DE102011007215A1

DE102011007215A1 - An electron source for generating an electron beam and an X-ray source for generating X-radiation

Info

Publication number: DE102011007215A1
Application number: DE102011007215A
Authority: DE
Inventors: Reiner Franz Schulz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-10-18
Also published as: WO2012139872A2; WO2012139872A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle (1) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (23), in der ein erster Elektronenemitter (20) zur Erzeugung von Elektronen und zumindest ein zweiter Elektronenemitter (21) zur Erzeugung von Elektronen angeordnet sind, wobei der erste Elektronenemitter (20) und der zumindest eine zweite Elektronenemitter (21) alternativ betreibbar ausgestaltet sind. Zusätzlich ist bei der Elektronenquelle (1) wenigstens eine Vorrichtung zur Fokussierung der Elektronen des ersten Elektronenemitters (20) und des zumindest einen zweiten Elektronenemitters (21) vorgesehen, wobei durch die wenigstens eine Vorrichtung zur Fokussierung der Elektronen der gebildete Elektronenstrahl (22) des ersten Elektronenemitters (20) und der gebildete Elektronenstrahl (22) des zumindest einen zweiten Elektronenemitters (21) auf eine gemeinsame Fokussierfläche (23) gerichtet werden können. Ferner betrifft die Erfindung eine Röntgenquelle (100), wobei die Röntgenquelle (100) eine Elektronenquelle (1) und eine Anode (24) aufweist, wobei die Elektronenquelle (1) derart ausgebildet ist.The invention relates to an electron source (1) for generating an electron beam (23), in which a first electron emitter (20) for generating electrons and at least a second electron emitter (21) for generating electrons are arranged, wherein the first electron emitter (20). and the at least one second electron emitter (21) are configured alternatively operable. In addition, in the electron source (1) at least one device for focusing the electrons of the first electron emitter (20) and the at least one second electron emitter (21) is provided, wherein by the at least one device for focusing the electrons of the formed electron beam (22) of the first Electron emitter (20) and the formed electron beam (22) of the at least one second electron emitter (21) can be directed to a common focusing surface (23). Furthermore, the invention relates to an X-ray source (100), wherein the X-ray source (100) has an electron source (1) and an anode (24), wherein the electron source (1) is formed in this way.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Röntgenquelle.The invention relates to an electron source for generating an electron beam according to the preamble of independent claim 1. Furthermore, the invention relates to an X-ray source.

Elektronenquellen werden vielfältig in verschiedensten Bereichen verwendet, bei denen freie Elektronen beziehungsweise ein Strahl von Elektronen benötigt werden. Beispielhaft sind hier Bildröhren für Computerbildschirme und Fernseher, Röntgenröhren und Elektronenrastermikroskope zu nennen. Eine gängige Technik, um in einer Elektronenquelle die Elektronen frei zu setzen, sind Elektronen-Emitter, die zum Beispiel durch Glühemission und/oder Feldemission Elektronen freisetzen können. Diese freigesetzten Elektronen können innerhalb der Elektronenquelle durch elektromagnetische Felder gesammelt, gebündelt und/oder beschleunigt werden, so dass die Elektronen die Elektronenquelle als gerichteter Strahl verlassen.Electron sources are widely used in various fields where free electrons or a beam of electrons are needed. By way of example, picture tubes for computer screens and televisions, x-ray tubes and scanning electron microscopes are to be mentioned here. A common technique for releasing the electrons in an electron source are electron emitters that can release electrons, for example, by annealing emission and / or field emission. These released electrons can be collected, bundled and / or accelerated within the electron source by electromagnetic fields, so that the electrons leave the electron source as a directed beam.

Ein Beispiel für die Anwendung eines solchen Elektronenstrahls stellt zum Beispiel eine Röntgenröhre dar, in der der Elektronenstrahl auf eine Anode geleitet wird, wodurch Röntgenstrahlung entsteht. Diese Röntgenstrahlung kann vielfältig eingesetzt werden, zum Beispiel um Materie zu untersuchen. So können zum Beispiel für medizinische Untersuchungen Menschen und Tiere mit dieser Röntgenstrahlung bestrahlt werden. Auch das Durchleuchten von Gepäckstücken, beispielweise bei Sicherheitskontrollen an Flughäfen oder die Durchleuchtung von ganzen Containern, zum Beispiel in Häfen oder Verladebahnhöfen, kann mit Röntgenstrahlung durchgeführt werden.An example of the use of such an electron beam is, for example, an X-ray tube, in which the electron beam is directed onto an anode, whereby X-ray radiation is produced. This X-ray radiation can be used in many ways, for example to study matter. For example, for medical examinations, humans and animals can be irradiated with this X-ray radiation. The examination of baggage items, for example in security checks at airports or the screening of whole containers, for example in ports or loading yards, can be carried out with X-rays.

Bei all diesen Anwendungen ist es von Vorteil, wenn die Strahlungsquelle, insbesondere die Elektronenquelle, eine hohe Lebensdauer und Wartungsfreundlichkeit, insbesondere Wartungsfreiheit, aufweist. Insbesondere bei Elektronenquellen, bei denen ein Austausch nicht ohne Weiteres möglich ist, ist eine hohe Lebensdauer und eine hohe Wartungsfreundlichkeit von Vorteil. Beispielhaft sind hier Messgeräte zu nennen, die den Fluss von Gas-Öl-Gemischen in Rahmen einer Erdgas- und Erdölförderung analysieren. Zum Einen werden derartige Messgeräte zum Teil kontinuierlich betrieben, wodurch sie stark belastet werden. Zum Anderen werden diese Messgeräte auch unter Wasser, insbesondere auf dem Meeresgrund eingesetzt. Ein Austausch einer defekten Elektronenquelle ist bei einem derartigen Messgerät nur unter extrem großen Aufwand möglich.In all these applications, it is advantageous if the radiation source, in particular the electron source, has a long service life and ease of maintenance, in particular freedom from maintenance. Especially with electron sources, in which an exchange is not readily possible, a long service life and a high ease of maintenance is advantageous. By way of example, measuring devices should be mentioned here which analyze the flow of gas-oil mixtures as part of natural gas and crude oil production. On the one hand, such measuring devices are partly operated continuously, whereby they are heavily loaded. On the other hand, these measuring instruments are also used under water, especially on the seabed. An exchange of a defective electron source is possible in such a device only under extremely great expense.

