DE2223953A1 - Röntgenröhre - Google Patents

Description

• Röntgenröhre Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre zur Erzeugung eines brillanten, monochromatischen Röntgenstrahles mit extrem niedriger Divergenz.
• Bei herkömmlichen Röntgenanordungen werden die Röntgenstrahlen erzeugt, indem ein schneller Elektronenstrom auf einen Brennfleck gerichtet wird, der häufig aus einer flachen metallischen Oberfläche besteht. Die Erzeugung von Röntgenstrahlen durch Elektronenbremsung und/oder Elektronenionisation beeinflußt den Spektralcharakter des erzeugten Röntgenstrahls. Die Röntgenstrahlerzeugung durch Elektronenaufprall besitzt einen extrem geringen 'Zirkungsgrad, und dementsprechend sind herkömm-Licht Vorrichtungen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen von sich '!U: Beschränkungen unterworfen, die die Menge der erzeugten Röntgenstrahlen beeinflussen. Wegen des extrem geringen Wirkungsgrades der Röntgenstrahlenerzeugung durch Elektronenbeschuß muß eine enorme Elektronenenergie auf den Brennfleck auftreffen, um eine brillante Röntgenstrahlerzeugung zu gewährleisten. Die Intensität der Elektronenenergie pro Flächeneinheit und dementsprechend die Brillanz der Röntgenstrahlen werden durch den Charakter des I2Iaterials, aus dem der Brennfleck besteht, begrenzt. Die große Elektronenergie verursacht eine deutliche Erhitzung, eine Verzerrung und schließlich eine Verschlechterung des targets bei herkömmlichen Vorrichtungen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Metalle wie Wolfram, Platin, Molybdän und Kupfer werden oft als Brennfenster in Röntgenröhren wegen ihrer hohen Atomzahl, ihres hohen Wirkungsgrades bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen, ihrer hohen Schmelzpunkte und/oder ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit verwandt. Auch der Wirkungsgrad dieser Röhren bezüglich der Umsetzung der Elektronenenergie in Röntgenstrahlen-Photonenergie liegt nur etwa bei 1 %. Der Großteil der Elek:tronenenergie' der auf den Brennfleck aufgebracht wird, wird als Wärme abgeleitet, um ein Schmelzen zu verhindern.
• Die Brillanz der Röntgenstralllenquelle, nämlich die Röntgenstrahlungskraft pro Flächeneinheit, kann erhöht werden, indem man die Größe des Brennflecks verringert und indem man das umgebende Metall den Brennfleck wirkunsvoller abkühlen läßt.
• Dies wird erreicht, indem man die Elektronenenergieladung pro Flächeneinheit des Brennflecks erhöht. Jedoch wird dadurch auch die gesamte Elektronenenergiezufuhr und die gesamte erzeugte Röntgenstrahlenenergie verringert. Bei handelsüblichen Röntgenröhren wird ein vertretbarer Ausgleich zwischen der geamten Röntgenstrahlenenergie und der Brillanz der Quelle erreicht. Dieser Ausgleich hängt von dem Anwendungsbereich der jeweiligen Röntgenröhre ab.
• Versuche, die Röntgenquelle mit Hilfe von Linsen zu fokussieren, sind fehlgeschlagen, da alle Materialien einen Brechungsindex für Röntgenfrequenzen besitzen, der sich von 1 nur in der 5e Stelle unterscheidet. Daher ist die Herstellung einer Linse für Röntgenstrahlen nahezu unmöglich. Einkristall-Rontgenmonochrometer können einen Röntgenstrahl fokussieren und die spektrale Verteilung verändern. Das Bolrussieren eines Röntgenstrahles unter Verwendung eines llonochrometers wird durch einen gebogenen Einkristall erreicht, der den Röntgenstrahl ablenkt und ihn auf eine bestimmte Fläche fokussiert. Dadurch wird die Intensität einer bestimmten Wellenlänge relativ zu anderen Wellenlängen erhöht, jedoch die Gesamtbrillanz der Röntgenquelle vermindert. Somit ist die Forderung nach einer intensiven Röntgenquelle mit niedriger Divergenz bislang unerfüllt geblieben, und zwar im wesentlichen, weil die Röntgenstrahlenerzeugung durch Elektronenbeschuß ein Verfahren mit extrem niedrigem Wirkungsgrad darstellt.
• Die Anwendung von Röntgenstrahlen in der diagnostischen Radiografie, der therapeutischen Radiografie, der metallurgischen Ablenkung und der metallurgischen Radiografie verlangt nicht nur einen Röntgenstrahl mit hoher Intensität,- sondern auch einen monochromatischen Röntgenstrahl mit niedriger Divergenz.
• So kann beispielsweise eine diagnostische Radiografie ohne Halbschatteneffekte, die die Bildauflösung bei der Radiografie vermindert, erreicht werden, wenn eine Röntgenquelle mit niedriger Divergenz verfügbar ist. Diagnostische Radiografie wird gegenwärtig mit polychromatischen-Röntgenstrahlen versucht, die entsprechend gefiltert sind, um einen teilweise monochromatischen Strahl zu erzeugen. Das Filter vermindert die Intensität der kurzwelligen Strahlung erheblich, während jedoch die langwellige Strahlung in ihrer Intensität nicht in entsprechender Weise verringert wird. Die größeren Wellenlängen werden bevorzugt in der radiografierten Fläche auf der Haut und den Oberflächenlagen absorbiert und erzeugen unerwünschte radiologische Effekte. Eine Röntgenquelle hoher Intensität verringert die Zeit, in welcher der Patient der Strahlung ausgesetzt. ist, so daß keine Verzerrung aufgrund von Bewegungen innerhalb des Radiografen auftritt.
