DE102018010288B4 - Radiation source target, radiation source for generating invasive electromagnetic radiation and method of making a radiation source target - Google Patents
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Abstract
Target (10) für eine Strahlungsquelle (1) invasiver elektromagnetischer Strahlung, mit einer Mehrzahl von Targetelementen (20), die jeweils dazu eingerichtet sind, bei einer Bestrahlung mit Teilchen eine invasive elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, und die jeweils mit einer Substratanordnung (28) zur Ableitung von Wärme aus einem jeweiligen Targetelement (20) gekoppelt sind,wobei jedes Targetelement (20) eine Umfangsfläche aufweist, welche einen ersten Teil einer Außenoberfläche jedes Targetelements (20) bildet, wobei die Außenoberfläche jedes Targetelements (20) außerdem durch eine Seitenfläche (38) des jeweiligen Targetelements (20) gebildet ist, wobei eine Erstreckung der Seitenfläche (38) eine Dicke (D; D1, D2, D3) des jeweiligen Targetelements (20) definiert, wobei eine Umfangslinie der Seitenfläche (38) eine Randlinie der Umfangsfläche bildet,wobei das Target (10) eine Stirnfläche (22) aufweist, als deren Teil die Seitenflächen (38) der Targetelemente (20) zur Bestrahlung mit den Teilchen freiliegend angeordnet sind, und wobei die Substratanordnung (28) mit den Umfangsflächen der Targetelemente (20) in Kontakt ist, wobei die Targetelemente (20) unterschiedliche Dicken (D1, D2, D3) aufweisen und die freigelegten Seitenflächen (38) der Targetelemente (20) entlang einer gemeinsamen Linie angeordnet sind,dadurch gekennzeichnet, dassdie Substratanordnung (28) ein erstes Substratelement (30) und ein zweites Substratelement (32) aufweist, die zumindest einen Abschnitt der jeweiligen Targetelemente (20) zwischen sich aufnehmen.Target (10) for a radiation source (1) of invasive electromagnetic radiation, having a plurality of target elements (20), which are each set up to generate invasive electromagnetic radiation when irradiated with particles, and each having a substrate arrangement (28) coupled for dissipating heat from a respective target element (20), each target element (20) having a peripheral surface forming a first portion of an outer surface of each target element (20), the outer surface of each target element (20) being further defined by a side surface ( 38) of the respective target element (20), an extension of the side surface (38) defining a thickness (D; D1, D2, D3) of the respective target element (20), a peripheral line of the side surface (38) being an edge line of the peripheral surface forms, wherein the target (10) has an end face (22), as part of which the side faces (38) of the target elements (20) for irradiation m are arranged exposed with the particles, and wherein the substrate arrangement (28) is in contact with the peripheral surfaces of the target elements (20), the target elements (20) having different thicknesses (D1, D2, D3) and the exposed side surfaces (38) of the target elements (20) are arranged along a common line, characterized in that the substrate assembly (28) comprises a first substrate element (30) and a second substrate element (32) sandwiching at least a portion of the respective target elements (20).
Description
Die Erfindung betrifft ein Target, eine Strahlungsquelle und ein Verfahren zum Herstellen eines Targets. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Target mit freiliegenden Flächen mehrerer Targetelemente. Bei Verwendung einer entsprechenden Strahlungsquelle mit den Targetelementen kann die freiliegende Fläche mit Teilchen, insbesondere Elektronen, bestrahlt werden, um eine invasive elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.The invention relates to a target, a radiation source and a method for producing a target. In particular, the invention relates to a target having exposed surfaces of a plurality of target elements. When using an appropriate radiation source with the target elements, the exposed surface can be irradiated with particles, in particular electrons, in order to generate invasive electromagnetic radiation.
Für industrielle Computertomographie (CT)-Anwendungen wird invasive Strahlung genutzt, insbesondere Röntgenstrahlung. Die Bildqualität der entstehenden Durchstrahlungsbilder des untersuchten Objekts hängt unter anderem von der Leistungsdichte (Strahlungsflussdichte) eines Teilchenstrahls (insbesondere eines Elektronenstrahls) ab, der zur Erzeugung der invasiven Strahlung auf ein so genanntes Target einer Strahlungsquelle eingestrahlt wird, in dem die invasive Strahlung entsteht. In dem Target werden die Teilchen abgebremst, wodurch die invasive, elektromagnetische Strahlung als sogenannte Bremsstrahlung entsteht. Der räumliche Wechselwirkungsbereich der Teilchen mit dem Target wird auch Brennfleck bezeichnet. Die Leistungsdichte des Teilchenstrahls soll für viele Anwendungen möglichst hoch sein, um eine hohe Strahlungsleistung der invasiven Strahlung und somit eine gute Bildqualität zu erzielen. Weist der Teilchenstrahl aber eine zu hohe Leistungsdichte auf, kann das Target in dem Brennfleck verdampft und somit beschädigt werden.Invasive radiation, particularly X-rays, is used for industrial computed tomography (CT) applications. The image quality of the resulting radiographic images of the examined object depends, among other things, on the power density (radiation flux density) of a particle beam (in particular an electron beam) which, in order to generate the invasive radiation, is irradiated onto a so-called target of a radiation source in which the invasive radiation is produced. The particles are decelerated in the target, which results in the invasive, electromagnetic radiation as so-called reflex radiation. The spatial interaction area of the particles with the target is also called the focal spot. The power density of the particle beam should be as high as possible for many applications in order to achieve high radiation power of the invasive radiation and thus good image quality. However, if the particle beam has too high a power density, the target in the focal spot can be vaporized and thus damaged.
Eine Möglichkeit, um derartige Beschädigungen zu vermeiden, besteht in einem Aufweiten des Teilchenstrahls. Der Brennfleck auf dem Target wird dann vergrößert und die Strahlungsflussdichte verringert sich. Die hierdurch verursachte größere Spotgröße auf dem Target entspricht jedoch weniger einer punktförmigen Strahlungsquelle der von der Quelle ausgehenden elektromagnetischen Strahlung, verringert die Bildschärfe der Durchstrahlungsbilder und verringert somit auch die erzielbare Bildqualität.One way of avoiding such damage is to widen the particle beam. The focal spot on the target is then enlarged and the radiant flux density is reduced. However, the resulting larger spot size on the target corresponds less to a punctiform radiation source of the electromagnetic radiation emanating from the source, reduces the sharpness of the transmission images and thus also reduces the image quality that can be achieved.
Bei kleinerer Spotgröße kann gearbeitet werden, wenn die Leistung der invasiven Strahlung reduziert wird. Bekannte Detektoren zum Detektieren der invasiven Strahlung und zum Erzeugen der Durchstrahlungsbilder des Objekts erzeugen aber bei geringer Leistung Bilder mit niedrigem Signal-Rauschverhältnis.It is possible to work with a smaller spot size if the power of the invasive radiation is reduced. However, known detectors for detecting the invasive radiation and for generating the transmission images of the object generate images with a low signal-to-noise ratio at low power.
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Es besteht somit ein Bedarf dafür, eine Lösung zum Erzeugen invasiver elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, die das Abstrahlen einer elektromagnetischen Strahlung mit einer hohen Strahlungsleistung bei einer geringen Spotgröße ermöglicht.There is thus a need to provide a solution for generating invasive electromagnetic radiation that enables electromagnetic radiation to be radiated with a high radiant power with a small spot size.
Der Erfinder hat im Allgemeinen erkannt, dass eine Alternative zu einem Aufweiten des Teilchenstrahls benötigt wird. Diese kann insbesondere in einer verbesserten Wärmeableitung der beim Abbremsen der Teilchen entstehenden Wärme aus dem Target bestehen. Eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Target ermöglicht eine höhere Leistungsdichte der auftreffenden Teilchenstrahlung, ohne dass es zu einer Beschädigung des Targets kommt.The inventor has generally recognized that an alternative to expanding the particle beam is needed. This can consist in particular in improved heat dissipation of the heat generated when the particles are decelerated from the target. Improved heat dissipation from the target enables a higher power density of the incident particle radiation without damaging the target.
