DE102014221931A1

DE102014221931A1 - X-ray tube and apparatus and method for emitting X-radiation

Info

Publication number: DE102014221931A1
Application number: DE102014221931.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Landstorfer; Andreas Gruber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: DE102014221931B4

Abstract

Es ist eine Vorrichtung zur Emission von Röntgenstrahlen mit einem Ring, der im Betrieb rotiert und an einem inneren Hauptoberflächenbereich eine umlaufende Nut aufweist gezeigt, in der eine Targetsubstanz angeordnet ist. Die Targetsubstanz ist ausgebildet, um im Betrieb von einem festen in einen flüssigen Zustand überzugehen und bei Anregung mit einem Elektronenstrahl eine Röntgenstrahlung zu emittieren.It is an apparatus for emitting X-rays having a ring that rotates in operation and has a circumferential groove on an inner major surface area in which a target substance is disposed. The target substance is designed to transition from a solid to a liquid state during operation and to emit X-ray radiation when excited with an electron beam.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Emission von Röntgenstrahlung sowie eine Röntgenröhre. Ausführungsbeispiele zeigen ein neuartiges Flüssigkeitstarget für Röntgenröhren bzw. ein rotierendes Flüssigkeitstarget.The present invention relates to an apparatus and method for emitting X-radiation and an X-ray tube. Exemplary embodiments show a novel liquid target for x-ray tubes or a rotating liquid target.

Die Entwicklung der Röntgentechnologie lässt in den letzten Jahren einige Schwerpunkte beobachten. Neben dem Versuch immer kleinere und hochauflösende Computertomographen zu bauen, liegt das Bestreben immer häufiger in der Entwicklung leistungsstarker Groß-CT-Anlagen. Mit steigender Beschleunigungsspannung, vermehrt unter Einsatz von Linearbeschleunigern als Röntgenquelle, ist jedoch die Vergrößerung des Brennflecks der Röntgenröhre und der damit einhergehende Verlust an zu erzeugender Bildschärfe bislang unumgänglich. Trifft ein dünner Elektronenstrahl schräg auf ein Objekt (Target), so wird ein Teil der eingebrachten Energie als kegelförmiger Röntgenstrahl freigesetzt. Da der Großteil der Energie in Wärme umgewandelt wird, erreicht die Oberfläche des bestrahlten Targets sehr hohe Temperaturen und kann bei zu feiner Fokussierung des Elektronenstrahls zerstört werden.The development of X-ray technology has seen some emphasis in recent years. In addition to the attempt to build ever smaller and high-resolution computed tomography, the effort is increasingly in the development of high-performance large CT systems. With increasing acceleration voltage, increased by using linear accelerators as the X-ray source, however, the enlargement of the focal spot of the X-ray tube and the associated loss of image sharpness to be generated is so far unavoidable. If a thin electron beam obliquely strikes an object (target), part of the energy introduced is released as a cone-shaped x-ray beam. Since the majority of the energy is converted to heat, the surface of the irradiated target reaches very high temperatures and can be destroyed by focusing the electron beam too finely.

7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Festkörpertargets 105 als Prinzipdarstellung. Dieser einfachste und zugleich am häufigsten eingesetzte Aufbau besteht aus einem meist gekühlten Wolframelement 110, dessen hoher Schmelzpunkt relativ hohe Energiedichten des auftreffenden Elektronenstrahls 35 erlaubt. Zudem ist die hohe Ordnungszahl des Elements Wolfram bei der Bildung der Röntgenstrahlung 40 von Vorteil. Jedoch ist die Belastbarkeit dieses Target-Typs beschränkt, so dass bei hoher Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls 35 der Brennfleck teilweise auf mehrere Millimeter Durchmesser vergrößert werden muss. 7 shows a schematic side view of a solid state target 105 as a schematic diagram. This simplest and at the same time most frequently used construction consists of a mostly cooled tungsten element 110 , whose high melting point relatively high energy densities of the incident electron beam 35 allowed. In addition, the high atomic number of the element tungsten in the formation of the X-radiation 40 advantageous. However, the load capacity of this target type is limited, so that at high acceleration voltage of the electron beam 35 The focal spot must be partially enlarged to several millimeters in diameter.

8 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Rotationstargets 115 in einer Prinzipdarstellung. Um den bestrahlten Bereich zu vergrößern, kommt in manchen Röntgenröhren ein rotierendes Target 115 zum Einsatz. Über die ringförmige Linie um den Kegelmantel kann die entstehende Wärme deutlich besser abgeführt werden als über einen ruhenden Brennpunkt. Problematisch bei diesem Typ ist die Lagerung des Targets, da der Einsatz im Hochvakuum keine herkömmliche Wälz- oder Gleitlageranordnung zulässt. Zudem ist auch hier die maximale Energiedichte des Elektronenstrahls 35 bedingt durch die Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials beschränkt. 8th shows a schematic side view of a rotation target 115 in a schematic diagram. In order to enlarge the irradiated area, in some x-ray tubes a rotating target comes 115 for use. The resulting heat can be dissipated significantly better than via a stationary focal point via the annular line around the conical surface. The problem with this type is the storage of the target, since the use in a high vacuum does not allow conventional rolling or sliding bearing arrangement. In addition, here is the maximum energy density of the electron beam 35 limited due to the thermal conductivity of the target material.

