DE102016106198A1

DE102016106198A1 - Mehrschichtiges Röntgenquellentarget mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE102016106198A1
Application number: DE102016106198.0A
Authority: DE
Inventors: George Theodore Dalakos; Mark Alan Frontera; Vance Scott Robinson; William Robert Ross; Zhang Xi
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2016-10-13
Also published as: US9646801B2; US20160300686A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen ist ein mehrschichtiges Röntgenquellentarget geschaffen, das zwei oder mehrere Schichten eines Targetmaterials in unterschiedlichen Tiefen und mit unterschiedlichen Dicken aufweist. In einer derartigen Ausführungsform nimmt die Dicke der röntgenerzeugenden Schichten im Verhältnis zu ihrer Tiefe in Bezug auf die dem Elektronenstrahl zugewandte Oberfläche des Quellentargets zu, so dass die röntgenerzeugenden Schichten, die sich von dieser Oberfläche weiter entfernt befinden, dicker sind als röntgenerzeugende Schichten, die sich näher an der dem Elektronenstrahl zugewandten Oberfläche befinden.

Description

HINTERGRUND
Dieser Abschnitt ist dazu gedacht, dem Leser verschiedene Aspekte der Technik vorzustellen, die mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, die nachstehend beschrieben und/oder beansprucht sind, im Zusammenhang stehen können. Es wird angenommen, dass diese Erläuterung hilfreich ist, um den Leser mit Hintergrundinformationen zu versehen, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu fördern. Demgemäß sollte verstanden werden, dass diese Angaben in diesem Lichte und nicht als ein Anerkenntnis des Standes der Technik gelesen werden sollen.
Vielfältige Bildgebungssysteme zur medizinischen Diagnostik, für Laborversuche, zur Sicherheitsüberprüfung und zur industriellen Qualitätskontrolle, nebst bestimmten anderen Arten von Systemen (z.B. strahlungsbasierten Behandlungssystemen), verwenden Röntgenröhren als eine Strahlungsquelle während des Betriebs. Gewöhnlich enthält die Röntgenröhre eine Kathode und eine Anode. Ein Elektronenstrahlsender innerhalb der Kathode sendet einen Strahl von Elektronen in Richtung auf eine Anode aus, die ein Target enthält, das von den Elektronen getroffen wird.
Ein großer Teil der durch den Elektronenstrahl in das Target eingebrachten Energie erzeugt Wärme innerhalb des Targets, während ein weiterer Teil der Energie die Erzeugung von Röntgenstrahlung zur Folge hat. In der Tat ist nur etwa 1% der Energie aus der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Röntgentarget für die Röntgenstrahlerzeugung verantwortlich, während die restlichen 99% zur Erwärmung des Targets führen. Der Röntgenfluss ist folglich stark von der Energiemenge, die innerhalb einer gegebenen Zeitdauer durch den Elektronenstrahl in das Quellentarget eingebracht werden kann, abhängig. Jedoch kann die relativ große Wärmemenge, die während eines Betriebs erzeugt wird, wenn sie nicht abgeschwächt wird, die Röntgenquelle beschädigen (z.B. das Target aufschmelzen). Demgemäß werden herkömmliche Röntgenquellen gewöhnlich gekühlt, indem das Target entweder gedreht oder aktiv gekühlt wird. Wenn eine Drehung das Mittel zur Vermeidung einer Überhitzung ist, ist jedoch die Menge der eingebrachten Wärme durch die Drehgeschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute), die Wärmespeicherung im Target, die Ausstrahlung und Leitung und die Lebensdauer der Lager begrenzt, wobei dies die Menge der eingebrachten Wärme und den Röntgenfluss begrenzt. Dies erhöht ferner das gesamte Volumen und Gewicht der Röntgenquellensysteme. Wenn das Target aktiv gekühlt wird, erfolgt eine derartige Kühlung im Allgemeinen von dem Elektronenstrahleintreffbereich entfernt, was wiederum die Elektronenstrahlleistung, die auf das Target angewandt werden kann, deutlich begrenzt. In beiden Situationen verringert die beschränkte Wärmeabfuhrfähigkeit der Kühlverfahren deutlich den gesamten Fluss von Röntgenstrahlen, die durch die Röntgenröhre erzeugt werden.
KURZE BESCHREIBUNG
Bestimmte Ausführungsformen entsprechend dem Umfang des ursprünglich beanspruchten Gegenstandes sind nachstehend kurz zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Schutzumfang des Anspruchsgegenstandes nicht beschränken, sondern sind vielmehr lediglich dazu vorgesehen, eine kurze Zusammenfassung möglicher Ausführungsformen zu liefern. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Formen einnehmen, die den nachstehend erläuterten Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.
In einem ersten Aspekt ist eine Röntgenstrahlröhre geschaffen. Die Röntgenstrahlröhre enthält einen Sender, der eingerichtet ist, um einen Elektronenstrahl auszusenden, und ein Target, das eine dem Sender zugewandte Oberfläche aufweist und eingerichtet ist, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, wenn es von dem Elektronenstrahl getroffen wird. Das Target enthält: zwei oder mehrere röntgenerzeugende Schichten in unterschiedlichen Tiefen relativ zu der dem Sender zugewandten Oberfläche, wobei jede röntgenerzeugende Schicht eine andere Dicke aufweist; und wenigstens eine wärmeleitende Zwischenschicht zwischen jedem Paar röntgenerzeugender Schichten.
In der zuvor erwähnten Röntgenquelle können die zwei oder mehreren röntgenerzeugenden Schichten eine oder mehrere Regionen eines röntgenerzeugenden Materials aufweisen, das Röntgenstrahlen erzeugt, wenn es von dem Elektronenstrahl getroffen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsformen können die röntgenerzeugenden Schichten, die von der dem Sender zugewandten Oberfläche weiter entfernt sind, dicker sein als die röntgenerzeugenden Schichten, die sich näher an der dem Sender zugewandten Oberfläche befinden.
In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Röntgenquelle können zwei oder mehrere der röntgenerzeugenden Schichten verschiedene röntgenerzeugende Materialien aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Röntgenquelle wenigstens zwei wärmeleitende Zwischenschichten aufweisen, die sich hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder der Dicke voneinander unterscheiden.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Röntgenquelle kann die dem Sender zugewandte Oberfläche ein wärmeleitendes Material aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Röntgenquelle ferner ein wärmeleitendes Substrat auf der entgegengesetzten Seite zu der dem Sender zugewandten Oberfläche aufweisen.
In der Röntgenquelle einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die Dicke jeder röntgenerzeugenden Schicht auf der thermischen Grenze der Materialien benachbart zu der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht und der Tiefe der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht in Bezug auf die dem Sender zugewandte Oberfläche basieren.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Röntgenquelle kann eine oder können mehrere röntgenerzeugende Schichten eine Wolframregion aufweisen, und die wenigstens eine wärmeleitende Schicht kann Diamant aufweisen.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Röntgenquelle kann eine oder können mehrere röntgenerzeugende Schichten eine röntgenerzeugende Materialregion mit einer Querschnittsausdehnung aufweisen, die kleiner ist als die Querschnittsausdehnung der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht.
