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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenquelle mit einem Anodenstrahlgenerator zur Erzeugung eines flüssigen Anodenstrahls und einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anodenstrahl gerichtet ist.
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Bei bekannten Röntgenquellen werden von einer Elektronenquelle ausgesendete Elektronenstrahlen in Richtung einer Anode so stark beschleunigt, dass durch die Wechselwirkung zwischen Anode und Elektronenstrahl Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die Röntgenstrahlung wird dabei typischerweise sowohl in Form von Bremsstrahlung als auch in Form von charakteristischer Röntgenstrahlung erzeugt. Es ergibt sich dann ein Röntgenspektrum, in dem beide Arten von Röntgenstrahlung einander überlagert sind.
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Bei herkömmlichen Röntgenquellen liegt das Anodenmaterial als Feststoff vor. Die feste Anode kann dabei entweder ortsfest angeordnet sein, oder es wird eine sogenannte Drehanode verwendet, die beim Betrieb der Röntgenquelle schnell rotiert, um die lokale Aufheizung des Anodenmaterials im Bereich der Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl zu verringern. Röntgenröhren mit Festkörper-Anoden haben allgemein den Nachteil, dass die Leistungsdichte der im Wechselwirkungsbereich entstehenden Röntgenstrahlung durch die bei der Wechselwirkung erzeugte Wärme limitiert ist. Sowohl für die medizinische Bildgebung als auch für die Röntgenanalytik ist es wünschenswert, Röntgenquellen mit möglichst hoher Leistung und mit möglichst kleinem Brennfleck, also mit möglichst geringer Ausdehnung des Wechselwirkungsbereichs zu entwickeln. Die Leistungsdichte ist bei festen Drehanoden vor allem durch die thermische Belastbarkeit des Anodenmaterials und durch die Geschwindigkeit der Rotation limitiert. Die Leistungsdichte muss dabei niedrig genug sein, um ein lokales Schmelzen oder gar ein Abdampfen des Anodenmaterials zu verhindern.
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Die Leistungsdichte von Röntgenquellen kann durch den Einsatz von sogenannten Metallstrahl-Röntgenquellen verbessert werden, bei denen ein flüssiger Anodenstrahl erzeugt wird und in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl gebracht wird. Eine solche Flüssiganodenquelle ist in der
EP 1 305 984 beschrieben. Der Anodenstrahl wird hier durch Herausdrücken eines in einem geheizten Druckbehälter verflüssigten Materials durch eine Auslassöffnung erzeugt. Bei den so erzeugten Anodenstrahlen kann das Anodenmaterial im Strahl eine Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 1000 m/s aufweisen. Damit kann die Transportgeschwindigkeit um etwa eine Größenordnung höher liegen als bei typischen Drehanoden, was die mögliche lokale Leistungsdichte stark erhöht. Außerdem durchläuft der Strahl im Gegensatz zur Drehanode den Wechselwirkungsbereich nur einmal, bevor das flüssige Material aufgefangen und dem Kreislauf wieder zugeführt wird.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass das Anodenmaterial bereits verflüssigt ist, und dass nicht wie bei der festen Drehanode ein Schmelzen des Materials verhindert werden muss. Daher ist auch die erlaubte thermische Last deutlich größer als bei Röntgenquellen mit festen Anoden. Es muss nur ein zu starkes Verdampfen des Anodenmaterials vermieden werden.
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Ein Nachteil der bekannten Metallstrahlquellen ist jedoch, dass die energetische Effizienz für die Erzeugung von charakteristischer Röntgenstrahlung relativ gering ist. Flüssige Anodenstrahlen haben typischerweise ein annähernd kreiszylindrisches Strahlprofil mit Durchmessern im Bereich von 100 bis 500 µm. Ein großer Anteil der Elektronen wird durch die Wechselwirkung mit einem solchen Anodenstrahl bis zum Stillstand abgebremst, obwohl nur der eher hochenergetischer Teil der Elektronen zur Erzeugung von charakteristischer Röntgenstrahlung geeignet ist. So entsteht durch die Wechselwirkung viel Bremsstrahlung. Dieser Nachteil ist besonders schwerwiegend bei Anwendungen, bei denen möglichst monochromatische Röntgenstrahlung, also ein möglichst hoher Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung benötigt wird. Vor allem bei der medizinischen Bildgebung ist eine quasi-monochromatische Röntgenquelle vorteilhaft, um einen guten Weichteilkontrast bei möglichst niedriger Dosisbelastung des Patienten zu erreichen. Aber auch in der Röntgenanalytik besteht ein immer größerer Bedarf an spektral schmalbandiger Röntgenstrahlung mit kleinen Brennflecken und hohen Leistungsdichten.
