DE2816015A1 - Roentgenroehre - Google Patents

Description

PHN 8755

DEEN/SCIIE/AM-

28-OQ-1977

Röntgenröhre

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem mit einem Austrittsfenster versehenen Kolben.

Eine derartigen Röntgenquelle ist aus der GB-PS 1225^·05 bekannt. Eine darin beschriebene Röntgenröhre ist mit einem vorzugsweise aus Beryllium bestehenden, vex-hältnismässig dünnen Fenster versehen. Bei diesen Röhren kann eine starke Erhitzung des Fenstermaterials durch auffallende Elektronen und Röntgenstrahlen auftreten. Viid das Fenster zum Erreichen einer ausreichend langen Lebensdauer dicker gemacht, so wird insbesondere ein zu grosser Teil der verhältnismässig weichen Röntgenstrahlung absorbiert, wodurch die Röhre für diesen Strahlungsbereich unwirksam ist. Die beschriebene Röntgenröhre ist mit einer magnetischen Ablenkeinrichtung versehen, mit- der bezweckt wird, an der Anode reflektierte und heraustretende Sekundär-

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elektronen derart abzulenken, dass sie das Austrittsfenster nicht erreichen. Eine derartige magnetische Abschirmung ist jedoch verhältnismässig teuer und erfordert nahe dem Fenster viel Raum der gerade an dieser Stelle nicht verfügbar ist. Yeiter ist diese Form des Abschirmens nicht wirksam gegen Röntgenstrahlen.

In der US-PS 3835341 ist eine Röntgenröhre

beschrieben, in die zwei nach Bedarf zu verwendende Fenster aufgenommen sind. Die Fenster können dazu mit Hilfe einer Balgenverbindung in bezug auf die Anode verschoben werden. Eine derartige Bewegungseinrichtung ist ziemlich kompliziert und bietet keinen zusätzlichen Schutz des Austrittsfensters für jede der Positionen.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre zu schaffen, mit der, ohne dass Fenstereinstellungen erforderlich sind, über einen breiten Yellenlängenbereich gemessen werden kann und in der keine übermässige Erhitzung des Fenstermaterials auftritt. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Röntgenröhre das eingangs— genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelost, dass das Austrittsfenster, über seine Oberfläche gemessen, eine nicht einheitliche Strahlungstransmission aufweist.

Durch die nicht einheitliche Transmission des Austrittsfensters liefert eine erfindungsgemässe Röntgenröhre über ein breites Yellenlängenspektrum eine hohe Strahlungsausbeute dadurch, dass verhältnismässig weiche Strahlung über einen dünneren Fensterteil und härtere Strahlung auch durch einen dickeren Fensterteil austreten kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist das Austrittsfenster aus einer Fensterplatte mit einer nicht einheitlichen Dicke zusammengesetzt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Austrittsfenster eine Stapelung aus zwei

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Fensterplatten mit je einer einheitlichen Dicke, bei der eine dünnere Fensterplatte die Vakuumabdichtung der Röhre bewirkt und eine dickere Fensterplatte sich nur über einen Teil der Fensteröffnung erstreckt.

Der verhältnismässig dicke Fensterteil befindet sich in dem von der Anodenauftreffplatte weiter entfernten Teil der Fensteröffnung, jedoch zwischen dem dünneren Teil und der Anodenauftreffplatte.

In einem Röntgenfluoreszenzgerät mit einer erfindungsgemässen Röntgenröhre ist der dickere Fensterteil derart in der Fensteröffnung positioniert, dass eine möglichst einheitliche Bestrahlung eines zu untersuchenden Präpara.ts erhalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die dickere Fensterplatte an der Stelle angebracht wird, an der sie verhältnismässig nahe beim Präparat liegt.