Speziell für den Einsatz in oben genannten Flussmessgeräten ist es bekannt, als Strahlungsquelle ein radioaktives Isotop zu verwenden. Dabei werden Elektronen und/oder Röntgenstrahlung direkt durch das radioaktive Material erzeugt. Eine derartige Elektronen- beziehungsweise Strahlungsquelle ist wartungsfrei, jedoch nimmt die Intensität der Quelle bedingt durch das Abklingen der Radioaktivität des Materials entsprechend seiner Halbwertszeit ab. Nachteilig hierbei ist zusätzlich, dass bei direktem Einsatz als Röntgenquelle nur eine sehr beschränkte Auswahl an Röntgenenergien zur Verfügung stehen und dass bei Verwendung von radioaktiven Materialien strenge Sicherheitsvorschriften eingehalten werden müssen.Especially for use in above flow meters, it is known to use a radioactive isotope as the radiation source. In this case, electrons and / or X-rays are generated directly by the radioactive material. Such an electron or radiation source is maintenance-free, but the intensity of the source decreases due to the decay of the radioactivity of the material according to its half-life. The disadvantage here is in addition that when used directly as an X-ray source only a very limited selection of X-ray energies are available and that when using radioactive materials strict safety regulations must be met.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenquelle und eine Röntgenquelle zu schaffen, die einen langlebigen, wartungsfreundlichen, insbesondere wartungsfreien, Betrieb ermöglichen und die einfach und sicher in der Montage und im Betrieb sind.The invention is therefore an object of the invention to provide an electron source and an X-ray source, which allow a long-lived, easy to maintain, especially maintenance-free, operation and are easy and safe to install and operate.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Elektronenquelle mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch eine Röntgenquelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen. Elektronenquelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Röntgenquelle, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.These objects are achieved by an electron source having the features according to independent claim 1 and by an X-ray source having the features according to claim 11. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims and the description. In this case, features and details apply in connection with the invention. Electron source are described, of course, also in connection with the X-ray source according to the invention, and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference can be made.

Die Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, in der ein erster Elektronenemitter zur Erzeugung von Elektronen und zumindest ein zweiter Elektronenemitter zur Erzeugung von Elektronen angeordnet sind, gelöst, wobei der erste Elektronenemitter und der zumindest eine zweite Elektronenemitter alternativ betreibbar ausgestaltet sind und wenigstens eine Vorrichtung zur Fokussierung der Elektronen sowohl des ersten Elektronenemitters als auch des zumindest zweiten Elektronenemitters vorgesehen ist. Dabei ist die wenigstens eine Vorrichtung zur Fokussierung der Elektronen derart ausgebildet, dass der gebildete Elektronenstrahl des ersten Elektronenemitters und der gebildete Elektronenstrahl des zumindest einen zweiten Elektronenemitters auf eine gemeinsame Fokussierfläche gerichtet werden können.The object is achieved according to the first aspect of the invention by an electron source for generating an electron beam, in which a first electron emitter for generating electrons and at least a second electron emitter for generating electrons are arranged, wherein the first electron emitter and the at least one second electron emitter are designed to be operated alternatively and at least one device for focusing the electrons of both the first electron emitter and the at least second electron emitter is provided. In this case, the at least one device for focusing the electrons is designed such that the formed electron beam of the first electron emitter and the formed electron beam of the at least one second electron emitter can be directed onto a common focusing surface.

