EP0459567A2 - Strahlenquelle für quasimonochromatische Röntgenstrahlung - Google Patents

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EP0459567A2
EP0459567A2 EP91201225A EP91201225A EP0459567A2 EP 0459567 A2 EP0459567 A2 EP 0459567A2 EP 91201225 A EP91201225 A EP 91201225A EP 91201225 A EP91201225 A EP 91201225A EP 0459567 A2 EP0459567 A2 EP 0459567A2
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Philips Patentverwaltung GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a radiation source for generating essentially monochromatic X-rays, with an anode for generating X-rays, a target enclosed by the anode for converting X-rays into fluorescent radiation, and with a screen located between the target and the anode for shielding the target against electrons .
  • Such a radiation source is known from DE-OS 37 16 618.
  • the metal screen has the task of keeping (scattering) electrons away from the target, which would lead to the fact that polychromatic brake radiation is generated in the target in addition to the practically monochromatic fluorescent radiation.
  • This screen is penetrated by the X-ray radiation emitted from the anode, which is converted into fluorescence radiation in the target.
  • the screen is as thin-walled as possible and consists of a low-atom material (e.g. titanium (for a target made of tantalum)).
  • the object of the invention is to design a radiation source of the type mentioned at the outset in such a way that even more fluorescent radiation or monochromatic X-radiation can be generated.
  • This object is achieved in that the screen contains an element with a high atomic number.
  • the invention is based on the knowledge that a screen that has an element with a high atomic number ("high” in the sense of the invention is an atomic number whose deviation from the atomic number of the target material is small compared to the atomic number in question) in the periodic table of the elements contains more X-ray radiation from the anode than an equally strong screen made of a low-atom element, but that the radiation comprising an element with a high atomic number generates braking radiation which is converted in the target mainly into fluorescent radiation. In this way, the overall yield of fluorescent radiation can be increased.
  • a preferred development of the invention provides that the screen and the target each contain the same element with a high atomic number. It is provided in a still further embodiment of the invention that the screen and the target consist of tantalum.
  • the advantage of the further development is, on the one hand, that the thermal expansion of the target and screen is the same in both cases, so that mechanical stresses cannot occur when heated, and, on the other hand, that the spectral purity of the spectrum generated is deteriorated as little as possible, because the characteristic radiation generated in the screen has the same wavelength as the fluorescence radiation generated in the target.
  • tantalum as the material for the target and the screen, the high melting point of this material is added, so that the radiation source can be subjected to a much greater electrical power than is possible with the known radiation source with a titanium screen.
  • the radiation source comprises a piston which encloses an evacuated room in which the anode, the screen and the target are located. While in the known radiation source the screen hermetically seals the radiation source from the outside, so that the target and the surface facing it come into contact with the atmospheric oxygen, the target or this screen surface is in this development within the vacuum space of the radiation source. The screen and the target can therefore withstand high temperatures better.
  • a collimator arrangement is provided which is designed such that only the radiation emanating from the target can pass through the collimator arrangement. As a result, the braking radiation generated in the screen is largely suppressed.
  • the radiation source which is designed to be rotationally symmetrical with respect to an axis 1, comprises a cathode part 2 and an anode part 3, which are connected to one another in a vacuum-tight manner via a piston 4.
  • the cathode part 2 is connected to the piston 4, which is made of metal, via an insulator, not shown, and carries a voltage of, for example, 160 kV or more. It comprises a filament 21 which surrounds the axis of symmetry 1 in a ring and a cathode die 22 which forms the paths of the electrons emitted from the filament 21 in the desired manner.
  • the anode part 3 comprises a hollow body consisting of two parts 32 and 33, the cavity of which is flowed through in the operating state by a liquid coolant supplied from the outside in a manner not shown in detail.
  • a partition 34 prevents the coolant in the shortest possible way from the coolant inlet to the coolant outlet (neither shown) flows.
  • the parts 32 and 33 of the anode body can for example consist of copper.
  • the part 32 of the anode body 32, 33 has an inner surface open towards the cathode part 2 in the form of a truncated cone surface 31.
  • This lateral surface 31 is coated with a material that has a high atomic number, preferably with gold. The electrons emitted from the filament in the operating state hit this inner surface.
  • the electrons impinging on the anode 31 generate X-rays with a spectrum which is continuous up to a quantum energy determined by the voltage between the anode part and the cathode part and on which the line spectrum of gold is superimposed with a K line at approximately 68.8 keV.
  • the X-ray radiation strikes a target 36 made of tantalum through a thin cylindrical screen 35, which has the shape of a cone, the tip of which points away from the cathode part 2.
