DE19821939A1 - Röntgenstrahler mit einem Flüssigmetall-Target - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Röntgenröhre mit einem flüssigen Metalltarget. Die von einer Elektronenquelle (3) emittierten Elektronen treten durch ein dünnes Fenster (2) in das flüssige Metall ein und erzeugen dort Röntgenstrahlung. Das flüssige Metall, das eine hohe Ordnungszahl aufweist, zirkuliert unter Wirkung einer Pumpe, so daß die durch die Wechselwirkung mit den Elektronen im Fenster und im flüssigen Metall erzeugte Wärme abgeführt werden kann. Die in diesem Bereich erzeugte Wärme wird durch eine turbulente Strömung abgeführt, was eine effektive Kühlung gewährleistet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahler mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen und einem beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlung emittierenden Target aus einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers zirkulierenden flüssigen Metall.

Ein solcher Röntgenstrahler ist aus der US-PS 4 953 191 bekannt. Das Flüssigmetall ist dabei in einem Pumpenkreislauf enthalten, der einen Verteilerkopf aufweist, durch den das flüssige Metall über eine Edelstahlplatte in einen Auffangtopf fließt, von wo es dann wieder zum Verteilerkopf gepumpt wird. Der Elektronenstrahl trifft auf das über die Edelstahlplatte fließende flüssige Metall und erzeugt darin Röntgenstrahlung.

Das flüssige Metall strömt somit durch den Vakuumraum, in dem sich die Elektronenquelle des Röntgenstrahlers befindet. Deshalb ist dieser Röhrentyp auf flüssige Metalle beschränkt, die auch bei den höchsten Betriebstemperaturen einen so niedrigen Dampfdruck aufweisen, daß dadurch das Vakuum in dem Röntgenstrahler nicht beeinträchtigt wird. Deshalb muß Gallium verwendet werden, das eine relativ niedrige Ordnungszahl (30) aufweist und daher eine vergleichsweise geringe Strahlenausbeute.

Vor allem aber muß unbedingt verhindert werden, daß Galliumpartikel aus dem zirkulierenden Galliumstrom in den Vakuumraum des Röntgenstrahlers gelangen, weil sie dadurch die Hochspannungsfestigkeit des Röntgenstrahlers gefährden würden. Das erfordert, daß die Strömung des Gallium über die Edelstahlplatte rein laminar ist, weil eine turbulente Strömung zum Austritt von Schmiermittelpartikeln führen könnte. Der Übergang des Galliums aus dem Verteilerkopf auf die Edelstahlplatte, vor allem aber die Erhitzung des Galliums durch den Elektronenstrahl begünstigen das Entstehen von turbulenten Strömungen. Deshalb darf das Gallium nur in einer dünnen Schicht von wesentlich weniger als 1 mm und mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit fließen, als in der genannten Veröffentlichung angegeben, wodurch die erwartete Belastbarkeit des Röntgenstrahlers erheblich reduziert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Röntgenstrahler mit einer verbesserten Dauerbelastbarkeit zu schaffen. Ausgehend von einem Röntgenstrahler der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich zwischen der Elektronenquelle und dem Target ein von den Elektronen durchdringbares, durch das Target gekühltes Fenster befindet.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß die aus der Elektronenquelle emittierten Elektronen nicht direkt auf das flüssige Schmiermittel treffen, sondern durch ein Fenster hindurch, das den Vakuumraum des Röntgenstrahlers und das flüssige Schmiermittel voneinander trennt. Das Fenster absorbiert zwar einen Teil der Elektronen. Es läßt sich jedoch durch geeignete Materialwahl und entsprechend geringe Dicke so gestalten, daß es nur einen kleinen Teil der Elektronenenergie aufnimmt (ca. 800 eV). Die Elektronen können also nahezu ungebremst durch das Fenster in das flüssige Metall eindringen und dort Röntgenstrahlung anregen. Das flüssige Metall hat hierbei also drei Funktionen:

• a) Es konvertiert energiereiche Elektronen in Röntgenstrahlung
• b) Es transportiert die Wärme wirksam aus der Region, in der die Elektronen mit dem flüssigen Metall in Wechselwirkung treten und
• c) es kühlt das Fenster.

Die Verwendung dieses Fensters ermöglicht es, das Kühlmittel als turbulente Strömung an dem Fenster vorbeizuführen. Bei einer turbulenten Strömung tritt eine wesentlich bessere Durchmischung des Flüssigmetalls auf als bei einer laminaren Strömung, so daß sich eine bessere Kühlung ergibt. Außerdem ist es möglich, das flüssige Metall in einer dickeren Schicht und mit einer höheren Geschwindigkeit durch den Wechselwirkungsbereich mit den Elektronen zu führen, als es für eine laminare Strömung möglich ist. Dadurch ist eine wesentlich effektivere Kühlung bzw. eine höhere Dauerbelastbarkeit möglich.

