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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenquelle mit einem evakuierbaren Außengehäuse mit wenigstens einem röntgenstrahldurchlässigen Strahlaustrittsfenster, einer Elektronenquelle zum Aussenden eines Elektronenstrahls und einer Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, bei dem eine Anode durch Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl Röntgenstrahlung aussendet.
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Bei bekannten Röntgenquellen werden innerhalb eines evakuierbaren Außengehäuses, einer sogenannten Röntgenröhre, Elektronen auf eine Anode beschleunigt, dessen Material geeignet ist, um Energie der beschleunigten Elektronen in Röntgenstrahlung umzuwandeln. Durch ein röntgenstrahldurchlässiges Austrittsfenster wird die Röntgenstrahlung aus der Röntgenquelle ausgekoppelt. Bei Verwendung in einem bildgebenden System wird die Strahlung dann typischerweise auf ein zu untersuchendes Objekt gerichtet und anschließend mit einem bildgebenden Röntgendetektor gemessen. Vor allem bei der medizinischen Bildgebung ist die Anwendung solcher Systeme weit verbreitet. Für die diagnostische Untersuchung menschlicher Körperteile ist es allgemein wünschenswert, eine möglichst hohe Bildqualität mit möglichst niedriger Röntgendosis zu erreichen. Hierfür ist eine möglichst monochromatische Röntgenstrahlung vorteilhaft, bei der die Strahlung im Wesentlichen aus charakteristischer Röntgenstrahlung besteht und nur zu einem möglichst geringen Teil aus der über einen weiten Energiebereich verteilten Bremsstrahlung.
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In der
US 7436931 B2 wird eine Röntgenquelle zur Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlung beschrieben. Hierbei wird eine sehr dünne Anode eingesetzt, die auf einem Anodenträger aus einem Material mit niedriger Kernladungszahl aufgebracht ist. Hierdurch wird erreicht, dass durch die Anodenschicht im Wesentlichen charakteristische Röntgenstrahlung in einem engen Energiebereich gebildet wird. Durch die geringe Schichtdicke der Anode und durch die geringe Kernladungszahl des Trägers wird außerdem wenig Bremsstrahlung emittiert, so dass nur ein geringer Anteil an breitbandiger Röntgenstrahlung von der Quelle erzeugt wird. Ein Nachteil bei der hier offenbarten Lösung ist die hohe Wärmeentwicklung in der Anodenschicht und im Anodenträger. Die Wärmeentwicklung in der Anode ist bei solchen Röntgenquellen generell limitierend für die Leistungsdichte des Elektronenstrahls und somit auch für die von der Röntgenquelle emittierte Strahlleistung. Ein weiterer Nachteil ist die geringe mechanische Festigkeit und der damit verbundene hohe Verschleiß der dünnen Anodenschicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenquelle zur Erzeugung möglichst monochromatischer Röntgenstrahlung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Röntgenquelle und das in Anspruch 10 beschriebene Verfahren gelöst.
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Die erfindungsgemäße Röntgenquelle umfasst ein evakuierbares Außengehäuse mit wenigstens einem röntgenstrahldurchlässigen Strahlaustrittsfenster, eine Elektronenquelle zum Aussenden eines Elektronenstrahls und eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Die Anode liegt bei einem Betrieb der Röntgenquelle in einer Dampfphase vor, wobei die dampfförmige Anode durch Verdampfen von einem in kondensierter Phase vorliegenden Vorrat an Anodenmaterial durch Einwirkung des Elektronenstrahls erzeugbar ist.
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Die erfindungsgemäße Röntgenquelle ermöglicht es, durch Verwendung einer dampfförmigen Anode Röntgenstrahlung mit einem hohen Anteil an im Wesentlichen monochromatischer charakteristischer Strahlung zu erzeugen. Die dynamische Erzeugung von einer dampfförmigen Anode direkt im Elektronenstrahl stellt die dafür verwendete Dampfanode direkt am Ort der Verwendung zur Verfügung. Durch das Vorliegen der Anode in Dampfform wird das Anodenmaterial automatisch in der für die Erzeugung monochromatischer Strahlung günstigen geringen Materialmenge zur Verfügung gestellt. Durch die geringe für die Wechselwirkung zur Verfügung stehende Materialmenge wird nur eine geringer Anteil an breitbandiger Bremsstrahlung und ein hoher Anteil an monochromatischer, charakteristischer Röntgenstrahlung erzeugt.