• Bei der therapeutischen Radiografie ist die akkumulierte radiologische Dosierung wichtig. Es besteht daher ein Bedarf an einem Röntgenstrahl mit niedriger Divergenz, der von dem kranken Organ absorbiert wird. Ein Röntgenstrahl ohne Divergenz kann auf das Organ gerichtet werden, ohne daß sich der Strahl verteilt. Eine monochromatische Röntgenquelle gestattet eine nahezu gleichmäßige Absorption durch das Organ infolge entsprechender Auswahl der Wellenlänge. Wenn der Röntgenstrahl in bezug auf den Gegenstand gedreht wird, liefert er eine stark akkumulierte Strahlungsdosierung innerhalb des kranken Organs.
• Die metallurgische Beugung erfordert einen monochromatischen, intensiven Röntgenstrahl mit niedriger Divergenz. Ein derartiger Röntgenstrahl führt zu einem verbesserten Winkel-Auflösungsvermögen des Beugungssystems bei einer verbesserten Anzeige von Störungen innerhalb des Beugungssystems und erzeugt einen intensiven, gebeugten Röntgenstrahl zur schnellen Aufzeichnung des Beugungssystems mit beachtlichem, statistischem Niveau.
• Die metallurgische Radiografie kann durch die Verwendung einer monochromatischen Röntgenquelle mit niedriger Divergenz verbessert werden. Die niedrige Divergenz verringert die Halbschatteneffekte und verbessert das Auflösungsvermögen innerhalb des Radiografs. Der Kontrast im Radiograf kann durch die Auswahl der Wellenlänge des Röntgenstrahles, so daß er nur teilweise innerhalb des radiografierten Gegenstandes absorbiert wird, erhöht werden.
• Die Erfindung schafft eine Röntgenquelle zur Erzeugung eines intensiven monochromatischen Röntgenstrahles mit extrem niedriger Divergenz.
• Nach der Erfindung werden die Röntgenstrahlen zunächst durch Elektronenionisation eines Beststoffes und/oder Abgrenzung von Elektronen, die von einer Elektronenquelle emittiert werden, erzeugt. Die erzeugten Röntgenstrahlen werden durch wiederholte Ablenkung der Strahlen innerhalb des Bereichs, in dem die Strahlen erzeugt werden, gesammelt. Die Röntgenquelle emittiert meist abgelenkte Röntgenstrahlen. Das Ablen'sungsverfahren besitzt einen hohen Wirkungsgrad, so daß der endgültige Abgabebereich eine intensive Emissionsfläche ist, die eine Röntgenquelle mit extrem hoher Brillanz darstellt. Die emittierten Röntgenstrahlen sind spektralanalytisch monochromatisch in einer vorgegebenen Richtung, und außerdem ist die Divergenz. die der Schwingungskurvenweite, normalerweise 10 4 rad in der Ebene, in der die Normale zur (hkl)-T'yp Ablenkungsfläche und die Zentralachse der Elektronenemissionsfläche liegt. In einer Ebene senkrecht zu dieser Emissionsebene bestimmt die Geometrie der Quelle die Divergenz der Erzeugungsstrahlen.
• Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung zur Erzeugung eines intensiven monochromatischen Röntgenstrahles mit geringer Divergenz eine evakuierte Röhre auf, die eine mit einer Aussparung versehene Einkristall-Anode besitzt, die die Röntgenstrahlen-Emissionsfläche darstellt und mit einem dünnen Film eines in wirtschaftlicher Weise Röntgenstrahlen erzeugenden Materials überzogen sein kann. Außerdem besitzt die Vorrichtung eine Elektronenquelle, die vorzugsweise aus einem Heizfaden besteht. Die Vorrichtung kann außerdem eine Kühl anordnung sowie eine Diagonalkappe und eine Kathodenkappe aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen ist der Heizfaden in einem Abstand zu der Aussparung in dem Einkristall angeordnet, und die von dem Heizfaden emittierten Elektronen erzeugen Röntgenstrahlen auf den Oberflächen der Aussparung Ein geringer Prozentsatz der erzeugten Röntgenstrahlen wird durch die Oberfläche der Aussparung diagonal von dem Ausgangspunkt der Straten abgelenkt. Jeder einzelne Röntgenstrahl wird in dieser Weise wiederholt abgelenkt, während er die Aussparung durchläuft, bis er schließlich aus der Offnung der Aussparung in dem Einkristall emittiert wird.
• Der Einkristall besitzt über die Gesamtlänge der Aussparung eine solche Quali-tät5 daß ein Röntgenstrahl der Emissionsstrahlung oder der Dauerstrahlung in t~berèinstimmung mit dem Braggschen Gesetz entlang der Aussparung in dem Kristall wiederholt abgelenkt wird. Die Qualität des Einkristalles ist derart, daß die (hkl)-Typ-Ebenen, die als Ablenkungsebenen bestimmt sind, an einem Ende des Kristalls nahezu parallel zu den (hkl)-Ebenen am anderen Ende des Kristalls ausgerichtet sind. Eine vielfache Ablenkung erfolgt von den (hkl)-Dyp-Ebenen über die gesamte Länge der vertikalen Flächen der Aussparung zur Erzeugung eines intensiven,monochromatischei, brillanten Röntgenstrahls mit geringer Divergenz.