Hierfür schlägt die Erfindung ein Target, eine Strahlungsquelle und ein Verfahren gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 1, 10 und 11 vor. Diese beigefügten unabhängigen Patentansprüche definieren den Schutzumfang. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.To this end, the invention proposes a target, a radiation source and a method according to the appended
Ein Target für eine Strahlungsquelle invasiver elektromagnetischer Strahlung umfasst wenigstens eine Mehrzahl von Targetelementen, die dazu eingerichtet sind, bei einer Bestrahlung mit Teilchen eine invasive elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, und die jeweils mit einer Substratanordnung zur Ableitung von Wärme aus einem jeweiligen Targetelement gekoppelt sind. Die jeweiligen Targetelemente weisen ferner eine Umfangsfläche und somit eine in sich geschlossen umlaufende Fläche auf, welche einen ersten Teil einer Außenoberfläche jedes Targetelements bildet. Die Außenoberfläche jedes Targetelements ist außerdem durch eine Seitenfläche des jeweiligen Targetelements gebildet, wobei eine Erstreckung der Seitenfläche eine Dicke des jeweiligen Targetelements definiert, wobei eine Umfangslinie und somit eine in sich geschlossen umlaufende Randlinie der Seitenfläche eine Randlinie der Umfangsfläche bildet. Das Target weist ferner eine Stirnfläche auf, als deren Teil die Seitenflächen der Targetelemente zur Bestrahlung mit den Teilchen freiliegend angeordnet sind. Die Substratanordnung ist mit den Umfangsflächen in Kontakt.A target for a radiation source of invasive electromagnetic radiation comprises at least a plurality of target elements which are set up to generate invasive electromagnetic radiation when irradiated with particles and which are each coupled to a substrate arrangement for dissipating heat from a respective target element. The respective target elements also have a peripheral surface and thus a self-contained peripheral surface which forms a first part of an outer surface forms each target element. The outer surface of each target element is also formed by a side surface of the respective target element, with an extension of the side surface defining a thickness of the respective target element, with a peripheral line and thus a closed peripheral edge line of the side surface forming an edge line of the peripheral surface. The target further has an end surface, as part of which the side surfaces of the target elements are exposed for irradiation with the particles. The substrate arrangement is in contact with the peripheral surfaces.
Wie erwähnt, kann es sich bei der invasiven elektromagnetischen Strahlung um eine Röntgenstrahlung handeln, insbesondere für industrielle CT-Anwendungen, bei denen Werkstücke zum Erstellen von Durchstrahlungsbildern durchleuchtet werden. Die Mehrzahl von Targetelementen kann allgemein dazu eingerichtet sein, bei einem Bestrahlen mit einem Teilchenstrahl (zum Beispiel in Form eines Elektronenstrahls oder eines Protonenstrahls) eine Bremsstrahlung in Form von Röntgenstrahlung oder eine invasive Strahlung anderer Wellenlänge zu emittieren. Hierfür können die Targetelemente aus einem geeigneten Material bestehen oder das Material aufweisen, wie zum Beispiel Wolfram (siehe unten).As mentioned, the invasive electromagnetic radiation can be X-ray radiation, in particular for industrial CT applications in which workpieces are x-rayed to create radiographs. In general, the plurality of target elements can be set up to emit bremsstrahlung in the form of X-rays or invasive radiation of a different wavelength when irradiated with a particle beam (for example in the form of an electron beam or a proton beam). For this purpose, the target elements can consist of a suitable material or contain the material, such as tungsten (see below).
Das Target ist insbesondere als nicht-transmissives Target, d.h. als Reflexionstarget ausgebildet. Solche Targets werden auch als Direktstrahler bezeichnet. Die Leistung des Teilchenstrahls (und insbesondere eines etwaigen Elektronenstrahls) kann zum Beispiel 500 W betragen. Eine Auflösung der erzeugten elektromagnetischen Strahlung und insbesondere einer etwaigen Röntgenstrahlung kann zwischen 1 µm und 5 µm betragen. Die Brennfleckgröße kann zwischen 10 µm bis 200 µm und zum Beispiel zwischen 5 µm und 10 µm betragen.The target is designed in particular as a non-transmissive target, i.e. as a reflection target. Such targets are also referred to as direct emitters. The power of the particle beam (and in particular any electron beam) can be 500 W, for example. A resolution of the generated electromagnetic radiation and in particular of any X-ray radiation can be between 1 μm and 5 μm. The focal spot size can be between 10 μm and 200 μm and for example between 5 μm and 10 μm.
Die Substratanordnung umfasst vorzugsweise ein Material mit einem im Vergleich zu Metallen hohen Wärmeleitungskoeffizient und einem hohem Schmelzpunkt. Zusätzlich oder alternativ kann das Material elektrisch isolierend sein. Insbesondere kann das Material dazu ausgelegt sein, keine elektromagnetische Strahlung und vor allem keine Röntgenstrahlung zu emittieren, wenn der Teilchenstrahl auf das Material trifft. Durch das Kontaktieren und/oder Verbinden des Substratmaterials mit den Umfangsflächen der Targetelemente ist ein Wärmeübergang von den Targetelementen auf das Material der Substratanordnung sichergestellt. Beispielsweise kann ein direkter Kontakt zwischen den Targetelementen und der Substratanordnung vorgesehen sein und/oder ein indirekter Kontakt über Zwischenmaterial zum Befestigen der Targetelemente an der Substratanordnung, wie beispielsweise einer Lotschicht. Die Substratanordnung kann ferner wenigstens ein Substratelement umfassen, dass vorzugsweise im Wesentlichen blockförmig ist und/oder sich entlang des Targetelements erstreckt (insbesondere entlang dessen gesamter Länge). The substrate arrangement preferably comprises a material with a high coefficient of thermal conductivity and a high melting point compared to metals. Additionally or alternatively, the material can be electrically insulating. In particular, the material can be designed not to emit any electromagnetic radiation and, in particular, no X-rays when the particle beam strikes the material. Contacting and/or connecting the substrate material to the peripheral surfaces of the target elements ensures heat transfer from the target elements to the material of the substrate arrangement. For example, a direct contact between the target elements and the substrate arrangement can be provided and/or an indirect contact via intermediate material for attaching the target elements to the substrate arrangement, such as a layer of solder. The substrate arrangement can also comprise at least one substrate element, which is preferably essentially block-shaped and/or extends along the target element (in particular along its entire length).
Bei der Umfangsfläche der Targetelemente kann es sich (zum Beispiel bei einer nachfolgend erläuterten zylindrischen und/oder drahtförmigen Ausbildung) um eine zumindest bereichsweise gekrümmt verlaufende Außenumfangsfläche handeln. Im Falle eines nachstehend erläuterten schichtartig ausgebildeten Targetelements kann die Umfangsfläche je eine Oberfläche an der Ober- und Unterseite des Targetelements aufweisen, sowie zwei diese Oberflächen verbindende Seiten-Oberflächen, d.h. Seitenflächen. Anders ausgedrückt kann die Umfangsfläche in diesem Fall zwei der Seitenflächen der im Wesentlichen prismatischen oder quaderförmigen Targetschicht aufweisen, welche durch entsprechende Grund- und/oder Deckflächen der Targetschicht verbunden sind. Nicht zur Umfangsfläche gehören in diesem Fall eine vordere und eine hintere Seitenfläche der Targetschicht, von denen eine zur Bestrahlung mit Teilchen freiliegend angeordnet ist.The peripheral surface of the target elements can (for example in the case of a cylindrical and/or wire-shaped configuration explained below) be an outer peripheral surface which is curved at least in some areas. In the case of a layered target element as explained below, the peripheral surface may have one surface each on the top and bottom of the target element, and two side surfaces connecting these surfaces, i.e. side surfaces. In other words, in this case the peripheral surface can have two of the side surfaces of the essentially prismatic or cuboid target layer, which are connected by corresponding base and/or cover surfaces of the target layer. In this case, a front and a rear side surface of the target layer, one of which is arranged exposed for irradiation with particles, do not belong to the peripheral surface.
Bei der Dicke des Targetelements kann es sich um eine Schichtdicke dieses Elements handeln oder um einen Durchmesser im Falle einer drahtförmigen Ausbildung. Allgemein kann sich die Dicke auf eine Abmessung des Targetelements beziehen, die in einer im Wesentlichen senkrecht zu einem auftreffenden Teilchenstrahl verlaufenden Richtung zu messen ist. Die Dicke kann den Brennfleck begrenzen. Dies ist dann der Fall, wenn der Teilchenstrahl in Richtung der Dicke eine größere Abmessung aufweist als das Targetelement.The thickness of the target element can be a layer thickness of this element or a diameter in the case of a wire-shaped configuration. In general, the thickness can relate to a dimension of the target element, which is to be measured in a direction essentially perpendicular to an impinging particle beam. The thickness can limit the focal spot. This is the case when the particle beam has a larger dimension in the thickness direction than the target element.
