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Die Erfindung betrifft eine Stabanordnung für Mikrofokus-Röntgenröhren. Diese werden in der Regel mit einem vorgelagerten Brennfleck genutzt und können dabei für die Reflexion und auch die Transmission von Röntgenstrahlung eingesetzt werden.
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Solche Stabanoden können gegenüber anderen Anodenformen besser, flexibler und genauer in Bezug zu einer zu untersuchenden Probe positioniert und ausgerichtet werden. Dabei können geneigte oder konturierte Probenoberflächen besser berücksichtigt werden, indem die in Richtung Probenoberfläche weisende Oberfläche der Stabanode näher an die jeweilige Probenoberfläche herangeführt werden kann. Dies kann auch durch eine Neigung in einem geeigneten Winkel in Bezug zur Probenoberfläche erreicht bzw. unterstützt werden. Dadurch kann eine höhere Abbildungsqualität von geometrisch ungünstig gestalteten Probenoberflächen, wie dies beispielsweise bei komplex gestalteten Gussbauteilen, Schweißnähten an Rohren oder auch bestückten Leiterplatten, der Fall ist, erreicht werden.
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Unter Mikrofokus-Röntgenröhren versteht man üblicherweise solche, die eine Fokussierung mit einem Fokusdurchmesser ≤ 200 μm, insbesondere ≤ 10 μm erreichen.
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Beim Betrieb erfolgt eine sehr große Erwärmung der eigentlich thermisch ungünstig ausgebildeten Stabanode, da normalerweise die bei der Emission von Röntgenstrahlung auftretende Wärme lediglich über den Kopf der Röntgenröhre abgeführt werden kann. Infolge der Erwärmung tritt eine thermische Ausdehnung auf, die zu einem erhöhten Verschleiß bzw. Werkstoffabtrag an der Stabanode führt, was wiederum in eine Verschlechterung der Qualität der Abbildung der Röntgenstrahlung auf einem Detektor führt. Außerdem kann es zu Abdichtungsproblemen kommen, die durch eine zu hohe thermische Beanspruchung von Dichtelementen hervorgerufen werden können. Auch die Verbindung bzw. Befestigung eines Targets, das für die Emission von Röntgenstrahlung vorhanden ist, kann durch die thermische Ausdehnung nachteilig beeinflusst werden.
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Daher wird in
DE 202 17 101 U1 eine Möglichkeit zur Kühlung vorgeschlagen. Dabei wird eine doppelwandige Stabanode darin vorgeschlagen. Zwischen den Wänden sind Hohlräume ausgebildet, durch die ein Kühlmittel geführt wird. Bei einer solchen Ausführung ist aber ein speziell dafür ausgebildeter Röhrenkopf der Röntgenröhre erforderlich. Dies führt zu einem aufwendigen Aufbau, was wiederum zu höheren Kosten führt. Außerdem ist mit diesem Aufbau die Flexibilität begrenzt und ein ggf. erforderlicher Austausch erschwert.
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Aus
DE 10 2010 054 816 B3 ist eine Stabanode einer Microfocus-Röntgenröhre mit einem Grundkörper bekannt, der im Bereich seiner Außenfläche wenigstens eine Doppelwandung aufweist, zwischen deren Wandungen ein Kühlmittel-Zuführkanal und ein Kühlmittel-Abführkanal aufgenoomen sind.
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Die
DD 143 693 A1 betrifft eine Halterungsvorrichtung für heiß betriebene Plasmastrahlen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stabanodenanordnung für Mikrofokus-Röntgenröhren zur Verfügung zu stellen, die einfach aufgebaut, flexibel einsetzbar ist und die thermische Belastung reduziert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Stabanodenanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Stabanodenanordnung ist die Stabanode an ihrer äußeren Mantelfläche von einem Adapterelement umschlossen und steht mit einer inneren Fläche des Adapterelements in berührendem Kontakt. Das Adapterelement ist form- und/oder kraftschlüssig an der äußeren Mantelfläche der Stabanode fixiert und es ist mindestens ein Kanal für ein Kühlmittel durch das Adapterelement hindurchgeführt. Dabei ist das Adapterelement an der Stabanode so fixiert, dass ein über das Adapterelement in Richtung einer zu untersuchenden Probe weisender frei stehender Bereich an der Stabanode vorhanden ist.
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Das Adapterelement weist eine Durchführung auf, in die ein Teilbereich der Stabanode einführbar ist, wobei die Durchführung eine Kontur aufweist, die komplementär zur Außenkontur der äußeren Mantelfläche der Stabanode zumindest im Bereich, in dem das Adapterelement an der Stabanode fixierbar ist, ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist am Adapterelement mindestens ein Schlitz ausgebildet, der von einem radial äußeren Rand des Adapterelements bis zur Durchführung geführt ist. Dadurch kann mit einem Spannelement, beispielsweise einer Schraube eine Verspannung des Adapterelements an der Stabanode erfolgen, was zu einer kraftschlüssigen Verbindung führt. Bei einer Ausführung mit einem Schlitz sollten mindestens 95%, bevorzugt mindestens 98% der Oberfläche der Durchführung mit der äußeren Mantelfläche der Stabanode in berührendem Kontakt stehen.