• Die Erfindung soll im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen näher erläutert werden. Dabei zeigt: Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Einzelteile der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, Fig. 2 die Draufsicht auf eine evakuierte Röhre, die die Röntgenstrahlenquelle einschlieSt, Fig. 3 einen Schaltplan für den Heizfaden, die Kathode und die Einkristall-Anode, Fig. 4 einen Aufriß der Röntgenstrahlenquelle, der die Anordnung des Elektronenemnssionssystems innerhalb der Röntgenquelle erläutert, Fig. 5 die Draufsicht auf die Röntgenquelle näch Fig. 1, in welcher schematisch ein Strahlendiagramm der Röntgenquelle nach Fig. 1 erläutert wird, -Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Röntgenstrahlenquelle, in welche schematisch ein Strahlendiagramm einer anderen Ausführungsform der Röntgenstrahlenquclle erläutert wird, und Fig. 7 eine graphische Darstellung der Röntgenstrahlenintensität unter verschiedenen Winkeln in bezug auf die Strahlenquelle.
• Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besitzt die Strahlenquelle 10 eine Einkristall-Anode 12, die vorzugsweise die Form eines Quaders 14 mit einer Längsaussparung 16 hat, wodurch eine Grundplatte 18 und aufrechtstehende Seitenwände 20, 22 gebildet werden. Die inneren Oberflächen 24, 26 der Seitenwände sind Röntgenstrahlen emittierende Flächen zur Erzeugung und Ablenkung von Röntgenstrahlen, wie nachstehend noch näher erläutert wird.
• Die tualitat des Einkristalles ist wichtig für die Strahlenquelle. Der Kristall muß eine ausreichende Gleichmäßigkeit über die Länge der Aussparung haben um zu gewährleisten, daß ein Röntgenstrahl der Emissions- oder Dauerstrahlung wiederholt entlang der Aussparung innerhalb des Kristalls nach dem Braggschen Gesetz abgelenkt wird. Dieses Erfordernis schränkt die Fehlorientierung innerhalb eines Einkristalls insofern ein, als die (hkl)-Typ-Ebenen, die als Ablenkungsebenen an einem Ende des Kristalls ausgewählt worden sind, nahezu parallel zu den (hkl)-Typ-Ebenen am Ende des Kristalls ausgerichtet sein müssen. Wenn die (hkl)-Typ-Ebene an einem Ende des Kristalls und das dazwischenliegende Material innerhalb der Breite der Röntgenstrahlen-Schwingungskurve ausgerichtet sind, so erfolgt eine vielfache Ablenkung von den (hkl)-Typ-Ebenen über die gesamte Länge der Aussparungsflächen 24 und 26. Um eine wiederholte Ablenkung des Strahles von dem Kristall auf jeder Seite der Aussparung zu gestatten, muß der Kristall auf einer Seite der Aussparung innerhalb der Breite der Röntgenstrahlen-Schwingungskurve auf den Teil des Kristalls auf der anderen Seite der Aussparung äusgerichtet sein. Es ist bei der Herstellung von Einkristallen bekannt, daß Fehlorientierungen bei unverformten Einkristallen von hoher Qualität auf Fehlstellen in der Form der Unterkorngrenzen zurückzuführen sind. Fehlstellenfreie Kristalle sind daher für eine Röntgenquelle mit vielfacher Ablenkung bevorzugt, jedoch können auch Einkristalle, die nicht fehlstellenfrei sind, Verwendung finden.
• Eine Diagonalkappe 28 ist innerhalb der Röntgenquelle vorgesehen, um die senkrechten Seitenwände des Einkristalls gleichmäßig mit Elektronen anzustrahlen. Die Diagonalkappe ist an die Geometrie des Einkristalls angepaßt und besteht vorzugsweise aus einem länglichen Blech 13 eines geeigneten Metalles wie beispielsweise Edelstahl, das in der Weise gebogen ist, daß es eine mittlere Einbuchtung 32 bildet die in die Aussparung16 des Einkristalls hineinpaßt. Ein Paar Längsschlitze 34, 36 sind in den Seitenteilen der Diagonalkappe vorgesehen und liegen den entsprechenden Seitenwänden 24, 26 der Einkristallaussparung gegenüber. Die Diagonalkappe paßt in die Einkristallaussparung hinein, ohne diesen jedoch zu berühren. Wie nachfolgend noch eingehend beschrieben wird, wird ein Erregungspotential an die Diagonalkappe angelegt, um eine Beschleunigung der Elektronen durch die Schlitze innerhalb der Diagonalkappe in Richtung auf dieröntgenemittierenden Flächen 24, 26 zu gewährleisten. Die Diagonalkappe dient außerdem als Schirm zur Absorption gestreuter Röntgenstrahlen.
• Eine Elektronenquelle, vorzugsweise ein langer Heizfadent38, hängt innerhalb der Diagonalkappe und bildet zusammen mit dem Kathodenschirm 40 eine gleichmäßige Elektronenquelle für die Schlitze 34 und 36 innerhalb der Diagonalkappe. Die Elektronen bewegen sich durch die Schlitze auf die Röntgenstrahlen emittierenden Flächen des EiSiristalls. Der Kathodenschirm bietet außerdem einen Schutz, indem er gestreute Röntgenstrahlen absorbiert.
• Eine geeignete Kühlvorrichtung ist an der Röntgenquelle vorgesehen. Eine Anodenplatte 42 kann verwendet werden, um in einer bekannten Weise den Einkristall einzuschließen und zu kühlen.
• Die Kühlung des Kristalls kann erreicht werden, indem eine Kühlflüssigkeit direkt durch den Einkristall geleitet wird oder indem der Einkristall thermisch an die Anodenplatte 42 angeschlossen wird, während man die Anodenplatte kühlt. Eine angemessene Kühlung ist erforderlich, um die einwandfreie Beschaffenheit der die Röntgenstrahlen emittierenden Oberflächen vor thermischer Verformung, Beschädigung und Verschlechterung zu bewahren und in schneller Weise die Energie abzuführen, die auf den großen Brennfleck übertragen wird.
