DE10320858A1

DE10320858A1 - Dünne drehende Targetplatte für eine Röntgenstrahlröhre

Info

Publication number: DE10320858A1
Application number: DE10320858A
Authority: DE
Inventors: John Scott Price; Michael D Drory
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2003-11-20
Also published as: JP4320415B2; JP2004006348A; US6560315B1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren und Gerät für eine drehbare Anode einer Röntgenstrahlröhre (102). Die Anode weist eine Rotationsachse (136) auf und umfasst: eine dünne Festkörpertargetplatte (122), die aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt ist. Die Targetplatte (122) beinhaltet eine im Wesentlichen ebene Basisoberfläche (132), die sich von der Rotationsachse (136) zu einer die Basisoberfläche (132) umreißenden Peripherie erstreckt, wobei die Targetplatte (122) ein Targetmaterial (128) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen (152) beinhaltet. Die Targetplatte (122) weist eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger auf. Das Verfahren beinhaltet das Herstellen der dünnen Targetplatte (122) unter Verwendung einer Siliziumwaferverarbeitungstechnologie mit geeigneten Materialien für eine derartige Technologie bei der Ausbildung der Targetplatte (122), die aus der Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Gerät für eine drehbare Anode einer Röntgenstrahlröhre. Dabei umfasst die Anode eine Drehachse und eine dünne Festkörpertagetplatte, die aus einer Gruppe von Materialen mit hohen Z-Werten ausgewählt wird.
Bei der medizinisch diagnostischen Bildgebung, der medizinischen Therapie und bei verschiedenen medizinischen Untersuchungen sowie Materialanalyseindustriezweigen wurde die Röntgenstrahlröhre essentiell. Typische Röntgenstrahlröhren werden mit einer rotierenden Anodenstruktur, die durch einen Induktionsmotor mit einem zylindrischen Rotor gedreht wird, der in einer das scheibenförmige Anodentarget stützenden frei tragenden Welle eingebaut wird, sowie mit einer Eisenstatorstruktur mit Kupferwindungen aufgebaut, die den verlängerten Stutzen der den Rotor enthaltenden Röntgenstrahlröhre umgeben. Der Rotor der drehenden Anodenbaugruppe, der durch den Stator angesteuert wird, welcher den Rotor der Anodenbaugruppe umgibt, liegt auf anodischem Potential, während der Stator elektrisch auf Masse bezogen ist. Die Röntgenstrahlröhrenkathode stellt einen fokussierten Elektronenstrahl bereit, welcher über die Anode-zur-Kathode-Vakuumlücke beschleunigt wird, und der beim Auftreffen auf das Anodentarget Röntgenstrahlen erzeugt. Das Target umfasst typischer Weise eine Scheibe aus einem feuerfesten Metall wie etwa Wolfram, Molybdän oder Legierungen daraus und die Röntgenstrahlen werden erzeugt, indem die Elektronenstrahlen mit diesem Target kollidieren, während das Target bei hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Mit hoher Geschwindigkeit drehende Anoden können 9000 bis 11 000 Umdrehungen pro Minute erreichen.
Lediglich ein kleiner Oberflächenbereich des Target wird mit Elektronen bombardiert. Dieser kleine Oberflächenbereich wird als Brennfleck bezeichnet, und bildet die Quelle für Röntgenstrahlen aus. Bei einer erfolgreichen Targetanode ist das thermische Management kritisch, da über 99% der an die Targetanode gelieferten Energie als Wärme verschwendet wird, während bedeutend weniger als 1% der gelieferten Energie in Röntgenstrahlen umgewandelt wird. In Anbetracht der relativ großen Energiemengen, die typischer Weise in die Targetanode geleitet werden, ist es verständlich, dass die Targetanode effizient Wärme abführen können muss. Das hohe Niveau an unmittelbar dem Target zugeführter Energie in Kombination mit der geringen Größe des Brennflecks führte die Designer von Röntgenstrahlröhren dazu, die Targetanoden drehen zu lassen, wodurch der Wärmefluss durch einen größeren Bereich der Targetanode verteilt wird. Es gibt verschiedene Techniken zur Verteilung des Wärmeflusses, beispielsweise schnellere Drehgeschwindigkeiten oder größere Targetanodendurchmesser, die eine Verringerung der Wärmeenergie bei einem beliebigen gegebenen Ort entlang der Brennspur erlauben.
Es gibt jedoch eine praktische Begrenzung bezüglich der maximalen Geschwindigkeit, bei der die Targetanode gedreht werden kann, sowie bei der Größe von praktischen Targetanodendurchmessern. Die Materialien der Targetanode werden letzten Endes bei bestimmten Geschwindigkeiten und größeren Durchmessern zerschellen.

