DE2719609C3

DE2719609C3 - Röntgenröhre zur Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE2719609C3
Application number: DE2719609A
Authority: DE
Inventors: Richard Dr. 8046 Garching Bauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-05-02
Filing date: 1977-05-02
Publication date: 1979-11-08
Also published as: DE2719609B2; DE2719609A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Röntgenröhre ist zum Beispiel aus der DE-AS 12 48 174 bekannt.

Bei herkömmlichen Röntgenröhren für medizinische Anwendungen wird die Röntgenstrahlung verwertet, die im wesentlichen senkrecht zur Einfallsrichtung der beschleunigten Elektronen entsteht. Das hat den Vorteil, daß neben dem Linienspektrum der charakteristischen Strahlung das kontinuierliche Spektrum der Bremsstrahlung mit seiner hohen Intensität ausgenutzt werden kann. Der Nachteil dieser Röntgenröhren liegt darin, daß das von ihnen erzeugte Röntgenspektrum mit hoher Intensität auch Quanten niedriger Energie enthält. Diese niederenergetischen Quanten sind diagnostisch nutzlos, da sie vollkommen im Körper absorbiert werden und damit nicht zur Bildentstehung in einem Film oder einer Röntgenkamera beitragen. Darüber hinaus stellen sie eine zusätzliche Strahlenbelastung dar und können insbesondere in der Röntgentherapie zu schweren Strahlenschäden der Haut führen, da sie fast vollständig in den oberflächlichen Hautschichten absorbier¹ werden. Mit Hilfe geeigneter Filter versucht man, diese niederenergetischen Röntgenquanten zu absorbieren, was jedoch nur unvollkommen gelingt.

Ähnlich wie Röntgenstrahlen für medizinische Anwendungen sind solche für Röntgenfluoressenzuntersuchungen gebaut. Es sind Röntgenröhren beschrieben (DE-AS 12 48174 und 2357687), bei denen die Strahlung unier einem Winkel von 100 bis 110° austritt, gemessen zur Richtung der auf die Anode treffenden Elektronen. Auch bei den Röntgenröhren dieses Typs entsteht ein Röntgenspektrum, das sich aus Anteilen der charakteristischen und der Bremsstrahlung zusammensetzt. Um daraus ein Spektrum in einem engen EnergieDereich zu gewinnen, muß man Monochromatoren verwenden, wodurch der Versuchsaufbau sehr voluminös und die Röntgenausbeute stark reduziert wird.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Konstruktion einer Röntgenröhre anzugeben, mit der ein fast spektralreines Spektrum erzeugt werden kann, das nur aus wenigen monochromatischen Linien besteht ohne wesentliche Beimischung von Bremsstrahlung. Damit kann die Strahlenbelastung bei diagnostischen und therapeutischen Röntgenbestrahlungen um einen Faktor 2 bis 3 verringert werden, die oberflächliche Hautdosis wird sogar um mehr als einen Faktor 10 verringert. Für Anwendungen in der Röntgenfluoreszensanalyse liegt der Vorteil dieser Röntgenröhre auf der Hand, da wegen des fast reinen Linienspektrums auf Monochromatoren meist verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mil einer Röntgenröhre erreicht, die nach den in Anspruch 1 genannten Kriterien gebaut ist.

Das Prinzip der Erfindung wird anhand von F i g. 1 erläutert. Aus der Kathode emittierte Elektronen 1 treffen auf die Anode 3. In der Anode werden charakteristische Röntgenstrahlen erzeugt, die mit der Intensitätsverteilung isotrop ausgestrahlt werden, und Bremsstrahlung,deren Intensität /nach dem Gesetz / = const · sin²ix am größten senkrecht zur Richtung der Elektronen und am kleinsten, d. h. gleich null, in

Richtung der Elektronen ist. Dies ergibt die Intensitätsverteilung. Baut man die Röntgenröhre so, daß nur Röntgenstrahlen 2 aus der Röntgenröhre austreten unter einem Winkel *, der nahe 180° liegt (d.h. antiparallel zur Richtung der Elektronen), dann erreicht man eine starke Reduktion der Bremsstrahlen (proportional sin²a), ohne die Intensität der charakteristischen Strahlung zu vermindern.

Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen werden anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert.

