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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Röntgenstrahlung oder extremer Ultraviolett-Strahlung.
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Die Erfindung betrifft insbesondere auch das Gebiet der Untersuchung von industriell und/oder handwerklich hergestellten Gegenständen mittels elektromagnetischer Strahlung. Beispielsweise ist es bekannt, ein Werkstück mit Röntgenstrahlung zu durchstrahlen und ein Röntgenbild aufzunehmen, den Vorgang bei verschiedenen Einfallsrichtungen der Röntgenstrahlung zu wiederholen und anschließend durch einen Computer dreidimensionale, rekonstruierte Röntgenbilder des Werkstücks zu erzeugen. Die Rekonstruktion am Computer wird als Computer-Tomographie (CT) bezeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher Teil eines solchen Verfahrens sein.
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Bei der CT ist eine hohe Leistung der für die Erzeugung der Röntgenstrahlen oder anderen kurzwelligen elektromagnetischen Strahlen verwendeten Röhren erwünscht. Als Faustregel gilt, dass die Zeit für die Aufnahme der Röntgenbilder halbiert werden kann, wenn die Strahlungsleistung der Röhre verdoppelt wird.
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Herkömmliche Röntgenröhren enthalten z. B. ein Wolframtarget, auf das als Anode Elektronen der Röntgenröhre eingestrahlt werden. Heutzutage ist es möglich, den Elektronenstrahl auf einen Brennfleck mit sehr kleinem Querschnitt zu fokussieren. Zwar hat Wolfram im Vergleich zu anderen Metallen eine sehr hohe Schmelztemperatur. Bei sehr kleinem Brennfleck-Querschnitt schmilzt jedoch auch Wolfram. Um eine Beschädigung des Targets aufgrund des Erreichens des Schmelzpunktes und der dadurch einsetzenden physikalischen und chemischen Veränderungen zu verhindern, wird der Elektronenstrahl absichtlich de-fokussiert. Daran ändert auch die Tatsache nichts, dass das Target in der Regel durch eine Flüssigkeitskühlung gekühlt wird. Durch die De-Fokussierung wird aber die Qualität der Röntgenquelle verringert. Insbesondere wird die Strahldichte der Röntgenstrahlung reduziert.
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EP 0 788 136 A1 beschreibt eine Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlung. Ein Block weist einen durchgehenden Kanal auf. Ein Diamantwafer ist dichtend über eine Öffnung in dem Block montiert, so dass er eine innere Oberfläche in Kontakt mit einem Kühlmittel hat, welches in den Kanal fließt. Ein Anodenfilm aus Metall ist mit der äußeren Oberfläche des Diamanten verbunden und empfängt einen fokussierten Elektronenstrahl, um die Röntgenstrahlung zu erzeugen. Der Kanal ist so ausgebildet, dass das Fluid bei hoher Geschwindigkeit über die innere Oberfläche streicht. Gemäß
5 und der zugehörigen Beschreibung offenbart die Druckschrift außerdem, dass das Gehäuse zylindrisch ist und mit einer Montagewand gegen das Ende des Zylinders abgedichtet ist. Der Diamantwafer mit dem Anodenfilm ist zentral über eine Öffnung in der Endwand fixiert. Ein axiales Rohr in dem Gehäuse lenkt Kühlmittel gegen den Diamant und das Kühlmittel fließt zwischen dem Rohr und dem Gehäusezylinder aus.
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WO 95/06 952 A1 beschreibt eine Röntgenröhre, die ein Target für einen Elektronenstrahl aufweist, das durch eine Schicht aus Targetmetall gebildet ist, welches auf der Frontfläche einer Diamant-Wärmesenke appliziert ist. Die Targetschicht ist sehr dünn. Die rückwärtige Oberfläche des Diamantblocks ist strömungsgekühlt. Durch einen Kühlmitteleinlass nahe bei der Rückseite des Diamantblocks tritt Kühlmittel aus und strömt davon weg in Richtung eines Auslasses.
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WO 03/0 65 772 A2 beschreibt eine Kühlung einer Röntgenröhre mit Diamantsubstrat im Transmissionsbetrieb. Das Kühlsystem enthält einen Fluidbehälter für ein Wärmetausch-Fluid außerhalb der Röntgenröhre. Der Fluidbehälter weist eine Sprühdüse auf, die eine flüssige Phase des Wärmetauscher-Fluids auf eine äußere Oberfläche des Substrats zum Absorbieren von Wärme des Targets richtet.
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Das Abstract von
JP H06-1 62 974 A beschreibt eine Anodenstruktur einer Röntgenröhre mit einem Target-Stützkörper und einem Röntgenstrahlen erzeugenden Target, der mit dem Stützkörper verbunden ist. Polykristallines Diamantmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist vorgesehen, um in Kontakt mit Kühlmittel zu gelangen.
