DE102005052131A1

DE102005052131A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen sowie Strahlentherapie- und Diagnosegerät

Info

Publication number: DE102005052131A1
Application number: DE200510052131
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH; El Mul Technologies Ltd
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 100 zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 190. Sie hat eine Quelle für Elektronen, die wenigstens ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen 104 umfasst. Weiter hat die Vorrichtung 190 ein Target 147, zu dem mit einer Elektronen-Beschleunigungseinrichtung Elektronen 181 zum Erzeugen von Röntgenstrahlung beschleunigt werden. Erfindungsgemäß ist das Kohlenstoff-Nanoröhrchen 104 in einer Vertiefung 110 mit leitendem Untergrund angeordnet. Die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen kann in einem Strahlentherapie- und/oder Strahlendiagnosegerät eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung mit einer Quelle für Elektronen, die wenigstens ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, in der ein Target und eine Elektronen-Beschleunigungseinrichtung vorgesehen sind, um dem Target zum Erzeugen von Röntgenstrahlung beschleunigte Elektronen zuzuführen.

Eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art zum Erzeugen von Röntgenstrahlung ist aus der US 6,456,691 B2 bekannt. Dort ist eine Röntgenstrahlungsquelle beschrieben, bei der eine Kathode in Form einer flächigen Emitterelektrode vorgesehen ist. Die Emitterelektrode besteht aus Nickel und ist mit einer Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nanotubes) überzogen. Die Emitterelektrode bei dieser Röntgenstrahlungsquelle ist in einer Wehnelt-Konfiguration angeordnet. Diese Wehnelt-Konfiguration umfasst eine umlaufende Elektrode, mittels der beim Anlegen von Spannung Elektronen aus der Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen herausgerissen werden. Die herausgerissenen Elektronen werden dann mittels Hochspannung zu einem Target als Anode beschleunigt. Dort werden sie abrupt abgebremst und erzeugen Röntgenstrahlung.

Eine ähnliche Röntgenstrahlungsquelle ist in der US 2003/0002627 A1 bekannt. Dort ist in einer Vakuumröhre als Quelle für freie Elektronen eine flächige Kathode angeordnet, welche wiederum mit einem Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen überzogen ist. Durch Anlegen von Hochspannung zwischen der Kathode und einer als Target ausgebildeten Anode treten aus der Kathode freie Elektronen aus und werden zu dem Target beschleunigt. Dort entsteht Röntgenbremsstrahlung, welche aus einem Fenster der Vakuumröhre austritt.

In der US 6,512,235 B1 ist eine Quelle für freie Elektronen beschrieben. Diese Quelle für freie Elektronen umfasst ein Siliziumsubstrat, welches zum Zwecke hoher elektrischer Leitfähigkeit dotiert ist. Auf dem Siliziumsubstrat befindet sich eine Isolationsschicht. Siliziumsubstrat und Isolationsschicht bilden damit eine Sandwichstruktur. In dieser Sandwichstruktur sind Vertiefungen ausgebildet, in denen sich Kohlenstoff-Nanoröhrchen befinden. Am umlaufenden Rand einer solchen Vertiefung ist als Elektrode elektrisch leitendes Material vorgesehen. Durch Anlegen von elektrischer Spannung zwischen dem leitfähigen Siliziumsubstrat und der Elektrode am umlaufenden Rand einer Vertiefung ist es möglich, freie Elektronen zu generieren, welche aus dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen austreten. In der US 6,512,235 B1 wird vorgeschlagen, auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat ein Array von Quellen für freie Elektronen vorzusehen. Ein entsprechendes Array kann beispielsweise als Elektronenquelle in einem Feldemissionsdisplay eingesetzt werden. In der US 6,512,235 B1 ist auch angegeben, dass eine solche Quelle für freie Elektronen auch in einem Lithographiewerkzeug oder in einem miniaturisierten Elektronenmikroskop eingesetzt werden kann.

Die US 6,095,966 offenbart eine Quelle für therapeutische Röntgenstrahlung. Dort wird vorgeschlagen, zur Erzeugung eines Strahls mit freien Elektronen eine Feldemissionskathode mit einem Diamantfilm vorzusehen. Wird ein solcher Diamantfilm einem elektrischen Feld einer Feldstärker von 20kV/μm ausgesetzt, so treten aus ihm freie Elektronen aus.

Für Tumorbestrahlung, insbesondere für die Bestrahlung von flächigen Hauttumoren oder Tumorbetten sind Linearbeschleuniger oder sogenannte After-Loading-Systeme mit radioaktiven Quellen, auch Seads genannt, bekannt. Solche Quellen für Röntgenstrahlung haben den Nachteil, dass sie aus Gründen des Strahlenschutzes nur mit hohem Aufwand eingesetzt bzw. gelagert werden können. Entsprechende Systeme sind deshalb sehr teuer.