In einem zweiten Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenquellentargets geschaffen. Gemäß diesem Verfahren wird eine erste röntgenerzeugende Schicht gebildet. Die erste röntgenerzeugende Schicht weist eine erste Dicke auf. Auf der ersten röntgenerzeugenden Schicht wird ein oder werden mehrere Sätze gebildet von: einer wärmeleitenden Zwischenschicht; und einer weiteren röntgenerzeugenden Schicht. Jede röntgenerzeugende Schicht weist eine andere Dicke als andere röntgenerzeugende Schichten auf.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann die erste röntgenerzeugende Schicht auf einem wärmeleitenden Substrat ausgebildet werden.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann jede weitere röntgenerzeugende Schicht, die über der ersten röntgenerzeugenden Schicht gebildet wird, eine kleinere Dicke als diejenigen röntgenerzeugenden Schichten, die zuvor gebildet wurden, aufweisen.
In einer Ausführungsform kann das Bilden der ersten röntgenerzeugenden Schicht ein Bilden der ersten röntgenerzeugenden Schicht auf einem wärmeleitenden Substrat aufweisen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann eine oder können mehrere der wärmeleitenden Zwischenschichten sich hinsichtlich der Dicke unterscheiden.
In den zuletzt erwähnten Ausführungsformen kann das Bilden einer oder beider von der ersten röntgenerzeugenden Schicht oder der weiteren röntgenerzeugenden Schichten ein Bilden einer kontinuierlichen Röntgenmaterialregion über die vollständige Querschnittsausdehnung der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht hinweg aufweisen.
Als eine alternative kann das Bilden einer oder beider von der ersten röntgenerzeugenden Schicht oder der weiteren röntgenerzeugenden Schichten ein Bilden einer röntgenerzeugenden Materialregion über weniger als die vollständige Querschnittsausdehnung der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht und ein Bilden einer oder mehrerer wärmeleitender Regionen über den Rest der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht aufweisen.
In einem dritten Aspekt ist ein Röntgenquellentarget geschaffen. Das Röntgenquellentarget enthält zwei oder mehrere röntgenerzeugende Schichten, die jeweils ein röntgenerzeugendes Material aufweisen, wobei jede röntgenerzeugende Schicht eine andere Dicke aufweist.
In dem zuvor erwähnten Röntgenquellentarget kann die Dicke jeder röntgenerzeugenden Schicht im Verhältnis zu dem Abstand der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht von einer ersten Oberfläche des Röntgenquellentargets zunehmen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Röntgenquellentarget ferner eine oder mehrere wärmeleitende Schichten zwischen jedem Paar röntgenerzeugender Schichten aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile überall in den Zeichnungen kennzeichnen, worin:
1 ein Blockdiagramm eines Röntgenbildgebungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 eine verallgemeinerte Ansicht einer Anordnung mit einer mehrschichtigen Röntgenquelle und einem Detektor gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 in grafischer Weise den Elektronenstrahlenergieeintrag als Funktion der Tiefe gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 eine erste Ausführungsform eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 eine zweite Ausführungsform eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 in grafischer Weise ein Wärmeprofil einer ersten Ausführungsform eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7 in grafischer Weise ein Wärmeprofil einer zweiten Ausführungsform eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 in grafischer Weise ein Wärmeprofil einer dritten Ausführungsform eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
9 in grafischer Weise ein Wärmeprofil einer vierten Ausführungsform eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
10 in grafischer Weise ein Wärmeprofil einer fünften Ausführungsform eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
11 in grafischer Weise die Beziehungen zwischen Leistung, Temperatur und Brennfleck für verschiedene Ausführungsformen eines mehrschichtigen Quellentargets gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen sind nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine konzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung beschrieben sein. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer jeden derartigen tatsächlichen Implementierung, wie in jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die speziellen Ziele der Entwickler, wie beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, zu erfüllen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte erkannt werden, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, dass er jedoch für Fachleute, die den Nutzen dieser Offenbarung haben, nichtsdestoweniger ein routinemäßiges Unterfangen zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgestellt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sind im einschließlichen Sinne gemeint und sollen bedeuten, dass außer den aufgeführten Elementen zusätzliche Elemente vorhanden sein können. Außerdem sind beliebige numerische Beispiele in der folgenden Beschreibung dazu gedacht, nicht beschränkend zu sein, und somit liegen weitere numerische Werte, Bereiche und Prozentsätze innerhalb des Umfangs der offenbarten Ausführungsformen.
Wie vorstehend erwähnt, kann der Röntgenfluss, der durch eine Röntgenquelle erzeugt wird, von der Energie und Intensität eines auf die Targetregion der Quelle einfallenden Elektronenstrahls abhängen. Die in das Target eingebrachte Energie erzeugt zusätzlich zu dem Röntgenfluss eine große Menge an Wärme. Demgemäß ist ein Quellentarget während des normalen Betriebsablaufs in der Lage, Temperaturen zu erreichen, die, wenn sie nicht gemildert werden, das Target beschädigen können. Der Temperaturanstieg kann bis zu einem gewissen Maße durch Konvektionskühlung, die auch als „direkte Kühlung“ des Targets bezeichnet wird, bewältigt werden. Jedoch ist eine derartige Kühlung makroskopisch, und sie tritt nicht unmittelbar neben dem Einfallsbereich des Elektronenstrahls auf, wo eine Beschädigung, d.h. ein Aufschmelzen, auftreten kann. Ohne eine mikroskopisch örtlich eingegrenzte Kühlung ist der Gesamtfluss von Röntgenstrahlen, die durch die Quelle erzeugt werden, begrenzt, was die Quelle möglicherweise für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise diejenigen, die hohe Röntgenstrahlflussdichten erfordern, ungeeignet macht. Eine Rotation des Targets, so dass der Elektronenstrahl die Energie über einen größeren Bereich verteilt, kann die Targettemperatur lokal verringern, wobei dies gewöhnlich größere evakuierte Volumina und die zusätzliche Komplexität von umlaufenden Komponenten, wie beispielsweise Lagern, erfordert. Ferner werden Schwingungen, die mit rotierenden Targets verbunden sind, für Anwendungen mit hoher Auflösung, bei denen die erforderliche Merkmalsdetektierbarkeit in der Größenordnung von zehn Mikrometern liegt und in der gleichen Größenordnung wie die Amplitude der Schwingung liegen kann, untragbar. Demgemäß würde es erwünscht sein, wenn die Quelle im Wesentlichen kontinuierlich in einer Weise betrieben werden könnte, die die Ausgabe eines starken Röntgenflusses ermöglicht.