Die Elektronenquelle 4 ist rotationssymmetrisch aufgebaut und besteht aus einer kreisförmigen Glühkathode 6 in Verbindung mit einer ringförmigen Fokussierungselektrode (Wehneltzylinder 5) mit zentraler öffnung für den Durchtritt der Röntgenstrahlung. Der Wehneltzylinder liegt auf negativem Potential gegenüber der Kathode. Die Röntgenstrahlen entstehen in der Anode 3, die hier als Drehanode ausgeführt ist. Elektronenquelle und Anode sind gemeinsam in dem evakuierten Gefäß 10 untergebracht. Die Röntgenstrahllen 2. die entgegen der Einfallsrichtung der beschleunigten Elektronen 1 emittiert werden, verlassen die Röntgenröhre in Richtung der Symmetrieachse der Elektronenquelle durch das Austrittsfenster 7 aus Beryllium. Hinter dem Austrittsfenster sind mehrere Filter 8 verschiedener Stärke und aus verschiedenem Material und Kollimatoren 9 mit verschiedenem Öffnungswinkel 2ß drehbar in zwei Revolverscheiben angeordnet. Die Filter sind so bemessen, daß sie den Rest an niederenergetischer Bremsstrahlung und so isotrop emittierte, niederenergetische L- oder M-Strahlung absorbieren, während die K-Strahlung größtenteils durchgelassen wird.

In der DE-PS 9 13 677 ist eine Röntgenröhre beschrieben, bei der wie in der hier beschriebenen )■> Röntgenröhre Röntgenquanten ausgenützt werden, die in einem großen Winkelbereich zu den sie erzeugenden Elektronen entstehen können. Bei dieser Röntgenröhre soll jedoch möglichst die gesamte in einen Halbraum emittierte Röntgenstrahlung genutzt werden. Insbesondere wird bei dieser Konstruktion kein Wert darauf gelegt, daß alle Elektronen in gleicher Richtung (z. B. senkrecht) auf die Anode treffen. Bei dieser Röntgenröhre existiert also keine Achse, in der nur charakteristische Strahlung emittiert wird. Auch die Anordnung von Kathode und Anode unterscheidet sich wesentlich. In der DE-PS 9 13 677 ist eine rotationssymmetrische Kathode unterhalb der Anodenoberfläche angeordnet, um den Raumwinkel von 2.τ (Halbkugel) veil ausnützen zu können. Dagegen wird in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die rotationssymmetrischc Elektronenquelle 4 so vor der Anode angeordnet, daß die Elektronen eng fokussiert auf die Anode treffen.

Charakteristische Strahlung verschiedener Energie kann nur in verschiedenem Anodenmateria¹ angeregt ·>5 werden. Dazu wird die Anode mehrschichtig so aufgebaut (F i g. 3), daß die Ordnungszahl der verschiedenen Materialien und das Produkt aus Schichtdicke und Materialdichte mit der Tiefe zunehmen. Elektronen, die mit einer bestimmten, eng begrenzten Anregungs- (>o spannung beschleunigt werden und auf die Anode treffen, können je nach Primärenergie ohne großen Energieverlust (und damit ohne viele Röntgenquanten anzuregen) eine gewisse Anzahl von Schichten durchdringen und werden erst in der folgenden Schicht t>5 vollständig abgebremst. Damit entsteht ein Spektrum, das überwiegend aus K-Strahlung der tiefsten von den Elektronen erreichten Schicht besieht. Die wesentlich intensitätsärmere K-Strahlung aus höheren Schichten und L- und M-Strahlung aller Schichten wird dursh geeignet gewählte Filter absorbiert. Damit wird die angestrebte Spektralreinheit weitgehend erreicht. Zumindest wird ein Spektrum erzeugt, das aus wenigen Linien definierter Intensität ohne Bremsstrahlungskontinuum besteht, i'ur Erhöhung der Betriebssicherheit kann die Wahl des richtigen Filters automatisch mit der Einstellung der Beschleunigungsspannung vorgenommen werden.

Eine derartige mehrschichtige Elektrode besteht z. B. aus einer obersten 0,1 μηι dicken Kupferschicht 115, gefolgt von einer 1,0— 1,2 μπι dicken Molybdänschicht 16, einer 11—13 μπι dicken Schicht aus Barium 17, einer 7-10 μιη dicken Wolframschicht 18 und zuunterst einer ca. 40 μιη dicken Schicht aus Thorium oder Uran 19, so daß mit dieser Anode bei Beschleunigungsspannungen von 20 - 30,50 - 60,90 - 100,140 - 160 und 250 - 300 kV Röntgenstrahlen von ca. 8,17, 30,55 und 80 keV erzeugt werden können. Der Anodenteller 14 ist aus geeignetem Material geferiigt.

Die Verwendung von verschiedenen Anodenmaterialien zur Erzeugung verschiedener charakteristischer Strahlungen ist in der DE-PS 5 71 957 beschrieben. Eiei dieser Röntgenröhre ist jedoch das verschiedene Anodenmaterial nebeneinander angeordnet. Eine Veränderung des charakteristischen Spektrums wird nur durch eine stärkere Verschiebung des Brennflecks erreicht. Dagegen wird bei der Röntgenröhre mit der Anode nach Fig.3 (und 4) diese Veränderung allein durch eine Veränderung der Anodenspannung erreicht. Die Geometrie der gesamten Anordnung bleibt also erhalten.

