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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Röntgenstrahlen mit
einer Elektronenquelle zum Emittieren von Elektronen in einem Vakuumraum,
einem Flüssigmetallkreislauf
mit einem Flüssigmetall
zum Emittieren von Röntgenstrahlen
infolge des Auftreffens von Elektronen und mit einem Pumpenmittel
zum Veranlassen einer Flüssigmetallströmung durch
eine Verengung, wo die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen
auf das Flüssigmetall
aufprallen, und mit einem Strahlungsfenster, das die genannte Verengung
begrenzt, transparent für
Elektronen und Röntgenstrahlen
ist und die Verengung vom Vakuumraum trennt.
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Eine
Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen
der im einleitenden Absatz genannten Art ist aus dem Dokument
WO 03/077277 A1 bekannt.
In dieser Vorrichtung ist die Verengung durch ein dünnes Strahlungsfenster
aus einem für
Elektronen und Röntgenstrahlen
transparenten Material, das das Flüssigmetall in der Verengung
vom Vakuumraum trennt, und durch eine dem Strahlungsfenster gegenüberliegende
Wand begrenzt. Das Profil der Wand ist dem Profil angeglichen, welches
das Strahlungsfenster während
des Betriebs infolge einer Verformung des Strahlungsfensters aufgrund
des Drucks des Flüssigmetalls
in der Verengung aufweist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die
Verengung eine vorgegebene beabsichtigte Querschnittfläche hat,
und eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit
sowie ein begleitendes übermäßiges Ansteigen
des Drucks am Ort der Fensterverformung werden verhindert.
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In
dem Dokument
WO 03/077277
A1 werden weiterhin Verfahren zum Verringern der Verformung des
Strahlungsfensters beschrieben, das relativ dünn ist, um eine ausreichende
Transparenz für
Elektronen und Röntgenstrahlen
zu erreichen, indem entweder der Druck des Flüssigmetalls auf das Strahlungsfenster
verringert wird oder indem das Fenster für eine bessere Stabilität mit einer
Riffelung versehen wird. Die Verfahren zum Verringern des Drucks
beruhen auf entweder einem festen oder einem flexiblen Profil, das
der dem Strahlungsfenster gegenüberliegenden
Wand der Verengung verliehen wird. Das genannte flexible Profil
kann während
des Betriebs mit Hilfe von mindestens einem Stellglied verändert werden.
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Ein
Nachteil der bekannten Vorrichtung mit dem genannten flexiblen Profil
besteht darin, dass mindestens ein Drucksensor und ein Steuerelement benötigt werden,
um das Stellglied in Abhängigkeit von
einem Drucks mit Hilfe des Sensors zu steuern.
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Ähnliche
Vorrichtungen werden in den Dokumenten
WO-03/001556-A1 und
WO-03/077276-A1 beschrieben.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
der in dem einleitenden Absatz genannten Art zu schaffen, bei der
eine Querschnittfläche
der Verengung aufgrund eines Selbstregelungsprozesses im Wesentlichen
einer beabsichtigten, gewünschten
Querschnittflache entspricht, ohne dass externe oder zusätzliche
Komponenten oder Elektronik benötigt
werden.
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Um
die genannte Aufgabe zu lösen,
ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Verengung durch ein dem
genannten Strahlungsfenster gegenüberliegendes Kompensationsfenster
begrenzt wird, das die Verengung von einer Druckkammer trennt, die
Flüssigmetall
enthält, welches
durch den genannten Flüssigmetallkreislauf über eine
Verbindung zugeführt
wird, und das im Betrieb ein Profil infolge einer durch einen Druck
in der Druckkammer verursachten Verformung hat, das im Wesentlichen
dem Profil angeglichen ist, welches das Strahlungsfenster im Betrieb
als Folge einer Verformung des Strahlungsfensters durch einen Druck des
Flüssigmetalls
in der Verengung hat.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass, da eine Verformung des
Strahlungsfensters nicht vermieden werden kann, weil das Strahlungsfenster
wegen der ausreichenden Transparenz für Elektronen und Röntgenstrahlen
dünn sein
muss und weil ein Vakuum auf einer Seite des Strahlungsfensters
vorhanden ist, die Begrenzung der Verengung gegenüber dem
Strahlungsfenster ein angepasstes Profil haben muss. Da erfindungsgemäß die genannte
Begrenzung durch ein Kompensationsfenster mit einem Profil gebildet
wird, das während
des Betriebs im Wesentlichen dem Profil des Strahlungsfensters angeglichen
ist und durch einen Druck des Flüssigmetalls
in der Druckkammer verursacht wird, der sich von dem Druck in der
Verengung unterscheidet, wird ohne die Notwendigkeit externer oder
zusätzlicher Komponenten
oder Elektronik erreicht, dass eine Querschnittfläche der
Verengung in dem verformten Zustand der genannten Fenster, d.h.
während
des Betriebs, im Wesentlichen einer beabsichtigten, gewünschten
Querschnittfläche
entspricht, die die Verengung haben würde, wenn die Fenster keiner
Verformung unterlägen.
