DE69430088T2

DE69430088T2 - Röntgenstrahlen-Beugungsgerät mit Kühlmittel-Verbindung zur Röntgenröhre

Info

Publication number: DE69430088T2
Application number: DE69430088T
Authority: DE
Inventors: Johannes Franciscus Martinus D'achard Van Enschut; Theodorus Jan Jeanette Maria Jenneskens
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Malvern Panalytical BV
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2014-06-30
Also published as: DE69430088D1; US5515414A; JPH0757669A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenbeugungseinrichtung mit einer Röntgenröhre und einem Halter zum Aufnehmen der Röntgenröhre, die eine Anode umfasst, die mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt wird und die in der Nähe eines ersten Endes der Röhre liegt, welche Röntgenröhre zum Erzeugen eines linienförmigen Röntgenfokus ausgebildet ist, wobei die genannte Einrichtung Leitungsmittel für die Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums umfasst.
Eine solche Röntgenbeugungseinrichtung ist aus SU-A-616717 bekannt.
Eine Einrichtung und eine Röhre der dargelegten Art sind aus einer von der Anmelderin veröffentlichten Broschüre bekannt, mit dem Titel "High Power X-ray Diffraction Tubes". Die Broschüre offenbart eine Röntgenröhre, in der als Kühlflüssigkeit für die Anode Wasser verwendet wird. Die Leitungsmittel für die Zufuhr und Abfuhr des Kühlwassers umfassen einen Kühlwassereinlass, dort als "Wasser ein" angedeutet und einen Kühlwasserauslass, der darin als "Wasser aus" angedeutet wird, wobei sich zwischen dem Einlass und dem Auslass eine Leitung befindet, die das Kühlwasser entlang der zu kühlenden Anode führt. Der Einlass und der Auslass sind beide in einem auf der Röhre am Ort eines Endes, das in der Nähe der zu kühlenden Anode liegt, angeordneten Flansch vorgesehen. Die Röntgenröhre ist in dem Halter mit Hilfe des genannten Flansches befestigt und positioniert. Das Kühlwasser wird über Öffnungen in einem Anschlag in dem Halter zu- und abgeführt, wobei die Öffnungen dem Einlass und dem Auslass in dem Flansch entsprechen. Bei der in der genannten Veröffentlichung dargestellten Röntgenröhre wird ein linienförmiger Röntgenfokus gebildet, von dem aus die Strahlung in zwei zueinander senkrechten Richtungen entnommen werden kann, d.h. in der Längsrichtung des Fokus und in einer dazu senkrechten Richtung. Für jede dieser Richtungen ist in der Röntgenröhre ein Austrittsfenster vorgesehen.
Für manche Röntgenbeugungsanwendungen ist es wünschenswert, die zu untersuchende Probe von einem linienförmigen Fokus aus zu belichten, während für andere Anwendungen ein punktförmiger Fokus vorgezogen wird. Daher sorgt die Röntgenröhre vorzugsweise für beide Fokusformen. Bei der bekannten Röntgenröhre ist dies möglich, indem Röntgenstrahlen in Längsrichtung von der Fokuslinie unter einem kleinen Winkel relativ zu Anodenoberflächen entnommen werden; der Linienfokus wird dann als (virtueller) Punktfokus gesehen. Wenn die Röntgenstrahlen in einer Richtung senkrecht zu dieser Richtung entnommen werden, wird der Röntgenfokus als linienförmig gesehen. In der Praxis ist die Richtung für die Röntgenstrahlen vorgeschrieben, weil diese Richtung den Ort der Probe, der Detektoren und der übrigen Apparatur des Analysegerätes bestimmt. Die gewünschte Umschaltung vom Punktfokus zum Linienfokus und umgekehrt wird dann durch Drehen der Röntgenröhre in dem Halter um eine Vierteldrehung realisiert.
Drehung der Röntgenröhre in ihrem Halter hat jedoch den Nachteil, dass nach der Drehung der Ort der Öffnungen in der Stoßfläche in dem Halter nicht mehr mit dem Einlass und dem Auslass im Flansch der Röntgenröhre übereinstimmt. Es wäre möglich, dieses Problem zu lösen, indem ein Adapterflansch zwischen dem Flansch der Röhre und dem Anschlag in dem Halter angebracht wird, und zwar für jede Position der Röhre ein Adapterflansch. Die in dem Anschlag vorhandenen Löcher könnten wieder an die Löcher in dem Röhrenflansch anschließen. Ein Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass hierfür gesonderte Komponenten erforderlich sind (die Adapterflansche) und dass ein solcher Austausch nur durch geschultes Personal vorgenommen werden kann. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens des Zuführens von Wasser zur Röhre ist, dass unvermeidbar eine gewisse Menge Wasser nahe des Hochspannungssteckers austritt, wenn die Röhre zum Drehen gelöst wird. Das Wasser könnte Hochspannungsüberschläge bewirken, die den Stecker und/oder die Röhre beschädigen.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Röntgenbeugungseinrichtung zu verschaffen, in der die Röntgenröhre um 90º in dem Halter gedreht werden kann, ohne dass besondere Maßnahmen erforderlich sind und ohne dass Lecken auftritt.
Hierzu ist die Einrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel röhrenförmige Leitungen umfassen, die so mit der Röntgenröhre verbunden sind, dass sie sich mit ihr mit bewegen, wenn die Röhre in dem Halter um 90º gedreht wird, und die vom ersten Ende bis zum anderen Ende der Röntgenröhre verlaufen.
