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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Röntgentarget
zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung an einer Auftreffregion
eines Elektronenstrahles auf das Röntgentarget und insbesondere
auf ein Reflexionsröntgentarget mit dünner Röntgenquellschicht
hoher Ordnungszahl und einem Substrat niedriger Ordnungszahl.
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Röntgenstrahlen
besitzen nicht nur in der Medizintechnik eine herausragende Bedeutung,
sondern finden auch bei der Materialprüfung, z. B. hinsichtlich
der Feststellung von Defekten in Materialien, eine vielfältige
Anwendung. Röntgenstrahlung kann beispielsweise mittels
eines Elektronenstrahls erzeugt werden, der auf ein Target geschossen
wird, so dass die auftreffenden Elektronen unter Aussendung einer
Bremsstrahlung stark abgebremst werden und ihre verbleibende Energie
in Form von Wärme an das Target abgeben. Die Bremsstrahlung
weist ein kontinuierliches Spektrum auf, das von einem Niederenergiebereich
bis zu einem Hochenergiebereich reicht. Die hohe Strahlungsenergie
wird dadurch verursacht, dass die Elektronen bei dem plötzlichen
Auftreffen auf das Target innerhalb eines sehr kurzen Bereiches
abrupt abgebremst werden. Die Bremswirkung wird durch Wechselwirkung
der Elektronen mit den Atomen unter Aussendung von Röntgenstrahlung
(oder allgemein von Photonen mit der entsprechenden Energie) erreicht.
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Der
Winkel der ausgehenden Röntgenstrahlung hängt
dabei zum einen von der Energie der einstrahlenden Elektronen als
auch von dem Winkel unter welchem die Elektronen auf das Röntgentarget treffen
ab. Es ist dadurch möglich Röntgentargets sowohl
als Transmissionsröntgentarget als auch als Reflexionsröntgentarget
zu betreiben. Bei Transmissionstargets wird die Röntgenstrahlung,
die sich in Bewegungsrich tung der einfallenden Elektronen ausbreitet,
genutzt, währenddessen bei Reflexionsröntgentargets
die Röntgenstrahlung genutzt wird, welche sich von der
Oberfläche, auf der die Elektronenstrahlung auftrifft,
ausbreitet (in Reflexionsrichtung).
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Da
die einfallenden Elektronen ihre Energie als Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung)
und in Form von elastischen und unelastischen Stößen
an das Material abgeben und das Material aufheizen, sind die Röntgentargets
zumeist in einem Zweischichtensystem aufgebaut. In einer ersten
Schicht wird der Elektronenstrahl unter Aussendung der Röntgenstrahlung
abgebremst und in der zweiten Schicht erfolgt die Umwandlung der
verbleibenden kinetischen Energie der Elektronen in Wärmeenergie,
die dann möglichst effizient abzuleiten ist.
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Das
Betreiben des Röntgentargets in Transmissionsrichtung,
d. h. das Nutzen der Röntgenstrahlung, die sich in Richtung
des Elektronenstrahls ausbreitet, ist dahingehend nachteilig, dass
das Röntgentarget nur eine (nach oben) begrenzte Schichtdicke
aufweisen darf, da ansonsten die Röntgenstrahlung vollkommen
durch das Target absorbiert werden würde. Die nach oben
begrenzte Schichtdicke weist jedoch gleichzeitig eine stark eingeschränkte
Wärmeaufnahmefähigkeit und Wärmeableitfähigkeit
auf. Das führt zu einer erheblichen Aufheizung des Röntgentargets.
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Gerade
bei der Erzeugung einer hochintensiven Röntgenstrahlung,
die beispielsweise durch einen hochintensiven Elektronenstrahl,
welcher auf die Röntgenröhre trifft, erzeugt werden
kann, ist es jedoch wichtig, dass die dadurch zusätzlich
erzeugte Wärmemenge effizient abgeleitet wird, damit das
Material des Röntgentargets nur einer begrenzten thermischen
Belastung ausgesetzt ist. Da die Elektronen ihre kinetische Energie überwiegend
in Wärme abgeben und nur einen kleinen Prozentbereich (beispielsweise
ca. 1%) in Form von Bremsstrahlung abgeben, wird eine große
Wärmemenge während des Betriebes der Röntgenröhre
erzeugt. Wenn also eine Zunahme der Leistung der Röntgenstrahlung
durch eine Erhöhung der Leistung des Elektronenstrahles erreicht
wird, führt dies gleichzeitig zu einer deutlichen Erhöhung
der Wärmemenge, die von dem Röntgentarget bzw.
der Röntgenröhre abzuleiten ist. Andererseits
darf das Röntgentarget, wenn es in Transmissionsrichtung
betrieben werden soll, wie oben bereits erwähnt nur eine
begrenzte Dicke (Maximalschichtdicke) aufweisen, damit die Röntgenstrahlung
nicht oder kaum durch das Röntgentarget absorbiert wird.
