EP1783809A2 - Nanofocus x-ray tube - Google Patents
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- EP1783809A2 EP1783809A2 EP06022475A EP06022475A EP1783809A2 EP 1783809 A2 EP1783809 A2 EP 1783809A2 EP 06022475 A EP06022475 A EP 06022475A EP 06022475 A EP06022475 A EP 06022475A EP 1783809 A2 EP1783809 A2 EP 1783809A2
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Definitions
- the invention relates to a nanofocus X-ray tube referred to in the preamble of claim 1 Art.
- Nanofocus X-ray tubes of the type in question are well known. They have a target and means for directing an electron beam at the target. They are used, for example, in imaging processes for the high-resolution examination of components, for example printed circuit boards in the electronics industry. In order to achieve a high spatial resolution in such imaging methods, the electron beam is formed in the known nanofocus X-ray tubes so that forms a focal spot with a diameter s 1000 nm when hitting the target.
- nanofocus X-ray tubes which operate on the principle of X-ray diffraction and in which Fresnel lenses are used.
- focal spot diameters can be achieved to a minimum of approximately 40-30 nm, with the acceleration of the electrons in the direction of the target being principally carried out with a relatively low energy of approximately 20 KeV.
- Nanofocus x-ray tubes are also known in which refractive lenses are used. With such Nanofocus X-ray tubes can produce focal spot diameters down to a minimum of about 1,000 nm, and only relatively low energies of about 20-30 KeV can be used to accelerate the electrodes.
- nanofocus X-ray tubes are known in which the desired small diameter and thus cross-section of the electron beam are achieved by using a multiplicity of electromagnetic lenses arranged one behind the other in the path of the electron beam.
- focal spot diameters of at least about 100-200 nm can be achieved, for example, with a focal spot diameter of 1000 nm, the electrons can be accelerated with an energy of 100 KeV.
- a disadvantage of the known nanofocus X-ray tubes is that they require a high expenditure on equipment, for example in the form of a plurality of electromagnetic lenses to achieve a desired small cross-section of the electron beam at the impact on the target. They are therefore complex and expensive to manufacture.
- the invention has for its object to provide a nanofocus X-ray tube referred to in the preamble of claim 1, with a simplified and thus cost-designed design achieving a required for a high-resolution examination of components in imaging small diameter of the focal spot of s 1,000 nm allows.
- the invention first dissolves from the idea Achieve the desired small diameter of the focal spot, characterized in that the incident on the target electron beam is shaped accordingly. Rather, it is based on the idea to design the nanofocus X-ray tube so that the diameter of the focal spot is no longer dependent on the cross section of the electron beam, but exclusively on the cross section of a target element.
- the teaching according to the invention provides that the target has at least one target element consisting of a target material for emitting X-ray radiation, which is formed by a nanostructure with a diameter ⁇ approximately 1000 nm formed by means of a microstructuring method on a carrier element consisting of a carrier material Target element, the support element only partially covered.
- the cross section of the electron beam at the point of impact on the target is selected to be greater than the cross section of the target element such that the electron beam always irradiates the target element over its entire area. Because of this, it is ensured that even with changes in the cross section of the electron beam at the impact on the target, which may consist, for example, in a cross-sectional reduction, a cross-sectional enlargement, a lateral to the beam direction of the electron beam shift or distortion of the cross section of the electron beam, the target element, the shape and Size of the focal spot defined, is always irradiated by the electron beam.
- the carrier material and the target material are different materials.
- the target material is with respect to an emission of X-radiation of a desired wavelength or is selected in a desired wavelength range, while the carrier material, namely diamond is selected primarily with regard to its thermal conduction coefficient.
- the invention is based on the finding that, for example, when using diamond as the carrier material, although a sufficient dissipation of the resulting heat is ensured, but at the same time electrically charges the target due to the electrical insulation properties of diamond.
- the invention is based on the finding that the electrical charging of the target degrades the image quality in the imaging process insofar as, for example, an uncontrolled release of charges and reoccurring to the target can lead to an uncontrolled additional emission of X-radiation.
- diamond is used as the carrier material, which is an electrical insulator but is rendered electrically conductive by doping with a suitable doping material, for example a metal.
- a suitable doping material for example a metal.
- the electrical conductivity achieved by means of doping of the carrier material can vary within wide limits in accordance with the respective requirements.
- the doping material can be chosen within wide limits.
- the cross section of the carrier element is defined perpendicular to the radiation direction larger than the cross section of the target element in this direction, so that the target element covers only a part of the surface of the support element.
- the carrier material has a lower density, a high thermal conductivity and, due to the inventively provided doping and the ability to dissipate electrical charges, while the target material is a material of high density, for example tungsten. Impacting electrons are slowed down in the target material in a very short path, with preferably short-wave X-radiation being formed.
- the low-density carrier material penetrating electrons are slowed down over very long distances, so that more long-wave radiation is generated, which can be filtered out, for example, by means of a suitable filter. It follows that according to the invention shape, size and location of the focal spot are determined by the shape, size and location of the target element.
- X-radiation of the desired wavelength or in a desired wavelength range is generated exclusively in the target element and the target element thus defines the focal spot of the X-ray tube, the shape and size of the focal spot are no longer dependent on the cross section of the electron beam, but exclusively on the cross section of the target element. provided that the electron beam always irradiates the entire surface of the target during operation of the X-ray tube.
- X-radiation is also generated in the carrier element. However, this has a different wavelength or lies in a different wavelength range than the useful radiation generated in the target element, so that it can be easily filtered out. Therefore, according to the present invention, the focal spot of a target of a nanofocus X-ray tube are made almost arbitrarily small, with limits are set only by available microstructuring method for forming nanostructures.
- the shape, size and location of the focal spot are determined exclusively by the shape, size and location of the target element, in a nanofocus X-ray tube according to the invention, structurally complex measures which are required in conventional nanofocus X-ray tubes are required in order to stabilize the shape, size and location of the electron beam which defines in the known X-ray tubes shape, size and location of the focal spot of the X-ray tube.
- the target according to the invention enables the construction of a nanofocus X-ray tube in which the shape, size and location of the focal spot are highly stable and thus enables a particularly high image quality when used in the imaging method.
- a material can be used according to the respective requirements, which emits X-ray radiation of a desired wavelength or in a desired wavelength range upon bombardment with electrons.
- a nanofocus X-ray tube is understood according to the invention to mean an X-ray tube in which the diameter of the focal spot is ⁇ 1000 nm.
- the diameter is understood to mean the greatest extent of the focal spot in the focal plane or focal plane.
- a particular advantage of the nanofocus X-ray tube according to the invention is that it is much less sensitive to interference with respect to the shaping of the electron beam than conventional nanofocus X-ray tubes.
- the size of the focal spot of a nanofocus X-ray tube according to the invention depends exclusively on the achievable spatial resolution of the microstructuring method used.
- Deposition methods for example three-dimensional additive nanolithography or ion beam sputtering, but also ablation methods, for example electron lithography or etching methods, can be used as the microstructuring method.