An Hand der Zeichnung werden nachstehend einige bevorzugte AusfUhrungsformen erfindungsgemässer Röntgenröhren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Röntgenfluoreszenzanalyseröhre,

Fig. 2 ein detaillierter skizziertes Austrittsfenster einer derartigen Röhre, und

Fig. 3 eine Röntgenfluoreszenzanalyse-einrichtung mit einer erfindungsgemässen Röntgenröhre.

Eine in Fig. 1 dargestellte Röntgenröhre enthält einen vorzugsweise aus Glas bestehenden Kolben 1, umgeben von einer Haube 2, die hier einen mit OeI gefüllten Raum 3 einschliesst und mit einer Einführungsöffnung k für einen Hochspannungsstecker lind Heizdrahtanschlüsse für eine in das Gehäuse aufgenommene Kathode 5 versehen ist. Die Kathode is mit einem emittierenden Element 6 ausgerüstet, das über Zuleitungen 7? die mit Kontaktstiften 8 verbunden sind, gehellt werden kann. Um die Kathode herum befindet sich ein Abschirmzylinder 9· Das emittierende Element kann als Heizdrahtspirale ausgeführt, aber auch als

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ein Indirekt zu erhitzendes Element ausgeführt sein, wie es in der US-PS 3^97757 beschrieben wird. Weil in der betreffenden Röntgenröhre ein kleiner Anodenauf treff fleck mit einer hohen Stromdichte für den Elektronenstrahl gewünscht ist, ist es besonders vorteilhaft, eine nachliefernde Kathode zu verwenden, in der eine Elektronenemittierende Substanz wie Bariumoxyd in einem Raum eingeschlossen ist, der an einer der Anode zugewandten Seite mit einer vorzugsweise mit Osmium impegnierten porösen Abdeckplatte abgeschlossen ist. Hierdurch kann ohne Verdampfung oder Absputtern von Kathodenmaterial eine verhältnismässig hohe Emissionsstromdichte von einer langen Lebensdauer begleitet sein. Ebenfalls kann dabei durch die genauere Geometrie der Kathode und ihrer emittierenden Oberfläche die Elektronenoptik in der Röhre besser optimiert werden. Gegenüber der Kathode befindet sich eine Anodenrohr 10, das sich bis nahe an die Kathode erstreckt. An einem der Kathode abgewandten Ende ist das Anodenrohr mit einem Anodenkörper 14 abgeschlossen, auf dem sich eine Anodenauftreffplatte 16 befindet.

Die Anode kann über einen Flüssigkeitsdurchflusskanal 17 gekühlt werden. Die Anodenauftreffplatte kann einen Teil des Anodenkörpers sein, der beispielsweise aus Kupfer besteht, aber die Auftreffplatte kann auch als gesonderte Platte auf oder im Anodenkörper angebracht sein. Eine derartige Auftreffplatte besteht beispielsweise abhängig von der gewünschten Strahlung aus Wolfram, Chrom, Molybdän, Silber, Gold oder Rhodium. In der hier beschriebenen Röntgenröhre besteht die Anodenauftreffplatte aus Rhodium, in der abhängig von der zugeführten Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls sowohl weiche L-Strahlung als auch härtere K-Strahlung erzeugt werden kann. Hierdurch ist diese Röntgenröhre zum Analysieren von Elementen mit weit auseinander liegenden Ordnungszahlen geeignet. Ein neben-