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Zur Erzeugung von quasi-monochromatischer Röntgenstrahlung mit einem hohen Anteil an charakteristischer Strahlung ist es allgemein günstig, eine möglichst dünne Anode zu verwenden, welche die Elektronen nicht vollständig abbremst und nur einen geringen Anteil an Bremsstrahlung erzeugt. Eine hierfür günstige Anodendicke liegt beispielsweise bei gängigen Materialien in einem Bereich zwischen 0.1 µm und 10 µm. Würde ein kreiszylindrischer Anodenstrahl mit einem Durchmesser unterhalb von 10 µm eingesetzt, dann wäre allerdings auch die Breite des Wechselwirkungsbereichs nur weniger als 10 µm, und die maximale Leistung der Röntgenquelle wäre wieder stark begrenzt, da die gesamte Leistung auf sehr kleinem Raum erzeugt werden muss. Auch der Elektronenstrahl müsste auf diesen sehr engen Bereich fokussiert werden. Bei den Metallstrahlanoden ist die maximale Leistungsdichte der erzeugten Röntgenstrahlung vor allem durch das Verdampfen des Anodenmaterials bei einem lokal sehr hohen Energieeintrag in die Anode begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenquelle 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 einen Anodenstrahlgenerator zur Erzeugung eines flüssigen Anodenstrahls und eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anodenstrahl gerichtet ist. Sie umfasst ferner einen Elektronenkollektor, der zum Abbremsen und anschließenden Auffangen von den Anodenstrahl durchdringenden Elektronen ausgestaltet ist und der in Richtung des Elektronenstrahls nach dem Wechselwirkungsbereich angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Röntgenquelle ermöglicht es, durch Verwendung eines flüssigen Anodenstrahls in dem Wechselwirkungsbereich zwischen Anodenstrahl und Elektronenstrahl Röntgenstrahlung mit hoher Leistungsdichte zu erzeugen. Insbesondere kann der Elektronenstrahl im Wechselwirkungsbereich eine hohe Leistungsdichte aufweisen und relativ eng fokussiert sein, da das flüssige Anodenmaterial im Strahl schnell weitertransportiert werden kann. Außerdem kann ein im Verhältnis zu Festanoden vergleichsweise hoher Wärmeeintrag durch in das Anodenmaterial durch die Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl toleriert werden, da das Anodenmaterial bereits in der flüssigen Phase vorliegt und ein Schmelzen nicht verhindert werden muss. Durch die Ausgestaltung der Röntgenröhre mit einem Elektronenkollektor ist es vorteilhaft, die Röntgenröhre so auszugestalten und zu betreiben, dass die beschleunigten Elektronen nur zum Teil durch den Anodenstrahl abgebremst und/oder absorbiert werden. Ein verbleibender Anteil kann den Anodenstrahl durchdringen und wird höchstens schwach abgebremst. Dieser verbleibende Anteil der Elektronen kann dann unter Rückgewinnung der kinetischen Energie in elektrische Energie von dem Elektronenkollektor abgebremst und von diesem absorbiert werden. Dazu sind Material und Dicke des Elektronenkollektors vorteilhaft so gewählt, dass bei einer maximalen Betriebsspannung der Röntgenröhre die den Anodenstrahl durchdringenden Elektronen vom Elektronenkollektor im Wesentlichen absorbiert werden.
