DE10106740A1

DE10106740A1 - Röntgenstrahler mit einem Target aus einem flüssigen Metall

Info

Publication number: DE10106740A1
Application number: DE10106740A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Harding; Bernd David; Jens Peter Schlomka
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-08-22
Also published as: WO2002065505A1; JP2004519083A; US20030142789A1; EP1362360B1; DE60230387D1; EP1362360A1; US6925151B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit einer Elektronenquelle und einem Fenster, durch das die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen in ein Target aus einem flüssigen Metall eintreten. Mittels eines im Betriebszustand rotierenden Zylinders, der mit dem Fenster einen von dem flüssigen Metall durchströmten Spalt einschließt, wird in dem flüssigen Metall eine Strömung erzeugt, die die Wärme aus dem Bereich des Fensters abführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen, einem Fenster und einem Target aus einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers zirkulierenden flüssigem Metall, in dem die das Fenster durchdringenden Elektronen Röntgenstrahlung erzeugen.

Ein derartiger Röntgenstrahler ist aus der DE-A 198 21 939.3 (PHD 98-044) bekannt. Das flüssige Metall wird dabei mittels einer Pumpe durch eine Verengung im Bereich des Fensters gepresst. Die Verengung erhöht die Strömungsgeschwindigkeit und erzeugt Turbulenzen, wodurch die im Bereich der Verengung erzeugte Wärme wirksam abtransportiert werden kann. Allerdings sind für eine wirksame Kühlung erhebliche Pumpendrücke erforderlich, was Pumpen mit einem erheblichen Gewicht voraussetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Röntgenstrahler zu schaffen, bei dem die Strömung des flüssigen Targets auf andere Weise erzeugt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Röntgenstrahler mit

- einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen,
- einem Fenster,
- einem Target aus einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers zirkulierenden, flüssigen Metall, in dem die das Fenster durchdringenden Elektronen Röntgenstrahlung erzeugen, und mit

einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers rotierenden Zylinder, der mit dem Fenster einen von dem flüssigen Metall durchströmten Spalt einschließt.

In dem Spalt zwischen dem Fenster und dem rotierenden Zylinder bildet sich eine sogenannte Couette-Strömung, die das flüssige Metall aus dem Bereich des Fensters transportiert. Bei genügend hoher Drehzahl des Zylinders wird diese Strömung turbulent, so dass die Flüssigkeit durchmischt wird und die Wärme noch besser vom Fenster wegtransportiert wird. Der rotierende Zylinder hat also u. a. die Funktion einer Pumpe, jedoch wird die Zirkulation des flüssigen Metalls insbesondere im Bereich des Fensters nicht durch Pumpendruck bewirkt, sondern durch die Scherkräfte innerhalb der Flüssigkeit.

Anspruch 2 beschreibt eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Die Kammer, in der der Zylinder rotiert und die Vakuumkammer, in der sich die Elektronenquelle befindet, sind dabei durch das Fenster getrennt. Die Kammer muss so geformt sein, dass der Spalt zwischen der Kammerwand und der Oberfläche des Zylinders im Bereich des Fensters am engsten ist.

Grundsätzlich wäre es möglich, das flüssige Metall ausschließlich in der Kammer zirkulieren zu lassen. Demgegenüber sieht aber Anspruch 3 einen Flüssigkeitskreislauf vor, der über Zu- und Ableitungen mit der Kammer verbunden ist. Anspruch 4 gibt eine dafür geeignete Möglichkeit zum Kühlen des flüssigen Metalls an. Es ist aber auch möglich, wenigstens einen Teil der Wärme dadurch abzuführen, dass die Kammer von außen gekühlt wird.

Wenn die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen in dem flüssigen Target einen quadratischen (oder kreisrunden) Fokus definieren, kommt es auf die Lage der Rotationsachse des Zylinders nicht an. Bei einem Strichfokus jedoch, dessen Abmessungen in Längsrichtung wesentlich größer sind als senkrecht zur Längsrichtung, wird die in Anspruch 5 angegebene Orientierung von Strichfokus und Rotationsachse bevorzugt.