• Der Einkristall, der Heizfaden, die Diagonalkappe, der Kathodenschirm sowie die Anodenplatte sind zum Betrieb innerhalb einer evakuierten Röhre 44 angeordnet, die in Fig. 2 dargestellt ist.
• Wie Fig. 2 zeigt, befindet sich die Röntgenstrahlenquelle innerhalb der evakuierten Röhre 44, die aus einem evakuierten Gehäuse 46, vorzugsweise aus Metall mit einer Glas-Metallabdichtung 48, die ein Hochspannungs-Glasisolationsteil 50 trägt,beaeht.
• Das Isolationsteil 50 weist eine große zentrale Aussparung 52 auf, wahrend in der Abschlußwand 59 elektrische Durchführungen 54, 56 und 58 vorgesehen sind, die mit der Hochspannungszuführung 60, der Diagonalzuführung 62 und der Heizdrahtzuführung 64a in Verbindung stehen. Die Röntgenstrahlen-Anodenplatte 43 und der Einkristall 14 sind innerhalb des Röhrengehäuses durch die Halterungen 64 und 66 befestigt. Die vordere Halterung 66 richtet die gesamte Röntgenröhre und damit die Röntgenstrahlen 68 und 70 in bezug auf den äußeren Teil der Vorrichtung aus. Ein Paar Berglliumfenster 23 und 29 sind am Ende der Röhre vorgesehen, um einen Ausgang für die Röntgenphotonen aus der Röhre zu schaffen.
• Die Röntgenröhre wird gekühlt, indem eine Flüssigkeit durch die Kiihlmittelzuführugsleitung 72 eingeleitet wird. Die Eühlflüssigkeit verläßt die Röntgenröhre durch die Abführungsleitung 74, nachdem die Anodenplatte 42 abgekühlt wurde.
• Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, ist für die Röntgenstrahlenquelle eine elektrische Schaltung 81 vorgesehen, um freie Elektronen zu erzeugen und diese Elektronen in Richtung auf die Röntgenstrahlen emittierenden Oberflächen der Einkristallanode zu beschleunigen. An die Röntgenquelle ist ein'konstantes Potential oder eine Gleichspannung in der Weise angelegt, daß die Röntgenanode 12 unter einer hohen positiven Spannung, nämlich der Erregungsspannung V1in bezug auf die Eathodes kappe 40 und die Diagonalkappe steht, wobei an die Diagonalkappe und die Kathodenkappe die gleiche Spannung angelegt ist, wäh rend der Heizfaden unter einer kleinen negativen Spannung V2 in bezug auf die Diagonalkappe und die Kathodenkappe gehalten wird. Der Schaltkreis für den Heizfaden legt die Spannung V3 an den Heizfaden 38 an, um Elektronen zu erzeugen, die zwischen der Diagonalkappe .30 und der Röntgenanode 12 beschleunigt werden. Die Diagonalspannung V2 gestattet ein vollständiges Ausnützen der Elektronenerzeugungsoberfläche des Heizfadens und eine bessere Elektronenanstrahlung der senkrechten Seitenwände des Einkristalls.
• Die Spannung V1, die zwischen der Diagonalkappe und dem Einkristall liegt, beschleunigt die durch den Heizfaden erzeugten Elektronen. Die Diagonalkappe, die Eathodenkappe und der Heizfaden bewerkstelligen in ihrer Kombination eine Verteilung der Elektronen über die Längsschlitze in der Diagonalkappe. Die Elektronen werden beschleunigt und erzeugen Röntgenstrahlen auf den Röntgenstrahlen-Emissionsoberflächen 24 und 26 innerhalb der Aussparung 16 des in Fig. 1 dargestellten Einkristalls.
• Die Anordnung der Diagonalkappe und des Heizfadens gewährleistet außerdem eine Stabilität und Kontrolle über den Elektronenstrom, indem der Heizfaden von dem direkten Einfluß des Beschleunigungspotentials isoliert wird. Die liniengleichen Potentiale 82 sowie die Bahnen 84 der Elektronen -innerhalb der Aussparung des Einkristalls sind in Fig. 4 dargestellt. Die Elektronen, die von dem Heizfaden 38 (Fig. 4) emittiert werden, bewegen sich durch die Längsschlitze 34, 36 in der Diagonalkappe 30 und treffen auf die Oberflächen 24 und 26 des Einkristalls 14 auf. Auf der Oberfläche des Einkristalls ionisiert je ein Elektron ein Atom und/oder wird abgebremst, um dabei einen Röntgenstrahl zu erzeugen. Der Boden 31 der Diagonalkappe beeinflußt die vielfache Ablenkung des Röntgenstrahles innerhalb der Längsaussparung nicht. Die Elektronen, die in Fig.4 dargestellt sind, treffeh den Einkristall 14 gerade unterhalb des Bodens 31 der Diagonalkappe 90 und gestatten einen freien Ubergang der Röntgenstrahlen von der Oberfläche 24 auf die Oberfläche 26, ohne daß dabei der Boden 31 der Diagonalkappe berührt wird.
• Die Kathodenkappe 40 beschleunigt die emittierten Elektronen von der Oberseite des Heizfadens 38 in Richtung auf die Längsschlitze innerhalb der Diagonalkappe. Dadurch ist eine volle Ausnützung des gesamten Heizfadens sowie eine kontrollierte Bestrahlung der Längsschlitze in der Diagonalkappe mit Elektronen gewährleistet. Die Kathodenkappe sowie auch die Diagonalkappe bilden einen Schirm, indem sie gestreute Röntgenstrahlen absorbieren.
