DE2204773A1 - Verfahren zur leistungssteigerung von roentgenroehren sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur leistungssteigerung von roentgenroehren sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE2204773A1
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Description

PATE NTA N WA LT
DIPL. PHYS. H. QUARDER
7 STUTTGART 1 9204773
Richard-Wagner-Straße 16
Telefon 0711/244446-47
Verfahren zur Leistungssteigerung von Röntgenröhren sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteigerung von Röntgenröhren und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung durch Abbremsung von Elektronen (Ionen) in einem Target werden bekanntlich mehr als 99 % der aufgewandten Energie der auf das Target treffenden Elektronen (Ionen)in Wärme umgewandelt. Bei leistungsfähigen Röntgenröhren muß die Wärme durch Kühlung abgeführt werden.
Eine Steigerung der Röntgenstrahlungsdiohte (Röntgenstrahlungsenergie pro Plächeneinneit und Zeiteinheit)
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durch Vergrößerung der Elektronenstromdichte (Richtstrahlwert) ist mit Hilfe bekannter elektronenoptischer Maßnahmen nur bis zu einer bestimmten Grenze möglich. Diese Grenze ist dadurch gegeben, daß das Target, dessen Beschädigung vermieden werden soll, nicht bis zur Schmelztemperatur erhitzt werden darf. Sorgt man für eine Kühlung, so wird die Belastungsgrenze bei entsprechend höherer Elektronenstromdichte erreicht, als dies ohne Kühlung der Fall ist.
Die technisch erreichbare Röntgenstrahlungsdichte hängt somit wesentlich von der Effektivität der Kühlung des Brennflecks ab. Sie hängt dagegen nicht ab von der Leistungsfähigkeit der Elektronenstrahlerzeugungssysteme, mit denen bekanntlich eine Materialzerstörung (z.B. beim Elektronenstrahlbohren) möglich ist.
Als Stand der Technik bezüglich der Kühlung von Anodentargets haben folgende Möglichkeiten zu gelten:
1.) Strahlungskühlung
Die Wärme wird hierbei in die (gekühlte) Umgebung abgestrahlt. Strahlungskühlung wird beispielsweise bei der Transmissionsmethode angewandt, bei der der Elektronenstrahl auf eine dünne Folie gerichtet wird. Ein wirksamer Wärmekontakt mit der Folienhalterung ist schlecht möglich. Wärmeleitung kann nur über den geringen i 1Olienquerschnitt stattfinden. Ihr Beitrag zur Kühlung ist gegenüber der Strahlungskühlung klein.
Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die Belastung des Targets im Dauerbetrieb und nach Einstellung
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stationärer Bedingungen nur so weit gesteigert werden kann bis von einer Flächeneinheit des Targets pro Zeiteinheit die größtmögliche Wärmemenge durch Strahlung abgeführt wird» Diese hängt ab von der Temperaturdifferenz zwischen Target und Umgebung und von der Oberflächenbeschaffenheit des Targets und der umgebenden (gekühlten) Wände und läßt sich mit Hilfe der Strahlungsgesetze angeben. Die maxi— male Wärmemenge wird abgestrahlt, wenn im Target
- bei bestmöglicher Kühlung - knapp die Schmelztemperatur herrscht.
2.) Kühlung mit Wasser. Öl und anderen Flüssigkeiten
Dies ist eine häufig angewandte Art der Kühlung bei massiven Anoden, die z.B. in Reflexionsanordnung benutzt werden. Hierbei wird die Anode - bei abgeschmolzenen Röhren auch die ganze Röhre - in guten Wärmekontakt mit der Kühlflüssigkeit gebracht. Letztere kann auch zum Verdampfen gebracht werden (Siedekühlung) .
Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die Belastung des Targets im Dauerbetrieb und nach Einstellung stationärer Bedingungen nur so weit gesteigert werden kann, bis die durch Wärmeleitung und Wärmeaustausch maximal mögliche Wärmeflußdichte erreicht ist, d.h. von einer Flächeneinheit des Targets pro Zeiteinheit die" größtmögliche Wärmemenge durch Wärmeleitung im Target und vom Target in die Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Diese Wärmemenge hängt ab von Dicke, Geometrie und Wärmeleitungsfähigkeit des Targets, dem Temperaturgradienten, dem Wärmekontakt mit der Kühlflüssigkeit, deren Geschwindigkeit usw.. Die maximale Wärmemenge wird abgeführt, wenn auf der Targetoberfläche
- bei bestmöglicher Kühlung - knapp die Schmelztemperatur herrscht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der vorgenannten Kühlverfahren und -vorrichtungen zu beseitigen bzw. zu umgehen um auf diese Weise zu leistungsfähigeren Röntgenröhren zu kommen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem die am Ort des Höntgenbrennflecks durch den Beschüß mit Elektronen oder lonenjln dem Target entstandene t-Järm© mechanisch abgeführt wird.
la weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die s^ohanische Wärmeabführung am Ort des Röntgenbrennflöcks in der Weise3 daß die erwärmte Targetstelle aus den» Bereich des Brennflecks verbracht wird. Die Bewegung des Target ei'folgt dabei vorzugsweise mit einer selchen Geschwindigkeit, daß die Erwärmung der beschossenen Targststelle unterhalb der Schmelztemperatur des Target bleibt»
Sine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der mechanischen Wärmeabführung geeignete Vorrichtung besteht darin,» daß das Target als langes Band ausgebildet ist, das unter dem Elektronen- oder Ionenstrahl vorbeigeführt wird,
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung., die einen schematischen Aufbau einer nach dem erfindungsgeraäßen Verfahren arbeitenden Röntgenröhre zeigt,die Erfindung im folgenden erläutert:
In der Zeichnung ist mit 1 eine Röntgenröhre bezeichnet, die in ihrem oberen Teil ein Elektronen- oder Ionenstrahlerzeugungssystem 2 aufweist. Der von dieser Quelle erzeugte Elektronen- oder Ionenstrahl 3 trifft an der Stelle 4 auf ein Target.
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Das Target hat erfindungsgemäß die Form eines 20 pn dicken Bandes 5 welches mit großer Geschwindigkeit relativ zum Elektronenstrahl 3 bewegt wird. Das hier in Transmissionsanordnung verwendete Targetband 5 besteht z.B. aus einem Kunststoffträger, der auf der beschossenen Seite metallisiert ist. Bei Reflexions-· anordnung kann ebenso ein dünnes Metallband als Target verwendet werden
Die Wärmeabführung erfolgt nun dadurch, daß der Transport praktisch der gesamten, am Ort des Röntgenbrennflecks ^ entstehenden Wärme unmittelbar von diesem Ort weg durch die Bewegung des Targetbandes 5 geschieht, indem das erhitzte Targetmaterial selbst vom Ort des Brennflecks 4 entfernt wird, so daß die mitgeführte Wärmemenge nicht im Brennfleck oder dessen unmittelbarer Umgebung sondern erst relativ weit entfernt davon, größtenteils außerhalb der eigentlichen Röntgenröhre durch herkömmliche Kühlung an die Umgebung abgegeben wird. Die Geschwindigkeit des Targetmaterials ist hierbei nahezu gleich der Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr. Erfindungsgemäß wird bei kontinuierlichem Betrieb der Röntgenröhre das abgezogene erhitzte Targetmaterial fortlaufend durch kaltes Material ersetzt.
Damit erfolgt am Ort des Röntgenbrennflecks 4 keine Kühlung des Targets im eigentlichen Sinne mehr, sondern die Kühlung wird vom Ort der Erwärmung weg in einige Entfernung davon verlagert, so daß die Kühlung des Targets 5 außerhalb der Röntgenröhre 1 erfolgen kann, nachdem der weitaus größte Teil der angefallenen Wärmemenge mit dem Targetband 5 aus dem Bereich des Brennflecks 4 abtransportiert worden ist. Die "Kühlung" des Brennflecks erfolgt durch Nachschub kalten Targetmaterials.