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sächlicher Vorteil besteht ausserdem darin, dass Rhodium selbt selten in einem zu analysierenden Präparat auftritt. In dem Anodenrohr befindet sich nahe der Anodenauf tref fplatte eine Strahlungsöffnung 18, die mit einem Fenster 20 abgeschlossen ist. Das Fenster hat in bekannten Röntgenröhren einen Durchmesser beispielsweise von etwa 15 mm und in Abhängigkeit von der Härte der zu erzeugenden Strahlung eine Dicke beispielsweise von 0,25 bis 1,0 mm. Erfindungsgemäss hat das Fenster eine nicht einheitliche Dicke, beispielsweise gemäss der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2. Die Fensteröffnung ist hier vakuumdicht mit einer Berylliumscheibe 30 abgeschlossen. Die Fensterplatte ist unter Zwisclienfügung eines abdichtenden Diffusionsringes 32 in der Fensteröffnung montiert. Die Berylliumscheibe hat eine Dicke beispielsweise von 0,15 nim und einen Durchmesser* beispielsweise von I5 mm. Unter Zwischenfügung eines Montageringes 33 ist in der Fensteröffnung ebenfalls eine zweite Berylliumscheibe Jh angeordnet. Diese Scheibe hat hier die Form eines Halbkreises und ist in dem von der Anodenauftreffplatte 16 weiter entfernten Teil der Fensteröffnung angeordnet. Die zweite Fensterplatte, die hier ebenfalls aus Beryllium besteht und beispielsweise 0,5 bis 1,0 mm dick ist, aber die auch aus Aluminium oder Titan mit einer an die Absorption dieser Materialien angepassten Dicke hergestellt sein kann, ist an der Innenseite der abdichtenden Fensterplatte 30 aber noch diesseits der Berylliumscheibe 30 (in Bezug auf die Anodenauftreffplatte) montiert. Von der durch einen Elektronenstrahl 35 erzeugten Röntgenstrahlung wird ein Teil 36 durch den dickeren Fensterteil und ein Teil 37 durch den dünneren Fensterteil austreten. Wenn verhältnismässig weiche Strahlung erzeugt wird, arbeitet nahezu nur der dünne Fensterteil als Austrittsfenster und bei verhältnismassig härter Strahlung das ganze Fenster.

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Im Auftrefffleck freigemachte und dort reflektierte Elektronen werden durch die gegenseitige Geometrie zum grössten Teil in Richtung der dicken Fensterplatte verlaufen und dort eingefangen werden. Da dieser Fensterplatte dick ist, wird die darin erzeugte Wärme leichter abfliessen können und ausserdem ist eine grössere Beschädigung dieser Fensterplatte zulässig, weil sie keine Vakuumabdichtung bewirkt. Indem die Fensterplatte 3k vollständig oder teilweise aus einem Material mit einer besseren Wärmeleitung oder einer höheren Wärmekapazität hergestellt wird, kann dabei noch eine Verbesserung erreicht werden. Auch kann zum Verbessern der Vakuumdichte die dünnere Fensterplatte aus mit Titan bedecktem Beryllium hergestellt sein. Eine Titanabdeckung von einigen Mikron ergibt bereits eine gute Vakuumdichte.

Der Fensterplatte 3h kann auch eine andere Form gegeben werden, wie beispielsweise die Form einer Mondsichel oder einer am Umfang ganz durchgehenden Platte mit einer Oeffnung an der Stelle des gewünschten dünnen Fensters. Durch diese Formen kann die Wärmeableitung am Fensterträger gefördert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Fenster aus einer einfachen Platte, in der stellenweise durch Wegnehmen oder Auslassen von Fensterplattenmaterial ein dünnerer Teil angebracht ist. Insbesondere für Fensterplatten, die durch Zusammensintern von Fensterplattenmaterial gebildet werden, ist diese Ausführungsform dadurch vorteilhaft, dass bereits beim Zusammensintern eine an das gewünschte Profil angepasste Matrix verwendet werden kann. Hierbei können dickere und dünnere Fensterplattenteile nach Bedarf auch allmählich ineinander übergehen und kann verhältnismässig leicht eine Fensterplatte mit einem Ring einheitlicher Dicke längs des ganzen Umfanges für Montage in der Fensteröffnung

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gebildet werden.

Zum Verringern des Streustrahlenanteils in dem aus der Röntgenröhre heraustretenden Röntgenstrahl ist es vorteilhaft, entsprechende Teile der Anodenröhres und gegebenenfalls den Anodenkörper mit einem leichten Material, wie Aluminium, zu bedecken oder diese Teile daraus entsprechend der gleichzeitig von Anmelderin eingereichten niederländischen Patentanmeldung 77.04474 herzustellen.