9 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Liquid-Jet-Targets (dt.: Flüssigkeitsstrom-Target) 120 als Prinzipdarstellung. Der Einsatz einer Flüssigkeit 125 als Targetmaterial, die unter hohem Druck durch eine schmale Düse gepresst wird und so einen dünnen Strahl bildet, bringt mehrere Vorteile. Zum einen kann das Target nicht mehr wie beim Festkörpertarget bis zum Schmelzpunkt, sondern bis zum Siedepunkt des Materials belastet werden. Zum anderen kann die Kühlung des erhitzten Materials über ein Reservoir erfolgen und stets kalte Flüssigkeit zum Einsatz kommen. 9 shows a schematic side view of a liquid jet target (dt .: liquid flow target) 120 as a schematic diagram. The use of a liquid 125 as a target material, which is pressed under high pressure through a narrow nozzle and thus forms a thin jet, brings several advantages. On the one hand, the target can no longer be loaded up to the melting point, as in the case of the solid-state target, but up to the boiling point of the material. On the other hand, the cooling of the heated material can take place via a reservoir and cold liquid can always be used.

Verwendet werden bei diesem Typ jedoch nur niedrig schmelzende Flüssigkeiten, die demnach auch nur niedrige Siedepunkte aufweisen und somit weniger belastbar sind als hochschmelzende Festkörper. Auch ist der Einsatz von flüchtigen Flüssigkeiten im Vakuum problematisch.However, only low-melting liquids are used in this type, which accordingly also have only low boiling points and thus are less durable than high-melting solids. Also, the use of volatile liquids in a vacuum is problematic.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Konzept für ein Röntgen-Target zu schaffen.The present invention is therefore based on the object to provide an improved concept for an X-ray target.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Inventive developments are defined in the subclaims.

Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung zur Emission von Röntgenstrahlen mit einem Ring, der im Betrieb rotiert und an einem inneren Hauptoberflächenbereich eine umlaufende Nut aufweist, in der eine Targetsubstanz angeordnet ist. Die Targetsubstanz ist ausgebildet, um im Betrieb von einem festen in einen flüssigen Zustand überzugehen und bei Anregung mit einem Elektronenstrahl eine Röntgenstrahlung zu emittieren.Embodiments provide an apparatus for emitting X-rays having a ring that rotates in operation and has a circumferential groove on an inner major surface area in which a target substance is disposed. The target substance is designed to transition from a solid to a liquid state during operation and to emit X-ray radiation when excited with an electron beam.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Vorteile eines Flüssigkeitstargets mit den Vorteilen eines Feststofftargets kombinieren lassen, indem eine Flüssigkeit beispielsweise in einer Nut eines Ringes rotiert und durch die auftretenden Zentrifugalkräfte in der Nut des Rings gehalten wird. Die Flüssigkeit wird in der Nut so stark an die Außenwände gepresst, dass eine sehr ebene, starre Zylinderfläche entsteht. Somit bleiben die Vorteile eines Flüssigkeitstargets, die die Erwärmung des Targetmaterials durch Konvektion abführen, ebenso erhalten, wie die hohe Belastbarkeit der Feststofftargets. Darüber hinaus bleibt der bei Festkörpertargets übliche Verschleiß aus. Durch die erhöhte Robustheit des Targetmaterials kann der Elektronenstrahl stärker gebündelt und zu einem kleineren Brennfleck auf dem Targetmaterial fokussiert werden. Ein kleinerer Brennfleck auf dem Targetmaterial erzeugt ferner einen besseren Kegelstrahl der Röntgenstrahlung.The invention is based on the finding that the advantages of a liquid target can be combined with the advantages of a solid target by, for example, rotating a liquid in a groove of a ring and holding it in the groove of the ring by the centrifugal forces that occur. The liquid is pressed in the groove so strong against the outer walls, that a very flat, rigid cylindrical surface is formed. Thus, the advantages of a liquid target, which dissipate the heating of the target material by convection, as well as the high load capacity of the solid targets. In addition, the usual wear on solid objects remains. Due to the increased robustness of the target material, the electron beam can be bundled more strongly and focused to a smaller focal spot on the target material. A smaller focal spot on the target material also produces a better cone beam of X-radiation.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Targetsubstanz eine eutektische Legierung bzw. ein Eutektikum. Der Einsatz einer eutektischen Legierung ist vorteilhaft, da diese einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen, was ein Einfüllen der Flüssigkeit in die Nut mittels einer Pumpe erleichtert. Darüber hinaus weist ein Eutektikum ferner einen hohen Siedepunkt auf, der die Belastbarkeitsgrenze des Targetmaterials darstellt. Je höher der Siedepunkt des flüssigen Targetmaterials ist, desto höheren Energien des Elektronenstrahls kann die Flüssigkeit standhalten, bevor sie verdampft und somit nicht mehr als Target geeignet ist.According to one embodiment, the target substance is a eutectic alloy or a eutectic. The use of a eutectic alloy is advantageous, since these are low Have melting point, which facilitates filling of the liquid into the groove by means of a pump. In addition, a eutectic also has a high boiling point, which is the limit of loading of the target material. The higher the boiling point of the liquid target material, the higher the energies of the electron beam, the liquid can withstand before it evaporates and thus is no longer suitable as a target.

