DE4440448C2 - Röntgenstrahlungsquelle mit erhöhter Strahlungsausbeute - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlungsquelle, die bei gleicher elektrischer Leistung wie herkömmliche Röhren in einem bestimmten spektralen Bereich eine erhöhte Strahlungsleistung bereitstellt oder umgekehrt, bei gleicher Strahlungsleistung einer wesentlich geringeren elektrischen Leistung bedarf.

Der Wirkungsgrad von Röntgenröhren bei der Umsetzung von elektrischer in Strahlungsenergie ist aufgrund des physikalischen Wirkprinzips sehr niedrig und liegt in der Regel bei Werten < 1%. Insbesondere bei Feinfokusröhren wird der Gesamtwirkungsgrad bis zur unmittelbaren Nutzung der Strahlung noch erheblich durch die Größe des benutzten Raumwinkels verschlechtert.

Feinfokusröhren haben neben der Strukturanalytik besonders in der Totalreflexions- Röntgenfluoreszenzanalyse (DE-OS 29 11 596; "Instr. Developments in TRXRF ", X-Ray Spectrometry, Vol. 20, S.23 ff, (1991)) Anwendung gefunden. Berücksichtigt man die üblichen Abmaße solcher Meßanordnungen, so läßt sich abschätzen, daß weniger als 10^-4 der von der Anode emittierten Röntgenstrahlung auf die Probe gelangen.

Für viele Anwendungen sind darum Röntgenröhren mit einer Leistung < 500 W und den damit verbundenen aufwendigen Hochspannungsgeneratoren und Kühlsystemen notwendig. Dieser Sachverhalt steht der Verbesserung vieler Röntgenmeßsysteme entgegen.

Für die Ablenkung, Fokussierung und Filterung von Röntgenstrahlung sind seit langem auf Total- oder Braggreflexion basierende Systeme bekannt ("A simple model for . . .", X-Ray Spectrometry, 22, S. 216 ff(1993); DE-OS 39 40 251; DE-OS 38 42 561; EP 0244 504).

Dabei werden die Systeme als selbständige Baugruppen entsprechend der beabsichtigten Wirkung im freien Strahlengang angeordnet.

Wellenleiter dieser Art bestehen im einfachsten Fall aus zwei gegenüberliegenden polierten Quarzglasplatten bzw. aus Stapeln solcher planparallel angeordneten Spiegelflächen (DE 38 04 798). Andere Systeme basieren auf Glaskapillaren mit ebenfalls hochvergüteten Oberflächen. Der Gewinn in der Bestrahlungsstärke erreicht bei einfachen Anordnungen bereits Werte zwischen 3 und 7 (DE-Z.: "Experimentelle Technik der Physik", Band XII, 1964, Heft 5, S. 320. . .326).

Zur Totalreflexion sind prinzipiell alle Oberflächen von Festkörpern geeignet, wenn sie eine ausreichende Qualität (Oberflächenrauhigkeit) besitzen und der Einfallswinkel der Strahlung einen bestimmten Grenzwinkel nicht überschreitet.

Dieser Winkel, bei dem ein Übergang von Reflexion zu Streuung und Absorption erfolgt, ist für Strahlung höherer Energie kleiner als für niederenergetische Strahlung. Für Quarz gilt z. B.:

E_cut = 32.3/ϕ_crit

E_cut ist die maximale Strahlungsenergie (keV), die beim Winkel ϕ_crit (mrad) noch reflektiert wird. Strahlung mit höherer Energie wird gestreut oder absorbiert.

Durch die Einschränkung der im Wellenleiter möglichen Grenzwinkel läßt sich eine spektrale Kantenfilterfunktion realisieren.

Hauptvorteil der Totalreflexion ist ihre hohe Effizienz, die bei etwa 95% liegt. Nachteilig sind die sehr kleinen Winkel im Bereich von 2 mrad.

Verwendet man für die Oberfläche des Wellenleiters Mehrschichtsysteme aus schweren und leichten Elementen oder die Netzebenen von Kristallen, so realisiert sich bei größeren Winkeln der Strahlungstransport durch den Wellenleiter über die Bragg-Bedingung:
nλ = 2d sin θ.

Dabei ist λ ist die Wellenlänge der Strahlung, d der Netzebenenabstand des Kristallgitters und θ der Einfallswinkel der Strahlung.

Unter diesen Bedingungen sind relativ leicht Bandpaßfilterfunktionen des Wellenleiters realisierbar. Nachteilig ist der schlechtere Reflexionskoeffizient.

