DE19905802A1 - Röntgenröhre - Google Patents

Abstract

Es wird eine Röntgenröhre mit einer Einrichtung zur Erzeugung und Fokussierung eines Elektronenstrahls (5) auf ein Targetmaterial beschrieben. Ausgehend von der Problematik einer unzulässigen Erhitzung der Anode (3) bei einer Steigerung der Elektronenstrahldichte dient erfindungsgemäß ein gasförmiges, in einer Kammer (6) eingeschlossenes Targetmaterial zur Erzeugung der Röntgenstrahlung, das wesentlich stärker erhitzt werden kann, ohne daß die Anode beschädigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Einrichtung zur Erzeugung und Fokussierung eines Elektronenstrahls auf ein Target.

Eine Röntgenröhre dieser Art ist zum Beispiel aus der DE 195 44 203 bekannt. Die mit einer Elektronenquelle (Kathode) erzeugten Elektronen werden in Richtung auf eine Anode beschleunigt und treten dort in einen sich konisch verengenden Durchtrittskanal ein, an dessen Ausgang sich das Target befindet. Der Elektronenstrahl wird durch diese Anordnung mit einem sehr kleinen Fokus und einer relativ hohen Elektronendichte auf das Target gerichtet, so daß Röntgenstrahlen mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden.

Eine mit dieser Anordnung an sich mögliche, erhebliche Steigerung der Röntgenstrahldichte (das heißt der Anzahl der pro Flächeneinheit des Targets emittierten Photonen) im Vergleich zu bekannten Röntgenröhren wird jedoch durch die damit verbundene Erhöhung der Anodentemperatur begrenzt. Wenn diese Temperatur nämlich in den Bereich der Schmelztemperatur des Anodenmaterials gelangt, steigt der Dampfdruck an, so daß elektrische Entladungen zwischen Anode und Kathode auftreten können.

Weiterhin vermindert sich die thermische Leitfähigkeit der Anode mit steigender Temperatur. Dies führt wiederum dazu, daß die Wärmeleitung von dem Elektronen- Brennpunkt in und durch das Anodenmaterial geringer wird und die Temperatur im Brennpunkt weiter ansteigt, so daß die Schmelztemperatur des Anodenmaterials noch schneller erreicht und überschritten werden kann. Eine Zerstörung der Anodenoberfläche ist dann die unmittelbare Folge. Aus diesen Gründen muß sichergestellt sein, daß die Brennpunkts-Temperatur bei Röntgenröhren dieser Art etwa 1500°C nicht übersteigt, so daß in wesentlichem Maße auf die an sich mögliche weitere Steigerung der Röntgenstrahldichte verzichtet werden muß.

Da eine Verminderung der Anodentemperatur durch Strahlungskühlung infolge der elektromagnetischen Emission aus der Anode praktisch keine Rolle spielt, besteht nur die Möglichkeit, entweder die Anode zum Beispiel mit einem Kühlmittel (Wasser o. ä.) zu kühlen, oder diese ständig zudrehen, so daß der betreffende Bereich in dem Elektronen- Brennpunkt nur für eine relativ kurze Zeit erwärmt wird und sich dann wieder abkühlen kann.

Durch diese Maßnahme kann die Brennpunkts-Temperatur auf etwa 2200°C gesteigert werden, ohne daß die Anode beschädigt wird. Da die durch thermische Emission abgestrahlte Energie proportional zu der vierten Potenz der Anoden- Oberflächentemperatur ist, arbeiten solche Röhren mit sich drehender Anode im wesentlichen mit einer Strahlungskühlung. Die genannten Maßnahmen sind allerdings entweder relativ aufwendig oder nur von begrenzter Wirkung.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine wesentlich höhere Röntgenstrahldichte erzeugt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 bei einer solchen Röntgenröhre dadurch, daß das Target ein zumindest im Betriebszustand der Röntgenröhre gas- oder dampfförmiges Material enthält, das unter Überdruck in einer für Elektronen- und Röntgenstrahlung zumindest teilweise durchlässigen Kammer eingeschlossen ist.

Indem nun das Target von der Anode getrennt und weitgehend thermisch isoliert ist, kann die Elektronendichte im Brennpunkt des Elektronenstrahls wesentlich erhöht werden, so daß auch eine wesentlich höhere Röntgenstrahldichte erzielbar ist, ohne daß die Anodentemperatur unzulässig hohe Werte annimmt.

