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Die
Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit
einem evakuierten, um eine Drehachse gelagerten Gehäuse, in
dem eine Kathode und eine Anode angeordnet sind, wobei die Kathode
mit einer Oberfläche
ausgestattet ist, die unter Lasereinstrahlung Elektronen emittiert,
und mit Antriebsmitteln zum Drehen des Gehäuses.
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Hochleistungs-Röntgenstrahler
besitzen üblicherweise
eine drehbar gelagerte Anode, um selbst unter Erzeugung von Röntgenstrahlen
mit hoher Strahlungsleistung eine hohe thermische Belastbarkeit
der Anode zu gewährleisten.
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In
der
DE 87 13 042 U1 ist
eine Röntgenröhre mit
einem evakuierten, um eine Drehachse drehbar gelagerten Gehäuse beschrieben,
in dem eine Kathode und eine Anode angeordnet sind. Die Kathode
und die Anode sind fest mit dem Gehäuse verbunden. Die Röntgenröhre verfügt über Antriebsmittel zum
Drehen des Gehäuses
um die Drehachse. Ein in Bezug auf das Gehäuse stationäres Ablenksystem lenkt einen
von der Kathode zu der Anode verlaufenden Elektronenstrahl derart,
dass er auf eine ringförmige
Auftreff-Fläche
auf der Anode trifft, wobei die Achse der ringförmigen Auftreff-Fläche der
Drehachse entspricht, die durch die Kathode verläuft. Da die Anode wärmeleitend
mit der Wand des Gehäuses verbunden
ist, ist eine hohe Wärmeabfuhr
von der Anode zur Außenfläche des
Gehäuses
gewährleistet.
Durch ein Kühlmittel,
das dem Gehäuse
beaufschlagt ist, ist eine effektive Kühlung möglich.
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Bei
dieser Anordnung ist durch die achsennahe Position der Kathode und
der achsenfernen Position der Auftreff-Fläche der Anode ein relativ langer Elektronenflugweg
vorhanden. Dies erzeugt Probleme bei der Fokussierung des Elektronenstrahls.
Dieses Problem tritt unter anderem bei der Erzeugung von weicher
Röntgenstrahlung
auf, bei der eine vergleichsweise ge ringe Spannung zwischen Kathode und
Anode angelegt wird. Durch die geringere kinetische Energie der
Elektronen erfolgt – bedingt
durch die Raumladungsbegrenzung – eine höhere Defokussierung des Elektronenstrahls.
Daher ist der Einsatz einer derartigen Röntgenröhre bei bestimmten Anwendungen,
wie beispielsweise bei der Mammographie, nur eingeschränkt möglich.
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In
der
US 4,821,305 wird
eine Röntgenröhre beschrieben,
bei der sowohl die Anode als auch die Kathode axialsymmetrisch in
einem Vakuumgehäuse angeordnet
sind, die als ganzes um eine Achse rotierbar ist. Die Kathode ist
somit drehbar gelagert und besitzt eine axialsymmetrische Oberfläche aus
einem Material, das unter Lichteinfall photoelektrisch Elektronen
emittiert (Photoelektronen). Die Elektronenemission wird durch einen
räumlich
stationären Lichtstrahl
ausgelöst,
der von außerhalb
des Vakuumgehäuses
durch ein transparentes Fenster auf die Kathode fokussiert wird.
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Die
Umsetzbarkeit dieses Konzeptes erscheint jedoch aufgrund der Quanteneffizienz
heutiger Photokathoden und der dadurch benötigten Lichtleistung fraglich.
Beim Einsatz von hoher Lichtleistung erfordert die Kühlung der
Photokathode aufgrund ihrer eher geringen Wärmebeständigkeit einen beträchtlichen
Aufwand. Zudem ist die Oberfläche der
Photokathode bei den in Röntgenröhren realisierten
Vakuumbedingungen Oxidationsprozessen unterworfen, was die Haltbarkeit
einer solchen Röntgenröhre begrenzt.