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Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Röntgenquelle den Betrieb bei besonders hohen Leistungsdichten des Elektronenstrahls, da die dampfförmige Anode durch Verdampfung von Anodenmaterial aus einem Materialvorrat kontinuierlich neu gebildet wird. Somit treten keine Probleme durch Materialverschleiß auf. Außerdem müssen keine speziellen Maßnahmen zur Entwärmung der Anode getroffen werden, da die durch Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl in der Dampfanode entstehende Wärme durch eine Diffusion und eine Strömung des Dampfes weg von dem Ort der Entstehung der Röntgenstrahlung kontinuierlich abtransportiert wird. Es kann somit ein Elektronenstrahl mit wesentlich höherer Leistungsdichte eingesetzt werden als bei Röntgenquellen mit einer festen Anodenschicht. Selbst bei der Verwendung von schnell rotierenden Anoden, sogenannten Drehanoden, ist die Entwärmung der Anodenschicht im Bereich der Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl ein limitierender Faktor für die gesamte Strahlleistung von herkömmlichen Röntgenquellen.
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Gerade für die Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlung ist die Verwendung eines Elektronenstrahls mit hoher Leistung besonders wichtig, da bei Wechselwirkung mit einer geringen Menge an Anodenmaterial auch nur ein kleiner Anteil der Elektronenstrahlleistung in Röntgenstrahlung konvertiert werden kann. Um eine für unterschiedliche bildgebende Verfahren benötigte minimale Strahlungsleistung zu erreichen, muss also die Leistung des verwendeten Elektronenstrahls noch wesentlich höher sein als beim Einsatz von herkömmlichen festen Anoden mit höheren Schichtdicken und höherem Konversionsanteil. Neben der hohen absoluten Leistung des Elektronenstrahls ist auch eine hohe Leistungsdichte des Elektronenstrahls am Ort der Wechselwirkung mit dem Anodenmaterial wichtig. Wenn der Elektronenstrahl auf einen sehr kleinen Bereich mit entsprechend hoher Leistungsdichte fokussiert werden kann, dann kann räumlich besonders gut definierte Röntgenstrahlung erzeugt werden, mit der die Aufnahme von besonders hoch ortsauflösenden Röntgenbildern möglich ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird innerhalb eines evakuierbaren Außengehäuses einer Röntgenquelle eine dampfförmige Anode durch Beschuss von einem in kondensierter Phase vorliegenden Anodenmaterial mit einem Elektronenstrahl kontinuierlich gebildet. Die dampfförmige Anode sendet durch Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl Röntgenstrahlung aus. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ergeben sich analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die Röntgenquelle zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Die Röntgenquelle kann eine Einspeisevorrichtung zur Einspeisung von einem in einer kondensierten Phase vorliegenden Anodenmaterial aus einem Anodenvorrat in eine Interaktionszone im Bereich des Elektronenstrahls umfassen. Mit dieser Ausführungsform kann das Anodenmaterial kontinuierlich für die Verdampfung im Elektronenstrahl zur Verfügung gestellt werden, so dass ständig neues Material zur Verdampfung im Elektronenstrahl bereit steht. Somit kann auch ständig neues dampfförmiges Anodenmaterial in der Interaktionszone gebildet werden, so dass ständig eine ausreichend hohe Dampfdichte in dieser Zone gewährleistet ist. Die Interaktionszone ist durch dem räumlichen Überlapp des Elektronenstrahls mit der gebildeten Dampfwolke gegeben. In Richtung senkrecht zu einer Achse des Elektronenstrahls ist die Breite der Interaktionszone also durch die seitliche Ausdehnung des Elektronenstrahls selbst gegeben. Entlang der Achse des Elektronenstrahls ist die Ausdehnung der Interaktionszone durch die Breite des Einspeisungsbereichs und die Form und Größe der entstehenden Dampfwolke gegeben. Zweckmäßig ist die Breite der Interaktionszone in verschiedenen Raumrichtungen ähnlich groß. Bevorzugt kann die seitliche Ausdehnung des Elektronenstrahls und die effektive Breite des Einspeisungsbereichs jeweils unterhalb von 500 µm liegen, besonders bevorzugt können beide Ausdehnungen unterhalb von 250 µm liegen.