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US 5 056 127 A beschreibt Mittel zum Verbessern des Wärmeübertrags von flüssigkeitsgekühlten rotierenden Anoden von Röntgenröhren. Eine konkav gekrümmte Wärmetauscherfläche, die eine aufgeheizte gegenüberliegende Oberfläche hat, über die durch Energiestrahlen Wärme eingetragen wird, hat eine variierende Wanddicke. Die Einrichtung, die die Oberfläche aufweist, kann Teil einer flüssigkeitsgekühlten rotierenden Anode einer Röntgenröhre sein. Sie kann auch Teil eines rotierenden Kühlrades für die schnelle Verfestigung von Metallen sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren der Eingangs genannten Art anzugeben, die die Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung bei hoher Strahldichte ermöglichen, wobei Auswirkungen einer Beschädigung des Targets aufgrund des Erreichens des Schmelzpunktes des Targetmaterials auf die erzeugte Strahlung vermieden werden sollen. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der beigefügten unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, das eigentliche Targetmaterial, in dem auftreffende Teilchen (insbesondere Elektronen oder Quanten einer elektromagnetischen Strahlung) die elektromagnetische Strahlung erzeugen, an einer Basis aus einem Material mit vorzugsweise hoher Wärmeleitfähigkeit anzuordnen, wobei die Basis mit dem Target verbunden ist (und daher das Target trägt). Die Verbindung des Targets mit der Basis kann auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Target unmittelbar, ohne weiteres Material dazwischen, an die Basis angrenzen. Es können jedoch auch Zwischenschichten vorhanden sein (z. B. eine Lotschicht) und/oder lokale Materialbereiche zwischen dem Target und der Basis angeordnet sein, über die die Verbindung hergestellt ist. Insbesondere besteht die Hauptfunktion der Basis darin, das Target zu tragen. Eine weitere Funktion der Basis kann darin bestehen, dem Target Stabilität zu verleihen, insbesondere dann, wenn das Target nur eine geringe Dicke aufweist.
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Unter einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit wird insbesondere ein Material verstanden, das bei Temperaturen von 100 bis 200°C eine Wärmeleitfähigkeit von 100 W/mK oder mehr aufweist, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 350 W/mK oder mehr aufweist. Durch CVD hergestelltes Diamantmaterial weist in dem genannten Temperaturbereich eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1000 W/mK auf.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der vorliegenden Erfindung wird die von dem Target über die Basis abgeführte Wärme effizient von der Basis abtransportiert. Hierfür eignet sich insbesondere folgender Aufbau: Auf einen Metallstab oder anders geformten Träger aus Metall ist die Basis aufgebracht, die wiederum das Target trägt. Der Metallstab bzw. sonstige Träger ist vorzugsweise aus Kupfer gefertigt, da Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und auch unproblematisch im Vakuumbereich einer Röntgenröhre verwendet werden kann.
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Generell, unabhängig von dem im vorangegangenen Absatz beschriebenen Aufbau, wird gemäß der Erfindung bevorzugt, als Material der Basis Diamant zu verwenden. Z. B. kann das Diamantmaterial durch CVD (Chemical Vapour Deposition) oder PVD (Physical Vapour Deposition) hergestellt worden sein. Insbesondere kann die Basis scheibenförmig sein und daher eine vorderseitige und eine rückwärtige Oberfläche aufweisen, die etwa parallel zueinander verlaufen und in jeweils einer Ebene verlaufende Flächen sind. Unter vorderseitig wird die Seite verstanden, auf der die nutzbare Röntgenstrahlung abgestrahlt wird. Im Reflektorbetrieb ist dies auch die Seite, auf der das Target liegt. Im Transmissionsbetrieb ist dies die dem Target gegenüberliegende Seite. In dieser Beschreibung wird jedoch auch zwischen der ersten und der zweiten Seite der Basis unterschieden, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt. Die erste Seite ist die Seite der Basis, an der das Target angeordnet ist.
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Die Dicke der scheibenförmigen Basis beträgt z. B. mindestens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,4 mm. Dies erleichtert einerseits die Herstellung und führt andererseits zu einer sehr guten Wärmeleitung quer zu den Oberflächen der Scheibe. Vorzugsweise ist die Breite der Scheibe wesentlich größer als die Dicke. Bei einer kreisförmigen Scheibe wird unter der Breite der Durchmesser verstanden. Daher wird die im Brennfleck erzeugte Wärme zunächst aus dem angrenzenden Target in die Scheibe abgeleitet und verteilt sich dort schnell in der Scheibe. Im Ergebnis wird die Temperatur des Brennflecks reduziert.
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Nach oben ist die Dicke der Scheibe durch praktische Überlegungen wie hohe Kosten für dickes Diamantmaterial begrenzt. Allerdings kann auch die Optimierung der Gesamt-Konstruktion der Target-Anordnung dazu führen, dass die Dicke einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten sollte. Beispielsweise können andernfalls aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialen zu hohe mechanische Spannungen auftreten. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Scheibe daher maximal 1,5 mm. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke bei einem Wert im Bereich von 0,45 bis 0,55 mm, insbesondere bei 0,5 mm. Die Dicke einer Scheibe muss jedoch nicht über die gesamte Scheibe konstant sein. Beispielsweise kann die Dicke an den Rändern größer sein als im mittleren Bereich der Scheibe.