  • the target essentially converts X-ray quanta with an energy above the K absorption edge of the target (for tantalum approx. 67.4 keV) into monochromatic fluorescence radiation, the quantum energy of which is the characteristic energy of the target material (for tantalum: 57.5 keV) corresponds.
  • the screen 35 which carries the target 36, is fastened in a central bore in the disk-shaped part 33 of the anode body 32, 33, which is closed in a vacuum-tight manner by a window 37.
  • the invention uses the impact of the electrons on the screen 35 to generate additional X-rays.
  • the screen must consist of an element with a high atomic number or contain such an element to a sufficient extent.
  • the atomic number of this element should at most be slightly lower than that of the target, but if possible greater than 50.
  • the electron bombardment of the screen generates not only characteristic radiation but also polychromatic (braking) radiation. A much larger portion of this hits the target than of the radiation from the anode because the screen closely surrounds the target.
  • a suitable element - because of its high atomic number (74) and its high thermal resilience - would be tungsten, for example.
  • a screen made of tantalum is even cheaper than a screen made of tungsten.
  • the quantum energy of the characteristic radiation from tungsten is about 2 keV higher than that from tantalum. Even if the X-rays emitted by the screen were prevented from directly reaching the outside, this radiation could not be prevented from causing elastic or Compton scattering processes at the target, and in this way reaching the outside and impairing the spectral purity of the radiation.
  • the screen must be thick enough to keep the scattering electrons away from the target 36, but on the other hand it must be sufficiently thin so that the radiation emitted by the anode 31 is not weakened too much.
  • a suitable value for the wall thickness of the screen is 0.1 mm. Although this screen absorbs more X-rays than a titanium screen of the same strength, because of the additionally generated X-rays there is a higher emission of quasi-monochromatic radiation from the target 36 than with a titanium screen with the same wall thickness.
  • the screen becomes in operation due to its smaller area and wall thickness, and because of the lack of cooling, much hotter than the anode body.
  • the electrical power that can be supplied to the radiation source is therefore limited by the temperature resistance of the screen 35.
  • a tantalum umbrella is also superior to a titanium umbrella because of its much higher melting point. In connection with the significantly improved conversion of the electrical power into fluorescence radiation, this means that the intensity of the quasi-monochromatic radiation can be several times greater than in the case of a radiation source with a titanium screen.
  • the screen In order to take advantage of the high thermal load capacity of the tantalum components, it must be avoided that the tantalum parts come into contact with atmospheric oxygen. Therefore, the screen must not hermetically seal the radiation source from the outside - as in DE-OS 37 16 618, but must be provided with one or more small openings, not shown, so that the vacuum inside the bulb also the interior of the screen Fulfills.
  • the central hole in which the screen 35 is inserted is closed to the outside by the radiation exit window 37.
  • the radiation exit window is formed by a plate, which can also consist of tantalum. Because of the material used between the target and the radiation exit window, the absorption coefficient of the radiation exit window for the fluorescence radiation generated in the target is relatively low.
  • diaphragm arrangement In front of the radiation exit window there is e.g. from two perforated diaphragms 5, 6 provided diaphragm arrangement which is connected to the radiation source in a manner not shown.
  • the openings in this diaphragm arrangement are dimensioned such that the directly emerging X-ray radiation generated in the screen is largely suppressed by the diaphragm arrangement. This prevents the continuous spectrum of the radiation generated in the screen from affecting the spectral purity of the fluorescent radiation which passes through the diaphragm arrangement.
  • This diaphragm arrangement preferably consists of the same material as the target 36 and the window 37 — in the example, therefore, of tantalum.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung mit einer Anode (3) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, einem von der Anode umschlossenen Target zur Umsetzung von Röntgenstrahlung in Fluoreszenzstrahlung und mit einem zwischen dem Target und der Anode befindlichen Schirm (35) zur Abschirmung des Targets gegen Elektronen. Dabei wird eine höhere Ausbeute an Fluoreszenzstrahlung dadurch erreicht, daß der Schirm ein Element mit hoher Ordnungszahl enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung, mit einer Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, einem von der Anode umschlossenen Target zur Umsetzung von Röntgenstrahlung in Fluoreszenzstrahlung und mit einem zwischen dem Target und der Anode befindlichen Schirm zur Abschirmung des Targets gegen Elektronen.