Weitere Ausführungsbeispiele zeigen eine Röntgenröhre mit der oben beschriebenen Vorrichtung und einer Elektronenquelle, die ausgebildet ist, den Elektronenstrahl zu erzeugen und auf die Substanz in dem Ring der Vorrichtung zu richten. Ferner weist die Röntgenröhre einen Antrieb, der ausgebildet ist, um den Ring im Betrieb zu rotieren, sowie ein Lager auf, das ausgebildet ist, um den Ring zu führen. Das Lager ist beispielsweise ein Magnetlager. Der Einsatz eines Magnetlagers ist vorteilhaft, da dasselbe den Ring bei hohen Drehzahlen und einem relativ großen Außendurchmesser sicher führen kann. Ferner ist ein Magnetlager auch für den Einsatz im Vakuum geeignet.Further embodiments show an X-ray tube with the device described above and an electron source which is designed to generate the electron beam and to direct it to the substance in the ring of the device. Further, the x-ray tube has a drive configured to rotate the ring in use and a bearing configured to guide the ring. The bearing is for example a magnetic bearing. The use of a magnetic bearing is advantageous because it can safely guide the ring at high speeds and a relatively large outer diameter. Furthermore, a magnetic bearing is also suitable for use in a vacuum.

Ausführungsbeispiele zeigen ferner ein Lager, das eine Rund- und Planlaufgenauigkeit von weniger als 50 μm aufweist. Dies ermöglicht eine genaue Fokussierung des Brennflecks in einem Punkt der Flüssigkeit, ohne dass der Brennfleck durch eine unsymmetrische Rotation durch den Ring nennenswert verschoben wird. Ferner kann der Antrieb ausgebildet sein, eine Rotationsgeschwindigkeit des Rings mit einer steigenden Temperatur des Substrats zu reduzieren, wodurch auch ein sich durch die Wärme ausdehnender Ring ausgeglichen wird.Embodiments also show a bearing which has a concentricity and axial accuracy of less than 50 microns. This allows accurate focusing of the focal spot in one point of the liquid without significantly shifting the focal spot by unsymmetrical rotation through the ring. Further, the drive may be configured to reduce a rotational speed of the ring with an increasing temperature of the substrate, thereby also compensating for a heat expanding ring.

Weitere Ausführungsbeispiele zeigen die Röntgenröhre mit einem Schutzrohr, das ausgebildet ist, den Elektronenstrahl auf die Substanz in dem Ring der Vorrichtung zu leiten. Dies ist vorteilhaft, da beispielsweise ein Magnetlager oder andere äußere Magnetfelder den Elektronenstrahl ablenken können und dieser somit durch das Schutzrohr vor störenden Feldern geschützt ist.Further embodiments show the X-ray tube with a protective tube, which is designed to direct the electron beam to the substance in the ring of the device. This is advantageous because, for example, a magnetic bearing or other external magnetic fields can deflect the electron beam and this is thus protected by the protective tube from disturbing fields.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist die Röntgenröhre eine Anode auf, die ausgebildet ist, um eine Ladung der Targetsubstanz im Betrieb kontaktlos abzuführen. Dies ist vorteilhaft, da die negative Ladung des Elektronenstrahls das Targetsubstrat mit derselben Polarität elektrisch auflädt, so dass eine dem Elektronenstrahl entgegengerichtete Kraft entstehen kann, der einen Betrieb der Röntgenröhre mit konstantem bzw. kontinuierlichem Röntgenkegelstrahl erschwert.According to further embodiments, the x-ray tube has an anode, which is designed to dissipate a charge of the target substance during operation without contact. This is advantageous because the negative charge of the electron beam electrically charges the target substrate with the same polarity, so that a force opposite to the electron beam can arise, which makes it difficult to operate the X-ray tube with a constant or continuous X-ray cone beam.

Die Anode kann im Bereich des Rings in räumlicher Nähe zu der Targetsubstanz angeordnet sein, wodurch eine kontaktlose Abführung der elektrischen Ladung durch den glühelektrischen Effekt ermöglicht wird. Eine kontaktlose Abführung der Ladung ist vorteilhaft, da diese keinen mechanischen Einflüssen wie beispielsweise Reibung ausgesetzt ist und somit keine Verschleißerscheinungen auftreten können.The anode can be arranged in the region of the ring in spatial proximity to the target substance, whereby a contactless discharge of the electrical charge is made possible by the glow-electric effect. A contactless discharge of the charge is advantageous because it is not exposed to mechanical influences such as friction and thus no signs of wear can occur.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist die Röntgenröhre eine Heizung auf, die ausgebildet ist, die Targetsubstanz vor dem Einschalten des Elektronenstrahls zu erwärmen. Die Heizung kann im Innenbereich des Rings in räumlicher Nähe zu der Targetsubstanz angeordnet sein. Durch das Erwärmen der Targetsubstanz vor dem Einschalten des Elektronenstrahls wird verhindert, dass sich das Substrat auflädt, bevor der glühelektrische Effekt die Ladung des Substrats über die Anode abführen kann. Ferner kann die Heizung genutzt werden, um nach dem Einschalten des Elektronenstrahls die Targetsubstanz schneller auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen und so den Warmfahrprozess zu verkürzen.According to further embodiments, the x-ray tube has a heater, which is designed to heat the target substance before switching on the electron beam. The heater can be arranged in the interior of the ring in spatial proximity to the target substance. The heating of the target substance before the electron beam is switched on prevents the substrate from charging up before the glow-electric effect can dissipate the charge of the substrate via the anode. Furthermore, the heater can be used to bring after turning on the electron beam, the target substance faster to the desired operating temperature and so shorten the warm-up process.