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Die Einspeisevorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass Anodenmaterial in die Interaktionszone des Elektronenstrahls katapultierbar ist. In dieser Ausführungsform ist der Einspeisungsbereich also eine Wurfbahn, auf der Anodenmaterial ballistisch in die Interaktionszone eingebracht wird. Der Einwurf von kleinen Materialportionen in die Interaktionszone erleichtert das vollständige Verdampfen dieser Portionen im Elektronenstrahl und bewirkt, dass während der Erzeugung der Röntgenstrahlung höchstens ein kleiner Restanteil an unverdampftem Anodenmaterial in der Interaktionszone vorliegt.
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Insbesondere kann die Röntgenquelle so ausgestaltet sein, dass das Anodenmaterial als portionierter Feststoff in die Interaktionszone katapultierbar ist. Beispielsweise kann der Feststoff in Form eines Pulverstrahls durch eine Düse in die Interaktionszone eingeleitet werden. Alternativ kann der Feststoff auch in Form von Körnern oder anderen einzelnen Partikeln gepulst in den Elektronenstrahl eingeschossen werden. Das in fester Form vorliegende Anodenmaterial kann bevorzugt metallische Materialien umfassen, besonders bevorzugt Materialien mit einer Kernladungszahl von wenigstens 40. Besonders geeignete Materialien sind Molybdän mit einer Kernladungszahl von 42 und Wolfram mit einer Kernladungszahl von 74. Ein solches schweres metallisches Material kann auch in einer Legierung mit anderen Metallen, als oxidisches Material, als Salz oder als sonstige chemische Verbindung vorliegen. Die Anodenpartikel können beispielsweise auch in Form eines porösen Festkörpers, insbesondere in Form eines Aerogels, vorliegen.
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Alternativ kann die Röntgenquelle so ausgestaltet sein, dass Anodenmaterial in Form flüssiger Tröpfchen in die Interaktionszone katapultierbar ist. Auch hier kann das Anodenmaterial bevorzugt die oben erwähnten metallischen Materialien, insbesondere metallische Materialien mit einer Kernladungszahl von wenigstens 40 umfassen. Zusätzlich umfasst das Anodenmaterial vorteilhaft jedoch auch andere Materialien, die bei Raumtemperatur oder bei leicht erhöhten Temperaturen flüssig sind. So kann das Anodenmaterial beispielsweise eine niedrig schmelzende Legierung sein, oder feste metallische Partikel können auch in einer anderen Flüssigkeit dispergiert vorliegen. Wesentlich ist, dass das Anodenmaterial in dieser Ausführungsform portionsweise in Form kleiner Tropfen in die Interaktionszone katapultierbar ist. So kann die Einspeisevorrichtung beispielsweise eine Düse umfassen, die das Anodenmaterial in Form eines fein versprühten Nebels oder in regelmäßigen einzelnen Tröpfchen in die Interaktionszone einspeist. Diese Düse kann beispielsweise ähnlich wie die Düse eines Tintenstrahldruckers ausgestaltet sein.
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Die Einspeisung des Anodenmaterials kann generell kontinuierlich oder gepulst erfolgen, wobei die Frequenz bei gepulster Einspeisung beispielsweise in einem Bereich oberhalb von 1 kHz, bevorzugt in einem Bereich oberhalb von 10 kHz liegen kann. Somit wird bei gepulster Einspeisung ein quasi-kontinuierlicher Betrieb der Röntgenquelle ermöglicht. Generell kann der Elektronenstrahl der Röntgenquelle auch gepulst oder kontinuierlich betrieben werden. Bei einem gepulsten Betrieb ist die Synchronisation von Pulsen des Elektronenstrahls mit Pulsen der Materialeinspeisung zweckmäßig.