  • Eine solche Strahlenquelle ist aus der DE-OS 37 16 618 bekannt. Der Metallschirm hat dabei die Aufgabe, (Streu-) Elektronen von dem Target fernzuhalten, die dazu führen würden, daß im Target außer der praktisch monochromatischen Fluoreszenzstrahlung polychromatische Bremsstrahlung entsteht. Dieser Schirm wird von der aus der Anode emittierten Röntgenstrahlung durchsetzt, die im Target in Fluoreszenzstrahlung umgesetzt wird. Um zu vermeiden, daß der Schirm zuviel Röntgenstrahlung absorbiert und andererseits durch Streu- oder Sekundärelektronen selbst (polychromatische) Röntgenstrahlung emittiert, ist der Schirm so dünnwandig wie möglich und besteht aus einem niederatomigen Material (z.B. Titan (bei einem Target aus Tantal)).
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strahlenquelle der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß noch mehr Fluoreszenzstrahlung bzw. monochromatische Röntgenstrahlung erzeugt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schirm ein Element mit hoher Ordnungszahl enthält.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Schirm, der ein Element mit hoher Ordnungszahl (als "hoch" im Sinne der Erfindung wird dabei eine Ordnungszahl bezeichnet, deren Abweichung von der Ordnungszahl des Targetmaterials klein im Vergleich zu der betreffenden Ordnungszahl ist) im Periodensystem der Elemente enthält, zwar mehr Röntgenstrahlung von der Anode absorbiert als ein gleich starker Schirm aus einem niederatomigen Element, daß aber durch den ein Element mit hoher Ordnungszahl umfassenden Schirm Bremsstrahlung erzeugt wird, die im Target überwiegend in Fluoreszenzstrahlung umgesetzt wird. Auf diese Weise kann die Ausbeute an Fluoreszenzstrahlung insgesamt erhöht werden.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Schirm und das Target jeweils das gleiche Element mit hoher Ordnungszahl enthalten. Dabei ist in noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Schirm und das Target aus Tantal bestehen. Der Vorteil der Weiterbildung besteht einerseits darin, daß die thermische Ausdehnung von Target und Schirm in beiden Fällen gleich ist, so daß es bei einer Erwärmung nicht zu mechanischen Spannungen kommen kann und andererseits darin, daß die spektrale Reinheit des erzeugten Spektrums möglichst wenig verschlechtert wird, weil die im Schirm erzeugte charakteristische Strahlung die gleiche Wellenlänge hat wie die im Target erzeugte Fluoreszenzstrahlung. Bei Tantal als Material für das Target und den Schirm kommt noch der hohe Schmelzpunkt dieses Materials hinzu, so daß die Strahlenquelle mit einer wesentlich größeren elektrischen Leistung beaufschlagbar ist, als dies bei der bekannten Strahlenquelle mit einem Titanschirm möglich ist.
  • In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Strahlenquelle einen Kolben umfaßt, der einen im Betriebszustand evakuierten Raum umschließt, in dem sich die Anode, der Schirm und das Target befinden. Während bei der bekannten Strahlenquelle der Schirm die Strahlenquelle nach außen hin hermetisch abdichtet, so daß das Target und die ihm zugewandte Oberfläche mit dem Luftsauerstoff in Berührung kommt, befindet sich das Target bzw. diese Schirmfläche bei dieser Weiterbildung innerhalb des Vakuumraums der Strahlenquelle. Der Schirm und das Target können daher hohe Temperaturen besser überstehen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kollimatoranordnung vorgesehen, die so ausgebildet ist, daß nur die vom Target ausgehende Strahlung die Kollimatoranordnung passieren kann. Dadurch wird die im Schirm erzeugte Bremsstrahlung weitestgehend unterdrückt.
  • Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachstehend näher erläutert wird. Die rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse 1 ausgebildete Strahlenquelle umfaßt einen Kathodenteil 2 und einen Anodenteil 3, die über einen Kolben 4 vakuumdicht miteinander verbunden sind. Der Kathodenteil 2 ist über einen nicht näher dargestellten Isolator mit dem aus Metall bestehenden Kolben 4 verbunden und führt diesem gegenüber eine Spannung von z.B. 160 kV oder mehr. Er umfaßt einen die Symmetrieachse 1 ringförmig umschließenden Heizfaden 21 und ein Kathodengesenk 22, das die Bahnen der aus dem Heizfaden 21 emittierten Elektronen in der gewünschten Weise formt.