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Der Vorteil einer reduzierten Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Anodenstrahl liegt darin, dass ein höherer Anteil an quasi-monochromatischer charakteristischer Röntgenstrahlung und ein niedrigerer Anteil an spektral breiter Bremsstrahlung entsteht im Vergleich zu einer herkömmlichen Röntgenröhre, bei der der Elektronenstrahl durch das Anodenmaterial fast vollständig absorbiert wird. Die nur anteilige Schwächung der kinetischen Energie der Elektronen wird durch die Wahl eines relativ dünnen und im Mittel nur schwach elektronenabsorbierenden Anodenstrahls erreicht. Diese nur anteilige Schwächung der kinetischen Energie bewirkt, dass die Röntgenstrahlung stärker durch Wechselwirkung der noch hochenergetischen beschleunigten Elektronen mit dem Anodenmaterial erzeugt wird, so dass mehr charakteristische Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die schon in ihrer Energie reduzierten Elektronen würden dagegen bei weiterer Abbremsung im Anodenmaterial im Wesentlichen niederenergetische und spektral breitere Bremsstrahlung erzeugen. Um diesen Prozess weitgehend zu unterdrücken, werden die bereits in ihrer Energie abgeschwächten Elektronen nicht weiter gebremst, sondern sie können den schwach absorbierenden Anodenstrahl zu einem großen Teil durchdringen und werden stattdessen durch den Elektronenkollektor abgebremst und aufgefangen. Somit ist die erfindungsgemäße Röntgenquelle geeignet, Röntgenstrahlung mit hoher Leistungsdichte, einem hohen Anteil an charakteristischer Strahlung, kleinem Brennfleck und mit einer hohen energetischen Effizienz zu erzeugen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels einer Röntgenquelle wird mit einem Anodenstrahlgenerator ein flüssiger Anodenstrahl erzeugt. Weiterhin wird mit einer Elektronenquelle ein Elektronenstrahl erzeugt, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anodenstrahl gerichtet wird. Im Wechselwirkungsbereich wird durch die Wechselwirkung von Elektronenstrahl und Anodenstrahl Röntgenstrahlung erzeugt, und ein den Anodenstrahl durchdringender Anteil der Elektronen des Elektronenstrahls wird durch einen Elektronenkollektor abgebremst und anschließend aufgefangen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den beschriebenen 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 einen elektrischen Schaltkreis aufweisen, durch den der Elektronenkollektor beim Betrieb der Röntgenquelle auf ein im Verhältnis zum Anodenstrahl negatives elektrisches Potential bringbar ist. Vorteilhaft ist durch den elektrischen Schaltkreis auch der Anodenstrahl auf ein im Verhältnis zur Elektronenquelle positives Potential bringbar, so dass Elektronen beim Betrieb der Röntgenquelle von der Elektronenquelle in Richtung des Anodenstrahls beschleunigt werden. Durch das im Verhältnis zum Anodenstrahl negative elektrische Potential des Elektronenkollektors wird erreicht, dass die den Anodenstrahl durchdringenden Elektronen des Elektronenstahls zwischen Anodenstrahl und Elektronenkollektor abgebremst werden. Durch ein solches elektrostatisches Abbremsen wird erreicht, dass die nach dem Wechselwirkungsbereich verbleibende kinetische Energie der Elektronen zurückgewonnen wird. Diese Energie wird großenteils in den elektrischen Schaltkreis eingespeist und kann wieder zum Beschleunigen des Elektronenstrahls aus der Elektronenquelle eingesetzt werden. Weiterhin bewirkt das Abbremsen der Elektronen, dass sie leichter im Material des Elektronenkollektors absorbiert werden können, auch bei einer geringeren Wahl der Kollektordicke als es ohne ein vorheriges Abbremsen nötig wäre. Es ist also vorteilhaft, die Elektronen zuerst auf dem Weg zum Kollektor elektrostatisch abzubremsen und erst dann im Material des Kollektors zu absorbieren. Auf diese Weise wird beim Abbremsen dieser Elektronen nur ein geringer Anteil an Bremsstrahlung erzeugt, und ein großer Anteil der Energie kann zurückgewonnen werden.
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Der elektrische Schaltkreis kann so ausgestaltet sein, dass der Elektronenkollektor beim Betrieb der Röntgenquelle auf ein elektrisches Potential bringbar ist, welches zwischen einem elektrischen Potential der Elektronenquelle und dem elektrischen Potential des Anodenstrahls liegt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Elektronen von der Elektronenquelle zum Anodenstrahl beschleunigt werden, und dass sie zwischen dem Anodenstrahl und dem Elektronenkollektor wieder abgebremst werden. Durch die Wahl des Kollektorpotentials zwischen den anderen beiden Potentialen werden die Elektronen auf dem Weg zum Elektronenkollektor weitgehend, aber nicht vollständig abgebremst, so dass sie mit einer Restgeschwindigkeit auf den Elektronenkollektor treffen und von diesem zuverlässig absorbiert werden können. Besonders vorteilhaft ist das Potential des Elektronenkollektors so gewählt, dass es näher beim Potential der Elektronenquelle liegt als beim Potential des Anodenstrahls. Auf diese Weise werden die Elektronen auf dem Weg vom Anodenstrahl zum Kollektor um mindestens die Hälfte ihrer verbleibenden kinetischen Energie abgebremst. Der größere Anteil der kinetischen Energie kann also durch den Schaltkreis zurückgewonnen werden, was die energetische Effizienz der Quelle erhöht, und nur ein kleiner Anteil wird durch Wechselwirkung mit dem Material des Kollektors in Bremsstrahlung umgesetzt, was die monochromatischen Eigenschaften der Röntgenquelle verbessert.
