DE102014226814B4

DE102014226814B4 - Metallstrahlröntgenröhre

Info

Publication number: DE102014226814B4
Application number: DE102014226814.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: CN105719926A; DE102014226814A1; US20160189910A1; US9911568B2; CN105719926B

Abstract

Metallstrahlröntgenröhre, aufweisend in einem Vakuumraum eine Kathodenkomponente zum Extrahieren eines Elektronenstrahls, eine Vorkehrung zum Verursachen des Extrahierens des Elektronenstrahls von der Kathodenkomponente, eine mit einem flüssigen Metallstrahl gebildeten Anodenkomponente als Ziel für den ausgesendeten Elektronenstrahl der Kathodenkomponente und eine Vorkehrung zum Beschleunigen des von der Kathodenkomponente ausgesendeten Elektronenstrahls innerhalb einer Vakuumstrecke in Richtung und mit Ziel Anodenkomponente, wobei ein dünner Metallstrahl (6) als Anodenkomponente (7) vorgesehen ist, durch den die Elektronen des darauf auftreffenden Elektronenstrahls (4) nur teilweise abgebremst sind, und wobei der Metallstrahl (6) der Anodenkomponente (7) wenigstens in einem einzigen zweiten, relativ gut elektronendurchlässigen und wärmeabsorbierenden Material (13) eingebettet oder darin aufgelöst ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messerschneidekathode als Kathodenkomponente (3) vorgesehen ist mit einer mit einer geringen Neigung abwärts in Richtung flüssiger Metallstrahl (6) der Anodenkomponente (7) zeigenden Kathodenschneide (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallstrahlröntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei bisher bekannten Fest- oder Drehanodenröhren oder auch Metallstrahlröntgenröhren besteht das Problem der Leistungsdichte im Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Anodenkomponente. Es entstehen dort zu hohe Verlustleistungen für gegebene Lichtstärken und Brennfleck-Leuchtdichten. Außerdem stellen starke Hintergrund-Magnetfelder, beispielsweise hervorgerufen im Zusammenhang mit Magnetresonanztomographen, ein Problem dar. In solchen starken Magnetfeldern ist es unmöglich, den Elektronenstrahl elektrostatisch zu fokussieren.
Bei Rotationsanodenröhren und bei Metallstrahlröntgenröhren wird die Aufrechterhaltung des festen bzw. flüssigen Aggregatzustandes des Anodenmaterials im Brennpunkt des Elektronenstrahls bekanntermaßen dadurch gelöst, dass das Material der Drehanode oder des Metallstrahls im Brennpunkt des Elektronenstrahls genügend schnell durch den Brennfleck transportiert wird. Dabei werden die Elektronen bis zum Stillstand abgebremst, obwohl nur hochenergetische Elektronen die gewünschte kurzwellige Röntgenstrahlung hervorrufen. Die vollständige Abbremsung ist bezüglich der Brennfleck-Leistungsdeposition und auch der Effizienz ein ungünstiger Prozess.
Aus der DE 10 2013 220 189 A1 ist eine Röntgenquelle mit einem Anodenstrahlgenerator zur Erzeugung eines flüssigen Anodenstrahls und einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls angegeben, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anodenstrahl gerichtet ist. Die Röntgenquelle 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.
Die DE 10 2013 209 447 A1 offenbart eine Röntgenquelle mit einem evakuierbaren Außengehäuse mit wenigstens einem röntgenstrahldurchlässigen Strahlaustrittsfenster, einer Elektronenquelle zum Aussenden eines Elektronenstrahls und einer Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung angegeben. 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallstrahlröntgenröhre vorzuschlagen, die weniger als konventionelle Fest- oder Drehanodenröhren oder bisherige Metallstrahlröntgenröhren vom Problem der Leistungsdichte im Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Anodenkomponente betroffen ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Metallstrahlröntgenröhre der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Metallstrahlröntgenröhre, die die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufweist.