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Durch das Adapterelement kann mehr als ein Kühlkanal geführt sein. Mehrerer Kanäle können dann in jeweils gleichen Abständen zueinander angeordnet sein, so dass dadurch ein möglichst kleiner Temperaturgradient im Bereich der sich berührenden Flächen des Adapterelements mit der Oberfläche der Stabanode erreichbar ist. Dies kann auch mit mindestens einem spiral- oder wendelförmig ausgebildeten Kühlkanal erreicht werden.
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Bei der Herstellung eines Adapterelements können zwei oder mehrere Teile eingesetzt werden, die eine Kontur aufweisen, mit der der/die Kühlkanal/kanäle, die Durchführung und ggf. der Schlitz berücksichtigt sind. Diese Teile können dann entsprechend übereinander angeordnet oder gestapelt und so an der radial außen umlaufenden Oberfläche und/oder dazwischen fluiddicht miteinander verbunden werden.
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Die Stabanode kann, zumindest im Bereich, in dem das Adapterelement fixiert werden soll, konisch ausgebildet sein. In dieser Ausführung soll die Durchführung ebenfalls entsprechend konisch ausgebildet sein. Es besteht auch allein oder zusätzlich die Möglichkeit die äußere Mantelfläche der Stabanode im Bereich, in dem das Adapterelement fixiert werden soll, mit einer Oberflächenkontur zu versehen. In der Durchführung sollte dann an der Oberfläche, die mit der äußeren Mantelfläche der Stabanode in Kontakt stehen soll, eine komplementäre Konturierung vorhanden sein. In diesen beiden Fällen wirkt sich die entsprechend vergrößerte Fläche, die zur Wärmeleitung und entsprechender Wärmeabfuhr zur Verfügung steht, vorteilhaft aus.
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Zumindest das Adapterelement sollte aus einem Werkstoff mit entsprechend hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen. Es kann beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung hierfür eingesetzt werden.
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Zwischen den sich berührenden Oberflächen der Stabanode und dem Adapterelement kann auch herkömmliche Wärmeleitpaste eingebracht sein, mit der die thermische Leitfähigkeit und damit die Wärmeabfuhr von der Stabanode zum Adapterelement und von dort über das eingesetzte Kühlmittel an die Umgebung verbessert werden können.
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Das bei der Erfindung eigesetzte Adapterelement bildet ein Kühlelement.
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Vorteilhaft ist dabei, dass Stabanode und Adapterelement als gesonderte Bauteile hergestellt werden können und dabei die Herstellung, wie oben bereits erwähnt, sehr einfach und kostengünstig erfolgen kann.
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Dadurch, dass die Fixierung des Adapterelements lösbar ausgebildet sein kann, ist ein einfacher Austausch beider Komponenten an der Mikrofokus-Röntgenröhre möglich.
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Mit der erreichbaren Kühlung ist ein stabiler Betrieb auch bei hohen Temperaturen und Leistungen möglich. Ein solcher Betrieb ist beispielsweise bei der Röntgentomographie oder anderen Einsatzarten, bei denen ein kontinuierlich betriebener Elektronenstrahl für die Emission von Röntgenstrahlung eingesetzt wird, möglich. Am Kühlkreislauf können Schnellkupplungen eingesetzt werden, die einen Austausch ebenfalls erleichtern.
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Da auch ein einfach aufgebauter Grundkörper an der Stabanode vorhanden sein kann, fördert dies zusätzlich die verbesserte Kompatibilität und eine erfindungsgemäße Stabanodenanordnung ggf. mit Grundkörper kann an verschiedenen unterschiedlich ausgebildeten Röntgenröhren eingesetzt werden.
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Die eigentliche Stabanode kann unterschiedliche geometrische Gestaltungen und Dimensionierungen aufweisen, was insbesondere auf den frei über das Adapterelement in Richtung Probe überstehenden Bereich zutrifft. Dort kann auch ein Target vorhanden sein, das mit einer Korpuskularstrahlung bestrahlt und zur Emission von Röntgenstrahlung genutzt wird. Die Stabanode kann dabei innen hohl, beispielsweise in Form eines Hohlzylinders ausgebildet sein und der Korpuskularstrahl durch diesen Hohlraum in an sich bekannter Weise auf ein Target gerichtet werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein Beispiel einer Stabanode und eines Adapterelements, wie sie bei der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden können und
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2 die in 1 gezeigte Stabanode mit dem daran fixierten Adapterelement.