Weiter sind zur Tumorbehandlung als Punkquellen ausgeführte Quellen für Röntgenstrahlung bekannt, welche zwar den Aufwand im Hinblick auf Strahlenschutz in Grenzen halten, die sich jedoch für eine flächige Bestrahlung eines Tumors kaum eignen. Die technische Bauform solcher Quellen gestattet auch nicht, mehrere Punktquellen nebeneinander anzuordnen, um auf diese Weise eine homogene, über eine vorgegebene Fläche konstante Bestrahlungsintensität zu erzielen.

Sogenannte technische Röntgenquellen haben eine Kathode, aus der Elektronen austreten, welche dann mittels Hochspannung zu einer Target beschleunigt werden. Dort entsteht dann Röntgenstrahlung in Form von Röntgenbremsstrahlung und gegebenenfalls Fluoreszenzstrahlung aus Röntgenlicht. Als Kathoden werden in Quellen für Röntgenstrahlung sogenannte thermische Kathoden, thermionische Kathoden oder auch Kathoden für Feld- oder Photoemission eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung bereitzustellen, insbesondere eine therapeutische bzw. diagnostische Strahlungsquelle, welche sich zur Tumorbehandlung eignet, bei der eine gewünschte Strahlungsleistung mit vergleichsweise geringem elektrischen Schaltungsaufwand zuverlässig und reproduzierbar eingestellt sowie stabil aufrechterhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung der eingangs genannten Art gelöst, bei der ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nanotube) in einer Vertiefung mit leitendem Untergrund angeordnet ist.

Auf diese Weise kann eine Quelle für Röntgenstrahlung mit extrem kleinen Abmessungen bereitgestellt werden. Insbesondere eignet sich eine solche Quelle für Röntgenstrahlung als invasive therapeutische Strahlungsquelle.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Vertiefung mit leitendem Untergrund einen elektrisch leitfähigen Bereich aus hochdotiertem Halbleitermaterial oder aus Metall auf. Damit ist durch Einstellen eines Gate-Potentials die Quelle für Röntgenstrahlung steuerbar.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf die Halbleiter-Gateelektrode aufgewachsen. Auf diese Weise wird ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen und der Halbleiter-Gateelektrode gewährleistet.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Vertiefung mit leitendem Untergrund in einem Halbleiter-Substrat ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vielzahl von Quellen für freie Elektronen nebeneinander anzuordnen, um dann durch Steuern dieser einzelnen Quellen für freie Elektronen ein Strahlungsfeld für Röntgenstrahlung einzustellen.

In Weiterbildung der Erfindung hat die Vertiefung mit leitendem Untergrund einen Rand, an dem elektrisch leitendes Material angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine gute Bündelung des Elektronenstrahls, der auf das Target trifft, gewährleitstet.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Rand der Vertiefung als Gate-Elektrode ausgebildet. Auf diese Weise kann durch Steuern der Gate-Elektroden eine Bündelung des Elektronenstrahls variiert werden, um so die an dem Target entstehende Röntgenstrahlung zu beeinflussen.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Vertiefung in einer Sandwichstruktur mit einer ersten elektrisch leitenden Schicht, einer Isolatorschicht und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht ausgebildet. Auf diese Weise kann ein gebündelter Elektronenstrahl bereitgestellt werden.

Die elektrisch leitende Schicht besteht vorzugsweise aus Chrom. Ein geeignetes Material für die Isolatorschicht ist SiO₂. Die zweite elektrisch leitende Schicht kann beispielsweise aus hochdotiertem Silizium bestehen.

In Weiterbildung der Erfindung hat die Vertiefung Zylinderform und ragt in die Schicht aus hochdotiertem Silizium hinein. Die Vorrichtung umfasst eine Spannungsquelle, die eine elektrische Spannung zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht bereitstellt. Auf diese Weise kann durch Variieren dieser Spannung die Intensität des Elektronenstrahls eingestellt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein Array mit einer Vielzahl von Vertiefungen mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorgesehen. Auf diese Weise wird eine räumlich ausgedehnte Quelle für Röntgenstrahlen geschaffen.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf dem Chip einzeln ansteuerbar. Auf diese Weise ist die Intensität der Elektronenstrahlquelle lokal einstellbar.