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In
der
US 5,768,337 ist
in einem Vakuumgehäuse,
in dem die Photokathode und die Anode angeordnet sind, zwischen
Photokathode und Anode ein Photomultiplier zwischengeschaltet. Dadurch
ist eine geringere optische Leistung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
nötig.
Der längere
Elektronenflugweg mit mehrfacher Ablenkung des Elektronenstrahls
zwischen den Dynoden erfordert einen hohen Aufwand zur Fokussierung
des Strahls.
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Durch
die
EP 0 147 009 B1 ist
ein Röntgen-Scanner,
insbesondere ein Computertomograph, bekannt. Dabei werden Röntgenstrahlen
von einem auf eine Anode treffenden Elektronenstrahl erzeugt. Unter
anderem wird die Möglichkeit
erwähnt, den
Elektronenstrahl durch thermoionisch emittierte Elektronen zu erzeugen,
indem eine Kathodenoberfläche
durch einen Lichtstrahl aufgeheizt wird. Durch die offenbarte Ausgestaltung
der Kathode mit einer Trägerschicht
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
soll die Oberfläche
der Kathode schnell erhitz- und abkühlbar sein. Dies erscheint
jedoch hinsichtlich der dann benötigten
Lichtleistung problematisch.
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Die
US 6,556,651 B1 beschreibt
ein System zur Erzeugung von therapeutischen Röntgenstrahlen. Unter anderem
wird allgemein die Möglichkeit
erwähnt,
dass der für
die Erzeugung von Röntgenstrahlung
benötigte
Elektronenstrahl von einer thermoionischen, von einem Laser geheizten
Kathode emittiert wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Röntgenstrahler
der eingangs genannten Art anzugeben, wie er beispielsweise in der
medizinischen Radiologie verwendet wird, bei dem eine ausreichende
Röntgenleistung
durch vergleichsweise geringe Laserleistung erzeugt werden kann,
bei dem eine einfache Fokussierbarkeit des Elektronenstrahls möglich ist,
und bei dem eine einfache und effiziente Kühlung des Systems eine rasche
Wiedereinsetzbarkeit ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Röntgenstrahler
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren
Ansprüchen.
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Der
Röntgenstrahler
gemäß Anspruch
1 umfasst folgende Komponenten:
- – ein Vakuumgehäuse, das
um eine Achse drehbar ist,
- – eine
Anode, die Röntgenstrahlen
emittiert,
- – eine
Kathode, die Elektronen bei Bestrahlung durch einen Laserstrahl
thermoionisch emittiert,
- – einen
Isolator, der Teil des Vakuumgehäuses
ist und der die Kathode von der Anode trennt,
- – Mittel
zum Anlegen einer Hochspannung zwischen der Anode und der Kathode
zur Beschleunigung der emittierten Elektronen zur Anode hin unter
Bildung eines Elektronenstrahls,
- – Mittel
zur Rotation des Vakuumgehäuses
um seine Achse,
- – Mittel
zur Kühlung
von Komponenten des Röntgenstrahlers,
und
- – Mittel,
um den Laserstrahl von einer stationären Quelle, die außerhalb
des Vakuumgehäuses
angeordnet ist, auf einen räumlich
stationären
Laserbrennfleck auf der Kathode zu richten und zu fokussieren.
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Mit
diesem erfindungsgemäßen Röntgenstrahler
wird erreicht, dass eine ausreichend hohe Elektonenstromdichte durch
Laserleistungen, wie sie von Dioden- oder Festkörperlaser erzeugt werden, erreicht
werden kann. Dadurch, dass der Laserbrennfleck auch drehachsenfern
positioniert werden kann, ist ein verkürzter Strahlengang des Elektronenstrahls
zwischen Laserbrennfleck und Anodenbrennfleck leicht realisierbar,
sodass eine Fokussierung und/oder eine Ablenkung des Elektronenstrahls
auf den Anodenbrennfleck mit vergleichsweise einfachen Mitteln erreicht
werden kann.
