DE4209226A1 - Strahlenquelle zur erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen roentgenstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung mit einer Kathode zur Emission von Elektronen, einer Anode, die beim Auftreffen der aus der Kathode emittierten Elektronen Röntgenstrahlung erzeugt, und einem der Rönt­ genstrahlung der Anode ausgesetzten Target zur Erzeugung von Fluoreszenzstrahlung, wobei im Betriebszustand die Anode relativ zur Kathode ein positives Hochspannungspo­ tential führt.

Solche Strahlenquellen sind im wesentlichen aus der DE-OS 37 16 618 (PHD 87-098) und der DE-OS 40 17 002 (PHD 90-089) bekannt. Das Target wird dabei von einem Metallschirm getragen, der die Röntgen­ strahlung nur geringfügig schwächt. Dieser Metallschirm soll Streuelektronen vom Target fernhalten, die beim Auf­ treffen auf das Target ein unerwünschtes Bremsstrahlungs­ spektrum erzeugen würden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Strahlenquelle zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Target ein im Vergleich zur Anode negatives Potential führt.

Die Erfindung basiert auf folgenden Überlegungen: Bei der bekannten Strahlenquelle führen das Target und der Metallschirm das Anodenpotential. Deshalb gelangt ein ver­ gleichsweise grober Anteil der in der Anode erzeugten Streuelektronen zum Metallschirm und erwärmt diesen. Obwohl die Anode noch stärker belastet und der Kathoden­ strom noch erhöht werden könnte, muß aus diesem Grund die Leistung der Strahlenquelle begrenzt werden. Bei einem dickeren Metallschirm wäre die Erwärmung zwar geringer, jedoch würde dieser mehr Röntgenstrahlung absorbieren, so daß die Intensität der Fluoreszenzstrahlung nicht zunehmen würde. Dadurch, daß bei der Erfindung das Targetpotential im Vergleich zum Anodenpotential negativ ist, können weniger Streuelektronen mit geringerer Energie das Target erreichen und dieses bzw. einen darum vorgesehenen Metall­ schirm erwärmen. Deshalb kann diese Strahlenquelle mit einer höheren elektrischen Leistung betrieben werden als eine strahlenquelle, deren Target Anodenpotential führt. Dadurch ergibt sich eine intensivere Fluoreszenzstrahlung.

Bei Strahlenquellen, bei denen Anode und Kathode in einem geerdeten Metallgehäuse angeordnet sind, und gegen Erde positives bzw. negatives Hochspannungspotential führen, könnte das Target an Erde angeschlossen werden, so daß die Zahl der Streuelektronen, die das Target erreichen können, erheblich reduziert würde. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht demgegenüber jedoch vor, daß das Target Kathodenpotential führt. Dadurch ergibt sich eine intensivere Fluoreszenzstrahlung.

Bei dieser Ausgestaltung kann kein Streuelektron mehr das Target erreichen. Deshalb ist auch ein Metallschirm zum Auffangen etwaiger Streuelektronen überflüssig. Mit dem Wegfall dieses Metallschirms entfällt auch die Schwächung der von der Anode zum Target verlaufenden Röntgen­ strahlung, und der Elektronenstrom von der Kathode zur Anode kann vergrößert werden, weil die Begrenzung der elektrischen Leistung durch die Erwärmung des Metall­ schirms entfällt. Dadurch kann die Intensität der von der Strahlungsquelle erzeugten Fluoreszenzstrahlung erheblich gesteigert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das mechanisch mit der Kathode verbundene Target und die Anode rotationssymmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse ausgebildet sind, daß in der Symmetrieachse ein Strahlenaustrittsfenster für die Fluoreszenzstrahlung vorgesehen ist, daß die von den aus der Kathode emittier­ ten Elektronen getroffene Innenfläche der Anode das von der Kathode abgewandte Ende des Targets umschließt und sich - ebenso wie das Target - zum Strahlenaustritts­ fenster hin verjüngt. Bei dieser Ausgestaltung wird das Target also nicht vollständig von der Anode umschlossen wie bei den bekannten Strahlungsquellen, sondern es ragt nur mit seinem einen Ende in den von der Anode um­ schlossenen Raum hinein. Dadurch wird der Anteil der in Richtung auf das Austrittsfenster am Target elastisch gestreuten Röntgenstrahlen verringert, wodurch die spek­ trale Reinheit der durch das Strahlenaustrittsfenster austretenden Röntgenstrahlung verbessert wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Target zur Erniedrigung der Feldstärke in seiner Umgebung von einem elektrisch leitenden Schirm umschlossen wird, der das Kathodenpotential führt und die Röntgen­ strahlung im wesentlichen nicht absorbiert. Auch wenn bei dieser Ausgestaltung der Erfindung das Target wiederum von einem Schirm umschlossen ist, hat dieser eine ganz andere Funktion als bei der bekannten Strahlenquelle: Während der Schirm bei der bekannten Strahlenquelle die Streuelek­ tronen auffangen soll (was bei der Erfindung nicht erfor­ derlich ist), soll der Schirm bei vorliegenden Erfindung die elektrische Feldstärke verringern (was bei der be­ kannten Strahlenquelle nicht erforderlich ist, weil Target und Anode dasselbe Potential führen). Da bei der Erfindung der Schirm nicht von Elektronen getroffen wird, begrenzt er nicht die zuführbar elektrische Leistung. Er kann darüberhinaus sehr dünn und gegebenenfalls mit Öffnungen versehen sein, so daß die von der Anode zum Target ver­ laufende Röntgenstrahlung dadurch allenfalls geringfügig geschwächt wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung, wobei Anode und Kathode mit einem Gehäuse verbunden sind, das einen evakuierten oder evakuierbaren Raum bildet, ist vorge­ sehen, daß das Gehäuse wenigstens zwei lösbar miteinander verbundene Teile umfaßt, und daß Anode und Kathode mit verschiedenen Gehäuseteilen verbunden sind. Dadurch ist ein Wechseln des Targets möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Strahlenquelle zeigt.

