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Die
Erfindung betrifft eine Röntgeneinheit
mit einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode mit einer Oberfläche ausgestattet
ist, die unter Lasereinstrahlung Elektronen emittiert, sowie ein
Verfahren zum Betreiben der Röntgeneinheit.
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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 geringe 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 thermionisch 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 thermionischen, von einem Laser geheizten
Kathode emittiert wird.
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Aus
US 2004/028183 A1 ist ein Röntgenstrahler
mit stehender Kathode bekannt, wobei ein Elektronenemissionsstrom
und eine Röntgenenergie unabhängig gesteuert
werden können,
und zwar durch Anpassen des Abstands zwischen Kathode und Anode,
durch Anpassen der Temperatur der Kathode, durch optische Anregung
der Kathode und durch Anpassung einer Hochspannung zwischen Kathode
und Anode. In einer Ausführungsform
kann dies durch Steuern einer Photonenquelle geschehen, deren Photonen
bei Auftreffen auf die Kathode Elektronen freisetzen.
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Beim
dauerhaften Einsatz eines Lasers zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
besteht die Gefahr, dass nicht nur wie gewünscht der Laserbrennfleck stark
erwärmt
wird, sondern die mittlere Temperatur zu stark steigt. Wenn der
Dauerstrichlaser mit konstanter Leistung betrieben wird, wird der
durch ihn hervorgehobene Temperaturhub ebenfalls konstant sein.
Weil die Elektronenemissionsdichte eine Funktion der Temperatur
ist, kann der Röntgenfluss
zu groß werden,
beispielsweise bei Verwendung als medizinischer Röntgenstrahler
während
der Dauer einer Untersuchung und dadurch für den Patienten eine unnötige Dosisbelastung
hervorrufen. Falls der Laser auf eine rotierende Kathode trifft,
besteht dort die Gefahr, dass die gesamte Kathodenbrennbahn während mehreren
Umdrehungen mit gleichen Folgen in der Temperatur hochläuft.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen laserinduzierten
Röntgenstrahler
bereitzustellen, wie er beispielsweise in der medizinischen Radiologie
verwendet wird, bei dem eine Optimierung oder Steuerung des Röntgenflusses,
insbesondere bezüglich
einer konstanten Strahlungsleistung, ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Röntgeneinheit
mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren Betreiben der
Röntgeneinheit
mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die
Röntgeneinheit
umfasst eine Strahlungsquelle, meist einen Laser und einen Röntgenstrahler, welcher
seinerseits umfasst: eine Anode, die Röntgenstrahlen emittiert, eine
Kathode, die Elektronen bei Bestrahlung durch einen Laserstrahl
einen Laser thermionisch emittiert und ein Mittel zum Anlegen einer
Spannung zwischen der Anode und der Kathode zur Beschleunigung der
emittierten Elektronen zur Anode hin unter Bildung eines Elektronenstrahls.
Der Röntgenstrahler
umfasst weiterhin ein Vakuumgehäuse,
das um eine Achse drehbar ist, einen Isolator, der die Kathode von
der Anode trennt, Mittel zur Rotation des Vakuumgehäuses um
seine Achse, Mittel zur Kühlung
von Komponenten des Röntgenstrahlers und/oder
Mittel, um den Laserstrahl von einer stationären Quelle (im folgenden vereinfachend
als Laser bezeichnet), die außerhalb
des Vakuumgehäuses angeordnet
ist, auf einen räumlich
stationären
Laserbrennfleck auf der Kathode zu richten und zu fokussieren. Ferner
umfasst die Röntgeneinheit
eine Steuerschaltung zur Verbindung mit der Röntgeneinheit, durch welche
eine Betriebseigenschaft der Röntgeneinheit
einstellbar ist, sowie mindestens ein Messelement zur Messung einer
Messgröße, die
in einem Wirkzusammenhang mit der Temperatur der Kathode steht.
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In
einer Ausführungsform
ist die Steuerschaltung vorteilhafterweise mit der Strahlungsquelle verbunden,
wobei durch die Strahlungsquelle mindestens eine Emissionseigenschaft
der Strahlungsquelle einstellbar bzw. veränderbar ist. Mögliche Emissionseigenschaften
umfassen: eine Strahlungs- bzw. Laserleistung und/oder eine Größe des Laserbrennflecks
und/oder eine Frequenzcharakteristik der Strahlung. Für den Fall,
dass bei konstanter Strahlungsleistung der Anodenstrom zu hoch ist, kann
beispielsweise die Laserleistung verringern werden.
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In
einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen, Ausführungsform
ist die Steuerschaltung vorteilhafterweise mit Mittel zur Rotation
des Vakuumgehäuses
verbunden, wodurch eine Drehgeschwindigkeit eingestellt werden kann.
Für den
Fall, dass bei konstanter Laserleistung der Anodenstrom zu hoch ist,
kann beispielsweise die Drehgeschwindigkeit erhöht werden.
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In
einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen, Ausführungsform
ist die Steuerschaltung vorteilhafterweise mit Mittel zur Strahlablenkung
der einfallenden Laserstrahls verbunden. Dadurch kann eine Strahlintensität pro Einheitsfläche herabgesetzt werden,
wodurch sich die eine Temperatur verringern kann. Beispielsweise
kann der Laserstrahl örtlich
gewobbelt werden, d. h., dass er örtlich springt bzw. Hin- und
herbewegt wird. So kann er in – bezüglich der
Brennbahn – radialer
Richtung (seitlich) hin- und hergefahren
werden, z. B. mit ca. 2 Hz. Dadurch wird die Brennbahn effektiv
steuerbar verbreitert, und die Spitzeneinstrahlungsleistungen pro
Einheitsfläche können sinken.