Anspruch 6 beschreibt eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich der Couette-Strömung in dem Spalt bei hinreichend schneller Rotation des Zylinders als Folge der auf die Flüssigkeit einwirkenden Zentrifugalkräfte Wirbel ergeben (sogenannte Taylor-Wirbel bzw. Taylor-Görtler-Wirbel), worin die Flüssigkeit radial, axial und azimutal (um den Zylinder herum) strömt. Dadurch ergibt sich eine optimale Durchmischung der heißeren Flüssigkeitspartikel (in der Nähe des Fensters) mit kälteren Partikeln (in der Nähe des Zylinders), die für einen effektiven Wärmetransport aus dem Bereich des Fensters sorgt. Quantitativ lässt sich die erforderliche Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl durch die sog. Taylor-Zahl definieren. Nach der Theorie ergeben sich die erwähnten Wirbel bei einer Taylor-Zahl von mindestens 41 und in der Praxis bei einer Taylor-Zahl von mehreren 100.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen erfindungsgemäßen Röntgenstrahler schematisch darstellt.

Innerhalb einer Vakuumkammer 1 befindet sich eine Elektronenquelle (Kathode) 3 die im Betriebszustand gegenüber der aus Metall bestehenden Vakuumkammer 11 eine negative Hochspannung führt und einen Elektronenstrahl 4 emittiert. Zur Erzeugung eines sogenannten "Strichfokus" hat der Elektronenstrahl einen länglichen Querschnitt, wobei die Längsrichtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der Elektronenstrahl 4 dringt durch ein Fenster 2, das die Vakuumkammer nach außen vakuumdicht abschließt, in ein Target aus einem - zumindest im Betriebszustand - flüssigen Metall ein, das außen an dem Fenster 2 vorbeiströmt. Dadurch wird in dem Target Röntgenstrahlung erzeugt, die durch das Fenster 2 und ein Strahlenaustrittsfenster 5 in der Vakuumkammer austritt. Weil der Austrittswinkel relativ klein ist, erscheint der an sich langgestreckte Strichfokus vom Strahlenfenster 5 aus als nahezu quadratisch bzw. kreisförmig.

Das Fenster 2 muss für den Elektronenstrahl möglichst "transparent" sein, so dass die Elektronen beim Durchtritt durch das Fenster darin so wenig Wärme erzeugen und Energie verlieren wie möglich. Es sollte daher möglichst dünn sein. Andererseits muss es stark genug sein, um dem in dem flüssigen Target entstehenden Druck standzuhalten, und es darf von dem flüssigen Metall nicht angegriffen werden. Die Fenster können beispielsweise aus Diamant oder Molybdän bestehen und eine Dicke von wenigen µm haben.

Das Fenster 2 schließt auch eine Kammer 7 ab, in der ein Zylinder 6 um eine zur Zeichenebene senkrechte Rotationsachse 12 drehbar gelagert ist. Der Zylinder 6 wird im Betriebszustand des Röntgenstrahlers durch einen nicht näher dargestellten Motor über eine Durchführung in der Kammer 7 angetrieben, die die Kammer 7 nach außen hin abdichtet. Zwischen dem Zylinder 6 und dem Fenster 2 besteht ein schmaler Spalt 8 von z. B. 200 µm, der die engste Stelle in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf darstellt, der das flüssige Metall über eine Zuleitung 9 in die Kammer 7 hinein- und über eine Ableitung 10 aus ihr herausführt. Das flüssige Metall kann durch einen Wärmetauscher 11 gekühlt werden, jedoch ist es auch möglich, zumindest einen Teil der Wärme durch Kühlung des Gehäuses 7 bzw. des Zylinders 6 abzuführen.

Die dem Fenster 2 zugewandte Seite der Kammer 7 ist elliptisch geformt, wobei der Krümmungsradius im Bereich des Fensters entsprechend der Abmessung des Spalts 8 größer ist als der Radius des Zylinders 6. In dem Spalt 8 entsteht daher eine Couette- Strömung, wenn der Zylinder 6 rotiert. Wenn die Drehzahl des Zylinders relativ niedrig wäre, würde die Strömung in dem Spalt laminar verlaufen und dabei linear von einem der Umfangsgeschwindigkeit des Zylinders entsprechenden Wert (an der Oberfläche des Zylinders) auf den Wert 0 (an der Oberfläche des Fensters) abnehmen. Eine solche laminare Strömung ist im Hinblick auf die Abfuhr der im Fenster und in fensternahen Bereichen des Spaltes 8 erzeugte Wärme relativ ungünstig.