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Als Targetmaterial kommt außer Wolfram grundsätzlich jedes andere für die Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung geeignete Material infrage. Auch können Targets verwendet werden, die z. B. mehrere Lagen von gleichen oder verschiedenen Metallen und/oder eine oder mehrere Metalllegierungen aufweisen. Handelt es sich bei dem Targetmaterial um Wolfram, wird für den Reflektorbetrieb (d. h. den Betrieb, in dem die Teilchen aus demselben Halbraum auf das Targetmaterial auftreffen, in den auch die nutzbare elektromagnetische Strahlung emittiert wird) eine Dicke der auf der Basis-Oberfläche angeordneten Target-Schicht im Bereich von wenigen μm, z. B. 5 μm, bis einigen 10 μm, z. B. 50–80 μm, bevorzugt.
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Insbesondere kann die Dicke des Targets auf die kinetische Energie der Teilchen, d. h. z. B. die Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre, abgestimmt werden, insbesondere auf die maximale kinetische Energie bzw. Beschleunigungsspannung einer konkreten Anordnung. Bei einer Beschleunigungsspannung einer Elektronenstrahl-Röntgenröhre von z. B. 225 kV wird beispielsweise eine Schichtdicke des Wolfram-Targets im Bereich von 40–60 μm, insbesondere 50 μm, bevorzugt. Außerdem hängt die Dicke insbesondere von dem Targetmaterial ab. Wenn also ein anderes Targetmaterial verwendet wird, sollte dies für die Dicke berücksichtigt werden. Für Molybdän als Targetmaterial wird bei der genannten Beschleunigungsspannung eine Dicke von ca. 80 μm bevorzugt.
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Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Target nicht wie sonst üblich durch Abscheiden des Targetmaterials, z. B. mittels CVD, erzeugt, sondern es wird eine separat hergestellte Folie, die aus dem Targetmaterial besteht, an der Basis angeordnet und mit dieser verbunden. Die Verbindung wird z. B. durch Löten, insbesondere Hartlöten, hergestellt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann wie zuvor beschrieben ausgestaltet sein und optional wie folgt hinsichtlich der Strahlungsleistung verbessert werden. Insbesondere kann es sich bei der Erzeugungseinrichtung um eine Mikrofokus-Röntgenröhre handeln.
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Es ist außer der Basis, die das Target trägt, eine Leitung für Kühlflüssigkeit vorhanden, um beim Betrieb der Anordnung das Target zu kühlen. Dabei ist ein Leitungsabschnitt der Leitung, der im Folgenden als Basis-Leitungsabschnitt bezeichnet wird, aus Sicht des Targets auf der gegenüberliegenden Seite der Basis angeordnet bzw. verläuft dort. Das Target liegt daher auf der ersten Seite der Basis und der Basis-Leitungsabschnitt auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite der Basis. Die Kühlflüssigkeit in dem Basis-Leitungsabschnitt nimmt Wärme auf und transportiert sie ab.
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Dies hat den Vorteil, dass die von dem Brennfleck über die Basis abgeführte Wärme mit hoher Effizienz auf die Kühlflüssigkeit übertragen und von der Kühlflüssigkeit schnell abtransportiert werden kann. Im Ergebnis werden nur geringe Temperaturunterschiede zwischen dem Brennfleck und der Wand des Basis-Leitungsabschnitts benötigt, um die Wärme abzutransportieren. Daher stellen sich an dem Brennfleck niedrigere Temperaturen als ohne diese Flüssigkeitskühlung ein.
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insbesondere bildet die Basis selbst, z. B. das Diamantmaterial, zumindest einen Teil einer Wand des Basis-Leitungsabschnittes. In diesem Fall wird die Wärme von der Basis unmittelbar auf die Kühlflüssigkeit übertragen, ohne weiteres Material zwischen Basis und Kühlflüssigkeit.
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Zur weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs von der Basis auf die Kühlflüssigkeit und zur Verbesserung des Abtransports der Wärme von der Basis wird vorgeschlagen, dass der Basis-Leitungsabschnitt einen gegenüber anderen oder allen anderen Leitungsabschnitten der Leitung verkleinerten Leitungsquerschnitt aufweist. Insbesondere hat der Basis-Leitungsabschnitt gegenüber einem im Strömungsverlauf dahinter gelegenen Leitungsabschnitt und/oder einem im Strömungsverlauf davor gelegenen Leitungsabschnitt einen kleineren Leitungsquerschnitt. Der davor und dahinter gelegene Leitungsabschnitt bilden insbesondere die unmittelbar vor dem Basis-Leitungsabschnitt gelegene Zuleitung bzw. die unmittelbar hinter dem Basis-Leitungsabschnitt gelegene Ableitung für den Basis-Leitungsabschnitt.
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Durch die Verjüngung des Basis-Leitungsabschnitts werden höhere Fließgeschwindigkeiten erzeugt, die zumindest den Wärmeabtransport verbessern und abhängig von der Art der Strömung auch den Wärmeübergang auf die Kühlflüssigkeit verbessern.