Die vorliegende Offenbarung stellt Ausführungsformen von Systemen bereit, die eine Röntgenquelle mit Merkmalen enthalten, die eingerichtet sind, um die Wärmeentwicklung in der Röntgenquelle zu reduzieren. Z.B. enthalten bestimmte der hierin erläuterten Ausführungsformen ein mehrschichtiges Quellentarget (z.B. eine Anode) mit zwei oder mehreren röntgenerzeugenden Schichten und mit einem wärmeleitenden Material, das in Wärmeübertragungsverbindung mit den röntgenerzeugenden Schichten angeordnet ist. In dem hierin verwendeten Sinne kann eine röntgenerzeugende Schicht eine Schicht oder einen Film aus einem röntgenerzeugenden Material enthalten, das sich in einer kontinuierlichen (d.h. ununterbrochenen oder lückenlosen) Weise über die röntgenerzeugende Schicht erstreckt. In anderen Ausführungsformen kann eine röntgenerzeugende Schicht als eine diskontinuierliche (d.h. unterbrochene oder lückenhafte) Schicht oder ein derartiger Film aus einem röntgenerzeugenden Material innerhalb einer derartigen röntgenerzeugenden Schicht ausgebildet sein. Somit kann sich eine röntgenerzeugende Region in dem hierin verwendeten Sinne entweder auf eine kontinuierliche Bahn eines röntgenerzeugenden Materials oder auf eine gesamte oder ein Teil einer diskontinuierlichen Bahn innerhalb einer röntgenerzeugenden Schicht beziehen.
Die wärmeleitenden Schichten, die mit den röntgenerzeugenden Schichten in Wärmeübertragungsverbindung stehen, haben eine höhere gesamte Wärmeleitfähigkeit als das röntgenerzeugende Material. Die eine oder mehreren wärmeleitenden Schichten können an zahlreichen Stellen innerhalb des Quellentargets, einschließlich (jedoch nicht darauf beschränkt) zwischen dem Elektronenstrahlsender (d.h. der Kathode) und der obersten röntgenerzeugenden Schicht (d.h. als eine wärmeleitende Oberflächenschicht), zwischen zwei der röntgenerzeugenden Schichten und/oder unterhalb der untersten röntgenerzeugenden Schicht (d.h. als eine zugrundeliegende Schicht oder Substratschicht) angeordnet sein. Die eine oder mehreren wärmeleitenden Schichten können allgemein als „wärmeableitende“ oder „wärmeverteilende“ Schichten bezeichnet werden, weil sie allgemein dazu eingerichtet sind, Wärme von den röntgenerzeugenden Materialien, die von dem Elektronenstrahl getroffen werden, weg abzuleiten oder zu verteilen, um eine verbesserte Kühleffizienz zu ermöglichen. Das Vorsehen einer besseren Wärmeleitung innerhalb des Quellentargets (z.B. einer Anode) ermöglicht dem Endbenutzer, das Röntgentarget mit höheren Leistungen und kleineren Fleckgrößen zu betreiben und dabei das Quellentarget bei den gleichen Targetbetriebstemperaturen zu halten. Alternativ kann das Quellentarget bei niedrigeren Temperaturen unter den gleichen Leistungsniveaus der Röntgenquelle gehalten werden, womit die betriebliche Lebensdauer des Quellentargets verlängert wird. Die erste Option bedeutet einen höheren Durchsatz, da eine höhere Röntgenquellenleistung kürzere Messexpositionszeiten zur Folge hat, oder eine verbesserte Merkmalsdetektierbarkeit, da kleinere Fleckgrößen dazu führen, dass kleinere Merkmale unterscheidbar werden. Die letztere Option hat geringere betriebliche (variable) Ausgaben für den Endnutzer zur Folge, da Targets oder Röhren (in dem Fall, in dem das Target ein integraler Teil der Röhre ist) mit einer geringeren Häufigkeit ersetzt werden.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt vielfältige Konfigurationen eines mehrschichtigen Quellentargets, das mehrere röntgenerzeugende Schichten und mehrere wärmeleitende Schichten aufweist. In manchen dieser Konfigurationen sind die Dicken wenigstens einiger der röntgenerzeugenden Schichten (und/oder der wärmeleitenden Schichten) unterschiedlich, wie beispielsweise in Ausführungsformen, in denen die röntgenerzeugenden Schichten umso dicker aufgebaut sind, je weiter entfernt eine röntgenerzeugende Schicht sich von der Oberfläche befindet, die von dem Elektronenstrahl getroffen wird (d.h. je tiefer die röntgenerzeugende Schicht in dem Quellentarget liegt, desto dicker ist die röntgenerzeugende Schicht). Abhängig von der jeweiligen Ausführungsform kann sich eine gegebene röntgenerzeugende Schicht vollständig über eine gegebene Schicht hinweg erstrecken, oder sie kann sich nur über einen begrenzten Abschnitt der jeweiligen Schicht erstrecken. D.h., die röntgenerzeugenden Regionen innerhalb einer röntgenerzeugenden Schicht können als Pfropfen, Ringe oder andere Strukturen mit begrenzter Ausdehnung im Verhältnis zu einem gesamten Querschnitt der Schicht ausgebildet sein.
Röntgenquellen, wie sie hierin erläutert sind, können auf einer stationären (d.h. nicht rotierenden) Anodenstruktur oder einer rotierenden Anodenstruktur basieren und können zur entweder reflektierenden oder transmissiven Röntgenstrahlerzeugung eingerichtet sein. Wie erkannt werden kann, kann die Leistungsbeanspruchung für eine gegebene röntgenerzeugende Struktur basierend auf kV und der Brennfleckgröße variieren, wie hierin erläutert. In dem hierin verwendeten Sinne ist eine Anordnung der Transmissionsbauart eine, in der der Röntgenstrahl von einer der Oberfläche, die dem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, entgegengesetzten Oberfläche des Targets ausgesandt wird. Umgekehrt ist in einer Reflexionsanordnung der Winkel, unter dem die Röntgenstrahlen das Target verlassen, gewöhnlich spitzwinklig relativ zu der Senkrechten zu dem Target. Dies erhöht in effektiver Weise die Röntgenstrahldichte in dem ausgegebenen Strahlbündel, während es einen viel größeren Wärmefleck auf dem Target ermöglicht, wodurch die Wärmebelastung des Targets verringert wird.
Als ein anfängliches Beispiel tritt in einer Implementierung ein Elektronenstrahl durch die relativ durchlässige wärmeleitende Schicht (z.B. eine Diamantschicht) hindurch, und er wird vorzugsweise von zwei oder mehreren röntgenerzeugenden Schichten oder Regionen (z.B. aus Wolfram) absorbiert. Die Dicke der röntgenerzeugenden Schichten, wie hierin erläutert, kann mit der Tiefe der jeweiligen Schicht innerhalb des Quellentargets (d.h. der Anodenstruktur) in Beziehung stehen. Nachdem er in den röntgenerzeugenden Regionen absorbiert worden ist, werden Röntgenphotonen und Wärme erzeugt. Der Großteil der absorbierten Energie wird in Wärme umgesetzt. Das umgebende wärmeleitende Material führt die Wärme viel effektiver weg als das röntgenerzeugende Material. Dies reduziert die Wärmekonzentration innerhalb der mehrschichtigen Struktur. Da die maximale Temperatur innerhalb des röntgenerzeugenden Materials reduziert ist, kann die Leistung des Elektronenstrahls (und die entsprechende Röntgenerzeugung) vergrößert werden, oder die Fleckgröße kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Konstruktion reduziert werden, ohne dass die röntgenerzeugende Region aufgeschmolzen wird. Die Erhöhung der Leistung hat eine schnellere Probenüberprüfung oder längere Lebensdauer zur Folge. Die Reduktion der Fleckgröße hat die Detektierbarkeit kleinerer Merkmale zur Folge.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden und unter Bezugnahme auf 1 ist ein Röntgenbildgebungssystem 10 veranschaulicht, wie es eine Röntgenquelle 14 enthält, die ein Bündel aus Röntgenstrahlen 16 durch ein Objekt 18 (z.B. einen Patienten oder einen Gegenstand, der einer Sicherheitsoder Qualitätskontrollüberprüfung unterzogen wird) projiziert. Es sollte beachtet werden, dass, während das Bildgebungssystem 10 in manchen Zusammenhängen erläutert sein kann, die hierin offenbarten Röntgenbildgebungssysteme in Verbindung mit dem Zusammenhang mit einer beliebigen geeigneten Art von Bildgebung oder einer beliebigen sonstigen Röntgenimplementierung verwendet werden können. Z.B. kann das System 10 ein Teil eines Fluoroskopiesystems, eines Mammografiesystems, eines Angiografiesystems, eines standardmäßigen radiografischen Bildgebungssystems, eines Tomosynthese- oder C-Arm-Systems, eines Computertomografiesystems und/oder eines strahlungstherapeutischen Behandlungssystems sein. Ferner kann das System 10 nicht nur auf Zusammenhänge mit medizinischer Bildgebung, sondern auch auf verschiedene Inspektionssysteme zur industriellen oder herstellungsbezogenen Qualitätskontrolle, Gepäck- und/oder Paketüberprüfung und dergleichen anwendbar sein. Demgemäß kann das Objekt 18 eine Laborstichprobe (z.B. ein Gewebe aus einer Biopsie), ein Patient, ein Gepäckstück, eine Ladung, hergestellte Teile, ein Kernbrennstoff oder ein sonstiges interessierendes Material sein.