- deposition processes can be nanostructures with a Diameter of 2 nm or even below. The teaching of the invention thus enables nanofocus X-ray tubes, the spatial resolution of which, when used in imaging processes, is substantially higher than the resolution of conventional nanofocus X-ray tubes.
- the carrier element consists at least partially of a carrier material whose thermal conductivity coefficient is ⁇ 10 W / (cm ⁇ K), preferably ⁇ 20 W / (cm ⁇ K).
- the thermal conductivity of the support material is particularly high, so that the bombardment of the target element with electrons heat is particularly well derived. This increases the lifetime of the target according to the invention.
- the invention it is sufficient if only a single target element is arranged on the carrier element. However, it is also possible according to the invention to arrange a plurality of spaced-apart target elements on the carrier element. If a target element is worn in such an embodiment, the electron beam can be directed to another target element, so that the X-ray tube can be used without replacement of the target element.
- the target element can have any suitable geometry.
- an advantageous further development of the teaching according to the invention provides that at least one target element is substantially circularly delimited.
- the target element a Has filter that is transparent to generated in the target element X-ray and locks in the support element generated X-ray. In this way it is ensured that a nanofocus X-ray tube according to the invention radiates exclusively X-radiation of a desired wavelength or in a desired wavelength range.
- the target of the nanofocus X-ray tube according to the invention can be a solid target (direct beam target) which has a metal block with high thermal conductivity, for example copper or aluminum, to which the carrier element according to the invention, for example as a carrier layer, is applied, and which in turn carries the target element.
- a solid target direct beam target
- the carrier element according to the invention for example as a carrier layer
- FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a nanofocus X-ray tube target 2 according to the invention, which has a carrier element 4 and, in this exemplary embodiment, a target element 6 for emitting X-radiation arranged on the carrier element 4 and consisting of a target material.
- the carrier element 4 consists in principle of a carrier material of low density and high thermal conductivity, namely diamond, whose thermal conductivity coefficient ⁇ 20 W / (cm x K).
- the diamond used as carrier material is doped to increase the electrical conductivity, in the present embodiment with metal ions. Characterized in that the carrier material by means of the doping is made electrically conductive, electrical charges can flow away from the carrier element 4, so that an electrical charge of the carrier element 4 and thus of the target 2 is avoided.
- the target element 6 is made of a material of high density, in the present embodiment, tungsten, which emits when bombarded with electrically charged particles, in particular electrons, X-rays.
- the target element 6 is limited in the plan view substantially circular and in this embodiment has a diameter of s about 1,000 nm.
- the target element 6 is a nanostructure formed on the carrier element 4 by means of a microstructuring method.
- FIG. 1 shows a case in which an electron beam with a diameter d E1 impinges on the target element 6, wherein the diameter d E1 in this case is smaller than the diameter of the target element 6.
- the deceleration of the electrons in the target element 6 leads to a short-wave X-radiation with a source diameter d X1 which is less than or equal to the diameter of the target element 6.
- the electrons entering through the target element 6 into the less dense carrier material of the carrier element 4 become on very long paths within the brake volume of the carrier element 4 braked and lead to predominantly long-wave radiation, which can be retained with suitable filters, so that only the shorter-wave radiation fraction is effective, which originates from the target element 6, the invention covers only a portion of the support element 4.
- FIG. 2 shows a case in which the diameter of the cross section of the electron beam d E2 is significantly larger than the diameter of the target element 6. Also in this case, the predominantly short-wave radiation arises in the defined limited target element 6 with the diameter d X2 . while the electrons penetrating into the less dense carrier material of the carrier element 4 within the brake volume 8 lead to more long-wave radiation, which can be filtered out, so that only the shorter-wave radiation originating from the target element 6 becomes effective with a defined wavelength or a defined wavelength range.
- FIG. 3 shows a plan view of the target according to FIG. 2, wherein it can be seen that the diameter d E and thus the cross section 10 of the electron beam is greater than the diameter d M and thus the cross section of the target element 6.
- the diameter d E and thus the cross section 10 of the electron beam is greater than the diameter d M and thus the cross section of the target element 6.
- FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a transmission target according to the invention 2, which differs from the exemplary embodiment according to FIG. 1 in that the carrier element 4 has on its side facing away from the target element 6 a radiation filter 12 which is largely permeable to X-ray radiation 14 generated in the target element 6, generated in the carrier element 4 X-radiation 16, however, largely absorbed.
- the filter 12 may be formed, for example, by an aluminum foil.
- reference numeral 10 denotes a preset cross section of the electron beam
- reference numeral 18A denotes a reduced cross-section due to disturbing influences
- reference numeral 18B denotes an enlarged cross section of the electron beam due to disturbing influences. Since the cross section of the focal point of the X-ray tube depends exclusively on the cross section of the target element 6 and this is constant, fluctuations in the cross section of the electron beam have no effect on the cross section of the focal spot, as long as the target element 6 is irradiated over the entire surface of the electron beam.
- FIG. 7 shows two distorted cross sections of the electron beam with the reference symbols 18D and 18E. Since the cross section of the focal spot exclusively depends on the cross section of the target element 6 and is constant and positionally stable, cross sectional changes of the electron beam do not lead to a deterioration of the X-ray image quality when using a target 2 according to the invention in an X-ray tube in an imaging process.
- an X-ray tube according to the invention can be dispensed with structurally complex measures with which in conventional X-ray tubes form, size and point of impact of the electron beam to the target 2 must be stabilized in order to achieve a sufficient image quality in imaging processes. Accordingly, an X-ray tube according to the invention is much easier and less expensive to produce.
- the x-ray tube 20 has a target 2 according to the invention, which in this exemplary embodiment has three target elements 22, 24, 26 spaced apart from one another along the target surface.
- the X-ray tube 20 also has means for directing an electron beam 28 onto the target 2.
- These means have in this embodiment, a cathode 30 and a hole anode 32, by means of which, for example, from a filament emerging electrons are accelerated high energy in the direction of the target 2.
- the x-ray tube 20 further has a focusing device 34 arranged in the beam direction behind the hole anode 32 for focusing the electron beam 28 onto the target 2.
- the focusing device 34 can be formed in a generally known manner, for example by a coil arrangement.
- the X-ray tube 20 further comprises deflection means 36, by means of which the electron beam 20 is deflected so that it selectively impinges on one of the target elements 22, 24 or 26.
- the electron beam 28 can be deflected, for example, to another target element, when a previously used target element is worn.
- the purpose of the deflection means 36 according to the invention consists in a deflection of the electron beam 28, and not in its shaping or focusing. In embodiments in which the target 2 carries only a single target element, the deflection means 36 are thus not required.
- the target 2 has on its side facing away from the target elements 22, 24, 26 a filter 12 which is explained in greater detail above with reference to FIG.
- the components of the X-ray tube 2 according to the invention are accommodated in a generally known manner in a housing 38 that can be evacuated during operation of the X-ray tube 20.
- control of the control means 36 for deflecting the electron beam 28 on one of the target elements 22, 24, 26 takes place by means not shown in the drawing control means.
- the manner of powering and driving the X-ray tube 20 are well known and therefore they are here not explained in detail.
