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Die
Erfindung betrifft eine Abschirmung einer Röntgenquelle, deren Anodenmodul
als eine Flüssigmetallröntgenquelle
mit einem Wechselwirkungsmodul in einem Flüssigmetallkreislauf aus Röhrenelementen
ausgebildet ist und innerhalb eines Anodengehäuses angeordnet ist.
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Konventionelle
Röntgensysteme
ermöglichen
es nicht, explosive Stoffe mit ausreichender Genauigkeit in Gepäckstücken zu
detektieren. Dieses Problem wird nur unbefriedigend durch Computertomographie(CT)-Systeme
gelöst,
da diese eine hohe Falschalarmrate aufweisen. In diesen Fällen ist
es nötig,
zusätzlich
eine molekülspezifische
Analyse wie etwa die XDT (x-ray diffraction tomography) vorzunehmen.
Deshalb wurde vor nicht allzu langer Zeit die Verwendung einer Hochleistungs-Flüssigmetallanode
innerhalb des Röntgensystems
vorgeschlagen. Allerdings bleibt auch hier das Problem, dass ein
gewisser Grad an Leckstrahlung generiert wird, der in irgendeiner
Weise abgeschirmt werden muss, da nur der für die Analyse benötigte Röntgenstrahl
aus der Röntgenröhre austreten
darf. Deshalb wurde eine Abschirmung aus Blei um die Röntgenröhre herum angeordnet,
die lediglich eine Öffnung
im Bereich des Austrittsfensters der Röntgenstrahlung aufweist. Da die
Halbwertsschichtdicke beim Einsatz dieser Röntgenröhre im Gepäckprüfbereich aufgrund der hohen Spannung
von einigen 100 kV bei ca. 5 mm liegt, weist diese Abschirmung ein
enormes Gewicht auf. Für
eine CT-Anwendung ist dies problematisch, da die Röntgenröhre an einer
Gantry um das zu untersuchende Gepäckstück rotiert werden muss. Ein
Lösungsversuch
war es, die Bleiabschirmung so nah wie möglich an den Fokus der Röntgenanode
heranzubringen, und seine räumliche
Ausdehnung zu minimieren. Dies schlug jedoch fehl, da der Elektronenstrahl
einer Flüssigmetallanodenröntgenquelle
für die Anwendung
im Gepäckprüfbereich
sehr hohe Leistungen aufweist, die im Bereich von über 10 kW
liegen und die bei der Röntgenstrahlerzeugung
entstehenden Streuelektronen einen so hohen Fluss aufweisen, dass
die Abschirmung schnell aufgeschmolzen wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demnach, eine Abschirmung für eine Flüssigmetallröntgenquelle vorzustellen, die
möglichst
leicht ist, nicht durch Streuelektronen aufgeschmolzen wird und
eine gute Abschirmung der Streustrahlung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Abschirmung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Da
das Wechselwirkungsmodul der Flüssigmetallröntgenquelle,
das den Fokus aufweist, in einen Flüssigmetallkreislauf eingebettet
ist und somit Röhrenelemente
an den Einlass und den Auslass des Wechselwirkungsmoduls anschließen, können diese
Röhrenelemente
dazu verwendet werden, die Streustrahlung zu absorbieren. Die Röhrenelemente
sind dabei so gebogen, dass sie lediglich den Teil des Röntgenstrahls
durchlassen, der einem Austrittsfenster des Gehäuses der Röntgenröhre entspricht. Das Problem
des Aufschmelzens der Abschirmung besteht hier nicht, da das Flüssigmetall
in den Röhrenelementen
ständig
umgewälzt
wird und einer ständigen Kühlung unterzogen
wird. Da die Abschirmung direkt im Bereich der Anode, also auch
um den Fokus herum, erfolgt, weist die Abschirmung aufgrund der
sehr geringen räumlichen
Ausdehnung nur ein geringes Gewicht auf. Im Ergebnis erhält man somit
eine Selbstabschirmung der Röntgenquelle
durch den Flüssigmetallkreislauf,
der sowieso bei Flüssigmetallanoden vorhanden
ist. Als positiver Zusatzeffekt fällt auch die Kühlung des
Gehäuses
der Röntgenröhre weg,
da sämtliche
Streuelektronen schon im Flüssigmetallkreislauf,
also der Abschirmung, abgefangen werden. Da die bevorzugten und
bekannten Flüssigmetalle
für die
Flüssigmetallanode
Bleilegierungen sind, erfolgt eine sehr gute Abschirmung der im