Das Objekt kann z.B. die einfallenden Röntgenstrahlen 16 abschwächen oder brechen und die projizierte Röntgenstrahlung 20 erzeugen, die auf einen Detektor 22 auftrifft, der mit einem Datenakquisitionssystem 24 verbunden ist. Es sollte beachtet werden, dass der Detektor 22, obwohl er als eine einzelne Einheit dargestellt ist, eine oder mehrere Detektionseinheiten enthalten kann, die unabhängig voneinander oder in Verbindung miteinander arbeiten. Der Detektor 22 erfasst die projizierten Röntgenstrahlen 20, die durch das Objekt 18 hindurch oder von diesem weg verlaufen, und erzeugt Daten, die die Strahlung 20 kennzeichnen. Das Datenakquisitionssystem 24 wandelt die Daten, abhängig von der Art der an dem Detektor 22 erzeugten Daten, in digitale Signale für nachfolgende Verarbeitung um. Abhängig von der Anwendung erzeugt jeder Detektor 22 ein elektrisches Signal, das die Intensität und/oder Phase jedes projizierten Röntgenstrahls 20 kennzeichnen kann.
Eine Röntgenstrahlsteuerung 26 kann den Betrieb der Röntgenquelle 14 und/oder des Datenakquisitionssystems 24 leiten. Die Steuereinrichtung 26 kann Leistungs- und Zeitsteuerungssignale zu der Röntgenquelle 14 liefern, um den Fluss der Röntgenstrahlung 16 zu steuern und um den Betrieb anderer Systemeinrichtungen, wie beispielsweise Kühlsysteme für die Röntgenquelle, der Bildanalysehardware und dergleichen, zu steuern oder damit zu koordinieren. In Ausführungsformen, in denen das System 10 ein Bildgebungssystem ist, kann eine Bildrekonstruktionseinrichtung 28 (z.B. eine zur Rekonstruktion eingerichtete Hardware) abgetastete und digitalisierte Röntgendaten von dem Datenakquisitionssystem 24 empfangen und eine Hochgeschwindigkeitsrekonstruktion durchführen, um ein oder mehrere Bilder zu erzeugen, die unterschiedliche Abschwächung, differentielle Lichtbrechung oder eine Kombination von diesen durch das Objekt 18 repräsentieren. Die Bilder werden als eine Eingabe einem prozessorbasierten Computer 30 zugeführt, der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 32 speichert.
Der Computer 30 empfängt ferner Befehle und Scanparameter von einem Bediener über eine Konsole 34, die irgendeine Form einer Bedienerschnittstelle, wie beispielsweise eine Tastatur, eine Maus, eine sprachaktivierte Steuerung oder irgendeine sonstige geeignete Eingabevorrichtung aufweist. Eine zugehörige Anzeige 40 ermöglicht dem Bediener, Bilder und andere Daten von dem Computer 30 zu betrachten. Der Computer 30 verwendet die vom Bediener gelieferten Befehle und Parameter, um Steuersignale und Informationen zu dem Datenakquisitionssystem 24 und der Röntgenstrahlsteuerung 26 zu liefern.
Indem nun auf 2 Bezug genommen wird, ist eine Ansicht auf hoher Ebene der Komponenten einer Röntgenquelle 14 gemeinsam mit dem Detektor 22 dargestellt. Die gezeigten Aspekte der Röntgenstrahlerzeugung stehen im Einklang mit einer reflektierenden Röntgenstrahlerzeugungsanordnung, die entweder einer rotierenden oder einer stationären Anode entsprechen kann. In der dargestellten Implementierung enthält eine Röntgenquelle einen Elektronenstrahlsender (der hier als eine Sendespule 50 dargestellt ist), der einen Elektronenstrahl 52 in Richtung auf eine Targetregion eines röntgenerzeugenden Materials 56 aussendet. Das röntgenerzeugende Material kann ein Material mit hoher Ordnungszahl, wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, eine Titan-Zirkonium-Molybdän-Legierung (TZM), eine Wolfram-Rhenium-Legierung oder ein beliebiges sonstiges Material oder Kombinationen von Materialien sein, die in der Lage sind, Röntgenstrahlen zu emittieren, wenn sie mit Elektronen beschossen werden. Das Quellenmaterial kann auch ein oder mehrere wärmeleitende Materialien, wie beispielsweise ein Substrat 58, oder wärmeleitende Schichten oder andere Regionen, die das röntgenerzeugende Material 56 umgeben, enthalten. In dem hierin verwendeten Sinne ist eine Region eines röntgenerzeugenden Materials 56 allgemein derart beschrieben, dass sie eine röntgenerzeugende Schicht ist oder ein Abschnitt einer röntgenerzeugenden Schicht des Quellentargets ist, in der bzw. dem die röntgenerzeugende Schicht eine gewisse entsprechende Dicke aufweist, die für unterschiedliche röntgenerzeugende Schichten innerhalb eines gegebenen Quellentargets variieren kann.
Der auf das röntgenerzeugende Material 56 einfallende Elektronenstrahl 52 erzeugt Röntgenstrahlen 16, die in Richtung auf den Detektor 22 gerichtet werden und die auf den Detektor 22 einfallen, wobei der optische Fleck 23 der Bereich des Brennflecks ist, der auf die Detektorebene projiziert wird. Der Elektronenauftreffbereich auf dem röntgenerzeugenden Material 56 kann eine bestimmte Gestalt, Dicke oder ein bestimmtes Seitenverhältnis auf dem Quellentarget (d.h. der Anode 54) definieren, um bestimmte Eigenschaften der ausgesandten Röntgenstrahlen 16 zu erreichen. Z.B. kann der ausgesandte Röntgenstrahl 16 eine bestimmte Größe und Gestalt aufweisen, die mit der Größe und Gestalt des Elektronenstrahls 52 in Beziehung steht, wenn dieser auf das röntgenerzeugende Material 56 auftrifft. Demgemäß verlässt der Röntgenstrahl 16 das Quellentarget 54 von einem Röntgenemissionsbereich aus, der basierend auf der Größe und Gestalt des Auftreffbereiches vorhergesagt werden kann. In dem dargestellten Beispiel ist der Winkel zwischen dem Elektronenstrahl 52 und der Normalen zu dem Target als α definiert. Der Winkel β ist der Winkel zwischen der Normalen des Detektors und der Normalen zu dem Target. Wenn b die Größe des thermischen Brennflecks in der Targetregion 56 ist und c die Größe des optischen Brennflecks ist, dann ist b = c/cosβ. Ferner ist der korrespondierende Targetwinkel in dieser Anordnung 90-β.
Wie hierin erläutert, verwenden verschiedene Ausführungsformen ein mehrschichtiges Quellentarget 54 mit zwei oder mehreren röntgenerzeugenden Schichten in der z-Dimension (d.h. zwei oder mehreren Schichten, die das röntgenerzeugende Material enthalten), die durch jeweilige wärmeleitende Schichten (einschließlich oberer Schichten und/oder Substrate 58) getrennt sind. Ein derartiges mehrschichtiges Quellentarget 54 (einschließlich der jeweiligen Schichten und/oder Zwischenschichtstrukturen und Merkmale, wie sie hierin erläutert sind) kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Methode, wie beispielsweise mit geeigneten Halbleiterfertigungstechniken, einschließlich Aufdampfung (wie beispielsweise chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD)), der Kathodenzerstäubung (Sputtern), Atomlagenabscheidung, chemischen Metallabscheidung, Ionenimplantation oder additiven oder reduktiven Herstellung und dergleichen, gefertigt werden.