In Weiterbildung der Erfindung sind eine Mehrzahl von Arrays mit einer Vielzahl von Vertiefungen mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorgesehen. Auf diese Weise sind einer räumlichen Ausdehnung der Quelle für Röntgenstrahlung grundsätzlich keine Grenzen gesetzt.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf dem Array einzeln ansteuerbar. Auf diese Weise ist es möglich, auf kleinstem Raum angeordnete Quellen für einen Elektronenstrahl lokal einzustellen.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine Hochspannungsquelle vorgesehen, die zwischen dem leitenden Untergrund der Vertiefung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dem Target eine Hochspannung anlegt. Auf diese Weise können Röntgenstrahlen mit definiertem Energiespektrum erzeugt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Vertiefung mit elektrisch leitendem Untergrund und dem Target eine elektrisch leitende Gitterstruktur vorgesehen. Diese Gitterstruktur dient zur Beschleunigung und gegebenenfalls auch Extraktion freier Elektronen. Vorzugsweise umfasst die Gitterstruktur eine oder mehrere Beschleunigungsstufen.

Die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung hat einen Vakuumbehälter mit einem Fenster für Röntgenstrahlung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung kann beispielsweise in einem Strahlentherapie- und/oder Diagnosegerät eingesetzt werden. Ein entsprechendes Strahlentherapiegerät kann beispielsweise Mittel zum Erfassen der Struktur eines Tumors haben, etwa eines Hauttumors. Diese Mittel zum Erfassen einer Tumorstruktur sind mit einer Steuereinheit kombiniert, um durch entsprechendes Ansteuern von Quellen für Elektronenstrahlen mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein an die Struktur des Tumors angepasstes flächiges Strahlungsfeld aus therapeutischer Röntgenstrahlung zu erzeugen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung mit einem Array aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Quelle für freie Elektronen;
2 einen Teilschnitt der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung entlang der Linie II – II aus 1;
3 den Aufbau einer einzelnen Quelle für freie Elektronen mit einer Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Eletkrode;
4 den Verlauf von Äquipotentiallinien beim Anlegen von Spannung an eine Quelle für freie Elektronen aus 3;
5 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen Röntgenstrahlung mit Kollimatoren zu deren Bündelung;
6 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung;
7 eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung; und
8 ein Strahlentherapiegerät mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung, welche Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden enthält.
Die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 100 in 1 umfasst einen Vakuumbehälter 101 mit einem Austrittsfenster 102 für Röntgenstrahlung 190.
Als Quelle für freie Elektronen ist in der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 190 ein Array 103 mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nanotubes) 104, 105, 106, 107, 108, 109 vorgesehen. Diese Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind in zylinderförmig ausgebildeten räumlichen Vertiefungen 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116 in einer Halbleiter-Sandwichstruktur auf Siliziumbasis angeordnet. Sie haben einen Durchmesser von etwa 2μm und eine Tiefe von etwa 4μm. Eine räumlich Vertiefung ragt jeweils in einen elektrisch leitfähigen Bereich 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124 hinein, der aus hochdotiertem Halbleitermaterial besteht. Die Bereiche 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124 wirken als Kathoden und sind über Isolationszonen 125, 126, 127, 128, 129, 130 relativ zueinander elektrisch getrennt.
Auf den Bereichen 118, 119, 120, 121, 122, 123 und 124 ist eine Isolationsschicht 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138 aus SiO₂ mit einer Dicke von etwa 2μm angeordnet. Auf dieser Isolationsschicht befindet sich eine leitende Schicht 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146 als Gegenelektrode, welche jeweils am Rand der räumlichen Vertiefung 110, 111, 112, 113, 114, 115 und 116 anliegt. Die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 100 enthält im Abstand von etwa 5cm oberhalb des Arrays 103 mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein metallisches Target 147. Dieses metallische Target 147 besteht aus einem Material mit großer Kernladungszahl.
Weiter ist zwischen dem Array 103 mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dem metallischen Target 147 ein elektrisch leitendes Gitter 148 vorgesehen.