In den letzten zwei Dekaden veränderten sich die Betriebsbedingungen für Röntgenstrahlröhren beträchtlich. Das am 10. Oktober 1978 erteilte US-Patent 4 119 261 sowie das am 12. Dezember 1978 erteilte US-Patent 4 129 241 widmeten sich beide der Verbindung von rotierenden Anoden aus Molybdän und Molybdänwolframlegierungen mit Schäften aus Niob und seinen Legierungen. Fortwährende Anstiege bei der zugeführten Energie während des Röhrenbetriebs führten zu einer Veränderung bei der Targetzusammensetzung zu Titanzirkoniummolybdän (TZM, wobei TZM eine Marke von Metallwork Plansee ist) oder anderen Molybdänlegierungen, zu einem erhöhten Targetdurchmesser und -Gewicht sowie zu der Verwendung von Grafit als Wärmesenke auf der Targethinterseite. Zukünftige Computertomografieabtastvorrichtungen (CT) werden in der Lage sein, die Abtastzeit von einer Umdrehung pro Sekunde auf eine Umdrehung pro halbe Sekunde oder weniger zu verringern. Eine derartige Verringerung bei der Abtastzeit wird jedoch sehr wahrscheinlich eine Modifikation des derzeitigen Computertomografieanodenentwurfs erfordern. Der derzeitige Computertomografieanodenentwurf umfasst zwei Scheiben, eine aus einem Material mit großem Wärmespeicher wie etwa Grafit, und die zweite aus einer Molybdänlegierung wie etwa TZM. Diese beiden konzentrischen Scheiben werden mittels eines Hartlötvorgangs miteinander verbunden. Eine dünne Schicht aus einem feuerfesten Metall wie etwa Wolfram oder einer Wolframlegierung wird zur Ausbildung einer Bremsspur abgeschieden. Eine derartige Kompositsubstratstruktur kann mehr als 4 kg wiegen. Bei schnelleren Abtastdrehraten erhöhen schwere Targets nicht nur die mechanische Spannung auf die Trägermaterialien sondern auch eine Brennpunktdurchbiegungsbewegung, was Bildartefakte verursacht.

Außerdem gibt es einen nachweislichen Bedarf an Multienergie- oder Mehrfachtargetmaterialquellen für Röntgenstrahlung. Beispielsweise bei der Mammografie wird der Bildkontrast unter Verwendung von Molybdän- und Rhodiumtargetspuren mit zwei getrennten Elektronenstrahlquellen angereichert. Die Verwendung von zwei Spuren mit zwei Elektronenstrahlquellen erhöht jedoch die mechanische Komplexität von Röntgenstrahlröhren mit hoher Spannung und hoher Leistung aufgrund der Größe des resultierenden Targets und den Entwurfsentscheidungen, die konsequenter Weise getroffen werden müssen: die Größe und Masse des Rotors, Stators, und bestimmte Merkmale des Vakuumgehäuses, das als Stützrahmen agiert. Zusätzlich gibt es bestimmt Beschränkungen bei diesem Entwurf, es können beispielsweise nur zwei Materialien verwendet werden, und zwei Elektronenstrahlquellen können erforderlich sein, wie bei der Mammografie. Die Anodenbaugruppe mit großer Masse macht eine Veränderung der Targetmaterialien undurchführbar oder inkonsistent mit den derzeitigen Entwurfszielen.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Targetanodenstruktur und ein Material bereitzustellen, die zu einer Hochgeschwindigkeitsrotation befähigt sind, und welche weniger empfindlich gegenüber thermischen Verspannungen sind. Ferner wird ein neues Verfahren zur Erzeugung einer Schicht aus einem Röntgenstrahlemissionsmaterial auf einem Targetanodensubstrat bereitgestellt, das sich nicht ablöst. Dabei wird vorzugsweise der derzeitige Computertomographietargetentwurf mit einem leichtgewichtigen Entwurf ersetzt, der bei der thermischen Leistungsfähigkeit vergleichbar ist, und zur Verwendung bei Röntgenstrahlrotationsanodenbaugruppen besonders geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre gelöst, mit: einer dünnen Festkörpertargetplatte, die aus einer Gruppe von Materialien mit hohem Z-Wert ausgewählt wird, die auf ein Substratmaterial aus Silizium, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid, Galliumarsenid, Glas oder anderen kommerziell erhältlichen dünnen Scheibensubstratmaterialien selektiv abgeschieden werden. Das Substratmaterial beinhaltet einkristalline, polykristalline und amorphe Formen. Die Targetplatte beinhaltet eine im wesentlichen ebene Basisoberfläche, die sich von der Drehachse zur die Basisoberfläche umreißenden Peripherie erstreckt, wobei die Targetplatte ein Material zur Erzeugung von Röntgenstrahlen beinhaltet. Die Targetplatte weist eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger auf.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Herstellung einer drehbaren Anode für eine Röntgenstrahlröhre offenbart. Das Verfahren umfasst die Herstellung einer dünnen Targetplatte mit einem Siliziumwaferverarbeitungsvorgang unter Verwendung von geeigneten Materialien für eine derartige Technologie bei der Ausbildung der Targetplatte, die aus einer Gruppe von Materialien mit hohem Z-Wert ausgewählt werden. Die Targetplatte beinhaltet eine Drehachse und eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger.

