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Die Erfindung befasst sich mit einem Bauteil im Vakuumbereich einer Röntgenröhre mit einer Öffnung, durch die ein Elektronenstrahl geführt ist, mit einer Elektronenfanghülse sowie mit einer Röntgenröhre, insbesondere einer Mikrofokus-Röntgenröhre.
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Bei Mikrofokus-Röntgenröhren entspricht der Röhrenstrom nicht dem Strom, der die Nutzstrahlung im Target oder der Anode erzeugt. Wird die Elektronenoptik für die höchste Auflösung eingestellt, treffen nur ca. 2,5% der Elektronen auf das Target. Die restlichen 97,5% der Elektronen treffen auf dem Weg von der Kathode zum Target auf Bauteile der Röntgenröhre. Ein großer Anteil dieser Elektronen wird in der Objektivblende absorbiert, da diese den Elektronenstrahl stark begrenzt. Die restlichen Elektronen der 97,5% treffen schon zuvor auf Teile der Elektronenoptik. Üblicherweise bestehen die Bauteile aus Metallen - wie Eisen (Eisenkerne der Spulen), Titan oder Molybdän - und bilden den Vakuumabschluss nach außen. In allen genannten Fällen wird Störstrahlung erzeugt. Eine weitere Quelle für Störstrahlung sind vom Target zurückgestreute Elektronen. Damit diese keinen zweiten Brennfleck auf dem Target erzeugen oder auf den Targetträger treffen, wird nahe dem Target eine sogenannte Elektronenfanghülse verbaut, die diese Elektronen absorbiert. Dabei entsteht ebenfalls Störstrahlung, die die gesamte Bildhelligkeit erhöht und die Kontraste verschlechtert. Aufgrund der Nähe zum Target muss die Elektronenfanghülse mit hohen Temperaturen belastet werden können. Daher besteht diese oft ebenfalls aus einem Metall, wie Molybdän. Die Inhomogenität in der Helligkeit wird bisher in 2D-Bildaufnahmen über einen Detektorabgleich korrigiert. Diese Korrektur gilt dann aber nur für eine Anordnung mit spezifischem Abstand des Detektors vom Fokus der Röntgenröhre und eine Zentrierung, die nicht langzeitstabil ist. Für 3D-Aufnahmen ist dieser Bildfehler nur sehr schwer über die Software zu korrigieren.
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Die Bildqualität bei Röntgenröhren, insbesondere bei Mikrofokus-Röntgenröhren wird dadurch beeinträchtigt, dass sich in dem erzeugten Röntgenbild oftmals eine störende helle Kreisscheibe zeigt. Diese Kreisscheibe wird durch RöntgenStreustrahlung verursacht, die - wie oben angedeutet - beim Auftreffen von Elektronen auf dem Blendenkörper einer Objektivblende der Röntgenröhre entsteht. Da der Blendenkörper hochtemperaturbeständig sein muss und daher insbesondere aus Metall besteht, entsteht beim Auftreffen der Elektronen auf den Blendenkörper kurzwellige Röntgenstrahlung, die das Target durchdringt und bei Anwendung höherer Energien der Elektronen eine Abbildung des Blendenloches auf den Bildempfänger wirft.
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In der
DE 10 2006 062 454 A1 wird eine Mikrofokus-Röntgenröhre beschrieben, die dieses Problem mittels einer Beschichtung der Blende löst. Dabei wird das Metall der Blende mit einem Material mit niedriger Ordnungszahl beschichtet, um die Störstrahlung zu reduzieren. Nachteilig hierbei ist, dass Beschichtungen meist nur im Mikrometerbereich möglich sind. Beispielsweise ist eine Kohlenstoffbeschichtung von etwa 4 µm möglich. Die Eindringtiefe der Elektronen liegt aber bei hohen Energien deutlich über 4 µm, wodurch die Elektronen bis in das Metall eindringen und Störstrahlung erzeugen. Außerdem ist die Blende hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Bei beschichteten Blenden führt dies oft zu einem Abblättern der Beschichtung. Auch aus der
DE 42 30 047 C1 ist eine beschichtete Blende bekannt. Außerdem ist aus der
GB 762 375 A ein beschichteter Elektronenkollimator bekannt.