Beim Positionieren kann das erste Ende der Röntgenröhre in den Halter gleiten und darin befestigt werden. Ihr anderes Ende, an dem das Zuführungskabel für die Hochspannung und den Heizstrom befestigt ist, bleibt für den Operator zugänglich. Weil in diesem Bereich die Kühlwasserverbindungen leicht zugänglich sind, können die Wasserschläuche in einfacher Weise daran befestigt werden. Wenn die Röhre um 90º gedreht wird, bewegen sich die Verbindungsschläuche einfach mit der Röhre mit.
Es sei bemerkt, dass aus der von der Anmelderin veröffentlichten Broschüre "Tube for X-ray Spectrometry" an sich bekannt ist, eine Röntgenröhre an dem der Anode zugewandten Ende mit Kühlwasserverbindungen zu versehen. Es betrifft jedoch eine Röntgenröhre für Spektrometriezwecke und nicht für Beugungszwecke. Somit ist die dort dargestellte Röhre nicht ausgebildet, einen Linienfokus zu erzeugen und ist nicht dafür vorgesehen, entweder einen punktförmigen oder einen linienförmigen Röntgenfokus gemäß der geforderten Betriebsart zu verschaffen.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung zur Röntgenbeugung dadurch gekennzeichnet, dass die röhrenförmigen Leitungen auf der Außenseite der Röntgenröhre verlaufen. Dies vereinfacht die Konstruktion der Röhre wesentlich.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung ist eine Röntgenbeugungseinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Teile zur Hochspannungsisolation der Röhre aus Keramikmaterial hergestellt sind. Die genannten Teile sind bei bekannten Röhren üblicherweise aus Glas hergestellt. Es ist eine bekannte Eigenschaft von mit der Hand hergestellten Glasteilen, dass sie verhältnismäßig große Abmessungstoleranzen aufweisen können. Wenn ein Keramikmaterial verwendet wird, können diese Teile mit wesentlich geringeren Abmessungstoleranzen hergestellt werden, was zu kleineren äußeren Abmessungen der Röhre führt. In dem Halter kann dann in einfacher Weise Raum für die Leitungen für die Kühlflüssigkeit reserviert werden.
Wenn die isolierenden Teile der Röhre aus Keramikmaterial hergestellt sind, kann im Vergleich zu mit Glas isolierten Röhren eine wesentlich kompaktere Röhre hergestellt werden. Das bedeutet, dass die in dem Glühdraht entwickelte Wärme (typischerweise in der Größenordnung von 40 W) einen viel kürzeren Weg zurücklegen muss, um durch Leitung nach außen zu gelangen, während die Wärmeleitung des Keramikmaterials (beispielsweise Aluminiumoxid, Al&sub2;O&sub3;) wesentlich höher ist als die von Glas. Daher kann es vorkommen, dass Röhrenteile, insbesondere solche, an denen sich der Hochspannungsstecker befindet, eine unzulässig hohe Temperatur annehmen, sodass sie Schäden verursachen können.
Um diese Situation zu vermeiden, ist eine erfindungsgemäßen Einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode der Röntgenröhre über ein keramisches Zwischenglied auf einem Sockel der Röntgenröhre montiert ist, und dass die an der Außenseite der Röntgenröhre verlaufenden röhrenförmigen Kühlmediumleitungen so montiert sind, dass sie mit dem Sockel in Wärmekontakt stehen. Der Hochspannungsstecker ist in einer Aussparung in dem Sockel untergebracht; der Sockel, und damit auch der Stecker, wird dann durch die Kühlwasserleitungen gekühlt, die damit in Kontakt stehen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen haben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Röntgenbeugungseinrichtung;
Fig. 2a einen Halter mit einer Röntgenröhre, wobei ein Kühlmedium in bekannter Weise zugeführt wird;
Fig. 2b einen Halter mit einer Röntgenröhre, wobei ein Kühlmedium gemäß der Erfindung zugeführt wird;
Fig. 3 eine Röntgenröhre zur Verwendung in einer Röntgenbeugungseinrichtung von Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine Röntgenbeugungseinrichtung, in der ein Goniometer 4 auf einem Gestell 2 montiert ist. Das Goniometer 4 ist mit einer Skalenteilung 6 versehen zum Messen der Winkeldrehung der darauf montierten Röntgenquelle 7 und der Detektoreinrichtung 9 die ebenfalls darauf montiert ist. Das Goniometer umfasst auch einen Probenträger 8, auf dem eine Probe 10 vorgesehen ist. Für Fälle, bei denen Messung der Winkeldrehung der Probe wichtig ist, ist eine Skalenteilung 12 vorgesehen. Die Röntgenquelle 7 umfasst einen Halter 12 für eine Röntgenröhre, die in dieser Figur nicht abgebildet ist und die mit einem Montagering 20 in dem Halter befestigt ist. Die Röntgenröhre ist über einen Hochspannungsstecker 16 angeschlossen, der die Hochspannung und den Heizstrom für die Röntgenröhre über ein Hochspannungskabel 18 zuführt. Die Einlass- und Auslassleitungen 22 und 24 für das Kühlwasser der Röntgenröhre sind an der gleichen Seite der Röntgenröhre vorgesehen. Der Röhrenhalter 12 umfasst auch ein Röntgenaustrittsfenster 14 und eine Einheit 16 zum Parallelisieren des Röntgenstrahlenbündels (einen Soller-Spalt). Die Detektoreinrichtung 9 besteht aus einem Halter 26 für einen Soller-Spalt, einem Halter 28 für einen Monochromatorkristall und einem Detektor 30. Wenn sowohl die Röntgenquelle als auch der Detektor um die Probe drehbar sind, wie in der Figur gezeigt, ist die Probe drehbar anzuordnen. Es ist jedoch auch möglich, die Röntgenquelle fest aufzustellen; dies kann bei großen und schweren Röntgenquellen notwendig sein. In diesem Falle sollten sowohl der Probenträger als auch der Detektor drehbar sein.
