EP2883236A1

EP2883236A1 - Vorrichtung zur erzeugung von röntgenstrahlung

Info

Publication number: EP2883236A1
Application number: EP13763017.4A
Authority: EP
Inventors: Paul Beasley; Svetlana GOSSMANN-LEVCHUK; Oliver Heid; Timothy Hughes; Peter Simon Aptaker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-06-17
Also published as: JP2015529386A; RU2015114702A; US20150228442A1; KR20150075081A; WO2014044567A1; CN104823262A; DE102012216977B4; DE102012216977A1

Abstract

Eine Vorrichtung (700) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst eine Anode (500) mit einer Targetschicht (510), eine Kathode (200) zum Aussenden eines Elektronenstrahls (210), eine Ablenkeinheit (300) zum Ablenken des Elektronenstrahls auf die Targetschicht mittels eines elektrischen Feldes und eine Fokussiereinheit (800) zum Fokussieren des Elektronenstrahls.

Description

Beschreibung

Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß Patentanspruch 13. Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Röntgenröhren weisen eine Kathode zur Emission von Elektronen auf. Die emittierten Elektronen werden durch eine Hochspannung auf eine Anode beschleunigt . In der Anode werden die Elektronen abgebremst und erzeugen dabei Röntgen-Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung. Die Röntgen-Bremsstrahlung besitzt eine breite spektrale Verteilung, während die charakteristische Röntgenstrahlung ein diskretes Linienspektrum aufweist. In der von der Röntgenröhre abgestrahlten Röntgenstrahlung sind beide Strahlungsarten überlagert.

Für bestimmte Einsatzzwecke ist charakteristische Röntgenstrahlung mit diskreten Energien besser geeignet als Röntgen- bremsstrahlung . Es ist bekannt, Röntgenstrahlung mit metalli- sehen Filtern zu filtern, um den Bremsstrahlungsanteil zu reduzieren. Allerdings dämpfen solche Filter auch den Anteil charakteristischer Röntgenstrahlung .

Es ist ferner bekannt, dass der Bremsstrahlungsanteil einer von einer Röntgenröhre ausgesandten Röntgenstrahlung anisotrop ist und ein Maximum in einer durch die Richtung der auftreffenden Elektronen definierten Vorwärtsrichtung aufweist. Die charakteristische Röntgenstrahlung ist dagegen isotrop. Die US 7,436,931 B2 schlägt vor, ein Fenster zum Ausleiten von Röntgenstrahlung aus einer Röntgenröhre in einer zur

Richtung der auf die Anode treffenden Elektronen entgegengesetzten Richtung anzuordnen. Um die Elektronenquelle außerhalb dieses Bereichs anordnen zu können, schlägt die genannte Druckschrift vor, den auf die Anode gerichteten Elektronenstrahl mit einer magnetischen Ablenkvorrichtung abzulenken . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst eine Anode mit einer Targetschicht, eine Kathode zum Aussenden eines Elektronenstrahls, eine Ablenkeinheit zum Ablenken des Elektronenstrahls auf die

Targetschicht mittels eines elektrischen Feldes, eine Fokus- siereinheit zum Fokussieren des Elektronenstrahls und ein Röntgenfenster zum Auskoppeln von in der Targetschicht der Anode erzeugter Röntgenstrahlung in einer dem auf der

Targetschicht auftreffenden Elektronenstrahl entgegengesetzten Rückwärtsrichtung. Dabei ist die Kathode gegenüber der von der Anode ausgehenden Rückwärtsrichtung seitlich versetzt angeordnet. Vorteilhafterweise kann diese Vorrichtung besonders kompakt ausgebildet werden. Durch die Fokussiereinheit kann vorteilhafterweise ein besonders kleiner Brennfleck des Elektronenstrahls auf der Anode erzeugt werden. Die Ablenk- einheit erlaubt es vorteilhafterweise, durch die Anode erzeugte Röntgenstrahlung in einer bezüglich der Richtung der auf die Anode auftreffenden Elektronen rückwärtigen Richtung auszuleiten. Dadurch weist die ausgeleitete Röntgenstrahlung einen niedrigen relativen Anteil an Röntgen-Bremsstrahlung und

einen hohen relativen Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung auf . In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Fokussiereinheit in Verlaufsrichtung des Elektronenstrahls hinter der Ablenkeinheit angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Fokussiereinheit den Elektronenstrahl dann direkt auf einen Punkt der Targetschicht der Anode fokussieren.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Ablenkeinheit ein gekrümmtes Schirmrohr. Dabei sind innerhalb des Schirmrohrs eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode angeordnet. Vorteilhafterweise können an die Komponenten der Ablenkeinheit dann elektrische Spannungen angelegt werden, die eine Ablenkung des durch die Ablenkeinheit verlaufenden Elektronenstrahls entlang der Krümmung des Schirmrohrs bewirken .