Als Material könnte dabei in der Kammer ein Edelgas mit einer ausreichend hohen Ordnungszahl vorhanden sein, z. B. Xenon, das sowohl im Betriebszustand als auch in den Betriebspausen gasförmig ist. Anspruch 2 beschreibt demgegenüber die Verwendung eines Schwermetalls, das in den Betriebspausen (d. h. bei etwa Zimmertemperatur) fest oder flüssig sein kann, und das sich im Betriebszustand (d. h. bei vergleichsweise hohen Temperaturen) in einen dampfförmigen Aggregatzustand befindet. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Anspruch 3 angegeben.

Das Eintrittsfenster gemäß Anspruch 4 und inbesondere dessen Dimensionierung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, daß einerseits die hindurchtretenden Elektronen einen Energieverlust von nur etwa fünf Prozent erleiden, und daß andererseits das Fenster Druckdifferenzen von bis zu 100 bar standhalten kann.

Eine Beschichtung des Eintrittsfensters gemäß Anspruch 6 oder 7 hat den Vorteil, daß es auch bei einer eventuellen unbeabsichtigten Erhöhung des Betriebsdruckes innerhalb der Kammer durch das Hochtemperatur-Plasma nicht angegriffen und eingetrübt wird.

Die Verwendung von Quecksilber mit der in Anspruch 8 genannten Menge hat einen besonders guten Wirkungsgrad zur Folge.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine solche Ausführungsform;

Fig. 2 eine Ansicht gemäß Pfeil A in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Ansicht gemäß Pfeil B in Fig. 1.

Eine Röntgenröhre 1 weist gemäß Fig. 1 eine Kathode 2 und eine Anode 3 auf. Die Kathode umfaßt im wesentlichen Kathodenkopf 20 mit einem einen Heizfaden 21 (Fig. 2), der durch eine Stromversorgungseinrichtung (nicht dargestellt) mit einem entsprechenden Heizstrom beaufschlagt wird. Die der Kathode 2 gegenüberliegende Anode 3 ist im wesentlichen halbkreisförmig, so daß zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 ein radiales elektrisches Feld erzeugt wird.

Durch die Anode 3 verläuft ein Kanal 4 mit einer Eintrittsöffnung 41 für die Elektronen, die der Kathode 2 gegenüberliegt. Der Kanal 4 ist mit seiner Austrittsöffnung 42 auf ein Diamantfenster 7 einer Kammer 6 gerichtet, die das Target enthält.

Die Eintrittsöffnung 41 des Kanals 4 ist größer, als die Austrittsöffnung 42. Der Kanal verengt sich in Richtung auf die Austrittsöffnung (konischer Verlauf) und ist vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, daß die in den Kanal eintretenden Elektronen unter einem Winkel von maximal 1° auf eine Oberfläche des Kanals treffen. In diesem Fall werden die Elektronen elastisch in Richtung auf die Austrittsöffnung 42 reflektiert, ohne daß durch diesen Aufprall bereits Röntgenstrahlung erzeugt wird und wesentliche Energieverluste auftreten. Auch dies trägt dazu bei, den Wirkungsgrad der Röntgenröhre zu erhöhen, da auch diejenigen Elektronen, die eine zu dem Heizfaden der Kathode tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufweisen, in den Brennpunkt 51 gestreut werden.

Das Diamantfenster 7 der Kammer 6 hat vorzugsweise einen freien Durchmesser von 1 mm und eine Dicke von etwa 10 µm. Es ist bekannt (siehe Tabellen des Energieverlustes und der Reichweiten von Elektronen und Positronen in M. J. Berger und S. M. Seltzer, NBS/NSS Report 39, 1964), daß Elektronen mit einer Energie von etwa 200 keV beim Hindurchtreten durch ein solches Fenster einen Energieverlust von nur etwa 5% erleiden. Da ferner das Diamantmaterial eine niedrige Ordnungszahl (Z = 6) hat, werden die Elektronen beim Hindurchtreten durch das Fenster nur mit sehr kleinen Winkeln gestreut, so daß der Elektronenstrahl 5 im wesentlichen unbeeinflußt in die Kammer 6 eintritt.