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Es
ist zu beachten, dass der Ausdruck „angeglichen" in Anspruch 1 nicht
begrenzt ist auf „ist identisch
mit" oder „entspricht". Dementsprechend deckt
die Erfindung nicht nur Ausführungsformen
ab, bei denen die Verengung während
des Betriebs eine konstante Querschnittfläche hat, gesehen in einer Strömungsrichtung
des Flüssigmetalls,
sondern auch Ausführungsformen,
bei denen die Verengung während
des Betriebs eine Querschnittfläche
hat, die sich auf eine vorgegebene beabsichtigte Weise in der Strömungsrichtung
verändert.
Der Ausdruck „angeglichen" soll daher allgemein
angeben, dass das Profil des dem Strahlungsfenster gegenüberliegenden Kompensationsfensters
durch das Profil des verformten Strahlungsfensters bestimmt wird,
sich diesem annähert
oder entspricht, und zwar auf eine solche Weise, dass die Querschnittfläche der
Verengung im verformten Zustand der genannten Fenster, d.h. während des
Betriebs, im Wesentlichen einer beabsichtigten Querschnittfläche entspricht
und sich dementsprechend auch – gesehen
in Strömungsrichtung – auf eine
Weise verändern
könnte,
die einer beabsichtigten Querschnittfläche entspricht, die die Verengung
haben würde,
wenn die Fenster keiner Verformung unterlägen.
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Eine
besondere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Druckkammer mit einem Hochdruckbereich
des genannten Flüssigmetallkreislaufs
stromaufwärts
von der Verengung verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform steht der Druck in
der Druckkammer, der auf das Kompensationsfenster ausgeübt wird,
in Zusammenhang mit dem Druck, der durch das Pumpenmittel bereitgestellt wird,
und wird nicht durch einen Druckverlust stromabwärts von der Verengung beeinträchtigt,
der durch Verluste durch viskose Strömung verursacht wird. Wenn
der Unterschied zwischen dem Druck in der Verengung und dem Druck
in der Druckkammer erheblich größer ist
als der Druck in der Verengung, haben Druckänderungen in der Verengung
praktisch keinen Einfluss auf die Verformung des Kompensationsfensters.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Druckkammer im Wesentlichen über die
gesamte Fläche
des Kompensationsfensters reicht. Bei dieser Ausführungsform
ist im Wesentlichen die gesamte Fläche des Kompensationsfensters
dem Druck in der Druckkammer ausgesetzt, wenn die Fläche des
Strahlungsfensters dem Druck in der Verengung unterliegt.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Kompensationsfenster im
Wesentlichen die gleiche Größe hat wie
das Strahlungsfenster. Bei dieser Ausführungsform werden die jeweiligen
Verformungen der Fenster ähnlich sein,
wenn vergleichbare Drücke
ausgeübt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Kompensationsfenster im
Wesentlichen aus dem gleichen Material besteht wie das Strahlungsfenster.
Bei dieser Ausführungsform
werden die jeweiligen Verformungen der Fenster ähnlich sein, wenn vergleichbare
Drücke
ausgeübt
werden. Vorzugsweise bestehen die Fenster aus Wolfram, Molybdän oder Diamant.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Kompensationsfenster dicker
ist als das Strahlungsfenster. Bei dieser Ausführungsform ist der Druck in
der Druckkammer höher
als der Druck in der Verengung, und da der Unterschied zwischen
dem Druck in der Verengung und dem Druck in der Druckkammer wesentlich
größer ist als
der Druck in der Verengung, haben Druckänderungen in der Verengung
praktisch keinen Einfluss auf die Verformung des Kompensationsfensters.
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Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen werden
im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen;
und
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2 eine
Verengung der Vorrichtung aus 1 im Detail.