  • Der Anodenteil 3 umfaßt einen aus zwei Teilen 32 und 33 bestehenden Hohlkörper, dessen Hohlraum im Betriebszustand von einem auf nicht näher dargestellte Weise von außen zugeführten flüssigen Kühlmittel durchströmt wird. Eine Trennwand 34 verhindert dabei, daß das Kühlmittel auf kürzestem Wege vom Kühlmittelzulauf zum Kühlmittelablauf (beides nicht dargestellt) fließt. Die Teile 32 und 33 des Anodenkörpers können beispielsweise aus Kupfer bestehen. der Teil 32 des Anodenkörpers 32, 33 weist eine zum Kathodenteil 2 hin geöffnete Innenfläche in Form einer Kegelstumpf-Mantelfläche 31 auf. Diese Mantelfläche 31 ist mit einem Material beschichtet, das eine hohe Ordnungszahl aufweist, vorzugsweise mit Gold. Die aus dem Heizfaden im Betriebszustand emitttierten Elektronen treffen auf diese Innenfläche auf. Diese Fläche wird daher im folgenden auch als "Anode" bezeichnet. Die auf die Anode 31 auftreffenden Elektronen erzeugen Röntgenstrahlung mit einem bis zu einer durch die Spannung zwischen Anodenteil und Kathodenteil bestimmten Quantenenergie kontinuierlichen Spektrum, dem das Linienspektrum von Gold mit einer K-Linie bei ca. 68,8 keV überlagert ist.
  • Die Röntgenstrahlung trifft durch einen dünnen zylindrischen Schirm 35 hindurch auf ein Target 36 aus Tantal, das die Form eines Kegels hat, dessen Spitze von dem Kathodenteil 2 wegweist. Das Target setzt Röntgenquanten mit einer Energie oberhalb der K-Absorptionskante des Targets (für Tantal ca. 67,4 keV) in dem Target im wesentlichen in monochromatische Fluoreszenzstrahlung um, deren Quantenenergie der charakteristischen Energie des Targetmaterials (für Tantal: 57,5 keV) entspricht.
  • Der Schirm 35, der das Target 36 trägt, ist in einer zentralen Bohrung in dem scheibenförmigen Teil 33 des Anodenkörpers 32, 33 befestigt, die durch ein Fenster 37 vakuumdicht abgeschlossen ist.
  • In der Praxis ist es unvermeidlich, daß ein Teil der aus der Kathode 21 emittierten Elektronen - vorzugsweise nach Streuung an der Anode 31 - auf das Target 36 zu beschleunigt wird. Würden diese Elektronen auf das Target auftreffen, dann würden sie dort zusätzlich ein unerwünschtes kontinuierliches Spektrum hervorrufen. Der Schirm 35 muß daher diese Elektronen vom Target 36 fernhalten.
  • Die Erfindung nutzt das Auftreffen der Elektronen auf den Schirm 35 zur Erzeugung zusätzlicher Röntgenstrahlung aus. Zu diesem Zweck muß der Schirm aus einem Element mit hoher Ordnungszahl bestehen bzw. ein solches Element in ausreichendem Umfang enthalten. Die Ordnungszahl dieses Elementes sollte allenfalls geringfügig niedriger sein als die des Targets, jedoch möglichst größer als 50. Der Elektronenbeschuß des Schirms erzeugt neben charakteristischer Strahlung polychromatische (Brems-)Strahlung. Von dieser trifft ein wesentlich größerer Anteil das Target als von der Strahlung der Anode, weil der Schirm das Target eng umschließt.
  • Ein - wegen seiner hohen Ordnungszahl (74) und seiner großen thermischen Belastbarkeit - geeignetes Element wäre z.B. Wolfram. Im Falle eines Tantaltargets ist aber ein Schirm ebenfalls aus Tantal noch günstiger als ein Schirm aus Wolfram. Die Quantenenergie der charakteristischen Strahlung von Wolfram liegt nämlich um ca. 2 keV höher als die von Tantal. Selbst wenn verhindert würde, daß die von dem Schirm emittierte Röntgenstrahlung direkt nach außen gelangt, ließe sich nicht vermeiden, daß diese Strahlung am Target elastische oder Compton-Streuprozesse hervorruft und auf diese Weise nach außen gelangt und die spektrale Reinheit der Strahlung beeinträchtigt. Wenn hingegen das Target und der Schirm aus dem gleichen Material (Tantal) bestehen, ergeben sich diese Probleme nicht, so daß bei einem Tantaltarget ein Tantalschirm eine bessere spektrale Reinheit der von dem Target emittierten Strahlung ergibt als ein Wolframschirm. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß in diesem Fall Schirm und Target auch den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, was bei den hohen Temperaturen, denen diese Teile im Betrieb ausgesetzt sind, wichtig ist.