Im Bereich der Austrittsöffnung 42 des Kanals 4 befindet sich schließlich eine Kühleinrichtung 8.

Im Betriebszustand emittiert die Kathode 2 in bekannter Weise Elektronen, die in dem radialen elektrischen Feld der Anode in Richtung auf diese beschleunigt werden und durch die Eintrittsöffnung 41 in den Kanal 4 eintreten. Der Kanal 4 wirkt als Kollimator und konzentriert die Elektronen in Form eines Elektronenstrahl 5 in einen Brennpunkt 51. Dieser Brennpunkt liegt innerhalb der Kammer 6, so daß das dort befindliche Targetmaterial (zum Beispiel Quecksilber) verdampft und der Druck in der Kammer bei der Betriebstemperatur der Röntgenröhre im wesentlichen dem in einer Hochdruck- Gasentlastungslampe (etwa 50 bar) entspricht.

Die Weglänge der Elektronen beträgt in einem Quecksilberdampf mit einem Druck von 50 bar mehrere Millimeter. Somit entsteht direkt hinter dem Diamantfenster ein linienartiger Brennpunkt mit einer Länge von etwa 5 mm in Ausbreitungsrichtung der Elektronen und einer Breite von etwa 2 mm senkrecht dazu.

Der Betriebsdruck innerhalb der Kammer 6 sollte unter Berücksichtigung folgender Randwerte optimiert werden: wenn der Druck zu niedrig ist, diffundieren die Elektronen zu weit aus dem Brennpunktsbereich heraus, so daß der Brennpunkt relativ groß wird. Wenn der Druck andererseits zu hoch ist, liegt die Innenseite des Diamantfensters zu nahe an dem Hochtemperatur-Plasma, so daß sie möglicherweise davon angegriffen wird und eine Umwandlung in Kohlenstoff auftritt. Der Betriebsdruck sollte also zwischen diesen beiden Werten liegen.

Als zusätzliche Maßnahme kann das Diamantfenster auch mit einer oder mehreren dünnen Metallschichten zum Beispiel aus Titan und/oder Platin beschichtet werden, um auf diese Weise einen Schutz vor dem Plasma zu schaffen.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Kathode 2 gemäß Pfeil "A" in Fig. 1 und läßt den eigentlichen Heizfaden 21 erkennen. In Fig. 3 ist schließlich eine Draufsicht auf die Anode 3 gemäß Pfeil "B" gezeigt, in deren Zentrum die Eintrittsöffnung 41 des Kanals 4 liegt.

Mit der erfindungsgemäßen Röntgenröhre kann eine wesentlich höhere Röntgenstrahldichte erzielt werden, ohne daß die Anode auf unzulässig hohe Werte erhitzt wird. Die in der Kammer 6 entstehende Wärme wird ausschließlich durch Strahlungskühlung abgeführt.

Claims (8)

1. Röntgenröhre mit einer Einrichtung zur Erzeugung und Fokussierung eines Elektronenstrahls auf ein Target, dadurch gekennzeichnet, daß das Target ein zumindest im Betriebszustand der Röntgenröhre gas- oder dampfförmiges Material enthält, das unter Überdruck in einer für Elektronen- und Röntgenstrahlung zumindest teilweise durchlässigen Kammer (6) eingeschlossen ist.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target ein Schwermetall enthält.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwermetall Quecksilber ist, dessen Menge so gewählt ist, daß es unter Einwirkung des Elektronenstrahls (5) verdampft und ein Gas mit einem Druck von etwa 50 bar bildet.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (6) aus Quarzglas ist und ein Eintrittsfenster (7) für den Elektronenstrahl (5) aus Diamant aufweist.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster (7) eine Dicke von etwa 10 µm und einen Durchmesser von etwa 10 mm aufweist.

6. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster (7) mit mindestens einer Metallschicht beschichtet ist.

7. Röntgenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht Titan oder Platin enthält.

8. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung und Fokussierung eines Elektronenstrahls eine Kathode (2) und eine Anode (3) mit einem konischen Durchtrittskanal (4) aufweist, dessen der Kathode zugewandte Eintrittsöffnung (41) größer ist als seine Austrittsöffnung (42), und der so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Elektronen unter einem Winkel von maximal etwa 1 Grad auf eine Oberfläche des Durchtrittskanals (4) treffen.