Fokus entstehenden Streustrahlung.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Wechselwirkungsmodul
in einem Hohlkörper
angeordnet ist, der aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei der
Hohlkörper
an seinen Seitenflächen
mit dem Anodengehäuse
verbunden ist. Der Hohlkörper
kann dafür
hergenommen werden, dass die Röhrenelemente
des Flüssigmetallkreislaufs
auf diesen aufgewickelt werden und somit eine bessere mechanische
Stabilität der
Abschirmung gegeben ist. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit wird ein hervorragender
Abtransport der entstehenden Wärme
gewährleistet.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Röhrenelemente
die Oberfläche
des Hohlkörpers
zumindest teilweise bedecken und an der Innenfläche des Anodengehäuses angeordnet
sind. Dadurch wird wiederum die Stabilität der gesamten Abschirmung
erhöht,
da sie zum einen auf dem Hohlkörper
angeordnet ist und zum anderen am Anodengehäuse. Besonders bevorzugt sind
die Röhrenelemente
spiralförmig
an der Oberfläche
des Hohlkörpers
und schneckenförmig an
der Innenfläche
des Anodengehäuses
angeordnet.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Röhrenelemente
in guten thermischen Kontakt mit der Oberfläche des Hohlkörpers sind.
Dadurch wird vermieden, dass sich der Hohlkörper so stark erhitzt, dass
er zu schmelzen beginnt, da seine Wärme von dem gekühlten Flüssigmetallkreislauf
abgeführt
wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Röhrenelemente
einen möglichst
großen
Raumwinkel im Bereich des Fokus des Anodenmoduls abdecken. Dadurch
ist es möglich,
dass die freigesetzte überflüssige Streustrahlung
effektiv absorbiert wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Röhrenelemente
möglichst
große
Biegungsradien aufweisen. Wenn die Röhrenelemente keine scharfen
Ecken aufweisen, erfolgt kein unnötiger Druckverlust innerhalb
des Flüssigmetallkreislaufes
und die Pumpe für
den Flüssigmetallkreislauf
muss nicht unnötig
groß dimensioniert
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Hohlkörper
und/oder das Anodengehäuse
aus Kupfer sind. Da Kupfer ein guter Wärmeleiter ist, wird eine Überhitzung
sowohl des Hohlkörpers
als auch des Anodengehäuses
vermieden. Die dort entstehende Wärme wird durch die an ihnen
angebrachten Röhrenelemente
des Flüssigkreislaufes
abtransportiert.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Röhrenelemente
aus Molybdän
mit einem Durchmesser von 5 bis 20 mm, insbesondere 10 mm, sind.
Molybdän
hat den Vorteil, dass es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der hervorragend auf die restlichen Teile des Flüssigmetallkreislaufs
abgestimmt ist. Darüber
hinaus ist der angegebene Bereich des Durchmessers dafür geeignet,
dass sich die benötigte
Leistung des Pumpenmotors für
die Umwälzung
des Flüssigmetalls
in Grenzen hält
und somit der Motor sehr klein ausgebildet werden kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Hohlkörper
eine Höhe von
7 bis 20 mm, insbesondere 10 mm, hat. In diesen Abmessungen ist
der Fokus der Röntgenanode
in Form des Wechselwirkungsmoduls gut unterbringbar und gleichzeitig
ist die Höhe
nicht zu groß,
so dass die Abschirmung in Form der Röhrenelemente immer noch sehr
nahe am Fokus angeordnet werden kann und somit nur einen kleinen
räumlichen
Bereich abdecken muss. Dadurch wird das Gewicht der Abschirmung
möglichst
gering gehalten.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird weiter anhand der
Zeichnungen erläutert. Im
Einzelnen zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Abschirmung
in einer Flüssigmetallanodenröntgenröhre in der
Ebene des Elektronenstrahlfokus und
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2 einen
vergrößert dargestellten
schematischen Querschnitt durch die Anode der 1 in einer
Ebene senkrecht zum Elektronenstrahl.