• Betrachtet man nun die Figur 1 im Betriebs zustand,- so bewegt sich ein an dem erhitzten Heizfaden erzeugtes Elektron in Richtung auf den Längsschlitz in der Diagonalkappe und wird durch das Erregungspotential zwischen der Diagonalkappe und dem Einkristall stark beschleunigt. Wenn es auf die Röntgenstrahlen emittierende Oberfläche 24 oder 26 auftrifft, erregt das Elektron ein Atom oder wird abgebremst und erzeugt einen Röntgenstrahl, der bei der Bezugsziffer 15 emittiert wird und durch den Einkristall an der (hkl)-Ebene, die parallel zu der Oberfläche 26 liegt, abgelenkt. Dieser Strahl wird auch durch die Ebene (hkl) an der Oberfläche 24 abgelenkt. Schließlich wird er als Röntgenstrahl 17 emittiert.
• Wie Fig. 2 zeigt, wird ein Röntgenstrahl bei 19 emittiert und wird wiederholt durch den Einkristall entlang der vertikalen Seitenwände der Aussparung 16 abgelenkt. Dieses Röntgenstrahlphoton 68 wird schließlich durch den Brennfleck 21 emittiert und verläßt das evakuierte Gehäuse durch das Berylliumfenster 23.
• 2 Röntgenstrahlenphotonen innerhalb des kontinuierlichen Spektrums werden an den vertikalen Wänden des Einkristalls bei den Bezugsziffern 25 und 27 emittiert. Diese Röntgenstrahlenphotonen 69 und 70 werden nicht abgelenkt und durchlaufen direkt das Berylliumfenster 2"). Der Röntgenstrahl 68 ist 20mal abgelenkt wordel, bevor er von dem Brennfleck 21 emittiert wurde. Dieses Röntgenstrahlenphoton hat nahezu die gesamte Länge der Aussparun{'J in dem Einkristall durchlaufen und entspringt somit einer 20f ach größeren Fläche, als dies bei einer herkömmlichen Röntgenstrahlenquelle mit einem Brennfleck von der Größe des Brennfleckes 21 der Fall ist. Bei einer vergleichbaren Elektronenladung pro Flächeneinheit der senkrechten Seitenwände und einer vergleichbaren Divergenz ist diese Röntgenstrahlenquelle beträchtlich intensiver.
• Die Figuren 5 und 6 erläutert die Geometrie verschiedener Einkristallausaparungen und im besonderen die Geometrie von Röntgenstrahlen, die in bbereinstimmung mit dem Braggschen Gesetz wiederholt abgelenkt werden. Die Figur 5 zeigt einen Einkristall 14 mit einer Aussparung 16, die die Seitenwände 24 und 26 sowie eine zentrale Achse A-A besitzt. Bei dem dargestellten Einkristall sind die (hkl)-Typ-Ebenen 90 so orientiert, daß die Spur einer jeden (hkl)-Typ-Ebene eine senkrecht zur Seitenwand verlaufende Linie bildet (dargestellt durch den Punkt B in Figur 5), die senkrecht zur zentralen Achse A-Á liegt. Jede (hkl)-Ebene bildet mit der zentralen Achse und den Seitenwänden der Aussparung einen Winkel. Bei dieser Geometrie verlauft die Ebene mit der höchsten Röntgenstrahlenintensität eines emittierten Strahles durch das Zentrum der aussparung, liegt parallel zur zentralen Achse der Aussparung und teilt die Seitenwände 24 und 26 in Fig. 1 in zwei Hälften. Dieses ist die Emissionsebene, die in Fig. 5 dargestellt ist. Die Spur des Brennflec'-es in der Emissionsebene-wird durch die Geometrie der Aussparung, die Kristallographie der Aussparung und die Geometrie der Ablenkung bestimmt. Die Röntgenstrahlen, die von der Quelle emittiert werden, verlassen die Anordnung als Röntgenstrahlsektor, der durch die Geometrie des Targets bestimmt wird. Die Weite der emittierten Röntgenstrahlen beläuft sich auf: 1 = w cos wobei 1 die Weite des emittierten Röntgenstrahles, w die Weite der Aussparung und # der Winkel, der von dem emittierten Strahl und der zentralen Achse A-A gebildet wird, ist. Der Winkel ergibt sich aus der Geometrie der Figur 5: # = #B # α, wobei #B der Einfallswinkel (und Ablenkungswinkel) eines Röntgenstrahles ist, der nach dem Braggschen Gesetz abgelenkt wurde.
• In Fig. 5 soll nun ein Röntgenstrahl der Wellenlänge betrachtet werden, der bei C emittiert wird. Von dort aus läuft er zu Punkt D, wo er das Braggsche Gesetz für die (hkl)-Ebene erfüllt #B=sin-1 (#/2dhkl), wobei d die Entfernung zwischen den (hId)-Ebenen ist. Dieser Röntgenstrahl wird zum Punkt E abgelenkt. Bei E erfüllt der Röntgenstrahl ebenfalls das Braggsche Gesetz, da E ein Teil, des gleichen Einkristalls wie bei D ist. Demgemäß liegt bei E eine (hkl)-Ebene, die parallel zur (hkl)-Ebene bei D liegt. Die eingeschlossenen Winkel zwischen den parallelen Ebenen sind gleich. Auf diese Weise trifft der Röntgenstrahl von der Rückseite auf die (hkl)-Ebene bei E gerade unter dem Braggschen Winkel und wird daher abgelenkt. Die Röntgenstrahlen~können vom Ende der Aussparung als zwei Strahlen emittiert werden. Dieses wird in Fig. 5 für eine gerade abschließende Aussparung dargestellt. In Big. 5 verlassen die von den Punkten C und F ausgehenden Röntgenstrahlen die Aussparung in verschiedenen Richtungen mit der Breite w cos (#B # α).
• Die Geometrie der Aussparung in Fig. 6 ergibt einen einzigen Röntgenstrahl, der für viele Anwendungen geeigneter ist. Bei dieser Ausbildung liegen sich die Enden der Aussparung nicht genau gegenüber, und die Röntgenstrahlen, die bei G und H erzeugt werden, werden jeweils bei J, K und L, M abgelenkt und werden von der Röntgenquelle in parallelen Richtungen emittiert. Die Weite 1 des Röntgenstrahles für die ungleichmäßig endende Aussparung ergibt sich zu w sin 2 #B/sin (#B#α).