Fig. 2a und 2b zeigen einen Halter mit einer Röntgenröhre; Fig. 2a zeigt, wie das Kühlwasser in der bekannten Situation zugeführt wird, während Fig. 2b zeigt, wie das Kühlwasser gemäß der vorliegenden Erfindung zugeführt wird.
Fig. 2a zeigt einen Halter 12 mit einer Röntgenröhre 31. Die Röhre ist in dem Halter mit Hilfe eines Montageflansches 38 positioniert, der mit einem Rand 44 zusammenwirkt, der in dem Halter vorgesehen ist. Mit Hilfe eines Nockens 46 wird die Röhre in die richtige Winkelposition gebracht. Die Röhre wird in ihrer Lage durch einen Klemmring 20 gesichert, der auf den Halter 12 geklemmt oder geschraubt wird. Die Röntgenröhre 31 umfasst eine Anode 32, die gekühlt werden muss. Das Kühlwasser wird über Leitungen 34 und 36 entlang der Anode geführt; diese Leitungen sind ein Teil des Halters 12. Das Kühlwasser wird über einen Anschluss 22 zugeführt und anschließend über eine Leitung 34 zum Flansch 38 geleitet, der mit zwei diametral entgegengesetzt liegenden Durchführungen 40 und 42 versehen ist. Zwischen diesen Öffnungen befindet sich in der Röntgenröhre eine Leitung 48, durch die das Kühlwasser entlang der Anode geleitet wird. Auf der Anode 32 wird ein linienförmiger Elektronenfokus gebildet, sodass je nach der Entnahmerichtung ein linienförmiger oder punktförmiger Röntgenfokus gebildet wird. Die auf der Anode gebildeten Röntgenstrahlen treten aus dem Halter über ein (in der Figur nicht abgebildetes) Fenster in dem Halter 12 aus. Der linienförmige Fokus emittiert die Röntgenstrahlen über ein erstes Fenster 50; der punktförmige Fokus wird wahrgenommen, indem der linienförmige Fokus in einer Richtung senkrecht dazu, über ein Fenster (in der Figur nicht abgebildet), das relativ zu dem Fenster 50 um 90º gedreht ist, wahrgenommen wird. Wenn aus einer (virtuellen) punktförmigen Quelle Röntgenstrahlen erhalten werden sollen, muss das betreffende Fenster der Röhre in dem Halter gedreht werden, sodass es vor dem Halterfenster liegt; im Falle eines linienförmigen Fokus muss daher die Röhre um 90º gedreht werden. Eine Drehung der Röhre in dem Halter ist nur möglich, wenn spezielle Maßnahmen getroffen worden sind, weil die Wasserverbindungen im Halter 12 und der Flansch 40 nach der Drehung nicht mehr aneinander anschließen. Die Erfindung bietet eine Lösung für dieses Problem in Form der Ausführungsform, die in Fig. 2b gezeigt wird.
In Fig. 2b wird der Anode 32 über zwei Leitungen 52 und 54, die um die und außerhalb der Röntgenröhre verlaufen, der Anode 32 zugeführt. Diese Leitungen sind mit dem Sockel 56 thermisch verbunden. Die Leitungen sind an ein Kühlwasserreservoir 58 angeschlossen, aus dem das Kühlwasser über die Rückseite der Anode 32 verteilt wird. Falls es notwendig ist, die Röntgenröhre in dem Halter um 90º zu drehen, treten die Wasseranschlussprobleme, wie sie anhand von Fig. 2a beschrieben worden sind, bei dieser Konfiguration nicht auf.
Fig. 3 ist eine detailliertere Darstellung einer Röntgenröhre zur Verwendung in einer Röntgenbeugungseinrichtung. Die Röhre umfasst einen Heizdraht 60, der von einer U-förmigen Kathodenstruktur 62 umgeben ist. Von dem Heizdraht emittierte Elektronen werden von einem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Anode beschleunigt und stoßen mit hoher Energie, die hauptsächlich in Wärme umgewandelt wird, auf die Anode. Ein wesentlicher Teil der Wärme wird über das Kühlwasser abgeführt, das durch die Leitungen 52 und 54 transportiert wird. Die Kathode 62 ist an einem Träger 64 angebracht, der wiederum auf einem keramischen Zwischenglied 66 montiert ist. Dieses Zwischenglied ist auf dem Sockel 56 montiert, durch den die Leitungen 52 und 54 hindurchlaufen. Die von dem Heizdraht 60 erzeugte Wärme muss durch Konvektion oder Leitung abgeführt werden. Wegen der Verwendung eines Keramikmaterials für die Hochspannungsisolierung gibt es eine Tendenz zu immer kompakteren Röntgenröhren. Die Wärme, die dann über die Hochspannungsisolierung abgeführt werden muss, führt zu höheren Temperaturen von Komponenten auf der Außenseite der Röntgenröhre, wie z.B. des Sockels 56. Dies wird durch einerseits den kürzeren Weg zwischen dem Heizdraht 60 und der betreffenden Komponente verursacht und andererseits durch die höhere Wärmeleitung des Keramikmaterials im Vergleich zu Glas. Weil Kühlwasser entlang des Sockels 56 geleitet wird, kann diese Komponente keine unzulässig hohe Temperatur annehmen.