Weitere Ausführungsbeispiele zeigen ein Verfahren zur Emission von Röntgenstrahlung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer RöntgenröhreFurther exemplary embodiments show a method for emitting X-ray radiation and a method for operating an X-ray tube

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present application will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Röntgenröhre mit einer Vorrichtung zur Emission von Röntgenstrahlen; 1 a schematic representation of a cross section of an X-ray tube with a device for emission of X-rays;

2 eine schematische Seitenansicht der Röntgenröhre in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; 2 a schematic side view of the X-ray tube in a preferred embodiment;

3a die Röntgenröhre in einer schematischen Seitenansicht mit dem Fokus auf dem Schutzrohr; 3a the X-ray tube in a schematic side view with the focus on the protective tube;

3b die Seitenansicht eines Querschnitts durch die Röntgenröhre in einer schematischen Darstellung; 3b the side view of a cross section through the X-ray tube in a schematic representation;

4 eine schematische Seitenansicht der Röntgenröhre mit der Anode; 4 a schematic side view of the X-ray tube with the anode;

5 eine schematische Seitenansicht der Röntgenröhre mit dem Fokus auf der Heizung; 5 a schematic side view of the X-ray tube with the focus on the heater;

6 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zur Emission von Röntgenstrahlung; 6 a schematic representation of a flowchart of a method for the emission of X-radiation;

7 eine schematische Seitenansicht eines Festkörpertargets in einer Prinzipdarstellung; 7 a schematic side view of a solid state target in a schematic representation;

8 eine schematische Seitenansicht eines Rotationstargets in einer Prinzipdarstellung; und 8th a schematic side view of a rotation target in a schematic diagram; and

9 eine schematische Seitenansicht eines Liquid-Jet-Targets als Prinzipdarstellung. 9 a schematic side view of a liquid jet target as a schematic diagram.

In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.In the following description of the figures, identical or equivalent elements are provided with the same reference numerals, so that their description in the different embodiments is interchangeable.

1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Röntgenröhre 5, die eine Vorrichtung 10 zur Emission von Röntgenstrahlen umfasst. Die Vorrichtung 10 weist einen Ring 15 mit einer umlaufenden Nut 20 und einem inneren Hauptoberflächenbereich 25 auf, in der eine Targetsubstanz 30 angeordnet ist. Die Targetsubstanz 30 ist ausgebildet, um im Betrieb von einem festen in einen flüssigen Zustand überzugehen und bei Anregung mit einem Elektronenstrahl 35 eine Röntgenstrahlung 40 zu emittieren. Der Ring weist eine Breite b sowie einen Durchmesser d auf und rotiert im Betrieb um die Achse 45. 1 shows a schematic cross-sectional view of an X-ray tube 5 that a device 10 for the emission of X-rays. The device 10 has a ring 15 with a circumferential groove 20 and an inner major surface area 25 on, in which a target substance 30 is arranged. The target substance 30 is designed to transition from a solid to a liquid state during operation and when excited by an electron beam 35 an X-ray 40 to emit. The ring has a width b and a diameter d and rotates in operation about the axis 45 ,

Der Übergang der Targetsubstanz 30 vom festen in den flüssigen Zustand wird beispielsweise durch den Elektronenstrahl hervorgerufen, der die Targetsubstanz 30 erwärmt. Die Erwärmung kann jedoch auch von einer Heizung durchgeführt werden, bevor der Elektronenstrahl eingeschaltet wird. Alternativ kann die Heizung auch ergänzend zum Elektronenstrahl die Targetsubstanz 30 aufheizen, so dass der Erwärmungsprozess beschleunigt wird.The transition of the target substance 30 from the solid to the liquid state is caused for example by the electron beam, which is the target substance 30 heated. However, the heating can also be performed by a heater before the electron beam is turned on. Alternatively, the heater can also complement the electron beam, the target substance 30 heat up, so that the heating process is accelerated.

Aufgrund der hohen auftretenden Temperaturen und Wärmestromdichten ist der Einsatz einer Flüssigkeit als Targetmaterial 30 vorteilhaft, da hier neben der Kühlung der Oberfläche durch Konvektion die bei Festkörpern üblichen Verschleißerscheinungen vermieden werden. Ebenso ist der Einsatz eines Materials vorteilhaft, dessen Siedepunkt möglichst hoch ist und zudem auch die inneratomare Entstehung der Röntgenstrahlung durch eine hohe Ordnungszahl und Schalennummer begünstigt. Ein solches, im Betriebszustand flüssiges Material, erstarrt jedoch bei niedrigeren Temperaturen und kann nicht mehr gepumpt werden. Das Pumpen ist beispielsweise vorteilhaft, um eine Erstbefüllung des Rings mit dem Targetsubstrat 30 vorzunehmen. Das Targetmaterial 30 müsste daher erst aufgeschmolzen werden, um dann eingesetzt werden zu können. Um dies zu erleichtern, ist jedoch ein niedriger Schmelzpunkt vonnöten, der beispielsweise mit einer eutektischen Legierung erreicht wird. Geeignete Targetmaterialien sind vorzugsweise Metalle mit hohen Siedepunkten und hohen Ordnungszahlen, beispielsweise Blei, Gold, Iridium, Kupfer, Molybdän oder Silber.Due to the high temperatures and heat flow densities, the use of a liquid as the target material 30 advantageous, since in addition to the cooling of the surface by convection usual wear phenomena are avoided in solids. Likewise, the use of a material is advantageous whose boiling point is as high as possible and also favors the intra-atomic formation of X-rays by a high atomic number and shell number. Such, liquid in the operating state, however, solidifies at lower temperatures and can not be pumped. The pumping is advantageous, for example, for a first filling of the ring with the target substrate 30 make. The target material 30 Therefore, it would have to be melted first in order to be used. To facilitate this, however, a low melting point is required, which is achieved for example with a eutectic alloy. Suitable target materials are preferably metals with high boiling points and high atomic numbers, for example lead, gold, iridium, copper, molybdenum or silver.

