron beam 120 with an energy between 30 keV and 100 keV or of more than 30 keV. Corresponding measurements for determining the layer thicknesses can be made, for example, in a stationary operation of the x-ray tube (in which the x-ray tube and in particular the x-ray target have reached their operating temperatures).

Claims

Patentansprüche claims
1. Röntgentarget zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung (110) in einer Auftreffregion (M) eines Elektronen- Strahls (120) auf das Röntgentarget, mit:An X-ray target for generating an X-radiation (110) in an incident region (M) of an electron beam (120) on the X-ray target, comprising:
einer Röntgenquellschicht (130) , das ein Material mit hoher Ordnungszahl aufweist; undan x-ray source layer (130) comprising a high atomic number material; and
einem Substrat (140), das ein Material mit niedriger Ordnungszahl aufweist, wobei die hohe Ordnungszahl der Röntgenquellschicht (130) zumindest doppelt so groß ist wie die niedrige Ordnungszahl des Substrats (140)a substrate (140) comprising a low atomic number material, wherein the high atomic number of the x-ray source layer (130) is at least twice as large as the low atomic number of the substrate (140)
wobei die Röntgenquellschicht (130) auf dem Substrat (140) ausgebildet ist und das Substrat (140) eine Dicke (D) in Richtung einer Flächennormalen (150) einer Grenzfläche zwischen der Röntgenquellschicht (130) und dem Substrat (140) an der Auftreffregion (M) von zu- mindest 1 cm aufweist,wherein the x-ray source layer (130) is formed on the substrate (140) and the substrate (140) has a thickness (D) in the direction of a surface normal (150) of an interface between the x-ray source layer (130) and the substrate (140) at the impingement region ( M) of at least 1 cm,
und wobei das Substrat (140) eine erste Hauptoberfläche (142), auf der die Röntgenquellschicht (130) ausgebildet ist, und eine zweite Hauptoberfläche (144) auf der der Röntgenquellschicht (130) abgewandten Seite aufweist, wobei Flächennormalen der ersten und zweiten Hauptoberfläche (142, 144) sich in einem Neigungswinkel (Y) schneiden und der Neigungswinkel (y) einen Wert zwischen 0° und 45° aufweist.and wherein the substrate (140) has a first main surface (142) on which the x-ray source layer (130) is formed, and a second main surface (144) on the side facing away from the x-ray source layer (130), wherein surface normals of the first and second major surfaces (142) 142, 144) intersect at an inclination angle (Y) and the inclination angle (y) has a value between 0 ° and 45 °.
2. Röntgentarget nach Anspruch 1, bei dem die Schichtdicke (D) des Substrats (140) zumindest 1,5 cm oder zumindest 2 cm aufweist.2. X-ray target according to claim 1, wherein the layer thickness (D) of the substrate (140) at least 1.5 cm or at least 2 cm.
3. Röntgentarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auftreffregion (M) innerhalb eines Gebietes (G) auf der Röntgenquellschicht (130) liegt und das Gebiet (G) durch eine Skalierung einer durch die Röntgenquellschicht (130) gebildeten Oberfläche, die dem Substrat (140) abgewandt ist, um einen vorbestimmten Faktor gebildet ist,3. X-ray target according to one of the preceding claims, wherein the impact region (M) within a region (G) on the X-ray source layer (130) and the region (G) by scaling one through the X-ray source layer (130) formed surface, which faces away from the substrate (140) is formed by a predetermined factor,
und bei dem das Substrat (120) ausgebildet ist, um für jede Auftreffregion (M) im Gebiet (G) einen Schichtdicke (D) von zumindest 1 cm aufzuweisen.and wherein the substrate (120) is formed to have a layer thickness (D) of at least 1 cm for each impinging region (M) in the region (G).
4. Röntgentarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Neigungswinkel (Y) derart eingestellt ist, dass der Elektronenstrahl (120) bei senkrechtem Einfall bezüglich der zweiten Hauptoberfläche (144) einen elektrischen Brennfleck (B) auf der Röntgenquellschicht (130) bildet und die Röntgenstrahlung (110) ein Röntgen-Brennfleck (Δ) auf der Röntgenquellschicht (130) bildet,4. X-ray target according to one of the preceding claims, wherein the angle of inclination (Y) is set such that the electron beam (120) forms an electric focal spot (B) on the x-ray source layer (130) with normal incidence with respect to the second main surface (144) and the X-radiation (110) forms an X-ray focal spot (Δ) on the X-ray source layer (130),
wobei der Röntgen-Brennfleck (Δ) in einem Bereich zwischen 1 μm und 500 μm liegt.wherein the X-ray focal spot (Δ) is in a range between 1 micron and 500 microns.
5. Röntgentarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material der Röntgenquellschicht (130) Molybdän oder Gold oder Platin oder Wolfram aufweist und/oder das Substrat (140) Beryllium oder Graphit o- der Diamant oder Siliziumcarbid aufweist.5. X-ray target according to one of the preceding claims, wherein the material of the x-ray source layer (130) molybdenum or gold or platinum or tungsten and / or the substrate (140) beryllium or graphite o- has the diamond or silicon carbide.
6. Röntgentarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (140) eine erste Hauptoberfläche6. X-ray target according to one of the preceding claims, wherein the substrate (140) has a first main surface
(142) und eine zweite Hauptoberfläche (144) aufweist, wobei auf der ersten Hauptoberfläche (142) die Röntgenquellschicht (130) ausgebildet ist und wobei die zweite Hauptoberfläche (144) mit einem Kühlboden (170) verbindbar ist.(142) and a second major surface (144), wherein on the first major surface (142) the x-ray source layer (130) is formed, and wherein the second major surface (144) is connectable to a cooling bottom (170).
7. Röntgentarget nach Anspruch 6, bei dem die Flächennormalen der ersten Hauptoberfläche (142) und der zweiten Hauptoberfläche (144) sich in einem Neigungswinkel (γ) schneiden und der Neigungswinkel (Y) größer als 0 ist oder größer als 5° ist oder in einem Bereich zwischen 0° und 30° liegt.The X-ray target according to claim 6, wherein the surface normals of the first main surface (142) and the second main surface (144) intersect at an inclination angle (γ) and the inclination angle (Y) is greater than zero or greater than 5 ° or in a range between 0 ° and 30 °.
8. Röntgentarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Röntgenquellschicht (130) eine weitere8. X-ray target according to one of the preceding claims, in which the x-ray source layer (130) has a further
Schichtdicke aufweist und die weitere Schichtdicke unterhalb eines Maximalwertes liegt, wobei der Maximalwert derart bestimmt ist, dass bei einer Bestrahlung des Röntgentargets mit einem Elektronenstrahl in einem Energiebereich von mehr 30 keV 20 % der in dem Röntgentarget erzeugten Wärmemenge in der Röntgenquellschicht (130) deponiert ist.Has layer thickness and the further layer thickness is below a maximum value, wherein the maximum value is determined such that upon irradiation of the X-ray target with an electron beam in an energy range of more 30 keV 20% of the amount of heat generated in the X-ray target in the X-ray source layer (130) is deposited ,
9. Röntgentarget nach Anspruch 8, bei dem der Energiebe- reich zwischen 30 keV und 100 keV liegt.9. X-ray target according to claim 8, wherein the energy range is between 30 keV and 100 keV.
10. Röntgentarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schichtdicke (D) des Substrats (140) eine Mindestschichtdicke aufweist und die Mindestschichtdi- cke derart gewählt ist, dass bei einer Bestrahlung des Röntgentargets mit einem Elektronenstrahl (110) mit einer Energie zwischen 30 keV und 100 keV sich die dem Elektronenstrahl abgewandte Fläche des Substrats (140) auf eine Temperatur von 400C erwärmt.10. X-ray target according to one of the preceding claims, wherein the layer thickness (D) of the substrate (140) has a minimum layer thickness and the Mindestschichtdi- bridge is selected such that upon irradiation of the X-ray target with an electron beam (110) with an energy between 30 keV and 100 keV, the surface of the substrate (140) facing away from the electron beam is heated to a temperature of 40 ° C.
11. Verwendung eines Röntgentargets nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Reflexionsbetrieb in einer Röntgenröhre.11. Use of an X-ray target according to one of claims 1 to 10 in reflection mode in an X-ray tube.