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Innerhalb des evakuierbaren Außengehäuses kann ein Dampfgefäß angeordnet sein, das bei einem Betrieb der Röntgenquelle die dampfförmige Anode wenigstens teilweise umschließt. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Dampfgefäß eine räumliche Trennung eines Bereichs um die Interaktionszone mit einer relativ gesehen höheren Dampfdichte von einem äußeren Bereich mit einem besseren Vakuum ermöglicht. Zweckmäßig ist die Elektronenquelle außerhalb des Dampfgefäßes angeordnet, so dass die Elektronenquelle in einem Bereich mit besserem Vakuum liegt. Der Bereich zwischen Außengehäuse und Dampfgefäß kann kontinuierlich mit einer Vakuumpumpe evakuiert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den Bereich innerhalb des Dampfgefäßes mit einer Vakuumleitung leer zu pumpen, um so die kontinuierlich eingebrachte Menge an Anodenmaterial wieder zu entfernen. Die Röntgenquelle kann auch eine Kühlvorrichtung umfassen, mit der das Dampfgehäuse auf eine Temperatur von beispielsweise 30 Grad Celsius oder weniger gekühlt werden kann. Dann kann Anodenmaterial an der Wand des Dampfgehäuses kondensieren und wird so kontinuierlich dem Innenraum dieses Gehäuses entzogen, so dass zwischen Dampfgehäuse und Außengehäuse trotzdem ein relativ gutes Vakuum aufrechterhalten werden kann. Die Ausbildung des Vakuums ist nötig, um den Betrieb der Elektronenquelle und eine Beschleunigung und einen stoßarmen Transport der Elektronen entlang einer zentralen Strahlrichtung zu gewährleisten. Auch der Druck innerhalb des Dampfgefäßes darf im Mittel nicht zu hoch sein, da sonst der Transport des Elektronenstrahls in die Interaktionszone erschwert ist. Bei einem kontinuierlichen Abtransport des Anodenmaterials durch Abpumpen und/oder Kondensation an den Gefäßwänden kann vorteilhaft ein Gleichgewichtszustand erreicht werden, bei dem im Zentrum der Interaktionszone eine relativ hohe Dampfdichte von bevorzugt mindestens 0,01 bar, besonders bevorzugt mindestens 0,1 bar vorliegt, und bei dem die Dampfdichte von diesem Zentrum ausgehend etwa quadratisch mit der radialen Entfernung abnimmt.
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Die Elektronenquelle und der Vorrat an Anodenmaterial können Teil eines elektrischen Schaltkreises sein, wobei die Elektronenquelle bei Betrieb der Röntgenquelle auf einem im Verhältnis zum Anodenvorrat negativen Potential sein kann. Ein solcher Potentialunterschied ermöglicht es, von der Elektronenquelle freigesetzte Elektronen in Richtung des Anodenmaterials zu beschleunigen. Es wird dabei davon ausgegangen, dass auch von dem Anodenvorrat aus eingespeiste Anodenpartikel und/oder Anodentröpfchen sowie eine daraus durch Verdampfung entstehende Dampfwolke ein elektrisches Potential beibehalten, das in der Nähe des Potentials des Anodenvorrats liegt. Insbesondere soll im Betrieb der Röntgenquelle auch das elektrische Potential der dampfförmigen Anode niedriger sein als das elektrische Potential der Elektronenquelle, so dass die freigesetzten Elektronen in Richtung der dampfförmigen Anode beschleunigt werden. Zusätzlich kann die Röntgenquelle noch eine Fokussiereinheit umfassen. Beispielsweise umfasst diese Fokussiereinheit eine oder mehrere Steuerelektroden, die in Form eines Schalensegments um die Interaktionszone angeordnet sein können. Eine solche Fokussiereinheit dient dazu, den Elektronenstrahl so zu bündeln, dass er im Bereich der Interaktionszone eine möglichst geringe seitliche Ausdehnung aufweist.
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Die Röntgenquelle kann einen Kollektor zum Auffangen von die dampfförmige Anode durchdringenden Elektronen umfassen, wobei der Kollektor bei Betrieb der Röntgenquelle auf einem im Verhältnis zu einem Vorrat an Anodenmaterial negativen Potential ist. Dadurch wird bewirkt, dass das Potential des Kollektors auch negativ im Verhältnis zu der daraus gebildeten dampfförmigen Anode ist. Zweckmäßig ist der Kollektor in Elektronenstrahlrichtung nach der dampfförmigen Anode angeordnet, so dass die die Anode durchdringenden Elektronen auf ihrem Weiterweg zum Kollektor hin abgebremst werden. Das elektrische Potential des Kollektors kann vorzugsweise zwischen dem Potential der Elektronenquelle und dem Potential des Anodenvorrats liegen, so dass die Elektronen auf dem Weg von der Dampfanode zum Kollektor nur einen Teil ihrer kinetischen
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Energie verlieren. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die energetische Effizienz der Röntgenquelle erhöht wird, da ein Anteil der kinetischen Energie der Elektronen wieder an das elektrische Feld zurückgegeben wird. Bei Verwendung einer dampfförmigen Anode ist dieser Aspekt besonders wichtig, da die Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in Röntgenstrahlung bei einer geringen Dichte an Anodenmaterial eher gering ist. Umso entscheidender ist daher die Rückgewinnung der nicht umgewandelten Energie der nicht in Wechselwirkung tretenden Elektronen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass durch das Abbremsen der Elektronen eine weitere Wechselwirkung hochenergetischer Elektronen in anderen Materialien vermieden wird, so dass die Entstehung zusätzlicher Bremsstrahlung unterdrückt wird, was zu einer Verbesserung der monochromatischen Eigenschaften der Röntgenquelle beiträgt.