Die Strahlenquelle ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Sie umfaßt ein zweiteiliges Gehäuse, das aus einem zylin­ derförmigen ersten Teil 10 und einem Deckelteil 11 be­ steht, die mittels über den Umfang verteilter Schrauben 12 vakuumdicht miteinander verbunden werden können. Deckel­ teil 11 ist mit einer Anode 3 verbunden und mit einem auf der Symmetrieachse 4 der Strahlenquelle befindlichen Strahlenfenster 5 versehen, das das Gehäuse vakuumdicht abschließt und die durchtretende Fluoreszenzstrahlung nur unwesentlich schwächt. Die Anode 3 weist eine Anodenfläche 31 auf, die wie der Mantel eines Kegelstumpfes geformt ist und sich zum Strahlenaustrittsfenster 5 hin verjüngt. Die Anodenfläche 31 wird im Betrieb von den aus der Kathode emittierten Elektronen getroffen und emittiert Röntgen­ strahlung. Der weitere Aufbau der Anode 3 ergibt sich aus den eingangs genannten Veröffentlichungen.

Die Kathode 6 ist über einen nicht näher dargestellten Isolator mit dem zylinderförmigen Gehäuseteil 10 verbun­ den. Sie führt im Betriebszustand ein gegenüber Erde nega­ tives Hochspannungspotential, während die Anode dann auf Erdpotential liegt. Die Hochspannung zwischen Anode und Kathode (in kV) sollte wenigstens doppelt so groß sein wie die Quantenenergie (in keV) der Fluoreszenzstrahlung und beträgt z. B. 160 kV. Die Kathode 6 enthält einen Elektro­ nenemitter 61, beispielsweise einen Heizfaden, der die Form eines zur Symmetrieachse 4 konzentrischen Ringes hat. Außerdem ist mit der Kathode ein Target 7 vorzugsweise lösbar verbunden, das die Form einer Kegelspitze hat, deren vorderer Teil in den von der Anode 31 umschlossenen Raum hineinragt. Das Target 7 wird von einem zylin­ drischen, elektrisch leitenden Schirm 70 umschlossen. Ohne diesen Schirm könnten sich im Bereich des vorderen Endes des Targets im Betriebszustand unzulässig hohe elektrische Feldstärken ergeben. Der Schirm 70 kann beliebig dünn sein, weil er Kathodenpotential führt und daher nicht durch Streuelektronen getroffen und erwärmt werden kann. Er kann gegebenenfalls auch mit Öffnungen versehen sein.

Im Betriebszustand emittiert der ringförmige Elektronen­ emitter 61 einen Elektronenstrom, der auf die Anode 31 auftrifft und dort Röntgenstrahlung mit einem breitban­ digen Spektrum (Bremsstrahlung) erzeugt. Die von der Anode 31 ausgehende Röntgenstrahlung erreicht durch den dünnen Schirm 70 hindurch das Target 7. Das Target besteht aus einem Element mit hoher Ordnungszahl (z. B. Tantal, Wolfram, Platin oder Gold) bzw. seine Oberfläche ist mit einer ausreichend dicken Schicht dieses Elementes ver­ sehen. Die auftreffende Röntgenstrahlung regt die charak­ teristische Strahlung (Fluoreszenzstrahlung) des betref­ fenden Elements an, von der ein Teil durch das Strahlen­ austrittsfenster 5 wieder austritt. Ein konzentrisch zur Symmetrielinie 24 hinter dem Strahlenaustrittsfenster angeordneter Kollimator 8 unterdrückt die Röntgenstrah­ lung, die nicht von dem Target 7 ausgeht.