Somit erfordern diese konventionellen Röntgentargets stets
einen Kompromiss hinsichtlich der Dimensionierung des Röntgentargets.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Röntgentarget zu schaffen, das eine
großvolumige Verteilung und damit eine effiziente Ableitung der
durch die Elektronenstrahlung verursachten Wärme ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Röntgentarget nach Anspruch 1, einer
Verwendung nach Anspruch 12, einer Röntgenröhre
nach Anspruch 13 und ein Verfahren zur Herstellung nach Anspruch
15 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, ein Röntgentarget
durch ein Substrat und einer darauf ausgebildeten Röntgenquellschicht zu
schaffen, wobei das Substrat eine Mindestdicke aufweist. Die Mindestdicke
ist gewählt, um die Wärmemenge, die durch die
auf das Röntgentarget auftreffende Elektronenstrahlung
verursacht wird, effizient abzuleiten. Die Mindestschichtdicke des
Substrats kann entlang der Flächennormale zu der Fläche, auf
die die Elektronenstrahlung auftrifft, gemessen zumindest 1 cm oder
zumindest 2 cm betragen. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung
die Erkenntnis zugrunde, dass das so geschaffene Röntgentarget im
Reflexionsbetrieb und die Strahlung in einen kleinen Targetwinkel
verwendet wird (der zu 90° komplementäre Winkel
zwischen der Flächennormalen der Röntgenquellschicht
und der abgestrahlten Röntgenstrahlung).
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfasst somit ein Röntgentarget
zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung an einem Auftreffpunkt
(oder Auftreffregion) eines Elektronenstrahls auf das Röntgentarget,
wobei das Röntgentarget eine Röntgenquellschicht
und ein Substrat aufweist und die Röntgenquellschicht auf
dem Substrat ausgebildet ist und das Substrat ferner eine Schichtdicke
an dem Auftreffpunkt von zumindest 1 cm aufweist. Die Röntgenquellschicht
weist dabei ein Material auf, dessen Ordnungszahl größer
ist als die Ordnungszahl eines Substratmaterials.
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Das
2-schichtige Röntgentarget kann dahingehend optimiert werden,
dass bei Anregungsenergien zwischen 30 keV und 100 keV in Reflexionsrichtung
möglichst viele Photonen (möglichst intensive Röntgenstrahlung)
bei einer thermischen Grenzbelastung des Targets (Röntgentarget)
erzeugt werden. Der Durchmesser des optischen Brennfleckes liegt dabei
beispielsweise zwischen 1 μm und 1.000 μm oder
zwischen 50 μm und 500 μm oder zwischen 100 μm
und 300 μm.
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Die
Röntgenquellschicht (obere Schicht, auf die die Elektronenstrahlung
auftrifft) weist als Material höherer Ordnungszahl beispielsweise
Wolfram auf. In dieser Schicht wird die Röntgenstrahlung
erzeugt, während in der unteren Schicht, dem Substrat, die
Elektronen ihre Restenergie als Wärme an den Festkörper
abgeben.
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Physikalischer
Hintergrund, ein geschichtetes Target zu verwenden, ist der Zusammenhang
zwischen der Art der Wechselwirkungen, über welche die
Elektronen in dem Elektronenstrahl ihre Energie in ein Material
verlieren, wobei die Wechselwirkung insbesondere von der kinetischen
Energie der Elektronen E und der Ordnungszahl Z des Materials abhängt.