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In
einer einfachen Ausgestaltung des Röntgenstrahlers sind die Anode
und/oder die Kathode achsensymmetrisch. Hierdurch wird auf einfache Weise
erreicht, dass während
der Rotation des Röntgenstrahlers
der Elektronenstrahl bzw. der Laserstrahl stets auf die Oberfläche der
Anode bzw. der Kathode trifft.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante
des Röntgenstrahlers
weisen die Anode und/oder die Kathode eine diskrete Achsensymmetrie
auf, in dem Sinne, dass eine Rotation der Anode bzw. der Kathode
um die Achse um einen Winkel, der ein ganzzahliger Teiler von 360° ist, zu
einem identischen Bild der Anode bzw. der Kathode führt. Durch
diese Anordnung ist gewährleistet,
dass bei der (schnellen) Rotation des Röntgenstrahlers keine Unwucht
auftritt, die durch die Anode bzw. die Kathode bedingt wäre. Dennoch
können
insbesondere die Trägerschichten der
Anode bzw. der Kathode segmentweise unterschiedlich aufgebaut sein.
Beispielsweise können Materialien
hoher mechanischer Festigkeit, die als Speichen in der Kathode bzw.
in der Anode angeordnet sind, Segmente von Materialien mit hoher
Emissionseffizienz tragen. Eine solche Anordnung kann in einfacher
Weise hergestellt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der Laserstrahl
asymmetrisch verformt. Dadurch wird ein asymmetrischer Laserbrennfleck
erzeugt. Da die Kathodenoberfläche
rotiert, erfolgt innerhalb des Laserbrennflecks eine Bewegung von schon
erwärmten
Teilen der Kathodenoberfläche.
An der Flanke, an der die noch nicht erwärmte Kathodenoberfläche in den
Laserbrennfleck eintritt, sind deswegen höhere Laserleistungen nötig, um
eine bestimmte Temperatur zu erreichen als an der Flanke, an der
die schon erwärmte
Kathodenoberfläche
aus dem Laserbrennfleck austritt. Durch einen asymmetrisch verformten
Laserstrahl wird ein asymmetrischer Laserbrennfleck mit unterschiedlicher
Laserleistung innerhalb des Laserbrennflecks erzeugt. Durch die Verformung
kann einerseits Laserleistung eingespart werden, andererseits können am
Ein- und Austrittspunkt
der Kathode in den Laserbrennfleck annähernd gleich steile an- und
abfallende Temperaturflanken erzeugt werden, was zu einer effizienten
Elektronenemission auf konstantem Niveau über den Laserbrennfleck führt.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Ausbildung ist der Laserstrahl durch
optische Mittel in zumindest zwei Teilstrahlen aufspaltbar, die
jeweils einen Teillaserbrennfleck bilden. Durch die Zusammensetzung des
Laserbrennfleckes aus Teilbrennflecken lässt sich ein asymmetrischer
Laserbrennfleck auf einfache Weise realisieren. Zudem hat es sich
gezeigt, dass die Temperatur der Kathodenoberfläche bezüglich Erhit zung und Abkühlung durch
einen zusammengesetzten Laserbrennfleck besser steuerbar ist.
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In
einer besonders günstigen
Ausgestaltung wird als Laser ein Diodenlaser oder ein Festkörperlaser
eingesetzt.
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In
einer bevorzugten Ausformung der Erfindung ist der Laserstrahl in
seiner Form veränderbar. Dadurch
kann durch Variation der Laserbrennfleckgröße der Querschnitt des Elektronenstrahls
in seiner Form variiert werden. Zweckmäßigerweise lässt sich
auch die Intensität
des Laserstrahls verändern. Dadurch
kann über
die eingekoppelte Laserleistung die Elektronenstromstärke variiert
werden. Ebenso ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Zeitstruktur
des Laserstrahls veränderbar.