Wegen des Potentialunterschiedes zwischen dem Target und der Anode kann das Target - bei gleichen Abmessungen der Anode - nicht so tief in die Anodenfläche 31 hineinragen, wie bei den bekannten Strahlenquellen, bei denen das Target und die Anode das gleiche Potential haben. Dies ist insofern von Nachteil, als ein geringerer Anteil der in der Anode erzeugten Röntgenstrahlung das Target erreicht. Dem stehen jedoch auch Vorteile gegenüber:

Nur die Röntgenquanten, die in dem Target in der Nähe der Targetoberfläche absorbiert werden, können Fluoreszenz erzeugen, die außerhalb des Targets wirksam werden kann. Bei der vorgegebenen Geometrie können die auf das Target auf treffenden Röntgenquanten auch bei vergleichsweise langen Pfaden noch dicht unter der Oberfläche bleiben. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein auf das Target auftreffendes Röntgenquant außerhalb des Targets erfaßbare Fluoreszenzstrahlung anlegt, ist daher größer als bei den bekannten Strahlenquellen.

Die auf das Target auftreffenden Röntgenquanten können mit diesem auf verschiedene Weise in Wechselwirkung treten: Durch Photoabsorbtion, durch Comptonstreuung und durch elastische Streuung. Nur bei der Photoabsorption kann die erwünschte Fluoreszenzstrahlung entstehen. Hingegen bewirkt die durch die Streuprozesse entstehende Streu­ strahlung eine Verringerung der spektralen Reinheit der Fluoreszenzstrahlung. Während die Comptonstreustrahlung weitgehend unabhängig von den Winkeln zwischen den Wegen ist, auf denen die auf das Target auftreffenden Quanten und die gestreuten Quanten verlaufen, ist dies bei der elastischen Streustrahlung nicht der Fall. Elastische Streustrahlung entsteht nur dann in nennenswertem Maße, wenn dieser Winkel vergleichsweise klein ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten Geometrie ist jedoch der Winkel zwischen dem Weg eines von der Anode auf das Target 70 auftreffenden Röntgenquants und eines vom Target zum Strahlenaustrittsfenster 5 verlaufenden Röntgenquants groß (in der Regel größer als 90°), so daß elastische Streu­ strahlung das Strahlenaustrittsfenster praktisch nicht erreicht. Insofern wird die spektrale Reinheit der durch das Strahlenaustrittsfenster austretenden Strahlung ver­ bessert.

Wenn monochromatische Röntgenstrahlung mit einer anderen Wellenlänge erzeugt werden soll, muß das Target 7 gegen ein Target ausgewechselt werden, das aus einem anderen Element besteht bzw. mit einer entsprechenden Schicht versehen ist. Zu diesem Zweck wird der Deckelteil 11 nach Lösen der Schrauben 12 abgenommen, das Target 7 von der Anode gelöst und ein anderes Target eingesetzt. Eine an das Gehäuse 10,11 angeschlossene, nicht näher dargestellte Vakuumpumpe gestattet das Gehäuse danach wieder zu evakuieren.

Claims (6)

1. Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung mit einer Kathode zur Emission von Elektronen, einer Anode, die beim Auftreffen der aus der Kathode emittierten Elektronen Röntgen­ strahlung erzeugt, und einem der Röntgenstrahlung der Anode ausgesetzten Target zur Erzeugung von Fluoreszenz­ strahlung, wobei im Betriebszustand die Anode relativ zur Kathode ein positives Hochspannungspotential führt, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) ein im Ver­ gleich zur Anode (3) negatives Potential führt.

2. Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) Kathodenpo­ tential führt.

3. Strahlenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanisch mit der Kathode (6) verbundene Target (7) und die Anode (3) rotations­ symmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse (4) ausgebildet sind, daß in der Symmetrieachse ein Strahlen­ austrittsfenster (5) für die Fluoreszenzstrahlung vorge­ sehen ist, daß die von den aus der Kathode (6, 61) emit­ tierten Elektronen getroffene Innenfläche der Anode das von der Kathode abgewandte Ende des Targets (7) umschließt und sich - ebenso wie das Target (7) - zum Strahlenaus­ trittsfenster (5) hin verjüngt.

4. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) zur Ernie­ drigung der Feldstärke von einem elektrisch leitenden Schirm (70) umschlossen wird, der das Kathodenpotential führt und die Röntgenstrahlung im wesentlichen nicht ab­ sorbiert.

5. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) lösbar mit der Kathode (6) verbunden ist.

6. Strahlenquelle nach Anspruch 5, wobei die Anode und Kathode mit einem Gehäuse verbunden sind, das einen evakuierten oder evakuierbaren Raum bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens zwei lösbar miteinander verbundene Teile (10, 11) umfaßt, und daß Anode (2) und Kathode (3) mit verschiedenen Gehäuse­ teilen (11 bzw. 10) verbunden sind.