Durch eine derartige Ausgestaltung einer Elektronenquelle ist es möglich, einen Elektronenstrahl bereitzustellen und auf eine Fokussierfläche zu richten, unabhängig davon ob die Elektronen durch den ersten Elektronenemitter oder durch den zumindest einen zweiten Elektronenemitter erzeugt wurden. Bei einem ordnungsgemäßen Betrieb der Elektronenquelle kann dabei vorgesehen sein, dass beim Einschalten der Elektronenquelle der erste Elektronenemitter zum Erzeugen von Elektronen verwendet wird. Bei einem Ausfall des ersten Elektronenemitters kann dann der alternativ zum ersten Elektronenemitter betreibbar ausgestaltete zumindest zweite Elektronenemitter aktiviert werden. Da Elektronen von dem zumindest einen zweiten Elektronenemitter durch die wenigstens eine Vorrichtung zur Fokussierung der Elektronen auf die gemeinsame Fokussierfläche, insbesondere einem Fokussierpunkt, gerichtet sind, ergibt sich somit eine deutlich erhöhte Lebensdauer einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle. Insbesondere kann sich so die Lebensdauer einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle bei Einsatz von einem zweiten Elektronenemitter verdoppeln, bei einem Einsatz von mehreren zweiten Elektronenemittern entsprechend vervielfachen. Eine Wartung, bei der ein Elektronenemitter einer Elektronenquelle ausgetauscht werden muss, ist somit deutlich seltener oder nicht nötig, wodurch die Wartungsfreundlichkeit einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle erhöht wird. Durch den Verzicht auf den Einsatz von radioaktiven Quellen zur Erzeugung von Elektronen und/oder Röntgenstrahlung erhöht sich zusätzlich die Sicherheit einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle und zudem wird der Aufwand an Material und Zeit bei der Montage erniedrigt.Such a configuration of an electron source makes it possible to provide an electron beam and to focus on a focusing surface, regardless of whether the electrons were generated by the first electron emitter or by the at least one second electron emitter. In a proper operation of the In this case, an electron source can be provided such that the first electron emitter is used to generate electrons when the electron source is switched on. In the event of a failure of the first electron emitter, the at least second electron emitter configured to be operated as an alternative to the first electron emitter can then be activated. Since electrons are directed by the at least one second electron emitter through the at least one device for focusing the electrons on the common focusing surface, in particular a focusing point, thus resulting in a significantly increased life of an electron source according to the invention. In particular, the service life of an electron source according to the invention can thus double when using a second electron emitter, correspondingly multiply when using a plurality of second electron emitters. A maintenance in which an electron emitter of an electron source must be replaced, is thus significantly rarer or unnecessary, whereby the ease of maintenance of an electron source according to the invention is increased. By dispensing with the use of radioactive sources for the generation of electrons and / or X-rays additionally increases the safety of an electron source according to the invention and also the cost of material and time is reduced during assembly.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Elektronenquelle kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Fokussierung zumindest einen Wehnelt-Zylinder aufweist. Durch einen derartigen Wehnelt-Zylinder ist es möglich, Elektronen zu fokussieren und gleichzeitig zu intensivieren. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass Elektronen aus dem ersten Elektronenemitter und dem zumindest einen zweiten Elektronenemitter durch denselben Wehnelt-Zylinder fokussiert werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass für jeden Elektronenemitter ein separater Wehnelt-Zylinder vorgesehen ist. Durch den Einsatz von Wehnelt-Zylindern kann somit bei sonst gleichen Bauteilen ein intensiverer und schärfer gebündelter Elektronenstrahl durch die erfindungsgemäße Elektronenquelle zur Verfügung gestellt werden.According to a preferred further development of the electron source according to the invention, it can be provided that the device for focusing has at least one Wehnelt cylinder. Through such a Wehnelt cylinder, it is possible to focus and intensify electrons simultaneously. According to the invention, it can be provided that electrons from the first electron emitter and the at least one second electron emitter are focused by the same Wehnelt cylinder. Alternatively it can be provided that a separate Wehnelt cylinder is provided for each electron emitter. By using Wehnelt cylinders, a more intense and more sharply focused electron beam can thus be made available by the electron source according to the invention, with otherwise identical components.

Bei der erfindungsgemäßen Elektronenquelle kann ferner vorgesehen sein, dass der erste Elektronenemitter und/oder der zumindest eine zweite Elektronenemitter ein thermischer Emitter ist. Die thermische Emission beziehungsweise die Glühemission von Elektronen stellt die bekannteste Methode zur Erzeugung von Elektronen dar. Dazu wird Metall, zum Beispiel ein gewendelter Metalldraht, ein Flächenemitter oder eine Dispenser-Kathode, im Vakuum stark erhitzt, wodurch Elektronen austreten. Um hohe Temperaturen erreichen zu können, werden dabei insbesondere Drähte aus Wolfram eingesetzt, da dieses Material einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist. Dies stellt eine sehr einfache Art der Elektronenerzeugung dar. Die Intensität der Elektronenemission kann bei thermischer Emission durch die Temperatur des Metalls geregelt werden.In the case of the electron source according to the invention, it can further be provided that the first electron emitter and / or the at least one second electron emitter is a thermal emitter. The thermal emission or the glow emission of electrons is the best known method for generating electrons. For this purpose, metal, for example a coiled metal wire, a surface emitter or a dispenser cathode, is heated strongly in a vacuum, whereby electrons escape. In order to achieve high temperatures, in particular wires made of tungsten are used, since this material has a very high melting point. This represents a very simple way of electron generation. The intensity of the electron emission can be regulated by the temperature of the metal during thermal emission.

Alternativ kann bei der erfindungsgemäßen Elektronenquelle vorgesehen sein, dass der erste Elektronenemitter und/oder der zumindest eine zweite Elektronenemitter ein Feldemitter ist. Bei dieser Emitterform werden hohe Spannungen eingesetzt, um Elektronen aus dem Emittermaterial herauszulösen. Der Emitter kann dabei, im Falle eines metallischen Emitterwerkstoffes, insbesondere in Form von dünnen Spitzen oder feinen Nadeln vorliegen, im Falle eines Kohlenstoffemitters in Form von Kohlenstoffnanoröhren. Ein auf Feldemission basierender Elektronenemitter benötigt kein zusätzliches Heizen des Emitters und kann somit bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden.Alternatively, it can be provided in the case of the electron source according to the invention that the first electron emitter and / or the at least one second electron emitter is a field emitter. In this emitter form, high voltages are used to release electrons from the emitter material. In the case of a carbon emitter in the form of carbon nanotubes, the emitter can be present in the case of a metallic emitter material, in particular in the form of thin tips or fine needles. A field emission-based electron emitter requires no additional heating of the emitter and thus can be operated at lower temperatures.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle kann vorgesehen sein, dass der erste Elektronenemitter und der zumindest eine zweite Elektronenemitter identisch ausgestaltet sind. Durch eine identische Ausgestaltung der verwendeten Elektronenemitter vereinfacht sich der Aufbau der Elektronenquelle deutlich, da beide Elektronenemitter dieselben Spezifikationen aufweisen. Auch weisen identische Elektronenemitter eine identische beziehungsweise zumindest sehr ähnliche Elektronenemissionscharakteristik auf. Bei einem Umschalten von Elektronen des ersten Elektronenemitters auf Elektronen des zumindest einen zweiten Elektronenemitters ergibt sich somit kein Unterschied des von der Elektronenquelle erzeugten Elektronenstrahls, ein kontinuierlicher Betrieb ist somit ermöglicht.In a particularly preferred embodiment of an electron source according to the invention, it can be provided that the first electron emitter and the at least one second electron emitter are configured identically. By an identical embodiment of the electron emitter used, the structure of the electron source simplifies significantly, since both electron emitters have the same specifications. Also, identical electron emitters have an identical or at least very similar electron emission characteristic. In a switching of electrons of the first electron emitter to electrons of the at least one second electron emitter thus results in no difference of the electron beam generated by the electron source, a continuous operation is thus possible.

Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle vorgesehen sein, dass eine Einrichtung zur Überwachung des Betriebs der Elektronenquelle vorgesehen ist. Eine derartige Überwachungseinrichtung ermöglicht, einen Fehlerzustand der Elektronenquelle frühzeitig festzustellen. Ein Ausfall der Elektronenquelle kann somit zeitnah detektiert werden. Folgeschäden, die durch den Ausfall der Elektronenquelle entstehen, sind somit vermeidbarer.Furthermore, it can be provided in an electron source according to the invention that a device for monitoring the operation of the electron source is provided. Such a monitoring device makes it possible to detect an error state of the electron source early. A failure of the electron source can thus be detected promptly. Consequential damage caused by the failure of the electron source, are thus avoidable.

In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Elektronenquelle vorgesehen sein, dass bei Detektion einer Fehlfunktion des Betriebs der Elektronenquelle durch die Einrichtung zur Überwachung der erste Elektronenemitter deaktivierbar und der zumindest eine zweite Elektronenemitter aktivierbar sind. Der Elektronenemitter stellt die Elektronen in der Elektronenquelle zur Verfügung. Eine Detektion einer Fehlfunktion des Betriebs der Elektronenquelle durch die Einrichtung zur Überwachung des Betriebs der Elektronenquelle kann daher auf einen defekten Elektronenemitter schließen lassen. Der erste Elektronenemitter und der zumindest eine zweite Elektronenemitter sind erfindungsgemäß alternativ betreibbar. Durch die Deaktivierbarkeit des ersten Elektronenemitters und die Aktivierbarkeit des zumindest einen zweiten Elektronenemitters, also der möglichen Umschaltung vom Betrieb des ersten Elektronenemitter auf den Betrieb des zumindest einen zweiten Elektronenemitters, kann die Funktionsfähigkeit der Elektronenquelle wiederhergestellt werden. Der Betrieb der Elektronenquelle kann fortgesetzt werden, ohne dass zeitintensive Wartungsmaßnahmen, wie der Tausch eines Elektronenemitters, nötig sind. Dies ermöglicht eine große Zeit- und Geldeinsparung.In a preferred further development of the invention, it can be provided with an electron source that upon detection of a malfunction of the operation of the electron source by the device for monitoring, the first electron emitter can be deactivated and the at least one second electron emitter can be activated. The electron emitter provides the electrons in the electron source. A detection of a malfunction of the operation of the electron source by the means for monitoring the operation of the electron source can therefore suggest a defective electron emitter. The first electron emitter and the at least one second electron emitter are alternatively operable according to the invention. Due to the deactivability of the first electron emitter and the activatability of the at least one second electron emitter, that is to say the possible switching from the operation of the first electron emitter to the operation of the at least one second electron emitter, the operability of the electron source can be restored. The operation of the electron source can be continued without the need for time-consuming maintenance measures, such as the replacement of an electron emitter. This allows a great time and money saving.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle kann vorgesehen sein, dass durch die Einrichtung zur Überwachung der Elektronenquelle eine Strom-, Spannungs- und/oder Leistungsaufnahme des ersten Elektronenemitters überwachbar ist/sind. Durch die Überwachung der genannten elektronischen Kenngrößen des ersten Elektronenemitters kann direkt auf die Funktionsfähigkeit des ersten Elektronenemitters geschlossen werden. Ein Ausfall des ersten Elektronenemitters kann durch diese Überwachung zeitnah detektiert werden. Dadurch ist es möglich, die Zeit, in der die Elektronenquelle nicht funktionsfähig ist, zu minimieren.According to a further, particularly preferred embodiment of an electron source according to the invention it can be provided that a current, voltage and / or power consumption of the first electron emitter can be monitored by the device for monitoring the electron source. By monitoring the mentioned electronic characteristics of the first electron emitter can be directly concluded that the functionality of the first electron emitter. A failure of the first electron emitter can be detected promptly by this monitoring. This makes it possible to minimize the time in which the electron source is not functional.