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Die Zuleitung des Basis-Leitungsabschnitts ist so geformt und/oder angeordnet, dass die Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in der Zuleitung quer zu einer Oberfläche der Basis gerichtet ist, so dass die Kühlflüssigkeit nach ihrem Eintritt in den Basis-Leitungsabschnitt auf die Oberfläche zuströmt und von dieser abgelenkt wird. Dadurch wird der Wärmeübergang von der Basis auf die Kühlflüssigkeit verbessert.
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Bevorzugt wird dabei, dass ein Brennfleck der auf das Target auftreffenden Teilchen so eingestellt werden kann, dass er die kürzest mögliche, durch die Basis gemessene Entfernung zu dem Teil der Oberfläche aufweist, auf die die Kühlflüssigkeit zuströmt. Im Fall einer scheibenförmigen Basis liegt der Brennfleck daher vor einer Stelle der Basis, an deren gegenüberliegender Seite die Kühlflüssigkeit auf die Basis auftrifft.
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Insbesondere kann die Zuleitung so angeordnet sein, dass die Kühlflüssigkeit senkrecht auf die Oberfläche der Basis zuströmt. Dadurch ist ein besonders guter Wärmeübergang von der Basis auf die Kühlflüssigkeit erreichbar.
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Aufgrund des folgenden Merkmals der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, den Betrieb der Anordnung fortzusetzen, obwohl das Target z. B. wegen einer Überschreitung des Schmelzpunktes beschädigt wurde. Die Anordnung ist um eine in der Strömungsrichtung der Zuleitung verlaufende Drehachse drehbar, so dass durch Drehung der Anordnung der Ort des Brennflecks der auf das Target auftreffenden Teilchen in dem Target verändert werden kann. Dabei wird das Target um wenige Grad um die Drehachse gedreht, so dass ein Bereich des Targets in den Strahl der auftreffenden Teilchen gelangt, der zuvor außerhalb des Brennflecks lag.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Zuleitung durch ein Innenrohr eines doppelwandigen Rohrs gebildet. Insbesondere kann daher die Kühlflüssigkeit durch das Innenrohr hindurch auf die Basis zuströmen, deren Oberfläche sich in diesem Fall quer zur Strömungsrichtung der Zuleitung erstreckt.
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Die Ableitung des Basis-Leitungsabschnitts kann dann durch ein Außenrohr des doppelwandigen Rohrs gebildet sein. Durch das doppelwandige Rohr wird eine sehr kompakte Anordnung mit integrierter Flüssigkeitskühlung erzielt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in existierenden Röntgenröhren stabförmige Halter zum Halten des Targets eingesetzt werden. Der stabförmige Halter kann durch das doppelwandige Rohr mit dem am Ende des Rohrs angeordneten Target ersetzt werden. Somit ist eine Nachrüstung bzw. Umrüstung möglich. Insbesondere kann die Basis von der Außenwand des doppelwandigen Rohrs getragen werden. Beispielsweise ist die Basis umlaufend um die zentrale Längsachse des doppelwandigen Rohrs mit der Außenwand des Rohrs verlötet oder auf andere Weise umlaufend mit der Außenwand des Rohrs verbunden. Die Verbindung ist vorzugsweise flüssigkeitsdicht ausgestaltet, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden müssen, um einen Flüssigkeitsaustritt der Kühlflüssigkeit zwischen der Basis und der Außenwand des doppelwandigen Rohrs an deren Ende zu verhindern.
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Bei der Drehachse, um die das Target und die Basis gedreht werden können, so dass der Ort des Brennflecks verändert werden kann, handelt es sich um eine Achse, die insbesondere zumindest abschnittsweise durch den Innenraum des Innenrohrs verläuft, welcher für die Strömung der Kühlflüssigkeit zur Verfügung steht. Unter dem Begriff Drehachse wird also nicht eine Welle aus einem festen Material verstanden. Gleichwohl kann sich eine Welle zumindest abschnittsweise entlang der Drehachse erstrecken.
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Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung betrifft den Transmissionsbetrieb. Darunter wird der Betrieb einer Anordnung zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung verstanden, in dem die Teilchen von einer Seite auf das Target auftreffen und die erzeugte nutzbare Strahlung zumindest teilweise durch die Basis hindurch tritt. Es wird vorgeschlagen, dass die Leitung für die Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Basis so angeordnet wird, dass die durch die Basis hindurch getretene nutzbare Strahlung anschließend auch durch die Kühlflüssigkeit hindurch tritt, die auf der aus Sicht des Targets gegenüberliegenden Seite der Basis vorbeiströmt. Die nutzbare Strahlung tritt daher durch die Flüssigkeit in dem Basis-Leitungsabschnitt hindurch.