Die Stirnfläche des Targets kann sich ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zu einem auftreffenden Teilchenstrahl erstrecken oder auch geneigt hierzu. Ferner kann die Stirnfläche gewölbt und insbesondere konvex gewölbt ausgebildet sein, wobei sich die Wölbung allgemein hin zu dem auftreffenden Teilchenstrahl erstrecken kann (d.h. auf den Teilchenstrahl zu). Die freiliegenden Seitenflächen der jeweiligen Targetelemente können mit den übrigen Abschnitten der Stirnfläche fluchten und/oder die gesamte Stirnfläche des Targets kann im Wesentlichen plan sein. Eine freiliegende Seitenfläche bedeutet, dass diese zur Bestrahlung mit den Teilchen exponiert und/oder nicht durch weitere Materialien oder Elemente abgeschirmt ist.The end face of the target can also extend essentially perpendicularly to an impinging particle beam or also at an angle thereto. Furthermore, the end face can be arched and in particular convexly arched, with the arching being able to extend generally towards the impinging particle beam (i.e. towards the particle beam). The exposed side surfaces of the respective target elements can be flush with the remaining sections of the end surface and/or the entire end surface of the target can be essentially flat. An exposed side surface means that it is exposed to the particles and/or not shielded by other materials or elements.
Die vorstehend definierte Struktur des Targets ermöglicht eine Teilchenbestrahlung vorzugsweise ausschließlich einer einzigen Seitenfläche eines jeweiligen Targetelementes. Über Längserstreckung des jeweiligen Targetelements in Tiefenrichtung und über die Umfangsfläche des jeweiligen Targetelements kann die bei der Bestrahlung entstehende Wärme in die Tiefe abgeleitet und in die Substratanordnung eingeleitet werden. Vorzugsweise ist ein Großteil der Umfangsfläche, zum Beispiel mehr als 90 % und vorzugsweise mehr als 95 %, in Kontakt mit dem Substratmaterial der Substratanordnung. In jedem Fall, in dem wie bevorzugt die Umfangsfläche größer als die freiliegende Seitenfläche eines jeweiligen Targetelementes ist, kann der über die freiliegende Seitenfläche erfolgende Energieeintrag durch eine vergleichsweise große Kontaktfläche direkt vom Targetelement in die Substratanordnung abtransportiert werden, ohne dass der Energieeintrag zu Beschädigungen des Targets führt. Folglich kann die Leistungsdichte des auftreffenden Teilchenstrahls erhöht werden, ohne dass der Teilchenstrahl aufgeweitet werden muss. Weiterhin ermöglicht es die erfindungsgemäße Struktur, dass selbst bei einsetzendem Verschleiß an der freiliegenden Seitenfläche des jeweiligen Targetelements (z.B. bei Abbrand) noch ausreichend Materialvolumen zur Verfügung steht, um Intensitätsänderungen der erzeugten elektromagnetischen Strahlung zu vermeiden. In der Tiefenrichtung, d.h. in einer Richtung quer zur Oberfläche der Seitenfläche, kann sich beliebig viel Material befinden, da ein Substrat als Träger des Targetmaterials in der Tiefenrichtung nicht erforderlich ist. Die Lebensdauer und die verfügbare Betriebsdauer des Targets können somit erhöht werden.The structure of the target defined above enables particle irradiation preferably exclusively on a single side surface of a respective target element. Over the longitudinal extent of the respective target element in the depth direction and over the peripheral surface of the respective tar getelements, the heat generated during the irradiation can be dissipated in depth and introduced into the substrate arrangement. Preferably, a majority of the peripheral surface, for example more than 90% and preferably more than 95%, is in contact with the substrate material of the substrate assembly. In each case, in which the peripheral surface is larger than the exposed side surface of a respective target element, as is preferred, the energy input via the exposed side surface can be transported away directly from the target element into the substrate arrangement through a comparatively large contact surface, without the energy input damaging the target leads. Consequently, the power density of the impinging particle beam can be increased without the particle beam having to be expanded. Furthermore, the structure according to the invention enables sufficient material volume to be available even when wear begins on the exposed side surface of the respective target element (eg in the event of burning) in order to avoid changes in the intensity of the electromagnetic radiation generated. Any amount of material can be located in the depth direction, ie in a direction transverse to the surface of the side surface, since a substrate is not required as a carrier of the target material in the depth direction. The service life and the available operating time of the target can thus be increased.
Z. B. im Falle eines drahtförmigen Targetelements kann das Targetelement in der Tiefenrichtung so lang dimensioniert werden, dass die Umfangsfläche größer ist als die freiliegende Seitenfläche. Letztere kann wie eine Querschnittsfläche des drahtförmigen Targetelements geformt sein. Im Falle eines schichtartigen Ausbildens des Targetelements kann die freiliegende Seitenfläche ebenfalls wie eine Querschnittsfläche geformt sein und/oder eine vergleichsweise schmale (in Dickenrichtung) längliche (in Breitenrichtung) Erstreckung aufweisen. Aufgrund eines großen Verhältnisses zwischen Breite und Dicke der freiliegenden Seitenflächen wird lediglich eine geringe Abmessung in Tiefenrichtung benötigt, sodass die Umfangsfläche einer solchen Targetschicht größer ist als die freiliegende Seitenfläche.For example, in the case of a wire-shaped target element, the target element can be dimensioned so long in the depth direction that the peripheral surface is larger than the exposed side surface. The latter can be shaped like a cross-sectional area of the wire-shaped target element. In the case of a layered formation of the target element, the exposed side surface can likewise be shaped like a cross-sectional surface and/or have a comparatively narrow (in the direction of thickness) elongated (in the direction of width) extension. Due to a large ratio between the width and thickness of the exposed side surfaces, only a small dimension in the depth direction is required, so that the peripheral surface of such a target layer is larger than the exposed side surface.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das jeweilige Targetelement einen polygonalen Grundriss mit unterschiedlichen Seitenlängen auf. Dabei definiert die Seitenfläche insbesondere eine Seite dieses Grundrisses, die nicht die größte Seitenlänge hat. Die Grundfläche hat somit Seiten mit größerer Länge, insbesondere in Tiefenrichtung. Insbesondere kann es sich um eine Grundfläche handeln, die rechteckig ist.According to a further embodiment, the respective target element has a polygonal outline with different side lengths. In this case, the side surface defines in particular a side of this floor plan that does not have the longest side length. The base area thus has sides of greater length, particularly in the depth direction. In particular, it can be a base that is rectangular.
In einer Ausgestaltung ist der Grundriss rechteckig und weist zwei längere Seiten und zwei kürzere Seiten auf. Die freiliegende Seitenfläche bildet oder enthält in diesem Fall vorzugsweise die kürzere Seite.In one embodiment, the floor plan is rectangular and has two longer sides and two shorter sides. In this case, the exposed side surface preferably forms or contains the shorter side.