Die in die Nut 20 gefasste Targetsubstanz 30, beispielsweise eine Flüssigkeit bzw. die eutektische Legierung, wird im Betriebszustand bei hoher Drehzahl des Rings 15 durch die Fliehkraft nach außen gedrückt und bildet somit eine sehr ebene und starre Zylinderfläche aus. Um das Targetmaterial 30 aufzuschmelzen, ist vor jeder Inbetriebnahme ein Warmfahrprozess vorteilhaft, der jedoch bei Einsatz bisheriger Targets bereits aus Gründen der Messgenauigkeit ohnehin stattfindet. Nach dem Ausschalten der Röntgenröhre 5 sollte der Ring 15 so lange rotiert werden, bis das Target 30 wieder erstarrt ist.The in the groove 20 captured target substance 30 , For example, a liquid or the eutectic alloy is in the operating state at high speed of the ring 15 pressed by the centrifugal force to the outside and thus forms a very flat and rigid cylindrical surface. To the target material 30 melt down, a warm-up process is advantageous before each startup, but already takes place when using previous targets for reasons of measurement accuracy anyway. After switching off the X-ray tube 5 should the ring 15 be rotated until the target 30 is frozen again.

Die Röntgenröhre 5 umfasst neben der Vorrichtung 10 eine Elektronenquelle 50, einen Antrieb 55 und ein Lager 60. Die Elektronenquelle 50 ist ausgebildet, den Elektronenstrahl 35 zu erzeugen und auf die Targetsubstanz 30 in dem Ring 15 der Vorrichtung 10 zu richten. Der Antrieb 55 ist ausgebildet, um den Ring 15 im Betrieb zu rotieren und das Lager 60 ist ausgebildet, um den Ring 15 zu führen.The x-ray tube 5 includes next to the device 10 an electron source 50 , a drive 55 and a warehouse 60 , The electron source 50 is formed, the electron beam 35 to generate and on the target substance 30 in the ring 15 the device 10 to judge. The drive 55 is trained to the ring 15 to rotate during operation and the bearing 60 is trained to the ring 15 respectively.

Ausführungsbeispiele zeigen, dass das Lager 60 eine Rund- und Planlaufgenauigkeit von weniger als 50 μm aufweist, und beispielsweise ein Magnetlager ist. Durch die hohe Drehzahl und den relativ großen Außendurchmesser des Rings 15 ist der Einsatz eines Magnetlagers 60 vorteilhaft. Ferner ist eine Magnetlager auch für den Einsatz im Vakuum geeignet. Neben der Verkleinerung des Brennflecks ist es zudem vorteilhaft, diesen auf einer sehr genauen räumlichen Position zu halten. Bei dieser Konstruktion spielt daher der Rund- und Planlauf des Rings eine entscheidende Rolle. Aktive Magnetlager weisen eine Rund- und Planlaufgenauigkeit von 50 μm oder weniger auf. Diese ohnehin akzeptable Schwankung kann durch die sich bewegende Flüssigkeit noch verringert werden. Da die thermische Stabilität gerade zu Beginn einer CT-Aufnahme noch nicht gegeben ist und sich die Bauteile, insbesondere der Ring 15 noch weiter thermisch ausdehnen, kann sich die Position des Brennflecks verschieben. Diese Ausdehnung kann jedoch über die Drehzahl des Rings 15 und der damit steuerbaren mechanischen Ausdehnung kompensiert werden. Bei niedriger Temperatur wird das Target 30 daher bei hoher Drehzahl, bei Betriebstemperatur bei niedriger Drehzahl betrieben.Embodiments show that the bearing 60 has a concentricity and axial accuracy of less than 50 microns, and for example, is a magnetic bearing. Due to the high speed and the relatively large outer diameter of the ring 15 is the use of a magnetic bearing 60 advantageous. Furthermore, a magnetic bearing is also suitable for use in a vacuum. In addition to the reduction of the focal spot, it is also advantageous to keep it in a very precise spatial position. In this construction, therefore, the round and axial run of the ring plays a crucial role. Active magnetic bearings have a concentricity and concentricity of 50 μm or less. This already acceptable fluctuation can be further reduced by the moving liquid. Since the thermal stability is just not given at the beginning of a CT scan and the components, in particular the ring 15 still further thermally expand, the position of the focal spot may shift. However, this expansion can be over the speed of the ring 15 and the controllable mechanical expansion can be compensated. At low temperature, the target becomes 30 therefore operated at high speed, at operating temperature at low speed.

Zu Beginn des Betriebs ist die Targetsubstanz 30 noch unterhalb einer Betriebstemperatur, beispielsweise auf Raumtemperatur. Der Elektronenstrahl heizt die Targetsubstanz z. B. während eines Warmfahrprozesses auf, sodass diese an die Betriebstemperatur herangeführt wird. Wird eine eutektische Legierung eingesetzt, so wird diese durch den Elektronenstrahl zunächst geschmolzen bzw. verflüssigt. Der Aufschmelzvorgang bzw. der Warmfahrprozess kann durch eine nachfolgend beschriebene Heizung 75 durchgeführt oder beschleunigt werden.At the beginning of the operation is the target substance 30 still below an operating temperature, for example at room temperature. The electron beam heats the target substance z. B. during a warm-up process, so that it is brought to the operating temperature. If a eutectic alloy is used, it is first melted or liquefied by the electron beam. The reflow process or the warm-up process can be performed by a heater described below 75 be carried out or accelerated.