Die vorstehenden und anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung näher ersichtlich. In den beispielhaften Zeichnungen sind gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren gleich bezeichnet. Es zeigen:
Fig. 1 ein Röntgenstrahlbildgebungssystem auf höchster Ebene;
Fig. 2 eine Profilschnittansicht einer bekannten Targetanode, die ein Substrat beinhaltet, wobei das Substrat typischer Weise aus einem Kohlenstoffmaterial (beispielsweise Grafit) zusammengesetzt ist;
Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels einer Targetanode mit zwei darin verschachtelten verschiedenen Targetmaterialien in einem ABABAB-Muster;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Röntgenstrahlröhre zur Darstellung einer Teilansicht der Targetanode gemäß Fig. 3; und
Fig. 5 eine Ansicht der Targetanode gemäß Fig. 3 zur Darstellung von zwei Einfallwinkeln von elektromagnetischer Strahlung und einer Achse bezüglich der Rotation und Translation der Targetanode.
Bezüglich der Fig. 1 zeigt die Figur ein Röntgenstrahlbildgebungssystem 100. Das Bildgebungssystem 100 beinhaltet eine Röntgenstrahlquelle 102 und einen Kollimator 104, der eine untersuchte Struktur 106 Röntgenstrahlphotonen aussetzt. Die Röntgenstrahlquelle 102 kann beispielsweise eine Röntgenstrahlröhre sein, und die untersuchte Struktur 106 kann ein menschlicher Patient, ein Testphantom oder ein anderes unbelebtes Testobjekt sein.
Das Röntgenstrahlbildgebungssystem 100 beinhaltet außerdem einen mit einer Verarbeitungsschaltung 110 gekoppelten Bildsensor 108. Die Verarbeitungsschaltung 110 (beispielsweise ein Mikrocontroller, ein Mikroprozessor, ein gewöhnlicher ASIC oder dergleichen) ist mit einem Speicher 112 und einer Anzeige 114 gekoppelt. Der Speicher 112 (beispielsweise mit einer oder mehr Einrichtungen wie etwa einer Festplatte, einem Wechsellaufwerk, einem CDROM, einem EPROM und dergleichen) speichert ein Hochenergieniveaubild 116 (beispielsweise ein von dem Bildsensor 108 nach einer Belichtung mit 110-140 kVp und 5 mAs ausgelesenes Bild) und ein Niederenergiebild 118 (beispielsweise ein nach einer Belichtung mit 70 kVp und 25 mAs ausgelesenes Bild). Der Speicher 112 speichert außerdem Anweisungen zur Ausführung durch die Verarbeitungsschaltung 110, um bestimmte Arten von Strukturen in den Bildern 116 bis 118 zu entfernen (beispielsweise Knochen- oder Gewebestrukturen). Ein strukturbereinigtes Bild 112 wird dadurch zur Anzeige erzeugt.
In Fig. 2 ist ein typisches bekanntes Computertomografieanodentarget 122 gezeigt, das zur Verwendung bei einer Röntgenstrahlröhre 102 geeignet ist. Der derzeitige Computertomografieanodenentwurf 122 umfasst zwei Scheiben 124 und 126. Eine Scheibe 126 ist aus einem Material mit hohem Wärmespeicher wie etwa Grafit und die zweite Scheibe 124 ist aus einer Molybdänlegierung wie etwa Titanzirkoniummolybdän (TZM - eine Marke von Metallwork Plansee). Diese beiden konzentrischen Scheiben werden mit Hilfe eines Hartlötvorgangs miteinander verbunden. Eine dünne Schicht aus einem feuerfesten Metall wie etwa Wolfram oder einer Wolframlegierung wird zur Ausbildung einer Brennspur 127 abgeschieden. Eine derartige Kompositsubstratstruktur kann mehr als 4 kg wiegen. Mit schnelleren Abtastdrehraten erhöhen schwere Targets nicht nur die mechanische Verspannung auf die Trägermaterialien sondern auch die Brennfleckdurchbiegebewegung, was Bildartefakte verursacht.
Erfindungsgemäß werden zugeschnittene Siliziumwaferverarbeitungsmaterialstrukturen zum Ersetzen des Grafitmaterials bei bestehenden Computertomographieabtastsystemen vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird die Verwendung von bestehenden Siliziumwaferverarbeitungsvorgängen und Technologien und deren Anwendungen auf ein drehbares Target vorgeschlagen, um dünne leichtgewichtige Anodenstrukturen zu erzielen.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer dünnen Targetanodenplatte 122 in einer Perspektivansicht. Die Targetanode 122 umfasst ein Substrat 130. Ein Röntgenstrahlemissionstargetmaterial 128 wird auf einer im Wesentlichen ebenen Basisoberfläche 132 des Substrats 130 abgeschieden. Die Basisoberfläche 132 ist vorzugsweise mit Mikrokanälen 134 konfiguriert, um eine Abkühlung bereitzustellen, wenn die Targetplatte 122 rotiert. Die kühlenden Mikrokanäle 134 sind in der Lage, etwa 10-100 kW zu handhaben, und können in die Substratstrukturen durch beispielsweise einen Ätzvorgang oder einen Fotoresistvorgang bei einem Siliziumsubstrat 130 eingearbeitet werden, das als Targetmaterialstützelement dient. Diese Kühlungstechnik ermöglicht ein Ableiten von großen thermischen Flüssen von der Targetanode 122 weg. Das Röntgenstrahlemissionstargetmaterial 128 bei dieser Art von Targetanode wird unter Verwendung eines Vorgangs wie etwa einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) oder einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden; beide sind aus der Siliziumwaferverarbeitung gut bekannt. Zwei verschiedene Röntgenstrahlemissionsmaterialien A und B werden vorzugsweise zueinander alternierend abgeschieden, wobei alternierende Materialien bei einer Brennspur ausgebildet werden. Wenn auf diese Weise die Anode 122 sich um eine Rotationsachse 136 dreht, trifft ein auf die Basisoberfläche 132 fokussierter (nicht gezeigter) Elektronenstrahl eines der Emissionsmaterialien A oder B, wobei verschiedene spektrale Inhalte der Röntgenstrahlerzeugung von einer jeweiligen Brennspur bereitgestellt werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Emissionsmaterialien A und B konzentrisch zueinander angeordnet sein und es kann mehr als ein Elektronenstrahl verwendet werden, wobei jeder Elektronenstrahl fokussiert ist, um eine der beiden Emissionsmaterialien A oder B zu treffen. Vorzugsweise wird jedoch ein Elektronenstrahl verwendet und die Targetanode 122 ist in einer zu der Achse 136 senkrechten Richtung 138 versetzbar, um