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Aus der
DE 195 44 203 A1 ist eine Mikrofokusröntgenröhre bekannt, die einen Targeträger aufweist, wobei das Target mit dem Anodenkörper verbunden ist. Der Anodenkörper ist aus Kupfer und hat einen konischen Durchtrittskanal, der sich zum Target hin verjüngt. Der Durchtrittskanal ist mit einer Schicht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, Gold oder Silber, ausgekleidet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Entstehung von Störstrahlung zwischen Kathode und Target zu verringern, bestenfalls sie zu verhindern.
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Die Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Da die Oberfläche der Öffnung des Bauteils, durch das sich der Elektronenstrahl erstreckt, erfindungsgemäß aus einem zweiten Material niedrigerer Ordnungszahl (und Dichte) als das Metall des Grundkörpers ist, und die Elektronen des Elektronenstrahls, der durch die Öffnung geht, somit auf das zweite Material und nicht auf das Metall treffen, wird aufgrund der niedrigeren Ordnungszahl des zweiten Materials der Anteil kurzwelliger Röntgenstrahlen reduziert. Damit kann ein geringerer Teil an Störstrahlung das Target durchdringen und Bildfehler verursachen.
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Erfindungsgemäß ist das Bauteil ein Strahlrohr oder ein Eisenkern einer Spule, die eine röhrenförmige Öffnung aufweisen, oder eine Kombination aus den vorgenannten Bauteilen. Bei den genannten Bauteilen handelt es sich um die wesentlichen Bauteile, die sich auf dem Weg des Elektronenstrahls von der Kathode zum Target befinden und durch die der Elektronenstrahl durchtreten muss. Damit ist bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieser Bauteile gewährleistet, dass in diesen Bauteilen - zumindest in den Bereichen, die von dem zweiten Material bedeckt sind - keine Störstrahlung erzeugt wird. Bei einer Kombination der genannten Bauteile kann das zweite Material auch einstückig die fraglichen Bauteile überdecken, so dass weniger zusätzliche Teile in die Röntgenröhre eingesetzt werden müssen.
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Die Aufgabe wird auch durch einen Targetträger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Das zweite Material das den Grundkörper zwischen Objektivblende und Target dient zur Absorption der vom Target rückgestreuten Elektronen. Somit wird auch im Bereich zwischen Objektivblende und Target erreicht, dass keine Störstrahlung erzeugt werden kann. Wird das zweite Material in der Form eines separaten Zusatzteils verwendet, so wird dies im Rahmen dieser Anmeldung als Elektronenfanghülse bezeichnet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Material ein Metall, wie Molybdän, Eisen, Wolfram oder Titan, ist. Das erste Material, aus dem der Grundkörper besteht, ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen, insbesondere im Hinblick auf eine hohe Temperaturbeständigkeit oder magnetische Eigenschaften, innerhalb weiter Grenzen wählbar. Besonders gut eignen sich die vorgenannten Metalle. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Material Aluminium, Beryllium, Silizium, Kohlenstoff - insbesondere in der Form von Graphit - Bor oder eine chemische Verbindung eines oder mehrerer dieser Elemente ist. Auch das zweite Material ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar. Entsprechend der Funktion des aus dem zweiten Material bestehenden Zusatzkörpers weist das Material eine niedrige Ordnungszahl auf. Die aufgeführten Materialien für den Grundkörper und das zweite Material, das beispielsweise als separater Zusatzkörper ausgebildet sein kann, weisen deutlich voneinander unterschiedliche Ordnungszahlen auf.