2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Röntgenröhre 5 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Ergänzend zu den bereits bezüglich 1 beschriebenen Merkmalen weist das bevorzugte Ausführungsbeispiel ein Schutzrohr 65 auf, das ausgebildet ist, den Elektronenstrahl 35 auf die Targetsubstanz 30 in dem Ring 15 der Vorrichtung 10 zu richten. Dieses Schutzrohr ist vorteilhaft, da der auftreffende Elektronenstrahl aufgrund seiner negativen Ladung vom Magnetfeld des Lagers und des Antriebs abgelenkt werden kann. Dieser Einfluss lässt sich durch Anbringen des Schutzrohres 65, welches den Strahl 35 beim Eintritt in den Ring 15 vor den magnetischen Feldlinien schützt, verhindern. Das Schutzrohr 65 kann Eisen, Nickel oder ein anderes ferromagnetisches Material aufweisen, das magnetische Störfelder vom Elektronenstrahl abschirmt. 2 shows a schematic side view of the X-ray tube 5 in a preferred embodiment. In addition to the already re 1 described features, the preferred embodiment, a protective tube 65 formed on the electron beam 35 on the target substance 30 in the ring 15 the device 10 to judge. This protective tube is advantageous because the incident electron beam can be deflected due to its negative charge from the magnetic field of the bearing and the drive. This influence can be achieved by attaching the protective tube 65 which the beam 35 when entering the ring 15 protects against magnetic field lines. The protective tube 65 may include iron, nickel or other ferromagnetic material that shields magnetic fields from the electron beam.

Zu beachten ist zudem die Ladung des Strahls 35 selbst, da sie den Ring 15 negativ aufladen kann. Der Ring 15 kann durch die berührungslose Lagerung jedoch nicht ohne weiteres geerdet werden. Eine Erdung kann allerdings neben dem Einsatz eines Schleifkontaktes auch durch den glühelektrischen Effekt erreicht werden. Die heiße Flüssigkeit kann demnach, ähnlich der Glühemission an Feststoffen, Elektronen an eine in geringerem Abstand angebrachte Anode 70 abgeben und so die Ladung vom Ring 15 abführen. Die Anode 70 wird daher vorteilhaft im Innenbereich des Rings 15 in räumlicher Nähe zu der Targetsubstanz 30 angeordnet. Der Innenbereich des Rings ist der Bereich, der von dem inneren Hauptoberflächenbereich 25 eingeschlossen ist. Eine mögliche Anordnung der Anode 70 ist in 4 näher beschrieben. Ferner kann auch ein Schleifring die auftretende Ladung anstelle der kontaktlos angebrachten Anode 70 abführen, indem beispielsweise der Ring 15 bzw. ein Teil des Rings 15 derart elektrisch leitend ausgebildet ist, dass derselbe die Ladung der Targetsubstanz 30 aufnimmt und an den am Ring 15 anliegenden Schleifkontakt abgeben kann.Also note the charge of the jet 35 even as she rings 15 can charge negatively. The ring 15 However, can not be grounded by the contactless storage readily. Grounding, however, can be achieved not only by using a sliding contact but also by the glow-electric effect. Accordingly, the hot liquid can, similar to the annealing emission of solids, electrons to a more distant anode 70 and so the charge from the ring 15 dissipate. The anode 70 is therefore beneficial in the interior of the ring 15 in spatial proximity to the target substance 30 arranged. The inner area of the ring is the area of the inner main surface area 25 is included. A possible arrangement of the anode 70 is in 4 described in more detail. Further, a slip ring may also be the occurring charge instead of the contactless mounted anode 70 dissipate by, for example, the ring 15 or part of the ring 15 is formed so electrically conductive that the same the charge of the target substance 30 and on the ring 15 can submit adjacent sliding contact.

Zu Beginn des Aufheizvorgangs der Flüssigkeit bzw. der Targetsubstanz 30 durch den Elektronenstrahl 35 kann über das noch kalte Targetmaterial die auftretende Ladung der Targetsubstanz 30 nur schwer abgeführt werden, wodurch sich der Ring 50 negativ aufladen kann. Daher ist es vorteilhaft, das Target 30 vor dem Einschalten des Strahls 35 zu heizen und aufzuschmelzen. Hierfür kann die Röntgenröhre 5 eine Heizung 75 aufweisen, die ausgebildet ist, die Targetsubstanz 30 vor dem Einschalten des Elektronenstrahls 35 zu erwärmen. Die Heizung 35 kann im Innenbereich des Rings 15 in räumlicher Nähe zu der Targetsubstanz 30 angeordnet sein. Dieselbe weist beispielsweise zwei Heizelemente 75a, 75b auf, die über eine Halterung 80 elektrisch angeschlossen und im Innenbereich des Rings 15, der sich in dem von einem inneren Hauptoberflächenbereich 25 eingeschlossenen Bereich befindet, positioniert sein. Ferner kann die Halterung 80 auch das Schutzrohr 65 führen und korrekt positionieren. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Heizung auch an einem anderen Ort, beispielsweise seitlich bzw. in Dickenrichtung neben dem Ring 15 oder im Bereich des Antriebs 55 bzw. des Lagers 60 angeordnet sein und die Targetsubstanz z. B. indirekt durch den Ring 15 erwärmt werden. Die Heizung 75 kann während des Betriebs ausgeschaltet sein bzw. bei einer niedrigeren Temperatur auch die durch den Elektronenstrahl stark erwärmte Targetsubstanz zu kühlen.At the beginning of the heating process of the liquid or the target substance 30 through the electron beam 35 can over the still cold target material, the occurring charge of the target substance 30 are difficult to dissipate, causing the ring 50 can charge negatively. Therefore, it is advantageous to use the target 30 before turning on the beam 35 to heat and melt. For this, the X-ray tube 5 a heater 75 which is formed, the target substance 30 before turning on the electron beam 35 to warm up. The heating system 35 can be inside the ring 15 in spatial proximity to the target substance 30 be arranged. The same example has two heating elements 75a . 75b on that over a bracket 80 electrically connected and inside the ring 15 which is in the of a major inner surface area 25 enclosed area is located. Furthermore, the holder 80 also the protective tube 65 lead and position correctly. According to a further embodiment, the heating can also be at another location, for example laterally or in the thickness direction next to the ring 15 or in the area of the drive 55 or of the warehouse 60 be arranged and the target substance z. B. indirectly through the ring 15 to be heated. The heating system 75 can be turned off during operation or to cool at a lower temperature and the strongly heated by the electron beam target substance.