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Das Bead j5 kann sehr lang - z.B. looo Meter - gemacht t-ncl von Spulen 6 und 7 ab- bzw. aufgewickelt werden. Die Spule 7, die das erhitzte Band 5 aufnimmt, wird durch einen relativ problemlosen Külilprozess abgekühlt. Wird das Band 5, wie hier dargestellt, durch Schlitze 8 über differenzielle Druckkammern 9 aus der Röhre 1, die evakuiert ist, herausgeführt, so wird die Spule 7 durch Kühlluft 10 von einem nicht dargestellten Gebläse abgekühlt. Eine Abkühlung der Spule innerhalb der Röhre 1 im Vakuum durch Strahlungskühlung ist ebenso möglich. Die beiden Führungsstifte 11 können so ausgebildet sein, daß sie gleichzeitig der Stromableitung dienen und das Band 5 in konstanter Lage halten. Nach Abspulung der ganzen Bandlänge in der einer Richtung kann die ßandbewegung umgekehrt werden.
Srfindungsgemäß kann das Band 5 in Form einer Endlosschleife verwendet werden. Die Länge wird hierbei möglichst so bemessen, daß die Aufenthaltsdauer einer Bandstelle (zwischen zwei Fokusdurchgängen) in der gekühlten Umgebung zur vollkommenen Abkühlung ausreicht. Auch kann die Endlosschleife in sich einmal geschränkt sein, wodurch bei gleicher Bandlänge der Abstand zwischen zwei Fokusdurchgängen verdoppelt werden kann. Erfindungsgemäß kann anstelle des Bandes auch ein Metalldraht oder ein metallisierter Quarzfaden verwendet werden.
Hinter dem Brennfleck ^, in Richtung des ablaufenden Bandes gesehen, kann ein Temperaturfühler vorgesehen werden, der in Abhängigkeit von der Erwärmung des Targetbandes 5 die Geschwindigkeit des Targetbandes steuert. Gemäß der Erfindung können die Führungsstifte 11 als Wärmefühler ausgebildet sein.
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Insbesondere werden durch die Erfindung die unter lund 2 genannten Machteile bekannter Kühlverfahren bei Röntgenröhren beseitigt!
1.) S trahlungskühlung
Die maximale Wärmeflußdiehtea die unter Punkt 1 für Strahlungskühlung näher erklärt wurde, hängt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht oder nur unwesentlich von den Strahlungsgesetzen doh0 von der Tempe« raturdifferenz zwischen Target und Umgebung und den Oberflächenbescliaffenheiten ab3 sondern fast ausschließlich von äer Geschwindigkeit des Targets«, Diese kann leicht so weit gesteigert werden0 daß die Belastung des Röntgenbrennflecks erheblich größer ist als bei herkömmlicher Strahlungskühlung. Die Be» lastungsgrenze, und damit die (bei festgelegter Brennfleckgröße) maximale Röntgenstrahlungsdichte wird erreicht, wenn die gerade noch nicht zu einer Beschädigung führenden Temperatur des Targets bei größtmöglicher Targetgeschwindigkeit erzielt wird,,
2.) Kühlung mit Wasser, öl und anderen Flüssigkeiten Die maximale Wärmeflußdichte, die unter- Punkt 2 für Wärmeleitung und Flüssigkeitskühlung näher erklärt wurde, hängt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht oder nur unwesentlich von Größen wie Dickes Geometrie und Wärmeleitfähigkeit des Targets, Temperaturgradienten, Wärmekontakt mir der Kühlflüssigkeit, deren Geschwindigkeit usw. ab, sondern wiederum fast ausschließlich von der Geschwindigkeit des Targets. Letztere kann leicht so groß gemacht werden, daß die Belastung des Röntgenbrennflecks erheblich größer ist als bei herkömmlicher Wärmeleitungs- und
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Flüssigkeitskühlung. Die maximale Böntgenstrahlungsdiehte wird bei größtmöglicher Targettemperatur und Targetgeschwindigkeit ersielt»
Die Vorteile der Erfindung werden in den folgenden 3 Punkten noch einmal zusammengefaßt:
IJ Röntgenröhren mit erfindungsgemäßer mechanischer aarffi©abfuhr ermöglichen wesentlich höhere Röntgen-Strahlungsdichten als solche mit herkömmlicher Kühiauge Bei Brennflecken, die in Bewegungsrichtung dos Ba&äss bzw, Drahtes oder Fadens eine kleine Aus- äe^mmq: haben - sa3e. bei einem Mikrofokus in Strichfers vor* 50 i«a Breite « läßt sieh die Strahlungsdichte gegenüber hsrköißinlichen Röhren um sinige Zehnerpotenssn ti
Zo) Röntgenröhren mit erfindungsgemäßer mechanischer "iärffleabfiihr e^möglisheii höhere Strahlungsleistungen als solche mit herköiMsaliciier Kühlung und vergleich«
3β/ Bei Höatganröhren mit srfindungsgemäßer mechanischer Wärmeabfuhr ist das Verhältnis von Röntgenstrahliingsdieht© zu Mär-msatrahlmigsÄiohte bzw, das Verhältnis äer betreffenden Strahlungslsistungen in der Nähe des Brennflecks wesentlich gröi3er3 d,he günstiger im Sinne eines Wärmeschutzes das bestrahlten Gegenstands, als bei Röhren mit herkömmlich©:·? Kühlung,, Das srfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher relativ kalte Röntgenquellen.