- the electron beam 28 is accelerated via the hole anode 32 in the direction of the target 2, focused by the focusing device 34 and deflected by the deflection means 36 onto one of the target elements 22, 24, 26.
- X-radiation of a desired wavelength or in a desired wavelength range is formed.
- By braking the electrons in the carrier element 4 resulting X-ray radiation is filtered out by means of the filter 12 so that the X-ray tube 20 X-ray radiation 40 emits exclusively the desired wavelength or in the desired wavelength range.
- the shape, size and location of the focal spot of the X-ray tube 20 are defined exclusively by the respective target element 22, 24, 26, interference with the shape, size and location of the electron beam 28 on the target 2 has no effect on shape, size and location the focal spot of the X-ray tube 20, as already explained above with reference to Figures 5 to 7.
- the X-ray tube 20 according to the invention thus enables a high spatial and dimensional stability of the focal spot and thus, when used in the imaging method, a particularly high resolution and image quality with little expenditure on apparatus and basically using only a single focusing device 34.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Nanofocus-Röntgenröhre der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.The invention relates to a nanofocus X-ray tube referred to in the preamble of claim 1 Art.
Nanofocus-Röntgenröhren der betreffenden Art sind allgemein bekannt. Sie weisen ein Target und Mittel zum Richten eines Elektronenstrahles auf das Target auf. Sie dienen beispielsweise in bildgebenden Verfahren zur hochauflösenden Untersuchung von Bauteilen, beispielsweise von Leiterplatten in der Elektronikindustrie. Um in derartigen bildgebenden Verfahren eine hohe räumliche Auflösung zu erzielen, wird bei den bekannten Nanofocus-Röntgenröhren der Elektronenstrahl so geformt, daß sich beim Auftreffen auf das Target ein Brennfleck mit einem Durchmesser s 1.000 nm bildet.Nanofocus X-ray tubes of the type in question are well known. They have a target and means for directing an electron beam at the target. They are used, for example, in imaging processes for the high-resolution examination of components, for example printed circuit boards in the electronics industry. In order to achieve a high spatial resolution in such imaging methods, the electron beam is formed in the known nanofocus X-ray tubes so that forms a focal spot with a diameter s 1000 nm when hitting the target.
Zur Erzielung eines entsprechend geringen Querschnittes des Elektronenstrahles sind Nanofocus-Röntgenröhren bekannt, die nach dem Prinzip der Röntgenbeugung arbeiten und in denen Fresnel-Linsen eingesetzt sind. Mit derartigen Nanofocus-Röntgenröhren lassen sich Brennfleckdurchmesser bis minimal etwa 40-30 nm erzielen, wobei bei der Beschleunigung der Elektronen in Richtung auf das Target prinzipbedingt mit einer relativ niedrigen Energie von etwa 20 KeV gearbeitet wird.To achieve a correspondingly small cross-section of the electron beam nanofocus X-ray tubes are known which operate on the principle of X-ray diffraction and in which Fresnel lenses are used. With such nanofocus X-ray tubes, focal spot diameters can be achieved to a minimum of approximately 40-30 nm, with the acceleration of the electrons in the direction of the target being principally carried out with a relatively low energy of approximately 20 KeV.
Es sind ferner Nanofocus-Röntgenröhren bekannt, in denen Brechungslinsen verwendet werden. Mit derartigen Nanofocus-Röntgenröhren lassen sich Brennfleckdurchmesser bis minimal etwa 1.000 nm erzeugen, wobei bei der Beschleunigung der Elektroden ebenfalls nur relativ niedrige Energien von etwa 20-30 KeV verwendet werden können.Nanofocus x-ray tubes are also known in which refractive lenses are used. With such Nanofocus X-ray tubes can produce focal spot diameters down to a minimum of about 1,000 nm, and only relatively low energies of about 20-30 KeV can be used to accelerate the electrodes.
Darüber hinaus sind Nanofocus-Röntgenröhren bekannt, in denen der gewünschte geringe Durchmesser und damit Querschnitt des Elektronenstrahles dadurch erzielt werden, daß im Strahlungsweg des Elektronenstrahles eine Vielzahl von hintereinander angeordneten elektromagnetischen Linsen verwendet wird. Mit derartigen Nanofocus-Röntgenröhren lassen sich Brennfleckdurchmesser von minimal etwa 100 - 200 nm erzielen, wobei beispielsweise bei einem Brennfleckdurchmesser von 1.000 nm die Elektronen mit einer Energie von 100 KeV beschleunigt werden können.In addition, nanofocus X-ray tubes are known in which the desired small diameter and thus cross-section of the electron beam are achieved by using a multiplicity of electromagnetic lenses arranged one behind the other in the path of the electron beam. With such nanofocus X-ray tubes, focal spot diameters of at least about 100-200 nm can be achieved, for example, with a focal spot diameter of 1000 nm, the electrons can be accelerated with an energy of 100 KeV.
Ein Nachteil der bekannten Nanofocus-Röntgenröhren besteht darin, daß sie zur Erzielung eines gewünschten geringen Querschnitts des Elektronenstrahles am Auftreffort auf das Target einen hohen apparativen Aufwand, beispielsweise in Form einer Vielzahl von elektromagnetischen Linsen erfordern. Sie sind damit aufwendig und teuer in der Herstellung.A disadvantage of the known nanofocus X-ray tubes is that they require a high expenditure on equipment, for example in the form of a plurality of electromagnetic lenses to achieve a desired small cross-section of the electron beam at the impact on the target. They are therefore complex and expensive to manufacture.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nanofocus-Röntgenröhre der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, die mit einem vereinfachten und damit kostengünstiger gestalteten Aufbau die Erzielung von für eine hochauflösende Untersuchung von Bauteilen in bildgebenden Verfahren erforderlichen geringen Durchmesser des Brennflecks von s 1.000 nm ermöglicht.The invention has for its object to provide a nanofocus X-ray tube referred to in the preamble of claim 1, with a simplified and thus cost-designed design achieving a required for a high-resolution examination of components in imaging small diameter of the focal spot of s 1,000 nm allows.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst.This object is achieved by the teaching defined in claim 1.