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In 1 ist
eine Röntgenröhre 1 im
Längsschnitt
dargestellt. Die Röntgenröhre 1 weist
ein Gehäuse 2 auf,
in dem eine Kathode 3 sowie eine Anode 5 angeordnet
sind.
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Die
Kathode 3 ist in bekannter Art und Weise ausgeführt und
wird mit negativer Hochspannung von ca. –250 kV betrieben. Im Filament
wird ein Elektronenstrahl 4 erzeugt, der zur positiv geladenen
Anode 5 hin beschleunigt wird. An der Anode 5 liegt
eine positive Hochspannung von ca. +250 kV an. Dagegen wird das
Gehäuse 2 auf
Erdpotential gehalten. In einem solchen Fall erhält man ein Röntgenstrahlenspektrum,
das bis zu 500 keV reicht. Diese Energie reicht aus, um typische
Luftfrachtcontainer in einer Vertikalprojektion zu durchdringen.
Eine solche Röntgenröhre 1 ist
somit für
die Gepäcküberwachung
geeignet, insbesondere auf Flughäfen.
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Als
Anode 5 wird eine Flüssigmetallanode verwendet,
wobei der Bereich des Fokus als ein Wechselwirkungsmodul 9 ausgebildet
ist. An dessen Ein- und Austritt schließt sich jeweils ein Röhrenelement 10 an,
durch das das Flüssigmetall 20 (siehe 2)
mittels Elementen, die näher
in 2 dargestellt sind, umgewälzt wird. Als Röhrenelemente 10 werden
Röhren
aus Molybdän
mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet. Je nach Anwendungsfall sind
natürlich
auch andere Durchmesser und andere Materialien für die Röhrenelemente 10 möglich. Die gesamte
Flüssigmetallanode
ist in einem Anodengehäuse 6 untergebracht.
Das Anodengehäuse 6 weist eine
Eintrittsapertur 7 auf, durch die der Elektronenstrahl 4 hindurchtritt.
Er trifft auf das Wechselwirkungsmodul 9 im Bereich des
Fokus auf und produziert dort einen Röntgenstrahl 12. Der
Röntgenstrahl 12 tritt
durch eine Austrittsapertur 8 im Anodengehäuse 6 aus
der Anode 5 aus. Er verlässt dann durch ein Austrittsfenster 13 das
Gehäuse 2 und
steht für die
Untersuchung eines Gepäckstücks (nicht
gezeigt) zur Verfügung.
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Das
Anodengehäuse 2 weist
glatte Konturen auf, beispielsweise ist es zylinder- oder kugelförmig ausgebildet,
und ist poliert. Dadurch wird eine Hochspannungsentladung aufgrund von
Spitzeneffekten vermieden und es findet kein Funkenüberschlag statt.
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Sowohl
die Eintrittsapertur 7 als auch die Austrittsapertur 8 können sehr
klein gehalten werden, damit innerhalb des Anodengehäuses 6 nur
ein kleines elektrisches Feld vorhanden ist.
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Anders
als bei Geräten
gemäß dem Stand der
Technik, wo die Abschirmung aus Blei gegen Streustrahlung außerhalb
des Gehäuses 2 angeordnet
ist, ist erfindungsgemäß die Abschirmung 11 in der
direkten Umgebung des Wechselwirkungsmoduls 9 – und somit
des Fokus – angeordnet.