Das Target 147 und das Gitter 148 sind mit Säulenelementen 149 relativ zum Array 103 stabil fixiert. Das Austrittsfenster 102 im Vakuumbehälter 101 ist mit Stabilisierungselementen 152 gegen das Target 147 abgestützt. Auf diese Weise ist es möglich, trotz der mit dem Vakuum im Vakuumbehälter 101 verbundenen mechanischen Belastung, das Austrittsfenster aus vergleichsweise dünnem Glas auszuführen, so dass durch das Glas hindurchtretende Röntgenstrahlung nur wenig abgeschwächt wird. Damit die Röntgenstrahlung 190 möglichst ungehindert aus dem Fenster 102 austreten kann, besteht dieses darüber hinaus aus einem Material mit niedriger Kernladungszahl Z.
Zwischen dem Gitter 148 und dem Target 147 wird mittels einer Spannungsquelle 150 eine Hochspannung angelegt, deren Wert vorzugsweise im Bereich zwischen 30kV bis 100kV liegt.
Die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung umfasst weiter eine Spannungsquelle 151. Mit dieser Spannungsquelle wird eine Potentialdifferenz über ca. 10V bis 100V oder auch bis zu 200 Volt oder mehr zwischen der elektrisch leitenden Schicht 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146 und das Gitter 148 gelegt.
Weiter enthält die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung eine Spannungsquelle 153. Diese Spannungsquelle gibt eine einstellbare Spannung im Bereich zwischen 10V und 100V ab. Sie ist mit der elektrisch leitenden Schicht 139, 140, 141 ... und den hochdotierten leitfähigen Bereichen 118, 119, 120, 122, 123, 124 der Halbleiter-Sandwichstruktur mit den räumlichen Vertiefungen 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116 mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen 104, 105, 106, 107, 108, 109 über elektrische Mikroschalter 155, 156, 157, 158, 159, 160 verbunden. Bei diesen Mikroschaltern handelt es sich um in die Halbleiter-Sandwichstruktur integrierte Transistoren, die in Form von integrierten Schaltkreisen zusammen mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einem einzigen Chip angeordnet sind. Es sei jedoch bemerkt, dass die Mikroschalter 155, 156, 157, 158, 159 und 160 grundsätzlich auch als mechanische Schalter ausgeführt werden können.
In dem Vakuumbehälter 101 sind Halteeinheiten 161, 162, 163 vorgesehen, mit welchen das Array 103 mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen an dem Target 147 gehalten ist.
Ist in dem Array 103 bei einer räumlichen Vertiefung, wie etwa bei der räumlichen Vertiefung 110 der zugehörige Mikroschalter geschlossen, so tritt aus dem entsprechenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein Elektronenstrahl 180 aus. Elektronen 181 aus diesem Elektronenstrahl 180 werden durch das Gitter 151 mit der Hochspannung der Spannungsquellen 149 und 150 zu dem Target 147 beschleunigt. Dort entsteht Röntgenstrahlung 190. Ist dagegen der zur entsprechenden räumlichen Vertiefung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen gehörende Mikroschalter geöffnet, wie dies bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen 105 der Fall ist, so tritt aus dem entsprechenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen kein Elektronenstrahl aus, der Röntgenstrahlung erzeugen könnte.
Durch einfaches Steuern der Mikroschalter 155, 156, 157, etc. kann somit bei der Vorrichtung 100 zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 100 eine räumliche Verteilung von Röntgenstrahlung 100 eingestellt werden, die aus dem Fenster 102 im Vakuumbehälter 101 austritt.
Es versteht sich, dass Charakteristik und Intensität der Röntgenstrahlung nicht nur über die Mikroschalter, sondern auch durch Variieren der Spannungen der Spannungsquellen 150, 151 und 153 eingestellt werden können. Weil insbesondere die Spannungsquellen 151 und 153, die für Spannungen von 0 bis 100V aber auch 200V und darüber mit elektrischen Schaltungen gesteuert werden können, die vergleichsweise einfach aufgebaut sind und auch in einen Haltleiter-Chip integrierbar sind, ist das mit der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung generierte Strahlungsfeld gut an eine vorgegebene Form anpassbar.
Es sei bemerkt, dass bei der Vorrichtung 100 zum Erzeugen von Röntgenstrahlung die Bereiche 118, 119, 120, 122, 123 und 124 anstatt aus hochdotiertem Halbleitermaterial auch aus Metall bestehen können.