Zur Erzeugung von (charakteristischen) Röntgenstrahlen bestimmter Energie können niedrig schmelzende Anodenmaterialien 21—24 nötig sein (Fi g. 4). Um im Betrieb ein Abdampfen dieser Materialien oder eine Diffusion zu vermeiden, werden die kritischen Schichten durch ca. 0,1 - 1 μιη dicke (Zwischen-JSchichten 20 aus Beryllium, Chrom oder Molybdän oberflächlich geschützt bzw. voneinander getrennt.

Bei der vollständigen Abbremsung der Elektronen im Anodenmaterial werden die Elektronen auch zur Seite abgelenkt. Darum können auch in exakt antiparalleler Richtung Bremsstrahlungsquanten niedriger Energie ausgestrahlt werden. Ihre intensität im emittierten Spektrum ist aber gering, da der Entstehungsort dieser Quanten einige μιη unter Anodenoberfläche liegt, und sie darum in der Anode selbst schon stark absorbiert werden. Für Spezialzwecke kann jedoch eine Strahlung von besonders hoher Spektralreinheit wünschenswert sein. Zur ihrer Erzeugung wird eine Anode verwandt, die nach F i g. 5 modifiziert ist. Die Anode 3 ist an der Stelle des Brennflecks 25 stark verdünnt. Dadurch werden die Elektronen bei Anregungsspannungen, die genügend hoch liegen (z. B. 200 kV oder höher), nicht vollständig innerhalb der Anode abgebremst. Mit Energien zwischen 30 und 70 Prozent der Primärenergie können sie an der Rückseite der Anode wieder austreten und werden erst in dem Hohizylinder 26, der auf positivem Potential gegenüber der Anode liej;t. vollständig abgebremst und absorbiert. Die öffnung des Hohlzylinders ist klein gegenüber seiner Breite und Tiefe. Darum kann nur ein kleiner Bruchteil der im Inneren des Hohlzylinders entstehenden Röntgenstrahlung durch die öffnung des Hohlzylinders austreten und damit die in der Anode erzeugte Röntgenstrahlung verunreinigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röntgenröhre zur Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlen, bei der die genutzten Röntgenstrahlen in einem engen öffnungswinkel unter einem großen Winkel zur Richtung der auf die Anode auftreffenden Elektronen austreten, dadurch gekennzeichnet, daß die genutzte Röntgenstrahlung praktisch antiparallel zur Riehtung der Elektronen mit einem öffnungswinkel von weniger als 30° austritt

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel weniger als 20° beträgt.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel weniger als 10° beträgt.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (7) aus Kathode (f) und Fokussierungselektrode (8) rotationssymmetrisch aufgebaut ist.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle vor der Anode angeordnet ist.

6. Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungselektrode (8) auf negativem Potential gegenüber der Kathode (1) liegt.

7. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis JO

6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absorption von Strahlung, die niederenergetischcr ist als die gewünschte monochromatische Röntgenstrahlung, ein Filter (11) verwendet wird.

8. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) auf der der Elektronenquelle (7) zugewandten Seile mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die Ordnungszahl des Materials und das Produkt au: Dicke und Dichte der verschiedenen Schichten mit der Tiefe zunehmen. -to

9. Röntgenröhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche mehrschichtige Anode (3) aus einer obersten Schicht (15) aus Nickel oder Kupfer von ca. 0,1 μιη Dicke besteht, gefolgt von einer zweiten, tieferen Schicht (16) aus Zirkon, Molybdän, Rhodium, Palladium oder Silber von 1,0-1,5 μιη Dicke, einer dritten Schicht (17) aus Barium von 11 — 13 μιη Dicke, einer vierten Schicht (18) aus Tantal, Wolfram, Iridium oder Platin von 7 - 10 μιη Dicke und einer untersten Schicht (19) aus Thorium oder Uran von 40 - 60 μιη Dicke.

10. Röntgenröhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Schichten auch aus Materialien mit niedrigerem Schmelzpunkt bestehen können, als die in Anspruch 9 genannten Metalle, und diese Schichten durch Zwischenschichten aus Beryllium, Chrom oder Molybdän von 0,1 — 1 μιη Dicke voneinander getrennt werden, bzw. von einer solchen Schicht oberflächlich bedeckt sind.

11. Röntgenröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl des passenden Filters automatisch vorgenommen wird, und diese Wahl durch die Vorgabe der Beschleunigungsspannung bestimmt wird.

12. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis b5 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) an der Stelle des Brennflecks nur so dick ist, daß die anregenden Elektronen die Anode noch mit durchschnittlich 30-70% ihrer Primärenergie verlassen können und erst in einem Hohlzylinder (26; hinter der Anode endgültig absorbiert werden.