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Dadurch kann auch für den Transmissionsbetrieb eine sehr effektive Kühlung der Basis erzielt werden.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere Röntgenstrahlung, die in dem Target erzeugt wurde, durch geeignete Kühlflüssigkeiten, insbesondere Wasser, weder in erheblichem Maße absorbiert noch gestreut wird. Auch kann aus Sicht des Basis-Leitungsabschnitts im weiteren Verlauf der Ausbreitung der Röntgenstrahlung oder anderen Strahlung wie allgemein üblich ein Kollimator angeordnet sein, der in der Kühlflüssigkeit gestreute Strahlung absorbiert bzw. die gestreute Strahlung nur in dem durch ihn definierten Raumwinkelbereich aus der Anordnung austreten lässt.
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Vorzugsweise ist der Basis-Leitungsabschnitt auf seiner einen Seite durch die Basis berandet und weist in Strahlungsrichtung auf seiner gegenüberliegenden Seite eine sich im Wesentlichen parallel zu der durch die Basis gebildeten Wand des Basis-Leitungsabschnitts erstreckende Wand auf.
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Die Dicke des Basis-Leitungsabschnitts, die durch den Weg der durch die Flüssigkeit in dem Basis-Leitungsabschnitt hindurch tretenden nutzbaren Strahlung definiert ist, kann über den gesamten Basis-Leitungsabschnitt konstant sein oder variieren. In jedem Fall wird bevorzugt, dass die Dicke im Bereich von 0,8 bis 1,2 mm liegt, vorzugsweise bei 1 mm. Bei dem Basis-Leitungsabschnitt handelt es sich wiederum vorzugsweise um einen Leitungsabschnitt mit einem geringeren Leitungsquerschnitt als in anderen Abschnitten der Leitung, insbesondere der Zuleitung und/oder der Ableitung. Durch die Dicke im Bereich um 1 mm wird einerseits ein noch wirksamerer Flüssigkeits-Abtransport von der Basis gewährleistet und andererseits die Absorption und Streuung der Strahlung in der Kühlflüssigkeit gering gehalten.
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Die Basis und das Target können wie oben beschrieben ausgestaltet sein und haben vorzugsweise eine Gesamtdicke von 0,4 bis 0,6 mm, insbesondere bei 0,5 mm. In diesem Fall ergibt sich, wenn die Anordnung ein Austrittsfenster für den Austritt der Strahlung mit einer Dicke von 0,5 mm aufweist, ein Fokus-Objekt-Abstand von 2 mm.
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Bezüglich eines zur Erfindung gehörenden Verfahrens zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung wird auch auf die Beschreibung der Anordnung und ihrer Ausgestaltungen sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
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Außerdem gehört zur Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Röntgenstrahlung oder extremer Ultraviolett-Strahlung, wobei
- – eine Basis, die insbesondere aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, vorgesehen wird,
- – ein Target an einer ersten Seite der Basis mit der Basis verbunden wird, wobei das Target ausgestaltet ist, die elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wenn beim Betrieb der Anordnung Teilchen, insbesondere Elektronen, auf das Target auftreffen,
- – eine Leitung zur Führung von Kühlflüssigkeit vorgesehen wird, wobei ein Basis-Leitungsabschnitt der Leitung so angeordnet wird, dass er sich entlang einer der ersten Seite der Basis gegenüberliegenden zweiten Seite der Basis erstreckt.
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Die Basis kann aus Diamant gebildet werden, insbesondere aus durch CVD oder PVD hergestelltem Diamant gebildet werden.
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Das Target kann aus einer Metallfolie gebildet werden, insbesondere einer Wolframfolie, wobei die Folie auf die Basis aufgelötet wird.
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Eine Zuleitung des Basis-Leitungsabschnitts kann durch ein Innenrohr eines doppelwandigen Rohrs gebildet werden, so dass die Basis vorzugsweise so angeordnet ist, dass die durch die Zuleitung in den Basis-Leitungsabschnitt einströmende Kühlflüssigkeit auf die Oberfläche der Basis auftrifft und von dieser abgelenkt wird.
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Eine Ableitung, die ein im Strömungsverlauf nach dem Basis-Leitungsabschnitt gelegener Leitungsabschnitt ist, kann durch ein Außenrohr des doppelwandigen Rohrs gebildet werden. Vorzugsweise wird die Basis an einer Stirnseite der Außenwand des doppelwandigen Rohrs befestigt, insbesondere flüssigkeitsdicht befestigt.
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Bezüglich der Vorteile der mit dem Herstellungsverfahren hergestellten Anordnung wird auf die Beschreibung der Anordnung und deren Ausgestaltungen verwiesen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung,
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2 eine zweite Ausführungsform einer solchen Anordnung,
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3 ein Detail der Ausführungsform gemäß 2 und
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4 eine dritte Ausführungsform einer solchen Anordnung, die im Unterschied zu den beiden anderen Ausführungsformen im Transmissionsbetrieb betrieben wird.