Für den Energieverlust durch Bremsstrahlung gilt allgemein
folgender qualitative Zusammenhang (numerische Faktoren sind weggelassen): dEBrems ∝ Z·E
ln E
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Die
verbleibende Energie, d. h. jene Energie, die die Elektronen nicht
in Form von Photonen (Bremsstrahlung) abgeben, wird als Wärme
im Targetmaterial umgesetzt. Eine möglichst hohe Abgabe von
Röntgenstrahlung wird somit bei einer möglichst hohen
Ordnungszahl des Targetmaterials und bei einer hohen kinetischen
Energie der Elektronen erreicht.
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Um
eine möglichst effiziente Umsetzung der Energie des Elektronenstrahles
in Röntgenstrahlung zu erreichen, ist es sehr wichtig,
das Material der Röntgenquellschicht als auch das Material
des Substrats geeignet zu wählen. Kriterien bei der Materialwahl
für die Röntgenquellschicht sind beispielsweise:
- – Hohe Ordnungszahl,
- – Hoher Schmelzpunkt und
- – Hohe Wärmeleitfähigkeit.
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Allerdings
ist der Anteil der Energie, die in Röntgenstrahlung umgesetzt
wird, im Allgemeinen sehr niedrig. Selbst bei einer Verwendung von
Wolfram als Target (Röntgenquellschicht) und bei einer Energie
für den Elektronenstrahl von 100 keV wird beispielsweise
etwa nur 1% der Energie in Röntgenstrahlung umgesetzt,
so dass die verbleibenden 99% in Wärmeenergie umgesetzt
werden und folglich die Anode, als die das Röntgentarget
in einer Röntgenröhre im Allgemeinen dient, die
verbleibende Energie des Elektronenstrahls aufnimmt und sich dadurch stark
erhitzt. Aus diesem Grund ist die Erhöhung der Leistung
der Röntgenstrahlung durch eine Erhöhung der Leistung
des Elektronenstrahls nur begrenzt möglich (wegen der enormen
zusätzlich produzierten Wärmemenge).
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Aufgrund
der hohen Ordnungszahl ist die (Röntgen) Strahlerzeugung
in der Röntgenquellschicht effizient, jedoch wird die erzeugte
Wärme auf ein sehr geringes Volumen deponiert. Die Dicke
der Röntgenquellschicht wird demnach so gewählt,
dass Elektronen, die einen Teil ihrer kinetischen Energie verloren
haben und somit eine geringe Wahrscheinlichkeit aufweisen, weitere
Röntgenstrahlung zu erzeugen, diese Schicht wieder verlassen.
Die verbleibende oder restliche Energie wird dann im Substrat deponiert.
Die Wärmedepositionsdichte im Substrat ist im Vergleich
zur Wärmedepositionsdichte in der Röntgenquellschicht,
die wie gesagt beispielsweise Wolfram aufweist, um einen Faktor
von 3–30 oder 5–10 geringer, wodurch das Substrat
deutlich weniger erwärmt wird (die Wärmemenge
wird auf größeres Volumen verteilt oder abgeleitet).
Dies wird durch eine kleine Ordnungszahl des Substrats realisiert. Darüber
hinaus dient das Substrat dazu, die Wärme von der Röntgenquellschicht
schnell zu einem Kühlboden abzuführen.
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Kriterien
bei der Materialwahl für das Substrat sind somit:
- – Niedrige Ordnungszahl,
- – Hoher Schmelzpunkt und
- – Hohe Wärmeleitfähigkeit.
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Beispielsweise
sind Kohlenstoffkonfigurationen, wie z. B. Graphit oder Diamant,
als Materialien geeignet.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung
des Röntgentargets im Reflexionsbetrieb – anstatt
im Transmissionsbetrieb, wie es in dem oben beschriebenen Stand
der Technik verwendet wird. Vorteil des Reflexionsbetriebes ist,
dass das Substrat im Prinzip beliebig dick sein kann, um möglichst
viel Wärme aufzunehmen. Zudem können an der dem
Elektronenstrahl abgewandten Seite des Substrats effiziente Kühlmechanismen
realisiert werden (z. B. Kühlboden, Kupferplatte, etc.).
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Ferner
sind durch kleine Targetwinkel bei Reflexion zudem sehr kleine Brennflecken
bei größeren elektrischen Brennflecken möglich.
Dies bedeutet, dass im Reflexionsbetrieb der Elektronenstrahl nicht auf
einen Punkt fokussiert zu werden braucht und trotzdem eine weitestgehende
Fokussierung der Röntgenstrahlung innerhalb kleiner Winkelabweichungen
möglich wird.