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Der Kollektor kann entlang der Elektronenstrahlrichtung dicker ausgestaltet sein als die mittlere Eindringtiefe der Elektronen bei einer kinetischen Energie der Elektronen von 150 keV. Die maximale kinetische Energie, auf die Elektronen in Röntgenquellen beschleunigt werden, liegt bei vielen Röntgenquellen im Bereich bis zu 150 keV. Wenn der Kollektor so ausgestaltet ist, dass er im Bereich dieser Elektronenenergie dicker als die mittlere Eindringtiefe der Elektronen ist, dann wird im Betrieb der Röntgenquelle ein wesentlicher Anteil der Elektronen mit dieser Maximalenergie von dem Kollektor abgefangen werden. Wenn der Kollektor außerdem, wie vorgesehen, im Betrieb auf ein negatives Potential gebracht wird, dann werden die Elektronen vor Eintritt in das Material des Kollektors abgebremst, und entsprechend wird ein noch größerer Anteil der Elektronen von dem Kollektor aufgefangen. Der Anteil der durch den Kollektor aufgefangenen Elektronen beträgt in dieser Ausführungsform mindestens 1 – 1/e und somit über 63%.
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Das Material des beschriebenen Kollektors kann ein elektrisch leitendes Material umfassen, beispielsweise Edelstahl und/oder Kupfer. Der Kollektor kann entlang der Elektronenstrahlrichtung eine Dicke von wenigstens 1 mm aufweisen.
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Der Kollektor kann in Elektronenstrahlrichtung eine Vertiefung aufweisen. Eine solche Vertiefung ist vorteilhaft, um die beschleunigten Elektronen im Kollektor zuverlässig aufzufangen und ein seitliches Entweichen der Elektronen zum Außengehäuse der Röntgenquelle zu verhindern. Die Ausbildung einer Vertiefung des Kollektors ist zweckmäßig, da ein gewisser Anteil der Elektronen an der Anode gestreut und somit in ihrer Flugrichtung verändert werden. Ein Kollektor mit einer Vertiefung ist besonders geeignet, möglichst viele gestreute Elektronen aufzufangen.
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Die beschriebene Vertiefung kann trapezförmig ausgestaltet sein. Alternativ kann die Vertiefung auch rechteckförmig, U-förmig oder halbkreisförmig ausgestaltet sein. Sie kann eine Tiefe von wenigstens 1 cm aufweisen, besonders vorteilhaft kann die Tiefe zwischen 5 cm und 15 cm betragen.
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Die Röntgenquelle kann wenigstens eine Ablenkeinheit zum Ablenken des Elektronenstrahls auf eine gekrümmte Elektronenbahn umfassen. Insbesondere kann der Elektronenstrahl zwischen Elektronenquelle und Interaktionszone gekrümmt sein. Eine solche Anordnung ist vor allem bei Vorliegen eines Dampfgefäßes vorteilhaft, denn dann kann die Elektronenquelle so positioniert sein, dass sie nicht in einer von der Interaktionszone aus direkt zugänglichen Ausbreitungsrichtung des Dampfes liegt. Zweckmäßig ist das Dampfgefäß mit einer Öffnung zur Einkopplung des Elektronenstrahls versehen. Die Elektronenquelle kann beispielsweise so versetzt angeordnet sein, dass sie neben einer direkten Verbindungsachse dieser Eintrittsöffnung und der Interaktionszone liegt. Die Ablenkeinheit dieser Ausführungsform kann beispielsweise eine Magnetspule und/oder eine elektrostatische Ablenkeinheit, beispielsweise in Form eines gebogenen Schirmrohres, umfassen. Das Auftreffen von dampfförmigem Anodenmaterial auf die Elektronenquelle wird in dieser Ausführungsform zwar nicht vollständig vermieden, aber durch die Eigenschaften der Strömungsausbreitung bei Knudsen-Strömung oder bei Prandtl-Meyer-Eckenströmung ist die Ausbreitung des Dampfes entlang nicht geradliniger Wege zumindest stark vermindert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann das Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Das in kondensierter Phase vorliegende Anodenmaterial kann mittels einer Einspeisevorrichtung in eine Interaktionszone des Elektronenstrahls katapultiert werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 3.