Die Erfindung löst sich zunächst von dem Gedanken, den gewünschten geringen Durchmesser des Brennflecks dadurch zu erzielen, daß der auf das Target auftreffende Elektronenstrahl entsprechend geformt wird. Ihr liegt vielmehr der Gedanke zugrunde, die Nanofocus-Röntgenröhre so auszugestalten, daß der Durchmesser des Brennflecks nicht mehr von dem Querschnitt des Elektronenstrahles abhängig ist, sondern ausschließlich von dem Querschnitt eines Targetelementes. Hierzu sieht die erfindungsgemäße Lehre vor, daß das Target wenigstens ein aus einem Targetmaterial bestehendes Targetelement zur Emission von Röntgenstrahlung aufweist, das durch eine mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens auf einem aus einem Trägermaterial bestehenden Trägerelementes gebildete Nanostruktur mit einem Durchmesser ≤ etwa 1.000 nm gebildet ist, wobei das Targetelement das Trägerelement nur teilweise bedeckt. Erfindungsgemäß ist bei Betrieb der Röntgenröhre der Querschnitt des Elektronenstrahles am Auftreffort auf das Target derart größer als der Querschnitt des Targetelementes gewählt, daß der Elektronenstrahl das Targetelement stets vollflächig bestrahlt. Aufgrunddessen ist sichergestellt, daß auch bei Veränderungen des Querschnitts des Elektronenstrahles am Auftreffort auf das Target, die beispielsweise in einer Querschnittsverringerung, einer Querschnittsvergrößerung, einer zur Strahlrichtung des Elektronenstrahles seitlichen Verschiebung oder einer Verzerrung des Querschnitts des Elektronenstrahles bestehen können, das Targetelement, das Form und Größe des Brennflecks definiert, stets von dem Elektronenstrahl bestrahlt wird.The invention first dissolves from the idea Achieve the desired small diameter of the focal spot, characterized in that the incident on the target electron beam is shaped accordingly. Rather, it is based on the idea to design the nanofocus X-ray tube so that the diameter of the focal spot is no longer dependent on the cross section of the electron beam, but exclusively on the cross section of a target element. For this purpose, the teaching according to the invention provides that the target has at least one target element consisting of a target material for emitting X-ray radiation, which is formed by a nanostructure with a diameter ≦ approximately 1000 nm formed by means of a microstructuring method on a carrier element consisting of a carrier material Target element, the support element only partially covered. According to the invention, when the X-ray tube is in operation, the cross section of the electron beam at the point of impact on the target is selected to be greater than the cross section of the target element such that the electron beam always irradiates the target element over its entire area. Because of this, it is ensured that even with changes in the cross section of the electron beam at the impact on the target, which may consist, for example, in a cross-sectional reduction, a cross-sectional enlargement, a lateral to the beam direction of the electron beam shift or distortion of the cross section of the electron beam, the target element, the shape and Size of the focal spot defined, is always irradiated by the electron beam.
Erfindungsgemäß sind das Trägermaterial und das Targetmaterial unterschiedliche Materialien. Hierbei ist das Targetmaterial im Hinblick auf eine Emission von Röntgenstrahlung einer gewünschten Wellenlänge oder in einem gewünschten Wellenlängenbereich ausgewählt, während das Trägermaterial, nämlich Diamant vornehmlich im Hinblick auf seinen Wärmeleitkoeffizienten ausgewählt ist. Insoweit liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß beispielsweise bei Benutzung von Diamant als Trägermaterial zwar eine ausreichende Ableitung der entstehenden Wärme gewährleistet ist, sich gleichzeitig jedoch aufgrund der elektrischen Isolationseigenschaften von Diamant das Target elektrisch auflädt. Weiterhin liegt der Erfindung insoweit die Erkenntnis zugrunde, daß die elektrische Aufladung des Targets die Bildqualität im bildgebenden Verfahren insofern verschlechtert, als beispielsweise ein unkontrolliertes Ablösen von Ladungen und Wiederauftreffen auf das Target zu einer unkontrollierten zusätzlichen Emission von Röntgenstrahlung führen kann. Erfindungsgemäß wird als Trägermaterial Diamant verwendet, der ein elektrischer Isolator ist, jedoch durch Dotierung mit einem geeigneten Dotierungsmaterial, beispielsweise einem Metall, elektrisch leitfähig gemacht ist. Infolgedessen können elektrische Ladungen, beispielsweise Elektronen, von dem Target abgeleitet werden, so daß eine die Bildqualität beeinträchtigende elektrische Aufladung des Targets zuverlässig vermieden ist. Es hat sich überraschend gezeigt, daß sich auf diese Weise die Bildqualität einer erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre noch wesentlich verbessern läßt.According to the invention, the carrier material and the target material are different materials. Here, the target material is with respect to an emission of X-radiation of a desired wavelength or is selected in a desired wavelength range, while the carrier material, namely diamond is selected primarily with regard to its thermal conduction coefficient. In that regard, the invention is based on the finding that, for example, when using diamond as the carrier material, although a sufficient dissipation of the resulting heat is ensured, but at the same time electrically charges the target due to the electrical insulation properties of diamond. Furthermore, the invention is based on the finding that the electrical charging of the target degrades the image quality in the imaging process insofar as, for example, an uncontrolled release of charges and reoccurring to the target can lead to an uncontrolled additional emission of X-radiation. According to the invention, diamond is used as the carrier material, which is an electrical insulator but is rendered electrically conductive by doping with a suitable doping material, for example a metal. As a result, electric charges, for example, electrons can be derived from the target, so that the image quality impairing electrical charging of the target is reliably avoided. It has surprisingly been found that in this way the image quality of a nanofocus X-ray tube according to the invention can be significantly improved.
Die mittels Dotierung des Trägermaterials erzielte elektrische Leitfähigkeit kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen variieren. Darüber hinaus kann das Dotierungsmaterial innerhalb weiter Grenzen gewählt werden.The electrical conductivity achieved by means of doping of the carrier material can vary within wide limits in accordance with the respective requirements. In addition, the doping material can be chosen within wide limits.
Erfindungsgemäß ist der Querschnitt des Trägerelementes senkrecht zur Strahlungsrichtung definiert größer als der Querschnitt des Targetelementes in dieser Richtung, so daß das Targetelement nur einen Teil der Oberfläche des Trägerelementes bedeckt. Weiterhin hat das Trägermaterial eine geringere Dichte, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Dotierung auch die Fähigkeit, elektrische Ladungen abzuleiten, während das Targetmaterial ein Material hoher Dichte, beispielsweise Wolfram, ist. Auftreffende Elektronen werden in dem Targetmaterial auf sehr kurzem Wege abgebremst, wobei bevorzugt kurzwellige Röntgenstrahlung entsteht. In dem Trägermaterial geringer Dichte werden eindringende Elektronen hingegen auf sehr langen Wegen abgebremst, so daß mehr langwellige Strahlung entsteht, die beispielsweise mittels eines geeigneten Filters ausgefiltert werden kann. Daraus ergibt sich, daß erfindungsgemäß Form, Größe und Ort des Brennflecks durch Form, Größe und Ort des Targetelementes festgelegt sind.According to the invention, the cross section of the carrier element is defined perpendicular to the radiation direction larger than the cross section of the target element in this direction, so that the target element covers only a part of the surface of the support element. Furthermore, the carrier material has a lower density, a high thermal conductivity and, due to the inventively provided doping and the ability to dissipate electrical charges, while the target material is a material of high density, for example tungsten. Impacting electrons are slowed down in the target material in a very short path, with preferably short-wave X-radiation being formed. On the other hand, in the low-density carrier material, penetrating electrons are slowed down over very long distances, so that more long-wave radiation is generated, which can be filtered out, for example, by means of a suitable filter. It follows that according to the invention shape, size and location of the focal spot are determined by the shape, size and location of the target element.