12. Röntgenröhre zur Erzeugung eines Röntgenstrahls (110) durch einen Elektronenstrahl (120) in einer Auftreffregion (M) des Elektronenstrahls (120), mit:12. X-ray tube for generating an X-ray beam (110) by an electron beam (120) in an impact region (M) of the electron beam (120), comprising:
einer Anode, die ein Substrat (140) und eine Röntgen- quellschicht (130), die auf dem Substrat (140) ausgebildet ist, aufweist, wobei das Substrat (140) eine Dicke (D) in Richtung einer Flächennormalen (150) einer Grenzfläche zwischen der Röntgenquellschicht (130) und dem Substrat (140) an der Auftreffregion (M) von zumindest 1 cm aufweist;an anode comprising a substrate (140) and an x-ray source layer (130) formed on the substrate (140), the substrate (140) having a thickness (D) in the direction of a surface normal (150) of an interface between the x-ray source layer (130) and the substrate (140) at the impact region (M) of at least 1 cm;
einer Kathode (180), die ausgebildet ist, Elektronen des Elektronenstrahls (120) freizusetzen;a cathode (180) configured to release electrons of the electron beam (120);
einen Kühlboden (170), an dem das Substrat (140) des Röntgentargets angeordnet ist; unda cooling floor (170) on which the substrate (140) of the X-ray target is arranged; and
einem Gehäuse (190) mit einem Austrittsfenster (160),a housing (190) having an exit window (160),
wobei das Austrittsfenster (160) in dem Gehäuse (190) derart angeordnet ist, so dass es für die Röntgenstrahlung (110) passierbar ist, und wobei die Anode ausgebildet ist, die Röntgenstrahlung (110) von der Röntgenquellschicht (130) zu emittieren.wherein the exit window (160) is disposed in the housing (190) so as to be passable to the x-ray radiation (110), and wherein the anode is configured to emit x-ray radiation (110) from the x-ray source layer (130).
13. Röntgenröhre nach Anspruch 12, bei dem das Substrat (140) und der Kühlboden (170) für Röntgenstrahlung un- passierbar sind.13. X-ray tube according to claim 12, in which the substrate (140) and the cooling bottom (170) are impermeable to X-ray radiation.
14. Verfahren zur Herstellung eines Röntgentargets zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung (110) in einer Auftreffregion (M) eines Elektronenstrahls (120) auf das Röntgentarget, mit folgenden Schritten:14. A method for producing an X-ray target for generating an X-radiation (110) in an impact region (M) of an electron beam (120) on the X-ray target, comprising the following steps:
Bereitstellen eines Substrats (140), das ein Material mit niedriger Ordnungszahl aufweist; undProviding a substrate (140) comprising a low atomic number material; and
Bilden einer Röntgenquellschicht (130) auf dem Substrat (140), wobei die Röntgenquellschicht (130) ein Material mit hoher Ordnungszahl aufweist, wobei die hohe Ordnungszahl der Röntgenquellschicht (130) zumindest doppelt so groß ist wie die niedrige Ordnungszahl des Substrats (140),Forming an x-ray source layer (130) on the substrate (140), wherein the x-ray source layer (130) comprises a high atomic number material, wherein the high atomic number of the x-ray source layer (130) is at least twice the low atomic number of the substrate (140)
und wobei das Substrat (140) eine Schichtdicke (D) in Richtung einer Flächennormalen (150) an der Auftreff- region (M) von zumindest 1 cm aufweist, und das Substrat (140) eine erste Hauptoberfläche (142), auf der die Röntgenquellschicht (130) ausgebildet ist, und eine zweite Hauptoberfläche (144) auf der der Röntgen- quellschicht (130) abgewandten Seite aufweist, wobei Flächennormalen der ersten und zweiten Hauptoberfläche (142, 144) sich in einem Neigungswinkel (Y) schneiden und der Neigungswinkel (γ> einen Wert zwischen 0° und 45° aufweist. and wherein the substrate (140) has a layer thickness (D) in the direction of a surface normal (150) at the impact surface. region (M) of at least 1 cm, and the substrate (140) has a first major surface (142) on which the x-ray source layer (130) is formed and a second major surface (144) on the x-ray source layer (130) Side, wherein surface normals of the first and second main surfaces (142, 144) intersect at an inclination angle (Y) and the inclination angle (γ> has a value between 0 ° and 45 °.
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