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Das Anodenmaterial kann in Form eines Feststoffs portionsweise in die Interaktionszone eingespeist werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 4.
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Das Anodenmaterial kann in Form von flüssigen Tröpfchen in die Interaktionszone eingespeist werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 5.
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Ein innerhalb des evakuierbaren Außengehäuses vorliegendes und die dampfförmige Anode wenigstens teilweise umschließendes Dampfgehäuse kann auf eine Temperatur von höchstens 100 Grad Celsius gekühlt werden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine kontinuierliche Entfernung der dampfförmigen Anode aus dem Dampfgefäß, was die Aufrechterhaltung eines besseren Vakuums im Bereich zwischen Außengehäuse und Dampfgefäß und das Erreichen einer niedrigeren mittleren Dampfdichte im Innenraum des Dampfgefäßes ermöglicht.
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Der Elektronenstrahl kann nach Durchtritt durch die dampfförmige Anode durch einen Kollektor gebremst und aufgefangen werden, der auf einem im Verhältnis zum Anodenmaterial negativen Potential gehalten wird. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des gegenständlichen Anspruchs 8.
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Weiterhin kann das Verfahren die Auskopplung der Röntgenstrahlung durch ein hierfür vorgesehenes Strahlauskopplungsfenster umfassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen erläutert, von denen:
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1 einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt und
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2 einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
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Einander entsprechende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein schematischer Querschnitt einer Röntgenquelle 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 gezeigt. Gezeigt ist ein evakuierbares Außengehäuse 3, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Das Außengehäuse 3 kann beispielsweise als Hohlkugel oder als Hohlzylinder ausgebildet sein. Die Bildung eines Vakuums innerhalb des Gehäuses 3 ist Voraussetzung für die Emission von Elektronen in diesen Raum und deren Beschleunigung in Richtung eines vorgegebenen Orts. Das Außengehäuse 3 ist mit einem Strahlaustrittsfenster 5 versehen, das dazu dient, die erzeugte Röntgenstrahlung 9 aus der Röntgenquelle 1 auszukoppeln. Auch das Strahlaustrittsfenster 5 ist vakuumdicht gegen das Außengehäuse 3 abgedichtet. Geeignete Materialien für das Strahlaustrittsfenster 5 sind beispielsweise Beryllium oder Aluminium.
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Innerhalb des evakuierbaren Raums sind eine Elektronenquelle 7, ein Dampfgefäß 25 mit einer Eintrittsöffnung 26 und einer Austrittsöffnung 27 und ein Kollektor 21 angeordnet. Die Elektronenquelle 7 dient zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, der entlang einer zentralen Elektronenflugbahn 11 beschleunigt wird. Die Elektronenquelle 7 kann eine Feldemissionskathode oder eine Glühkathode sein. Eine Feldemissionskathode ist eine sogenannte kalte Kathode, bei der Elektronen typischerweise durch ein sehr hohes lokales Feld in den evakuierten Raum der Röntgenquelle emittiert werden. Im Unterschied hierzu werden bei einer Glühkathode die Elektronen unter dem Einfluss von hoher Temperatur aus dem Kathodenmaterial in den evakuierten Raum emittiert.
