DE102017216059A1 - Steh anode for an X-ray source and X-ray source - Google Patents
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Abstract
Eine Stehanode (3) für einen Röntgenstrahler (1), insbesondere für eine bildgebende Röntgeneinrichtung oder eine Röntgeneinrichtung der Strahlentherapie oder Spektroskopie, umfasst einen Anodengrundkörper (9) und ein damit verbundenes Target (11) zum Beaufschlagen mit beschleunigten Elektronen (P, S). Gemäß der Erfindung ist das Target (11) in einem zentralen Bereich (B) buckelförmig ausgewölbt ausgebildet. Die Erfindung betrifft ferner einen Röntgenstrahler (1) mit einer derartig ausgebildeten Stehanode (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine Stehanode für einen Röntgenstrahler, insbesondere einer bildgebenden Röntgeneinrichtung oder einer Röntgeneinrichtung der Strahlentherapie oder Spektroskopie, mit einem Anodengrundkörper und einem damit verbundenen Target, das zum Beaufschlagen mit beschleunigten Elektronen ausgebildet ist.The invention relates to a stationary anode for an X-ray source, in particular an imaging X-ray device or an X-ray device of radiation therapy or spectroscopy, with an anode base body and a target associated therewith, which is designed to act on accelerated electrons.
Röntgenstrahler (auch: Röntgenröhre), mit Stehanoden, d. h. Anoden, die stationär und insbesondere nicht drehbar in einem Vakuumgehäuse des Röntgenstrahlers gelagert sind, sind aus verschiedenen Bereichen der Röntgentechnik, insbesondere aus dem Bereich der Bildgebung, der Strahlentherapie oder der Spektroskopie bekannt.X-ray tube (also: X-ray tube), with standing anodes, d. H. Anodes which are stored stationary and in particular non-rotatable in a vacuum housing of the X-ray source, are known from various fields of X-ray technology, in particular from the field of imaging, radiation therapy or spectroscopy.
Im Betrieb werden die Elektronen beispielsweise thermisch emittiert und durch eine angelegte Hochspannung in Richtung der Stehanode, die ein Target zum Beaufschlagen mit Elektronen umfasst, beschleunigt. Das Target kann beispielsweise in einen thermisch leitfähigen Anodengrundkörper eingebettet sein oder mit diesem verbunden sein. Beim Auftreffen auf das Target entstehen Sekundärelektronen, welche abermals durch das angelegte Feld zur Anode beschleunigt werden. Diese Sekundärelektronen treffen unter Umständen nicht mehr auf das Target bzw. auf den Targetbereich auf, sondern werden an anderen Stellen absorbiert und erzeugen dabei Störstrahlung und stellen somit eine zusätzliche Wärmequelle dar. Insbesondere im Bereich der Spektroskopie bzw. Spektrometrie besteht jedoch eine hohe Anforderung an die Qualität des emittierten Röntgenspektrums, welches von der durch Sekundärelektronen erzeugten Störstrahlung verunreinigt wird. Zudem entsteht durch zusätzlichen Elektronenbeschuss insbesondere des Anodengrundkörpers und dem damit verbundenen Wärmeeintrag an der Auftreffstelle der Sekundärelektronen weiterhin eine Aufrauhung des Anodengrundmaterials, aus dem der Anodengrundkörper gebildet ist. Im weiteren Verlauf kann dies bis zu einer bereichsweisen Aufschmelzung des Anodengrundkörpers führen, insbesondere in Bereichen, in denen der Anodengrundkörper mit dem Target bzw. Targetmaterial verbunden ist.In operation, for example, the electrons are thermally emitted and accelerated by an applied high voltage in the direction of the standing anode, which includes a target for applying electrons. The target may for example be embedded in or connected to a thermally conductive anode base body. Upon impact with the target, secondary electrons form, which are again accelerated to the anode by the applied field. Under certain circumstances, these secondary electrons no longer impinge on the target or on the target region, but are absorbed at other locations and thereby generate interfering radiation and thus constitute an additional heat source. However, in the field of spectroscopy or spectrometry in particular, there is a high demand on the Quality of the emitted X-ray spectrum, which is contaminated by the interference generated by secondary electrons. In addition, additional roughening of the anode base material from which the anode main body is formed is additionally produced by additional electron bombardment, in particular of the anode base body and the associated heat input at the point of impact of the secondary electrons. In the further course, this can lead to a partial melting of the anode main body, in particular in areas in which the anode main body is connected to the target or target material.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Stehanode mit verbesserter Strahlungscharakteristik anzugeben.Based on this prior art, the present invention has the object to provide a Stehanode with improved radiation characteristics.