Ferner kann gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung bei einer Elektronenquelle zusätzlich vorgesehen sein, dass durch die Einrichtung zur Überwachung der Elektronenquelle eine Strom-, Spannungs- und/oder Leistungsaufnahme des zumindest einen zweiten Elektronenemitters überwachbar ist/sind. Durch diese zusätzliche Überwachung des zumindest einen zweiten Elektronenemitters kann auch der ordnungsgemäße Betrieb dieses zumindest einen zweiten Elektronenemitters überwacht werden. Bei einem Ausfall des zumindest einen zweiten Elektronenemitters, der durch die Überwachung ebenfalls zeitnah detektiert werden kann, kann wiederum die Ausfallszeit der erfindungsgemäßen Elektronenquelle reduziert werden. Dabei besteht insbesondere bei Einsatz von mehreren zweiten Elektronenemittern die Möglichkeit, einen dieser mehreren zweiten Elektronenemitter zu aktivieren und so den Betrieb der Elektronenquelle fortzusetzen.Furthermore, according to a preferred further development with an electron source, it can additionally be provided that a current, voltage and / or power consumption of the at least one second electron emitter can be monitored by the device for monitoring the electron source. As a result of this additional monitoring of the at least one second electron emitter, the proper operation of this at least one second electron emitter can also be monitored. In case of failure of the at least one second electron emitter, which can also be detected promptly by the monitoring, the time of failure of the electron source according to the invention can be reduced again. In particular, when using a plurality of second electron emitters, it is possible to activate one of these multiple second electron emitters and thus continue the operation of the electron source.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle kann vorgesehen sein, dass das alternative Betreiben des ersten und des zumindest einen zweiten Elektronenemitters, insbesondere das Deaktivieren des ersten Elektronenemitters und das Aktivieren des zumindest einen zweiten Elektronenemitters, manuell und/oder automatisch ausführbar ist. Dabei ist es möglich, bei einem manuellen Umschalten vom ersten auf den zumindest einen zweiten Elektronenemitter, dieses Umschalten direkt an der Elektronenquelle oder, zum Beispiel mit einer Fernbedienung, von einem entfernten Ort auszuführen. Damit können auch für Wartungsarbeiten unzugänglich platzierte Elektronenquellen umgeschaltet werden. Ein automatisches Umschalten vom Betrieb des ersten auf den Betrieb des zumindest einen zweiten Elektronenemitters kann die Zeit, in der die Elektronenquelle ordnungsgemäß betreibbar ist, erhöhen, da direkt bei einer Detektion einer Fehlfunktion der Elektronenquelle der erste Elektronenemitter deaktiviert und der zumindest eine zweite Elektronenemitter aktiviert wird. Die Steuerung für diese automatische Umschaltung kann wiederum direkt an oder in der Elektronenquelle platziert sein oder davon entfernt, wenn über Kommunikationsmittel, wie etwa Signalkabel, ein Ansteuern der Elektronenquelle durch eine entfernt aufgebaute Steuereinheit sichergestellt ist.According to a further advantageous embodiment of an electron source according to the invention it can be provided that the alternative operation of the first and the at least one second electron emitter, in particular the deactivation of the first electron emitter and the activation of the at least one second electron emitter, manually and / or automatically executable. It is possible, with a manual switchover from the first to the at least one second electron emitter, to perform this switching directly at the electron source or, for example, with a remote control, from a remote location. This can also be used for maintenance inaccessible placed electron sources. An automatic switchover from the operation of the first to the operation of the at least one second electron emitter can increase the time in which the electron source is operable properly, because directly upon detection of a malfunction of the electron source, the first electron emitter is deactivated and the at least one second electron emitter is activated , The control for this automatic switching can in turn be placed directly on or in the electron source or away from it, if communication means, such as signal cables, a driving of the electron source is ensured by a remote control unit.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Röntgenquelle zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, aufweisend eine Elektronenquelle und eine Anode, wobei die Elektronenquelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist, gelöst. In einer Röntgenquelle werden von einer Elektronenquelle Elektronen erzeugt, diese durch elektromagnetische Felder beschleunigt und auf eine Anode gelenkt. Durch das Abbremsen der Elektronen in der Anode entsteht Röntgenstrahlung. Durch Ausfall der Elektronenquelle ist auch die Röntgenquelle nicht funktionsfähig. Durch Einsatz einer Elektronenquelle gemäß des ersten Aspekts der Erfindung, kann eine Röntgenquelle geschaffen werden, die eine deutlich verlängerte Betriebsdauer aufweist. Da ferner die Elektronenquelle in einer Röntgenquelle ein im Vergleich zu den restlichen Bauteilen wartungsintensives Bauteil darstellt, stellt eine erfindungsgemäße Röntgenquelle eine wartungsfreundliche Röntgenquelle dar. Sie kann daher an Orten eingesetzt werden, wie zum Beispiel auf dem Meeresgrund, an denen eine Wartung nur sehr schwer möglich ist.According to a second aspect of the invention, the object is achieved by an X-ray source for generating X-rays, comprising an electron source and an anode, wherein the electron source is formed according to the first aspect of the invention. In an X-ray source, electrons are generated by an electron source, accelerated by electromagnetic fields and directed to an anode. The slowing down of the electrons in the anode produces X-rays. Due to failure of the electron source and the X-ray source is not functional. By using an electron source according to the first aspect of the invention, an X-ray source can be provided which has a significantly longer service life. Further, since the electron source in an X-ray source is a high-maintenance component compared to the rest of the components, an X-ray source according to the present invention is a low-maintenance X-ray source. It can therefore be used in places such as on the seabed where maintenance is very difficult is.

Bei einer erfindungsgemäßen Röntgenquelle kann vorgesehen sein, dass die Anode als eine Festanode oder Drehanode ausgestaltet ist. Bei einer Festanode trifft der Elektronenstrahl der Elektronenquelle stets am selben Ort auf die Anode auf. Diese mechanisch einfache Form einer Anode eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen eine geringe Intensität von Röntgenstrahlung nötig ist. Durch die geringe benötigte Intensität der Röntgenstrahlung ist auch eine geringe Intensität des Elektronenstrahls nötig, wodurch die Belastung der Anode gering gehalten werden kann. Bei Bedarf einer hohen Intensität an Röntgenstrahlung wird die Anode der Röntgenquelle stark belastet, insbesondere stark aufgeheizt. In diesen und anderen Fällen kann vorgesehen sein, dass die Röntgenquelle mit einer Drehanode ausgestattet ist. Bei einer Drehanode bewegt sich die Anode in einer Rotationsbewegung unter dem Elektronenstrahl. So wird ständig ein anderer Auftreffpunkt auf der Drehanode durch den Elektronenstrahl belastet. Die thermische Belastung der Drehanode wird somit auf die komplette Drehanode verteilt. Deutlich höhere Röntgenstrahlungsintensitäten sind so möglich.In an X-ray source according to the invention it can be provided that the anode is designed as a solid anode or rotary anode. In the case of a fixed anode, the electron beam of the electron source always strikes the anode at the same location. This mechanically simple form of an anode is particularly suitable for applications where a low intensity of X-radiation is needed. Due to the low intensity of the X-ray radiation required, a low intensity of the electron beam is necessary, whereby the stress of the anode can be kept low. If a high intensity of X-radiation is required, the anode of the X-ray source is heavily loaded, in particular strongly heated. In these and other cases it can be provided that the X-ray source with a rotary anode Is provided. In a rotary anode, the anode moves in a rotary motion under the electron beam. Thus, another impingement point on the rotary anode is constantly loaded by the electron beam. The thermal load of the rotary anode is thus distributed to the complete rotary anode. Significantly higher X-ray intensities are possible.