Bezugnehmend auf 2 sind die wärmeleitenden Schichten generell (allgemein in der x,y-Ebene definiert und mit einer Tiefe oder Höhe in der gezeigten z-Dimension) dazu eingerichtet, während eines Betriebs Wärme von dem röntgenerzeugenden Material weg abzuleiten. D.h., die thermischen Materialien, die hierin erläutert sind, weisen Wärmeleitfähigkeiten auf, die höher sind als diejenigen, die das röntgenerzeugende Material aufweist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann eine wärmeleitende Schicht Materialien auf Kohlenstoffbasis, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, hochgeordneten pyrolytischen Graphit (HOPG), Diamant, und/oder Materialien auf Metallbasis, wie beispielsweise Berylliumoxid, Siliziumkarbid, Kupfer-Molybdän, sauerstofffreies Kupfer hoher Wärmeleitfähigkeit (OFHC) oder eine beliebige Kombination von diesen enthalten. Legierte Werkstoffe, wie beispielsweise Silber-Diamant, können ebenfalls verwendet werden. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung, Wärmeleitfähigkeit, den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), die Dichte und den Schmelzpunkt verschiedener derartiger Materialien. Tabelle 1

Material	Zusammensetzung	Wärmeleitfähigkeit W/m-K	CTE ppm/K	Dichte g/cm³	Schmelzpunkt °C
Diamant	polykristalliner Diamant	1200	1,5	3,5	3550
Berylliumoxid	BeO	250	7,5	2,9	2578
CVD-SiC	SiC	250	2,4	3,2	2830
hoch orientierterpyrolytischer Graphit	C	1700	0,5	2,25	NA
Cu-Mo	Cu-Mo	400	7	9–10	1100
Ag-Diamant	Ag-Diamant	650	< 6	6–6,2	961–3550
OFHC	Cu	390	17	8,9	1350