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 9.The above-mentioned object is achieved by the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine Stehanode für einen Röntgenstrahler, insbesondere für eine bildgebende Röntgeneinrichtung oder eine Röntgeneinrichtung der Strahlentherapie oder Spektroskopie, umfasst einen Anodengrundkörper und ein damit verbundenes Target zum Beaufschlagen mit beschleunigten Elektronen. Gemäß der Erfindung ist das Target in einem zentralen Bereich buckelförmig ausgewölbt ausgebildet.A standing anode for an X-ray source, in particular for an imaging X-ray device or an X-ray device of radiation therapy or spectroscopy, comprises an anode base body and a target connected thereto for applying accelerated electrons. According to the invention, the target is bulged hump-shaped in a central region.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zu Grunde, dass die durch Sekundärelektronen verursachte Verunreinigung des emittierten Röntgenspektrums maßgeblich dadurch entsteht, dass die Sekundärelektronen nicht auf das Target auftreffen, sondern auf den das Target tragenden Anodengrundkörper, welcher typischerweise aus einem anderen Material, insbesondere mit guter thermischer Leitfähigkeit wie etwa Kupfer, besteht. Die Entstehung von Sekundärelektronen lässt sich im Allgemeinen nicht oder nur schwer vermeiden. Es wird daher vorgeschlagen, die geometrische Formgebung des Targets derart anzupassen, dass Sekundärelektronen mit zumindest erhöhter Wahrscheinlichkeit vom Target absorbiert werden. Hierzu weist das Target in dem mittigen, zentralen Bereich bezüglich einer axialen Richtung eine größere Ausdehnung auf als in einem umlaufenden Randbereich. Mit anderen Worten weist das Target eine Art „Freiformgeometrie“ mit einer buckelförmigen Erhöhung in der Mitte auf, auf der die Sekundärelektronen während des Betriebs vermehrt auftreffen. Der erhöhte Bereich im Zentrum des Targets bildet somit eine Art „Elektronenfanghügel“ für die Sekundärelektronen, die somit nicht mehr in das Anodengrundmaterial des Anodengrundkörpers einschlagen. Im Ergebnis ist somit ein Einfluss des Anodengrundmaterials auf das emittierte Röntgenspektrum, insbesondere auf das emittierte charakteristische Röntgenspektrum minimiert. Eine von Sekundärelektronen verursachte Schädigung des Anodengrundkörpers kann darüber hinaus vermieden werden. Dadurch ist insbesondere auch die Lebensdauer der Stehanode erhöht. Filter, die üblicherweise zum Herausfiltern derartiger Fremdanteile im emittierten Röntgenspektrum insbesondere im Bereich der Spektroskopie oder Spektrometrie vorgesehen sind, können vermieden werden. In anderen Fällen können dünnere Filtermaterialien zur Reduzierung der spektralen Verunreinigung verwendet werden. Dies hat zum Vorteil, dass die abgestrahlte Strahlungsintensität erhöht ist, zumal auch die vom Target absorbierten Sekundärelektronen einen nutzbaren Intensitätsbeitrag beitragen. Aus Anwendungssicht ist dies insbesondere hinsichtlich kürzerer Messzeiten von Vorteil.The invention is based on the observation that the contamination of the emitted X-ray spectrum caused by secondary electrons is essentially due to the fact that the secondary electrons do not impinge on the target, but rather on the anode base body carrying the target, which is typically made of a different material, in particular with good thermal conductivity such as copper. The formation of secondary electrons is generally difficult or impossible to avoid. It is therefore proposed to adapt the geometric shape of the target such that secondary electrons are absorbed by the target with at least increased probability. For this purpose, the target in the central, central region with respect to an axial direction to a greater extent than in a peripheral edge region. In other words, the target has a kind of "free-form geometry" with a hump-shaped elevation in the middle, on which the secondary electrons increasingly hit during operation. The raised area in the center of the target thus forms a kind of "electron catching mound" for the secondary electrons, which thus no longer strike the anode base material of the anode main body. As a result, an influence of the anode base material on the emitted X-ray spectrum, in particular on the emitted characteristic X-ray spectrum, is thus minimized. A damage caused by secondary electrons of the anode body can also be avoided. As a result, in particular, the lifetime of the stator anode is increased. Filters which are usually provided for filtering out such foreign components in the emitted X-ray spectrum, in particular in the field of spectroscopy or spectrometry, can be avoided. In other cases, thinner filter materials can be used to reduce the spectral contamination. This has the advantage that the radiated radiation intensity is increased, especially since the absorbed by the target secondary electrons contribute a useful intensity contribution. From an application point of view, this is particularly advantageous in terms of shorter measurement times.