Durch diese Ausgestaltung lassen sich die Erwärmung und die Abkühlung des
Laserbrennfleckes auf eine zusätzliche, einfache
Weise regeln, indem beispielsweise ein gepulster Laserstrahl eingesetzt
wird. Die für
die Steuerung und Formung des Laserstrahls benötigten Mittel können dabei
innerhalb oder außerhalb
des Vakuumgehäuses
untergebracht sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Oberfläche der Kathode elektrisch,
optisch und/oder induktiv heizbar. Durch ein Vorheizen der Kathode
ist eine geringere Laserleistung nötig, um die für die thermoionische
Elektronenemission notwendige Temperatur durch den Laser zu erzeugen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Oberfläche der Kathode auf einer Trägerschicht
aufgebracht. Durch spezielle Eigenschaften der Trägerschicht
hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit,
Wärmekapazität und Dichte
kann einerseits der Abtransport der Wärme von der Oberfläche der
Kathode und andererseits der Erhalt der Grundtemperatur der Oberfläche derart
optimiert werden, dass die Laserleistung zur Erzeugung der Temperatur
für die
thermoionische Emission von Elektronen im Laserbrennfleck verringert
oder gar minimiert werden kann.
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In
einer Ausführungsvariante
der Erfindung weist die Trägerschicht
der Kathode eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit
als die Oberfläche
der Kathode auf. Dadurch wird ein zu schnelles Abkühlen der
Kathode verhindert.
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In
weiteren Ausführungsvarianten
weist die Trägerschicht
eine niedrigere Wärmekapazität und/oder
eine niedrigere Dichte als die Oberfläche der Kathode auf. Auch hierdurch
wird erreicht, dass die Temperatur der Kathode nahe an der Schwelle zur
Elektronenemission gehalten wird. Dadurch bleibt die Kathode flexibel
und kann schnell auf Änderungen
der Laserintensität
und Laserbrennfleckgeometrie reagieren.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektronenstrahl
im Bereich zwischen Kathode und Anode durch ein Magnetsystem, das ein
Magnetfeld im Bereich des Elektronenstrahls erzeugt, formbar und
ablenkbar.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist der Elektronenstrahl zwischen Kathode
und Anode durch elektrostatische Mittel formbar.
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In
einer besonders einfachen Form des Röntgenstrahlers ist das Vakuumgehäuse zylinderförmig ausgebildet
und um die Zylinderachse symmetrisch gelagert. In dieser speziellen
Form des Vakuumgehäuses
ist die Kathode vorzugsweise als eine Basis des Zylinders und die
Anode als eine gegenüberliegende
Basis ausgebildet.
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In
einer materialsparenden Ausführung
ist die Kathode als kreisförmiger
Ring ausgestaltet. Ebenso ist die Anode in einer materialsparenden Bauart
als kreisförmiger
Ring ausgestaltet. Durch eine derartige Bauweise kann die Kathode
bzw. die Anode auch besonders stabil gestaltet werden, da der Ring
aus dem speziellen Anoden- bzw. Kathodenmaterial in ein besonders
stabiles Material eingebettet werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Röntgenstrahler derart gestaltet,
dass der Laserstrahl durch die Trägerschicht hindurch auf die
Oberfläche der
Kathode trifft. Bei dieser Ausgestaltung kann die Kathode als Außenfläche des
Vakuumgehäuses
ausgebildet sein.
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In
einer anderen Ausgestaltung enthält
das Vakuumgehäuse
ein für
den Laser optisch transparentes Fenster, durch das der Laser auf
die Oberfläche
der Kathode trifft.
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Der
Röntgenstrahler
ist bevorzugterweise in einem Strahlergehäuse drehbar gelagert, das mit
einem Kühlmittel
gefüllt
ist. Dadurch ist eine effektive Kühlung des gesamten Systems
gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Vakuumgehäuse
dabei Wärmeleitkomponenten,
die Wärme
von den Komponenten des Vakuumgehäuses zur Außenfläche des Vakuumgehäuses transportieren.