Definierte Öffnungswinkel des Wellenleiters haben außerdem eine Kollektorwirkung und ermöglichen eine verbesserte Fokussierung des Röntgenstrahls.

Ziel der Erfindung ist eine wesentliche Steigerung des hier durch das Verhältnis von elektrischer Eingangsleistung und der am Austrittsfenster der Röhre verfügbaren Strahlungsleistung definierten Gesamtwirkungsgrades einer Röntgenröhre, sowie eine zielgerichtete Beeinflussung der Strahlparameter der aus der Röhre austretenden Röntgenstrahlung wie Strahldivergenz oder Energiespektrum.

Dazu wurde erfindungsgemäß eine übliche Röntgenröhre, bestehend aus einer Katode, einer Beschleunigungsstrecke für Elektronen und einer Anode, an der die Röntgenstrahlung entsteht, derart modifiziert, daß die in der Röntgenröhre entstehenden Photonen nicht wie üblich nur über ein für Röntgenstrahlen transparentes Fenster abgestrahlt werden, sondern daß unmittelbar am Brennfleck der Elektronen auf der Anode eine Wellenleiteranordnung, die entsprechend der Bedingung der Totalreflexion gestaltet ist, angeordnet ist, dort die entstehende Röntgenstrahlung mit maximaler Effizienz einkoppelt, sie während der Weiterleitung gegebenenfalls bezüglich Divergenz und/oder Spektrum beeinflußt und danach die Auskopplung der Strahlung realisiert.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll das Wesen der Erfindung erläutert werden.

Fig. 1 Die Prinziplösung.

Fig. 2 Gestaltung der erfindungsgemäßen Röntgenstrahlungsquelle mit Wellenleiterjustage.

Fig. 3 Strahlungsauskopplung mittels geometrisch strukturierten Wellenleiters zur Verstärkung des Kantenfiltereffektes und Begrenzung des Austrittswinkels.

Fig. 4 Strahlungsauskoppelung mit kombinierter Total- und Braggreflexion zur zusätzlichen Energie- und Wellenlängenselektion.

In Fig. 1 erzeugt ein von der Katode 1 emittierter Elektronenstrahl 2 auf der Anode 3 die primäre Röntgenstrahlung 4. Unmittelbar am Fokus auf der Anode 3 wird die entstehende Röntgenstrahlung 4 in eine Wellenleiteranordnung eingekoppelt, die sie zum Austrittsfenster der Röntgenröhre 6 weiterleitet und auf diesem Wege entsprechend den Prinzipien der Wellenoptik zu verändern/beeinflussen in der Lage ist.

Fig. 2 zeigt die konstruktive Gestaltung einer Wellenleiterröntgenröhre mit der Möglichkeit der Justierung der Relativposition des Brennflecks auf der Anode und der Eintrittsöffnung des Wellenleiters. Das Prinzip der Erzeugung von Röntgenstrahlung entspricht dabei dem, welches man allgemein in Feinfokusröhren verwendet. Ein von einer Kathode 1 emittierter Elektronenstrahl 2 erzeugt auf der Anode 3 die primäre Röntgenstrahlung 4. Der Wellenleiter besteht hier aus zwei Quarzglasplatten 5. Der Wellenleiter ist in Verbindung mit einer Justagemechanik und einem Faltenbalg 9 entlang einer zur Anode parallelen Ebene 8 verstellbar. In diesem Beispiel erzeugt der Elektronenstrahl einen Strichfokus, der parallel zur Eintrittsöffnung des Wellenleiters liegt. Röntgenstrahlung, die in die Öffnung des Wellenleiters gelangt und auf seine Oberfläche mit einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel der Totalreflexion trifft, wird durch den Wellenleiter bis zum Austrittsfenster 6 der Röhre transportiert.

Eine Verschiebung des Wellenleiters parallel zur Anodenoberfläche verändert den Anteil der eingekoppelten Strahlung, ihr Spektrum sowie das Strahlprofil am Austrittsfenster der Röhre. Befindet sich der Fokus in Verlängerung der Längsachse des Wellenleiters vor dessen Öffnung, so setzt sich die Strahlung am Ausgang der Röntgenröhre aus einem vom Wellenleiter durch Reflexion transportierten Anteil und dem direkt vom Fokus zum Röhrenfenster gelangten Anteil zusammen. Verschiebt man den Wellenleiter parallel zur Oberfläche der Anode, so gelangt schließlich nur noch reflektierte Strahlung zum Austrittsfenster der Röhre.