In Summe wird eine Metallstrahlröntgenröhre erhalten, die die eingangs genannten Nachteile nicht mehr aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Danach weist die Metallstrahlröntgenröhre in einem Vakuumraum neben einer Kathodenkomponente zum Extrahieren eines Elektronenstrahls auch eine Vorkehrung zum Verursachen des Extrahierens des Elektronenstrahls von der Kathodenkomponente auf. Außerdem weist die Metallstrahlröntgenröhre eine mit einem flüssigen Metallstrahl gebildete Anodenkomponente als Ziel für den ausgesendeten Elektronenstrahl der Kathodenkomponente und eine Vorkehrung zum Beschleunigen des von der Kathodenkomponente ausgesendeten Elektronenstrahls innerhalb einer Vakuumstrecke in Richtung und mit Ziel Anodenkomponente auf. Dazu weist die Metallstrahlröntgenröhre erfindungsgemäß einen dünnen Metallstrahl als Anodenkomponente auf, durch den die Elektronen des auf der Anodenkomponente auftreffenden Elektronenstrahls nur teilweise abgebremst sind. Ferner ist der Metallstrahl der Anodenkomponente in einem zweiten, relativ gut elektronendurchlässigen und wärmeabsorbierenden Material eingebettet oder auch darin aufgelöst.
Die Auflösung kann beispielsweise in Form einer Legierung oder eines Gemisches erfolgen. Dies ermöglicht im Gegensatz zu bisherigen Metallstrahlröntgenröhren physikalisch relativ dicke, aber elektronenoptisch dünne Anoden mit großem spezifischem Energieaufnahmevermögen. Insgesamt kann der Metallstrahl die einfach zu realisierende Zylinderform mit Durchmesser in der Größenordnung des Elektronenstrahldurchmessers, z.B. 10 bis 100 µm aufweisen bei dennoch elektronenkinetisch ausreichender Durchlässigkeit. Das Gemisch oder die Legierung sollte erfindungsgemäß einen geringen Schmelzpunkt haben, um die Flüssigstrahlbildung zu ermöglichen. Das verbesserte Energieaufnahmevermögen des Anodenmaterials reduziert die notwendige An o den s t rahlgeschwindigkeit und/oder ermöglicht eine höhere Leistungsdeposition und damit Leuchtdichte des Brennflecks.
Es werden die schnellen, in einer ersten Vakuumstrecke elektrostatisch oder elektrodynamisch beschleunigten primären Elektronen in einem dünnen, relativ elektronentransparenten Zielmedium nur teilweise abgebremst.
Hierbei besteht aber noch das Problem, dass das dünne lichterzeugende Anodenmaterial nur sehr wenig Energie absorbieren kann. Im Endeffekt besteht zunächst im Wesentlichen die gleiche Leistungsgrenze wie bei einem dicken Anodenmaterial. Es sind physikalisch sehr dünne Anodenmaterialien erforderlich, beispielsweise in der Stärke von 0,1 bis 10 µm.
Andererseits sind Flüssigmetallstrahlen nur sehr schwierig in einer anderen als runder Form zu realisieren. Damit ist der Brennfleckdurchmesser ebenfalls auf eine sehr geringe Größe beschränkt.
Weiter macht die Anwesenheit eines starken, homogenen Hintergrundmagnetfelds, beispielsweise beim Einsatz in einem Magnetresonanztomographen, es unmöglich, die Elektronen elektrostatisch zu fokussieren.
Zur Lösung dieses Problems weist die erfindungsgemäße Metallstrahlröntgenröhre eine Messerschneidekathode als Kathodenkomponente auf mit einer mit einer geringen Neigung abwärts in Richtung flüssiger Metallstrahl der Anodenkomponente zeigenden Kathodenschneide. Die Messerschneidenkathode erzeugt einen Elektronen-Flachstrahl mit zum Metallstrahldurchmesser passender Dicke, so dass ein ausreichend großer Anteil der aus der Kathode austretenden Elektronen den Metallstrahl trifft.
Als weiter vorteilhaft erweist sich nach der Anodenkomponente eine weitere Vakuumstrecke für die noch nicht ganz abgebremsten Elektronen des Elektronenstrahls, in der eine Abbremsung der Elektronen wenigstens annähernd bis zum Stillstand erfolgt.
Erfolgt dieses Abbremsen der Elektronen zusammen mit einer Energierückgewinnungsvorkehrung, wird in einer ganz besonders vorteilhaften Weise die Lichterzeugungseffizienz gesteigert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Metallstrahlröntgenröhre, und
2 eine Graphik bezüglich einer ausgewählten vorteilhaften Materialkombination für die Bildung des Metallstrahls der erfindungsgemäßen Metallstrahlröntgenröhre.