Die nachfolgenden 3, 4 und 5 zeigen jeweils Teilelemente des bevorzugten Ausführungsbeispiels aus unterschiedlichen Perspektiven.The following 3 . 4 and 5 each show sub-elements of the preferred embodiment from different perspectives.

3a zeigt die Röntgenröhre 5 in einer schematischen Seitenansicht mit dem Fokus auf dem Schutzrohr 65. Das Schutzrohr 65 wird seitlich in den Innenbereich des Rings 15 bzw. zwischen den inneren Hauptoberflächenbereich 25 geführt und auf die Targetsubstanz 30 ausgerichtet. Der Elektronenstrahl 35 kann somit, ohne durch die von außen einwirkenden Kräfte, beispielsweise durch den Antrieb 55 oder das Lager 60, auf die Targetsubstanz 35 geführt werden und dort einen konstanten bzw. an einer gleichbleibenden Position bleibenden Brennfleck erzeugen. 3a shows the x-ray tube 5 in a schematic side view with the focus on the protective tube 65 , The protective tube 65 becomes laterally in the inner area of the ring 15 or between the inner main surface area 25 guided and on the target substance 30 aligned. The electron beam 35 can thus, without by the forces acting from outside, for example by the drive 55 or the camp 60 , on the target substance 35 be guided and produce there a constant or at a constant position remaining focal point.

3b zeigt die Seitenansicht eines Querschnitts durch die Röntgenröhre 5 in einer schematischen Darstellung. Der bereits in 1 gezeigte Querschnitt wird somit noch einmal dreidimensional und somit plastischer dargestellt. 3b shows the side view of a cross section through the X-ray tube 5 in a schematic representation. The already in 1 cross-section shown is thus once again shown in three dimensions and thus more plastic.

4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Röntgenröhre 5 mit der Anode 70. Die Anode 70 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und beispielsweise in Form einer Platte ausgeführt sein. Um die elektrische Ladung abzuführen, kann die Anode 70 über eine Zuleitung 85 geerdet sein. Alternativ kann zur Abführung der Ladung auch ein Schleifkontakt bzw. ein Schleifring eingesetzt werden. Der Einsatz der Anode 70 ist jedoch vorteilhaft, da dieselbe kontaktlos angebracht ist und somit keine Verschleißspuren, beispielsweise durch Reibung, erhält und somit nicht verschleißbedingt ausgetauscht werden braucht. Die Positionierung der Anode im Innenbereich des Rings 15 erfolgt beispielsweise mittels einer starren Zuleitung 85 bzw. mittels eines festen Mantels, in dem die Zuleitung 85 zur Anode 70 geführt wird. Die starre Zuleitung 85 bzw. der starre Mantel der Zuleitung 85 kann an einem statischen Teil der Röntgenröhre 5 angebracht sein und somit die Anode 70 in der vorbestimmten Position in räumlicher Nähe des Targetmaterials 30 halten. 4 shows a schematic side view of the X-ray tube 5 with the anode 70 , The anode 70 may consist of an electrically conductive material and be designed for example in the form of a plate. To dissipate the electrical charge, the anode can 70 via a supply line 85 be grounded. Alternatively, a sliding contact or a slip ring can be used to discharge the charge. The use of the anode 70 However, it is advantageous because it is mounted without contact and thus no signs of wear, for example by friction, receives and thus need not be replaced due to wear. The positioning of the anode inside the ring 15 takes place for example by means of a rigid supply line 85 or by means of a fixed jacket, in which the supply line 85 to the anode 70 to be led. The rigid supply line 85 or the rigid jacket of the supply line 85 can be attached to a static part of the x-ray tube 5 be attached and thus the anode 70 in the predetermined position in the vicinity of the target material 30 hold.