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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, kann vorteilhaft im Bereich bis zu 150 keV liegen. Das Material des 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. Der Elektronenkollektor 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 Elektronenkollektors ist zweckmäßig, da ein gewisser Anteil der Elektronen an der Anode gestreut und somit in ihrer Flugrichtung verändert werden. Ein Elektronenkollektor mit einer Vertiefung ist besonders geeignet, möglichst viele gestreute Elektronen aufzufangen. Die beschriebene Vertiefung kann trapezförmig ausgestaltet sein. Alternativ kann die Vertiefung auch rechteckförmig, U-förmig oder kreissegmentförmig ausgestaltet sein. Sie kann vorteilhaft eine Tiefe von wenigstens 1 cm aufweisen.
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Das Material und die Breite des flüssigen Anodenstrahls können so ausgestaltet sein, dass bei einer maximalen Betriebsspannung der Röntgenquelle die kinetische Energie des Elektronenstrahls im Wechselwirkungsbereich durch den Anodenstrahl um höchstens 50 % geschwächt wird. Besonders vorteilhaft kann die kinetische Energie des Elektronenstrahls um höchstens 30 % geschwächt werden. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass der Anteil an charakteristischer Strahlung im Spektrum der erzeugten Röntgenstrahlung erhöht wird.
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Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfassen, wobei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoeffizienten der ersten Komponente aufweist. Mit dem Schwächungskoeffizienten ist hierbei der Koeffizient der spezifischen Schwächung der kinetischen Energie des Elektronenstrahls bei der maximalen Betriebsspannung der Röntgenquelle gemeint. In dieser Ausführungsform werden die Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl und die Erzeugung von Röntgenstrahlung stärker durch die erste Komponente bewirkt, während die zweite Komponente für den Elektronenstrahl vergleichsweise transparent ist. Durch den Zusatz der zweiten Komponente kann die Breite des Anodenstrahls bei gleicher anteiliger Schwächung des Elektronenstrahls größer gewählt werden als bei einem Anodenstrahl mit nur einer stark absorbierenden ersten Komponente. Durch diese Ausgestaltungsform wird erreicht, dass der Anodenstrahl nur eine anteilige Schwächung der kinetischen Energie der Elektronen bewirkt und trotzdem eine höhere Breite aufweisen kann, die sich aus anderen geometrischen Anforderungen bei der Auslegung der Röntgenquelle ergeben kann. Beispielsweise kann die Breite des Anodenstrahls vorteilhaft wenigstens so groß sein wie die Breite des Elektronenstrahls und/oder die Breite des gewünschten Brennflecks, und der Anodenstrahl kann trotzdem eine vorteilhaft niedrige Schwächung des Elektronenstrahls aufweisen. Vorteilhaft ist der molare Anteil der zweiten Komponente wenigstens 30 %, so dass die volumenspezifische Schwächung des Elektronenstrahls durch diese Komponente wirksam reduziert wird.
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Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfassen, wobei die zweite Komponente eine mittlere Ordnungszahl von höchstens 20 aufweist. Die zweite Komponente ist also relativ transparent für den beschleunigten Elektronenstrahl und kann die Schwächung des Elektronenstrahls durch den Anodenstrahl bei gleicher Breite des Elektronenstrahls wirksam verringern. Vorteilhaft ist der molare Anteil der zweiten Komponente wenigstens 30 %, so dass die volumenspezifische Schwächung des Elektronenstrahls durch diese Komponente wirksam reduziert wird.
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Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfassen, wobei die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl von mindestens 30 aufweist. Die erste Komponente soll also wenigstens ein schweres bis mittelschweres Element umfassen, das mit dem Elektronenstrahl ausreichend in Wechselwirkung tritt, um Röntgenstrahlung, besonders vorteilhaft einen hohen Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung, zu erzeugen. Besonders vorteilhaft kann die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl zwischen 30 und 92 aufweisen.
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Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann eine metallische Legierung umfassen, besonders vorteilhaft eine metallische Legierung mit einer ersten Komponenten und einer zweiten Komponente, wobei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoeffizienten der ersten Komponente aufweist. Metallische Materialien sind besonders geeignet für flüssige Anodenstrahlen, da sie ausreichend schwere Komponenten zur Erzeugung von charakteristischer Röntgenstrahlung aufweisen können und gleichzeitig einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweisen können. Metallische Legierungen weisen außerdem typischerweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, so dass über einen elektrischen Schaltkreis ein definiertes elektrisches Potential an dem entstehenden Anodenstrahl angelegt werden kann.