Da somit bei demselben Raumwinkel, der außerhalb des Gehäuses 2 benötigt wird,
eine bedeutend geringere Oberfläche
abgedeckt werden muss, ist auch die Gesamtmasse der Abschirmung 11 gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten Abschirmungen bedeutend geringer.
Die Abschirmung 11 ist erfindungsgemäß durch die Röhrenelemente 10 selbst gebildet.
Die Röhrenelemente 10 sind
dabei so gebogen, dass in Vorwärtsrichtung
zum einfallenden Elektronenstrahl 4 nur ein kleiner Raumwinkel
für den
in Vorwärtsrichtung
generierten Röntgenstrahl 12 zur Verfügung steht,
um ungehindert durch die Abschirmung 11 hindurchtreten
zu können.
Die restliche erzeugte Röntgenstrahlung
ist Streustrahlung und wird durch die Abschirmung 11 absorbiert.
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Dies
ist möglich,
da in den Molybdän-Leitungen
der Röhrenelemente 10 Bleiverbindungen
zirkulieren. Diese weisen einen hohen Wirkungsquerschnitt mit Röntgenstrahlung
auf, so dass eine gute Absorption gewährleistet ist. Darüber hinaus
werden auch Streuelektronen innerhalb der Abschirmung 11 effektiv
absorbiert, so dass diese nicht gegen das Anodengehäuse 6 prallen.
Eine Überhitzung
der Röhrenelemente 10 oder
sogar ein Aufschmelzen erfolgt nicht, da die in der Abschirmung 11 entstehende Wärme aufgrund
des Umpumpens und Kühlens
des Flüssigmetalls 20 (siehe 2)
sofort abtransportiert wird.
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Die
Röhrenelemente 10 sind
dabei so gebogen, dass sie einen möglichst großen Biegeradius ohne Ecken
aufweisen, in denen ein starker Druckabfall entstehen würde. Dadurch
wird gewährleistet, dass
der Pumpenmotor 15 (siehe 2) nur eine
geringe Leistungsaufnahme benötigt
und somit auch nur eine geringe räumliche Ausdehnung haben kann. Dies
führt dazu,
dass der Pumpenmotor 15 innerhalb des Anodengehäuses 6 untergebracht
werden kann, was eine kompakte Bauweise der Anode 5 gewährleistet.
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In 2 ist
ein Querschnitt durch das Anodengehäuse 6 dargestellt.
Der Elektronenstrahl 4 trifft auf das Wechselwirkungsmodul 9 auf,
das in einem Hohlkörper 14 angeordnet
ist. Der Hohlkörper 14 ist dabei
aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise Kupfer, gefertigt. Er weist eine Höhe von ca.
10 mm auf und ist an seinen Seiten mit dem Anodengehäuse 6 verbunden.
Außerhalb
des Hohlkörpers 14 und
innerhalb des Anodengehäuses 6 sind
sämtliche
Komponenten untergebracht, die für den
Flüssigmetallkreislauf
nötig sind.
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Hierbei
handelt es sich um einen Pumpenmotor 15, der über eine
Antriebswelle 19 mit einer Magnetscheibe 16 verbunden
ist. Mittels des magnetohydrodynamischen Effekts wird das Flüssigmetall 20 durch
die Röhrenelemente 10 gepumpt
und durchströmt
dabei auch das Wechselwirkungsmodul 9 (siehe auch 1).
Im Flüssigmetallkreislauf
ist ein Wärmetauscher 18 angeordnet,
beispielsweise ein Querstrom-Wärmetauscher,
der die im Fokus und in der Abschirmung 11 entstehende
Hitze an eine Kühlflüssigkeit,
beispielsweise ein isolierendes Öl,
abgibt. Neben dem Wärmetauscher 18 ist
eine Expansionskammer 17 in den Flüssigmetallkreislauf integriert, die
den Druck des Flüssigmetalls 20 innerhalb
des Kreislaufes konstant hält.