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Unterhalb des Dampfgefäßes 25 ist eine Einspeisevorrichtung 16 angeordnet, durch die Anodenmaterial in Form von Tröpfchen 14 durch eine Düse 19 in das Innere des Dampfgefäßes 25 eingespeist werden kann. Das Anodenmaterial liegt hierbei in einem Vorratsbehälter 17 als flüssiger Anodenvorrat 15 vor. Durch die Düse 19 werden die Tröpfchen 14 gepulst in regelmäßigen Abständen in Richtung des Zentrums des Dampfgefäßes 25 eingespritzt. Der Durchmesser der Tröpfchen kann hierbei beispielsweise zwischen 5 und 20 µm liegen. Das Anodenmaterial wird so eingespeist, dass sich der Strom des Materials mit der zentralen Elektronenflugbahn 11 kreuzt. Im Bereich der Kreuzung wird das Anodenmaterial durch den Einfluss des Elektronenstrahls verdampft. Es entsteht eine Dampfwolke 13, die in 1 durch zwei Querschnittslinien gleicher Dampfdichte angedeutet ist. Dabei nimmt die Dampfdichte vom Zentrum des Entstehens der Dampfwolke nach außen hin stark radial ab. Schließlich tritt der Elektronenstrahl in Wechselwirkung mit der dampfförmigen Anode 13, und es bildet sich im Überlappungsbereich eine Interaktionszone 12.
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Die Röntgenquelle 1 umfasst einen hier nicht gezeigten elektrischen Schaltkreis, der im Betrieb den Anodenvorrat 15 auf ein im Verhältnis zur Elektronenquelle 7 positives Potential bringen kann. In diesem Beispiel liegt der Anodenvorrat 15 zusammen mit der Wand des Dampfgefäßes 25 auf einem Potential von 0 V, während die Elektronenquelle 7 auf einem Potential von –100 V liegt. Durch diese Potentialdifferenz werden die emittierten Elektronen von der Elektronenquelle 7 in Richtung des Zentrums des Dampfgefäßes 25 und in Richtung der Anodentröpfchen 14 beschleunigt. Zur Bündelung und Fokussierung des Elektronenstrahls umfasst die Röntgenquelle 1 noch eine Fokussierelektrode, die hier der Übersichtlichtkeit halber nicht gezeichnet sind. Sie ist innerhalb des Dampfbehälters 25 als Schalensegment um die Interaktionszone 12 angeordnet. Das verdampfte Anodenmaterial 13 tritt nun in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 11 und wird durch ihn teilweise ionisiert. Es entsteht ein Plasma mit einer hohen Konzentration an positiven Ionen, die den Elektronenstrahl im Zentrum der Interaktionszone 12 zusätzlich fokussieren. Dadurch ergibt sich für die Interaktionszone 12 eine leicht taillierte Form, und der Fokus der Röntgenquelle wird enger. Ein Teil der kinetischen Energie des Elektronenstrahls kann nun durch Wechselwirkung mit dem dampfförmigen Anodenmaterial 13 in Röntgenstrahlung 9 konvertiert werden. Da die Wechselwirkung nur mit einer geringen Materialmenge stattfindet, tritt insgesamt nur ein geringer Anteil der Elektronen in Wechselwirkung, und es wird nur ein geringer Anteil der Elektronenenergie übertragen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Anteil an entstehender charakteristischer Röntgenstrahlung hoch ist und nur ein geringer Anteil an breitbandiger Bremsstrahlung entsteht. Wie in 1 gezeigt, kann diese Röntgenstrahlung 9 nun beispielsweise in Richtung des Elektronenstrahls durch das Strahlaustrittsfenster 5 ausgekoppelt werden. Eine Auskopplung entlang der lokalen Elektronenstrahlachse ist besonders günstig, da durch die taillierte, krawattenartige Form der Interaktionszone die Strahlung in dieser Richtung besonders gut räumlich fokussiert ist. Die Strahlung kann in einem Winkelbereich α um eine zentrale Auskopplungsrichtung liegen, der Beispielsweise in einem Bereich von bis zu +/–50 Grad, besonders vorteilhaft in einem Bereich von bis zu +/–10 Grad liegen kann.
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Das Dampfgefäß 25 kann mit einer hier nicht gezeigten Kühleinrichtung auf eine Temperatur unterhalb von beispielsweise 30 Grad Celsius gekühlt werden, so dass das verdampfte Anodenmaterial 13 an den Wänden des Gefäßes 25 kondensiert. Auf diese Weise wird das kontinuierlich zugeführte Material auch wieder kontinuierlich aus der Dampfphase entfernt, so dass zumindest im Bereich außerhalb des Dampfgefäßes 25 ein ausreichendes Vakuum aufrechterhalten werden kann.