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Das
Messelement kann vorteilhafterweise zur Messung des Röntgenröhrenstroms
zwischen Kathode und Anode und/oder des Röntgenflusses einer ausgewählten Richtung,
insbesondere einer Durchleuchtungsrichtung, eingerichtet sein. Es
können
auch mehrere Messelemente verwendet werden.
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Durch
die oben beschriebene Anordnung kann günstigerweise ein entsprechender
Steuer- oder Regelkreis aufgebaut werden, wobei die durch das Messelement
an die Steuerschaltung ausgegebene Messgröße (typischerweise die Regelgröße) durch
Einstellung einer Betriebseigenschaft/eines Betriebsparameters der
Röntgeneinheit
an eine bestimmte Führungsgröße angepasst
wird. Wird beispielsweise ein gemessener Röntgenröhrenstrom, der durch das Vakuum
bei angelegter Hochspannung zwischen Kathode und Anode fließt, zu groß, kann ein
elektrisches/digitales Signal die eingekoppelte Laserleistung reduzieren.
Alternativ oder zusätzlich kann
die Messung des Röntgenflusses
auf der Detektorseite verwendet werden. Dadurch wird eine Anpassung
der Dosisleistung als Funktion der Durchleuchtrichtung des Patienten
möglich.
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Eine
weitere Maßnahme
zur Stabilisierung der Laserleistung umfasst ein anfängliches
Vorheizen der Kathodenbrennbahn durch "kurzzeitig überhöhte" Laserleistung. Dadurch wird der Temperaturhub
im Laserfokus während
der eigentlichen Untersuchung reduziert/optimiert.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Modulationszeit der Laserleistung zwischen
1 μs und
1 s beträgt,
da so der Regelkreis zeitnah betrieben werden kann.
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Mit
diesem erfindungsgemäßen Röntgenstrahler
wird erreicht, dass eine ausreichend hohe Elektronenstromdichte
durch Laserleistungen, wie sie von Dioden- oder Festkörperlaser
erzeugt werden, erreicht werden kann.
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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 einen
Teil-Längsschnitt
durch einen Teil einer weiteren Ausgestaltung des Vakuumgehäuses,
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3 zeigt
eine Auftragung einer Messung einer Elektronenemission,
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4 zeigt
eine Prinzipskizze eines Regelkreises.
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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, so dass während der Drehung der Elektronenstrahl
bzw. der Laserstrahl stets auf die Oberfläche der Anode bzw. der Kathode
trifft. 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; dabei
können Materialien
hoher mechanischer Festigkeit, die als Speichen in der Kathode bzw.
in der Anode angeordnet sind, Segmente von Materialien mit hoher
Emissionseffizienz tragen.
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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 thermionische 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/oder 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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Vorteilhafterweise
wird der Laserstrahl asymmetrisch verformt (nicht dargestellt),
wodurch ein asymmetrischer Laserbrennfleck mit unterschiedlicher
Laserleistung innerhalb des Laserbrennflecks erzeugt werden kann.
Dadurch 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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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,
wodurch über
die eingekoppelte Laserleistung die Elektronenstromstärke entsprechend
variiert werden kann. 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,
wodurch sich ein asymmetrischer Laserbrennfleck auf einfache Weise
realisieren lässt
und so eine Erhitzung und Abkühlung
durch einen zusammengesetzten Laserbrennfleck besser steuern lässt.
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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 2 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. In einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich außerhalb
des Vakuumgehäuses 1 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. In einer dritten Ausgestaltungsform kann der Elektronenstrahl
durch optische Mittel geformt bzw. gelenkt werden. 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
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. 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, wie auch bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
durch elektrische Mittel 61 heizbar. Dadurch erhöht sich
die Grundtemperatur der Oberfläche 15 der Kathode 11,
so dass 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.
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In 3 ist
ein Beispiel einer experimentell bestimmten Elektronenemission durch
Bestrahlung einer Drehkathode mit einem Dauerstrichlaser als Auftragung
eines Elektronenstroms in A gegen die Zeit in beliebigen Einheiten
(a.u.). Verschiedene Messwerte sind als Punkte in das Diagramm eingetragen.
Der Elektronenstrom steigt so lange an, bis der Laser mit konstanter
Leistung abgeschaltet wird.
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4 zeigt
eine Prinzipschaltskizze einer Röntgeneinheit 75,
bei der ein Röntgenstrahler,
z. B. aus den 1 oder 2 (hier
schematisch anhand der Kathode 11 und der Anode 5 dargestellt),
einen Regelkreis mit einem Messelement 73 zur Messung des
Flusses von Röntgenstrahlen 29 in
einer Durchleuchtungsrichtung, einer Steuereinheit 71 und
einer Laserquelle 17 aufgebaut. Nicht dargestellt ist ein Messelement
zur Messung des Stroms zwischen Kathode (11) und Anode
(5). Dabei sind die Messausgänge der Messelemente 73 mit
einem jeweiligen Steuereingang der Steuereinheit 71 verbunden. Steuerausgänge der
Steuereinheit 71 sind mit der Laserquelle 17 verbunden.
Nicht dargestellt ist die Möglichkeit,
die Steuerausgänge
auch mit dem Mittel zur Rotation zu verbinden.