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Wie
oben beschrieben, führt die Elektronenstrahlung während
des Betriebs dazu, dass sich das Röntgentarget während
des Betriebs stark aufheizt, wobei die Röntgenquellschicht
deutlich warmer wird als das darunter befindliche Substrat. Um die
Röntgenquellschicht zu schützen (Verhindern des Schmelzens),
sollte die Röntgenquellschicht nicht zu dick gewählt
sein, so dass ein großer Anteil der Energie des Elektronenstrahls
in Form von Wärme an das darunter liegende Substrat abgegeben
wird und die Röntgenquellschicht im Wesentlichen der Erzeugung der
Röntgenstrahlung dient, nicht jedoch der Umwandlung der
kinetischen Energie der Elektronen in Wärmeenergie. Die
Dicke der Röntgenquellschicht kann beispielsweise derart
gewählt werden, dass der Wärmeeintrag in die Röntgenquellschicht
maximal 20% der gesamten in der Anode (Röntgentarget) deponierten
Wärme beträgt. Dies bedeutet, dass der große
Anteil der Energie, die in Form von Wärme an das Substrat
abgegeben wird, zumindest 80% betrage sollte.
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Um
effizient den Reflexionsbetrieb zu gewährleisten, ist das
Röntgentarget bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung zum einen keilförmig gebildet, so dass die Elektronenstrahlen
in einem spitzen Winkel auf das Röntgentarget auftreffen
und zum anderen kann das Substrat auf einen darunter befindlichen
Kühlboden ausgebildet sein. Der Kühlboden kann
beispielsweise eine Kupferplatte aufweisen, die effizient Wärme
transportieren kann.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Röntgentargets gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A,
B Draufsichten auf die Röntgenquellschicht mit markiertem
elektrischem Brennfleck;
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3 eine
Querschnittsansicht durch das Röntgentarget zur Veranschaulichung
der geometrischen Abmaße des Substrats;
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4 eine
Querschnittsansicht durch das Röntgentarget und der kegelförmig
erzeugten Röntgenstrahlung;
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5 eine
Querschnittsansicht durch das Röntgentarget mit einem großen
elektrischen Brennfleck; und
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6 eine
Querschnittsansicht durch eine Röntgenröhre mit
dem Röntgentarget gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bezüglich
der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei
den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder
gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen
und somit die Beschreibung dieser Funktionselemente in den verschiedenen
Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht durch das Röntgentarget, wobei
Röntgenstrahlung 110 durch einen Elektronenstrahl,
der in einem Einfallswinkel α auf eine Röntgenquellschicht 130 auftrifft und
die Röntgenquellschicht auf einem Substrat 140 ausgebildet
ist. Der Einfallwinkel α wird dabei relativ zu einer Flächennormale 150 ermittelt,
wobei die Flächennormale 150 an dem Auftreffpunkt
M der Elektronenstrahlung 120 auf die Röntgenquellschicht 130 ermittelt
worden ist. Die durch den Elektronenstrahl 120 erzeugte
Röntgenstrahlung 110 wird dabei nahezu gleichmäßig
in allen Richtungen ausgehend von dem Auftreffpunkt M erzeugt. Die
genutzte Röntgenstrahlung 110 bildet einen Kegel.
Der Öffnungswinkel des Kegels wird definiert durch die
Größe des Austrittsfensters und den Abstand des
Austrittsfensters (oder einer Blende) zum Auftreffpunkt M.
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Bei
der Erzeugung der Röntgenstrahlung dringen die Elektronen
des Elektronenstrahls 120 zunächst in die Röntgenquellschicht 130 ein,
werden dort unter Aussendung der Bremsstrahlung abgebremst, wobei
die Bremsstrahlung als Röntgenstrahlung 110 von
der Röntgenquellschicht 130 ausgesandt wird. Die
Bremsstrahlung weist ein kontinuierliches Spektrum mit einem hochenergetischen
Röntgenanteil auf. Die verbleibende kinetische Energie der
Elektronen wird in Form von Wärme zumeist an das Substrat 140 abgegeben.
Um die in das Substrat 140 eingedrungenen Elektronen schließlich
abzuleiten, kann das Substrat 140 ferner einen Anschluss aufweisen
(in der Figur nicht gezeigt).