Wie erwähnt, ist das jeweilige Targetelement gemäß einer Variante schichtartig ausgebildet. Insbesondere definiert die freiliegende Seitenfläche des jeweiligen Targetelements eine Dicke und eine im Vergleich zu der Dicke größere Breite des Targetelements, d.h. das jeweilige Targetelement weist eine im Vergleich zur Dicke größere Breite auf, wobei eine Gesamtlänge der Umfangslinie durch die Dicke und durch die Breite definiert ist. Im Fall einer rechteckförmigen Seitenfläche ist die Gesamtlänge der Umfangslinie gleich dem Zweifachen der Dicke zuzüglich dem Zweifachen der Breite. Die Ausgestaltung mit einem jeweils schichtartigem Targetelement ist jedoch nicht auf eine rechteckförmige Seitenfläche beschränkt. Die Substratanordnung ist an in Richtung der Dicke einander gegenüberliegenden Seiten der Umfangsfläche vorzugsweise vollflächig mit dieser in Kontakt. Daher wird in dem jeweiligen Targetelement entstehende Wärme schnell über die entsprechend große Gesamt-Kontaktfläche zur Substratanordnung abtransportiert. Jedoch wird auch bei anderen Formen des jeweiligen Targetelements, wie zum Beispiel die im Folgenden noch beschriebene drahtförmige Form, bevorzugt, dass die Substratanordnung an einander gegenüberliegenden Seiten der Umfangsfläche mit dieser in Kontakt ist, insbesondere über die gesamte Länge des Targetelements in Tiefenrichtung. Im Fall des jeweils schichtartigen Targetelements wird bevorzugt, dass die Substratanordnung vollflächig mit der Umfangsfläche in Kontakt ist und zwar bevorzugt teilweise indirekt über Lotmaterial und teilweise direkt über Presskontakt. Optional sind von dem vollflächigen Kontakt lediglich die Seitenflächen der Umfangsfläche ausgenommen, d. h. diejenigen Seitenflächen, welche die Erstreckung des jeweiligen Targetelements in Tiefenrichtung und Dickenrichtung definieren.As mentioned, according to one variant, the respective target element is formed in layers. In particular, the exposed side surface of the respective target element defines a thickness and a width of the target element that is greater than the thickness, i.e. the respective target element has a greater width than the thickness, with a total length of the peripheral line being defined by the thickness and by the width . In the case of a rectangular face, the total length of the perimeter is equal to twice the thickness plus twice the width. However, the design with a layer-like target element is not limited to a rectangular side surface. The substrate arrangement is preferably in full-area contact with the circumferential surface on opposite sides of the circumferential surface in the direction of thickness. The heat generated in the respective target element is therefore quickly transported away to the substrate arrangement via the correspondingly large total contact area. However, with other shapes of the respective target element, such as the wire-like shape described below, it is preferred that the substrate arrangement is in contact with the peripheral surface on opposite sides of the latter, in particular over the entire length of the target element in the depth direction. In the case of the respective layered target element, it is preferred that the substrate arrangement is in full-surface contact with the peripheral surface, specifically preferably partially indirectly via solder material and partially directly via pressure contact. Optionally, only the side surfaces of the peripheral surface are excluded from the full-surface contact, i. H. those side surfaces which define the extent of the respective target element in the depth direction and thickness direction.
Die Dicke des jeweiligen Targetelements und insbesondere eine etwaige Schichtdicke hiervon kann allgemein geringer gewählt sein als eine Dicke der Substratanordnung, wobei die Dicke der Substratanordnung und die Dicke der Schicht parallel zueinander zu messen sind. Jegliche der vorstehend genannten Dickenmaße können dabei parallel zu oder in der Stirnfläche des Targets verlaufen und/oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Verlaufsrichtung oder Strahlachse des auftreffenden Teilchenstrahls.The thickness of the respective target element and in particular any layer thickness thereof can generally be selected to be less than a thickness of the substrate arrangement, the thickness of the substrate arrangement and the thickness of the layer being measured parallel to one another. Any of the thickness dimensions mentioned above can run parallel to or in the end face of the target and/or essentially perpendicular to a direction or beam axis of the impinging particle beam.
Das jeweils schichtartige Targetelement kann an der jeweils freiliegenden Seitenfläche eine in der Breitenrichtung konstante Dicke haben. Auch in der jeweiligen Tiefenrichtung kann die Schichtdicke konstant sein.The respective layered target element can have a constant thickness in the width direction on the respective exposed side surface. The layer thickness can also be constant in the respective depth direction.
Alternativ kann die Dicke des jeweils schichtartigen Targetelements an der jeweils freiliegenden Seitenfläche in Richtung der Breite zunehmen. Insbesondere kann die Dicke kontinuierlich und zum Beispiel linear in Richtung der Breite zunehmen, sodass die Seitenfläche trapezförmig ausgebildet ist. Allgemeiner kann das jeweils schichtartige Targetelement an der jeweils freiliegenden Seitenfläche eine entlang seiner Breite betrachtet variierende Dicke aufweisen, zum Beispiel eine über die gesamte Erstreckung in der Breitenrichtung oder einen Teil davon kontinuierlich zu- oder abnehmende Schichtdicke. Je nachdem, auf welchen Teilbereich der jeweils freiliegenden Seitenflächen der auftreffende Teilchenstrahl gerichtet wird, kann somit die Brennfleckgröße variieren, wenn der Querschnitt des Teilchenstrahls auf einen Teilbereich der Stirnfläche des Targets trifft, in dem sich ein Rand der freiliegenden Seitenfläche befindet. Das Material des Targets jenseits des Randes des jeweiligen Targetelements trägt nicht zur Erzeugung von invasiver Strahlung bei.Alternatively, the thickness of the respective layer-like target element can increase in the direction of the width at the respective exposed side surface. In particular, the thickness can increase continuously and, for example, linearly in the direction of the width, so that the side surface has a trapezoidal shape. More generally, the respective layer-like target element can have a thickness that varies along its width on the respective uncovered side surface, for example a layer thickness that continuously increases or decreases over the entire extent in the width direction or part of it. The size of the focal spot can vary depending on which part of the exposed side surface the impacting particle beam is aimed at if the cross-section of the particle beam hits a part of the end face of the target in which an edge of the exposed side surface is located. The material of the target beyond the edge of each target element does not contribute to the generation of invasive radiation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das jeweilige Targetelement zylindrisch ausgebildet. Dabei kann die jeweilige Seitenfläche eine in einer Vorderansicht auf das jeweilige Targetelement elliptische oder kreisförmige Endfläche der Targetelemente bilden. In diesem Zusammenhang kann das jeweilige Targetelement eine Grundfläche aufweisen, die beispielsweise kreisrund oder oval ist, und ein sich entlang einer Längsachse des jeweiligen Targetelements erstreckendes Materialvolumen. Letzteres kann wiederum eine Umfangsfläche des jeweiligen Targetelements definieren. In einer Variante ist das jeweilige Targetelement drahtförmig ausgebildet, wobei es wiederum allgemein länglich geformt sein kann und vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Die jeweils freiliegende Seitenfläche kann gemäß einer Querschnittsform des jeweils zylindrischen Targetelements geformt sein und/oder diese definieren. In einer Variante ist die jeweils freiliegende Seitenfläche kreisrund und definiert einen Durchmesser und somit eine Dicke des jeweils drahtförmigen Targetelements. Die Abmessungen des Durchmessers können z. B. zwischen 3 µm und 200 µm liegen und zum Beispiel bis zu 10 µm oder bis zu 20 µm betragen.According to a further embodiment, the respective target element is cylindrical. The respective side surface can form an elliptical or circular end surface of the target elements in a front view of the respective target element. In this context, the respective target element can have a base area which is, for example, circular or oval, and a material volume extending along a longitudinal axis of the respective target element. The latter can in turn define a peripheral surface of the respective target element. In one variant, the respective target element is designed in the form of a wire, which in turn can be generally elongate in shape and preferably has a circular cross section. The respective exposed side surface may be shaped according to and/or define a cross-sectional shape of the respective cylindrical target element. In one variant, the respective exposed side surface is circular and defines a diameter and thus a thickness of the respective wire-shaped target element. The dimensions of the diameter can, for. B. between 3 microns and 200 microns and be, for example, up to 10 microns or up to 20 microns.
Das jeweils drahtförmige Targetelement kann in einer Aufnahmestruktur der Substratanordnung zumindest abschnittsweise aufgenommen sein. Die Aufnahmestruktur kann eine Nut umfassen, die beispielsweise eine V-förmige oder rechteckige Querschnittsform aufweist. Im Falle einer nachstehend erläuterten mehrteiligen Ausbildung der Substratanordnung kann in einem ersten Substratelement eine entsprechende Aufnahmestruktur (zum Beispiel eine Nut) vorgesehen sein, wobei ein zweites Substratelement die Nut zumindest abschnittsweise verschließt (zum Beispiel den zumindest einseitig offenen Querschnitt der Nut abschnittsweise verschließt). Alternativ kann die Aufnahmestruktur eine Bohrung umfassen, die insbesondere im Wesentlichen quer zu der Stirnfläche verlaufen kann und/oder in die das Targetelement eingesetzt ist.The respective wire-shaped target element can be accommodated at least in sections in a receiving structure of the substrate arrangement. The receiving structure may include a groove having a V-shaped or rectangular cross-sectional shape, for example. In the case of a multi-part configuration of the substrate arrangement explained below, a corresponding receiving structure (e.g. a groove) can be provided in a first substrate element, with a second substrate element closing the groove at least in sections (e.g. closing the cross section of the groove, which is open at least on one side, in sections). Alternatively, the receiving structure can include a bore, which in particular can run essentially transversely to the end face and/or into which the target element is inserted.