Darüberhinaus gestattet die Trennung des Vakuumraumes von dem flüssigen Metall, die Wahl eines Metalls, das einen höheren Dampfdruck hat als Gallium, aber auch eine höhere Ordnungszahl und das daher einen höheren Anteil der Elektronenenergie in Röntgenstrahlung umsetzt.

An dieser Stelle sei erwähnt, daß aus der JP-A 08 036 978 bereits ein Röntgenstrahler bekannt ist, bei dem die aus einer Elektronenquelle emittierten Elektronen durch ein den Vakuumraum des Röntgenstrahlers abschließendes Fenster hindurch auf ein Target treffen. Das Target - offenbar ein Festkörpertarget - befindet sich im Abstand von dem Fenster in einer drehbaren Halterung. Bei einem Defekt kann es leicht durch ein anderes Target in dieser Halterung ersetzt werden. Da ein Teil der Energie der Elektronen in dem Fenster in Wärme umgesetzt wird, ist der Röntgenstrahler nur gering belastbar, wobei erschwerend hinzukommt, daß die Außenseite des Fensters unter atmosphärischen Bedingungen steht, so daß es aus einem Material bestehen muß, das bei der Erwärmung nicht mit Sauerstoff reagiert.

Das Fenster muß so ausgestaltet sein, daß es einerseits möglichst stabil ist, um dem Strömungsdruck des zirkulierenden flüssigen Metalls standzuhalten, und andererseits soll es den Elektronen möglichst keine Energie entziehen. Ein geeignetes Material für das Fenster ist in Anspruch 2 genannt, wobei Anspruch 3 eine geeignete Ausgestaltung beschreibt.

Außer Diamant können auch andere Fenstermaterialien verwendet werden, z. B. aus Berryllium oder Kunststoff. In den Ansprüchen 4 und 5 sind Metalle bzw. Legierungen genannt, die sich als Target eignen. Der Begriff Metall muß daher in Verbindung mit der Erfindung breit interpretiert werden. Er soll nicht nur durch chemische Elemente definierte Metalle umfassen sondern auch deren Legierungen.

Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird eine effektive Kühlung sichergestellt, die eine erhöhte Dauerleistung erlaubt. Die weitere Ausgestaltung nach Anspruch 7 bewirkt dabei im Bereich des Fensters eine turbulente Strömung, was sich auf einfachste Weise entsprechend Anspruch 8 realisieren läßt.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 9 stellt sicher, daß der von dem Kolben umschlossene Vakuumraum und der Raum, in dem das flüssige Metall strömt hermetisch voneinander getrennt sind. Das flüssige Metall muß daher keinen niedrigen Dampfdruck aufweisen, wie bei dem bekannten Röntgenstrahler. Bei der weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 10 passiert die in dem flüssigen Metall erzeugte Röntgenstrahlung zunächst das Fenster für die Elektronen bevor es aus dem Röntgenstrahlen-Austrittsfenster als Nutzstrahlung austritt. Wenn der aus der Elektronenquelle emittierte Elektronenstrahl einen länglichen Querschnitt hat ("Strichfokus-Prinzip"), dann sollten die Ebene, die durch den Elektronenstrahl und das Austreten der Nutzstrahlenbündel definiert wird, senkrecht auf der Richtung stehen, in der das flüssige Metall an dem Fenster vorbeiströmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemaßen Röntgenstrahler in schematisch er Darstellung und

Fig. 2 einen Teil dieses Röntgenstrahlers in einer vergrößerten Ansicht.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen elektrisch vorzugsweise geerdeten Röhrenkolben, der durch ein Fenster 2 vakuumdicht abgeschlossen ist. In dem Vakuumraum des Röhrenkolbens befindet sich eine Elektronenquelle, in Form einer Kathode 3, die im Betriebszustand einen Elektronenstrahl 4 emittiert, der durch das Fenster 2 hindurch auf ein flüssiges Metall trifft, das sich in einem System 5 befindet. Das System 5 umfaßt ein Rohrleitungssystem 50, in dem das flüssige Metall von einer Pumpe 52 angetrieben wird, wo es in einem Abschnitt 51 an der Außenseite des Fensters 2 vorbeiströmt. Nach Passieren des Abschnittes 51 gelangt es in einen Wärmetauscher 53 strömt, aus dem die erzeugte Wärme mittels eines geeigneten Kühlkreislaufs abgeführt werden kann.