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Das
Substrat 140 ist dabei derart ausgebildet, dass Röntgenstrahlung 110 im
Wesentlichen nur als Reflexionsstrahlen von der Röntgenquellschicht 130 aus
gesendet werden – nicht jedoch als Transmissionsstrahlen
das Substrat 140 passieren. Das Betreiben des Röntgentargets
im Reflexionsbetrieb ermöglicht es, das Substrat 140 ausreichend
dick (in Ein strahlrichtung) zu gestalten, so dass die dort erzeugte
Wärme effizient abgeführt werden kann. Beispielsweise
kann die Schichtdicke D des Substrats 140 – gemessen
entlang der Flächennormale 150 – einen
Wert aufweisen, der zumindest 1 cm oder zumindest 1,5 cm oder zumindest
2 cm beträgt.
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2A und 2B zeigen
Draufsichten auf die Röntgenquellschicht 130,
wobei der Auftreffpunkt M der Röntgenstrahlen 120 als
geometrischer Mittelpunkt gezeigt ist. Der Auftreffpunkt M kann
jedoch ebenfalls von dem geometrischen Mittelpunkt der Oberfläche,
die dem Elektronenstrahl 120 zugewandt ist, abweichen und
in einem Gebiet G gelegen sein. Um ein „Einbrennen" (lokales
Schmelzen) zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, den Elektronenstrahl nicht
auf einen Punkt zu fokussieren und stattdessen den Elektronenstrahl
auf das Gebiet G oder einen Teil des Gebiets G zu verteilen, so
dass ein größerer elektrischer Brennfleck gebildet
wird. Alternativ kann der Elektronenstrahl ebenfalls in dem Gebiet
G wandern, so dass es zu einer gleichmäßigen Aufheizung des
Gebietes G kommt und nicht ein bestimmter Punkt besonders stark
aufgeheizt wird.
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In 2A ist
das Gebiet G als ein Kreis dargestellt, der konzentrisch um den
geometrischen Mittelpunkt M angeordnet ist. Der geometrische Mittelpunkt
M kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass die Summe der
mittleren Abstandsquadrate zu allen Punkten auf der Oberfläche
der Röntgenquellschicht 130 minimiert wird. Im
einfachen Fall eines Rechtecks oder eines Kreises kann der geometrische
Mittelpunkt durch den Schnittpunkt der Diagonalen von gegenüberliegenden
Eckpunkten ermittelt werden. Es ist ebenfalls möglich,
dass das Gebiet G entweder die gesamte Oberfläche der Röntgenquellschicht 130 oder
auch nur einen Teil der Röntgenquellschicht 130 umfasst.
Beispielsweise kann das Gebiet G zumindest 5% oder höchstens
70% oder einen Wert zwischen 20% und 60% der Fläche der Röntgenquellschicht 130 umfassen.
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In 2B ist
das Gebiet G durch ein einfaches Skalieren der Oberfläche
der Röntgenquellschicht 130 erhalten, wobei die
Oberfläche der Röntgenquellschicht 130 wiederum
eine rechteckige (oder quadratische) Form aufweist. Die Skalierung erfolgt
dabei durch einen Skalenfaktor, um den die Fläche der Röntgenquellschicht 130 zu
dem geometrischen Mittelpunkt M hin verkleinert wird. Der Skalierungsfaktor
kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 1,5 und 10 liegen.
Andere Ausgestaltungen für das Gebiet G sind ebenfalls
möglich und es kann vorteilhaft sein, das Gebiet G möglichst
groß zu wählen, so dass die Röntgenquellschicht 130 durch
den Elektronenstrahl möglichst gleichmäßig
belastet wird.
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3 zeigt
wiederum eine Querschnittsansicht durch das Röntgentarget,
wobei das Gebiet G, auf das der Elektronenstrahl 110 auf
die Röntgenquellschicht 130 auftrifft, zentriert
angeordnet ist. In der in 3 gezeigten
Querschnittsansicht erscheint das Gebiet G somit als ein Linienabschnitt
zwischen einem ersten Randpunkt Ma mit einer ersten Flächennormalen 150a und
einem zweiten Randpunkt Mb mit einer zweiten Flächennormalen 150b,
wobei die Flächennormalen sich wiederum auf die Oberfläche
der Röntgenquellschicht 130 beziehen. Die erste und
zweite Flächennormale 150a und 150b sind durch
das Substrat 140 mit einer ersten Hauptoberfläche 142 und
einer zweiten Hauptoberfläche 144 durchgezeichnet,
wobei die Röntgenquellschicht 130 auf der ersten
Hauptoberfläche 142 ausgebildet ist.