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In 1 sind
nur die Hauptkomponenten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 1,
das einen Vakuumraum 2 umschließt, in dem eine Elektronenquelle 3 oder
Kathode zum Emittieren von Elektronen untergebracht ist. Die Vorrichtung
umfasst weiterhin ein geschlossenes Kanalsystem 4 mit einem
Einlasskanal 5, einem konvergierenden Teil 6,
einer Verengung 7, einem divergierenden Teil 8,
einem Auslasskanal 9, einem Wärmetauscher 10 und
einer Hydraulikpumpe 11. Der Kanal 4 ist mit einem
Flüssigmetall
gefüllt,
das die Eigenschaft hat, beim Einfall von Elektronen Röntgenstrahlen
zu emittieren, und somit wird ein Flüssigmetallkreislauf gebildet.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist das Flüssigmetall
eine Legierung aus Ga, In und Sn, jedoch können auch andere Arten von
Metallen oder Metalllegierungen, die bei Raumtemperatur vorzugsweise
flüssig
sind, zum Beispiel Hg, verwendet werden.
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Die
Verengung 7 wird durch ein Strahlungsfenster 12 begrenzt,
das für
Elektronen und Röntgenstrahlen
transparent ist, und durch ein Kompensationsfenster 13,
das dem Strahlungsfenster 12 gegenüber liegt. Bei der dargestellten
Ausführungsform umfasst
das Strahlungsfenster 12 ein eine relativ dünne (5 μm) Diamantplatte,
wobei jedoch auch andere Materialarten, die ausreichend transparent
für Elektronen
und Röntgenstrahlung
sind, zum Beispiel Mo, verwendet werden können. Das Strahlungsfenster 12 trennt
die Verengung 7 vom Vakuumraum 2 und verhindert
dadurch, dass der Vakuumraum 2 durch Flüssigmetallpartikel verunreinigt
wird. Das Kompensationsfenster 13 trennt die Verengung 7 von der
Druckkammer 14, die das von dem Kanalsystem 4 über eine
Verbindung 15 zugeführte
Flüssigmetall enthält.
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Während des
Betriebs der Vorrichtung wird das Flüssigmetall mittels der Hydraulikpumpe 11 dazu
veranlasst, durch die Verengung 7 zu strömen. Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist die Hydraulikpumpe 11 von konventioneller Art, es können jedoch stattdessen
auch andere geeignete Pumpenmittel verwendet werden, zum Beispiel
eine magnetohydraulische Pumpe. Die Verengung 7 hat eine
relativ kleine Querschnittfläche,
so dass die Flüssigmetallströmung in
der Verengung 7 eine relativ hohe Geschwindigkeit hat und
turbulent ist. Die Elektronenquelle 3 erzeugt ein Elektronenstrahlbündel 16,
das das Strahlungsfenster 12 durchquert und an einer Aufprallposition 17 in
der Verengung 7 auf das Flüssigmetall auftrifft. Infolge
des Auftreffens des Elektronenstrahlbündels 16 auf dem Flüssigmetall
werden an der Aufprallposition 17 Röntgenstrahlen 18 erzeugt.
Das Flüssigmetall
in der Verengung 7 stellt somit eine Anode der Vorrichtung
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
dar. Die Röntgenstrahlen 18 treten durch
das Strahlungsfenster 12 und ein Röntgenaustrittsfenster 19 aus,
das in dem Gehäuse 1 vorgesehen
ist.
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Eine
weitere Folge des Auftreffens des Elektronenstrahlbündels 16 auf
dem Flüssigmetall
ist die Erzeugung einer großen
Wärmemenge
an der Aufprallposition 17. Diese Wärme wird auf effiziente Weise
durch die Flüssigmetallströmung in
der Verengung 7 von der Aufprallposition 17 wegtransportiert,
und das erwärmte
Flüssigmetall
wird anschließend
in dem Wärmetauscher 10 wieder
abgekühlt.
Auf diese Weise wird eine übermäßige Erwärmung des
Flüssigmetalls
an der Aufprallposition 17 und in der Umgebung der Verengung 7 vermieden.
Mit Hilfe der Flüssigmetallströmung in
der Verengung 7 wird eine relativ hohe Geschwindigkeit
beim Abtransport der Wärme
von der Aufprallposition 17 erreicht, so dass ein relativ
hohes Energieniveau des Elektronenstrahlbündels 16 und daher
ein relativ hohes Energieniveau der Röntgenstrahlung 18 möglich wird.