Durch die Wechselwirkung der durch das Fenster 2 hindurchtretenden Elektronen mit dem flüssigen Metall entsteht Röntgenstrahlung (d. h. das flüssige Metall dient als Target), die durch das Fenster 2 und ein Röntgenstrahlen-Austrittsfenster 6 im Kolben 1 hindurch austritt. Der Elektronenstrahl 4 hat vorzugsweise einen Querschnitt, der nach dem Prinzip des Strichfokus in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 wesentlich größer ist als in Richtung der Zeichenebene. In diesem Fall muß sich das Strahlenaustrittsfenster 6 - wie gestrichelt angedeutet - in der Richtung auf dem Umfang des Kolbens 1 befinden, in die der Strichfokus zeigt, also in einem Abschnitt des Röhrenkolbens 1 oberhalb oder unterhalb der Zeichenebene.

Das Fenster 2 hat die Aufgabe, den Röhrenkolben vakuumdicht abzuschließen und zugleich auch den Abschnitt 51, der von dem flüssigen Metall durchströmt wird. Das Fenster 2 soll den Röhrenkolben 1 aber auch den Abschnitt 51 vakuumdicht abschließen. Außerdem muß es für die Elektronen 4 (die Kathode 3 führt gegenüber dem Röhrenkolben negative Hochspannung) möglichst "transparent" sein, so daß die Elektronen beim Durchtritt durch das Fenster darin sowenig Wärme erzeugen wie möglich. Außerdem sollte das Fenster aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit bestehen. Ein geeignetes Material für das Fenster ist Diamant. Bereits bei einer Fensterstärke von 1 µm ergibt sich eine ausreichende mechanische Stabilität. Der Energieverlust, den Elektronen mit einer Energie von 150 keV in einem solchen Fenster erfahren ist geringer als 1%, so daß der im Fenster durch die Elektronen hervorgerufene Wärmestrom niedriger ist als 500 W, wenn das flüssige Metall durch die Elektronen mit 50 kW erwärmt wird. Ein weiterer Vorteil von Diamant ist seine hohe thermische Leitfähigkeit und die Tatsache, daß er in einer sauerstofffreien Umgebung bis auf 1500°C ohne irreversible Veränderungen erwärmt werden kann.

Fig. 2 zeigt den Abschnitt 51 des Systems 5 mit dem Diamantfenster 2. Dieses Diamantfenster kann z. B. auf folgende Weise hergestellt werden. Auf einem Siliziumträger 22 mit einer Dicke von 300 µm und einem Durchmesser von 6 mm wird eine 1 µm starke Diamantschicht durch ein geeignetes CVD-Verfahren abgeschieden. Anschließend wird auf geeignete Weise, z. B. durch Ätzen, in dem Bereich, in dem der Elektronenstrahl auftrifft, eine Öffnung 21 von z. B. 5 mm × 0,8 mm in dem Siliziumträger erzeugt, so daß in diesem Bereich nur das Diamantfenster übrig bleibt. Der Siliziumträger 22 wird dann auf geeignete Weise mit dem Abschnitt 51 bzw. dem Kolben 1 verbunden. Anschließend wird der so bearbeitete Siliziumträger 22 mit einer dünnen Metallisierung versehen, so daß er nicht durch Elektronen aufgeladen werden kann.

Als flüssiges Metall können Metalle oder Metallegierungen verwendet werden, die eine hohe Ordnungszahl aufweisen und bei einer niedrigen Temperatur, vorzugsweise Zimmertemperatur, flüssig sind.

Ein geeignetes Metall ist Quecksilber, das bereits bei - 39° C flüssig ist. Eine geeignete Metallegierung besteht aus 62,5% Gal 21,5% In und 16% Sn (Angaben in Gewichtsprozent). Diese Legierung ist bei 10,7°C flüssig. Eine weitere geeignete Legierung, die sich zum Teil aus Elementen mit einer höheren Ordnungszahl zusammensetzt besteht aus 43% Bi/ 21,7% Pb/ 18,3% In/ 8% Sn/ 5% Cd und 4% Hg. Diese Legierung wird bei 38°C flüssig. Sie muß vor Inbetriebnahme des Röntgenstrahlers daher erwärmt werden, bis sie flüssig ist.