Die Erfindung sieht vor, dass das Target eine Mehrzahl von Targetelementen mit unterschiedlichen Dicken umfasst. Die Targetelemente können aus einem identischen Material hergestellt sein und/oder im Wesentlichen identische Längen aufweisen, zum Beispiel orthogonal zur Stirnfläche des Targets betrachtet. Die Targetelemente können wiederum jeweils freigelegte Seitenflächen in einer Stirnfläche des Targets umfassen sowie jeweils dazu ausgebildet sein, bei einem Bestrahlen mit Teilchen invasive elektromagnetische Strahlung zu emittieren, die zum Erstellen von Objektdurchstrahlungsbildern verwendbar ist. Zum Variieren der Brennfleckgröße kann der Elektronenstrahl zwischen den Targetelementen wechseln oder, anders ausgedrückt, Targetelemente mit unterschiedlichen Dicken bestrahlen. Die freigelegten Seitenflächen können entlang einer gemeinsamen und vorzugsweise geradlinigen Linie angeordnet sein. Dies ermöglicht ein einfaches Richten des Elektronenstrahls auf die verschiedenen Targetelemente, zum Beispiel durch eine lineare Relativbewegung von Target und Elektronenstrahl oder eine Relativverdrehung, bei der der Elektronenstrahl linear über das Target bewegt wird.The invention provides that the target comprises a plurality of target elements with different thicknesses. The target elements can be made of an identical material and/or have substantially identical lengths, for example viewed orthogonally to the face of the target. The target elements can in turn each comprise uncovered side surfaces in an end face of the target and each be designed to emit invasive electromagnetic radiation when irradiated with particles, which can be used to create object transmission images. In order to vary the focal spot size, the electron beam can switch between the target elements or, in other words, irradiate target elements with different thicknesses. The exposed side surfaces can be arranged along a common and preferably rectilinear line. This allows the electron beam to be easily aimed at the various target elements, for example by means of a linear relative movement of the target and electron beam or a relative rotation in which the electron beam is moved linearly over the target.
In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass das Target eine Mehrzahl von drahtförmigen Targetelementen mit unterschiedlichen Dicken bzw. Durchmessern aufweist, die vorzugsweise wiederum in einer gemeinsamen Reihe innerhalb der Stirnfläche des Targets angeordnet und freigelegt sind. Die Brennfleckgröße kann in diesem Fall dadurch variiert werden, dass eine Bestrahlung mit dem Teilchenstrahl zwischen den drahtförmigen Targetelementen wechselt (d.h. es werden aufeinanderfolgend verschiedene Targetelemente bestrahlt).In this context, it can also be provided that the target has a plurality of wire-shaped target elements with different thicknesses or diameters, which are preferably in turn arranged and exposed in a common row within the end face of the target. In this case, the focal spot size can be varied by alternating irradiation with the particle beam between the wire-shaped target elements (i.e. different target elements are irradiated in succession).
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Substratanordnung das jeweilige Targetelement zumindest abschnittsweise umschließt. Dies kann durch das vorstehend geschilderte Aufnehmen eines drahtförmigen Targetelements in einer Aufnahmestruktur (zum Beispiel in einer Nut) und das Abdecken diese Aufnahmestruktur mit einem weiteren Element der Substratanordnung erfolgen. Allgemeiner formuliert kann das jeweilige Targetelement sandwichartig zwischen einzelnen Substratelementen der Substratanordnung aufgenommen sein.A development provides that the substrate arrangement encloses the respective target element at least in sections. This can be done by receiving a wire-shaped target element in a receiving structure (for example in a groove) as described above and covering this receiving structure with a further element of the substrate arrangement. To put it more generally, the respective target element can be sandwiched between individual substrate elements of the substrate arrangement.
Erfindungsgemäß umfasst die Substratanordnung ein erstes und ein zweites Substratelement, die zumindest einen Abschnitt des jeweiligen Targetelements zwischen sich aufnehmen. Dabei können die Substratelemente vorzugsweise aneinander gepresst sein, zum Beispiel mittels mechanischer Befestigungs- oder Klemmelemente oder durch ein(e) nachfolgend erläuterte(s) Wärmeableitelement oder Wärmeableitanordnung. Die Substratelemente können jeweils blockförmig ausgebildet sein und/oder derart ausgebildet sein, dass das jeweilige Targetelement möglichst vollflächig an ihnen anliegt (zum Beispiel mittels wenigstens einer im Wesentlichen vollständigen Grund- oder Deckfläche an ihnen anliegt). In einer Variante erstrecken sich die Substratelemente entlang der gesamten Länge des jeweiligen Targetelements in der Tiefenrichtung.According to the invention, the substrate arrangement comprises a first and a second substrate element, which receive at least a section of the respective target element between them. In this case, the substrate elements can preferably be pressed against one another, for example by means of mechanical fastening or clamping elements or by a heat dissipation element or heat dissipation arrangement explained below. The substrate elements can each be configured in the form of a block and/or configured in such a way that the respective target element bears against them over the entire surface (for example by means of at least one essentially complete base or top surface against them). In one variant, the substrate elements extend along the entire length of the respective target element in the depth direction.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Substratanordnung in einem Wärmeableitelement oder in einer Wärmeableitanordnung aufgenommen ist, welche/welches vorzugsweise mit einer Kühlvorrichtung verbunden oder verbindbar ist. Die Kühlvorrichtung kann extern von dem Target bereitgestellt und beispielsweise ein Bestandteil einer nachstehend erläuterten Strahlungsquelle sein. Das Wärmeableitelement oder die Wärmeableitanordnung kann block- oder rohrförmig ausgebildet sein und/oder einen Aufnahmeabschnitt für die Substratanordnung umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Wärmeableitelement oder die Wärmeableitanordnung einen Hohlraum definieren, in den die Substratanordnung eingesetzt und/oder eingeschoben ist. Bei einer Mehrzahl von Substratelementen kann das Wärmeableitelement oder die Wärmeableitanordnung dazu eingerichtet sein, die Substratelemente z.B. durch Ausüben einer Anpress- oder Druckkraft zusammenzuhalten und/oder aneinander zu drängen. Allgemein kann eine zumindest abschnittsweise Anlage zwischen dem Wärmeableitelement (oder der Wärmeableitanordnung) und der Substratanordnung vorgesehen sein, um einen guten Wärmeübergang auf das Wärmeableitelement oder die Wärmeableitanordnung zu ermöglichen. Zum Verbinden mit der Kühlvorrichtung kann das Wärmeableitelement oder die Wärmeableitanordnung einen geeigneten Anschlussbereich umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Wärmeableitelement oder die Wärmeableitanordnung zumindest einen Kühlkanal umfassen, in den ein Kühlmittel einleitbar ist.A further development provides that the substrate arrangement is accommodated in a heat dissipation element or in a heat dissipation arrangement which is/is preferably connected or can be connected to a cooling device. The cooling device can be provided externally to the target and can be part of a radiation source explained below, for example. The heat dissipation element or the heat dissipation arrangement can be designed in the form of a block or tube and/or can comprise a receiving section for the substrate arrangement. Additionally or alternatively, the heat dissipation element or the heat dissipation arrangement can define a cavity into which the substrate arrangement is inserted and/or pushed. In the case of a plurality of substrate elements, the heat dissipation element or the heat dissipation arrangement can be set up to hold the substrate elements together and/or to press them against one another, e.g. by exerting a pressing or compressive force. In general, a contact between the heat dissipating element (or the heat dissipating arrangement) and the substrate arrangement can be provided, at least in sections, in order to enable good heat transfer to the heat dissipating element or the heat dissipating arrangement. The heat dissipation element or the heat dissipation arrangement can comprise a suitable connection area for connection to the cooling device. Additionally or alternatively, the heat dissipation element or the heat dissipation arrangement can comprise at least one cooling channel into which a coolant can be introduced.