Da erfindungsgemäß Röntgenstrahlung der gewünschten Wellenlänge oder in einem gewünschten Wellenlängenbereich ausschließlich in dem Targetelement erzeugt wird und das Targetelement somit den Brennfleck der Röntgenröhre definiert, sind Form und Größe des Brennflecks nicht mehr von dem Querschnitt des Elektronenstrahles abhängig, sondern ausschließlich von dem Querschnitt des Targetelementes, sofern der Elektronenstrahl bei Betrieb der Röntgenröhre das Target stets vollflächig bestrahlt. Zwar wird auch in dem Trägerelement Röntgenstrahlung erzeugt. Diese hat jedoch eine andere Wellenlänge bzw. liegt in einem anderen Wellenlängenbereich als die in dem Targetelement erzeugte Nutzstrahlung, so daß sie ohne weiteres herausgefiltert werden kann. Aufgrunddessen kann erfindungsgemäß der Brennfleck eines Targets einer Nanofocus-Röntgenröhre nahezu beliebig klein gestaltet werden, wobei Grenzen lediglich durch zur Verfügung stehende Mikrostrukturierungsverfahren zum Bilden von Nanostrukturen gesetzt sind.Since according to the invention X-radiation of the desired wavelength or in a desired wavelength range is generated exclusively in the target element and the target element thus defines the focal spot of the X-ray tube, the shape and size of the focal spot are no longer dependent on the cross section of the electron beam, but exclusively on the cross section of the target element. provided that the electron beam always irradiates the entire surface of the target during operation of the X-ray tube. Although X-radiation is also generated in the carrier element. However, this has a different wavelength or lies in a different wavelength range than the useful radiation generated in the target element, so that it can be easily filtered out. Therefore, according to the present invention, the focal spot of a target of a nanofocus X-ray tube are made almost arbitrarily small, with limits are set only by available microstructuring method for forming nanostructures.
Da Form, Größe und Ort des Brennflecks ausschließlich durch Form, Größe und Ort des Targetelementes festgelegt sind, entfallen bei einer erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre konstruktiv aufwendige Maßnahmen, die bei herkömmlichen Nanofocus-Röntgenröhren erforderlich sind, um Form, Größe und Ort des Elektronenstrahles zu stabilisieren, der bei den bekannten Röntgenröhren Form, Größe und Ort des Brennflecks der Röntgenröhre definiert. Damit ermöglicht das erfindungsgemäße Target mit äußerst geringem Aufwand den Aufbau einer Nanofocus-Röntgenröhre, bei der Form, Größe und Ort des Brennflecks hochstabil sind und die damit bei Verwendung im bildgebenden Verfahren eine besonders hohe Bildqualität ermöglicht.Since the shape, size and location of the focal spot are determined exclusively by the shape, size and location of the target element, in a nanofocus X-ray tube according to the invention, structurally complex measures which are required in conventional nanofocus X-ray tubes are required in order to stabilize the shape, size and location of the electron beam which defines in the known X-ray tubes shape, size and location of the focal spot of the X-ray tube. In this way, the target according to the invention enables the construction of a nanofocus X-ray tube in which the shape, size and location of the focal spot are highly stable and thus enables a particularly high image quality when used in the imaging method.
Als Targetmaterial kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen ein Material verwendet werden, das bei Beschuß mit Elektronen Röntgenstrahlung einer gewünschten Wellenlänge oder in einem gewünschten Wellenlängenbereich emittiert.As a target material, a material can be used according to the respective requirements, which emits X-ray radiation of a desired wavelength or in a desired wavelength range upon bombardment with electrons.
Unter einer Nanofocus-Röntgenröhre wird erfindungsgemäß eine Röntgenröhre verstanden, bei der der Durchmesser des Brennflecks ≤ 1.000 nm ist.A nanofocus X-ray tube is understood according to the invention to mean an X-ray tube in which the diameter of the focal spot is ≦ 1000 nm.
Bei einem nichtkreisförmigen Brennfleck wird erfindungsgemäß unter dem Durchmesser die größte Ausdehnung des Brennflecks in der Brennebene bzw. Focusebene verstanden.In the case of a non-circular focal spot, according to the invention, the diameter is understood to mean the greatest extent of the focal spot in the focal plane or focal plane.
Zahlenwerte von Wärmeleitkoeffizienten beziehen sich auf Zimmertemperatur.Numerical values of thermal conductivity coefficients refer to room temperature.
Da erfindungsgemäß Form und Größe und damit der Querschnitt des Brennflecks der Nanofocus-Röntgenröhre ausschließlich von Form und Größe und damit dem Querschnitt des Targetelementes abhängig sind, und nicht mehr von dem Querschnitt des Elektronenstrahles, ist erfindungsgemäß eine hochpräzise Formung des Elektronenstrahles am Auftreffort auf das Target nicht mehr erforderlich. Demzufolge sind erfindungsgemäß Mittel zur hochpräzisen Formung des Querschnitts des Elektronenstrahles, wie sie bei bekannten Nanofocus-Röntgenröhren erforderlich sind, nicht mehr erforderlich. Erfindungsgemäß ist grundsätzlich ausschließlich eine einzige Fokussiereinrichtung, beispielsweise in Form eine elektromagnetischen Linse erforderlich. Damit ist der apparative Aufwand der erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre gegenüber herkömmlichen Nanofocus-Röntgenröhren wesentlich verringert, so daß die erfindungsgemäße Nanofocus-Röntgenröhre wesentlich einfacher und damit kostengünstiger herstellbar ist.Since according to the invention shape and size and thus the cross section of the focal spot of the nanofocus X-ray tube are only dependent on the shape and size and thus the cross section of the target element, and no longer on the cross section of the electron beam, according to the invention, a high-precision shaping of the electron beam at the point of impact on the target is no longer required. Accordingly, means for high-precision shaping of the cross section of the electron beam, as required in known nanofocus X-ray tubes, no longer required. According to the invention, basically only a single focusing device, for example in the form of an electromagnetic lens, is required. Thus, the expenditure on equipment of the nanofocus X-ray tube according to the invention over conventional nanofocus X-ray tubes is substantially reduced, so that the nanofocus X-ray tube according to the invention is much simpler and therefore less expensive to produce.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre besteht darin, daß sie gegenüber Störeinflüssen in Bezug auf die Formung des Elektronenstrahles wesentlich unempfindlicher ist als herkömmliche Nanofocus-Röntgenröhren.A particular advantage of the nanofocus X-ray tube according to the invention is that it is much less sensitive to interference with respect to the shaping of the electron beam than conventional nanofocus X-ray tubes.