Ein Röntgenfluoreszenzgerät, wie in Fig. 3 sehr schematisch dargestellt, enthält eine Röntgenröhre 40, die hier im Querschnitt durch das Austrittsfenster dargestellt ist, einen Präparat träger 41 , einen ersten Kollimator 42, einen Analysekristall 43, einen zweiten Kollimator 44 und eine Detektionsanordnung 45. Ein aus dem Anodenauftrefffleck 46 herrührender Röntgenstrahl 47 geht durch das Austrittsfenster 48 und erreicht ein Präparat 49 j das sich auf dem Präparatträger 41 befindet. Der Abstand zwischen dem Präparat und dem Anodenauftrefffleck ist über das Präparat gemessen nicht konstant. TJm eine möglichst homogene Bestrahlung des Präparats zu erreichen, ist es vorteilhaft, den verhältnismässig dicken Fensterteil an der Stelle anzubringen, an der die Strahlung passiert, die zum Präparat die kürzeste Strecke zurücklegen muss. In der skizzierten Ausführungsform ist eine dickere Fensterplatte 50 in einer geeigneten Position gezeigt.

Das Auflösungsvermögen einer derartigen Röntgenfluoreszenzanalyseanordnung wird durch Verkleinerung des Anodenauftreffflecks wenigstens in' einer Richtung vorteilhaft beeinflusst. Eine derartige Verringerung darf nicht von einer Verringerung in der Strahlungsintensität begleitet werden und also muss die Stromdichte des Elektronenstrahls verhältnismässig hoch sein. Dazu ist die Verwendung einer indirekt geheizten Kathode vorteilhaft.

Bei kleinerem Elektronenauftrefffleck wird der

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Einfluss von Bewegungen dieses Flecks über die Anode stärker stören. Externe Magnetfelder, wie das Erdmagnetfeld und Magnetfelder aus elektrisch betriebenen Motoren oder eines zu messenden Präparats, können derartige Ver-Schiebungen verursachen. In einer erfindungsgemässen bevorzugten Ausführungsform ist zum Abschirmen dieser Magnetfelder in die KathodenbUch.se 9 und/oder in die Anodenbüchse 10 ferromagnetisch.es Material aufgenommen.

Insbesondere weil das ferromagnetische Material hier sehr nahe um den Elektronenstrahl angebracht ist, kann ein gut stillstehender Elektronenauftrefffleck verwirklicht werden. Hierdurch kann der verbesserte Fensteraufbau optimal ausgenutzt werden.

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Claims (8)

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   PATENTANSPRUECHE:

   T\ . J Röntgenröhre mit einem mit einem Austrittsfenster versehenen Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsfenster (2θ) über seine Oberfläche gemessen eine nicht einheitliche Transmission aufweist.
2. 2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster aus mehreren, sich zum Teil Überlappenden Scheiben zusammensetzt. (30, 3^)·
3. 3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsfenster (20) aus einer in der Dicke nicht einheitlichen Fenstermaterialscheibe zusammengesetzt ist.
4. h. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein verhältnismässig dünner Teil des Austrittsfensters wenigstens nahezu rund ist.
5. 5. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein verhältnismässig dünner Teil des Austrittsfensters in.einem der Anode benachbarten Teil der Fensteröffnung befindet.
6. 6. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenrohr zwischen der Kathode und der Anode ferromagnetisches Material enthält.
7. 7. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode als eine indirekt erhitzte nachliefernde Kathode ausgeführt ist.
8. 8. Röntgenfluoreszenzanalysegerät mit einer Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein verhältnismässig dünner Fensterteil an jener Stelle in der Fensteröffnung befindet, an der Strahlung passiert, für die der Abstand zwischen der Anode und einem zu bestrahlenden Präparat verhältnismässig gross ist.

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   ORIGINAL INSPECTED