Bei einer erfindungsgemäßen Röntgenquelle kann ferner vorgesehen sein, dass die Anode an der gemeinsamen Fokussierfläche angeordnet ist oder die Anode die gemeinsame Fokussierfläche bildet. Durch das Anordnen der Anode an der gemeinsamen Fokussierfläche oder die Bildung der gemeinsamen Fokussierfläche durch die Anode, trifft der Elektronenstrahl der Elektronenquelle, die gemäß des ersten Aspekts der Erfindung ausgestaltet ist, stets an derselben Stelle auf die Anode. An dieser Stelle und in der Umgebung dieser Stelle in der Anode wird durch die Abbremsung der Elektronen die Röntgenstrahlung der Röntgenquelle erzeugt. Durch die spezielle Anordnung der Anode in Bezug auf die Fokussierfläche der Elektronenquelle wird, unabhängig davon, ob der erste oder zumindest eine zweite Elektronenemitter aktiv ist, die Strahlungscharakteristik der erzeugten Röntgenstrahlung nicht verändert. Dies vereinfacht den Aufbau der Röntgenquelle, da das Umschalten zwischen den Emittern in der Elektronenquelle nicht kompensiert werden muss.In the case of an X-ray source according to the invention, it can further be provided that the anode is arranged on the common focusing surface or the anode forms the common focusing surface. By arranging the anode at the common focusing surface or the formation of the common focusing surface by the anode, the electron beam of the electron source, which is designed according to the first aspect of the invention, always strikes the anode at the same location. At this point and in the vicinity of this point in the anode, the deceleration of the electrons produces X-ray radiation from the X-ray source. Due to the special arrangement of the anode with respect to the focusing surface of the electron source, regardless of whether the first or at least a second electron emitter is active, the radiation characteristic of the generated X-radiation is not changed. This simplifies the construction of the X-ray source since the switching between the emitters in the electron source need not be compensated.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Röntgenquelle kann vorgesehen sein, dass durch die Einrichtung zur Überwachung des Betriebs der Elektronenquelle die Röntgenstrahlung der Röntgenquelle überwachbar ist. Die emittierte Röntgenstrahlung einer Röntgenquelle zu messen stellt eine übliche Vorgehensweise dar. Dafür sind oftmals dedizierte Monitor-Elemente vorhanden oder es werden die zur Signal- oder Bildgewinnung verwendeten Detektoren verwendet. Eine Fehlfunktion, insbesondere ein Ausfall, eines Elektronenemitters kann dadurch auch durch das Messen der Röntgenstrahlung detektiert werden. Durch die Verwendung von bereits vorhandenen Detektoren ergibt sich daraus wiederum eine Vereinfachung beim Aufbau der Röntgenquelle, da keine zusätzlichen Messgeräte benötigt werden.According to a particularly preferred embodiment of an X-ray source according to the invention, it can be provided that the X-ray radiation of the X-ray source can be monitored by the device for monitoring the operation of the electron source. To measure the emitted X-radiation of an X-ray source is a common procedure. For this purpose, dedicated monitor elements are often present or the detectors used for signal or image acquisition are used. A malfunction, in particular a failure, of an electron emitter can thereby also be detected by measuring the X-ray radiation. By using already existing detectors, this in turn results in a simplification in the construction of the X-ray source, since no additional measuring devices are needed.

Die erfindungsgemäße Röntgenquelle ist selbstverständlich in einem Gehäuse angeordnet. Insbesondere sind dabei die Elektronenquelle und die Anode in einem gemeinsamen, bevorzugt evakuierbar ausgestaltetem, Gehäuse angeordnet.The X-ray source according to the invention is of course arranged in a housing. In particular, the electron source and the anode are arranged in a common, preferably evakuierbar ausgestaltetem, housing.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:The invention and its developments and advantages thereof are explained in more detail with reference to drawings. Each show schematically:

1 eine erste Seitenansicht einer Röntgenquelle mit einer Elektronenquelle nach dem Stand der Technik; 1 a first side view of an X-ray source with a source of electrons according to the prior art;

2 eine zweite Seitenansicht der Röntgenquelle mit einer Elektronenquelle gemäß 1; 2 a second side view of the X-ray source with an electron source according to 1 ;

3 eine Röntgenquelle nach einer Ausgestaltungsart der Erfindung. 3 an X-ray source according to a mode of embodiment of the invention.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of action are in the 1 to 3 each provided with the same reference numerals.

In der 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung einer Röntgenröhre 100 mit einer Elektronenquelle 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. In der Röntgenröhre 100 ist die Elektronenquelle 1 zusammen mit der Anode 24 in einem Gehäuse 2 angeordnet, wobei der Elektronenemitter 20 der Elektronenquelle 1 in der abgebildeten Ausgestaltungsform als Glühwendel realisiert ist. Vom Elektronenemitter 20 ausgesandte Elektronen werden durch Fokussierelemente (nicht mit abgebildet) zu einem Elektronenstrahl 22 gebündelt. Der Elektronenstrahl 22 trifft auf der Fokussierfläche 23 auf die Anode 24, die in der abgebildeten Ausgestaltungsform als Festanode ausgestaltet ist. Die durch das Abbremsen der Elektronen erzeugten Röntgenstrahlen 25 werden abgestrahlt und können im Anschluss daran verwendet werden. Die Fokussierfläche 23 bildet dabei gegenüber der Richtung des Elektronenstrahls 22 insbesondere eine schräge Fläche – beispielsweise in einem Winkel zwischen 30° und 60°, besonders bevorzugt von 45° – und eine Abstrahlrichtung der erzeugten Röntgenstrahlen 25 ist bevorzugterweise 90° gegenüber der Richtung des Elektronenstrahls 22.In the 1 is a schematic side view of an embodiment of an X-ray tube 100 with an electron source 1 shown in the prior art. In the x-ray tube 100 is the electron source 1 together with the anode 24 in a housing 2 arranged, wherein the electron emitter 20 the electron source 1 is realized in the illustrated embodiment as a filament. From the electron emitter 20 emitted electrons become electron beams through focusing elements (not shown) 22 bundled. The electron beam 22 meets on the focusing surface 23 on the anode 24 , which is designed in the illustrated embodiment as a fixed anode. The X-rays generated by the deceleration of the electrons 25 are emitted and can be used afterwards. The focusing surface 23 forms opposite to the direction of the electron beam 22 in particular an inclined surface - for example, at an angle between 30 ° and 60 °, particularly preferably 45 ° - and a radiation direction of the generated X-rays 25 is preferably 90 ° with respect to the direction of the electron beam 22 ,