5 zeigt eine schematische Seitenansicht der Röntgenröhre 5 mit dem Fokus auf der Heizung 75. Die Heizung 75 ist beispielsweise über zwei Heizelemente 75a und 75b realisiert, die über der Halterung 80 im Innenbereichs des Rings 15 angeordnet sind. Die Halterung 80 kann an einem starren Teil der Röntgenröhre 5 angebracht sein und zusätzlich die Zuleitung für die beiden Heizelemente 75a bzw. 75b führen. Ergänzend kann die Halterung 80 ein Loch aufweisen, um dem Schutzrohr 65 eine Führung in dem Innenbereich des Rings 15 zu geben und denselben dadurch zu stabilisieren. Alternativ sind auch andere Heizelemente bzw. Heizungen, beispielsweise mit nur einem oder einer Mehrzahl von Heizelementen realisierbar, von denen einige bereits beschrieben wurden. 5 shows a schematic side view of the X-ray tube 5 with the focus on the heating 75 , The heating system 75 is for example about two heating elements 75a and 75b realized that over the bracket 80 inside the ring 15 are arranged. The holder 80 can be attached to a rigid part of the x-ray tube 5 be attached and additionally the supply line for the two heating elements 75a respectively. 75b to lead. In addition, the holder 80 have a hole around the protective tube 65 a guide in the interior of the ring 15 to give and thereby stabilize the same. Alternatively, other heating elements or heaters, for example, with only one or a plurality of heating elements feasible, some of which have already been described.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens 600 zur Emission von Röntgenstrahlung. Das Verfahren umfasst einen Schritt 605 „Rotieren eines Rings, wobei der Ring an einem inneren Hauptoberflächenbereich eine umlaufende Nut aufweist, in der eine Targetsubstanz angeordnet ist” und einen Schritt 610 „Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Elektronenquelle und Richten des Elektronenstrahls auf die Targetsubstanz in dem Ring, wobei die Targetsubstanz im Betrieb durch eine Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht und durch die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl eine Röntgenstrahlung emittiert”. Optional kann das Verfahren 600 ferner einen Schritt 615 „Erwärmen der Targetsubstanz mit einer Heizung vor dem Einschalten des Elektronenstrahls, so dass die Targetsubstanz von dem festen in den flüssigen Zustand übergeht” umfassen. 6 shows a schematic representation of a flowchart of a method 600 for the emission of X-radiation. The method comprises a step 605 "Rotating a ring, wherein the ring at an inner major surface area has a circumferential groove in which a target substance is arranged" and a step 610 "Generating an electron beam with an electron source and directing the electron beam to the target substance in the ring, wherein the target substance in operation by irradiation with the electron beam from a solid to a liquid state and emits by the irradiation of the electron beam X-radiation". Optionally, the procedure 600 a further step 615 "Heating the target substance with a heater prior to switching on the electron beam so that the target substance passes from the solid to the liquid state" include.

In anderen Worten beschreibt die vorliegende Erfindung ein in einem rotierenden Ring gefasstes Material, dass im Betriebszustand aufgeschmolzen wird und so eine deutlich höhere Beständigkeit gegenüber dem auftreffenden Elektronenstrahl als herkömmliche Targets bietet. Der Strahl kann damit auf einen kleineren Brennfleck fokussiert und somit die Qualität des entstehenden Kegelstrahls verbessert werden. Der Schutzbereich wird jedoch von den nachfolgenden Patentansprüchen definiert.In other words, the present invention describes a material held in a rotating ring, which is melted in the operating state and thus offers a significantly higher resistance to the incident electron beam than conventional targets. The beam can thus be focused on a smaller focal spot and thus the quality of the resulting cone beam can be improved. The scope of protection, however, is defined by the following claims.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.

Claims

Contraption ( 10 ) for the emission of X-radiation ( 40 ) with: a ring ( 15 ) which rotates during operation and at an inner main surface area ( 25 ) a circumferential groove ( 20 ), in which a target substance ( 30 ) arranged to transition from a solid to a liquid state during operation and when excited with an electron beam ( 35 ) an X-ray radiation ( 40 ) to emit.

Device according to one of the preceding claims, wherein the target substance ( 30 ) is a eutectic alloy.

X-ray tube ( 15 ) with: a device ( 10 ) according to one of claims 1 or 2; an electron source ( 50 ), which is adapted to the electron beam ( 35 ) and on the target substance ( 30 ) in the ring ( 15 ) of the device ( 10 ) to judge; a drive ( 55 ), which is adapted to the ring ( 15 ) to rotate during operation; and a warehouse ( 60 ), which is adapted to the ring ( 15 ) respectively.

X-ray tube ( 5 ) according to claim 3, wherein the bearing ( 60 ) is a magnetic bearing.

X-ray tube ( 5 ) according to claim 3 or 4, wherein the bearing ( 60 ) has a concentricity and axial runout of less than 50 microns.

X-ray tube ( 5 ) according to any one of claims 3-5, comprising a protective tube ( 65 ), which is formed, the electron beam ( 35 ) on the target substance ( 30 ) in the ring ( 15 ) of the device ( 10 ).

X-ray tube ( 5 ) according to any one of claims 3-6, which is an anode ( 70 ), which is designed to detect a charge of the target substance ( 30 ) dissipate without contact during operation.

X-ray tube ( 5 ) according to claim 7, wherein the anode ( 70 ) in the interior of the ring ( 15 ) in spatial proximity to the target substance ( 30 ) is arranged.

X-ray tube ( 5 ) according to any one of claims 3-8, comprising a heater ( 75 ), which is designed to detect the target substance ( 30 ) before switching on the electron beam ( 35 ) to heat.

X-ray tube ( 5 ) according to claim 9, wherein the heating ( 75 ) in the interior of the ring ( 15 ) in spatial proximity to the target substance ( 30 ) is arranged.

X-ray tube according to one of claims 3-10, wherein the drive ( 55 ) is adapted to a rotational speed of the ring ( 15 ) with a rising temperature of the substrate ( 30 ) to reduce.

Method for emitting X-radiation ( 40 ) with the steps: rotating a ring ( 15 ), the ring ( 15 ) at an inner main surface area ( 25 ) a circumferential groove ( 20 ), in which a target substance ( 30 ) is arranged; and generating an electron beam ( 35 ) with an electron source ( 50 ) and directing the electron beam ( 35 ) on the target substance ( 30 ) in the ring ( 15 ), wherein the target substance ( 30 ) in operation by irradiation with the electron beam ( 35 ) changes from a solid to a liquid state and by the irradiation with the electron beam X-radiation ( 40 ) emitted.

A method according to claim 12, comprising the step of: heating the target substance ( 30 ) with a heater ( 75 ) before switching on the electron beam so that the target substance ( 30 ) changes from the solid to the liquid state.