einen Strahl auf eine Anzahl verschiedener Brennspuren zu fokussieren, die auf der Basisoberfläche 132 konzentrisch angeordnet sind, wenn die Anode 122 in Richtung 138 versetzt wird. Wenn zusätzlich die Emissionsmaterialien A und B gemäß Fig. 3 verschachtelt werden, und die drehbare Targetanode 122 in Richtung 138 versetzbar ist, kann ein fokussierter Elektronenstrahl auf im Wesentlichen alle auf der Basisoberfläche 132 angeordneten Targetmaterialien 128 gerichtet werden. Es ist ersichtlich, dass mehr als zwei Emissionsmaterialien als Targetmaterial 128 genauso gut verwendet werden können. Ebenso ist es ersichtlich, dass das Substrat 130 und das Emissionstargetmaterial 128 ein- und dasselbe sein können, wobei eine einheitliche dünne Targetanodensubstratplatte 122 aus einem Material mit hohem Z-Wert bereitgestellt wird. Das Substrat 130 kann aus den nachstehenden Materialien inklusive Kombinationen aus zumindest einem von diesen zusammengesetzt sein: Silizium, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid, Kohlenstoff und Galliumarsenid.
Gemäß Fig. 4 ist die Targetplatte 122 mit auf der Oberfläche 132 gemäß Fig. 3 abgeschiedenen mehreren Materialien A und B in Kooperation mit einer generischen Anordnung einer Kathode 140 und einer Umgebungsrahmenoberfläche 142 eines Röntgenstrahlröhreneinsatzes 146 als Röntgenstrahlröhre 102 gezeigt. Die Kathode 140 erzeugt einen Elektronenstrahl 148, der auf die Basisoberfläche 132 der dünnen rotierenden Targetplatte 122 auftrifft. Gemäß Fig. 3 umfasst das Target zwei Brennspuren (das heißt A und B), die von der Targetoberfläche 132 bezüglich des Radius vom Rotationsmittelpunkt 136 separiert sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen Targetmaterialien A und B verschachtelt, gemäß Fig. 3 A, B, A, B. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Elektronenstrahl 148 mittels Rastern oder Pulsieren der Hochspannung gesperrt, wie es bei den derzeitigen Röntgenstrahlröhrenentwürfen der Fall ist, um mit der Ankunft der Spurabschnitte übereinzustimmen, die dem Brennfleck des Elektronenstrahls 148 ausgesetzt sind. Diese Anordnung der beiden Materialien A und B erlaubt einen Fortschritt bei der Targetrotationsachse, um die Verwendung der gesamten dünnen Targetscheibe durch eine Einrichtung zur Versetzung der Scheibe 122 in einer zu der Rotationsachse 136 im Wesentlichen senkrechten Richtung zuzulassen.
Fig. 4 zeigt eine Rückstreuröntgenstrahlerzeugung, dabei treffen Elektronen auf das Targetmaterial (das heißt A und B) und die Röntgenstrahlen 152 treten aus der Basisoberfläche 132 der Oberschicht des Materials aus, um den Einsatz 146 mittels eines im Rahmen 142 angeordneten Berylliumfensters 154 zu verlassen. Das dünne Rotationstarget 122 kann zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auch im Transmissionsmodus verwendet werden. Anstelle von massiven Schichten aus Targetmaterial 128 ist es auch möglich, dünne Schichten aus einem Material mit hohem Z-Wert abzuscheiden. Die einfallenden Elektronen treffen auf das Material 128 auf, erzeugen die Röntgenstrahlen 152 durch einen Bremsstrahlungsvorgang, und die Röntgenstrahlen 152 treten aus der Rückseite der dünnen Schicht des Materials 128 aus. Es ist ersichtlich, dass eine zugehörige Filtrierung aufgrund der Dicke des Substrats 130 der Dichte, der Atomzahl und der Energie vorliegt. Dünne Schichten aus dem Targetmaterial 128 können beispielsweise unmittelbar auf ein Substrat 130 wie Silizium abgeschieden werden. Silizium weist ein Z = 14 auf und ermöglicht als solches eine sehr viel geringere Filtrierung der Röntgenstrahlen 152 als eine typischer Weise tolerierte Gesamtfiltrierung für einen Röntgenstrahleinsatz in der Größenordnung von 0,15 mm Kupfer (für CT-Röhren). Silizium wird als Halbleitersubstratmaterial allgemein verwendet. Als solches werden die bekannten Abläufe Ätzen, Fotoresistaufbringung sowie die Architektur von mikroskopischen Strukturen mit Leichtigkeit auf die Abscheidung einer gewünschten Konfiguration von Targetzonen verwendet.
Mehr als zwei Materialien können für eine breitere Auswahl der Abläufe und Protokolle sowie der energieabhängige Digitalbildgebungssubtraktionsverfahren, wie sie derzeit in der Angiografie verwendet werden, abgeschieden werden. Viele verschiedene Materialien können auf die Oberfläche oder in Wannen oder für die Materialien und die besonderen Abscheidetechniken entworfene Mulden abgeschieden werden, wobei vorzugsweise aber nicht ausschließlich Wolfram, Molybdän, Rhodium, Uran und Blei verwendet werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Liste geeigneter Materialien Metalle wie etwa Tantal, Hafnium, Platin, Gold, Titan, Zirkonium, Niob, Silber, Vanadium, Kobalt, Kupfer in absteigender Reihenfolge der Atomzahl Z. Bei anderen Targettechnologieanwendungen werden hochleistungsfähige Keramiken optional verwendet. Ob ein, zwei oder mehr Materialien bei dem Target verwendet werden, die Elektronenstrahlspannung und -strom können für das optimale Kontrast-zu-Dosis-Verhältnis und in den optimalen Spektralinhalten in Abhängigkeit von der gewünschten Bildgebung, der Modalität, der Physiologie und der damit verbundenen Pathologie variiert werden.