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Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann einen Schmelzpunkt von höchstens 250 °C aufweisen. Besonders vorteilhaft kann das Material des flüssigen Anodenstrahls einen Schmelzpunkt von höchstens 200 °C aufweisen. Bei diesen Ausgestaltungsformen ist der flüssige Anodenstrahl relativ leicht durch Hinauspressen eines in einem geheizten Druckbehälter verflüssigten Materials durch eine Austrittsöffnung erzeugbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens gehen aus den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das Verfahren zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Der Elektronenkollektor kann auf ein im Verhältnis zum Anodenstrahl negatives elektrisches Potential gebracht werden.
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Eine maximale Betriebsspannung der Röntgenquelle, ein Material des Anodenstrahls und eine Breite des Anodenstrahls können so gewählt werden, dass die kinetische Energie des Elektronenstrahls im Wechselwirkungsbereich durch den Anodenstrahl um höchstens 50 % geschwächt wird.
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Der Anodenstrahl kann aus einem Material erzeugt werden, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wobei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoeffizienten der ersten Komponente aufweist.
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Der Anodenstrahl kann aus einem Material erzeugt werden, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wobei die zweite Komponente eine mittlere Ordnungszahl von höchstens 20 aufweist.
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Der Anodenstrahl kann aus einem Material erzeugt werden, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wobei die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl von mindestens 30 aufweist.
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Die Vorteile der Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich analog zu den entsprechenden Ausführungsformen der Röntgenquelle.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle 1 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Außengehäuse 3, in dem die wesentlichen Komponenten der Röntgenquelle 1 angeordnet sind. Innerhalb des Außengehäuses 3 ist ein innerer Vakuumbehälter 5 angeordnet, in dessen Innenraum 15 ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Innerhalb des Außengehäuses 3 ist weiterhin eine Elektronenquelle 7 angeordnet, durch die ein Elektronenstrahl 11 erzeugt und durch ein Elektronenrohr 9 entlang einer Elektronenstrahlrichtung 13 in das Innere des Vakuumbehälters 5 beschleunigt werden kann. Das Innere des Elektronenrohrs 9 ist dabei ebenfalls evakuiert und gegen die Außenwand der Elektronenquelle 7 und die Wand des inneren Vakuumbehälters 5 abgedichtet. Im Inneren des Vakuumbehälters 5 ist ein Anodenstrahlgenerator 17 angeordnet, der einen Druckbehälter 19 und in diesem Beispiel einen Sammelbehälter 29 umfasst. Im Druckbehälter 19 ist ein Vorrat an Anodenmaterial 33 enthalten, das durch die in diesem Beispiel heizbaren Wände des Druckbehälters 19 geheizt wird und bei einer Betriebstemperatur des Drückbehälters 19 verflüssigt vorliegt. Es können auch noch weitere Heizvorrichtungen zum Aufheizen des Anodenmaterials 33 im Inneren des Druckbehälters 19 vorgesehen sein. Die Temperatur des flüssigen Anodenmaterials 33 kann beispielsweise zwischen 30°C und 250°C liegen. Das so verflüssigte Anodenmaterial 33 wird über ein Ventil 21 durch eine Düse 23 aus dem Druckbehälter 19 gepresst, so dass ein flüssiger Anodenstrahl 25 gebildet wird. Der flüssige Anodenstrahl 25 wird in einem Wechselwirkungsbereich 31 mit dem Elektronenstrahl 11 in Wechselwirkung gebracht, so dass in diesem Bereich durch die Wechselwirkung von Anodenmaterial 33 und beschleunigten Elektronen 11 Röntgenstrahlung erzeugt wird. Durch das Herauspressen des Anodenmaterials 33 durch die Düse 23 kann der Anodenstrahl 25 entlang der Anodenstrahlrichtung 27 eine Geschwindigkeit im Bereich von 10 m/s bis 1000 m/s, besonders vorteilhaft zwischen 100 m/s und 1000 m/s erreichen. Durch diese relativ hohe Geschwindigkeit wird auch bei hohen Elektronenstrahlleistungen ein zu starkes lokales Aufheizen des Anodenmaterials 33 vermieden, so dass nur ein sehr geringer Anteil des Anodenmaterials 33 verdampft. Ein solches Verdampfen ist zu vermeiden, da dadurch die Qualität des Vakuums im evakuierten Raum 15 vermindert würde, was wiederum die Qualität des Elektronenstrahls 11 beeinträchtigen würde. Ein gutes Vakuum im Bereich des Elektronenstrahls 11 ist wichtig, um einen räumlich eng fokussierten Elektronenstrahl 11 mit definierter kinetischer Energie zu erzeugen und zu führen. Um ein Verdampfen des Anodenstrahls 25 möglichst zu verringern, wird auch die zwischen Druckbehälter 19 und Sammelbehälter 29 zurückgelegte freie Strecke möglichst gering gehalten. Beispielsweise kann diese freie Strecke im Bereich zwischen 0.5 mm und 10 mm liegen. Im Sammelbehälter 19 wird das Anodenmaterial 33 aufgefangen und in einem hier nicht näher gezeigten Rückführungssystem wieder dem Druckbehälter 19 zugeführt. Der Sammelbehälter 19 kann gekühlt werden, um die Kondensation des Anodenmaterials 33 zu erleichtern und ein Verdampfen des Anodenmaterials in den evakuierten Raum 15 hinein zu verringern. Dazu kann die Außenwand des Sammelbehälters 29 beispielsweise mit Kühlkanälen versehen sein, die von einem Kühlmittel durchströmt werden.