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Bevorzugt beträgt der Unterschied der Ordnungszahlen von erstem Material und zweitem Material mindestens 16, besonders bevorzugt mindestens 36. Aufgrund dessen wird für das zweite Material gerne Kohlenstoff (mit der Ordnungszahl 6) und für das erste Material gerne Molybdän (mit der Ordnungszahl 42) verwendet. Die erfindungsgemäßen Materialien müssen hitzebeständig sein und eine hohe Wärmleitfähigkeit besitzen, da sie aufgrund des Elektronenbeschusses beziehungsweise der Exposition der im Target erzeugten Röntgenstreustrahlung stark erhitzt werden. Die Materialien dürfen auch keine Magnetisierung zulassen, da diese die Felder innerhalb der Röntgenröhre stören würde.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Material in der Form einer Beschichtung oder einer Folie auf der Oberfläche des ersten Materials aufgebracht ist oder das zweite Material als ein separater Zusatzkörper, insbesondere als rohrförmiger Zusatzkörper, ausgebildet ist. Eine Beschichtung oder Folie hat den Vorteil, dass sie dünn sind und somit den Querschnitt der Öffnung, durch die der Elektronenstrahl hindurch muss, kaum verringern; somit können herkömmliche Bauteile verwendet werden, da keine Vergrößerung des Querschnitts des Bauteils vorgenommen werden muss, damit der Elektronenstrahl die Öffnung immer noch passieren kann. Allerdings besteht der Nachteil einer solch dünnen Schicht aus dem zweiten Material darin, dass die Elektronen diese durchdringen und im darunter liegenden ersten Material Störstrahlung erzeugen können. Bei fernab vom Target liegenden Bauteilen ist dies weniger kritisch als bei Bauteilen, die in unmittelbarer Nähe zum Target liegen. Bei solchen letztgenannten Bauteilen ist es vorteilhaft, wenn sie aus einem separaten Zusatzkörper aus dem zweiten Material sind, da dieser dicker ausgebildet sein kann, als die erstgenannten dünnen Schichten. Eventuell muss bei einem Zusatzkörper mit einer größeren Wandstärke des Rohrs eine Vergrößerung des Querschnitts des Bauteils vorgenommen werden. Ein Zusatzkörper hat gegenüber den oben genannten dünnen Schichten auch den Vorteil, dass er einfacher herzustellen ist und leichter ausgetauscht werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zusatzkörper über seine gesamte Fläche an der Oberfläche des Grundkörpers anliegt. Dadurch wird insbesondere bei einem rohrförmigen Zusatzkörper erreicht, dass bei vorgegebener Wandstärke des rohrförmigen Zusatzkörpers der Innendurchmesser des rohrförmigen Zusatzkörpers möglichst groß ist. Durch das Anliegen entlang der gesamten Länge - in Strahlrichtung des Elektronenstrahls - wird erreicht, dass keine Elektronen des Elektronenstrahls das erste Material des Grundkörpers an irgendeiner Stelle treffen können.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zusatzkörper mehrere Bauteile in Bezug auf den Elektronenstrahl überdeckt. Damit können mit einem einzigen Zusatzkörper beispielsweise das Strahlrohr zusammen mit den Eisenkernen aller Spulen überdeckt werden, so dass die Montage sehr einfach möglich ist, da nur ein einziges Zusatzteil in die Röntgenröhre eingesetzt werden muss.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Röntgenröhre mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Es ergeben sich auch hierfür die oben zum erfindungsgemäßen Bauteil beziehungsweise zur erfindungsgemäßen Elektronenfanghülse angegeben Vorteile.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Röntgenröhre so aufgebaut ist, dass der Elektronenstrahl auf seinem gesamten Weg von der Kathode zum Target nirgends das erste Material treffen kann, sondern nur das zweite Material. Damit wird vollständig verhindert, dass überhaupt Störstrahlung erzeugt wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels im Folgenden näher erläutert. Die einzige
- Figur zeigt:
eine Skizze eines Längsschnitts durch einen Teil einer Röntgenröhre mit einem erfindungsgemäßen Zusatzkörper.
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In der Figur ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Mikrofokus-Röntgenröhre im Bereich ihres Kondensors 1 und ihres Objektivs 2 bis zu einem Target 5 in einem schematischen Längsschnitt dargestellt. Der nicht dargestellte Rest der Mikrofokus-Röntgenröhre entspricht dem Stand der Technik und ist für die Erfindung nicht relevant. Anstatt einer Mikrofokus-Röntgenröhre, kann es sich auch um einen anderen Röntgenröhrentyp handeln.
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Kondensor 1 und Objektiv 2 sind um ein Strahlrohr 3 für einen - gestrichelt dargestellten - Elektronenstrahl 13 herum angeordnet. In Richtung des Elektronenstrahls 13 liegt der Kondensor 1 vor dem Objektiv 2.
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Der Kondensor 1 enthält eine Kondensorspule, von der nur ihr Kondensoreisenkern 8 dargestellt ist. An die Kondensorspule schließt sich in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 13 das Objektiv 2 an. Das Objektiv 2 enthält eine Objektivspule, von der nur ihr Objektiveisenkern 9 dargestellt ist.