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Durch die Austrittsöffnung 27 des Dampfgefäßes 25 kann der Elektronenstrahl 11 wieder austreten und trifft in diesem Beispiel auf einen Kollektor 21, an dem ein elektrisches Potential von –90 kV anliegt. Auf dem Weg zum Kollektor 21 werden die Elektronen wieder abgebremst und verlieren aufgrund der Potentialdifferenz etwa 90% ihrer maximalen kinetischen Energie. Sie treffen schließlich auf das Material des Kollektors 21 auf und werden von diesem aufgefangen. Durch diese Art des Abbremsens und Auffangens bildet sich nur ein sehr geringer Anteil an Bremsstrahlung, was ebenfalls zu den monochromatischen Eigenschaften der Röntgenquelle 1 beiträgt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zentrale Elektronenflugbahn 11 eine gebogene Flugbahn, was durch zwei Ablenkeinheiten 23 bewirkt wird, die hier jeweils außerhalb des Dampfgefäßes 25 angeordnet sind. Dabei ist eine Ablenkeinheit 23 zwischen Elektronenquelle 7 und Interaktionszone 12 und die andere Ablenkeinheit 23 zwischen Interaktionszone 12 und Kollektor 21 angeordnet. In diesem Beispiel handelt es sich um zwei Magnetspulen. Es können jedoch alternativ auch andere Ablenkeinheiten, wie beispielsweise elektrostatische Ablenkeinheiten Verwendung finden und/oder es können weitere Ablenkeinheiten innerhalb des Dampfgefäßes 25 angeordnet sein. Die Elektronenquelle 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass sie versetzt neben einer geraden Verbindungslinie zwischen der Interaktionszone 12 und der Eintrittsöffnung 26 des Dampfgefäßes 25 liegt. Hierdurch ist die Elektronenquelle nicht der direkt durch die Eintrittsöffnung 26 austretenden Dampfströmung ausgesetzt. Durch die Anordnung der Auskopplungsrichtung 10 und des Strahlauskopplungsfensters 5 auf der Seite der Austrittsöffnung 27 des Dampfgefäßes 25 kann die Eintrittsöffnung 25 auch sehr klein gehalten werden, so dass der Bereich der Elektronenquelle 7 möglichst gut von der Dampfströmung abgeschirmt ist. Zusätzlich können noch weitere hier nicht gezeigte Abschattungselemente vorgesehen sein, um die Elektronenquelle 7 vor der sich ausbreitenden Dampfströmung zu schützen.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird hier das Anodenmaterial in Form einzelner fester Partikel 29 in das Innere des Dampfbehälters 25 eingespeist. Auch die Partikel 29 werden aus einem Vorratsbehälter 17 durch eine Düse 19 eingespeist. Im Vorratsbehälter 17 liegt das Anodenmaterial in Form eines Pulvers mit möglichst homogener Partikelgröße vor. Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt in der Anordnung des Strahlaustrittsfensters 5 auf der Seite der Eintrittsöffnung 26 des Dampfgefäßes. Die Auskopplungsrichtung 10 der Röntgenstrahlung 9 ist also in gegengesetzter Richtung zur lokalen Strahlrichtung des Elektronenstrahls 11 orientiert. Diese rückwärtige Auskopplung hat den Vorteil, dass in dieser Richtung das Verhältnis von charakteristischer Röntgenstrahlung zu Bremsstrahlung noch günstiger ist als in Vorwärtsrichtung. Eine Schwierigkeit bei dieser Geometrie besteht allerdings darin, dass die Eintrittsöffnung 26 des Dampfbehälters 25 je nach Wahl des auszukoppelnden Winkelbereichs α etwas grö0er gewählt werden muss, als allein für die Einkopplung des Elektronenstrahls 11 nötig wäre. In dieser Ausführungsform müssen also zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um die Elektronenquelle 7 vor der Ausbreitung des dampfförmigen Anodenmaterials 13 zu schützen. Es ist hier also die Verwendung zusätzlicher, in diesem Beispiel nicht gezeigter Schutzstrukturen zur Abschirmung der Elektronenquelle 7 vor der Dampfströmung zweckmäßig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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