• Die Intensität des Emissionastrahles ist in Fig. 7 über dem Winkelb grafisch dargestellt. Der Hauptanteil der Intensität des Röntgenstrahles, wennQ gegen Null geht und gegen Null geht, rührt von Röntgenstrahlen her, die nicht abgelenkt worden sind.
• Diese Strahlen sind polychromatisch und haben eine Divergenz, die sich nach der Geometrie der Röntgenquelle wie bei herkömmlichen Quellen bestimmt. Demnach kann bei kleinen Winkeln die Vielfach-Röntgenstrahlenquelle eine herkömmliche Quelle sein.
• Bei größeren Winkeln # wächst die Intensität des Röntgenstrahles infolge der wiederholten Ablenkung an. Hier besteht ein großer Anteil aus nicht divergenter, monochromatischer Strahlung bei einer festen Winkelgröße # . Die Strahlung bei den Winkelgrößen #1 und #2 in Fig. 7 beruht auf der Chrakteristik der Strahlung, die von dem Material auf der Oberfläche der Aussparung emittiert wird jeweils entsprechend den Röntgenstrahlungslinien Kß und Kα α . Ein Strahlungsfenster bei t 2 ist eine gute Auswahl für ein monochromatisches, nichtdivergentes Röntgenstrahlfenster. Die charakteristischen L-Linien werden bei den höher numerierten Winkeln für ¢ dargestellt.
• Die Oberflächen 24 und 26 der Aussparung in Fig. 1 müssen nicht aus dem gleichen Material wie der Einkristall bestehen. Diese Oberflächen können mit einer sehr dünnen Schicht eines zweiten Materials überzogen sein, was einen hohen Röntgenstrahl-Erzeugungswirkungsgrad hat, wie beispielsweise Wolfram, Platin, Holybdän oder Kupfer, das auf einem Silicium-Einkristall aufgebracht ist. Diese Lage muß dünn genug sein, daß sie von den Röntgenstrahlen durchdrungen werden kann, jedoch dick genug, um einen großen Teil der Elektronen, die auf die Seiten der Aussparung auftreffen, zu absorbieren. Die Röntgenstrahlen, die in der Oberflächenschicht erzeugt werden, werden durch das material der Oberflächenschicht charakterisiert, wobei jedoch diese Röntgenstrahlen durch den Einkristall unter der dünnen Oberflächenschicht abgelenkt werden. Die Qualität der Oberflächen 24 und 26 in Fig. 1 ist insofern wichtig, als eine leicht abgeschliffene Oberfläche auf einem einwandfreien Einkristall'die Röntgenstrahlen mit einer größeren Divergenz reflektiert, als dies ein einwandfreier Kristall tun würde, wodurch eine intensivere Röntgenstrahlung entsteht. Die Oberfläche des Einkristalls kann überzogen oder abgeschliffen sein-oder sich im ursprünglichen Zustand befinden, je nach der Verwendung der Röntgenstrahlenquelle.
• Die Röntgenstrahlenquelle mit vielfacher Ablenkung besitzt die folgenden zweckmäßigen und bevorzugten Ausführungsformen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Für die Anwendung bei der diagnostischen Radiografie erfordert die Röntgenröhre eine durchdringende Strahlung, von der etwa 70% beim Durchgang durch den radiografierten Gegenstand absorbiert werden. Mo Kα-Strahlung soll als die geeignete Wellenlänge für einen Radiograf eines spezifischen Gegenstandes angesehen werden.
• Der Einkristall in der Röntgenröhre ist nach dem Czochralski-Verfahren aUJ Silicium hergestellt und mit der (110)-Richtung parallel zur Längsachse des Siliciumkristalls ausgerichtet. Die vertikalen Seitenwände der Längsaussparurlg in dem Einkristall werden als (111)- und (111)-Ebenen in dem Einkristall gewählt.
• Die Oberfläche der senkrechten Wände innerhalb der Aussparung lÇann mit einer dünnen LJage Hoi'1bdä.n bis zu einer Stärke von 1000 i überzogen sein. Die Röntgenröhren mit einer Erregungsspannung V1 von etwa 100 kV und einem Röhrenstrom von 1000 mA benötigen eine große Fläche, um die erzeugte Hitze abzugeben.
• Eine derart große Energie kann durch die größe Fläche der Seitenwandungen des mit einer Aussparung versehenen Eimkristalls abgegeben werden, wenn der Kristall einen Peter lang ist. Die Aussparung kann 3 mm breit sein, und die Röntgenstrahlen emittierende Höhe etwa 5 mm. Die Elektronenenergie, die pro Fläche einheit an die vertikalen Seitenwände abgegeben wird, liegt um die Hälfte einer Zehnerpotenz unter der Energie, die pro Xlächeneinheit in einer herkömmlichem Röntgenablenkungsröhre auftritt, obwohl die Gesamtenergie vergleichbar ist mit der'Energie, mit welcher eine radiografische Einheit mit rotierender Anode beschickt wird. Die Mo Kα-Röntgenstrahlen für die (333)-und (333)-Ebenen innerhalb der senkrechten Seitenwände der Aussparung werden etwa 100mal abgelenkt, wenn sie die gesamte Länge der Aussparung durchlaufen. Etwa 5096 der wiederholt abgelenkten Röntgenstrahlen werden von der molybdänüberzogenen Oberflächenschicht und dem Silicium-Einkristall absorbiert. Die verwendbare Intensität von einer rotierende Anode und der erfindungsgemäßen Quelle mit vielfacher Ablenkung ist miteinander vergleichbar, obwohl die rotierende Anodenröhre zwar ein wenig intensiver ist, jedoch eine viel größere Divergenz bei einem polychromatischen Strahl in der Emissionsebene aufweist. Somit wird durch eine geringe Erhöhung der Einwirkungszeit der durch die langen Wellenlängen verursachte radiologische Schaden sn den Oberflächenschichten des Gegenstandes vermieden, während zusatzlich das Auflösungsvermögen des Radiografen beträchtlich verbessert wird.