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Die Elektronen des Elektronenstrahls 11 werden zwischen Elektronenquelle 7 und Wechselwirkungsbereich 31 auf den Anodenstrahl 25 hin beschleunigt. Dies wird durch einen hier nicht gezeigten elektrischen Schaltkreis erreicht, durch den der Anodenstrahl 25 im Verhältnis zur Elektronenquelle 7 beim Betrieb der Röntgenquelle 1 auf ein positives elektrisches Potential gebracht wird. Beispielsweise kann die Elektronenquelle 7 auf einem Potential von –100 kV liegen, und der Druckbehälter 19 mit dem Vorrat an Anodenmaterial 33 kann auf einem Potential von 0 V liegen. Dadurch erhält der entstehende Anodenstrahl 25 ebenfalls ein Potential von 0 V, und die Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle 7 und Anodenstrahl 25 beträgt 100 kV. Dann liegt die durch die Beschleunigung der Elektronen bis zum Anodenstrahl 25 erreichbare maximale kinetische Energie bei 100 keV, und es kann durch Wechselwirkung mit dem Anodenmaterial 33 Röntgenstrahlung mit Photonenenergien bis zu 100 keV erzeugt werden. Die Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle 7 und Anodenstrahl 25 wird auch allgemein als Betriebsspannung der Röntgenquelle 1 bezeichnet. Für die Röntgenquelle 1 kann eine maximale Betriebsspannung vorgesehen sein, wobei für verschiedene Betriebsmodi variable Betriebsspannungen vorgehsehen sein können. Allgemein können für diese maximale Betriebsspannung vorteilhaft Werte in einem Bereich bis zu 150 kV vorgesehen sein.
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In dem Bereich zwischen Elektronenquelle 7 und Anodenstrahl 25 können weitere hier nicht gezeigte Fokussierelektroden und/oder Steuerelektroden vorgesehen sein, die zur Formung und Fokussierung des Elektronenstrahls dienen. Im Wechselwirkungsbereich 31 kann der Elektronenstrahl 11 beispielsweise auf eine vorteilhafte Strahlbreite im Bereich zwischen 10 µm und 200 µm, besonders vorteilhaft zwischen 10 µm und 100 µm fokussiert werden. Der Elektronstrahl 11 kann dabei im Wechselwirkungsbereich 31 ein annähernd symmetrischer und annähernd kreiszylindrischer Strahl sein. Alternativ kann er kann aber auch asymmetrisch sein und in verschiedenen Raumrichtungen senkrecht zur Elektronenstrahlrichtung 13 verschiedene Strahlbreiten aufweisen. Der Elektronenstrahl 11 kann auf seine ganze Länge betrachtet eine taillierte Form aufweisen, wobei der schmale Bereich der Taille im Bereich der Wechselwirkungszone 31 angeordnet ist.
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Der Elektronenstrahl 11 und der Anodenstrahl 25 sind so ausgerichtet, dass sie im Wechselwirkungsbereich 31 möglichst genau aufeinander treffen. In 1 ist zwischen Elektronenstrahl 11 und Anodenstrahl 25 ein Winkel von etwa 90° gezeigt, die Strahlen können jedoch auch in davon abweichenden Winkeln aufeinander treffen. Die Breite des Elektronenstrahls 11 und die Breite des Anodenstrahls 25 sind vorteilhaft ähnlich groß und weichen beispielsweise um höchstens +/–50 % voneinander ab. Da der Elektronenstrahl keine scharf definierte räumliche Abgrenzung aufweist, soll dabei unter der Breite dieses Strahls die Halbwertsbreite bezogen auf die maximale Elektronendichte verstanden werden. Die Düse 23 des Anodenstrahlgenerators 17 ist hier so geformt, das ein Anodenstrahl 25 mit etwa kreiszylindrischem Querschnitt entsteht.