Bei einem erneut auf Fig. 3 bezogenen Ausführungsbeispiel setzt sich die Targetanode aus 1 mm dickem Silizium 160 mit einem Durchmesser von etwa 300 mm zusammen, um die mechanische Stabilität zu erreichen, die dazu nötig ist, die Herstellung, Beladung sowie die mit der Beschleunigung/Abbremsung und den thermischen Belastungen verbundenen mechanischen Verspannungen zu überleben. Derzeitige automatisierte Halbleiterherstellungsvorgänge können zur Massenherstellung von derartigen Targets angewendet werden. Die Masse eines derartigen beispielhaften Siliziumtargets 122 liegt bei etwa 0,14 kg, was annähernd 40 Mal weniger als derzeit bekannte Hochleistungscomputertomografieröntgenstrahlröhrentargets ist. Das Gleichgewicht der Targetdisks 122 lässt die Verwendung einer Hochgeschwindigkeitsspindeltechnologie zu, die bei Rotationsmechanismen für die Halbleiterherstellung routinemäßig verwendet wird. Das Gleichgewicht der Targets lässt außerdem eine Wegwerf- oder Einmal- oder Protokollverwendung für ein Target zu. Es können beispielsweise mit mehreren Targets beladene Karusselle optional bei einem Röntgenstrahlröhreneinsatz 146 verwendet werden. Alternativ kann eine Beladungsschleusenanordnung verwendet werden, um Targets in die Röntgenstrahlröhre hinein und heraus zu pendeln.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 trifft ein Elektronenstrahl 148 auf das Targetmaterial 128 in einem zu der Basisoberfläche 132 relativen Winkel im Bereich von etwa 20° bis etwa 90° (d. h. normaler Einfall) ein. Durch Experimente wurde herausgefunden, dass eine Optimierung der Röntgenstrahlausgabe pro Einheit der in dem Target erzeugten Wärme bei etwa 20° auftritt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird eine Laserabtragungsplasmaröntgenstrahlerzeugung mit dem dünnen Rotationstarget 122 optional verwendet. Diese Verwendung der dünnen Rotationstargetscheibe 122 mit einem mechanischen Achsenbeförderungsmechanismus als Einrichtung zum Versetzen der Anode 122 in einer mit Pfeilen 166 angezeigten Richtung ist besonders gut für Abtragungstechniken der Röntgenstrahlerzeugung geeignet. Das Abtragungsverfahren ist destruktiv und die Organisation von Druckausfällen und der Targetauswürfe ist ein Problem. Ein ausreichender Pumpvorgang (ob durch aktive Einrichtungen oder mittels der Masse oder einer Oberflächenerlangungstechnologie) würden die Druckprobleme erleichtern. Typischerweise werden Blenden zur Begrenzung der geradlinigen Pfade verwendet, denen Targetmoleküle folgen, was zu einer Beschmutzung der Röntgenstrahltransparenzfenster 154 führen kann. Sobald das Target verwendet wurde, kann es entweder durch Beladungsschleusenverfahren oder durch Karussellförderverfahren ausgetauscht werden, wie es vorstehend beschrieben ist.
Während es ersichtlich ist, dass durch das Zielsystem für den Elektronenstrahl oder den Laserstrahl ein bestimmtes Ausmaß an mechanischer Steifigkeit erforderlich ist, bieten die leichgewichtige Anode und das leichgewichtige Target eine Anzahl signifikanter Vorteile. Targets mit geringer Masse implizieren Motorelemente mit geringerer Masse um die Targetdrehung anzusteuern. Somit müssen Rotor und Stator nicht so groß sein, wie bei traditionellen 4 bis 6 kg Targetbaugruppen. Dies verringert die Gesamtmaterialkosten sowie die mit der Herstellung und der Verarbeitung verbundenen Kosten. Die Halbleiterherstellungstechnologie kann zum Erreichen dieses besonderen technischen Ziels wirkungsvoll eingesetzt werden. Die Energiezufuhr, die zum Drehen des Targets erforderlich ist, ist geringer, und es ist weniger Energie bei einem Röntgenstrahlröhreneinsatz 146 erforderlich. Eine geringere Energiezufuhr kostet zunächst weniger, und nimmt weniger Raum bei Hochspannungserzeugungseinrichtungen in Anspruch. Ferner sind die Verdrahtungs-, Verbindungs- und Hardwarekosten geringer. Die Aufhängung wird ein geringeres Gewicht aufweisen, mit einer reduzierten Abnutzung versehen und sehr viel leiser sein. Kleinere Aufhängungen kosten weniger in der Herstellung bezüglich der Materialien, und sie kosten weniger in der Verarbeitung. Eine Hochgeschwindigkeitsrotation ist durch die Targetgewichtsreduktion impliziert. Dies bedeutet geringere Brennfleckspitzentemperaturen, wie sie durch bekannte Spurtemperaturkalkulationsalgorithmen analysiert werden. Während die Verteilung des Spur-/Targetmaterials im Vergleich zu einem bekannten dicken Target schwierig ist, ist eine bedeutende Reduktion bei der Temperatur unter Aufrechterhaltung der Röntgenstrahlausgabe ein wichtiger Erfolg. Die Aufhängung kann in der Bauart eines versiegelten Lagers sein. Da die Aufhängung selbst nicht der Kammer ausgesetzt ist, in der ein relativ geringer Druck nötig ist, kann eine Vielzahl von Schmierstoffen und Lärmbekämpfungsstrategien zur Optimierung der Aufhängungsleistungsfähigkeit verwendet werden.
Während die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass viele Veränderungen erfolgen können, und Äquivalente für deren Elemente ausgetauscht werden können, ohne von dem Erfindungsbereich abzuweichen. Zusätzlich können viele Abwandlungen ausgeführt werden, um eine besondere Situation oder Material an die Erfindungslehre anzupassen, ohne von deren Bereich abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf das als zur Ausführung der Erfindung gedachte besondere Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallende Ausführungsbeispiele beinhalten soll. Darüber hinaus bezeichnet die Verwendung der Ausdrücke erstes, zweites, usw. keine Reihenfolge der Wichtigkeit, sondern diese werden lediglich verwendet, um ein Element von dem anderen zu unterscheiden.
So ist gemäß vorstehender Beschreibung ein Verfahren und Gerät für eine drehbare Anode einer Röntgenstrahlröhre 102 beschrieben. Die Anode weist eine Drehachse 136 auf, und umfasst: eine dünne Festkörpertargetplatte 122, die aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt wird. Die Targetplatte 122 beinhaltet eine im Wesentlichen ebene Basisoberfläche 132, die sich von der Rotationsachse 136 zu einer die Basisoberfläche 132umreißenden Peripherie erstreckt, während die Targetplatte 122 ein Targetmaterial 128 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen 152 beinhaltet. Die Targetplatte 122 weist eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger auf. Das Verfahren beinhaltet die Herstellung der dünnen Targetplatte 122 unter Verwendung einer Siliziumwaferverarbeitungstechnologie mit geeigneten Materialien für eine derartige Technologie bei der Ausbildung der Targetplatte 122, welche aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgebildet werden.