Da erfindungsgemäß Form und Größe des Brennflecks ausschließlich von Form und Größe des Targetelementes abhängig sind, ist die Größe des Brennflecks einer erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre ausschließlich von der erzielbaren räumlichen Auflösung des verwendeten Mikrostrukturierungsverfahrens abhängig. Als Mikrostrukturierungsverfahren können Depositionsverfahren, beispielsweise dreidimensionale additive Nanolithographie oder Ionenstrahlsputtern, aber auch abtragende Verfahren, beispielsweise Elektronenlithographie oder Ätzverfahren, verwendet werden. Insbesondere mit Depositionsverfahren lassen sich Nanostrukturen mit einem Durchmesser von 2 nm oder sogar darunter bilden. Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht somit Nanofocus-Röntgenröhren, deren räumliche Auflösung bei Verwendung in bildgebenden Verfahren wesentlich höher ist als die Auflösung herkömmlicher Nanofocus-Röntgenröhren.Since, according to the invention, the shape and size of the focal spot depend exclusively on the shape and size of the target element, the size of the focal spot of a nanofocus X-ray tube according to the invention depends exclusively on the achievable spatial resolution of the microstructuring method used. Deposition methods, for example three-dimensional additive nanolithography or ion beam sputtering, but also ablation methods, for example electron lithography or etching methods, can be used as the microstructuring method. In particular, deposition processes can be nanostructures with a Diameter of 2 nm or even below. The teaching of the invention thus enables nanofocus X-ray tubes, the spatial resolution of which, when used in imaging processes, is substantially higher than the resolution of conventional nanofocus X-ray tubes.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß das Trägerelement wenigstens teilweise aus einem Trägermaterial besteht, dessen Wärmeleitkoeffizient ≥ 10 W/(cm x K), vorzugsweise ≥ 20 W/(cm x K), ist. Auf diese Weise ist die Wärmeleitfähigkeit des Trägermaterials besonders hoch, so daß beim Beschuß des Targetelementes mit Elektronen entstehende Wärme besonders gut abgeleitet wird. Dies erhöht die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Targets.An extraordinarily advantageous development of the teaching according to the invention provides that the carrier element consists at least partially of a carrier material whose thermal conductivity coefficient is ≥ 10 W / (cm × K), preferably ≥ 20 W / (cm × K). In this way, the thermal conductivity of the support material is particularly high, so that the bombardment of the target element with electrons heat is particularly well derived. This increases the lifetime of the target according to the invention.
Erfindungsgemäß ist es ausreichend, wenn auf dem Trägerelement lediglich ein einziges Targetelement angeordnet ist. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, auf dem Trägerelement eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Targetelementen anzuordnen. Ist bei einer solchen Ausführungsform ein Targetelement abgenutzt, so kann der Elektronenstrahl auf ein anderes Targetelement gelenkt werden, so daß die Röntgenröhre ohne Austauch des Targetelementes weiterverwendet werden kann.According to the invention, it is sufficient if only a single target element is arranged on the carrier element. However, it is also possible according to the invention to arrange a plurality of spaced-apart target elements on the carrier element. If a target element is worn in such an embodiment, the electron beam can be directed to another target element, so that the X-ray tube can be used without replacement of the target element.
Grundsätzlich kann das Targetelement eine beliebige geeignete Geometrie haben. Um bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre in einem bildgebenden Verfahren eine hohe Bildqualität zu erzielen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre vor, daß wenigstens ein Targetelement im wesentlichen kreisförmig begrenzt ist.In principle, the target element can have any suitable geometry. In order to achieve a high image quality when using a nanofocus X-ray tube according to the invention in an imaging method, an advantageous further development of the teaching according to the invention provides that at least one target element is substantially circularly delimited.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß das Targetelement ein Filter aufweist, das für in dem Targetelement erzeugte Röntgenstrahlung durchlässig ist und in dem Trägerelement erzeugte Röntgenstrahlung sperrt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß eine erfindungsgemäße Nanofocus-Röntgenröhre ausschließlich Röntgenstrahlung einer gewünschten Wellenlänge oder in einem gewünschten Wellenlängenbereich abstrahlt.Another advantageous development of the teaching of the invention provides that the target element a Has filter that is transparent to generated in the target element X-ray and locks in the support element generated X-ray. In this way it is ensured that a nanofocus X-ray tube according to the invention radiates exclusively X-radiation of a desired wavelength or in a desired wavelength range.
Grundsätzlich kann das Target der erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre ein Massivtarget (Direktstrahltarget) sein, das einen Metallblock mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium aufweist, auf den das erfindungsgemäße Trägerelement, beispielsweise als Trägerschicht, aufgebracht ist, und das seinerseits das Targetelement trägt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht jedoch vor, daß das Target als Transmissionstarget ausgebildet ist.In principle, the target of the nanofocus X-ray tube according to the invention can be a solid target (direct beam target) which has a metal block with high thermal conductivity, for example copper or aluminum, to which the carrier element according to the invention, for example as a carrier layer, is applied, and which in turn carries the target element. An advantageous development of the teaching according to the invention, however, provides that the target is designed as a transmission target.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten, stark schematisierten Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Targets dargestellt sind. Dabei bilden alle beanspruchten, beschriebenen oder in der Zeichnung dargestellten Merkmale für sich genommen oder in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.The invention will be explained in more detail with reference to the attached, highly schematic drawing, are shown in the embodiments of a target according to the invention. All claimed, described or shown in the drawing features taken alone or in any combination with each other the subject of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation in the description or in the Drawing.
Es zeigt:
- Fig. 1
- eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Targets zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Grundprinzips,
- Fig. 2
- eine zu Fig. 1 ähnliche Ansicht,
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf das Target gemäß Fig. 1,
- Fig. 4
- eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Targets,
- Fig. 5
- eine Draufsicht auf das Target gemäß Fig. 4,
- Fig. 6
- eine zu Fig. 5 ähnliche Draufsicht,
- Fig. 7
- eine weitere zu Fig. 5 ähnliche Draufsicht und
- Fig. 8
- eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre.
- Fig. 1
- a sectional view of an embodiment of a target according to the invention for explaining the basic principle according to the invention,
- Fig. 2
- a view similar to Fig. 1,
- Fig. 3
- a top view of the target of FIG. 1,
- Fig. 4
- a sectional view of a second embodiment of a target according to the invention,
- Fig. 5
- a top view of the target of FIG. 4,
- Fig. 6
- a plan view similar to FIG. 5,
- Fig. 7
- another similar to Fig. 5 plan view and
- Fig. 8
- a schematic diagram of an embodiment of a nanofocus X-ray tube according to the invention.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawing, the same or corresponding components are provided with the same reference numerals.