Auch die Substratanordnung kann mit einer Kühlvorrichtung verbunden oder verbindbar sein. Beispielsweise kann die Substratanordnung ebenfalls einen Kühlkanal umfassen und/oder einen Aufnahmebereich, in dem eine gekühlte Leitung der Kühlvorrichtung aufnehmbar ist. In einer Variante wird die Substratanordnung zumindest abschnittsweise mit einem Kühlmittel der Kühlvorrichtung be- und/oder umspült.The substrate arrangement can also be connected or connectable to a cooling device. For example, the substrate arrangement can also include a cooling channel and/or a receiving area in which a cooled line of the cooling device can be received. In one variant, the substrate arrangement is flooded and/or washed at least in sections with a coolant from the cooling device.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Target eine Substratanordnung auf, welche Diamant oder ein diamanthaltiges Material umfasst, und/oder weist das Target ein Targetelement auf, welches Wolfram umfasst, und/oder das Wärmeableitelement oder die Wärmeableitanordnung umfasst Kupfer.According to one embodiment, the target has a substrate arrangement which comprises diamond or a diamond-containing material and/or the target has a target element which comprises tungsten and/or the heat dissipation element or the heat dissipation arrangement comprises copper.
Im Bereich der Stirnfläche können abseits der freigelegten Seitenfläche liegende Bereiche des jeweiligen Targetelements und insbesondere die Seitenfläche der Substratanordnung mit einer Materialschicht abgedeckt sein. Das Material dieser Schicht kann derart gewählt sein, dass ein Aufladen von Elektronen in der Substratanordnung im Wesentlichen unterdrückt oder zumindest begrenzt wird. Hierdurch kann das Erzeugen eines elektrischen Gegenfeldes zum Elektronenstrahl vermieden werden. Insbesondere kann diese Schicht aus einem metallischen Material, einem Halbleitermaterial oder Kohlenstoff bestehen.In the area of the end face, areas of the respective target element lying away from the exposed side face and in particular the side face of the substrate arrangement can be covered with a layer of material. The material of this layer can be selected in such a way that charging of electrons in the substrate arrangement is essentially suppressed or at least limited. In this way, the generation of an opposing electric field to the electron beam can be avoided. In particular, this layer can consist of a metallic material, a semiconductor material or carbon.
Alternativ zu den vorstehenden Ansätzen des Bestrahlens einer Seitenfläche im Target wird ferner ein Target vorgeschlagen, bei dem Wolframpartikel in eine Leichtmetallmatrix eingebracht werden. Im Rahmen eines Erkaltens einer solchen Zusammensetzung können sich die Wolframpartikel an einer Unterseite des Targets ablagern. Die Partikeldichte sollte derart gewählt sein, dass die Partikel einen Anteil von ca. 10% der Fläche Unterseite einnehmen. Diese Unterseite kann dann zum Erzeugen von Röntgenstrahlung mit einem Elektronenstrahl bestrahlt werden. Der Schmelzpunkt der Leichtmetallmatrix kann jedoch die dabei verwendbare Strahlleistung des Elektronenstrahls begrenzen.As an alternative to the above approaches of irradiating a side surface in the target, a target is also proposed in which tungsten particles are introduced into a light metal matrix. When such a composition cools down, the tungsten particles can be deposited on an underside of the target. The particle density should be selected in such a way that the particles make up approx. 10% of the underside area. This underside can then be irradiated with an electron beam to generate X-rays. However, the melting point of the light metal matrix can limit the beam power of the electron beam that can be used.
Die Erfindung betrifft ferner eine Strahlungsquelle zum Erzeugen invasiver elektromagnetischer Strahlung, umfassend ein Target nach einem der vorangehenden Aspekte; eine Teilchenstrahlquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Teilchenstrahl auf das Target zu richten; und eine Positioniereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Target und den Elektronenstrahl variabel relativ zueinander auszurichten, sodass der Oberflächenbereich des Targets, auf den der Teilchenstrahl gerichtet ist, variierbar ist. Der Teilchenstrahl kann wiederum Elektronen umfassen. Die Teilchenstrahlquelle kann einen Glühdraht zum Emittieren der Elektronen umfassen. Durch die Positioniereinrichtung können der Teilchenstrahl und das Target z.B. relativ zueinander verdreht werden, zum Beispiel um eine senkrecht zum Teilchenstrahl verlaufende Achse. In einer Variante ist das Target relativ zu dem Teilchenstrahl verdrehbar, wobei die Drehachse wiederum orthogonal zu dem Teilchenstrahl verlaufen kann.The invention further relates to a radiation source for generating invasive electromagnetic radiation, comprising a target according to one of the preceding aspects; a particle beam source configured to direct a particle beam onto the target; and a positioning device configured to variably align the target and the electron beam relative to one another such that the surface area of the target onto which the particle beam is directed can be varied. The particle beam can in turn include electrons. The particle beam source can include a filament for emitting the electrons. The particle beam and the target can, for example, be rotated relative to one another by the positioning device, for example about an axis running perpendicularly to the particle beam. In one variant, the target can be rotated relative to the particle beam, with the axis of rotation in turn being able to run orthogonally to the particle beam.
Mittels der Positioniereinrichtung kann der Teilchenstrahl auf verschiedene Oberflächenbereiche der freiliegenden Seitenfläche des jeweiligen Targetelements gerichtet werden. Im Falle einer konstanten Dicke des jeweiligen Targetelements kann dies zum Ausgleichen von lokalem Verschleiß verwendet werden (d. h. der Teilchenstrahl kann bei Bedarf auf einen noch nicht verschlissenen Abschnitt gerichtet werden). Im Falle einer variierenden Dicke (zum Beispiel bei einer trapezförmigen Seitenfläche des jeweiligen Targetelements) kann mittels der Positioniereinrichtung auch die Brennfleckgröße variiert werden.By means of the positioning device, the particle beam can be applied to different surface areas of the exposed side surface of the respective Target elements are directed. In the case of a constant thickness of the respective target element, this can be used to compensate for local wear (ie the particle beam can be directed to a section that has not yet been worn, if required). In the case of a varying thickness (for example in the case of a trapezoidal side surface of the respective target element), the focal spot size can also be varied by means of the positioning device.
Auch betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Strahlungsquelle der vorangehend beschriebenen Art, umfassend die Schritte:
- - Richten eines Teilchenstrahls auf einen ersten Oberflächenbereich der Stirnfläche des Targets;
- - Verändern einer Relativausrichtung von dem Target und dem Teilchenstrahl derart, dass der Teilchenstrahl auf einen zweiten Oberflächenbereich der Stirnfläche des Targets gerichtet ist;
- - directing a particle beam onto a first surface region of the front face of the target;
- - changing a relative orientation of the target and the particle beam such that the particle beam is directed onto a second surface area of the end face of the target;
Die unterschiedlich dicken Bereiche können im Falle lediglich eines Targetelements (was von den Ansprüchen nicht erfasst ist) durch eine trapezförmige Form einer freigelegten Seitenfläche des Targetelements definiert sein. Im Falle mehrerer Targetelemente, wie erfindungsgemäß vorgesehen, können diese jeweils voneinander unterschiedliche Dicken aufweisen und somit jeweils für sich genommen einen der unterschiedlich dicken Bereiche innerhalb der Stirnfläche des Targets definieren. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass das Target mehrere drahtförmige Targetelemente mit voneinander verschiedenen Durchmessern umfasst.In the case of only one target element (which is not covered by the claims), the regions of different thickness can be defined by a trapezoidal shape of an exposed side surface of the target element. In the case of several target elements, as provided according to the invention, these can each have different thicknesses and thus each individually define one of the differently thick areas within the end face of the target. This can be achieved, for example, by the target comprising several wire-shaped target elements with different diameters from one another.