Es sollte beachtet werden, dass die verschiedenen wärmeleitenden Schichten, Strukturen oder Regionen innerhalb eines Quellentargets 54 entsprechend unterschiedliche wärmeleitende Zusammensetzungen, verschiedene Dicken haben können und/oder unterschiedlich zueinander gefertigt werden können, abhängig von den jeweiligen Wärmeleitungserfordernissen in einer gegebenen Region innerhalb des Quellentargets 54. Selbst wenn sie unterschiedlich zusammengesetzt sind, bilden derartige Regionen jedoch, wenn sie erzeugt sind, um Wärme von den röntgenerzeugenden Materialien abzuleiten, dennoch wärmeleitende Schichten (oder Regionen) in dem hierin verwendeten Sinne.
In manchen Ausführungsformen kann das (können die) röntgenerzeugende(n) Material(ien) 56 über eine begrenzte Ausdehnung hinweg relativ zu dem effektiven Oberflächenbereich des Quellentargets 54 (in einer gegebenen x,y-Ebene), z.B. als ein diskreter „Pfropfen“ oder ein „Ring“ innerhalb der größeren Targetmasse oder des größeren Targetbereiches, der einem Querschnitt in einer x-y-Ebene entspricht, geschaffen sein. Insbesondere zeigen Studien, die zur Unterstützung des vorliegenden Dokumentes durchgeführt wurden, dass eine Beschränkung des Bereichs (der Bereiche) zur aktiven Röntgenstrahlerzeugung (jedoch mit einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit) (d.h. der röntgenerzeugenden Materialien 56) auf die Größe des Elektronenstrahlbündels 52 (d.h. einen Pfropfen) eine Erhöhung der maximalen Leistung ermöglichen kann. In einer derartigen Anordnung kann die Wärmeübertragung von der Region des röntgenerzeugenden Materials 56 weg durch wärmeleitende Materialien nicht nur oberhalb und unterhalb der röntgenerzeugenden Schichten, sondern auch innerhalb der röntgenerzeugenden Schichten, wie beispielsweise den seitlich in Bezug auf die röntgenerzeugenden Materialien 56 innerhalb einer Schicht angeordneten, ermöglicht sein.
Ferner kann, wie hierin erläutert, in verschiedenen Ausführungsformen die jeweilige Tiefe (in der z-Dimension) innerhalb des Quellentargets 54 die Dicke einer röntgenerzeugenden Region oder Schicht, die in dieser Tiefe vorzufinden ist, bestimmen, um so die in dieser Tiefe erwartete einfallende Energie des Elektronenstrahls aufzunehmen. D.h., die röntgenerzeugenden Schichten oder Regionen in unterschiedlichen Tiefen innerhalb eines Quellentargets 54 können derart ausgebildet sein, dass sie verschiedene Dicken aufweisen. Ebenso können in Abhängigkeit von den Wärmeleitungsanforderungen in einer gegebenen Tiefe die verschiedenen wärmeleitenden Schichten ebenfalls hinsichtlich der Dicke entweder auf der Basis ihrer Tiefe in dem Quellentarget 54 oder aus sonstigen Gründen, die mit einer Optimierung des Wärmeflusses und der Wärmeableitung im Zusammenhang stehen, variieren.
Um dieses Konzept weiter zu entwickeln, zeigt 3 in grafischer Weise einen Elektronenstrahlenergieeintrag in das röntgenerzeugende Material 56 (z.B. Wolfram) als Funktion der Tiefe (wie in der z-Dimension gemessen) innerhalb des Quellentargets 54 und die Spannung, die verwendet wird, um den Elektronenstrahl 52 zu erzeugen. Wie in 3 grafisch nachgewiesen, ist der Eintrag von Energie aus dem Elektronenstrahl 52 sowohl von der erzeugenden Spannung als auch von der Tiefe innerhalb des Quellentargets 55 abhängig. D.h., der Eintrag wird in verschiedenen Tiefen innerhalb des Quellentargets 54 (d.h. der Anode) in Abhängigkeit von der erzeugenden Spannung maximiert, oder alternativ bestimmt die erzeugende Spannung, in welcher Tiefe innerhalb des Quellentargets 54 die Elektronenstrahlenergie primär eingebracht wird. Insbesondere dringt ein Elektronenstrahl „geringer“ Energie (z.B. ein 150 kV Strahl) weniger tief in das Quellentarget 54 ein, wobei er in erster Linie seine Energie in den oberen 14 µm des Quellentargets 54 (z.B. in einer Tiefe zwischen 0 µm und 15 µm) und primär in einer Tiefe von ungefähr 5 µm innerhalb des Quellentargets 54 deponiert. Im Gegensatz hierzu dringt ein Elektronenstrahl „hoher“ Energie (z.B. ein 300 kV Strahl) tiefer in das Quellentarget 54 ein und deponiert seine Energie in den oberen 46 µm des Quellentargets 54 (z.B. in einer Tiefe zwischen 0 µm und 50 µm) und primär in einer Tiefe von ungefähr 18 µm innerhalb des Quellentargets 54. Zwischen diesen Beispielen deponiert ein 200 kV Strahl (z.B. ein Strahl mittlerer Energie) seine Energie in den oberen 24 µm des Quellentargets 54 (z.B. in einer Tiefe zwischen 0 µm und 25 µm) und primär in einer Tiefe von ungefähr 9 µm innerhalb des Quellentargets 54.
Wie erkannt wird, ist es gerade diese Elektronenstrahlenergie, die verwendet wird, um Röntgenstrahlen (vorzugsweise) innerhalb der röntgenerzeugenden Materialien 56 innerhalb des Quellentargets 54 zu generieren, und die sekundär Wärme erzeugt. Ferner kann der Elektronenstrahl bei verschiedenen Spannungen betrieben werden, um so verschiedene Röntgenenergiespektren (z.B. Röntgenspektren mit hoher oder niedriger Energie) zu generieren. Somit ist es bei verschiedenen Betriebsenergien erwünscht, den Großteil der Elektronenstrahlenergie in die Abschnitte des Quellentargets 54 einbringen zu lassen, die in der Lage sind, Röntgenstrahlen zu erzeugen, und die Menge der Elektronenstrahlenergie zu minimieren oder zu reduzieren, die in nicht röntgenerzeugenden Materialien (z.B. in wärmeleitenden Materialien oder Schichten) eingebracht wird.
Diese Überlegungen sind gewöhnlich für Quellentargets, die eine einzige Schicht oder Region eines röntgenerzeugenden Materials aufweisen, nicht von Belang, da dieses Material mit hinreichender Dicke versehen sein kann, um die gesamte oder im Wesentlichen gesamte Elektronenstrahlenergie zu absorbieren. In Ausführungsformen eines Röntgenquellentargets 54, bei dem das röntgenerzeugende Material 56 in diskreten und verschiedenen Schichten in der z-Dimension vorgesehen ist, kann es jedoch erwünscht sein, diese Überlegungen zu berücksichtigen, wenn die Tiefe und Dicke der röntgenerzeugenden Materialien 56 bestimmt werden, und ein Quellentarget 54 bereitzustellen, das in der Lage ist, bei verschiedenen Elektronenstrahlspannungen optimal zu arbeiten. Als ein Beispiel, und wie in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen hierin erläutert, sind röntgenerzeugende Schichten (z.B. Wolframschichten) in verschiedenen Dicken innerhalb einer gestapelten Konfiguration derart vorgesehen, dass sie zunehmende Dicken mit steigender Tiefe innerhalb des Stapels aufweisen. Indem die Dicke der röntgenerzeugenden Schichten auf diese Weise (d.h. entlang der Elektronenstrahleintragungsrichtung) variiert wird, kann der Elektronenstrahlenergieeintrag innerhalb der röntgenerzeugenden Struktur verbessert (z.B. optimiert) werden. Z.B. wurde in einem Beispiel die Dicke der obersten Wolframschicht in dem Stapel von 10 µm auf 8 µm reduziert, was es ermöglicht, dass mehr Energie die nächste (d.h. zweite) Wolframschicht in dem Stapel erreicht. Auf diese Weise kann die Temperatur an der obersten Wolfram-Diamant-Schnittstelle reduziert werden. In einem derartigen Beispiel kann die oberste Wolframschicht 8 µm betragen, während die mittlere Wolframschicht 10 µm betragen kann und die unterste Wolframschicht (d.h. die von dem Elektronenstrahlsender am weitesten entfernte Schicht) 12 µm betragen kann.