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In 2 ist
ein Teil der Vorrichtung aus 1 in vergrößerter Ansicht
dargestellt. Aufgrund des durch die Pumpenmittel (in 2 nicht
abgebildet) ausgeübten
Drucks fließt
das Flüssigmetall durch
den Einlasskanal 5, den konvergierenden Teil 6,
die Verengung 7, den divergierenden Teil 8 und den
Auslasskanal 9. Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt
in dem konvergierenden Teil 6 zu, so dass der statische
Druck des Flüssigmetalls
gemäß dem Bernoulli-Effekt
abnimmt. Der Druck in der Verengung 7 führt zu einer Verformung des
Strahlungsfensters 12, das daher ein Profil p hat. Aufgrund
des Druckunterschieds zwischen dem Druck in der Verengung 7 und dem
Druck in der Druckkammer 14 wird auch das Kompensationsfenster 13 verformt
und hat daher ein Profil p',
das dem Profil p im Wesentlichen angeglichen ist. In 2 ist
eine Druckkammer 14 dargestellt, die über eine Verbindung 15 mit
dem konvergierenden Teil 6 verbunden ist. Bei einer anderen Ausführungsform
ist die Druckkammer 14 mit dem Einlasskanal 5 verbunden.
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Um
während
des Betriebs eine ausreichend hohe Geschwindigkeit des Flüssigmetalls
in der Verengung 7 zu erhalten, erzeugt die Pumpe 11 einen relativ
hohen Flüssigmetalldruck.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform
wird ein Druck in der Größenordnung
von 50-60 bar im Einlasskanal 5 erzeugt, um eine Strömungsgeschwindigkeit
in der Größenordnung
von 50 m/s in der Verengung 7 zu erhalten. Bei der dargestellten
Ausführungsform
hat die Verengung 7 eine Höhe, d.h. einen Abstand zwischen
dem Strahlungsfenster 12 und dem Kompensationsfenster 13,
von ungefähr
400 μm,
eine Länge in
der Strömungsrichtung
von ungefähr
1,5 mm und eine Breite senkrecht zu der Strömungsrichtung von ungefähr 10 mm.
Infolge des Bernoulli-Effekts in dem konvergierenden Teil 6 liegt
der Druck in der Verengung 7 bei 1 bar. Infolge des Bernoulli-Effekts
in dem divergierenden Teil 8 liegt der Druck im Auslasskanal 9 in
der Größenordnung
von 40-45 bar und ist damit aufgrund der viskosen Strömungsverluste
?? niedriger ist als der Druck im Einlasskanal 5.
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Unter
dem Einfluss des Flüssigmetalldrucks in
der Verengung 7 verformt sich das Strahlungsfenster 12.
Eine Verformung des Strahlungsfensters 12 kann nicht verhindert
werden, weil das Strahlungsfenster 12 dünn genug sein sollte, um eine
ausreichende Transparenz für
Elektronen und Röntgenstrahlen
zu erreichen, und weil auf der dem Flüssigmetall abgewandten Seite
des Strahlungsfensters ein Vakuumdruck vorhanden ist. Bei der Ausführungsform
aus 1 liegt die maximale Verformung in der Mitte des
Strahlungsfensters 12 in der Größenordnung von 30 μm. Infolge
der Differenz zwischen dem Druck in der Verengung 7 und
dem Druck in der Druckkammer 14 wird auch das Kompen sationsfenster 13 verformt.
Bei der dargestellten Ausführungsform
hat das Kompensationsfenster eine Dicke von 30 μm und besteht aus Wolfram. Die
Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Verengung 7 und
dem Druck in der Druckkammer 14 liegt in der Größenordnung
von 50-60 bar und die maximale Verformung des Kompensationsfensters 13 ist
im Wesentlichen der Verformung des Strahlungsfensters 12 angeglichen.
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Der
Druck des Flüssigmetalls
stromaufwärts von
der Verengung 7 ist neben anderen Parametern ausschlaggebend
für den
Druck und die Geschwindigkeit des Flüssigmetalls in der Verengung 7 sowie für den Druck
des Flüssigmetalls
in der Druckkammer 14. Durch die Nutzung dieses Zusammenhangs wird
ohne die Notwendigkeit externer oder zusätzlicher Komponenten oder Elektronik
ein Selbstregelungsprozess geschaffen, der sichergestellt, dass
die Verengung 7 eine beabsichtigte, gewünschte Querschnittfläche hat
und damit ein übermäßiger Druck oder
Druckänderungen,
die sich auf das genannte Strahlungsfenster 12 auswirken,
reduziert oder sogar verhindert werden.