Die Verwendung kann allgemein jeglichen weiteren Schritt und jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der vorstehend und nachstehend diskutierten Betriebszustände, Effekte und/oder Wechselwirkungen bereitzustellen. Insbesondere kann das Verfahren einen Schritt des Kühlens der Substratanordnung oder eines etwaigen Wärmeableitelements oder einer Wärmeableitanordnung umfassen.The use may generally include any further step and feature to provide any of the operating states, effects and/or interactions discussed above and below. In particular, the method can include a step of cooling the substrate arrangement or any heat dissipation element or a heat dissipation arrangement.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Targets für eine Strahlungsquelle invasiver elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eines Targets in einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausgestaltungen. Gemäß dem Verfahren
- - wird wenigstens eine Mehrzahl von Targetelementen bereitgestellt, die dazu eingerichtet sind, bei einer Bestrahlung mit Teilchen eine invasive elektromagnetische Strahlung zu erzeugen,
- - weisen die Targetelemente jeweils eine Umfangsfläche auf, welche einen ersten Teil der Außenoberfläche des jeweiligen Targetelements bildet,
- - werden die Umfangsflächen mit einer Substratanordnung zur Ableitung von Wärme aus einem jeweiligen Targetelement in Kontakt gebracht,
- - wird die Außenoberfläche jedes Targetelements außerdem durch eine Seitenfläche jedes Targetelements gebildet, wobei eine Erstreckung der Seitenfläche eine Dicke jedes Targetelements definiert und wobei eine Umfangslinie der jeweiligen Seitenfläche eine Randlinie der jeweiligen Umfangsfläche bildet
- - wird die Seitenfläche jedes Targetelements zur Bestrahlung mit den Teilchen freiliegend angeordnet und bildet einen Teil der Stirnfläche des Targets,
- - at least one plurality of target elements is provided, which are set up to generate invasive electromagnetic radiation when irradiated with particles,
- - the target elements each have a peripheral surface which forms a first part of the outer surface of the respective target element,
- - the peripheral surfaces are brought into contact with a substrate arrangement for dissipating heat from a respective target element,
- - the outer surface of each target element is also formed by a side surface of each target element, an extent of the side surface defining a thickness of each target element and a perimeter of the respective side surface forming an edge line of the respective perimeter surface
- - the side surface of each target element is exposed for irradiation with the particles and forms part of the front surface of the target,
Merkmale von Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Targets.Features of configurations of the method result from the description of configurations of the target.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. In Ihrer Art und Funktion übereinstimmende Merkmale können dabei ausführungsformübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying schematic figures. Features that match in their type and function can be provided with the same reference symbols across embodiments.
Es stellen dar:
-
1 schematisch eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle, umfassend ein erfindungsgemäßes Target; -
2 eine perspektivische Einzeldarstellung eines Targets gemäß einer ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform insbesondere zur prinzipiellen, aber nicht erfindungsgemäßen Verwendung in derStrahlungsquelle aus 1 ; -
2a eine perspektivische schematische Darstellung eines Targetelements gemäß der in2 gezeigten Ausführungsform; -
3 eine Vorderansicht eines Targets gemäß einer zweiten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform insbesondere zur prinzipiellen, aber nicht erfindungsgemäßen Verwendung in derStrahlungsquelle aus 1 ; -
4a ,4b schematische Ansichten zum Erläutern einer Brennfleckbegrenzung bei einem Target gemäß Stand der Technik (4a) und bei einem nicht erfindungsgemäßen Target (4b) ; -
5 eine Vorderansicht eines Targets gemäß einer dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform zur prinzipiellen, aber nicht erfindungsgemäßen Verwendung in derStrahlungsquelle aus 1 ; und -
6 eine Vorderansicht eines Targets gemäß einer erfindungsgemäßen vierten Ausführungsform zur erfindungsgemäßen Verwendung in derStrahlungsquelle aus 1 .
-
1 schematically a plan view of a radiation source according to the invention, comprising a target according to the invention; -
2 a perspective individual representation of a target according to a first embodiment not according to the invention, in particular for use in principle but not according to the invention in theradiation source 1 ; -
2a a perspective schematic representation of a target element according to in2 embodiment shown; -
3 a front view of a target according to a second embodiment not according to the invention, in particular for the principle, but non-inventive use in theradiation source 1 ; -
4a ,4b schematic views to explain a focal spot limitation in a target according to the prior art (4a) and with a target not according to the invention (4b) ; -
5 a front view of a target according to a third embodiment not according to the invention for use in principle but not according to the invention in theradiation source 1 ; and -
6 a front view of a target according to a fourth embodiment according to the invention for use in the radiation source according to theinvention 1 .
In
Die Strahlungsquelle 1 umfasst eine schematisch angedeutete Elektronenstrahlquelle 12. Die Elektronenstrahlquelle 12 bildet eine Teilchenstrahlquelle zum Aussenden von Elektronen. Die Elektronenstrahlquelle 12 ist dazu eingerichtet, Teilchen in Form von Elektronen entlang einer Teilchenstrahlachse A zu emittieren und auf das Target 10 zu richten. Entlang der Teilchenstrahlachse A sind verschiedene Spulen zum Ausrichten und Fokussieren des Elektronenstrahls positioniert. Genauer gesagt sind ausgehend von der Elektronenstrahlquelle 12 und in Richtung des Targets 10 betrachtet zunächst eine erste und zweite Strahlablenkeinheit 14, 16 vorgesehen, mit denen die Ausrichtung der Strahlachse A an sich variierbar ist. Ferner ist eine Fokusspule 18 vorgesehen, die eine Apertur 20 umfasst und mit der eine Fokusebene des Elektronenstrahls einstellbar ist. In bekannter Weise kann diese Fokusebene im Bereich des Targets 10 oder geringfügig davor oder dahinter positioniert sein. Nicht dargestellt ist ferner, dass zumindest im Bereich der Strahlablenkeinheiten 14, 16 und der Fokusspule 18 ein Kupferrohr vorgesehen sein kann, welches die Strahlachse A umgibt.The
Das Target 10 ist in
Das Target 10 weist eine dem Elektronenstrahl zugewandte und leicht konvex gewölbte Stirnfläche 22 auf. Wie nachstehend erläutert, ist diese Stirnfläche 22 auch gegenüber dem Elektronenstrahl sowie relativ zur Blattebene geneigt. Trifft der Elektronenstrahl auf die Stirnfläche 22 und dringt in das Material des Targets 10 ein und wird abgebremst, woraufhin Röntgenstrahlung emittiert wird. Ein Röntgennutzstrahlkegel, tritt entlang einer Achse SA durch eine Blende 24 in die Umgebung aus und fällt nach Durchstrahlen eines Objekts auf eine nicht dargestellte Detektoreinrichtung, um ein Durchstrahlungsbild des Objekts zu erzeugen.The
Das Target 10 ist ferner mit einer Positioniereinrichtung 26 (oder auch Verstellmimik) gekoppelt. Die Positioniereinrichtung 26 ermöglicht ein Verdrehen des Targets 10 um eine senkrecht auf der Blattebene stehende Achse V. Folglich kann auch die Stirnfläche 22 des Targets 10 relativ zu dem Elektronenstrahl verdreht werden. Wie aus der Ansicht von
Wie aus der Darstellung von
In
Das Targetelement 20 ist in einer Substratanordnung 28 aufgenommen, die aus z.B. mittels eines CVD (Chemical Vapour Deposition)-Verfahrens hergestelltem Diamant besteht. Die Substratanordnung 28 umfasst ein erstes Substratelement 30 und ein zweites Substratelement 32. Die in der Darstellung der
Die Substratanordnung 28 selbst ist in einer wiederum zweigeteilt ausgebildeten Wärmeableitanordnung 34, z.B. aus Kupfer, aufgenommen. Genauer gesagt umschließt die Wärmeableitanordnung 34 die Substratanordnung 28 und liegt großflächig an den größten Außenoberflächen der Substratanordnung 28 an dieser an. In der Wärmeableitanordnung 34 ist ferner zumindest ein Kühlkanal 36 vorgesehen, durch den ein Kühlmittel zum Abtransport von Wärme fließt. Der Kühlkanal 36 ist mit einer nicht dargestellten Kühlvorrichtung der Strahlungsquelle 1 verbunden.The
In
Im Folgenden wird der vorstehend erläuterte Grundaufbau des Targets 10 näher erläutert. Zunächst erkennt man in
Das Targetelement 20 ist schichtartig ausgebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei die Schichtdicke D konstant. Weiterhin ist die Schichtdicke D vergleichsweise dünn gewählt und beträgt z.B. mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 20 µm und/oder z.B. höchstens 200 µm, vorzugsweise höchstens 100 µm. Man erkennt, dass eine jeweilige Dicke C der Substratelemente 30, 32 die Schichtdicke D des Targetelements 20 um ein Vielfaches, z. B. mindestens um ein Fünffaches und vorzugsweise mindestens um ein Zehnfaches überschreitet. Sämtliche der vorstehend erläuterten Dickenmaße C, D verlaufen dabei senkrecht zu der Tiefenrichtung, in der sich das Targetelement mit einer Tiefe T erstreckt. Falls das Target 10 in einer Anordnung wie in
Weiterhin ist in
Die Breite B beträgt bevorzugt mindestens 1 mm oder mindestens 2 mm, besonders bevorzugt mindestens 4 mm und kann in der Praxis z.B. 5 mm betragen. Die Breite B kann daher insbesondere mindestens um einen Faktor 20, 50 oder 100 größer sein als die Schichtdicke D. Somit lässt sich die Größe eines Brennflecks in Richtung der Schichtdicke D begrenzen, während in Richtung der Breite B ein großer Bereich für den Brennfleck, d. h. zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, zur Verfügung steht. Die Größe des Brennflecks kann in Richtung der Breite B zu jedem Zeitpunkt deutlich kleiner sein als die Breite B. Zum Beispiel kann die Größe des Brennflecks in Richtung der Breite B größer sein als 10 µm oder 20 µm und/oder kleiner sein als 200 µm oder 100 µm und z. B. 60 µm betragen. Die Breite B kann z.B. mindestens um einen Faktor 5, 10 oder 50 größer sein als die Größe des Brennflecks in Richtung der Breite B.The width B is preferably at least 1 mm or at least 2 mm, more preferably at least 4 mm and in practice can be 5 mm, for example. The width B can therefore be greater than the layer thickness D by at least a factor of 20, 50 or 100. The size of a focal spot can thus be limited in the direction of the layer thickness D, while in the direction of the width B a large area for the focal spot, i . H. for generating X-rays. The size of the focal spot in the width B direction can be significantly smaller than the width B at any time. For example, the size of the focal spot in the width B direction can be larger than 10 μm or 20 μm and/or smaller than 200 μm or 100 µm and e.g. B. be 60 microns. The width B can, for example, be at least a factor of 5, 10 or 50 larger than the size of the focal spot in the direction of the width B.