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Das Strahlrohr 3 reicht in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 13 über das Ende des Kondensors 1 hinaus bis in den Bereich des Objektivs 2 hinein.
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An das Objektiv 2 schließt sich in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 13 eine Objektivblende 4 an.
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Um zu verhindern, dass Elektronen des Elektronenstrahls 13 auf das Strahlrohr 3, das aus einem Metall ist, oder die dem Elektronenstrahl 13 zugewandte Oberflächen des Kondensoreisenkerns 8 sowie des Objektiveisenkerns 9, die beide aus Eisen bestehen, treffen und dabei aufgrund der hohen Ordnungszahl der verwendeten Materialien Störstrahlung erzeugen, ist zwischen diesen Oberflächen und dem Elektronenstrahl 13 ein Zusatzkörper 10 angeordnet, der aus Graphit besteht. Aufgrund des im Zusatzkörper 10 verwendeten Graphits mit seiner niedrigen Ordnungszahl, entstehen bei einem Auftreffen von Elektronen des Elektronenstrahls 13 nur langwellige Röntgenstrahlung. Somit wird der Anteil kurzwelliger Röntgenstrahlung reduziert, so dass keine oder nur ein sehr geringer Teil an Störstrahlung entstehen kann.
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Der Zusatzkörper 10 erstreckt sich in Längsrichtung über die gesamte Länge des Strahlrohrs 3 und des Objektivs 2 bis zur Objektivblende 4 hin. Er ist einstückig ausgebildet und liegt mit seiner Außenfläche an der Öffnung 14 des Strahlrohrs 3 und an der Öffnung 15 des Objektiveisenkerns 9 an. Seine Innenfläche ist zylindrisch ausgebildet. Seine Außenfläche ist aufgrund der Stufe zwischen dem Ende des Strahlrohrs 3 und dem Objektiveisenkern 9 wie ein Zylinder mit Stufe ausgebildet und weist eine Rohrform auf.
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Die Objektivblende 4 weist einen Objektivblenden-Grundkörper 7 und einen in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 13 davor angeordneten Objektivblenden-Zusatzkörper 11 auf. Die Objektivblende 4 dient mittels ihrer Öffnung 16 zur Begrenzung des Elektronenstrahls 13 - und somit des Fokus -, der in der Röntgenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlung auf einem Target 5 dient.
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Der Objektivblenden-Grundkörper 7 ist aus einem ersten Material, das aufgrund seiner Position in der Röntgenröhre hochgradig hitzebeständig sein muss und eine hohe Wärmeleitfähigkeit zum Abtransport der in ihm entstehenden Wärme aufweisen muss. Außerdem darf er möglichst keinen magnetischen Einfluss ausüben, um die elektrischen Felder in der Röntgenröhre nicht zu stören. Er ist bevorzugt aus einem Metall, wie dies die im Stand der Technik bekannten Blenden sind, insbesondere aus Molybdän, Wolfram oder Titan.
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Der Objektivblenden-Zusatzkörper 11 ist aus einem zweiten Material, das aufgrund seiner Position in der Röntgenröhre auch - wie das erste Material - hochgradig hitzebeständig sein muss und eine hohe Wärmeleitfähigkeit zum Abtransport der in ihm entstehenden Wärme aufweisen muss. Außerdem darf er möglichst keinen magnetischen Einfluss ausüben, um die elektrischen Felder in der Röntgenröhre nicht zu stören. Um zu verhindern, dass die Elektronen des Elektronenstrahls 13, die auf die Objektivblende 4 treffen, störende Röntgenstrahlung erzeugen, muss der Objektivblenden-Zusatzkörper 11 aus einem Material sein, durch das möglichst wenig und bevorzugt deutlich weichere Röntgenstrahlung als diejenige, die im Target 5 erzeugt wird, entsteht. Deshalb ist er aus einer Kohlenstoffverbindung, Beryllium oder Aluminium - besonders bevorzugt aus Graphit - gefertigt. Da Graphit eine niedrige Ordnungszahl hat, wird der Anteil kurzwelliger Röntgenstrahlung reduziert, so dass nur ein sehr geringer Teil von Störstrahlung das Target 5 durchdringt und Bildfehler verursachen kann.