Gemäß 1 und 2 ist der Elektronenemitter 20 vorzugsweise mittig über der Fokussierfläche 23 angeordnet.According to 1 and 2 is the electron emitter 20 preferably centrally above the focusing surface 23 arranged.

2 zeigt eine weitere, um 90° gedrehte, Seitenansicht der Röntgenquelle 100 mit einer einzelnen Elektronenquelle 1 gemäß der Ausgestaltungsform aus 1. Aus den beiden Abbildungen 1 und 2 wird deutlich, dass in der Elektronenquelle 1 nur ein Elektronenemitter 20 vorgesehen ist. Ein Ausfall oder eine Fehlfunktion des Elektronenemitters 20 führt damit zwangsläufig zu einem Ausfall der kompletten Elektronenquelle 1 und damit der Röntgenquelle 100. 2 shows another, rotated by 90 °, side view of the X-ray source 100 with a single electron source 1 according to the embodiment 1 , From the two pictures 1 and 2 it becomes clear that in the electron source 1 only an electron emitter 20 is provided. A failure or malfunction of the electron emitter 20 inevitably leads to a failure of the complete electron source 1 and thus the X-ray source 100 ,

3 zeigt eine mögliche Ausgestaltungsform einer Röntgenquelle 100 mit einer Elektronenquelle 1, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ausgestaltet ist. Dabei ist bei der Röntgenquelle 100 vorgesehen, dass in einem Gehäuse 2 die Elektronenquelle 1 mit einem ersten Elektronenemitter 20 und einem zweiten Elektronenemitter 21 vorgesehen sind. In dem Gehäuse 2 herrscht ein Vakuum. Die von den beiden Elektronenemittern 20, 21, die alternativ betreibbar ausgestaltet sind, ausgesandten Elektronen werden durch zumindest eine Einrichtung zur Fokussierung (nicht mit abgebildet) zu je einem Elektronenstrahl 22 fokussiert und auf eine gemeinsame Fokussierfläche 23 geleitet. Die Fokussierfläche 23 ist bei der abgebildeten Ausgestaltungsform von der Anode 24 gebildet, die in der gezeigten Ausgestaltungsform als Festanode realisiert ist und ebenfalls innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist. 3 shows a possible embodiment of an X-ray source 100 with an electron source 1 , which is designed according to the principle of the invention. It is in the X-ray source 100 provided that in a housing 2 the electron source 1 with a first electron emitter 20 and a second electron emitter 21 are provided. In the case 2 there is a vacuum. The of the two electron emitters 20 . 21 , which are configured alternatively operated, emitted electrons are by at least one means for focusing (not shown) to each an electron beam 22 focused and on a common focusing surface 23 directed. The focusing surface 23 is in the illustrated embodiment of the anode 24 formed, which is realized in the illustrated embodiment as a fixed anode and also within the housing 2 is arranged.

Gemäß 3 sind die beiden Elektronenemittern 20, 21 vorzugsweise nicht mittig über der Fokussierfläche angeordnet, sondern versetzt zueinander. Die Richtung des jeweiligen Elektronenstrahls 22 hat insbesondere zwei Richtungskomponenten, eine erste Richtungskomponente in Richtung der Anode 24 und eine zweite Richtungskomponente im rechten Winkel dazu. Vorzugsweise bildet die Fokussierfläche 23 erneut gegenüber der ersten Richtungskomponente des Elektronenstrahls 22 insbesondere eine schräge ebene Fläche – beispielsweise in einem Winkel zwischen 30° und 60°, besonders bevorzugt von 45°. Darüber hinaus wird die Fokussierfläche 23 nicht direkt aus Richtung der ersten Richtungskomponente bestrahlt, sondern schräg in Richtung der zweiten Richtungskomponente, da die beiden Elektronenemittern 20, 21 vorzugsweise nicht mittig über der Fokussierfläche 23 angeordnet sind. Eine Abstrahlrichtung der erzeugten Röntgenstrahlen 25 (nicht dargestellt) ist analog zu 1 ausgebildet und bevorzugterweise 90° gegenüber der ersten Richtungskomponente des Elektronenstrahls 22.According to 3 are the two electron emitters 20 . 21 Preferably, not centrally located above the focusing surface, but offset from each other. The direction of the respective electron beam 22 in particular has two directional components, a first directional component in the direction of the anode 24 and a second directional component at right angles thereto. Preferably, the focusing surface forms 23 again against the first directional component of the electron beam 22 in particular, an oblique plane surface - for example, at an angle between 30 ° and 60 °, more preferably of 45 °. In addition, the focusing surface 23 not directly irradiated from the direction of the first direction component, but obliquely in the direction of the second direction component, since the two electron emitters 20 . 21 preferably not centered above the focusing surface 23 are arranged. A radiation direction of the generated X-rays 25 (not shown) is analogous to 1 formed and preferably 90 ° relative to the first directional component of the electron beam 22 ,