Die Figuren der Zeichnung stellen reine Prinzipskizzen dar, die nicht maßstäblich sind.The figures of the drawing represent pure schematic diagrams that are not to scale.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Targets 2 für eine Nanofocus-Röntgenröhre dargestellt, das ein Trägerelement 4 und bei diesem Ausführungsbeispiel ein an dem Trägerelement 4 angeordnetes, aus einem Targetmaterial bestehendes Targetelement 6 zur Emission von Röntgenstrahlung aufweist. Das Trägerelement 4 besteht prinzipiell aus einem Trägermaterial geringer Dichte und hoher Wärmeleitfähigkeit, nämlich Diamant, dessen Wärmeleitkoeffizient ≥ 20 W/(cm x K) ist.1 shows a first exemplary embodiment of a nanofocus
Erfindungsgemäß ist der als Trägermaterial verwendete Diamant zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit dotiert, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Metallionen. Dadurch, daß das Trägermaterial mittels der Dotierung elektrisch leitfähig gemacht ist, können elektrische Ladungen von dem Trägerelement 4 abfließen, so daß eine elektrische Aufladung des Trägerelementes 4 und damit des Targets 2 vermieden ist.According to the invention, the diamond used as carrier material is doped to increase the electrical conductivity, in the present embodiment with metal ions. Characterized in that the carrier material by means of the doping is made electrically conductive, electrical charges can flow away from the
Das Targetelement 6 besteht aus einem Material hoher Dichte, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Wolfram, das bei Beschuß mit elektrisch geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, Röntgenstrahlung emittiert.The
Aus Fig. 1 ist nicht ersichtlich, daß das Targetelement 6 in der Draufsicht im wesentlichen kreisförmig begrenzt ist und bei diesem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von s etwa 1.000 nm aufweist.From Fig. 1 it is not apparent that the
Das Targetelement 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens auf dem Trägerelement 4 gebildete Nanostruktur.In this exemplary embodiment, the
Bei Bestrahlung des Targets 2 mit Elektronen werden diese in dem Targetelement 6 auf sehr kurzem Wege abgebremst, wobei kurzwellige Röntgenstrahlung entsteht. In dem Trägermaterial geringerer Dichte des Trägerelementes 4 werden eindringende Elektronen dagegen auf sehr langen Wegen abgebremst, wobei mehr langwellige Strahlung entsteht. In Fig. 1 ist ein Fall dargestellt, in dem ein Elektronenstrahl mit einem Durchmesser dE1 auf das Targetelement 6 auftrifft, wobei der Durchmesser dE1 in diesem Fall kleiner als der Durchmesser des Targetelementes 6 ist. Die Abbremsung der Elektronen in dem Targetelement 6 führt zu einer kurzwelligen Röntgenstrahlung mit einem Quellendurchmesser dX1, der kleiner oder gleich dem Durchmesser des Targetelementes 6 ist. Die durch das Targetelement 6 hindurch in das weniger dichte Trägermaterial des Trägerelementes 4 eintretenden Elektronen werden auf sehr langen Wegen innerhalb des Bremsvolumens des Trägerelementes 4 abgebremst und führen zu überwiegend langwelliger Strahlung, die mit geeigneten Filtern zurückgehalten werden kann, so daß nur der kürzerwellige Strahlungsanteil wirksam wird, der aus dem Targetelement 6 stammt, das erfindungsgemäß nur einen Teil des Trägerelementes 4 bedeckt.Upon irradiation of the
In Fig. 2 ist ein Fall dargestellt, in dem der Durchmesser des Querschnitts des Elektronenstrahles dE2 deutlich größer ist als der Durchmesser des Targetelementes 6. Auch in diesem Fall entsteht die überwiegend kurzwellige Strahlung in dem definiert begrenzten Targetelement 6 mit dem Durchmesser dX2, während die in das weniger dichte Trägermaterial des Trägerelementes 4 eindringenden Elektronen innerhalb des Bremsvolumens 8 zu mehr langwelliger Strahlung führen, die herausgefiltert werden kann, damit nur die aus dem Targetelement 6 stammende kürzerwellige Strahlung mit einer definierten Wellenlänge oder einem definierten Wellenlängenbereich wirksam wird.FIG. 2 shows a case in which the diameter of the cross section of the electron beam d E2 is significantly larger than the diameter of the
Aus einem Vergleich der Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß Form, Größe und Ort des Brennflecks der Röntgenröhre ausschließlich von Form, Größe und Ort des Targetelementes 6 abhängig sind, und nicht von Form, Größe und Ort des Querschnitts des Elektronenstrahles.From a comparison of Figs. 1 and 2 it can be seen that the shape, size and location of the focal spot of the X-ray tube are dependent exclusively on the shape, size and location of the
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Target gemäß Fig. 2, wobei ersichtlich ist, daß der Durchmesser dE und damit der Querschnitt 10 des Elektronenstrahles größer ist als der Durchmesser dM und damit der Querschnitt des Targetelementes 6. Wie anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, ist für den Querschnitt des Brennflecks der Röntgenröhre jedoch ausschließlich der Querschnitt des Trägerelementes 6 maßgeblich.FIG. 3 shows a plan view of the target according to FIG. 2, wherein it can be seen that the diameter d E and thus the
In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines als Transmissionstarget ausgebildeten erfindungsgemäßen Targets 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß das Trägerelement 4 auf seiner dem Targetelement 6 abgewandten Seite ein Strahlenfilter 12 aufweist, das für in dem Targetelement 6 erzeugte Röntgenstrahlung 14 weitgehend durchlässig ist, in dem Trägerelement 4 erzeugte Röntgenstrahlung 16 jedoch weitgehend absorbiert. Das Filter 12 kann beispielsweise durch eine Aluminiumfolie gebildet sein.FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a transmission target according to the
In Fig. 5 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein voreingestellter Querschnitt des Elektronenstrahles bezeichnet, während mit dem Bezugszeichen 18A ein aufgrund von Störeinflüssen verkleinerter Querschnitt und mit dem Bezugszeichen 18B ein aufgrund von Störeinflüssen vergrößerter Querschnitt des Elektronenstrahles bezeichnet ist. Da der Querschnitt des Brennflecks der Röntgenröhre ausschließlich von dem Querschnitt des Targetelementes 6 abhängig und dieser konstant ist, haben Schwankungen des Querschnitts des Elektronenstrahles keine Auswirkungen auf den Querschnitt des Brennflecks, solange das Targetelement 6 von dem Elektronenstrahl vollflächig bestrahlt wird.In Fig. 5,
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, gilt entsprechendes auch bei einer seitlichen Verschiebung des Elektronenstrahles in eine Position 18C, da auch in dieser Position des Elektronenstrahles das Targetelement 6 noch vollflächig von dem Elektronenstrahl erfaßt ist.As can be seen from FIG. 6, the same applies also to a lateral displacement of the electron beam into a
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, sind auch Veränderungen des Querschnitts des Elektronenstrahles ohne Auswirkung auf den Querschnitt des Brennflecks, solange auch nach einer Querschnittsveränderung des Elektronenstrahles das Targetelement 6 noch vollflächig bestrahlt wird. Lediglich beispielhalber sind in Fig. 7 zwei verzerrte Querschnitte des Elektronenstrahles mit den Bezugszeichen 18D und 18E bezeichnet. Da der Querschnitt des Brennfleckes ausschließlich von dem Querschnitt des Targetelementes 6 abhängig und dieser konstant und ortsstabil ist, führen Querschnittsveränderungen des Elektronenstrahles nicht zu einer Verschlechterung der Röntgenbildqualität bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Targets 2 in einer Röntgenröhre in einem bildgebenden Verfahren.As can be seen from FIG. 7, changes in the cross section of the electron beam also have no effect on the cross section of the focal spot, as long as the