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In Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 13 weitet sich die Öffnung 16 der Objektivblende 4 konisch auf, damit etwa an dem Objektivblenden-Zusatzkörper 11 gestreute Elektronen des Elektronenstrahls 13 nicht auf das Metall des Objektivblenden-Grundkörpers 7 treffen können und es dabei zur Erzeugung von Störstrahlung käme.
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Alternativ zu der dargestellten Objektivblende 4 mit einer Aufteilung in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 13 in Objektivblenden-Grundkörper 7 und diesen abschirmenden Objektivblenden-Zusatzkörper 11 könnte eine Objektivblende 4 so gestaltet sein, dass die Abschirmung des Objektivblenden-Zusatzkörpers 11 in radialer Richtung - bezogen auf den Elektronenstrahl 13 - um den Objektivblenden-Grundkörper 7 angeordnet ist, wobei der Objektivblenden-Grundkörper 7 radial nicht über das Ende des rohrförmigen Zusatzkörpers 10, an den er anschließt, heraussteht. Auch dann wird erreicht, dass keine Elektronen des Elektronenstrahls 13 das Metall des Objektivblenden-Grundkörpers 7 treffen können und Störstrahlung erzeugt würde.
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In Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 13 schließt sich an die Objektivblende 4 das Target 5 - im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Transmissionstarget - an, das an einem mit dem Objektiv 2 verbundenen Targetträger 6 befestigt ist.
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Der Targetträger 6 bildet im vorderen Bereich der Mikrofokus-Röntgenröhre den Vakuumabschluss zwischen Objektiveisenkern 9 und Target 5. Er dient der mechanischen Stabilisierung des Targets 5, da dieses in einigen Bereichen nur etwa 300µm dick ist. Für eine möglichst gute Ableitung der Wärme, die auf dem Target 5 entsteht, ist es hilfreich, dass der Targetträger 6 aus einem Metall, wie beispielsweise Messing, besteht. Da beim Auftreffen des Elektronenstrahls 13 auf dem Target 5 ein Teil der Elektronen rückgestreut werden, könnten diese den Targetträger 6 treffen. Dann würde im Targetträger 6 Störstrahlung entstehen.
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Um dies zu verhindern, ist die gesamte Oberfläche des Targetträgers 6 zwischen Objektiv 2 und Target 5 mit einem Körper aus Graphit bedeckt, der als Elektronenfanghülse 12 bezeichnet wird. Die Elektronenfanghülse 12 ist wie der Zusatzkörper 10 einstückig ausgebildet und liegt an der gesamten, dem Elektronstrahl 13 zugewandten Oberfläche des Targetträgers 6 an. Die Elektronenfanghülse 12 liegt auf Erdpotential, um zurückgestreute Elektronen direkt ableiten zu können. Aufgrund der Nähe zum Target 5 und zum Brennfleck muss das Material der Elektronenfanghülse 12 hohe Temperaturen verkraften und darf die Flugbahn der Elektronen nicht stören. Häufig wird für die Elektronenfanghülse 12 ein Metall, wie beispielsweise Molybdän, verwendet. Bei der Verwendung eines Metalls würde die Elektronenfanghülse 12 wieder selbst Störstrahlung erzeugen. Daher ist ein Material mit niedriger Ordnungszahl und Dichte zu bevorzugen.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Zusatzteile Zusatzkörper 10 und Elektronenfanghülse 12 in Verbindung mit dem Objektivblenden-Zusatzkörper 11 wird verhindert, dass an irgendeiner Stelle Elektronen des Elektronenstrahls 13 Störstrahlung erzeugen können, so dass keine Bildfehler durch Störstrahlung verursacht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kondensor
- 2
- Objektiv
- 3
- Strahlrohr
- 4
- Objektivblende
- 5
- Target
- 6
- Targetträger
- 7
- Objektivblenden-Grundkörper
- 8
- Kondensoreisenkern
- 9
- Objektiveisenkern
- 10
- Zusatzkörper
- 11
- Objektivblenden-Zusatzkörper
- 12
- Elektronenfanghülse
- 13
- Elektronenstrahl
- 14
- Öffnung des Strahlrohrs
- 15
- Öffnung des Objektiveisenkerns
- 16
- Öffnung der Objektivblende