Die Stehanode ist in möglichen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen, also zumindest näherungsweise, axial symmetrisch aufgebaut. Insbesondere ist das Target bzw. dessen Targetoberfläche bezüglich der axialen Richtung rotationssymmetrisch ausgebildet. Als axiale Richtung wird insbesondere die Richtung entlang der Symmetrieachse bezeichnet. Eine Richtung senkrecht hierzu wird insbesondere als radiale Richtung bezeichnet.The Stehanode is in possible embodiments substantially, so at least approximately, constructed axially symmetrical. In particular, the target or its target surface is rotationally symmetrical with respect to the axial direction educated. The axial direction is in particular the direction along the axis of symmetry. A direction perpendicular thereto is referred to in particular as a radial direction.
Das Target ist gemäß möglicher Ausführungsbeispiele glockenförmig, gewölbt oder kegelförmig ausgebildet.The target is bell-shaped, curved or cone-shaped according to possible embodiments.
Eine Stirnseite des Anodengrundkörpers ist vorzugsweise mit dem Target derart verbunden, dass das Target die gesamte Stirnseite überdeckt. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit, dass insbesondere Sekundärelektronen auf den Anodengrundkörper und nicht auf das Target auftreffen, weiter minimiert.An end face of the anode main body is preferably connected to the target such that the target covers the entire end face. In this way, the probability that especially secondary electrons impinge on the anode base body and not on the target, further minimized.
Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass die gemäß der Erfindung ausgestalteten Stehanoden im Vergleich zu herkömmlichen, flache Target bzw. Targetoberflächen aufweisenden Stehanoden auch ein hinsichtlich der charakteristischen Röntgenstrahlung verändertes Strahlungsverhalten aufweisen. In Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, über die geometrische Formgebung des Targets ein relatives Intensitätsverhältnis von emittierter charakteristischer Röntgenstrahlung, insbesondere der Kα- und/oder La-Strahlung zueinander, vorzugeben. Das kann insbesondere dergestalt erfolgen, dass die Ausdehnung der buckelförmigen Auswölbung im zentralen Bereich des Targets im Vergleich zum umlaufenden Randbereich entsprechend geeignet angepasst wird. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass Stehanoden mit flachen Targetoberflächen tendenziell La-Strahlung begünstigen. Gewinkelte, bzw. ausgewölbte Targetoberflächen begünstigen Ka-Strahlung. Im Ergebnis können somit Stehanoden mit definierter Strahlungscharakteristik insbesondere unter Berücksichtigung individueller Kundenwünsche entwickelt werden.It has surprisingly been found that the standing anodes designed according to the invention also have a radiation behavior which is changed with regard to the characteristic X-radiation, in comparison to conventional, flat target surfaces or target surfaces. In a further development of the invention, it is therefore provided to predetermine a relative intensity ratio of emitted characteristic X-radiation, in particular the Kα and / or La radiation, relative to each other via the geometric shape of the target. This can in particular take place in such a way that the extent of the hump-shaped bulge in the central region of the target is adjusted appropriately in comparison with the peripheral edge region. In particular, it has been shown that standing anodes with flat target surfaces tend to favor La radiation. Angled or bulged target surfaces favor Ka radiation. As a result, static anodes with defined radiation characteristics can thus be developed, in particular taking into account individual customer requirements.