• Die Röntgenquelle mit vielfacher Ablenkung kann außerdem zur metallurgischen Untersuchung eingesetzt werden, um die Atomstruktur oder den mikrostrukturellen Charakter bestimmter Materialien zu ermitteln. Es soll die Beugungsröhre und das -Diffraktometer betrachtet werden, das zur Aufzeichnung des Pulveraufbaues auf einem 2 -Abtast-Röntgendiffraiftometer verwendet wird.
• Das Röntgendiffraktometer soll das Auflösungsvermögen der ge--beugten Röntgenstrahlen verbessern. Dieses wird erreicht, indem die horizontale Divergenz der Röntgenstrahlenquelle und die horizontale Divergenz des gebeugten Strahles vermindert werden, wodurch das Auflösungsvermögen des Instrumentes verbessert wird.
• Die Verminderung der horizontalen Divergenz schränkt die Intensität des gebeugten Röntgenstrahles stark ein. Wenn der auf die Pulverprobe auftreff ende Röntgenstrahl in sich paralleler, monochromatisch und intensiv wäre, würde der gebeugte Strahl eine höhere Intensität haben und bei dem gleichen Auflösungsvermögen geringere Störungen aufweisen. Die folgende Vielfach-Diffraktionsröntgenquelle erzeugt monochromatische, brillante Röntgenstrahlen mit niedriger Divergenz.
• Der zentrale Kristall besteht aus einem nach dem Czochralski-Verfahren hergestellten Germaniun-Einkristall mit einer niedrigen Fehlstellendichte, wobei die (111)-Richtung im Kristall parallel zu der Längsachse der Aussparung liegt. Die vertikalen Seitenwände der Aussparung sind so gewählt, daß sie mit den (110)- und (110)-Ebenen zusammenfallen. Bei dieser Geometrie liefert eine Aussparung von 50 cm Länge, 5 mm Höhe und 5 mm Breite einen intensiven Röntgenstrahl. Die (220)~ und (220)-Ebenen besitzen einen Braggschen Winkel von 180 bei einem Ge K. -Röntgenstrahl. Der Strahlenausgang in demeiiischließenden Gehäuse ist so gewählt, daß er diesen Ge Eb -Röntgenstrahl hindurchläßt. Ein Erregungspotential von 35 kr und 400 mA erzeugt eine Energieladung von etwa 280 WattXcm2 auf der Germaniumoberfläche. Die Gesamtenergie, die der Röhre zugeführt wird, ist zwei GröBenordnungen höher,als bei herkömmlichen Diffraktometerröhren verfügbar ist, und die Energieladung pro Flächeneinheit liegt etwa eine Größenordnung unter derjenigen der herkömmlichen Diffraktometerröhre. Der endgültige Brennfleck weist eine Breite von 5 mm mit einer senkrechten Höhe von 5 mm und der Ge E x -Röntgenstrahl weist eine um zwei Größenordnungen niedrigere horizontale Divergenz und die Hälfte der vertikalen Divergenz einer herkömmlichen Diffraktionsröhre auf.
• Zusätzlich ist der Röntgenstrahl monochromatisch. Der gebeugte Strahl ist, da der auftreffende Röntgenstrahl eine hohe Brillanz besitzt und monochromatisch ist, praktisch frei von jeglichen Störungen. Außerdem ist der gebeugte Strahl zwei Größe ordnungen intensiver, als dies gegenwärtig mit herkömmlichen Diffraktionsröhren erreicht werden kann. Dies ermöglicht dem Röntgentaststrahl des 2 #-Winkels, 100mal schneller fortzuschreiten und dabei die gleichen Zählstatistiken beizubehalten.
• Für die metallurgische uhd diagnostische Radiografie ist oft ein Röntgenstrahl mit kurzer Wellenlänge erforderlich. Eine Röntgenquelle aus einem nach dem Czochralski-Ziehverfahren hergestellten Wolfram-Einkristall mit der (001)-Richtung entlang der Längsachse des Kristall bildet eine Kristallaussparung für die Röntgenquelle, die Wolfram -Röntgenstrahlen emittiert.
• Die Seitenwände der Aussparung liegen bei dieser Geometrie in der (320)-Ebene und der (320)-Ebene. Die Beugungsebene ist die (660)-Ebene in der (320)-Wand und die (660)-Ebene in der (,20)- Wand. Bei dieser Geometrie ist der Winkel α in Fig. 6 11,310.
• Der Wolfram-7id, -Röntgenstrahl, der von den (660)-Ebenen abgelenkt ist, besitzt einen Braggschen Winkel von 16,50. Der Kα-Röntgenstrahl bildet einen Winkel von 27,90 und 5,30 mit der Längsachse der aussparung. Der Röntgenstrahl, der von einem-Kristall mit ungleichmäßig endender Aussparung, wie in Fig. 6 dargestellt ist, emittiert wird, bildet mit der Kristallachse einen Winkel von 27,9°. Eine Aussparung von 100 cm Länge, 0,3 cm Breite und 0,5 cm IIöhe bildet eine große Oberfläche zur Ableitung der Wärme, die durch die auftreffenden Elektronen erzeugt wird. Der endgültige Brennfleck besitzt eine Größe von 1,7 cm x 0,5 cm. Die gesamte elektronische Energie, die der Röntgenquelle zugeführt wird, kann bis zu 300 mA bei 150 kV ausmachen, wodurch sich eine Energieladung pro Flächeneinheit ergibt, die eine Größenordnung niedriger ist als übliche Diffraktionseinheiten, während jedoch die Gesamtenergie einer Röhrenröhre mit rotierender Anode vergleichbar ist. Dabei handelt es sich um eine intensive monochromatische Röntgenquelle mit niedriger Divergenz und kurzer Wellenlänge.