Die 1 zeigt eine Metallstrahlröntgenröhre 1, die einen Vakuumraum 2 aufweist. In dem Vakuumraum 2 ist eine Kathodenkomponente 3 angeordnet. Die Kathodenkomponente 3 dient zum Extrahieren eines Elektronenstrahls 4. Desweiteren ist in dem Vakuumraum 2 eine Vorkehrung 5 zum Verursachen des Extrahierens des Elektronenstrahls 4 von der Kathodenkomponente 3 vorgesehen. Weiter ist in dem Vakuumraum 2 eine mit einem flüssigen Metallstrahl 6 gebildete Anodenkomponente 7 vorgesehen. Der Metallstrahl 6 ist das Ziel für den ausgesendeten Elektronenstrahl 4 der Kathodenkomponente 3. Eine Vorkehrung 8 dient zum Beschleunigen des von der Kathodenkomponente 3 ausgesendeten Elektronenstrahls 4 zumindest innerhalb einer Vakuumstrecke 9 in Richtung und mit Ziel Anodenkomponente 7.
Der Metallstrahl 6 ist als soweit dünner Metallstrahl realisiert, als die Elektronen des Elektronenstrahls 4 durch den Metallstrahl 6 nur teilweise abgebremst werden. Die Kathodenkomponente 3 weist eine Kathodenmesserschneide 10 auf, so dass die Kathodenkomponente 3 auch als Messerschneidekathode bezeichnet werden kann. Die Kathodenmesserschneide 10 ist mit einer geringen Neigung abwärts in Richtung flüssiger Metallstrahl 6 der Anodenkomponente 7 ausgerichtet.
Nach der Anodenkomponente 7 ist eine weitere Vakuumstrecke 11 für die noch nicht ganz abgebremsten Elektronen des Elektronenstrahls 4 vorhanden. Die Vakuumstrecke 11 dient dazu, die nach der Anodenkomponente 7 nur teilweise abgebremsten Elektronen wenigstens annähernd bis zum Stillstand abzubremsen. Das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur weist hierfür ergänzend eine Energierückgewinnungsvorkehrung 12 auf.
Nicht speziell erkennbar in der Figur ist, dass der Metallstrahl 6 der Anodenkomponente 7 wenigstens in einem einzigen zweiten, relativ gut elektronendurchlässigen und wärmeabsorbierenden Material 13 eingebettet oder darin aufgelöst ist.
Erfindungsgemäß findet eine Messerschneidekathode Anwendung, die leicht gegen gegebenenfalls vorhandene Magnetfeldlinien geneigt ist. Zusätzlich findet beim Ausführungsbeispiel nach der Figur eine Legierung bzw. ein Gemisch aus mindestens zwei Komponenten als röntgenstrahlerzeugendes Anodenmaterial Verwendung und weiter eine Energierückgewinnungsvorkehrung 12, die das aus dem Metallstrahl 6 der Anodenkomponente 7 austretende Elektronenbündel mit einem elektrostatischen Kollektor auffängt. Als Material 13 für den Metallstrahl 6 der Anodenkomponente 7 ist beispielsweise ein chemisches Element der Ordnungszahl 30 bis 92 verwendet, zum Beispiel Barium, Lanthan, Cer, Wismut, Wolfram und so weiter und mindestens einer wärmeabsorbierenden, relativ elektronen- und röntgentransparenten Komponente, beispielsweise einem chemischen Element mit Ordnungszahl < 20, zum Beispiel Lithium.
Der Metallstrahl 6 wird beispielsweise mittels eines Injektors in den Elektronenstrahl 4 eingeschossen, so dass in der Interaktionszone 14 Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung entsteht. Die transmittierten und gestreuten Elektronen werden in einem elektrostatischen Kollektor durch ein Gegen-E-Feld unter Energierückgewinnung abgebremst und bei geringer Geschwindigkeit aufgefangen.
Leichtschmelzende Metalllegierungen tendieren bei erhöhten Temperaturen zu einem hohen Dampfdruck, was die Ablagerung von leitfähigen Oberflächenschichten zum Beispiel auf Isolatoren begünstigt. Es ist daher vorteilhaft, den Metallstrahl 6 nur für eine minimale, für die Interaktion mit dem Elektronenstrahl 4 notwendige Länge durch den Entladungsraum zu führen und danach in einen wandgekühlten Kondensations- und Auffangbehälter eintreten zu lassen.
Die in der 2 gezeigte Graphik bezüglich einer ausgewählten vorteilhaften Materialkombination für die Bildung des Metallstrahls der erfindungsgemäßen Metallstrahlröntgenröhre. Gezeigt ist insbesondere die Temperaturbeeinflussung durch verschiedenartige Mischverhältnisse zwischen den Materialien Bismut (Bi) und Lithium (Li). Darin ist insbesondere der Punkt 15 gezeigt, der den Anstieg des Schmelzpunkts bei Li-Verlust (Verdampfung) angibt. Im Vergleich dazu ist der Punkt 16 gezeigt, der eine Temperatur bezüglich der Ausgangslegierung angibt.