In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Fokussiereinheit eine innere Schale. Dabei ist die Anode innerhalb der inneren Schale angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Fokussiereinheit den Elektronenstrahl dann auf die Anode fo- kussieren. Die Anode ist dabei in einem feldfreien Bereich angeordnet .

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die innere Schale als Kugelschale ausgebildet. Vorteilhafterweise weist die Fokussiereinheit dann eine hohe Symmetrie auf, wodurch sich wohldefinierte elektrische Felder erzeugen lassen.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Fokussiereinheit eine äußere Schale, wobei die äußere Schale die innere Schale zumindest teilweise umschließt. Vorteilhafterweise kann der Elektronenstrahl dann zwischen der äußeren Schale und der inneren Schale fokussiert werden. Außerdem können die Elektronen des Elektronenstrahls zwischen der äußeren Schale und der inneren Schale in Bewegungsrichtung beschleunigt werden.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die äußere Schale als Kugelschale ausgebildet. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine besonders einfache und symmetrische Ausgestaltung der Fokussiereinheit der Vorrichtung.

In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist die äußere Schale als Kugelkalottenschale ausgebildet. Vorteilhafterweise ergibt sich auch hierbei eine kompakte, einfache und symmetrische Ausgestaltung der Fokussiereinheit.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung weisen die innere Schale und die äußere Schale jeweils mindestens eine Öffnung auf, die dazu vorgesehen ist, den Elektronenstrahl passieren zu lassen. Vorteilhafterweise kann der Elektronenstrahl dann auf eine in der inneren Schale angeordneten Anode gerichtet und fokussiert werden.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung weist diese einen Kollektor auf, der dazu vorgesehen ist, Elektronen des Elektronenstrahls, die die Anode durchdrungen haben, aufzufangen. Vorteilhafterweise können die durch den Kollektor aufgefange- nen Elektronen in einen Stromkreis zurückgespeist werden, wodurch sich eine Energieeffizienz der Vorrichtung verbessert.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung umschließen der Kollektor und die äußere Schale der Fokussiereinheit gemeinsam die innere Schale der Fokussiereinheit. Vorteilhafterweise eignet sich der Kollektor dann zum Auffangen von in einen großen Raumwinkelbereich gestreuten Elektronen.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung weist der Kollektor einen zylindrischen Abschnitt auf, wobei der zylindrische Abschnitt des Kollektors an die äußere Schale anschließt. Dabei sind die äußere Schale und der zylindrische Abschnitt elektrisch voneinander isoliert. Vorteilhafterweise eignet sich der Kollektor dann zum Auffangen eines großen Teils der auf die Anode gerichteten Elektronen des Elektronenstrahls. Dabei kann der Kollektor vorteilhafterweise auf ein anderes elektrisches Potential gelegt werden als die äußere Schale der Fokussiereinheit . Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung werden das Schirmrohr und die äußere Schale auf eine erste elektrische Spannung gegen die Kathode gelegt. Dabei wird die erste

Elektrode auf eine zweite elektrische Spannung gegen die Kathode gelegt. Außerdem wird die innere Schale auf eine dritte elektrische Spannung gegen die Kathode gelegt. Dabei weist die erste Spannung einen positiveren Spannungswert auf als die zweite Spannung. Außerdem weist die dritte Spannung einen positiveren Spannungswert auf als die erste Spannung. Vorteilhafterweise wird der Elektronenstrahl dann in der Ablenkeinheit abgelenkt. Außerdem wird der Elektronenstrahl zwischen der äußeren Schale und der inneren Schale der Fokussie- reinheit fokussiert. Außerdem werden die Elektronen des Elektronenstrahls zwischen der äußeren Schale und der inneren Schale in Bewegungsrichtung beschleunigt .

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die zweite Elek- trode ebenfalls auf die erste elektrische Spannung gegen die Kathode gelegt. Vorteilhafterweise erfahren die Elektronen des Elektronenstrahls dann innerhalb der Ablenkeinheit keine Änderung ihres Geschwindigkeitsbetrags. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Kollektor auf eine vierte elektrische Spannung gegen die Kathode gelegt. Dabei weist die vierte Spannung einen positiveren Spannungswert auf als die erste Spannung. Außerdem weist die dritte Spannung einen positiveren Spannungswert auf als die vierte Spannung. Vorteilhafterweise werden Elektronen des Elektronenstrahls, die die Anode durchdrungen haben, dann durch den Kollektor abgebremst, wodurch ein Teil der Energie der Elektronen zurückgewonnen wird. Hierdurch weist das Verfahren vorteilhafterweise eine hohe Energieeffizienz auf.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß einer ersten Ausführungsforrti;

Figur 2 eine schematische perspektivische Darstellung der Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung;

Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß einer zweiten Ausführungsform; und

Figur 4 eine schematische perspektivische Darstellung der Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung der zweiten Ausführungsform . Figur 1 zeigt in stark schematisierter Schnittdarstellung eine Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Die in Figur 1 gezeigten Komponenten der Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung können in einer Vakuumröhre angeordnet sein. In diesem Fall kann die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung auch als Röntgenröhre bezeichnet werden. Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Vorrichtung 100 zur Erzeugung der Röntgenstrahlung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Figur 2 einige Komponenten der Vorrichtung 200 nicht dargestellt.