Dadurch ist eine hohe Wärmeableitung
von erhitzten Bestandteilen, die sich beispielsweise im Inneren
des Vakuumgehäuses
befinden, wie die Anodenoberfläche,
gewährleistet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der beigefügten
Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Vakuumgehäuses,
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2 eine
Aufsicht auf einen Kathodenring an einer Stelle eines Laserbrennflecks,
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3 schematisch
ein Profil der Laserleistung im Laserbrennfleck entlang der Linie
V-V in 2 in einem Koordinatensystem mit der Laserleistung
als y-Achse und der Position im Laserbrennfleck als x-Achse,
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4 die
daraus resultierende Elektronenemission in einem Koordinatensystem
mit der Elektronenstromdichte als y-Achse und der Position im Laserbrennfleck
als x-Achse, und
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5 einen
Teil-Längsschnitt
durch einen Teil einer weiteren Ausgestaltung des Vakuumgehäuses.
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In 1 ist
eine dreidimensionale Darstellung eines Vakuumgehäuses 1 gezeigt.
Das Vakuumgehäuse 1 ist
dabei als Zylinder ausgebildet, bei dem der Zylindermantel aus einem
isolierenden Material besteht, und es ist rotationssymmetrisch um
eine Achse 3 gelagert. Eine Anode 5 bildet eine
Basis des Zylinders. Sie umfasst dabei eine Trägerschicht 7 und eine
ringförmig
ausgebildete Oberfläche 9,
von der aus Röntgenstrahlen 29 emittiert
werden. In der gegenüberliegenden
Basis des Vakuumgehäuses 1 (Zylinders)
befindet sich eine ringförmig
ausgebildete Kathode 11. Sie umfasst eine Trägerschicht 13,
die Teil der Außenseite
des Vakuumgehäuses 1 ist,
und eine Oberfläche 15,
die zur Innenseite des Vakuumgehäuses 1 zeigt.
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Die
hier dargestellte Anode 5 und Kathode 11 sind
achsensymmetrisch ausgebildet. Es kann aber auch vorteilhaft sein,
die Anode 5 und die Kathode 11, insbesondere deren
Trägerschichten 7, 13 so auszubilden,
dass sie lediglich eine diskrete Achsensymmetrie aufweisen. Hierunter
wird ein segmentweiser Aufbau der Kathode 11 bzw. der Anode 5 verstanden,
wobei eine Rotation der Kathode 11 bzw. der Anode 5 um
einen ganzzahligen Teiler von 360° zu
einem identischen Bild der Kathode 11 bzw. der Anode 5 führt.
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Die
Oberfläche 15 der
Kathode 11 besteht vorzugsweise aus einem Material mit
einem niederen Dampfdruck und einem hohen Schmelzpunkt, wie z.B.
aus üblicherweise
bei Röntgenkathoden
eingesetztem Wolfram. Die Trägerschicht 13 ist
hinsichtlich ihrer Wärmekapazität, ihrer
Wärmeleitfähigkeit
und ihrer Dichte derart optimiert, dass die Temperatur der Oberfläche 15 nahe
an der für
die thermoionische Emission von Elektronen erforderlichen Temperatur gehalten
wird. Dadurch wird eine geringere Leistung des Laserstrahls 19 benötigt. In
einer möglichen
Ausgestaltung ist die Trägerschicht 13 aus
dem gleichen Material wie die Oberfläche 15, wobei das
Material nicht in Reinform, sondern in einer versinterten Hohlkugelstruktur
verwendet wird. Dadurch sind die Dichte, die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit der Trägerschicht 13 im
Vergleich zur Oberfläche 15 reduziert.
Dadurch kann die Temperatur der Oberfläche 15 nahe der Emissionstemperatur
für Elektronen gehalten
werden.
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Von
einer räumlich
stationären
Laserquelle 17 wird ein Laserstrahl 19 auf die
Kathode 11 gerichtet. Üblicherweise
ist die Laserquelle 17 als ein Dioden- oder ein Festkörperlaser
ausgestaltet. Der Laserstrahl 19 trifft dabei durch die
Trägerschicht 13 hindurch
in einem Laserbrennfleck 21 auf die Oberfläche 15 der
Kathode 11. Der Laserstrahl 19 wird durch optische
Mittel 18 in seiner Form, Intensität und/oder Zeitstruktur variiert.