Wie aus einer Zusammenschau der Fig. 5 bis 7 ersichtlich ist, bleiben Querschnittsveränderungen und Verschiebungen des Elektronenstrahles ohne Auswirkung auf den Querschnitt und Ort des Brennflecks. Dementsprechend kann in einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre auf konstruktiv aufwendige Maßnahmen verzichtet werden, mit denen in herkömmlichen Röntgenröhren Form, Größe und Auftreffpunkt des Elektronenstrahles auf das Target 2 stabilisiert werden müssen, um in bildgebenden Verfahren eine ausreichende Bildqualität zu erzielen. Dementsprechend ist eine erfindungsgemäße Röntgenröhre sehr viel einfacher und kostengünstiger herstellbar.As can be seen from a synopsis of FIGS. 5 to 7, cross-sectional changes and shifts of the electron beam have no effect on the cross-section and location of the focal spot. Accordingly, in an X-ray tube according to the invention can be dispensed with structurally complex measures with which in conventional X-ray tubes form, size and point of impact of the electron beam to the
Fig. 8 stellt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Nanofocus-Röntgenröhre 20 dar, die nachfolgend kurz als Röntgenröhre bezeichnet wird. Die Röntgenröhre 20 weist ein erfindungsgemäßes Target 2 auf, das bei diesem Ausführungsbeispiel drei entlang der Targetoberfläche zueinander beabstandete Targetelemente 22, 24, 26 aufweist.8 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a
Die erfindungsgemäße Röntgenröhre 20 weist ferner Mittel zum Richten eines Elektronenstrahles 28 auf das Target 2 auf. Diese Mittel weisen bei diesem Ausführungsbeispiel eine Kathode 30 und eine Lochanode 32 auf, mittels derer beispielsweise aus einem Filament austretende Elektronen in Richtung auf das Target 2 hochenergetisch beschleunigt werden.The
Die Röntgenröhre 20 weist ferner eine in Strahlrichtung hinter der Lochanode 32 angeordnete Fokussiereinrichtung 34 zur Fokussierung des Elektronenstrahles 28 auf das Target 2 auf. Die Fokussiereinrichtung 34 kann in allgemein bekannter Weise beispielsweise durch eine Spulenanordnung gebildet werden.The
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Röntgenröhre 20 ferner Ablenkmittel 36 auf, mittels derer der Elektronenstrahl 20 so ablenkbar ist, daß er wahlweise auf eines der Targetelemente 22, 24 oder 26 auftrifft. Mittels der Ablenkmittel 36 kann der Elektronenstrahl 28 beispielsweise dann auf ein anderes Targetelement abgelenkt werden, wenn ein zuvor benutztes Targetelement abgenutzt ist. Der Zweck der Ablenkmittel 36 besteht erfindungsgemäß in einer Ablenkung des Elektronenstrahles 28, und nicht in seiner Formung oder Fokussierung. Bei Ausführungsformen, bei denen das Target 2 lediglich ein einziges Targetelement trägt, sind die Ablenkmittel 36 somit nicht erforderlich.In this embodiment, the
Um in dem Trägerelement 4 des erfindungsgemäßen Targets 2 erzeugte Röntgenstrahlung auszufiltern, weist das Target 2 auf seiner den Targetelementen 22, 24, 26 abgewandten Seite ein Filter 12 auf, das weiter oben anhand von Fig. 4 näher erläutert ist.In order to filter out X-ray radiation generated in the
Die Bestandteile der erfindungsgemäßen Röntgenröhre 2 sind in allgemein bekannter Weise in einem bei Betrieb der Röntgenröhre 20 evakuierbaren Gehäuse 38 aufgenommen.The components of the
Die Ansteuerung der Steuermittel 36 zur Ablenkung des Elektronenstrahles 28 auf eines der Targetelemente 22, 24, 26 erfolgt durch in der Zeichnung nicht dargestellte Steuermittel. Im übrigen sind die Art und Weise der Spannungsversorgung und Ansteuerung der Röntgenröhre 20 allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.The control of the control means 36 for deflecting the electron beam 28 on one of the
Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Röntgenröhre 20 wird der Elektronenstrahl 28 über die Lochanode 32 in Richtung auf das Target 2 beschleunigt, durch die Fokussiereinrichtung 34 fokussiert und durch die Ablenkmittel 36 auf eines der Targetelemente 22, 24, 26 abgelenkt. Beim Auftreffen und nachfolgenden Abbremsen der Elektronen auf bzw. in einem der Targetelemente 22, 24, 26 entsteht Röntgenstrahlung einer gewünschten Wellenlänge oder in einem gewünschten Wellenlängenbereich. Durch Abbremsen der Elektronen in dem Trägerelement 4 enstehende Röntgenstrahlung wird mittels des Filters 12 ausgefiltert, so daß die Röntgenröhre 20 Röntgenstrahlung 40 ausschließlich der gewünschten Wellenlänge oder in dem gewünschten Wellenlängenbereich emittiert.During operation of the
Da erfindungsemäß Form, Größe und Ort des Brennflecks der Röntgenröhre 20 ausschließlich durch das jeweilige Targetelement 22, 24, 26 definiert sind, haben Störeinflüsse in Bezug auf Form, Größe und Auftreffort des Elektronenstrahles 28 auf das Target 2 keine Auswirkungen auf Form, Größe und Ort des Brennflecks der Röntgenröhre 20, wie weiter oben anhand der Figuren 5 bis 7 bereits erläutert.Since, according to the invention, the shape, size and location of the focal spot of the
Die erfindungsgemäße Röntgenröhre 20 ermöglicht somit mit geringem apparativem Aufwand und grundsätzlich unter Verwendung lediglich einer einzigen Fokussiereinrichtung 34 eine hohe Orts- und Dimensionsstabilität des Brennflecks und damit bei Verwendung im bildgebenden Verfahren eine besonders hohe Auflösung und Bildqualität.The
Claims (6)
mit einem Target (2) und
mit Mitteln zum Richten eines Elektronenstrahles auf das Target (2),
wobei das Target (2) wenigstens ein aus einem Targetmaterial bestehendes Targetelement (6) zur Emission von Röntgenstrahlung aufweist, das durch eine mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens auf einem aus einem Trägermaterial bestehenden Trägerelement (4) gebildete Nanostruktur mit einem Durchmesser s etwa 1.000 nm gebildet ist, wobei das Targetelement (6) das Trägerelement (4) nur teilweise bedeckt,
wobei bei Betrieb der Röntgenröhre (20) der Querschnitt des Elektronenstrahles derart größer als der Querschnitt des Targetelementes (6) gewählt ist, daß der Elektronenstrahl das Tragetelement (6) stets vollflächig bestrahlt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägermaterial Diamant ist oder Diamant enthält, der zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit dotiert ist.NanoFocus X-ray tube,
with a target (2) and
with means for directing an electron beam onto the target (2),
wherein the target (2) comprises at least one target element (6) consisting of a target material for emission of X-radiation, which is formed by a nanostructure having a diameter s approximately 1000 nm formed by means of a microstructuring method on a carrier element (4) consisting of a carrier material, wherein the target element (6) covers the carrier element (4) only partially,
wherein, during operation of the X-ray tube (20), the cross section of the electron beam is selected to be greater than the cross section of the target element (6) such that the electron beam always irradiates the carrier element (6) over the whole area,
characterized,
that the carrier material is diamond or contains diamond, which serves to increase the electrical conductivity is doped.
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