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Die
erste Flächennormale 150a weist eine erste Länge
Da, die entlang der ersten Flächennormale 150a zwischen
der ersten und zweiten Hauptoberfläche 142 und 144 gemessen
wird, auf. In analoger Weise weist die zweite Flächennormale 150b eine
zweite Länge Db für einen Abschnitt, der sich
innerhalb des Substrats 140 erstreckt auf. In dem in der 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel weisen somit alle Flächennormalen,
die in dem Gebiet G eingezeichnet werden können, Abstände
zwischen der ersten und zweiten Hauptober fläche 142 und 144 auf,
die zwischen der ersten Länge Da und der zweiten Länge
Db liegen.
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Bei
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist der
beschriebene Längenbereich der Flächennormalen
derart gewählt, dass der Minimalwert (= erste Länge
Da in der 3) zumindest einen Wert von
1 cm aufweist oder zumindest einen Wert von 2 cm aufweist.
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Ferner
ist in 3 um den ersten Randpunkt Ma ein Kreis K gezeichnet,
wobei der Kreis K einen Radius R aufweist, der so gewählt
ist, dass der Kreis K die zweite Hauptoberfläche 144 des
Substrats 140 berührt, diese jedoch nicht durchschneidet.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist das Substrat 140 so gewählt,
dass für alle Auftreffpunkte M in dem Gebiet G die jeweiligen
Radien einen Wert aufweisen, der zumindest 1 cm oder vorzugsweise
zumindest 2 cm aufweist (d. h. in 3 gilt R > 1 cm oder R > 2 cm). Das Gebiet
G kann, wie bei der 2 erläutert,
einen Teil der ersten Hauptoberfläche 142 umfassen
oder auch die gesamte erste Hauptoberfläche 142 umfassen.
Somit ist das Substrat 140 derart gewählt, dass es
eine Schichtdicke aufweist, die einen Mindestwert überschreitet.
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht durch ein Röntgentarget mit dem
Substrat 140 und der Röntgenquellschicht 130,
auf die der Elektronenstrahl 120 auftrifft und in einem
Targetwinkel β Röntgenstrahlung 110 kegelförmig
aussendet, wobei die Kegelspitze den Auftreffpunkt M der Elektronenstrahlung 120 auf
die Röntgenquellschicht 130 ist. Der Targetwinkel β ist
somit der zu 90° komplementäre Winkel zwischen
der Flächennormale an dem Auftreffpunkt M und der Achse
des Kegels, den die erzeugt Röntgenstrahlung 110 aufspannt.
Sofern die Röntgenstrahlung 110 in einem rechten
Winkel von der Richtung des Elektronenstrahls abgestrahlt wird gilt somit,
dass der Einfallswinkel α gleich dem Targetwinkel β ist
(β = α).
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Ferner
weist das Ausführungsbeispiel, wie es in 4 gezeigt
ist, eine Blende 160 auf, die einen Teil der Röntgenstrahlung 110 ausblendet.
Damit wird es möglich, dass die Röntgenstrahlung 110 nur in
einem gerichteten Bereich aus der Röntgenröhre austritt
und sich nicht unkontrolliert in einem darum befindlichen Raum ausbreiten
kann. Darüber hinaus kann die Blende ebenfalls dazu genutzt
werden, um durch eine entsprechende Wahl der Blende 160 die austretende
Intensität der Röntgenstrahlung 110 zu beeinflussen
(die Energie- und Intensitätsverteilung der Bremsstrahlung
ist winkelabhängig).
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Bei
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
erste Hauptoberfläche 142 relativ zu der zweiten
Hauptoberfläche 144 des Substrats 140 um einen
Neigungswinkel γ geneigt, so dass das Röntgentarget
eine keilförmige Struktur aufweist. Bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel, bei dem der Elektronenstrahl 120 senkrecht
zur zweiten Hauptoberfläche 144 einfällt
ist der Neigungswinkel γ auch gleichzeitig der Einfallwinkel α (α = γ),
mit der Elektronenstrahl 120 auf die Röntgenquellschicht 130 auftrifft. Bei
anderen Ausführungsbeispielen braucht dies jedoch nicht
der Fall zu sein. Der Neigungswinkel γ kann beispielsweise
größer als 0° oder größer
als 5° sein oder in einem Bereich zwischen 0° und
30° liegen. Die Röntgenstrahlung wird wiederum
in einen Targetwinkel β abgestrahlt (gemessen von einer
Tangente an die Röntgenquellschicht 130).