Vorzugsweise wird eine Brennfleckbelegung anhand der geometrischen Formgebung des Targets bzw. der Targetoberfläche angepasst. Dies kann insbesondere zur Auslegung von Fokussierungssystemen bei Neuentwicklungen genutzt werden.Preferably, a focal spot assignment is adapted on the basis of the geometric shape of the target or the target surface. This can be used in particular for the design of focusing systems in new developments.
In möglichen Ausführungen ist die geometrische Formgebung des Targets, insbesondere die Auswölbung im zentralen Bereich, durch eine auf das Target aufgebrachte Beschichtung gebildet. Alternativ dazu ist in anderen Ausführungsbeispielen die geometrische Formgebung des Targets, insbesondere die Auswölbung im zentralen Bereich, durch eine Anpassung der Materialstärke des Targetmaterials bestimmt. Insbesondere sind Targets vorgesehen, deren Materialstärke im zentralen Bereich im Vergleich zum umlaufenden Randbereich erhöht ist.In possible embodiments, the geometric shape of the target, in particular the bulge in the central region, is formed by a coating applied to the target. Alternatively, in other embodiments, the geometric shape of the target, in particular the bulge in the central region, determined by an adjustment of the material thickness of the target material. In particular, targets are provided whose material thickness is increased in the central region in comparison to the peripheral edge region.
Bevorzugt besteht das Target aus Rhodium oder Wolfram. Insbesondere im Bereich der Spektroskopie kommen auch andere Materialien wie beispielsweise Gold (Au), Chrom (Cr) oder Molybdän (Mo) zum Einsatz.Preferably, the target is rhodium or tungsten. Especially in the field of spectroscopy, other materials such as gold (Au), chromium (Cr) or molybdenum (Mo) are used.
Ein Röntgenstrahler (auch: Röntgenröhre), insbesondere einer bildgebenden Röntgeneinrichtung oder einer Röntgeneinrichtung der Strahlentherapie oder Spektroskopie, umfasst
- - eine Stehanode, insbesondere die vorstehend bereits beschriebene Stehanode, mit einem Anodengrundkörper und
- - einem mit Elektronen beaufschlagbaren Target. Gemäß der Erfindung ist das Target in einem zentralen Bereich buckelförmig ausgewölbt ausgebildet ist.
- - A Stehanode, in particular the Stehanode already described above, with an anode body and
- - A targetable with electrons target. According to the invention, the target is bulged hump-shaped in a central region.
Der buckelförmig erhöhte zentrale Bereich des Targets dient zum Einfang von Sekundärelektronen. Der Röntgenstrahler emittiert daher ein Röntgenspektrum mit hoher spektraler Reinheit. Zudem ist der schädigende Einfluss der Sekundärelektronen insbesondere auf den Anodengrundkörper zumindest reduziert, so dass die Lebensdauer des Röntgenstrahlers erhöht ist.The hump-shaped central region of the target serves to capture secondary electrons. The X-ray emitter therefore emits an X-ray spectrum with high spectral purity. In addition, the damaging effect of the secondary electrons, in particular on the anode base body, is at least reduced, so that the service life of the X-ray source is increased.
Vorzugsweise ist ein Austrittsfenster für Röntgenstrahlung koaxial zur axialen Richtung angeordnet. Der Röntgenstrahler ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Stirnfensterröhre mit einem koaxial um das Target angeordneten Emitter, insbesondere einem beheizbaren Wendeldraht, ausgebildet.Preferably, an exit window for X-radiation is arranged coaxially to the axial direction. The X-ray source is formed in a preferred embodiment as an end window tube with a coaxially arranged around the target emitter, in particular a heatable helical wire.
Da der Röntgenstrahler sich durch eine besonders reine Strahlungscharakteristik, insbesondere im Bereich der charakteristischen Röntgenstrahlung auszeichnet, ist eine Verwendung des Röntgenstrahlers für spektroskopische, insbesondere spektrometrische Untersuchungen vorgesehen.Since the X-ray emitter is characterized by a particularly pure radiation characteristic, in particular in the region of the characteristic X-radiation, a use of the X-ray source is provided for spectroscopic, in particular spectrometric examinations.