Die 2 zeigt einen Teilschnitt der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung entlang der Linie II – II aus 1. Dabei sind Baugruppen, die anhand der 1 erläutert wurden, mit um die Zahl 100 erhöhnten Bezugszahlen kenntlich gemacht.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer räumlichen Vertiefung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Array 103 aus 1. Die räumliche Vertiefung 301 ist als Halbleiter-Sandwichstruktur 302 auf Siliziumbasis ausgebildet. Die Halbleiter-Sandwichstruktur 302 hat eine Schicht aus hochdotiertem Silizium 303, die aufgrund ihrer Dotierung elektrisch leitfähig ist. Als Isolationsschicht ist auf der Schicht 303 eine Schicht 304 aus Siliziumoxid (SiO₂) angeordnet. Über der Isolationsschicht befindet sich eine elektrisch leitende Schicht 305, welche vorzugsweise aus Chrom besteht. Im Zentrum der Vertiefung ist ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen 306 angeordnet. Dabei kann es sich um ein einzelnes Kohlenstoff-Nanoröhrchen 306 handeln. Es ist jedoch auch möglich, in einer solchen räumlichen Vertiefung 301 in einer Halbleiter-Sandwichstruktur 302 ein Bündel aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorzusehen.
Die 4 zeigt einen Schnitt der Halbleiter-Sandwichstruktur in 3 entlang der Linie IV – IV: Bei Anlegen von Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 405 und der hochdotierte Siliziumschicht 406 entsteht ein elektrisches Feld, dessen Äquipotentiallinien bei Bezugszeichen 407 gezeigt sind. Diese Äquipotentiallinien verlaufen in der isolierenden Schicht 405 aus SiO₂ in zueinander parallel und sind dort in etwa äquidistant. Bei einer Tiefe der zylinderförmigen Vertiefung in der Sandwichstruktur von ca. 4μm, einer Länge des Kohlenstoff-Nanoröhrchens von ca. 1 – 2μm und einem Durchmesser der zylinderförmigen Vertiefung von etwa 2μm entstehen an der Spitze des Kohlenstoff-Nanoröhrchens sehr hohe elektrische Feldstärken, wenn zwischen der elektrisch leitenden Schicht 405 und der hochdotierten Siliziumschicht 406 eine elektrische Spannung im Bereich zwischen 10 und 100 Volt angelegt wird. Diese hohen elektrische Feldstärken bewirken, dass Elektronen aus den Kohlenstoff-Nanoröhrchen 405 herausgerissen werden. Die aufgrund der Geometrie der Vertiefung 401 in der Halbleiter-Sandwichstruktur entstehende elektrische Potentialverteilung 407 hat dabei zur Folge, dass die aus dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen 405 austretenden Elektronen zu einem Elektronenstrahl 410 gebündelt werden.
Diese Form der Erzeugung von freien Elektronen wird als Feldemission bzw. Fauler-Northeim-Emission bezeichnet. Im Unterscheid zu konventionellen Feldemissionsquellen, welche im Spannungsbereich zwischen einigen 100 Volt bis wenigen Kilo-Volt eingesetzt werden, kann die hier erläuterte Quelle für freie Elektronen mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei einem Spannungsbereich betrieben werden, der 100 Volt nicht übersteigt. Dieser Umstand ermöglicht es, die Intensität des erzeugten Stromes freier Elektronen durch Variieren der entsprechenden Extraktionsspannung einzustellen, ohne dass es aufwändiger baulicher oder logistischer Einrichtungen für einen kontinuierlichen Betrieb der Strahlungsquelle bedarf. Für eine Spannung im betreffenden Spannungsbereich bestehen auch vergleichsweise einfach zu erfüllende Sicherheitsanforderungen, selbst wenn die Quelle am Körper eines Patienten eingesetzt werden soll. Auch ermöglicht das angegebene Bauprinzip für eine Quelle von freien Elektronen, die Quellen für freie Elektronen mit hoher Packungsdichte auf einem Array anzuordnen, da der angegebene Spannungsbereich auch auf geringem Raum beherrschbar ist und im Unterschied zu Hochspannung ein Problem elektrischer Überschläge dort nicht besteht. Eine Quelle für freie Elektronen mit einem einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen erfordert bei den angegebenen Geometrien einen Platz, der im Durchmesser 10μm nicht übersteigt. Entsprechende Quellen können also auf einem Array mit einer Packungsdichte von etwa 10.000 Quellen pro mm² dargestellt werden. Bei einer so hohen Anzahl von Quellen für freie Elektronen pro Flächeneinheit wird aus statistischen Gründen ein weitgehend homogenes Emissionsfeld für Elektronen bzw., wenn diese Elektronen auf einem Target beschleunigt werden, für Röntgenstrahlung gewährleistet. Auch macht sich das Ausfallen einzelner Quellen bei einer so hohen Quellenanzahl aus statistischen Gründen nicht bemerkbar. Dies garantiert in jedem Fall einen zuverlässigen Betrieb der Strahlungsquelle über sehr lange Zeiträume, d.h. hunderte bis tausende von Stunden oder länger. Darüber hinaus sind durch paralleles Betreiben einzelner Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Quelle für freie Elektronen hohe Ströme für freie Elektronen und damit große Intensitäten für Röntgenstrahlung realisierbar.