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Die
Form des Röntgentarget kann bei weiteren Ausführungsbeispielen
anders gewählt sein, so dass neben der keilförmigen
Anordnung (oder trapezförmigen Ausgestaltung) auch andere
Formen möglich sind – z. B. dass die erste Hauptoberfläche 142 parallel
zur zweiten Hauptoberfläche 144 ist oder aber
dass die erste Hauptoberfläche 142 nicht linear im
Vergleich zur zweiten Hauptoberfläche 144 ausgebildet
ist (z. B. parabolisch).
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5 zeigt
wiederum eine Querschnittsansicht des Röntgentargets, wobei
die Elektronenstrahlung 120 in der 5 über
einen elektrischen Brennfleck B auf der Röntgenquellschicht 130 aufgefächert ist
und der so aufgefächerte Elektronenstrahl 120 durch
einen ersten Elektronenstrahl 120a und einen zweiten Elektronenstrahl 120b in
der Querschnittsansicht von 5 begrenzt
wird. In der gezeigten Querschnittsansicht ist somit der aufgefächerte
Elektronenstrahl 120 durch einen ersten Randpunkt Ma und einen
zweiten Randpunkt Mb begrenzt, die wiederum Ausgangspunkt für
die erzeugte Röntgenstrahlung 110 sind. Somit
werden an dem ersten Randpunkt Ma erste kegelförmig aufgespannte
Röntgenstrahlen 110a erzeugt, und ebenso werden
an dem zweiten Randpunkt Mb zweite kegelförmig aufgespannte Röntgenstrahlen 110b erzeugt.
Wie die 5 zeigt, ist die Röntgenstrahlung 110a und 110b,
die von einem Röntgen-Brennfleck Δ aufgespannt
wird, währenddessen die einfallende Elektronenstrahlung 120 einen
elektrischen Brennfleck B auf der Röntgenquellschicht 130 bildet.
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Der
Röntgen-Brennfleck Δ ist dabei im Wesentlichen
von dem Neigungswinkel γ abhängig, d. h. bei einen
kleineren Neigungswinkel γ verringert sich auch der Röntgen-Brennfleck Δ für
gleich bleibenden elektrischen Brennfleck B der einfallenden Elektronenstrahlung 120.
Das bietet den Vorteil, dass bei Röntgentargets gemäß der
vorliegenden Erfindung der Röntgen-Brennfleck Δ,
sich nicht wesentlich vergrößert, wenn der Elektronenstrahl 120 aufgefächert wird
und der Elektronenstrahl 120 sich über einen elektrischen
Brennfleck B verteilt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Röntgenquellschicht 130 sich weniger
aufheizt, da die Elektronen über ein größeres
Gebiet auf die Röntgenquellschicht 130 auftreffen können
und nicht auf einen engen Raum fokussiert zu werden brauchen.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine Röntgenröhre
mit einem Röntgentarget gemäß der vorliegenden
Erfindung. Elektronen werden von einer Kathode 180 freigesetzt
und zum Röntgentarget, das die Röntgenquellschicht 130 mit
dem Substrat 140 aufweist und als Anode dient, als der
Elektronenstrahl 120 beschleunigt. Die Elektronen können
optional durch seitliche Ablenkelektroden 182a und 182b derart
fokussiert werden, dass sie die Röntgenquellschicht 130 in
dem Gebiet G treffen bzw. über einen elektrischen Brennfleck
B auf der Röntgenquellschicht 130 fokussiert werden.
Die in der Röntgenquellschicht 130 erzeugte Röntgenstrahlung 110 verlässt
die Röntgenquellschicht 130 von der dem Elektronenstrahl 120 zugewandten
Seite und verlässt durch eine Blende 160 die Röntgenröhre.