Bei einem Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Stehanode wird die geometrische Formgebung des Targets der Stehanode hinsichtlich einer vorgegebenen oder vorgebbaren Strahlungscharakteristik angepasst. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, in dem zentralen Bereich des Targets eine buckelförmige Auswölbung auszubilden. Dies erfolgt beispielsweise durch eine entsprechende Formgebung des Targetmaterials, welches entsprechend im zentralen Bereich eine größere Materialstärke bzw. -dicke aufweist, wie in dem umlaufenden Randbereich. In anderen Ausführungsbeispielen wird die zentrale Erhöhung des Targets durch Aufbringen einer oder mehrerer Beschichtungen realisiert.In a method for producing the above-described standing anode, the geometric shape of the target of the stationary anode is adapted with regard to a predetermined or predeterminable radiation characteristic. For this purpose, it is provided in particular to form a hump-shaped bulge in the central region of the target. This is done, for example, by a corresponding shaping of the target material, which correspondingly has a greater material thickness or thickness in the central area, as in the peripheral edge area. In other embodiments, the central elevation of the target is realized by applying one or more coatings.
Die Herstellung der vorstehend beschriebenen Stehanode und insbesondere von Targets mit ausgewölbter Targetoberfläche kann insbesondere mittels konventioneller Bearbeitungsverfahren erfolgen. Aufwändige Beschichtungsverfahren sind hierzu nicht zwingend notwendig. The preparation of the above-described upright anode and in particular of targets with bulged target surface can be carried out in particular by means of conventional processing methods. Elaborate coating processes are not absolutely necessary for this purpose.
Vorzugsweise wird durch die geometrische Formgebung des Targets ein relatives Intensitätsverhältnis von emittierter charakteristischer Röntgenstrahlung, insbesondere der Ka- und/oder der La-Strahlung vorgegeben. Die Gestaltung der sogenannten Freiformgeometrie des Targets erfolgt in Ausgestaltung der Erfindung derart, dass die Targetoberfläche des Targets in Abhängigkeit einer zu erzeugenden Strahlungscharakteristik beispielsweise mehr oder weniger gewölbt oder kegel- oder glockenförmig ausgebildet wird.Preferably, a relative intensity ratio of emitted characteristic X-radiation, in particular Ka and / or La radiation, is predetermined by the geometric shape of the target. The design of the so-called free-form geometry of the target takes place in an embodiment of the invention such that the target surface of the target is, for example, more or less arched or cone-shaped or bell-shaped as a function of a radiation characteristic to be generated.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden.The above-described characteristics, features, and advantages of the invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments which will be described with reference to the drawings.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die in den Zeichnungsfiguren gezeigten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen in einer schematischen Darstellung:
-
1 : einen Röntgenstrahler in einer perspektivischen Schnittdarstellung; -
2 : der Röntgenstrahler der1 in einer Querschnittsdarstellung.
-
1 : an X-ray source in a perspective sectional view; -
2 : the X-ray tube the1 in a cross-sectional view.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die Stehanode
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Target eine Targetoberfläche auf, die im Wesentlichen die Form einer flachen Glockenoberfläche hat.In the illustrated embodiment, the target has a target surface that is substantially in the shape of a flat bell surface.
Die Stehanode
Bei Betrieb des Röntgenstrahlers
Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass das emittierte Spektrum von hoher Reinheit ist. Zudem werden Beschädigungen insbesondere des Anodengrundkörpers
Die konkrete geometrische Gestaltung des Targets
Hierzu ist insbesondere vorgesehen, die Targetoberfläche glocken- oder kegelförmig gewölbt auszubilden.For this purpose, it is provided in particular to form the target surface curved bell-shaped or cone-shaped.
Anhand der geometrischen Gestaltung der Targetoberfläche kann insbesondere die relative Intensität der abgestrahlten charakteristischen Röntgenstrahlung modifiziert werden. Insbesondere ist in Ausgestaltung vorgesehen, die relative Intensität der Kα- und La-Strahlung derart anzupassen, dass diese einem für eine bestimmte Spektrometrieanwendung geeigneten Verhältnis entspricht. Der Röntgenstrahler
Obwohl die Erfindung im Detail mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht hierdurch eingeschränkt. Andere Variationen und Kombinationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne vom wesentlichen Gedanken der Erfindung zu abzuweichen.Although the invention has been illustrated and described in detail with reference to the preferred embodiments, the invention is not limited thereby. Other variations and combinations may be deduced therefrom by those skilled in the art without departing from the essential spirit of the invention.
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