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Die räumlichen Abmessungen des Wechselwirkungsbereichs 31 werden von den Strahlprofilen des Elektronenstrahls 11 und des Anodenstrahls 25 sowie von der Ausrichtung der beiden Strahlen zueinander und von dem eingeschlossenen Winkel bestimmt. Der Wechselwirkungsbereich 31 wird bei herkömmlichen Röntgenquellen auch als Brennfleck bezeichnet. Seine Größe bestimmt die optisch wirksame Fokusgröße der Röntgenquelle. Für räumlich hochauflösende Röntgenuntersuchungen besonders geeignete Röntgenquellen 1 weisen Brennfleckgrößen im Bereich von höchstens 200 µm, besonders vorteilhaft im Bereich von höchstens 100 µm auf.
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In dem gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die maximale Betriebsspannung bei 150 kV. Das Anodenmaterial 33 und die Breite des Anodenstrahls 25 sind so gewählt, dass bei einer maximalen kinetischen Energie der Elektronen von 150 keV die gesamte kinetische Energie des Elektronenstrahls um höchstens 50 geschwächt wird. Zu dieser gesamten Schwächung trägt dabei sowohl die Abbremsung von Elektronen als auch die vollständige Absorption von Elektronen durch den Anodenstrahl 25 bei. Bei einer 50 prozentigen Schwächung können also entweder 50 Prozent der Elektronen bei unveränderter kinetischer Energie oder ein größerer Anteil der Elektronen bei zum Teil verminderter kinetischer Energie den Anodenstrahl 25 durchdringen. Die unvollständige Absorption des Elektronenstrahls 11 durch den Anodenstrahl 25 bewirkt, dass ein relativ hoher Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung im Wechselwirkungsbereich 31 gebildet wird. Durch die Verwendung des flüssigen Anodenstrahls 25 kann außerdem ein Elektronenstrahl 11 mit sehr hoher Leistungsdichte zum Einsatz kommen, so dass auch Röntgenstrahlung mit hoher Leistung und außerdem enger räumlicher Fokussierung erzeugt werden kann.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Anodenmaterial 33 eine metallische Legierung gewählt, und zwar eine Legierung aus Barium als erster Komponente und Lithium als zweiter Komponente. Dabei tritt vor allem die schwerere erste Komponente in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 11, und es wird vor allem durch diese Wechselwirkung mit der ersten Komponente Röntgenstrahlung erzeugt. Die Funktion von Lithium als zweiter Komponente ist es, die Transparenz der gebildeten Legierung für den Elektronenstrahl 11 so weit zu reduzieren, dass bei einer auf die Breite des Elektronenstrahls 11 angepassten Breite des Anodenstrahls 25 trotzdem eine Schwächung der Energie des Elektronenstrahl 11 um höchstens 50 % auftritt. Der molare Anteil der zweiten Komponente ist allgemein vorteilhaft mindestens 80 %, so dass sie eine signifikante Verminderung der spezifischen Schwächung bewirken kann. Im diskutierten Ausführungsbeispiel liegt der Anteil an Barium bei etwa 10.5 % und der Anteil an Lithium bei etwa 89.5 %.
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Bei dieser Zusammensetzung ergibt sich eine eutektische Legierung mit einem Schmelzpunkt von 143 °C. Damit kann vorteilhaft bei einer Betriebstemperatur des Druckbehälters 19 unterhalb von 200 °C, in diesem Fall sogar unterhalb von 150 °C, ein flüssiger Anodenstrahl erzeugt werden. Alternativ können auch andere Legierungen des Typs Li1-xBax verwendet werden, wobei x vorteilhaft zwischen 5 % und 40 %, besonders vorteilhaft zwischen 5% und 20% liegen kann. Andere vorteilhafte Legierungen für den flüssigen Anodenstrahl sind generell beispielsweise Li1-xBix oder Li1-xLax.