Die Röntgenröhre weist ferner einen Kühlboden 170 und
ein Gehäuse 190 auf, wobei der Kühlboden 170 ausgebildet
ist, das Röntgentarget entlang der zweiten Hauptoberfläche 144 zu
fixieren und die in dem Substrat 140 erzeugte Wärme
aufzunehmen und abzuleiten.
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Der
Kühlboden 170 kann beispielsweise durch einen
Kupferblock gebildet sein oder ein anderes Material aufweisen, das
einen effizienten Wärmetransport als auch ein Ableiten
der in das Substrat 140 eingedrungenen Elektronen sicherstellt.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Dicke des Substrats 140 derart
gewählt sein, dass ein Restteil der kinetischen Energie
der Elektronen in dem Kühlboden 170 abgegeben
wird, so dass ein Abbremsen der Elektronen wie folgt erfolgen kann: über
die Bremsstrahlung in der Röntgenquellschicht 130,
einer ersten thermischen Abkühlung der Elektronen in dem
Substrat 140 und in einer abschließenden thermischen
Abkühlung der Elektronen in dem Kühlboden 170.
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Für
die verschiedenen Winkel können beispielhaft die folgenden
Bereiche gewählt werden. Der Einfallwinkel α kann
beispielsweise in einem Bereich zwischen 0° und 70° oder
zwischen 5° und 45° oder zwischen 10° und
30° liegen. Der Neigungswinkel γ kann beispielsweise
in einem Bereich zwischen 0° und 70° oder zwischen
5° und 45° oder zwischen 10° und 30° liegen.
Der Targetwinkel β kann beispielsweise in einem Bereich
zwischen 0° und 70° oder zwischen 5° und
45° oder zwischen 10° und 30° liegen.
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Zusammenfassend
beschreibt die vorliegende Erfindung ein geschichtetes Röntgenröhrentarget, welches
die genutzte Röntgenstrahlung 120 in Reflexionsrichtung
abstrahlt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist das
Röntgenröhrentarget oder einfach Röntgentarget
zwei Schichten aus unterschiedlichem Material auf, wobei die dem
Elektronenstrahl 120 zugewandte Schicht (Röntgenquellschicht 130) aus
einem Material hoher Ordnungszahl besteht, währenddessen
die dem Elektronenstrahl abgewandte Schicht (Substrat 140)
ein Material mit niedriger Ordnungszahl aufweist. Beispielsweise
kann das Material der Röntgenquellschicht 130 eine
Ordnungszahl aufweisen die größer ist als (oder
zumindest doppelt so groß ist wie) die Ordnungszahl des Materials
des Substrats 140.
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Beispielsweise
kann die Röntgenquellschicht folgende Materialien aufweisen:
Molybdän (Mo), Rhodium (Rh), Wolfram (W), Rhenium (Re), Platin
(Pt), Gold (Au). Das Substrat 140 kann beispielsweise folgende
Materialien aufweisen: Beryllium, Graphit, Diamant, Siliziumcarbid
etc.
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Die
Dicke der Röntgenquellschicht 130 soll dabei ausreichend
klein sein, so dass höchstens 20% der in der Anode deponierten
Wärme in die Röntgenquellschicht 130 deponiert
wird. Die Dicke der Röntgenquellschicht 130 kann
beispielsweise ebenfalls durch den Energiebereich des Elektronenstrahls 120 bestimmt
werden (je höher der Energiebereich des Elektronenstrahls 120 desto
dicker sollte die Röntgenquellschicht 130 gewählt
sein). Andererseits soll das Substrat 140 so dick sein,
dass die dem Elektronenstrahl 120 abgewandte Fläche
des Substrats 140 (Kühlboden) auf Raumtemperatur
gehalten werden kann. Die entsprechenden Werte für die
Dicken können beispielsweise für einen Elektronenstrahl 120 mit einer
Energie zwischen 30 keV und 100 keV bestimmt werden. Entsprechende
Messungen zu Bestimmung der Schichtdicken können beispielsweise in
einem stationären Betrieb der Röntgenröhre
(in dem die Röntgenröhre und insbesondere das
Röntgentarget ihre Betriebstemperaturen erreicht haben) vorgenommen
werden.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2729833 [0005]
- - US 2090636 [0005]
- - US 3894239 [0005]
- - EP 0584871 [0005]
- - DE 102005018342 A1 [0005]
- - EP 0432568 [0005, 0005]