Claims

1. Röntgenbeugungseinrichtung mit einer Röntgenröhre (7) und einem Halter (12) zum Aufnehmen der Röntgenröhre,

- welche Röntgenröhre eine Anode (32) umfasst, die mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt wird und die in der Nähe eines ersten Endes der Röhre liegt,

- welche Röntgenröhre zum Erzeugen eines linienförmigen Röntgenfokus ausgebildet ist,

- wobei die genannte Einrichtung Leitungsmittel (22, 24, 52, 54, 58) für die Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Leitungsmittel röhrenförmige Leitungen (52, 54) umfassen, die so mit der Röntgenröhre verbunden sind, dass sie sich mit ihr mit bewegen, wenn die Röhre in dem Halter um 90º gedreht wird, und die vom ersten Ende bis zum anderen Ende der Röntgenröhre verlaufen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die röhrenförmigen Leitungen (52, 54) auf der Außenseite der Röntgenröhre verlaufen.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (66) zur Hochspannungsisolation der Röhre aus Keramikmaterial hergestellt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (60, 62) der Röntgenröhre über ein keramisches Zwischenglied (66) auf einem Sockel (56) der Röntgenröhre montiert ist, und dass die an der Außenseite der Röntgenröhre verlaufenden röhrenförmigen Kühlmediumleitungen (52, 54) so montiert sind, dass sie mit dem Sockel in Wärmekontakt stehen.