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Die in 1 dargestellte Anordnung zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ist insbesondere eine Röntgenröhre. Die Fig. zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die Anordnung 1. Durch eine strichpunktierte Linie 3 ist die Einfallsrichtung dargestellt, in der Elektronen in die Anordnung 1 eintreten und auf ein Target 5 aus Wolframfolie auftreffen. Um den Ort des Brennflecks der Elektronen in dem Target 5 einstellen zu können, weist die Anordnung 1 eine Elektronenblende 9. Bei der hier beschriebenen Ausgestaltung der Anordnung und auch bei anderen Anordnungen können alternativ oder zusätzlich zu der Elektronenblende weitere Einrichtungen vorgesehen sein und/oder Verfahren angewendet werden, mit denen der Ort des Brennflecks und die Fokussierung des Elektronenstrahls auf dem Target eingestellt werden können.
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Das Target 5 wird von einer Basis 7 aus CVD-Diamant getragen. Sowohl das Target 5 als auch die Basis 7 sind scheibenförmig und insbesondere kreisscheibenförmig geformt. An der aus Sicht des Targets 5 gegenüberliegenden Seite der Basis 7 wird die Basis 7 von einem massiven Stab 13 aus Kupfer getragen. Der Stab 13 und somit auch die Basis 7 und das Target 5 können um eine zentrale Längsachse 15 des Stabes 13 manuell gedreht werden, wie auch durch einen Pfeil 16 angedeutet ist, an dem aus Sicht des Targets 5 gegenüberliegenden Ende des Stabes 13 ist eine Rändel-Mechanik 18 vorgesehen, die das Verdrehen des Stabes 13 um die Längsachse 15 ermöglicht.
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Durch eine polygonale Umrisslinie 17 ist die Außenwand der Anordnung 1 dargestellt. Der durch die Außenwand 17 und gegebenenfalls weitere Teile der Anordnung 1 definierte Innenraum 14 wird für den Betrieb der Anordnung 1 evakuiert. Die Rändel-Mechanik 18 befindet sich außerhalb des Innenraums 14.
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Außerdem ist eine Kühleinrichtung 19 zum indirekten Kühlen des Targets und der Basis vorgesehen. Unter indirekter Kühlung wird verstanden, dass weder das Target noch die Basis mit der Kühleinrichtung bzw. einem Kühlmittel der Kühleinrichtung direkt in Kontakt sind. Beim Betrieb der Anordnung 1 nimmt die Kühleinrichtung 19 durch Wärmestrahlung und optional über nicht näher dargestellte Materialbrücken zwischen dem Stab 13 und der Kühleinrichtung 19 Wärme auf und transportiert diese ab.
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Das Target 5 und die Basis 7 sind insbesondere so ausgestaltet, wie das Target und die Basis, die noch anhand von 3 erläutert werden. Dabei stellt jedoch 3 ein Detail einer anderen Ausführungsform der Anordnung dar.
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Die von dem Target 5 erzeugte Röntgenstrahlung verlässt den Innenraum 14 durch ein für Röntgenstrahlung durchlässiges Fenster 20, beispielsweise aus Beryllium oder Diamant. Nachdem die Röntgenstrahlung das Fenster 20 passiert hat, wird sie mit Hilfe eines Kollimators 21 kollimiert.
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Im Folgenden wird nun die nach gegenwärtigem Kenntnisstand bestmögliche Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese in 2 dargestellte Anordnung weist ebenfalls eine Elektronenblende 9, eine Außenwand 17 und einen beim Betrieb evakuierten Innenraum 14 auf. Außerdem sind ebenfalls ein Austrittsfenster 20 für die Röntgenstrahlung und ein Kollimator 21 vorgesehen.
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Das Target 5 ist wiederum an der einen Seite einer Basis 7 befestigt und gut Wärme leitend, beispielsweise durch Hartverlöten, mit der Oberfläche der Basis 7 verbunden.
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Anders als bei der Anordnung gemäß 1 ist bei der Anordnung 31 gemäß 2 jedoch kein massiver Stab vorhanden, der die Basis 7 trägt. Vielmehr ist stattdessen ein doppelwandiges Rohr 33 vorgesehen. Die Außenwand 34 des Rohres 33 ist an ihrem stirnseitigen Ende 36 (d. h. an einem Ende des Rohres 33, betrachtet in Richtung der Längsachse 45 des Rohres) flüssigkeitsdicht mit der Basis 7 verbunden, so dass eine in sich geschlossen umlaufende flüssigkeitsdichte Verbindung gebildet ist, wobei ”umlaufend” auf die zentrale Längsachse 45 des Rohres 33 bezogen ist.
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Insbesondere sind das Target 5 und die Basis 7 wiederum kreisscheibenförmig und erstreckt sich die flüssigkeitsdichte Verbindung daher entlang einer Kreislinie im Randbereich der aus Sicht des Targets 5 gegenüberliegenden Oberfläche der Basis 7.
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Wieder sind die Basis 7 und das Target 5 um eine Drehachse drehbar, die etwa senkrecht zu der Oberfläche des Targets 5 verläuft. In dem Ausführungsbeispiel ist die Drehachse identisch mit der zentralen Längsachse 45 des Rohres 33. Durch eine durch das Innenrohr 35 des Rohrs 33 gebildete Zuleitung kann Kühlflüssigkeit zu der Rückseite der Basis 7 zugeleitet werden. Dabei ist die Strömungsrichtung innerhalb der Zuleitung, d. h. innerhalb des Innenrohres 35, etwa parallel zu der Drehachse 45.
