DE19805290C2 - Monochromatische Röntgenstrahlenquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluoreszenz-Röntgenstrah­ lenquelle mit einer Elektronenstrahlquelle und einem Anoden­ target zur Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung, die in einem Fluoreszenztarget monoenergetische Röntgenstrahlung auslöst.

Röntgenstrahlenquellen, die zur Erzeugung von monoenergeti­ scher Röntgenstrahlung auf dem Fluoreszenzprinzip beruhen, haben neben dem schlechten Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bremsstrahlung auch noch den der Umwandlung von Brems- in Fluoreszenzstrahlung. Der erste Wir­ kungsgrad beträgt etwa 1%, der zweite hängt im wesentlichen von der Geometrie der Röntgenquelle ab. Um auf die mit kon­ ventionellen Röntgenröhren erreichte Bildqualität (hier ist die bedeutendste Größe die "Detective Quantum Efficiency") zu kommen, muß die elektrische Leistung mindestens um das 10- fache der heute üblichen erhöht werden, was aber in der Pra­ xis praktisch ausgeschlossen ist.

Bei den bislang bekannten Röntgenstrahlenquellen wurden die von einer sich in einem Fokuskopf befindlichen Kathode er­ zeugten Elektronen entweder direkt auf ein Fluoreszenztarget fokussiert, was die elektrische Leistung natürlich sehr be­ grenzt, oder die Elektronen wurden auf einen Teil des Gehäu­ ses der Röntgenquelle beschleunigt, wo sie Bremsstrahlung er­ zeugen können, und diese kann dann in dem durch die Geometrie vorgegebenen Raumwinkel das Fluoreszenztarget treffen und dort Fluoreszenzstrahlung erzeugen (man vergleiche hierzu beispielsweise die EP 0 459 567 B1). Auch hier ergibt sich wieder das bereits eingangs angesprochene Problem des äußerst geringen Wirkungsgrades, so daß mit vernünftigen Größen sol­ cher Röntgenröhren nur eine unbefriedigende Bildqualität er­ reichbar ist.

Aus der GB 1 443 048 ist eine Fluoreszenz-Röntgenstrahlen­ quelle bekannt, bei der eine Kathode eine der Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung dienende Anode in einem spezifischen Abstand umgibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hoch­ fluß-Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle zu schaffen, die gegenüber den herkömmlichen Anlagen einen erheblich größeren Wirkungsgrad aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in einem vorzugsweise auf der gesamten Innenseite als Anoden­ target ausgebildeten Vakuumgehäuse mit einem Röntgen­ strahlaustrittsfenster eine unfokussierte rundumstrahlende Elektronenstrahlquelle und - ausgerichtet auf das Röntgen­ strahlaustrittsfenster - ein Fluoreszenztarget angeordnet sind.

Bei der erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenquelle ist praktisch die gesamte, vorzugsweise gekühlte, Gehäuseinnenseite als Anodentarget ausgebildet, so daß eine einfache unfokussierte und damit auch große und leistungsstarke Elektronenstrahl­ quelle verwendet werden kann. Die Elektronenoptik besteht da­ bei bevorzugt lediglich aus der Kathode, die beispielsweise als große geheizte Zylinderwendel ausgebildet sein kann, und der Gehäuseinnenseite, die als Anode dient.

Mit besonderem Vorteil soll dabei das Gehäuse im wesentlichen zylindrisch mit einem Austrittsfenster in einer Stirnwand ausgebildet sein, wobei die Elektronenstrahlquelle das in der Zylinderachse liegende Fluoreszenztarget konzentrisch umgibt.

Die bevorzugt als Zylinderwendel ausgebildete Kathode soll möglichst die gesamte Gehäuseinnenseite gleichmäßig mit Elek­ tronen bestrahlen, wodurch sich bei einfachstem Aufbau eine sehr hohe Ausbeute bei der Erzeugung der Röntgenbremsstrah­ lung ergibt, die dann im Fluoreszenztarget zur Erzeugung der monoenergetischen Röntgenstrahlung umgesetzt werden soll.

Als Fluoreszenztarget dient je nach Anwendung entweder ein kegelförmiger Dorn für die Erzeugung eines definierten Brenn­ flecks, wie er beispielsweise in der bereits angesprochenen EP 0 459 567 B1 beschrieben ist, oder aber auch ein flächen­ haft ausgedehntes, massives Target, das entweder im Gehäuse auf der dem Röntgenstrahlenaustrittsfenster gegenüberliegen­ den Seite oder auch außerhalb des Gehäuses vor dem Röntgen­ strahlaustrittsfenster angeordnet sein kann. Das Röntgen­ strahlenaustrittsfenster besteht aus einem dünnen Material kleiner Kernladungszahl, beispielsweise einer 0,3 mm starken Berylliumplatte.

Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Röntgenbremsstrahlung in die Fluoreszenzstrahlung des Fluoreszenztargets läßt sich dabei in an sich bekannter Weise dadurch erhöhen, daß die Innenfläche des Gehäuses unter der Anodentargetschicht, bei­ spielsweise Wolfram, eine Comptonstreuschicht, beispielsweise aus Aluminium oder Beryllium, aufweist. Dabei kann ggf. das ganze Vakuumgehäuse von vorneherein aus dem Material der Comptonstreuschicht bestehen. Durch diese Ausbildung ergibt sich eine Mehrfachreflexion der Röntgenbremsstrahlung, die den Gesamtwirkungsgrad erhöht.