Claims

1. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) mit einer Rotationsachse (136), mit:
einer dünnen Festkörpertargetplatte (122), die aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten (128) ausgewählt wird, wobei die Targetplatte (122) eine im Wesentlichen ebene Basisoberfläche (132) beinhaltet, dabei erstreckt sich die Basisoberfläche (132) von der Rotationsachse (136) zu einer die Basisoberfläche (132) umreißenden Peripherie, wobei die Targetplatte (122) ein Targetmaterial (128) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen (152) beinhaltet, dabei weist die Targetplatte (122) eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger auf.

2. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei die Basisoberfläche (132) der Targetplatte (122) das zumindest einen Abschnitt der Basisoberfläche (132) bedeckende Targetmaterial (128) beinhaltet, und wobei das Targetmaterial (128) auf der Basisoberfläche (132) abgeschieden ist.

3. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei das Targetmaterial (128) zwei verschiedene Targetmaterialien (128) beinhaltet, die relativ zueinander auf der Basisoberfläche (132) so verschachtelt sind, dass zumindest eines der zwei verschiedenen Targetmaterialien (128) einem Brennfleck eines darauf gerichteten Elektronenstrahls (148) ausgesetzt ist, wenn sich die Targetplatte (122) um die Rotationsachse (136) dreht.

4. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei das Targetmaterial (128) zumindest zwei verschiedene Targetmaterialien (128) relativ zueinander auf der Basisoberfläche (132) bei verschiedenen konzentrischen Radien beinhaltet, so dass zumindest eines der zwei verschiedenen Targetmaterialien (128) einem Brennfleck eines darauf gerichteten Elektronenstrahls (148) ausgesetzt ist, wenn sich die Targetplatte (122) um die Rotationsachse (136) dreht und in einer zu der Rotationsachse (136) senkrechten Richtung (138) versetzt wird.

5. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei das Targetmaterial (128) eine Vielzahl von verschiedenen Targetmaterialien (128) relativ zueinander auf der Basisoberfläche (132) beinhaltet, um wechselnde Spektralinhalte bereitzustellen, wenn ein Elektronenstrahl (148) auf das Targetmaterial (128) auftrifft.

6. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei die Basisoberfläche (132) als im Wesentlichen konzentrischer Kreis um die Drehachse (136) geformt ist, und sich von einem Proximalradius relativ zu der Rotationsachse (136) zu einem Distalradius relativ zu der Rotationsachse (136) erstreckt.

7. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei die Basisoberfläche (132) Mikrokanäle (134) beinhaltet, die darin konfiguriert sind, um eine Abkühlung der drehbaren Anode bereitzustellen.

8. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei das Targetmaterial (128) aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt wird.

9. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 8, wobei die Gruppe von Materialien mit hohen Z- Werten zumindest Wolfram, Molybdän, Rhodium, Uran, Blei, Tantal, Hafnium, Platin, Gold, Titan, Zirkonium, Niob, Silber, Valanium, Kobalt, Kupfer oder Hochleistungskeramiken inklusive Kombinationen mit zumindest einem davon beinhaltet.

10. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei das die Targetplatte (122) ausbildende Material aus der Gruppe Silizium, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid, Kohlenstoff und Galliumarsenid ausgewählt wird.

11. Drehbare Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 1, wobei die Masse der drehbaren Anode etwa 2 kg oder weniger beträgt.

12. Drehbare Anode für eine Anodenbaugruppe mit:
einer dünnen Festkörpertargetplatte (122), die aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt wird, wobei die Targetplatte (122) eine im Wesentlichen ebene Basisoberfläche (132) beinhaltet, dabei erstreckt sich die Basisoberfläche (132) von der Rotationsachse (136) zu einer die Basisoberfläche (132) umreißenden Peripherie, wobei die Targetplatte (122) zumindest ein Targetmaterial (128) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen (152) beinhaltet, die Targetplatte (122) eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger aufweist, und wobei die Targetplatte (122) zur Verwendung im Rückstreumodus und Transmissionsmodus der Erzeugung von Röntgenstrahlen (152) geeignet ist.

13. Drehbare Anode für eine Anodenbaugruppe nach Anspruch 12, wobei die Targetplatte (122) zum Ersatz nach einer beschränkten Verwendung angepasst ist.

14. Röntgenstrahlröhre (102) mit:
einer Kathode (140), die zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (148) von einer Hochspannungsquelle konfiguriert ist;
einer drehbaren Anode mit einem für den Empfang des Strahls (148) ausgerichteten Target;
einem Rahmen (142), der die Kathode (140) und die Anode umschließt, wobei der Rahmen (142) mit einem Fenster (154) versehen ist, das konfiguriert ist, um eine Emission von Röntgenstrahlen (152) zu erlauben, die von dem Target bei Einfallen des Strahls (148) emittiert werden,
wobei das Target der drehbaren Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) mit einer Rotationsachse (136) versehen ist und ferner umfasst:
eine dünne Festkörpertargetplatte (122), die aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt wird, wobei die Targetplatte (122) eine im Wesentlichen ebene Basisoberfläche (132) beinhaltet, die Basisoberfläche (132) sich von der Rotationsachse (136) zu einer die Basisoberfläche (132) umreißenden Peripherie erstreckt, und wobei die Targetplatte (122) zumindest ein Targetmaterial (128) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen (152) beinhaltet, dabei weist die Targetplatte (122) eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger auf.

15. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 14, wobei die Basisoberfläche (132) der Targetplatte (122) das zumindest einen Abschnitt der Basisoberfläche (132) bedeckende Targetmaterial (128) beinhaltet, wobei das Targetmaterial (128) auf der Basisoberfläche (132) abgeschieden ist.

16. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 14, wobei das Targetmaterialien (128) zwei verschiedene relativ zueinander auf der Basisoberfläche (132) verschachtelte Targetmaterial (128) beinhaltet, so dass zumindest eines der beiden verschiedenen Targetmaterialien (128) einem von einem darauf gerichteten Elektronenstrahl (148) ausgebildeten Brennfleck ausgesetzt ist, wenn sich die Basisoberfläche (132) um die Rotationsachse (136) dreht.

17. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 14, wobei das Targetmaterial (128) zumindest zwei verschiedene Targetmaterialien (128) relativ zueinander auf der Basisoberfläche (132) bei verschiedenen konzentrischen Radien beinhaltet, so dass zumindest eines der beiden verschiedenen Targetmaterialien (128) einem von einem darauf gerichteten Elektronenstrahl (148) ausgebildeten Brennfleck ausgesetzt ist, wenn sich die Targetplatte (122) um die Rotationsachse (136) dreht, und in einer zu der Rotationsachse (136) senkrechten Richtung (138) versetzt wird.

18. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 14, wobei das Targetmaterial (128) eine Vielzahl von verschiedenen Targetmaterialien (128) relativ zueinander auf der Basisoberfläche (132) beinhaltet, um einen wechselnden Spektralinhalt bereitzustellen, wenn ein Elektronenstrahl (148) auf das Targetmaterial (128) auftrifft.

19. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 14, wobei die Basisoberfläche (132) als im Wesentlichen konzentrischer Kreis um die Rotationsachse (136) geformt ist, und sich von einem Proximalradius relativ zu der Rotationsachse (136) zu einem Distalradius relativ zu der Rotationsachse (136) erstreckt.

20. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 14, wobei die Basisoberfläche (132) darin konfigurierte Mikrokanäle (134) zur Bereitstellung einer Abkühlung für die drehbare Anode beinhaltet.

21. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 14, wobei das die Targetplatte (122) ausbildende Material aus der Gruppe Silizium, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid, Kohlenstoff und Galliumarsenid ausgewählt wird.

22. Röntgenstrahlröhre (102), die zur Verwendung in einem Rückstreumodus und einem Transmissionsmodus der Erzeugung von Röntgenstrahlen (152) geeignet ist, mit:
einer Kathode (140), die zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (148) von einer Hochspannungsquelle konfiguriert ist;
einer drehbaren Anode mit einem für den Empfang des Strahls (148) ausgerichteten Target; und
einem Rahmen (142), der die Kathode (140) und die Anode umschließt, wobei der Rahmen ein Fenster (154) aufweist, das die Emission von Röntgenstrahlen (152) erlaubt, die von dem Target beim Auftreffen des Strahls (148) emittiert werden, wobei der Rahmen (142) eine Einrichtung für den Zugriff in ihn zum Ersetzen der Anode aufweist, wobei das Target der drehbaren Anode für die Röntgenstrahlröhre (102) eine Rotationsachse (136) aufweist, dabei beinhaltet das Target ferner
eine dünne Festkörpertargetplatte (122), die aus einer Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt wird, wobei die Targetplatte (122) eine im Wesentlichen ebene Basisoberfläche (132) beinhaltet, die Basisoberfläche (132) sich von der Rotationsachse (136) bis zu einer die Basisoberfläche (132) umreißenden Peripherie erstreckt, und wobei die Targetplatte (122) zumindest ein Targetmaterial (128) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen (152) beinhaltet, dabei weist die Targetplatte (122) eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger auf.

23. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 22, ferner mit einer Einrichtung zum Versetzen der drehbaren Anode in einer zu der Rotationsachse (136) im Wesentlichen senkrechten Richtung (138).

24. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 22, wobei der Elektronenstrahl (148) entweder ein Elektronenstrahl (148) oder ein Laserstrahl ist.

25. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 24, wobei der Elektronenstrahl (148) auf das Target bei einem Einfallwinkel zwischen etwa 90° bis etwa 20° relativ zu der Basisoberfläche (132) fokussiert ist.

26. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 22, wobei das Fenster (154) in dem Rahmen (142) der Röntgenstrahlröhre (102) aus Beryllium zusammengesetzt ist.

27. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 22, wobei die Einrichtung für den Zugriff einen Beladungsschleusenmechanismus oder einen Karussellbeförderungsmechanismus beinhaltet, die zum Ersetzen eines Targets in der Röntgenstrahlröhre (102) angepasst sind.

28. Röntgenstrahlröhre (102) nach Anspruch 22, wobei die Anode in der Röntgenstrahlröhre (102) über eine außen angebrachte Aufhängung drehbar ist.

29. Verfahren zur Herstellung einer drehbaren Anode für eine Röntgenstrahlröhre (102) mit den Schritten:
Herstellen einer dünnen Targetplatte (122) mit einer Siliziumwaferverarbeitungstechnologie unter Verwendung von geeigneten Materialien für eine derartige Technologie bei der Ausbildung der Targetplatte (122), die aus der Gruppe von Materialien mit hohen Z-Werten ausgewählt werden, wobei die Targetplatte (122) eine Rotationsachse (136) mit einer Dicke von etwa 1 mm oder weniger aufweist.

30. Verfahren nach Anspruch 29, ferner mit dem Schritt:
Ausbilden von Mikrokanälen (134) bei einer Basisoberfläche (132) der Targetplatte (122), wobei die Mikrokanäle (134) zur Bereitstellung einer Abkühlung der drehbaren Anode konfiguriert sind.

31. Verfahren nach Anspruch 30, ferner mit dem Schritt:
Abscheiden eines Targetmaterials (128) auf der Basisoberfläche (132), wobei zumindest ein Abschnitt der Basisoberfläche (132) bedeckt wird, und das Target (122) ein Targetmaterial (128) mit einem hohen Z-Wert aufweist.

32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Abscheidung eines Targetmaterials (128) zwei verschiedene relativ zueinander auf der Basisoberfläche (132) verschachtelte Targetmaterialien (128) beinhaltet, so dass zumindest eines der beiden verschiedenen Targetmaterialien (128) dem Brennfleck eines darauf gerichteten stationären Elektronenstrahls (148) ausgesetzt ist, wenn die Anode sich um die Rotationsachse (136) dreht.