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Die im gezeigten Ausführungsbeispiel eingestellte Transparenz des Anodenstrahls 25 für die auf bis zu 150 keV beschleunigten Elektronen des Elektronenstrahls 11 führt dazu, dass nur ein Teil der Energie des Elektronenstrahls 11 in Röntgenstrahlung umgewandelt werden kann. Um die verbleibende kinetische Energie der Elektronen zurückzugewinnen, ist in Richtung des Elektronenstrahls 11 nach dem Wechselwirkungsbereich 31 ein Elektronenkollektor 35 angeordnet. Der Elektronenkollektor 35 wird durch den elektrischen Schaltkreis auf ein elektrisches Potential zwischen dem Potential der Elektronenquelle 7 und dem Potential des Anodenstrahls 25 gebracht. In diesem Beispiel ist das Potential des Elektronenkollektors bei –80 kV, so dass die den Anodenstrahl 25 durchdringenden Elektronen auf ihrem Weg zum Kollektor 35 weitgehend abgebremst werden und ein überwiegender Teil ihrer kinetischen Energie in den elektrischen Schaltkreis zurückgeführt werden kann. Der Elektronenkollektor 35 ist im gezeigten Beispiel als Teil des inneren Vakuumbehälters 5 ausgebildet und ist mit diesem elektrisch leitend verbunden. Das Material des Elektronenkollektors 35 ist so ausgebildet, dass ein überwiegender Anteil der Elektronen im Elektronenkollektor 35 aufgefangen wird. In diesem Beispiel ist der Elektronenkollektor 35 aus Edelstahl gefertigt. Auch die Dicke des Elektronenkollektors 35 in Elektronenstrahlrichtung 13 ist so ausgebildet, dass eine möglichst hohe Absorption der Elektronen stattfindet, in diesem Beispiel ist die Wandstärke 4 mm. Der Elektronenkollektor weist in Elektronenstrahlrichtung 13 eine kreissegmentförmige Vertiefung auf. Im gezeigten Beispiel ist der innere Vakuumbehälter 5 auf demselben Potential wie der Elektronenkollektor 35, also auf –80 kV. Hierdurch ist der innere Vakuumbehälter 5 besonders geeignet, auch andere gestreute Elektronen aufzufangen, die insbesondere im Wechselwirkungsbereich 31 in ihrer Flugrichtung verändert wurden. Dies können beispielsweise auch rückgestreute Elektronen 36 sein. Der Elektronenkollektor 35 und/oder der übrige Teil des inneren Vakuumbehälters 5 kann thermisch mit einem Kühlmittel gekoppelt sein, um einem durch die Absorption der Elektronen verursachten Aufheizen entgegenzuwirken. Hierzu kann auch der Zwischenraum 37 zwischen innerem Vakuumbehälter 5 und Außengehäuse mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise mit Öl gefüllt sein. Die im gezeigten Ausführungsbeispiel gewellt ausgebildete Form des inneren Vakuumbehälters 5 hat den besonderen Vorteil, dass sich auf der inneren Oberfläche bezüglich einer Kondensation des im Inneren des Vakuumbehälters 5 verdampften Anodenmaterials Schattenzonen ausbilden. Hierdurch wird die Ausbildung einer durchgehend leitfähigen Beschichtung aus kondensiertem Anodenmaterial vorteilhaft verhindert. Das Material des inneren Vakuumbehälters 5 ist beispielsweise zumindest auf der Innenseite elektrisch isolierend.
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Die im Wechselwirkungsbereich 31 entstehende Röntgenstrahlung kann durch ein in 1 nicht gezeigtes Strahlaustrittsfenster aus der Röntgenquelle 1 ausgekoppelt werden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl der innere Vakuumbehälter 5 als auch das Außengehäuse 3 mit einem röntgenstrahldurchlässigen Fenster versehen. Diese beiden Fenster sind in einer Ebene außerhalb der in 1 gezeigten Schnittebene angeordnet. Beispielsweise können die Fenster so positioniert sein, dass Röntgenstrahlung mit einer mittleren Strahlrichtung senkrecht zur gezeigten Schnittebene ausgekoppelt werden kann. Alternativ können die Austrittsfenster jedoch auch in der Nähe des Elektronenkollektors 35 angeordnet sein, so dass Röntgenstrahlung mit einer signifikanten Komponente in Richtung der Elektronenstrahlrichtung 13 ausgekoppelt wird. Oder die Fenster können in der Nähe der Elektronenquelle 7 angeordnet sein, so dass Röntgenstrahlung mit einer starken Richtungskomponente entgegengesetzt zur Elektronenstrahlrichtung 13 ausgekoppelt wird. Die letztgenannte Ausführungsform ist besonders günstig, um einen hohen Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung im Verhältnis zur Bremsstrahlung auszukoppeln. Beispielsweise können die Strahlaustrittsfenster so angeordnet sein, dass die mittlere Strahlrichtung der auszukoppelnden Röntgenstrahlung einen Winkel zwischen 130° und 230° mit der Elektronenstrahlrichtung 13 einschließt. Besonders bevorzugt kann der eingeschlossene Winkel im Bereich zwischen 160° und 200° liegen. Alternativ zur gezeigten geradlinigen Ausbreitung des Elektronenstrahls 11 kann der Elektronenstrahl 11 auch auf einer gekrümmten Bahn geführt werden. Eine solche Ausführungsform erleichtert die Auskopplung der entstehenden Röntgenstrahlung in einer dem Elektronenstrahl 11 entgegengesetzten Richtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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