In diesem Sinne zeigen die 4 und 5 Beispiele verschiedener Targetanordnungen stationärer Quellen der Reflexionsbauart, die diese Konzepte umfassen. Als ein Beispiel zeigt 4 ein mehrschichtiges Quellentarget 80 mit mehreren unterscheidbaren röntgenerzeugenden Schichten 82, die jeweils ein röntgenerzeugendes Material 56 (z.B. Wolfram) aufweisen. In dem dargestellten Beispiel sind die röntgenerzeugenden Schichten 82 insofern kontinuierlich bezüglich des Quellentargets 80, als jede Schicht 82 sich innerhalb einer gegebenen Schicht oder eines gegebenen Querschnitts über die Länge und Breite des Quellentargets 80 hinweg erstreckt.
In diesem Beispiel sind die röntgenerzeugenden Schichten 82 durch wärmeleitende Schichten 86 getrennt, die aus einem geeigneten Material (z.B. Diamant) bestehen können, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das röntgenerzeugende Material aufweist. Zusätzlich zeigt die dargestellte Anordnung ferner ein wärmeleitendes unteres Substrat 88 und eine wärmeleitende obere Schicht 90 in Bezug auf die gezeigte z-Dimension. Sowohl das Substrat 88 als auch die obere Schicht 90 können aus einem Material (z.B. Diamant) bestehen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das röntgenerzeugende Material aufweist.
Obwohl bestimmte Implementierungen mit dem gleichen röntgenerzeugenden Material für jede röntgenerzeugende Schicht 82 und/oder mit dem gleichen wärmeleitenden Material für jede(n) von der wärmeleitenden Schicht 96, der oberen Schicht 88 und dem Substrat 90 konstruiert sein können, muss dies nicht der Fall sein. Z.B. können, abhängig von Konstruktions- und/oder Fertigungsüberlegungen, verschiedene röntgenerzeugende Materialien und/oder wärmeleitende Materialien in verschiedenen Regionen des Quellentargets 80 verwendet werden. Zusätzlich müssen die Übergänge zwischen verschiedenen Schichten des Quellentargets 80 nicht scharf sein, sondern können stattdessen abgestuft sein, so dass der Übergang von einer Schicht zu einer anderen auf eine allmähliche Weise, im Unterschied zur abrupten Weise erreicht werden kann. Ferner kann/können die Anzahl und/oder Reihenfolge der Schichten innerhalb des Quellentargets sich von der- bzw. denjenigen unterscheiden, die in dem vorliegenden Beispiel veranschaulicht ist bzw. sind (wie in größeren Einzelheiten hierin erläutert). Z.B. kann eine Schicht eines röntgenerzeugenden Materials die unterste Schicht (in der z-Dimension) anstelle eines Substrats 90 des wärmeleitenden Materials bilden. Ebenso kann keine wärmeleitende obere Schicht 88 vorhanden sein, wobei stattdessen eine Schicht eines röntgenerzeugenden Materials die oberste Schicht (in der z-Dimension) bilden kann.
In dem dargestellten Beispiel, und entsprechend der vorstehenden Erläuterung, weisen die Schichten des röntgenerzeugenden Materials 82 in verschiedenen Tiefen (in der z-Dimension) innerhalb des Quellentargets 80 entsprechend unterschiedliche Dicken auf. In diesem Beispiel weisen die röntgenerzeugenden Schichten 82 in tieferen Tiefen innerhalb des Quellentargets 80 entsprechend größere Dicken auf, so dass die Energie von dem Elektronenstrahl 52, die in der Lage ist, zu diesen größeren Tiefen vorzudringen, mit größerer Wahrscheinlichkeit durch eine Schicht des röntgenerzeugenden Materials anstelle des wärmeleitenden Materials absorbiert wird. Dies kann aus vielfältigen Gründen erwünscht sein. Z.B. kann eine Elektronenstrahlenergie, die durch eine Schicht 82 des röntgenerzeugenden Materials absorbiert wird, verwendet werden, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, was die Funktion des Quellentargets 80 ist.
Außerdem können in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der jeweiligen Schichten die thermischen Grenzen der verschiedenen Materialien sich voneinander unterscheiden, und es kann erwünscht sein, dass der Großteil der Elektronenstrahlenergie in diejenigen Materialien eingebracht wird, die eine höhere thermische Grenze aufweisen. Als ein Beispiel beträgt die thermische Grenze für Wolfram 2500°C, und die thermische Grenze für Diamant beträgt 1500°C. Folglich kann es in einer Implementierung, in der das röntgenerzeugende Material Wolfram ist und das wärmeleitende Material Diamant ist, erwünscht sein, die Dicke der Wolframschichten auf der Basis des Energieeintrags des Elektronenstrahls derart zu optimieren, dass die wärmeleitenden Diamantschichten geschützt werden. Eine derartige Anordnung ist in 4 veranschaulicht, in der die tieferen röntgenerzeugenden Schichten 82 dicker sind, um so den breiteren und tieferen Energieeintragungsbereich eines hochenergetischen Elektronenstrahls (z.B. des 300 kV Strahls nach 3) besser einzufangen. Umgekehrt sind die die flacheren röntgenerzeugenden Schichten 82 weniger dick, um so in optimaler Weise den schmäleren und flacheren Energieeintragungsbereich eines niederenergetischen Elektronenstrahls (z.B. des 150 kV Strahls nach 3) optimal einzufangen. Zwischenliegende röntgenerzeugende Schichten 82 können entsprechend eine mittlere Dicke aufweisen, um so Elektronenstrahlenergien zwischen diesen hohen und niedrigen Niveaus zu entsprechen.
Indem auf 5 Bezug genommen wird, ist eine ähnliche Anordnung mit mehreren röntgenerzeugenden Schichten veranschaulicht, wobei der Unterschied darin liegt, dass die röntgenerzeugenden Schichten 82 über eine begrenzte Ausdehnung (d.h. die röntgenerzeugenden Regionen 96) innerhalb der Schicht ausgebildet sind, wobei der Rest der röntgenerzeugenden Schicht 82 aus nicht röntgenerzeugenden Materialien 98, wie beispielsweise aus wärmeleitenden Materialien, ausgebildet ist. Als ein Beispiel kann die röntgenerzeugende Region 96 innerhalb einer röntgenerzeugenden Schicht 82 als ein Pfropfen, Ring oder eine andere beschränkte Geometrie innerhalb der röntgenerzeugenden Schicht 82 geschaffen sein, so dass der Querschnitt der röntgenerzeugenden Region 96 (in einer x,y-Ebene) kleiner ist als der Querschnitt der zugehörigen röntgenerzeugenden Schicht 82, wobei der Rest der röntgenerzeugenden Schicht 82 möglicherweise wärmeleitend ist, um eine Abführung von Wärme aus der röntgenerzeugenden Region 96 während des Betriebs zu unterstützen. Als ein Beispiel kann in einer derartigen Ausführungsform der Querschnitt (oder eine andere Größenmetrik) einer gegebenen röntgenerzeugenden Region 96 dem Einfall des Elektronenstrahls 52 auf die jeweilige röntgenerzeugende Schicht 82 entsprechen, um so die Umwandlung des Elektronenstrahls 52 in Röntgenenergie besser zu optimieren und/oder die Kühlung des röntgenerzeugenden Materials während des Betriebs zu verbessern. Das heißt, die Größe der röntgenerzeugenden Region 96 innerhalb einer röntgenerzeugenden Schicht 82 kann der Ausdehnung der durch den Elektronenstrahl 52 getroffenen jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht 82 entsprechen.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Erläuterung gibt die Tabelle 2 vielfältige Konfigurationen mehrschichtiger Quellentargets für ein stationäres Target der Reflexionsbauart an. Tabelle 3 gibt Targetenergie- und Energieverhältniswerte für die in Tabelle 2 angegebenen Targetkonfigurationen bei Verwendung eines 240kV-Elektronenstrahls an. Tabelle 2