Die beiden Elektronenemitter 20, 21 werden über eine Stromquelle 26 mit Strom versorgt, wobei für den alternativen Betrieb der beiden Elektronenemitter 20, 21 die Zuleitungen separat schaltbar sind. Über eine Einrichtung 27 zur Überwachung des Betriebs der Elektronenquelle 1 kann in der abgebildeten Ausgestaltungsform der Röhrenstrom 28 gemessen werden. Im Falle einer Detektion eines Fehlerzustandes kann ein Überwachungssignal 29 generiert werden. Dieses Überwachungssignal 29 kann verwendet werden, um in der Stromquelle 26 die Stromzufuhr zum ersten Elektronenemitter 20 zu deaktivieren und die Stromzufuhr zum zweiten Elektronenemitter 21 zu aktivieren. Dadurch kann ein beinahe unterbrechungsfreier Betrieb der Elektronenquelle 1 und damit der Röntgenquelle 100 auch bei Ausfall des ersten Elektronenemitters 20 sichergestellt werden.The two electron emitters 20 . 21 be via a power source 26 being powered, being for alternative operation of the two electron emitters 20 . 21 the supply lines are separately switchable. About a facility 27 for monitoring the operation of the electron source 1 In the illustrated embodiment, the tube current 28 be measured. In the case of detection of a fault condition, a monitoring signal 29 to be generated. This monitoring signal 29 Can be used to power source 26 the power supply to the first electron emitter 20 to turn off and power to the second electron emitter 21 to activate. This allows an almost uninterrupted operation of the electron source 1 and thus the X-ray source 100 even if the first electron emitter fails 20 be ensured.

Ferner ist ein externes Signal 30 gezeigt, das unabhängig von der Detektion eines Fehlerzustandes durch die Einrichtung 27 zur Überwachung der Elektronenquelle 1, genutzt werden kann, um den ersten Emitter 20 abzuschalten und den zweiten Emitter 21 zu aktivieren. Die Lebensdauer einer Elektronenquelle 1 beziehungsweise einer Röntgenquelle 100 mit einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle 1 kann so mit einfachen Mitteln verlängert, insbesondere verdoppelt, oder, bei Einsatz von mehreren zweiten Elektronenemittern 21, vervielfacht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ein Austausch der Emitter einer Elektronenquelle nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich ist. Beispiele dafür sind Anwendungen von Röntgenquellen an schwer zugänglichen Orten, zum Beispiel auf dem Meeresgrund.Further, an external signal 30 shown independently of the detection of a fault condition by the device 27 for monitoring the electron source 1 , can be used to the first emitter 20 turn off and the second emitter 21 to activate. The lifetime of an electron source 1 or an X-ray source 100 with an electron source according to the invention 1 can thus be extended by simple means, in particular doubled, or, when using a plurality of second electron emitters 21 , be multiplied. This is particularly advantageous when an exchange of the emitter of an electron source is not possible or only with great effort. Examples of this are applications of X-ray sources in hard-to-reach places, for example on the seabed.

Claims

Electron source ( 1 ) for generating an electron beam ( 22 ), in which a first electron emitter ( 20 ) for generating electrons and at least one second electron emitter ( 21 ) are arranged to generate electrons, characterized in that the first electron emitter ( 20 ) and the at least one second electron emitter ( 21 ) are alternatively operable and that at least one device for focusing the electrons of the first electron emitter ( 20 ) and the at least one second electron emitter ( 21 ) is provided, wherein by the at least one device for focusing the electrons of the electron beam formed ( 22 ) of the first electron emitter ( 20 ) and the electron beam formed ( 22 ) of the at least one second electron emitter ( 21 ) on a common focusing surface ( 23 ) can be directed.

Electron source ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the device for focusing comprises a Wehnelt cylinder.

Electron source ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first electron emitter ( 20 ) and / or the at least one second electron emitter ( 21 ) is a thermal emitter is / are.

Electron source ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first electron emitter ( 20 ) and / or the at least one second electron emitter ( 21 ) is a field emitter is / are.

Electron source ( 1 ) according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the first electron emitter ( 20 ) and the at least one second electron emitter ( 21 ) are configured identically.

Electron source ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that a means for monitoring ( 27 ) the operation of the electron source ( 1 ) is provided.

Electron source ( 1 ) according to claim 6, characterized in that upon detection of a malfunction of the operation of the electron source ( 1 ) by the monitoring facility ( 27 ) the first electron emitter ( 20 ) and the at least one second electron emitter ( 21 ) are activated.

Electron source ( 1 ) according to one of claims 6 or 7, characterized in that the means for monitoring ( 27 ) of the electron source ( 1 ) a current, voltage and / or power consumption of the first electron emitter ( 20 ) is monitorable / are.

Electron source ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the means for monitoring ( 27 ) of the electron source ( 1 ) a current, voltage and / or power consumption of the at least one second electron emitter ( 21 ) is monitorable / are.

Electron source ( 1 ) according to one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that the alternative operation of the first and the at least one second electron emitter ( 20 . 21 ), in particular the deactivation of the first electron emitter ( 20 ) and activating the at least one second electron emitter ( 21 ), manually and / or automatically executable.

X-ray source ( 100 ) for generating X-radiation ( 25 ), comprising an electron source ( 1 ) and an anode ( 24 ), characterized in that the electron source ( 1 ) is configured according to one of claims 1 to 10.

X-ray source ( 100 ) according to claim 11, characterized in that the anode ( 24 ) is designed as a fixed anode or rotary anode.

X-ray source ( 100 ) according to one of claims 11 or 12, characterized in that the anode ( 24 ) at the common focusing surface ( 23 ) or the anode ( 24 ) the common focusing surface ( 23 ).

X-ray source ( 100 ) according to one of claims 11 to 13, characterized in that the means for monitoring ( 27 ) the operation of the electron source ( 1 ) the X-radiation ( 25 ) of the X-ray source ( 100 ) is monitorable.