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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 A wird eine Röntgenröhre beschrieben, bei der sowohl die Anode als auch die Kathode axialsymmetrisch in einem Vakuumgehäuse angeordnet sind und 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 (Photoeletronen). 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 A 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 der
US 2004/0028183 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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Aus der
WO 2005/112070 A1 ist eine Röntgenröhre mit einem feststehenden Vakuumgehäuse bekannt, umfassend eine Anode und eine Kathode, wobei zur Generierung einer Röntgenstrahlung die Kathode mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
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Die
DE 196 51 434 A1 beschreibt eine Röntgenröhre, die einen Laserstrahl benutzt, um indirekt einen Elektronenemitter auf einen gesteuerten Wert aufzuheizen, und zwar unter Verwendung einer Strommessung als Rückkopplung für den Laser.
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Aus der
DE 30 21 048 A1 ist ein Antrieb für Drehanoden von Röntgenröhren bekannt.
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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 zum Betreiben der Röntgeneinheit mit den Merkmalen des Anspruches 11 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 eines Lasers 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, wobei die Messgrösse an die Steuerschaltung ausgegeben wird und die Steuerschaltung derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von der Messgrösse die Betriebseigenschaft in einem Regelkreis einstellbar ist. Das Messelement ist zur Messung des Röntgenröhrenstroms zwischen Kathode und Anode und/oder des Röntgenflusses einer ausgewählten Richtung, insbesondere einer Durchleuchtungsrichtung, eingerichtet. Es können auch mehrere Messelemente verwendet werden.
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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 Mitteln 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 dem Mittel zur Strahlablenkung des 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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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.