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In 1 sind eine zylinderförmige Stabanode 1, die an einem Grundkörper 1.1 befestigt oder der Grundkörper 1.1 fester Bestandteil der Stabanode 1 ist, sowie ein Beispiel eines Adapterelements 2 gezeigt. Am Adapterelement 2 ist eine Durchführung 2.1 ausgebildet, die so gestaltet und dimensioniert ist, dass die Stabanode 1 zumindest nahezu spielfrei in die Durchführung eingeführt werden kann. Im einfachsten Fall kann die Durchführung 2.1 als Bohrung ausgebildet sein, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser der äußeren Mantelfläche der zylinderförmig ausgebildeten Stabanode 1 entspricht bzw. der Innendurchmesser der Durchführung 2.2 geringfügig größer als der Außendurchmesser der äußeren Mantelfläche der Stabanode 1 ist.
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Bei diesem Beispiel ist ein Schlitz 2.2 vom radial äußeren Rand des Adapterelements 2 bis zur Durchführung 2.1 geführt. In diesem Bereich ist eine Bohrung 2.4 vorhanden in die eine Schraube (nicht gezeigt), als Spannelement eingeführt und mit dem Adapterelement 2 verschraubt werden kann, wobei im Adapterelement 2 ein Innengewinde für eine Schraube vorhanden sein kann, mit dessen Hilfe eine Reduzierung des Spaltmaßes des Schlitzes 2.2 erreicht werden kann, wenn das Adapterelement 2, wie in 2 gezeigt, auf die Stabanode 1 aufgesetzt ist. Dadurch kann eine lösbare aber trotzdem innige Fixierung des Adapterelements 2 an der Stabanode 1 erreicht werden, die eine großflächige Wärmeleitung zwischen den in unmittelbar in Kontakt stehenden Oberflächen von Stabanode 1 und Adapterelement 2 ermöglicht.
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Bei einem möglichen Verzicht auf ein Spannelement kann dies aber auch mit einer Presspassung zwischen Stabanode 1 und Adapterelement 2 erreicht werden. Bei einem Verzicht auf einen Schlitz 2.2 ist eine solche Fixierung jedoch schwieriger wieder lösbar, falls ein Austausch erforderlich sein sollte.
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Am hier gezeigten Adapterelement 2 ist lediglich ein Kanal 2.3 ausgebildet über den ein Kühlmittel, wie mit den Pfeilen verdeutlicht, durch das Adapterelement 2 hindurch geführt wird und dadurch eine Kühlung der Stabanode 1 erreicht werden kann. Bei diesem Beispiel ist der Kanal 2.3 um die Durchführung 2.1 an der Seite, die dem Schlitz 2.2 gegenüberliegt, herum geführt, so dass Kühlmittel einen entsprechend verlängerten Weg durch das Adapterelement 2 hindurch zurück legen muss und dadurch eine größere Oberfläche und ein größeres Volumen für eine Wärmeabführung zur Verfügung stehen.
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Mit der Darstellung in 2 wird deutlich, dass ein Teilbereich der Stabanode 1 frei liegt, wenn das Adapterelement 2 an der Stabanode 1 fixiert worden ist. Dieser freiliegende Teilbereich kann einen kleineren Außendurchmesser aufweisen, als der Außendurchmesser der äußeren Mantelfläche der Stabanode 1 im Bereich, in dem das Adapterelement 2 fixiert werden soll. Der Teilbereich kann auch sich in Richtung einer zu untersuchenden Probe weisenden Seite der Stabanode sich konisch verjüngend ausgebildet sein. Bei dem gezeigten Beispiel ist dies die Richtung der frei liegenden Stirnfläche der Stabanode 1.
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Da das Adapterelement 2 auch direkt am Grundkörper 1.1 anliegen kann, gibt es dort ebenfalls einen berührenden Kontakt, so dass auch diese sich berührenden Flächen zur Wärmeleitung und damit zur Abführung von Wärme von der Stabanode 1 über das Adapterelement 2 mittels des Kühlmittels genutzt werden können.
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Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung angesprochen, besteht neben der Möglichkeit eines einteiligen Adapterelements 2, das beispielsweise ein Metallgussteil sein kann, auch die Möglichkeit der Herstellung eines Adapterelements 2 aus mindestens zwei Elementen, die dann fluiddicht miteinander verbunden werden können. Dabei kann in mindestens einem Element eine Vertiefung oder ein Ausschnitt ausgebildet sein, die/der den Verlauf eines Kanals 2.3 vorgibt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Elemente allein durch Ausschneiden in die gewünschte Kontur zu bringen. Dabei können der Verlauf eines oder mehrerer Kanäle 2.3, ein Schlitz 2.2 sowie eine Durchführung 2.1 ausgebildet werden. Die so ausgeschnittenen Elemente können dann entsprechend übereinander angeordnet und fluiddicht miteinander verbunden werden. Werden mehr als zwei Elemente für ein Adapterelement 2 genutzt, können diese plattenförmigen Elemente übereinander gestapelt und dann miteinander verbunden werden. Eine solche Herstellungsart ist unter der Bezeichnung „Melato” bekannt.