  • Der Schirm muß einerseits dick genug sein, um die Streuelektronen vom Target 36 fernzuhalten, muß aber andererseits genügend dünn sein, um die von der Anode 31 emittierte Strahlung nicht zu stark zu schwächen. Ein geeigneter Wert für die Wandstärke des Schirms ist 0,1 mm. Obwohl dieser Schirm mehr Röntgenstrahlung absorbiert als ein gleich starker Schirm aus Titan, ergibt sich wegen der zusätzlich erzeugten Röntgenstrahlung eine höhere Emission quasi monochromatischer Strahlung von dem Target 36 als bei einem Titanschirm mit gleicher Wandstärke.
  • Obwohl die Zahl der auf die Anode 31 auftreffenden Elektronen um einen Faktor von ca. 10 größer ist als die Zahl der auf den Schirm auftreffenden Streuelektronen und obwohl die Energie der erstgenannten Elektronen im Mittel größer ist als die der Streuelektronen, wird der Schirm im Betrieb wegen seiner geringeren Fläche und Wandstärke sowie wegen der fehlenden Kühlung wesentlich heißer als der Anodenkörper. Die der Strahlenquelle zuführbare elektrische Leistung wird daher durch die Temperaturbeständigkeit des Schirms 35 begrenzt. In dieser Hinsicht ist ein Tantalschirm wegen seines wesentlich höheren Schmelzpunktes einem Titanschirm ebenfalls überlegen. In Verbindung mit der wesentlich verbesserten Umsetzung der elektrischen Leistung in Fluoreszenzstrahlung führt dies dazu, daß die Intensität der quasimonochromatischen Strahlung um ein Mehrfaches größer sein kann als bei einer Strahlenquelle mit einem Titanschirm.
  • Um die hohe thermische Belastbarkeit der Tantalkomponenten ausnutzen zu können, muß vermieden werden, daß die Tantalteile mit dem Luftsauerstoff in Berührung kommen. Deshalb darf der Schirm die Strahlenquelle nach außen hin nicht hermetisch abschließen - wie bei der DE-OS 37 16 618, sondern muß mit einer oder mehreren, nicht näher dargestellten kleinen Öffnungen versehen sein, so daß das im Kolbeninnere herrschende Vakuum auch den Innenraum des Schirms erfüllt.
  • Die zentrale Bohrung, in die der Schirm 35 eingesetzt ist, wird nach außen hin durch das Strahlenaustrittsfenster 37 abgeschlossen. Das Strahlenaustrittsfenster wird durch ein Plättchen gebildet, das ebenfalls aus Tantal bestehen kann. Wegen dieser Materialgleichheit zwischen Target- und Strahlenaustrittsfenster ist der Absorptionskoeffizient des Strahlenaustrittsfensters für die im Target erzeugte Fluoreszenzstrahlung relativ gering.
  • Vor dem Strahlenaustrittsfenster ist eine z.B. aus zwei Lochblenden 5, 6 bestehende Blendenanordnung vorgesehen, die mit der Strahlenquelle auf nicht näher dargestellte Weise verbunden ist. Die Öffnungen in dieser Blendenanordnung sind so bemessen, daß die im Schirm erzeugte, direkt austretende Röntgenstrahlung durch die Blendenanordnung weitgehend unterdrückt wird. Dadurch wird verhindert, daß das kontinuierliche Spektrum der im Schirm erzeugten Strahlung die spektrale Reinheit der Fluoreszenzstrahlung beeinträchtigt, die durch die Blendenanordnung hindurchtritt. Vorzugsweise besteht diese Blendenanordnung aus dem gleichen Material wie das Target 36 und das Fenster 37 - im Beispiel also aus Tantal.

Claims (7)

  1. Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung mit einer Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, einem von der Anode umschlossenen Target zur Umsetzung von Röntgenstrahlung in Fluoreszenzstrahlung und mit einem zwischen dem Target und der Anode befindlichen Schirm zur Abschirmung des Targets gegen Elektronen,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (35) ein Element mit hoher Ordnungszahl enthält.
  2. Strahlenquelle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (35) und das Target (36) jeweils das gleiche Element mit hoher Ordnungszahl enthalten.
  3. Strahlenquelle nach Anspruch 2.
    dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (35) und das Target (36) aus Tantal bestehen.
  4. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle einen Kolben (4) umfaßt, der einen im Betriebszustand evakuierten Raum umschließt, in dem sich die Anode (31), der Schirm (35) und das Target (36) befinden.
  5. Strahlenquelle nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben durch ein die Fluoreszenzstrahlung des Targets (36) durchlassendes Fenster (37) abgeschlossen ist.
  6. Strahlenquelle nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (37) aus dem gleichen Material besteht wie das Target(36).
  7. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch eine vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Target (36) bestehende Kollimatoranordnung (5,6), die so ausgebildet ist, daß nur die vom Target ausgehende Strahlung die Kollimatoranordnung passieren kann.
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