Claims

Metallstrahlröntgenröhre, aufweisend in einem Vakuumraum eine Kathodenkomponente zum Extrahieren eines Elektronenstrahls, eine Vorkehrung zum Verursachen des Extrahierens des Elektronenstrahls von der Kathodenkomponente, eine mit einem flüssigen Metallstrahl gebildeten Anodenkomponente als Ziel für den ausgesendeten Elektronenstrahl der Kathodenkomponente und eine Vorkehrung zum Beschleunigen des von der Kathodenkomponente ausgesendeten Elektronenstrahls innerhalb einer Vakuumstrecke in Richtung und mit Ziel Anodenkomponente, wobei ein dünner Metallstrahl (6) als Anodenkomponente (7) vorgesehen ist, durch den die Elektronen des darauf auftreffenden Elektronenstrahls (4) nur teilweise abgebremst sind, und wobei der Metallstrahl (6) der Anodenkomponente (7) wenigstens in einem einzigen zweiten, relativ gut elektronendurchlässigen und wärmeabsorbierenden Material (13) eingebettet oder darin aufgelöst ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messerschneidekathode als Kathodenkomponente (3) vorgesehen ist mit einer mit einer geringen Neigung abwärts in Richtung flüssiger Metallstrahl (6) der Anodenkomponente (7) zeigenden Kathodenschneide (10).
Metallstrahlröntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Anodenkomponente (7) eine weitere Vakuumstrecke (11) für die noch nicht ganz abgebremsten Elektronen des Elektronenstrahls (4) vorgesehen sind, in der die Elektronen wenigstens annähernd bis zum Stillstand abgebremst sind.
Metallstrahlröntgenröhre nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbremsen der Elektronen wenigstens annähernd bis zum Stillstand mit einer Energierückgewinnungsvorkehrung (12) verbunden ist.