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An dem links unten in 2 dargestellten Ende des Innenrohres 35 befindet sich der Basis-Leitungsabschnitt der Flüssigkeitsleitung. Das Innenrohr 35 endet in einem Abstand von etwa 0,5 bis 2,0 mm von der Oberfläche der Basis 7 (siehe auch 3). In 3 ist die Strömungsrichtung innerhalb der Zuleitung durch zwei gerade Pfeile 51 bezeichnet. Dadurch, dass die Kühlflüssigkeit auf die Rückseite der Basis 7 auftrifft, lenkt die Basis 7 die Strömungsrichtung um (in 3 durch Pfeile 52 dargestellt). In dem Basis-Leitungsabschnitt an der Rückseite der Basis 7 können daher Turbolenzen auftreten. Wenn die Kühlflüssigkeit den Basis-Leitungsabschnitt verlässt, findet erneut eine Umlenkung statt und wird die erwärmte Kühlflüssigkeit (die Wärme von der Basis 7 aufgenommen hat) über den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr 35 und der Außenwand 34 des Rohres 33 abgeleitet (Pfeile 53 in 3). Die Ableitung hat daher z. B. die Form eines zylindrischen Raums, in dem ein zentraler Innenzylinder ausgespart ist, d. h. die Form eines Hohlzylinders.
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3 zeigt außerdem, dass das Target 5 über eine Schicht 6 mit der Basis 7 verbunden sein kann, die vorzugsweise eine Schicht aus Hartlot ist.
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Außerdem ist auch die Verbindung 8 zwischen der Basis 7 und der Außenwand 34 des Rohres 33 dargestellt, die ebenfalls durch Hartlot gebildet sein kann.
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Ferner zeigt 3 durch einen schräg von oben rechts nach unten links weisenden Pfeil 61 für ein Ausführungsbeispiel den Einfall von Elektronen auf das Target 5. Die Elektronen sind durch das Symbole dargestellt. Insbesondere bei Beschleunigungsspannungen von mehr als 100 kV dringen die Elektronen tief in das Target 5 ein, so dass sich z. B. der in 3 mit dem Bezugszeichen 63 bezeichnete Brennfleck ergibt, der etwa den Volumenbereich darstellt, in dem die Elektronen abgebremst werden und dabei die Röntgenstrahlung entsteht, wie durch Pfeile 65 angedeutet. Die dabei ebenfalls entstehende Wärme wird von dem Target 5 über die Schicht 6 auf die Basis 7 übertragen und breitet sich dort aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit in der gesamten Basis 7 aus. Außerdem wird die Wärme, wie bereits beschrieben, auf die Kühlflüssigkeit übertragen und von dieser abtransportiert.
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Die Basis besteht vorzugsweise aus 0,5 mm dickem Diamantmaterial, der durch CVD hergestellt wurde. Dabei wird die Dicke zwischen der Vorderseite der Basis 7, die dem Target 5 zugewandt ist, und der Rückseite der Basis 7 an der Stirnseite des Rohrs 33 gemessen.
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Um die Kühlflüssigkeit in die Zuleitung, d. h. in das Innenrohr 35 führen zu können und aus der Ableitung im Außenbereich des Rohres 33 abführen zu können, sind Flüssigkeitsanschlüsse 41, 43 vorgesehen (2). Der Anschluss 41 wird bei einer etwaigen Drehung des Rohres 33 um die Drehachse 45 nicht mitgedreht und ist flüssigkeitsdicht, z. B. über eine Ringdichtung 42, mit dem Innenrohr 35 verbunden.
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Dagegen kann der Anschluss 43, über den die Flüssigkeit aus dem Rohr 33 abgeführt wird, fest mit dem Außenbereich des Rohres 33 verbunden sein, wenn der Anschluss 43 oder eine damit verbundene Leitung aus formflexiblem Material gebildet sind.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Röntgenstrahlung. Hierbei wird die Strahlung im Transmissionsbetrieb erzeugt. Ein Elektronenstrahl 3 gelangt in der Darstellung von 4 von links durch eine Elektronenblende 9 in den Innenraum 14 der Anordnung. Dort werden die Elektronen auf einen Brennfleck des Targets 5 fokussiert. Wie auch bei den anderen Ausführungsformen der Anordnung kann das Target 5 aus Wolfram bestehen, ist vorzugsweise aber dünner als bei den Ausführungsformen für den Reflexionsbetrieb ausgestaltet. Beispielsweise liegt die Dicke des als Scheibe ausgestalteten Targets im Bereich von 5 bis 20 μm. Die Dicke hängt insbesondere davon ab, welche Schwächung der Röntgenstrahlung in dem Target selbst akzeptiert wird, wobei die Schwächung in der Art eines Spektralfilters spektral unterschiedlich ist. Außerdem ist die Beschleunigungsspannung der Elektronen zu berücksichtigen.