Ein Array mit entsprechend Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann mit sogenannter MEMS-Technologie gefertigt werden. Mit dieser Technologie können solche Arrays mit einem Durchmesser von 6 bzw. 8 Zoll gefertigt werden. Ein jedes einzelnes Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei einem solchen Array ist dabei einzeln aktivierbar und ansteuerbar. Damit kann problemlos ein homogenes flächiges Strahlungsfeld für Röntgenstrahlung über einen Bereich von 4cm auf 4cm erzeugt werden.
Die Einrichtung zur Beschleunigung von freien Elektronen, welche aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen austreten, kann als Gitterstruktur, zum Beispiel als Si-Grid ausgebildet sein, welches entsprechend der Quelle strukturiert ist. Bei solchen Strukturen kann eine Spannungsfestigkeit von 10kV/3,5mm Dicke problemlos erzielt werden. Im vorliegenden Fall ermöglicht dies bei für medizinische Anwendungen erforderlichen Beschleunigungsspannungen in der Größenordnung von 100kV, dass diese schon auf einer Weglänge von etwa 35mm erzielt werden können. Damit werden sehr kompakt aufgebaute Quellen für Röntgenstrahlung für therapeutische und/oder diagnostische Zwecke ermöglicht, mit denen ein flächiges Strahlungsfeld für Röntgenstrahlung bereitgestellt werden kann, wobei die entsprechenden Strahlungsquellen handlich sind und einfach bedienbar sind. Die in solchen Geräten eingesetzten Arrays mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind aufgrund der erwähnten MEMS-Technologie leicht skalierbar und darüber hinaus auch kostengünstig herzustellen. Die Quelle für Röntgenstrahlung ist damit gut an einem gewünschten Bestrahlungsort positionierbar und kann dort einfach fixiert werden.
Die 5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 500, deren Aufbau grundsätzlich derjenigen der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 100 aus 1 entspricht. Soweit Baugruppen der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 500 mit Baugruppen der Vorrichtung zur Erzeugen von Röntgenstrahlung 100 aus 1 identisch sind, tragen diese Bezugszeichen, welche im Vergleich zur 1 um die Zahl 400 erhöht sind.
Um eine gute Bündelung der aus dem Fenster 502 austretenden Röntgenstrahlung 590 zu bewirken, hat die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 500 Kollimationszylinder 591, 592, 593, 594, 595 welche aus Wolfram bestehen und auf der zum Fenster 502 weisenden Seite des Targets 507 angeordnet sind. An den Wandungen dieser Kollimationszylinder 591, 592, 593, ... wird die Röntgenstrahlung absorbiert, welche auf sie trifft. Damit wird mit der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 590 Röntgenstrahlung erzeugt, die weitgehend gerichtet aus dem Fenster 502 für Röntgenstrahlung heraustritt.
Bei der dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 600 in 6 ist im Unterschied zur Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 100 aus 1 kein Gitter vorgesehen. Ansonsten ist der Aufbau der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 600 so wie in 1 gehalten. Baugruppen der Vorrichtung, die mit derjenigen aus 1 identisch sind, tragen um die Zahl 500 erhöhte Bezugszeichen.
Anhand von 7 ist nachfolgend eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung 700 zum Erzeugen von Röntgenstrahlung beschrieben. Wie die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 100 in 1 hat die Vorrichtung 700 einen Vakuumbehälter 701 mit einem Austrittsfenster 702 für Röntgenstrahlung 790.
Als Quelle für freie Elektronen gibt es in der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung ein Array 703 mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nanotubes) 704, 705, 706, 707, 708 und 709. Diese Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind in zylinderförmig ausgebildeten räumlichen Vertiefungen 710, 711, 712, 713, 714, 715 und 716 angeordnet, welche in einer elektrisch leitenden Trägerschicht 718 ausgebildet sind. Die räumlichen Vertiefungen 710, 712, ... haben einen Durchmesser von etwa 2μm und eine Tiefe von etwa 4μm. Bei der Vorrichtung 700 zum Erzeugen von Röntgenstrahlung besteht die elektrisch leitende Trägerschicht 718 aus Metall. Grundsätzlich kann die Schicht 718 jedoch auch aus hochdotiertem Halbleitermaterial bestehen.
Auf der elektrisch leitenden Trägerschicht 718 befindet sich eine Isolationsschicht 731, um selektiv ansteuerbare Gate-Elektroden 739, 740, 741, 742, 743 von der Trägerschicht 718 elektrisch zu trennen. In Abstand von dem Array 703 mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen 704, 705, 706, ... weist die Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung ein metallisches Target 747 auf.