Eine Veränderung der Relativposition von Fokus und Wellenleiter ist natürlich auch über eine Elektronenstrahlablenkung möglich.

Vorteilhafterweise wird die Stirnseite des Wellenleiters über eine Metallbeschichtung auf Anodenpotential gelegt. Dies verhindert störende Raumladungen durch Rückstreu- oder Primärelektronen.

Für den Wellenleiter sind verschiedenste Varianten verwendbar. So können anstelle von zwei reflektierenden Flächen auch Stapelsysteme solcher Oberflächen zum Einsatz kommen. Gleiches gilt für Kapillaren oder Bündel von Kapillaren.

Fig. 3 zeigt einen speziellen Wellenleiter 5, bei dem die Strukturierung 10 der Oberfläche die Kantenfilterwirkung verstärkt und gleichzeitig den Öffnungswinkel der austretenden Strahlung 7 begrenzt. Die Strukturierung der Oberfläche des Wellenleiters besteht dabei aus streifenförmigen Bereichen, die für Totalreflexion geeignet sind, abgelöst von Bereichen, die durch ihre geometrische Lage oder Oberflächenbeschaffenheit die Röntgenstrahlung nicht reflektieren können. Die reflektierenden Streifen des Wellenleiters sind derart zueinander angeordnet, daß die Röntgenstrahlung wechselseitig von Streifen zu Streifen reflektiert wird.

Nur Röntgenstrahlung, die so reflektiert wird, daß sie gerade wieder auf den nächsten reflexionsfähigen Bereich der anderen Wellenleiterseite gelangt, wird zum Ausgang der Röhre transportiert.

Dadurch wird der Winkelbereich, mit dem die Strahlung von der Oberfläche reflektiert wird, stark eingeschränkt. Strahlung mit höherer Energie, die nur reflektiert wird, wenn sie unter einem besonders flachen Winkel auf die Oberfläche trifft, wird durch diesen Wellenleiter nicht transportiert. Dadurch wird eine Verstärkung des Kantenfiltereffektes realisiert.

Hergestellt werden können solche Wellenleiter vorteilhaft durch Ätzen oder durch Aufdampfen von nicht reflektierenden Streifen auf einer polierten Quarzplatte.

Fig. 4 zeigt den gleichen Wellenleiter unter Verwendung einer Oberfläche 11, die durch Braggreflexion einen energetischen Bandpaßfilter ermöglicht. Die aus dem Wellenleiter austretende Strahlung besitzt aufgrund der Totalreflexionsbedingung nur eine sehr geringe Divergenz. Benutzt man für die letzte reflektierende Oberfläche ein Mehrschichtsystem von leichten und schweren Elementen (z. B. W/Si oder W/C Schichten) oder die Netzebenen eines Kristalls (LiF; Graphit. . .), so werden bei größeren Einfallswinkeln die Röntgenstrahlen entsprechend der Braggbedingung reflektiert. Im Gegensatz zur Totalreflexionsbedingung ist die Wirkung hier ein energetischer Bandpaßfilter.

Claims (5)

1. Röntgenstrahlungsquelle mit erhöhter Strahlungsausbeute auf der Basis der im Vakuum von einer Katode auf eine Anode beschleunigten Elektronen mit einem innerhalb der Röntgenröhre angeordneten röntgenoptischen System, dadurch gekennzeichnet, daß das röntgenoptische System als auf Totalreflexion beruhender und aus mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen oder Kristallebenen bestehender Wellenleiter (5) ausgebildet ist, der einen möglichst großen Anteil der Strahlung (4) direkt an der Anode einkoppelt, spektral verändert und zum Austrittsfenster (6) der Röntgenröhre leitet.

2. Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus Platten bestehenden Wellenleiter durch mechanische Vorrichtungen der Plattenabstand an der Eintritts- und Austrittsöffnung und die Relativposition von Röntgenfokus und Eintrittsfenster des Wellenleiters veränderbar sind.

3. Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Justage mit Hilfe von piezokeramischen Bauelementen erfolgt.

4. Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Wellenleiters aus reflektierenden Platten eine oder mehrere Kapillaren benutzt werden, die an ihrer Innenseite eine Totalreflexion realisieren.

5. Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Strukturierung der Oberfläche des Wellenleiters dahingehend, daß sich streifenförmige reflektierende und nicht reflektierende Bereiche der Oberfläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Röntgenstrahls miteinander ablösen, besonders kleine Reflexionswinkel verhindert und damit die Kantenfilterwirkung des Wellenleiters für höhere Energien verbessert und die Divergenz der austretenden Röntgenstrahlung verringert wird.