Die erreichbare Aktivität pro Kilowatt eingebrachter elektri­ scher Leistung liegt bei einigen hundert mCi/kW mit einem großflächigen Target. Geht man von einer Leistungsdichte bei Festanoden von 200 W/mm² bis 300 W/mm² mit beispielsweise Spritzwasserkühlung aus, können schon mit kleinsten Anoden­ geometrien sehr hohe Aktivitäten erzeugt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer er­ findungsgemäßen Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil der Wandung des Vakuumgehäuses,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Fluores­ zenz-Röntgenstrahlenquelle, wobei die Kühlschlangen nicht mit dargestellt sind, und

Fig. 4 ein Fluoreszenzspektrum für ein Wolframtarget in Verbindung mit einem Lanthan-Fluoreszenztarget.

Die erfindungsgemäße Hochfluß-Fluoreszenz-Röntgenstrahlen­ quelle zeichnet sich dadurch aus, daß fast die gesamte Innen­ seite 1 der Gehäusewand 2 als Anodentarget ausgebildet ist, wobei die Gehäusewand durch eine eingelassene Kühlvorrichtung 3 insgesamt wirksam gekühlt werden kann. Die Elektronenoptik besteht lediglich aus der als Zylinderwendel ausgebildeten Kathode 4 und der Gehäuseinnenseite 1, die als Anode dient. Über die Spannungsquelle 5 erfolgt die Beschleunigung der aus der geheizten Kathode 4 austretenden Elektroden auf die Innenseite 1 der Gehäusewandung. Die Heizspannungsquelle 6 dient zur Aufheizung der Kathode.

Die Innenseite 1 des Gehäuses ist möglichst auf der gesamten Innenfläche, insbesondere aber auf dem zylindrischen, die wendelförmige Kathode 4 umgebenden Bereich, mit einem zur Er­ zeugung der Bremsstrahlung über die auftreffenden Elektronen dienenden Anodentarget, im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise einer Wolframschicht 7, versehen, unter der eine Comptonstreuschicht angeordnet ist. Im Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1 und 2 kann dies das aus Beryllium oder Aluminium bestehende Vakuumgehäuse selbst sein. Die von der wendelförmigen Kathode 4 ausgehenden Elektronen werden auf die das Anodentarget bildende Wolframschicht 7 beschleu­ nigt und lösen dabei, wie in Fig. 2 angedeutet ist, eine in den Raumwinkel ausgestrahlte Röntgenbremsstrahlung 8 aus, die, ggf. nach einigen weiteren Reflexionen, an der Compton­ streuschicht irgendwann auf das Fluoreszenztarget treffen kann. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist dieses Fluores­ zenztarget 9 als kegelförmiger Dorn ausgebildet. Bei der schematischen Darstellung nach Fig. 2 ist statt eines solchen Dorns als Fluoreszenztarget ein flächenhaft ausgedehntes mas­ sives Target 9' vorgesehen, das wiederum dem besser aus Fig. 3 erkennbaren Röntgenstrahlaustrittsfenster 10 gegenüber­ liegt.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 erkennt man das Vakuumgehäuse mit der Gehäusewand 2 und den Stirnwänden 11 und 12. Die ge­ samte Innenseite des Vakuumgehäuses ist mit einer beispiels­ weise aus Aluminium oder Beryllium bestehenden Comptonstreu­ schicht 13, 14, 15 überdeckt, auf der eine wiederum deren ge­ samte Innenfläche überdeckende Wolframschicht 7 angeordnet ist. Das als konzentrisch in der Längsachse des Vakuumgehäu­ ses angeordneter kegelförmiger Dorn ausgebildete Fluoreszenz­ target 9 ist von einer wendelförmigen Kathode 4 umgeben, die sich über praktisch die gesamte Länge des Innenraums er­ streckt, so daß demzufolge auch die gesamte Gehäuseinnen­ seite, sprich das aus der Wolframschicht 7 bestehende Anoden­ target gleichmäßig mit Elektronen bestrahlt wird. Die vom Fluoreszenztarget 9 ausgestrahlte monoenergetische Röntgen­ strahlung tritt durch das beispielsweise aus Beryllium be­ stehende Röntgenstrahlaustrittsfenster 10 aus, das von einem Kollimator 16 umgeben ist. Bei Ersetzung des kegelförmigen Dorns durch ein flächenhaft ausgedehntes massives Target, wie es in Fig. 2 angedeutet ist, würde dies zentral auf der Comptonstreuschicht 14 angeordnet werden.

Claims (8)

1. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle mit einer Elektronen­ strahlquelle und einem Anodentarget zur Erzeugung von Rönt­ genbremsstrahlung, die in einem Fluoreszenztarget monoenerge­ tische Röntgenstrahlung auslöst, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einem innenseitig als Anodentarget ausgebildeten Vakuumgehäuse mit einem Röntgen­ strahlaustrittsfenster (10) eine unfokussierte, rundumstrah­ lende Elektronenstrahlquelle und - ausgerichtet auf das Rönt­ genstrahlaustrittsfenster - ein Fluoreszenztarget (9) ange­ ordnet sind.

2. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ samte Gehäusewand (2), vorzugsweise durch eingelassene Kühl­ schlangen (3), gekühlt ist.

3. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im wesentlichen zylindrisch mit einem Röntgen­ strahlaustrittsfenster (10) in einer Stirnwand (12) ausgebil­ det ist, und daß die Elektronenstrahlquelle das in der Zylin­ derachse liegende Fluoreszenztarget (9) konzentrisch umgibt.

4. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquelle eine geheizte Zylinderwendel ist.

5. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Gehäuses unter der Anodentarget­ schicht eine Comptonstreuschicht aufweist.

6. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Comptonstreuschicht aus einem Material kleiner Kernladungs­ zahl, beispielsweise Aluminium oder Beryllium, besteht.

7. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse aus dem Material der Comptonstreuschicht be­ steht.

8. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodentargetschicht eine Wolframschicht (7) ist.