Die Vorrichtung 700 umfasst eine Quelle für Hochspannung 750, die Hochspannung in einem Bereich von etwa 30kV bis 100kV bereitstellt. Weiter ist in der Vorrichtung 700 eine Spannungsquelle 751 für eine Spannung von ca. 10V – 100V oder auch 200V und darüber vorgesehen, die mit der leitenden Trägerschicht verbunden ist und mittels in 7 schematisch dargestellter Mikroschalter 755, 756, 757, 758, 759, 760 steuerbar an die Gate-Elektroden 739, 740, 741, 742 und 743 gelegt werden kann.
Wie bei der Vorrichtung 100 aus 1 bewirkt das Anlegen einer Gate-Spannung an eine der Gate-Elektroden 739, 740, ..., indem der zugehörige Mikroschalter 755, 756, ... geschlossen wird, dass aus dem entsprechend Kohlenstoff-Nanoröhrchen 704, 705, 706, 707, 708, 709 ein Elektronenstrahl 780 austritt. Elektronen 781 aus diesem Elektronenstrahl 780 werden mit der Hochspannung der Spannungsquelle 750 zu dem Target 747 beschleunigt. Dort entsteht dann Röntgenstrahlung 790.
Durch einfaches Steuern der Mikroschalter 755, 756, 757, ... kann somit wiederum eine räumliche Verteilung von Röntgenstrahlung 790 eingestellt werden, die aus dem Fenster 702 im Vakuumbehälter 701 austritt.
Vorzugsweise sind die schematisch gezeigten Mikroschalter 755, 756, 757, ... als Transistoren ausgeführt, welche in eine Siliziumstruktur integriert sind. Gegenüber einer Ausführung der Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung nach den 1, 5 und 6 hat die Vorrichtung 700 zum Erzeugen von Röntgenstrahlung in 7 den Vorteil, dass für ihre Herstellung kein CMOS-Prozess erforderlich ist. Vielmehr ermöglicht die Bauweise der Vorrichtung 700 eine Herstellung in einem Photolithographie- und Bedampfungsprozess, bei dem nur eine Seite eines Substratwafers bearbeitet werden muss.
Die 8 zeigt ein Strahlentherapiegerät 800 mit einer Röntgenstrahlungseinheit 805, welche eine Vielzahl von Arrays 801, 802, 803 mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen 804, 805 als Quelle für Elektronenstrahlen aufweist. Diesen Quellen für Elektronenstrahlen ist eine nicht weiter dargestellte Hochspannungsquelle zugeordnet, welche freie Elektronen zu einem Target beschleunigt. Über eine Fläche 810 kann so eine räumliche Intensitätsverteilung für Röntgenstrahlung gesteuert werden.
Das Strahlentherapiegerät 800 umfasst weiter eine Kameraeinheit 820, dem ein Bildverarbeitungs- und Steuermodul 825 zugeordnet ist. Mit der Kameraeinheit 820 wird mit Tumor befallenes Gewebe 830 eines Patienten aufgenommen, welches eine Tumorstruktur 840 aufweist. Das Bildverarbeitungs- und Steuermodul 825 ist mit der Röntgenstrahlungseinheit 850 verbunden. Entsprechend einer erfassten Tumorstruktur 840 werden mittels des Bildverarbeitungs- und Steuermoduls 825 Elektronenstrahlen derjenigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen 804, 805 des Arrays erzeugt, welche die Tumorstruktur 840 abdecken. Auf diese Weise ist es möglich, eine an die Topographie eines Tumors angepasste Röntgenstrahlung zu erzeugen, ohne dass Gewebe, welches nicht mit Tumor befallen ist, übermäßig mit Strahlung beaufschlagt werden muss. Auch kann so das mit der Röntgenstrahlungseinheit erzeugte Strahlungsfeld im Hinblick auf Bewegungen des Patienten nachgeführt werden.
Es versteht sich, dass eine Quelle für flächige Röntgenstrahlung, wie die Röntgenstrahlungseinheit 850 bei dem Strahlentherapiegerät 800 auch in einem Strahlendiagnosegerät eingesetzt werden kann, wenn diese Röntgenstrahlungsquelle mit einem geeigneten Detektor kombiniert wird. Aufgrund der kompakten räumlichen Abmessungen einer solchen Strahlungsquelle sind entsprechende Geräte auch für den intraoperativen Einsatz auf dem Gebiet der Tumordiagnose bzw. Tumortherapie geeignet. Eine präzise Positionierung der entsprechenden Quelle für Röntgenstrahlung kann beispielsweise mit einem automatisierten oder teilautomatisierten Positioniersystem bewirkt werden, das über Schnittstellen zu Systemen mit Bestrahlungsplanung, Tumorklassifikation und Datenbanken für Patientendaten und Datenarchivierung verfügt.
Ein solches System eignet sich grundsätzlich für eine Fernsteuerbarkeit in Hinblick auf Service und Betrieb und ermöglicht das generische Zusammensetzen von gegebenenfalls größeren Bestrahlungsfeldern und kann auch für vollautomatischen Betrieb ausgelegt werden.
Indem die entsprechende Röntgenstrahlungseinheit für Sterilisierbarkeit oder Umhüllung mit einer Sterilverpackung ausgelegt wird, kann diese auch bei chirurgischen Operationen eingesetzt werden. Der einfache Aufbau der Röntgenstrahlungseinheit ermöglicht darüber hinaus, Teile davon als Wegwerfartikel auszubilden, die für den einmaligen Einsatz an einem Patienten steril sind. U.U. kann vorgesehen sein, entsprechende Teile einer solchen Röntgenstrahlungseinheit für einen mehrfachen Betrieb auch wieder aufzuarbeiten.