Eine effektive Abfuhr der durch die Elektronen erzeugten Wärmen setzt voraus, daß das Kühlmittel ausreichend schnell und in einer turbulenten Strömung an dem Fenster vorbeiströmt. Es ist bekannt, daß turbulente Strömungen thermische Energie besonders wirksam abführen, weil durch die entstehenden Wirbel die Flüssigkeit besonders schnell durchmischt wird. Zu diesem Zweck sollte an dem Fenster ein Flüssigkeitsstrom mit einer Breite von 4 mm (entsprechend den Fensterabmessungen) und einer Dicke von ca. 1 mm vorbeigeführt werden. Wenn die genannte Dicke wesentlich kleiner wäre als 1 mm, dann wäre der abführbare Wärmestrom zu gering; wenn die Dicke hingegen wesentlich größer wäre, bestünde die Gefahr, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Fensters zu klein wird.

Das Rohrleitungssystem könnte dann so gestaltet sein, daß das flüssige Metall aus dem Rohr 50 mit einer Innenabmessung von z. B. 6 mm über geeignete Zwischenstücke auf einen Querschnitt von 4 mm × 1 mm verengt wird. Einfacher ist hingegen, den Abschnitt 51 mit den gleichen Innenabmessungen zu gestalten wie die Leitung 50 und lediglich im Bereich des Fensters 2 gegenüber der Ausnehmung 21 eine Verengung innerhalb des Abschnitts 51 anzuordnen. Diese verengt den Strömungsquerschnitt auf 4 mm × 1 mm, so daß das flüssige Metall in diesem Bereich wesentlich schneller fließt als z. B. in dem Rohr 50. Die Verengung des Strömungsquerschnitts, die Erwärmung des flüssigen Metalls durch die Elektronen und die relativ hohe Geschwindigkeit des flüssigen Metalls (25 ms^-1) bewirken, daß die Strömung in diesem Bereich turbulent verläuft. Allenfalls in einem Bereich von wenigen µm vom Fenster verbleibt eine Schicht mit einer annähernd laminaren Strömung. Diese laminare Strömung könnte erforderlichenfalls noch dadurch beseitigt werden, daß das Fenster 2 auf seiner dem der Strömung zugewandten Seite aufgerauht wird.

Die Pumpe 52, die das flüssige Metall durch das Leitungssystem 50, 51 treibt, kann das flüssige Metall mit Hilfe von magnetohydrodynamischen Kräften durch die Leitungen 50, 51 pumpen, ähnlich wie in der US-PS 4 953 191 beschrieben. Diese magnetohydrodynamischen Kräfte entstehen durch das Zusammenspiel zwischen den Magnetfeldern, die durch elektrische Ströme in dem flüssigen Metall hervorgerufen werden mit äußeren Magnetfeldern. Der Vorteil ist, daß eine solche Pumpe keine mechanisch bewegten Teile enthalten müßte - es können jedoch auch Pumpen mit anderen Wirkungsprinzipien eingesetzt werden.

Die Erfindung gestattet es, den Röntgenstrahler mit einer Dauerleistung von wenigstens 10 kW zu betreiben. Drehanoden-Röntgenröhren haben in der Regel eine geringere Dauerbelastbarkeit und haben Lager für die Drehanode, die bei Bewegungen z. B. in einem Computertomographen beschädigt werden können.

Claims (10)

1. Röntgenstrahler mit einer Elektronenquelle (3) zur Emission von Elektronen und einem beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlung emittierenden Target aus einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers zirkulierenden flüssigen Metall, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Elektronenquelle und dem Target ein von den Elektronen durchdringbares, durch das flüssige Metall gekühltes Fenster (2) befindet.

2. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (2) aus Diamant besteht.

3. Röntgenstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster einen der Elektronenquelle zugewandten mit einer Diamantschicht (2) versehenen Träger (22) aufweist, der im Auftreffbereich der Elektronen mit einer Öffnung (21) versehen ist.

4. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus Quecksilber oder einer Quecksilberlegierung besteht.

5. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus einer Blei und Wismut enthaltenden Legierung besteht.

6. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (52) vorgesehen ist, die das flüssige Metall in einem geschlossenen Kreislauf (50, 51) zirkulieren läßt, der im Bereich des Fensters (2) eine vorwiegend turbulente Strömung erzeugt.

7. Röntgenstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem flüssigen Metall durchströmte Querschnitt (51) des Kreislaufs im Bereich des Fensters (2) wesentlich kleiner ist als in einem vom Fenster entfernten Bereich.

8. Röntgenstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf ein auf seinem Umfang mit dem Fenster versehenes Rohr (51) aufweist, das im Bereich des Fenster eine Querschnittsverengung (54) enthält.

9. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (3) sich in einem evakuierten Kolben (1) befindet, der durch das Fenster abgedichtet wird.

10. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Kolben (1) zusätzlich ein Fenster (6) für den Austritt der im Target erzeugten Röntgenstrahlung befindet.