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Claims (1)

  1. Ansprüche
    Verfahren zur Leistungssteigerung von Röntgenröhren, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ort des Röntgenbrennflecks durch den Beschüß mit Elektronen oder Ionen entstehende Wärme mechanisch abgeführt wird.
    2. Verfahren-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beschossene Targetstelle aus dem Bereich des Brennflecks mit einer solchen Geschwindigkeit verbracht wird, daß die Erwärmung der beschossenen Targetstelle unterhalb einer für das Target kritischen Temperatur bleibt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gleiche Targetstelle während einer Brenndauer der Röntgenröhre nur einmal kurzzeitig dem Elektronen- oder Ionenbeschuß ausgesetzt ist.
    ^. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target ein sehr großes Längen/Breiten-Verhältnis und/oder Längen/Dicken-Verhältnis aufweist und mittels geeigneter Einrichtungen in Richtung seiner größten Ausdehnung unter dem Elektronen- oder Ionenstrahl (3) vorbeigeführt wird.
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    Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) als Band ausgebildet ist.
    6., Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) als Faden ausgebildet ist,
    ?. Vorrichtung nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) ein Draht ist.
    8e Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4· bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) von eine Spule (6) abgeivickelt, über Führungsstifte (Ii) unter dem Elektronen- oder Ionenstrahl (3) vorbeigeführt und auf einer Spule (7) aufge iekelt wird.
    -9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) endlos ausgebildet ist.
    10, Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) eine einmal geschränkte endlose Schleife bildet.
    11, Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Targets (5) von einem Temperaturfühler gesteuert wird.
    12, Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler den Antrieb der Spule (6) und/oder der Spule (?) steuert.
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    13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Anspruches dadurch gekennzeichnet, äaß die Pührungsstifte (11) als Temperaturfühler ausgebildet sind»
    Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet9 daß die Fiihrungsstifte (Ii) gleichzeitig gur Strom» ableiteng dienen.
    15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet;, daß sich das ganze Target (5) im Vakuum befindete
    16„ Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet s daß sich das ganze Target (5) außerhalb des Vakuums befindet.
    17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorange» gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet;, da8 sich das Target (5) nur mit dem Teil Im Vakuum befindet, auf dem der Brennfleck erzeugt wird,
    ■ während sich der Rest des Targets außerhalb des Vakuums befindet.
    18. Vorrichtung nach Anspruch 1?» dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) durch Öffnungen (8)des Röhrenkörpers (1) (zcB. durch Schlitze, Löcher) über differenziell ausgepumpte Kammern (9) in das Vakuum hinein und aus dem Vakuum herausgeführt wird.
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    19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial Metall ist.
    20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial Nichtmetall ist.
    21.- Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) aus organischer Substanz besteht.
    22. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) aus einer Kombination verschiedener Substanzen besteht.
    23. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial aus metallisiertem Kunststoff besteht.
    24. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnt, daß das Target (5) ein metallisiertes Polyterephthalsäureesterband ist.
    25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (5) ein Nichtmetall ist, welches metallisiert ist (z.B. ein Quarzfaden).
    26. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
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    das Target (5) mit einer Schicht aus einem nichtmetallischen Leiter (z.B. Kohlenstoff) versehen ist«
    27. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ablenkung des Elektronenstrahls (3) eine Bewegung des Brennflecks (4) (z.Bo eine Scanbewegung) auf dem bewegten Target (5) (im Laborsystem) stattfindet.
    309832/021Ä
    ι *»
    L e e r s e i t e
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