Deshalb wird der Zylinder mit einer so hohen Drehzahl betrieben, dass sogenannte Taylor- Wirbel (auch Taylor-Görtler-Wirbel genannt) entstehen, wobei als Folge der auftretenden Zentrifugalkräfte sich in dem Spalt auch radial und axial gerichtete Geschwindigkeitskomponenten der Flüssigkeit ergeben. Dadurch vermischen sich heiße Zonen in der Flüssigkeit mit kälteren Zonen, wodurch das Volumen vergrößert wird, in das die Elektronen ihre Energie abgeben. Dies führt zu einer Verringerung der Maximaltemperatur der Flüssigkeit. Außerdem wird dadurch die Wärmeabfuhr vom Fenster selbst verbessert, das ja einen kleinen Teil der Energie der Elektronen aufnimmt und ohne diese Wirbelbildung heißer wäre. Der Röntgenstrahler kann also mit einer höheren Leistung betrieben werden, bzw. es kann die Temperatur im Fensterbereich bei gleichbleibender Leistung reduziert werden.

Die Wirbelbildung hängt von der sogenannten Taylor-Zahl T_a ab, die wie folgt definiert ist:

Dabei ist U die Umfangsgeschwindigkeit des Zylinders, d die Dicke des Spaltes 8 zwischen dem Zylinder 6 und dem Fenster 2, R der Radius des Zylinders und ν die kinematische Viskosität des als Target dienenden flüssigen Metalls. Nach der Theorie setzt die Wirbelbildung oberhalb einer Taylor-Zahl von 41 ein, doch ist es in der Praxis zweckmäßig, eine höhere Taylor-Zahl anzugeben, beispielsweise einige 100. Eine Taylor- Zahl von 250 beispielsweise wird bei einer Spaltdicke von 200 µm einem Trommelradius von 5 cm und Gallium als flüssigem Metall (ν = 3.10^-7 m²s^-1) erreicht bei einer Umfangsgeschwindigkeit U von 6 ms^-1 bzw. bei einer Drehzahl von 19 Hz.

Claims

1. Röntgenstrahler mit

- einer Elektronenquelle (3) zur Emission von Elektronen,
- einem Fenster (2),
- einem Target aus einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers zirkulierenden, flüssigen Metall, in dem die das Fenster durchdringenden Elektronen Röntgenstrahlung erzeugen, und mit

einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers rotierenden Zylinder (6), der mit dem Fenster (2) einen von dem flüssigen Metall durchströmten Spalt (8) einschließt.

2. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, wobei der Zylinder (6) in einer Kammer (7) gelagert ist, die mit einer die Elektronenquelle (3) und das Fenster (2) enthaltenden Vakuumkammer (1) verbunden ist, wobei das Fenster (2) die Vakuumkammer gegenüber der Kammer abschließt.

3. Röntgenstrahler nach Anspruch 2, wobei die Kammer (7) mit der Zu- und Ableitung (9, 10) eines geschlossenen Kreislaufs verbunden ist, in dem das flüssigen Metall zirkuliert.

4. Röntgenstrahler nach Anspruch 3, wobei in dem geschlossenen Kreislauf ein Wärmetauscher (11) vorgesehen ist.

5. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, wobei die von der Elektronenquelle (3) emittierten Elektronen in dem Target einen Strichfokus definieren, dessen Längsrichtung parallel zur Richtung der Rotationsachse (12) des Zylinders verläuft.

6. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders so hoch ist, dass in dem flüssigen Metall im Bereich des Spaltes Wirbel entstehen.

7. Röntgenstrahler nach Anspruch 6, wobei die Umfansgsgeschwindigkeit der Trommel so gewählt ist, dass sich eine Taylor-Zahl T_a von mehr 50, vorzugsweise mehr als 250 ergibt.