Claims

Vorrichtung (100, 500, 600, 700) zum Erzeugen von Röntgenstrahlung (190, 590, 690, 790) – mit einer Quelle für Elektronen, die wenigstens ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen (104, 105, 106, 504, 505, 506, 604, 605, 606, 704, 705, 706, 707, 708, 709) umfasst; – mit einem Target (147, 547, 647, 747); und – mit einer Elektronen-Beschleunigungseinrichtung, um zum Erzeugen von Röntgenstrahlung dem Target (147, 547, 647, 747) beschleunigte Elektronen (181, 581, 681, 781) zuzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass – das Kohlenstoff-Nanoröhrchen (104, 105, 106, 504, 505, 506, 604, 605, 606, 704, 705, 706) in einer Vertiefung (110, 111, 112, 510, 511, 512, 610, 611, 612, 710, 712, 713, 714, 715, 716) mit leitendem Untergrund angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (110, 111, 112, 510, 511, 512, 610, 611, 612, 710, 712, 713) mit leitendem Untergrund einen als Kathode wirkenden elektrisch leitfähigen Bereich (118, 119, 120, 518, 519, 520, 618, 619, 620, 718) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich (118, 119, 120, 518, 519, 520, 618, 619, 620) aus hochdotiertem Halbleitermaterial besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich (118, 119, 120, 518, 519, 520, 618, 619, 620, 718) aus Metall besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoff-Nanoröhrchen (305, 406) auf den als Kathode wirkenden hochdotierten Bereich (303, 403) aufgewachsen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (301, 401) mit leitendem Untergrund (303, 403) in einem Halbleiter-Substrat (302, 402) oder einem Metall ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (301, 401) mit leitendem Untergrund (303, 403) einen Rand hat, an dem elektrisch leitendes Material (305, 405) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (305, 405) der Vertiefung als Gate-Elektrode ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung in einer Sandwichstruktur (302, 402) mit einer ersten elektrisch leitenden Schicht (305, 405), einer Isolatorschicht (304, 404) und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht (303, 403) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitende Schicht (305, 405) aus Chrom oder hochdotiertem Polysilizium besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (304, 404) aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrisch leitende Schicht (303, 403) aus hochdotiertem Silizium besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (301, 401) Zylinderform hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (301, 401) in die Schicht (303, 403) aus hochdotiertem Silizium hineinragt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsquelle (150, 550, 650, 750) vorgesehen ist, die eine elektrische Spannung zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array (103, 503, 603, 703) mit einer Vielzahl von Vertiefungen (110, 111, 112, 510, 511, 512, 610, 611, 612) mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (104, 105, 106, 504, 505, 506, 604, 605, 606, 704, 705, 706) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen (104, 105, 106, 504, 505, 506, 604, 605, 606, 704, 705, 706) auf dem Chip einzeln ansteuerbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Arrays (803) mit einer Vielzahl von Vertiefungen mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (804, 805) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochspannungsquelle (150, 550, 650, 750) vorgesehen ist, die zwischen den leitenden Untergrund (118, 119, 120, 518, 519, 520, 618, 619, 620, 718) der Vertiefung (110, 111, 112, 51, 511, 512, 610, 611, 612, 710, 711, 712) mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (104, 105, 106, 504, 505, 506, 604, 605, 606, 704, 705, 706) und dem Target (147, 547, 647, 747) eine Hochspannung bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vertiefung (110, 111, 112) mit elektrisch leitendem Untergrund (118, 119, 120) und dem Target (147) eine elektrisch leitende Gitterstruktur (148) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Gitterstruktur (148) Beschleunigungsstufen umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vakuumbehälter (101, 501, 601, 701) mit einem Fenster (102, 502, 602, 702) für Röntgenstrahlung (190, 590, 690, 790) vorgesehen ist.
Strahlentherapie- und/oder Strahlendiagnosegerät mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 22.
Strahlentherapiegerät mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (802) zum Erfassen der Struktur eines Tumors (840), insbesondere eines Hauttumors (840) vorgesehen sind, welche mit einer Steuereinheit (825) kombiniert sind, um mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung (850) ein an die Struktur des Tumors (840) angepasstes, flächiges Strahlungsfeld aus therapeutischer Röntgenstrahlung zu erzeugen.