Dabei kann der Laserstrahl auch in Teillaserstrahlen aufgespaltet
werden. Jeder der Teillaserstrahlen erzeugt in diesem Fall einen
Teillaserbrennfleck, aus denen sich der Laserbrennfleck 21 zusammensetzt.
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Wenn
der Laserbrennfleck, wie in diesem Fall, von außerhalb des Vakuumgehäuses 1 durch die
Trägerschicht 13 hindurch
auf die Oberfläche 15 der
Kathode 11 trifft, sind die optischen Mittel 18,
die den Laserstrahl 19 in seinen Eigenschaften variieren, außerhalb
des Vakuumgehäuses 1 angeordnet. Falls,
wie später
in 5 gezeigt, der Laserstrahl über ein optisch transparentes
Fenster 63 in das Innere des Vakuumgehäuses 1 einfällt, können sich
die optischen Mittel 18 auch innerhalb des Vakuumgehäuses 1 befinden.
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Aus
dem Laserbrennfleck 21 treten Elektronen in Form einer
Elektronenwolke aus und werden durch die zwischen Kathode 11 und
Anode 5 angelegte Hochspannung in einem Elektronenstrahl 23 auf
die Anode 5 gerichtet. Der Elektronenstrahl 23 trifft
dabei die Oberfläche 9 der
Anode 5 in einem räumlich
stationären
Brennfleck 25. Durch die Rotation des Vakuumgehäuses 1 verteilt
sich die entstehende Wärme
entlang des auf der Oberfläche 9 der Anode 5 gelegenen
Brennringes 27. Über
die Trägerschicht 7 der
Anode 5 wird die entstehende Wärme zur Außenseite des Vakuumgehäuses 1 geleitet.
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Vom
Brennfleck 25 tritt Röntgenstrahlung 29 aus,
wobei das Material an der Stelle des Vakuumgehäuses 1, aus dem die
Röntgenstrahlung 29 austritt, für Röntgenstrahlung 29 transparent
ist. Außerhalb des
Vakuumgehäuses 1 befindet
sich ein Magnetsystem 31, sodass der Elektronenstrahl 23 form-
und lenkbar ist. Alternativ können
statt des Magnetsystems 31 auch elektrostatische Mittel,
beispielsweise Kondensatoren, angebracht werden, anhand derer der
Elektronenstrahl form- und
lenkbar ist. Ein Motor 35, der über eine Antriebswelle 33 mit
dem Vakuumgehäuse 1 verbunden
ist, rotiert das Vakuumgehäuse 1 um
seine Achse 3. Die Längsachse
der Antriebswelle 33 stimmt dabei mit der Achse 3 des
Vakuumgehäuses 1 überein.
In der Antriebswelle 33 befinden sich Mittel, um eine Hochspannung
zwischen Anode 5 und Kathode 11 anzulegen.
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2 zeigt
eine Aufsicht auf einen Ausschnitt aus der ringförmig ausgestalteten Oberfläche 15 der
Kathode 11 mit dem Laserbrennfleck 21. Die Rotationsrichtung 51 der
Kathode 11 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. An der
linken Flanke 53 des räumlich
stationären
Laserbrennflecks 21 tritt die rotierende Oberfläche 15 der
Kathode 11 ein. An dieser Stelle ist die Oberfläche 15 der
Kathode 11 abgekühlt.
Innerhalb des Laserbrennflecks erwärmt sich die rotierende Oberfläche 15 der
Kathode 11. An der rechten Flanke 55 tritt die
erwärmte
Oberfläche 15 der
Kathode 11 aus dem Laserbrennfleck 21 wieder aus.