Claims (16)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Röntgenstrahlenquelle zur Erzeugung eines intensiven, monochromatischen Röntgenstrahles mit niedriger Divergenz, gekennzeichnet durch eine Elektronenquelle (38) und eine Einkristallanode (12), die im Abstand voneinander vorgesehene Röntgenstrahlen erzeugende und Röntgenstrahlen ablenkende Oberflächen (24, 26) aufweist.

2. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallanode (12) eine Längsaussparung (16) aufweist, die im abstand voneinander liegende,Röntgenstrohlen emittierende Oberflächen (24', 26) bildet, während im Abstand von den die Röntgenstrahlen emittierenden Oberflächen (24, 26) eine sich in die Länge erstreckende Elektronenquelle (38) vorgesehen ist, wahrend außerdem eine Anordnung (28, 34, 36) zur Beschleunigung der Elektronen in Richtung auf die Röntgenstrahlen erzeugenden Oberflächen (24, 26) angebracht ist.

3. Röntgenstrahlenquelle nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall (14) (hkl)-Ebenen aufweist, die innerhalb des Kristalls (14) zueinander parallel verlaufen, an welchen die Röntgenstrahlen wiederholt na cii dem Braggschen Gesetz ablenkbar sind.

4. Röntgenstrahlenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die'Aussparung (16) des Einkristalls (14) zur Emission eines Röntgenstrahles an beiden Enden offen ist.

5. Röntgenstrablenquelle-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine längliche Aussparung (16) und sich gegenüberliegende, Röntgenstrahlen emittierende Flächen (24, 26) aufweisende Einkristallanode (12) (hkl)-Ebenen an einem Ende des Kristalls (14) besitzt, die den (hkl)-Ebenen am anderen Ende der Aussparung (16) zur wiederholten Ablenkung nahezu parallel gegenüberliegen.

6. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die (hkl)-Ebenen der Einkristallanode (12) innerhalb der Breite der Röntgenschwingungskurve ausgerichtet sind.

7. Röntgenstrahlenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallanode (12) aus einem Siliciumkristall besteht.

8. Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallanode (12) aus einem Germaniumkristall besteht.

9. Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallanode (12) aus einem Wolfrairikristall besteht.

10. Röntgenstrahlenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallanode (12) aus einem langgestreckten Einkristall (14) besteht, der eine einander gegenüberliegende, Röntgenstrahlen emittierende und ablenkende Oberflächen bildende Aussparung (1G) aufweist, wobei die (hkl)-Ebenen innerhalb des Kristalls (14) nahezu parallel angeordnet sind.

11. Röntgenstrahlenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d die Oberflächen (24, 2G) mit einer dünnen Schicht eines hochwirksam Röntgenstrahlen erzeugenden Materials überzogen sind.

12. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 11, dadurch gekenlzeichnet, daß das Material, mit welchem die Oberflächen (24, 26) des Kristalls (14) überzogen sind, aus Wolfram, Platin, Molybdän oder Kupfer besteht.

13. Röntgenstrahlenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Aussparung (16) in der Nähe der Elektronenquelle (28) zur Beschleunigung der Elektronen in Richtung auf die Röntgenstrahlenemittierenden Oberflächen (24, 26) eine Diagonalkappe (28) vorgesehen ist, die Längsschlitze (34, 6) aufweist, welche einen Durchgang für die Elektronen von deren Quelle (98) zu den Röntgenstralilen emittierenden Oberflächen (24 2(3) bilden, wobei an die gestreute Röntgenstrahlen absorbierende Diagonalkappe (28) ein Beschleunigungspotential anlegbar ist, während über der Elektronenquelle (58) ein ebenfalls gestreute Röntgenstrahlen absorbierender Kathodenschirm (40) zur Beschleunigung der Elektronen angeordnet ist, an den ebenfalls ein Beschleunigungspotential anlegbar ist, wahrend schließlich eine Kühlvorrichtung (72, 7Zk) zur Kühlung der Einkristallanode (12) vorgesehen ist.

14. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalkappe (28) und der Kathodenschirm (40) zur Beschleunigung der Elektronen durch die Längsschlitze (54, 36) in Richtung auf die Röntgenstrahlen emittierenden Oberflächen (24, 26) zusammenschaltbar sind.

15. Röntgenstrahlenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endteil einer der Röntgenstrahlen emittierenden Oberflächen (24, 26) über den Endteil der anderen zur Bildung eines einzelnen Brennfleckes hinausragt.

16. Röntgenstrahlenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallanode (12) innerhalb einer evakuierten Röhre (44) angeordnet ist, die mindestens ein Fenster (23, 29) aufweist, das' einen Ausgang für die Röntgenstrahlen aus der Röhre (44) bildet, wobei zur Ausrichtung der Anode (12) auf die Fenster (23-, 29) während des Betriebes Halterungen (64, 66) vorgesehen sind.