Das Targetelement 20 ist folglich entlang seiner gesamten Länge L in der Substratanordnung 28 aufgenommen, wobei die Substratanordnung 28 ebenfalls entlang ihrer gesamten Länge in der Wärmeableitanordnung 34 aufgenommen ist. „Aufgenommen“ bedeutet insbesondere, dass die Oberflächen der aneinander angrenzenden Schichten des Targetelements und der Substratanordnung vollflächig miteinander in Kontakt sind. Die resultierenden großflächigen Anlagebereiche ermöglichen einen umfassenden Wärmeaustausch zwischen diesen Elementen und insbesondere eine Wärmeableitung aus dem Targetelement 20 in die Substratanordnung 28 und von dieser in die Wärmeableitanordnung 34.The
Das Targetelement 20 weist in dem Ausführungsbeispiel ferner einen im Wesentlichen rechteckigen Grundriss oder, anders ausgedrückt, eine im Wesentlichen rechteckige Grundfläche auf. Diese umfasst zwei kürzere Seiten 2 und zwei längere Seiten 3, die jeweils parallel verlaufen, wie die vergrößerte Darstellung lediglich des Targetelements 20 in
Aufgrund der schichtartigen Gestaltung des Targetelements 20 kann letzteres quaderförmig (wie in
Dies hat zur Folge, dass ein vergleichsweise geringer Materialanteil des Targetelements 20 zur Bestrahlung mit den Elektronen freigelegt ist und dass hingegen ein entsprechend großer Materialanteil an dem Substratmaterial der Substratanordnung 28 angrenzt und verbleibt, um Wärme direkt in die Substratanordnung 28 abzuleiten und einen etwaigen Abbrand des Targetelements 20 auszugleichen.The consequence of this is that a comparatively small proportion of the material of the
Dieser Zusammenhang verdeutlicht sich ferner aus einer näheren Betrachtung der Substratanordnung 28. Wie erwähnt, sind die Substratelemente 30, 32 der Substratanordnung 28 im Wesentlichen blockförmig ausgebildet und mit einer im Vergleich zum Targetelement 20 größeren Dicke C ausgebildet. Man erkennt, dass ein in
Zur Kopplung der Substratanordnung 28 und des Targetelements 20 kann das Targetelement 20 an eines der Substratelemente 30, 32 gelötet werden, insbesondere unter Verwendung eines bereits bekannten Lotmaterials, das zum Beispiel Kupfer, Silber, Gold oder Zinn und Nickel aufweist. Das verbleibende Substratelement 30, 32 kann dann auf die jeweils verbleibende Ober- oder Unterseite des Targetelements 20 gepresst werden. Eine entsprechende Anpresskraft kann über nicht dargestellte mechanische Befestigungs- oder Klemmmittel erfolgen. Diese können auch dazu vorgesehen sein, die zwei Teile der zweigeteilten Wärmeableitanordnung 34 aneinander festzuklemmen, wobei eine entsprechende Anpresskraft von der Wärmeableitanordnung 34 auch auf die Substratelemente 30, 32 übertragbar ist.In order to couple the
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass in der Stirnfläche 22 die freigelegten (oder optional beschichteten) Flächen der Substratelemente 30, 32 der Wärmeableitanordnung 34 und auch die freigelegte Seitenfläche 38 des Targetelements 20 miteinander fluchten können, dies aber nicht zwingend erforderlich ist. Die Stirnfläche 22 des Targets 10 kann somit eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweisen, wobei auch eine in
Wie erläutert, ist das Targetelement 20 mit einer konstanten Dicke D ausgebildet, welche in der Darstellung der
Im Unterschied zur vorigen Ausführungsform ist jedoch eine Schichtdicke D des Targetelements 20 entlang der Breite B des Targetelements 20 nicht konstant. Stattdessen variiert diese, sodass eine Querschnittsform des Targetelements 20 und somit eine Form der freigelegten Seitenfläche 38, wie in
Anhand der
Zunächst Bezug nehmend auf
Bei dieser Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik ist die Stirnfläche 22 vollflächig durch ein Anodenmaterial (d.h. zur Erzeugung invasiver Strahlung geeignetes Targetmaterial) gebildet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein entsprechendes Targetelement 20 als Schicht ausgebildet ist, diese Schicht jedoch eine darunter liegende Substrat-Stirnfläche des Targets 10 vollständig abdeckt und auf diese flächig aufgetragen ist.In this embodiment according to the prior art, the
Der Elektronenstrahl E trifft in einem elliptischen Auftreff- bzw. Wechselwirkungsbereich auf die geneigte Stirnfläche 22 auf, sodass der rechts in
Die Darstellung in
Zusammenfassend verdeutlicht sich aus
In
Die Targetelemente 20 sind drahtförmig und mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet und erstrecken sich analog zur schichtartigen Gestaltung gemäß der in
In der Variante von
Eine Brennfleckgröße wird bei einem Auftreffen eines Elektronenstrahls auf die freigelegte Seitenfläche 38 somit maßgeblich über die Dicke D des drahtförmigen Targetelements 20 bestimmt. Die Dicke D kann wiederum derart gewählt sein, dass geringe Spotgrößen bzw. Querschnittsflächen der emittierten Röntgenstrahlung S2 erzielbar sind. Weist beispielsweise der auftreffende Elektronenstrahl E einen Durchmesser auf, der die Dicke D überschreitet, begrenzt die Dicke (bzw. der Durchmesser des drahtförmigen Targetelements 20) den resultierenden Brennfleck 40 entsprechend, wodurch auch die Spotgröße der emittierten Röntgenstrahlung S2 begrenzt wird (vgl.
Obwohl in
In
Da in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Brennfleckgröße maßgeblich durch die Dicke des Targetelements 20 bestimmt wird, können auch die Anforderungen an eine Fokussierung des Elektronenstrahls reduziert werden. Z.B. wirkt sich eine gegebenenfalls nicht hochgenaue Fokussierung des Elektronenstrahls eher auf eine Effizienz der Strahlungsquelle 1 im Sinne eines Verhältnisses aus Leistung der Elektronenstrahlquelle 12 zur erzielten Röntgenstrahlung aus. Die Brennfleckgröße bleibt hingegen auch bei einer unpräzisen Fokussierung vergleichsweise stabil, sodass eine im Wesentlichen konstante Auflösung erzielbar ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein aufgrund einer unpräzisen Fokussierung gegebenenfalls zu großer oder zu kleiner Auftreffbereich des Elektronenstrahls E auf dem Targetelement 20 ohne Auswirkungen bleibt, da der resultierende Brennfleck 40 ohnehin durch die Dicke D des Targetelements 20 vorgegeben und beschränkt wird.Since the focal spot size is decisively determined by the thickness of the
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