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3 zeigt
das Profil der Laserleistung des asymmetrisch verformten Laserbrennflecks 21 entlang
der Linie V-V. Die x-Achse
zeigt die Position im Laserbrennfleck 21 entlang der Linie
V-V in Millimeter, die y-Achse die Laserleistung in W/cm2. An der linken Flanke 53 ist die
Laserleistung deutlich höher und
nimmt im Verlauf ab; an der rechten Flanke 55 ist die Laserleistung
minimal. Die im Laserbrennfleck 21 abnehmende Laserleistung
trägt der
Tatsache Rechnung, dass an der linken Flanke 53 die abgekühlte Oberfläche 15 der
Kathode 11 in den Laserbrennfleck 21 eintritt.
Dort sind somit höhere
Laserleistungen nötig,
um eine gewünschte
Temperatur zu erreichen als an der rechten Flanke 55, wo
die schon bereits erwärmte
Oberfläche 15 der
Kathode 11 aus dem Laserbrennfleck 21 wieder austritt.
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Die
asymmetrische Laserleistung im Laserbrennfleck 21 wird
dabei von optischen Mitteln 18 erzeugt, die einen Laserstrahl 19 aus
einer Laserquelle 17 derart formen, dass die Laserleistung
im Querschnitt asymmetrisch wird. Mit dieser Methode wird insgesamt
Laserleistung eingespart, da im Laserbrennfleck die Laserleistung
an die zum Erreichen der notwendigen Emissionstemperatur erforderliche Leistung
angepasst ist.
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4 zeigt
die Elektronenemission im asymmetrisch verformten Laserbrennfleck 21 entlang
der Linie V-V, wie sie sich aus einer Modellsimulation ergibt. Die
x-Achse zeigt die Position im Laserbrennfleck 21 entlang
der Linie V-V in Millimeter, die y-Achse die Elektronenemission
in A/cm. Trotz einiger Schwankungen im Emissionsprofil zeigt sich
eine weitgehend konstante Elektronenemission über den gesamten Laserbrennfleck 21,
die außerhalb
des Laserbrennfleckes 21 stark abfällt.
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5 zeigt
einen Längsschnitt
einer weitern zylinderförmigen
Ausbildung des Vakuumgehäuses 1.
Die Kathode 11 besteht aus einer Oberfläche 15 und einer Trägerschicht 13 und
befindet sich gänzlich im
Inneren des Vakuumgehäuses 1.
Der Laserstrahl 19 fällt
durch ein optisch transparentes Fenster 63, das sich in
der gegenüberliegenden
Basis der Vakuumhülle 1 befindet,
auf die Oberfläche 15 der
Kathode 11. Damit das optische Fenster im Laufe des Gebrauchs
des Röntgenstrahlers
nicht zu sehr an Transparenz verliert, kann es vor einem Beschlagen mit
Material, das während
des Betriebes des Röntgenstrahlers
ausdampft, durch Schutzbleche geschützt werden.
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Die
Oberfläche 15 der
Kathode 11 ist dabei durch elektrische Mittel 61 heizbar.
Dadurch erhöht sich
die Grundtemperatur der Oberfläche 15 der
Kathode 11, sodass weniger Laserleistung benötigt wird,
um die entsprechende Emissionstemperatur zu erreichen. Die Oberfläche 15 kann
aber auch optisch – beispielsweise
durch einen weiteren Laserstrahl – oder induktiv – durch
weitere Magnetfelder – vorgeheizt
werden.
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Der
Elektronenstrahl 23 trifft auf die Oberfläche 9 der
Anode 5, die sich auf einer Trägerschicht 7 befindet,
die die Wärme
von der Oberfläche
der Anode 9 zur Außenseite
des Vakuumgehäuses
transportiert. Aus der Oberfläche
der Anode 9 treten Röntgenstrahlen
durch einen für
Röntgenstrahlen
transparenten Bereich 65 des Vakuumgehäuses aus. Das gesamte Vakuumgehäuse 1 ist
von einem Strahlergehäuse 67 umgeben,
das mit einem Kühlmittel 69 gefüllt ist,
sodass eine effektive Kühlung
des gesamten Systems gewährleistet
wird.