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In Verlängerung der Richtung, aus der die Elektronen eingestrahlt werden, befindet sich hinter dem Target 5 wiederum die Basis 7, die vorzugsweise aus Diamant besteht. Dabei kann das Target 5 direkt auf die rückwärtige Oberfläche der Basis 7 aufgebracht worden sein, z. B. durch CVD. Die rückwärtige Oberfläche ist in diesem Fall die Oberfläche der Basis 7, die dem Elektronenstrahl 3 zugewandt ist.
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Die vorderseitige (in 4 nach rechts) weisende Oberfläche der Basis 7 grenzt unmittelbar an den Basis-Leitungsabschnitt 76 an, d. h. die vorderseitige Oberfläche der Basis 7 bildet eine Wand der Basis-Leitungsabschnitts 76.
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Die Basis 7 und das daran befestigte Target 5 werden von einem Targethalter 70 gehalten. Dabei umfasst der Targethalter 70 die Basis 7 und das Target 5 teilweise, nämlich an deren Oberflächen, die sich etwa parallel zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls 3 erstrecken und teilweise an der rückwärtigen Oberfläche des Targets 5.
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Gemäß einer Ausführungsform kann auch der Targethalter 70 einen Teil der Wand des Basis-Leitungsabschnitts 76 und/oder der Zuleitung 75 und/oder Ableitung 77 des Basis-Leitungsabschnitts 76 bilden. In diesem Fall ist der Sitz der Basis 7 in der durch den Targethalter 70 gebildeten Umfassung vorzugsweise flüssigkeitsdicht ausgebildet. Dabei kann eine zusätzliche Dichtung (nicht dargestellt) zwischen dem Targethalter 70 und der Basis 7 angeordnet sein, beispielsweise eine O-Ringdichtung). Alternativ oder zusätzlich kann der Targethalter 70 beispielsweise mit Hartlot flüssigkeitsdicht an die Basis 7 angelötet sein.
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4 zeigt eine Variante, bei der der Sitz der Basis 7 in dem Targethalter 70 flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, wobei der Targethalter 70 durch eine Mehrzahl von Schrauben 79 die Basis 7 und das Target 5 in einer Richtung parallel zur Richtung des Elektronenstrahls 3 gegen die Flüssigkeitsleitung presst. Hierfür kann die Leitung eine entsprechende Aussparung ihrer Wand aufweisen, so dass die Basis 7 mittels der Schrauben 79 gegen einen Randbereich der Aussparung gepresst werden kann. Optional ist in dem Randbereich eine Dichtung, z. B. eine O-Ringdichtung, angeordnet, um den Sitz flüssigkeitsdicht auszugestalten.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsform wird die Kühlflüssigkeit über einen Anschluss 41 in die Zuleitung 75 der Anordnung geleitet, in eine Richtung parallel zu dem Elektronenstrahl 3 umgelenkt (Abschnitt 81 der Zuleitung), wiederum in Richtung senkrecht des Elektronenstrahls 3 in den Basis-Leitungsabschnitt 76 umgelenkt, nach dem Passieren der Basis 7 in einen Abschnitt 83 der Zuleitung umgelenkt, in dem die Kühlflüssigkeit antiparallel zu der Richtung des Elektronenstrahls 3 geführt wird, und von dort in den Endbereich der Ableitung 77 umgelenkt, in dem die Flüssigkeit wieder senkrecht zu der Richtung des Elektronenstrahls 3 geführt wird. An der Ableitung 77 ist ein Anschluss 43 zum Ableiten der Flüssigkeit aus der Anordnung angeschlossen. Der Abschnitt 81 kann als Teil der Zuleitung 75 betrachtet werden.
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Der Abschnitt 83 kann als Teil der Ableitung 77 betrachtet werden. Der für die Kühlflüssigkeit zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt ist in den Abschnitten 81, 83 größer als in dem Basis-Leitungsabschnitt 76. Daher ist die Strömungsgeschwindigkeit in dem Basis-Leitungsabschnitt größer als in den Abschnitten 81, 83, wodurch ein schneller Abtransport der von der Flüssigkeit in dem Basis-Leitungsabschnitt 76 aufgenommenen Wärme gewährleistet wird. Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit in dem Basis-Leitungsabschnitt 76 so eingestellt werden, dass die Strömung darin turbulent verläuft, so dass der Wärmeübergang von der Basis 7 auf die Flüssigkeit besser ist, als bei laminarer Strömung.
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Nachdem die in dem Target 5 erzeugte Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, sich etwa in Fortsetzung der Richtung des Elektronenstrahls 3 durch die Basis 7 und die Kühlflüssigkeit in dem Basis-Leitungsabschnitt 76 ausgebreitet hat, passiert sie ein Strahlungsfenster 71 der Anordnung und wird durch einen außenseitig des Strahlungsfensters 71 angeordneten Kollimator 73 kollimiert. Im Ergebnis kann der übliche Strahlungskegel erzeugt werden.
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Die Kühlflüssigkeit ist in allen Ausführungsformen beispielsweise Wasser oder ein Öl. In beiden Fällen kann die Kühlflüssigkeit Zusätze enthalten.