Substrat (1,2 mm)	Name	1. Schicht	2. Schicht	3. Schicht	4. Schicht	5. Schicht	6. Schicht
W	W3	10 µ D	13 µ W	4 µ D	12 µ W	4 µ D
W	W5	10 µ D	18 µ W	10 µ D
D	D2	30 µ W	4 µ D				4 µ D
	D4	18 µ W	10 µ D	12 µ W	4 µ D
	D6	12 µ W	10 µ D	10 µ W	10 µ D	8 µ W

In den Tabellen 2 und 3 kennzeichnet W Wolfram, während D Diamant kennzeichnet. In Tabelle 2 werden die Schichten von der Substratschicht (d.h. der Basis- oder unteren Schicht) aus nach oben gezählt, und das Substrat in den ersten beiden Zeilen ist Wolfram mit 1,2 mm und in den unteren drei Zeilen Diamant mit 1,2 mm. Der Name bezeichnet das Substratmaterial und die Anzahl der auf dem Substrat ausgebildeten Reihen. Tabelle 3

Targetenergieverhältnis

Fall 25 µm 50 µm

W (Bezug) 1 1

W3 2 1,5

W5 2,1 1,7

D2 1,8 1,8

D4 2,64 2,5

D6 3,9 3,3
Tabelle 3 zeigt für Vergleichszwecke einen weiteren Eintrag für ein einschichtiges Wolframtarget, der mit „W (Bezug)“ bezeichnet ist, und zeigt Schätzwerte für zwei verschiedene optische Brennfleckdurchmesser, 25 µm und 50 µm. Wie in Tabelle 3 veranschaulicht, liegen geschätzte Verbesserungen des Energieverhältnisses bei 240 kV im Bereich von 1,8X bis 3,9X für einen optischen Brennfleck von 25 µm bis 1,5X bis 3,3X für einen optischen Brennfleck von 50 µm.
Thermische Ergebnisse sind in grafischer Weise in den 6–10 dargestellt, die in grafischer Weise erwartete Temperaturen in verschiedenen Schichten eines mehrschichtigen Quellentargets in dem Szenarium mit einem optischen Brennfleck von 25 µm und dem 240 kV Elektronenstrahl für Targets W3 (6), W5 (7), D2 (8), D4 (9) und D6 (10) zeigen. Wie in 6 ersehen werden kann, die die W3-Ergebnisse zeigt, ist Wärme auf die 13 µm Wolframschicht und das 1,2 mm Wolframsubstrat örtlich begrenzt, wobei die Temperaturen in der oberen Diamantschicht und der Zwischenschicht unterhalb der thermischen Grenze von 1500°C für Diamant bleiben. In ähnlicher Weise ist in 7, die die W5-Ergebnisse zeigt, Wärme auf die 12 µm und 18 µm Wolframschichten und das 1,2 mm Wolframsubstrat örtlich begrenzt. In Bezug auf die Ausführungsformen mit Diamantsubstrat, und bezugnehmend auf die 8–10, zeigt 8 die D2-Ergebnisse, wobei Wärme auf die 30 µm Wolframschicht örtlich begrenzt ist. 9 zeigt die D4-Ergebnisse, wobei Wärme auf die 12 µm und 18 µm Wolframschichten örtlich begrenzt ist. 10 zeigt die D6-Ergebnisse, wobei Wärme auf die 8 µm, 12 µm und 18 µm Wolframschichten örtlich begrenzt ist. Wie diese jeweiligen Demonstrationen zeigen, wird die Elektronenstrahlenergie in den Wolframschichten unterschiedlicher Dicke (entsprechend der Tiefe innerhalb des Quellentargets) absorbiert, was hilft, die zwischenliegenden Diamantschichten zu schützen, indem die Temperatur der Diamantschichten unterhalb der thermischen Grenze gehalten wird.
Die Ergebnisse der Tabelle 3 sind auch in 11 aufgezeichnet, die erwartete Ergebnisse für die verschiedenen mehrschichtigen Konfigurationen bei den optischen Brennfleckdurchmessern von 25 µm und 50 µm (x-Achse) für die zugehörigen Targetleistungen (y-Achse) zeigen. Wie erkannt wird, ist der Nutzen der hohen Wärmeleitfähigkeit in diesen Beispielen aufgrund der thermischen Grenze des eingesetzten wärmeleitenden Materials (d.h. Diamant) für größere Brennfleckgrößen vergleichsweise gering. Für andere wärmeleitende Materialien kann eine höhere thermische Grenze erhalten werden, und Vorteile können bei größeren optischen Brennfleckgrößen gesehen werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um beliebigen Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele und Kombinationen umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
In verschiedenen Ausführungsformen ist ein mehrschichtiges Röntgenquellentarget geschaffen, das zwei oder mehrere Schichten eines Targetmaterials in unterschiedlichen Tiefen und mit unterschiedlichen Dicken aufweist. In einer derartigen Ausführungsform nehmen die Dicken der röntgenerzeugenden Schichten im Verhältnis zu ihrer Tiefe in Bezug auf die dem Elektronenstrahl zugewandte Oberfläche des Quellentargets zu, so dass die röntgenerzeugenden Schichten, die sich von dieser Oberfläche weiter entfernt befinden, dicker sind als röntgenerzeugende Schichten, die sich näher an der dem Elektronenstrahl zugewandten Oberfläche befinden.

Claims

Röntgenquelle, die aufweist: einen Sender, der eingerichtet ist, um einen Elektronenstrahl auszusenden; und ein Target, das eine dem Sender zugewandte Oberfläche aufweist und eingerichtet ist, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, wenn es von dem Elektronenstrahl getroffen wird, wobei das Target aufweist: zwei oder mehrere röntgenerzeugende Schichten in verschiedenen Tiefen relativ zu der dem Sender zugewandten Oberfläche, wobei jede röntgenerzeugende Schicht eine andere Dicke aufweist; und wenigstens eine wärmeleitende Zwischenschicht zwischen jedem Paar röntgenerzeugender Schichten.
Röntgenquelle nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehreren röntgenerzeugenden Schichten eine oder mehrere Regionen eines röntgenerzeugenden Materials aufweisen, das Röntgenstrahlen erzeugt, wenn es von dem Elektronenstrahl getroffen wird; wobei zwei oder mehrere der röntgenerzeugenden Schichten verschiedene röntgenerzeugende Materialien aufweisen können.
Röntgenquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die röntgenerzeugenden Schichten, die sich weiter entfernt von der dem Sender zugewandten Oberfläche befinden, dicker sind als röntgenerzeugende Schichten, die sich näher an der dem Sender zugewandten Oberfläche befinden.
Röntgenquelle nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstens zwei wärmeleitende Zwischenschichten aufweist, die sich hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder der Dicke voneinander unterscheiden.
Röntgenquelle nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Sender zugewandte Oberfläche ein wärmeleitendes Material aufweist; und/oder ferner ein wärmeleitendes Substrat auf der entgegengesetzten Seite zu der dem Sender zugewandten Oberfläche aufweisend.
Röntgenquelle nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke jeder röntgenerzeugenden Schicht auf der thermischen Grenze von Materialien benachbart zu der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht und der Tiefe der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht in Bezug auf die dem Sender zugewandte Oberfläche basiert.
Röntgenquelle nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere röntgenerzeugende Schichten eine Wolframregion aufweisen und die wenigstens eine wärmeleitende Schicht Diamant aufweist.
Röntgenquelle nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere röntgenerzeugende Schichten eine röntgenerzeugende Materialregion mit einer Querschnittsausdehnung aufweisen, die kleiner ist als die Querschnittsausdehnung der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht.
Verfahren zur Herstellung eines Röntgenquellentargets, das aufweist: Bilden einer ersten röntgenerzeugenden Schicht, wobei die erste röntgenerzeugende Schicht eine erste Dicke aufweist; auf der ersten röntgenerzeugenden Schicht, Bilden eines oder mehrerer Sätze von: einer wärmeleitenden Zwischenschicht; und einer weiteren röntgenerzeugenden Schicht, wobei jede röntgenerzeugende Schicht eine andere Dicke als andere röntgenerzeugende Schichten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste röntgenerzeugende Schicht auf einem wärmeleitenden Substrat gebildet wird; und/oder wobei jede weitere röntgenerzeugende Schicht, die über der ersten röntgenerzeugenden Schicht gebildet wird, eine geringere Dicke als diejenige röntgenerzeugende Schichten aufweist, die zuvor gebildet wurden; und/oder wobei das Bilden der ersten röntgenerzeugenden Schicht ein Bilden der ersten röntgenerzeugenden Schicht auf einem wärmeleitenden Substrat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Bilden einer oder beider von der ersten röntgenerzeugenden Schicht und/oder der weiteren röntgenerzeugenden Schichten ein Bilden einer kontinuierlichen röntgenerzeugenden Materialregion über die vollständige Querschnittsausdehnung der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht aufweist; oder wobei das Bilden einer oder beider von der ersten röntgenerzeugenden Schicht und/oder der weiteren röntgenerzeugenden Schichten ein Bilden einer röntgenerzeugenden Materialregion über weniger als die vollständige Querschnittsausdehnung der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht und Bilden einer oder mehrerer wärmeleitender Regionen über dem Rest der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht aufweist.
Röntgenquellentarget, das aufweist: zwei oder mehrere röntgenerzeugende Schichten, die jeweils ein röntgenerzeugendes Material aufweisen, wobei jede röntgenerzeugende Schicht eine andere Dicke aufweist.
Röntgenquellentarget nach Anspruch 12, wobei die Dicke jeder röntgenerzeugenden Schicht im Verhältnis zu dem Abstand der jeweiligen röntgenerzeugenden Schicht von einer ersten Oberfläche des Röntgenquellentargets zunimmt; und/oder ferner eine oder mehrere wärmeleitende Schichten zwischen jedem Paar röntgenerzeugender Schichten aufweisend.