Dies ist nötig,
da sich das Flüssigmetall 20 in
Abhängigkeit
seiner Temperatur ausdehnt oder zusammenzieht.
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Schließlich sind
die zu 1 schon ausgeführten
Röhrenelemente 10 so
auf die Außenfläche des
Hohlkörpers 14 aufgewickelt,
dass sie eine Spirale formen. Darüber hinaus sind die Röhrenelemente 10 gewunden,
so dass sie in Form einer Helix an der Innenseite des sphärischen
Anodengehäuses 6 anliegen.
Sowohl die Verbindung der Röhrenelemente 10 mit
dem Hohlkörper 14 als
auch mit dem Anodengehäuse 6 ist
thermisch gut leitend, so dass eventuell in dem Anodengehäuse 6 oder
dem Hohlkörper 14 entstehende
Wärme sofort
und gut durch das gekühlte
Flüssigmetall 20 in
den Röhrenelementen 10 abtransportiert
werden kann.
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Um
den magnetohydrodynamischen Effekt, der durch die Magnetscheibe 16 zu
einer Umwälzung des
Flüssigmetalls 20 innerhalb
des Flüssigmetallkreislaufes
führt,
besonders gut zur Geltung zu bringen, ist die Form der Führung der
Röhrenelemente 10 in
dem Bereich, der der Magnetscheibe 16 gegenüberliegt,
optimiert. Da dies jedoch nicht Gegenstand der Erfindung ist und
aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird hierauf nicht näher eingegangen.
Darüber
hinaus ist für
die Ausgestaltung der Röhrenelemente 10 darauf
zu achten – wie
oben zur 1 schon erwähnt -, dass möglichst
keine scharfen Ecken vorhanden sind, um Druckverluste zu vermeiden.
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Im
Ergebnis führen
die im Einzelnen aufeinander abgestimmten Komponenten dazu, dass
der gesamte Flüssigmetallkreislauf
sehr kompakt ausgeführt
werden kann und somit vollständig
innerhalb des Anodengehäuses 6 angeordnet
sein kann. Damit ergibt sich auch ein sehr geringes Gewicht für die Anode 5,
was hinsichtlich einer rotierenden Anordnung an einer Gantry um
das zu untersuchende Gepäckstück von größter Bedeutung
ist.
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Aufgrund
der Abschirmung 11 in der beschriebenen Form ist es möglich, sowohl
die im Fokus auch entstehenden, aber für die Untersuchung eines Gepäckstücks nicht
benötigten
Streustrahlen effektiv zu absorbieren als auch die Wärme abzuführen, die
innerhalb des Hohlkörpers 14 aufgrund
der Bestrahlung mittels Sekundärelektronen,
die aus dem Elektronenstrahl 4 rückgestrahlt werden, erzeugt
wird.
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Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass mittels der erfindungsgemäßen Abschirmung 11 eine
Röntgenröhre 1 zur
Verfügung
gestellt wird, die mit einem bedeutend geringeren Gewicht als die bekannten
Röntgenröhren eine
gleichwertige Abschirmung von Streustrahlung ermöglicht und somit besser an
einer Gantry um ein zu untersuchendes Gepäckstück rotiert werden kann.
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- 1
- Röntgenröhre
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kathode
- 4
- Elektronenstrahl
- 5
- Anode
- 6
- Anodengehäuse
- 7
- Eintrittsapertur
- 8
- Austrittsapertur
- 9
- Wechselwirkungsmodul
(mit Fokus)
- 10
- Röhrenelement
- 11
- Abschirmung
- 12
- Röntgenstrahl
- 13
- Austrittsfenster
- 14
- Hohlkörper
- 15
- Pumpenmotor
- 16
- Magnetscheibe
- 17
- Expansionskammer
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Antriebswelle
- 20
- Flüssigmetall