Die Vorrichtung 100 weist eine Kathode 200 auf. Die Kathode 200 ist dazu vorgesehen, Elektronen zu emittieren, um einen Elektronenstrahl 210 zu erzeugen. Die Kathode 200 kann die Elektronen beispielsweise durch thermische Emission oder durch Feldemission emittieren.

Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Ablenkeinheit 300. Die Ablenkeinheit 300 ist dazu vorgesehen, den von der Katho- de 200 ausgehenden Elektronenstrahl 210 abzulenken, also die Richtung des Elektronenstrahls 210 zu ändern. Die Ablenkeinheit 300 umfasst ein gekrümmtes Schirmrohr 330 aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Metall. Ein erstes Längsende 331 des Schirmrohrs 330 ist der Kathode 200 zugewandt. Von der Kathode 200 emittierte Elektronen des Elektronenstrahls 210 können durch das erste Längsende 330 in das Schirmrohr 330 eindringen. Innerhalb des Schirmrohrs 330 der Ablenkeinheit 300 sind eine erste Elektrode 310 und eine zweite Elektrode 320 angeordnet. Die erste Elektrode 310 und die zweite Elektrode 320 weisen jeweils die Form langgestreckter und gekrümmter Bänder auf und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander in Längsrichtung des Schirmrohrs 330. Die Krümmung der Elektroden 310, 320 entspricht im Wesentlichen der Krümmung des Schirmrohrs 330. Die Elektroden 310, 320 sind voneinander beabstandet. Eine Mittenachse des Schirmrohrs 330 erstreckt sich zwischen der ersten Elektrode 310 und der zweiten Elekt- rode 320. Die erste Elektrode 310 und die zweite Elektrode 320 bestehen jeweils aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise aus Metall.

Am ersten Längsende 331 des Schirmrohrs 330 in das Schirmrohr 330 eindringende Elektronen des Elektronenstrahls 210 können das Schirmrohr 330 zwischen der ersten Elektrode 310 und der zweiten Elektrode 320 durchlaufen. Durch an die erste Elektrode 310, die zweite Elektrode 320 und das Schirmrohr 330 angelegte elektrische Spannungen geeigneter Größe herrschen im Inneren des Schirmrohrs 330 der Ablenkeinheit 300 elektrische Felder, die die Elektronen des Elektronenstrahls 310 während ihrer Passage durch das Schirmrohr 330 derart ablenken, dass der Elektronenstrahl 210 der Krümmung des Schirmrohrs 330 folgt. Hierdurch wird die Richtung des Elektronen- Strahls 210 geändert. Nach dem Durchlaufen der Ablenkeinheit 300 verlassen die Elektronen des Elektronenstrahls 210 das Schirmrohr 330 an dessen zweitem Längsende 332. Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst ferner eine Fokussiereinheit 400. Die Fokussiereinheit 400 dient dazu, den Elektronenstrahl 210 auf einen Brennfleck einer Targetschicht 510 einer Anode 500 zu fokussieren. Dies erfolgt mit dem Ziel, einen Brennfleck mit möglichst geringem Durchmesser zu erzeugen, was beispielsweise für medizinische Zwecke wie die Angiographie von Vorteil ist.

Die Fokussiereinheit 400 umfasst in der dargestellten Ausfüh- rungsform eine äußere Schale 410 und eine innere Schale 420. Die äußere Schale 410 und die innere Schale 420 bestehen jeweils aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise aus Metall. Die äußere Schale 410 und die innere Schale 420 sind jeweils als Kugelschalen ausgebildet. Die äußere Schale 410 und die innere Schale 420 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die äußere Schale 410 weist eine erste Öffnung 411 auf. Die innere Schale 420 weist eine erste Öffnung 421 auf. Vom Zentrum der koaxial angeordneten Schalen 410, 420 aus betrachtet befinden sich die erste Öffnung 421 der inneren Schale 420 und die erste Öffnung 411 der äußeren Schale 410 in einer gemeinsamen radialen Richtung, die dem zweiten

Längsende 332 des Schirmrohrs 330 der Ablenkeinheit 300 zugewandt ist. Elektronen des Elektronenstrahls 210, die das Schirmrohr 330 der Ablenkeinheit 300 durch das zweite Längs- ende 332 verlassen, können durch die erste Öffnung 411 der äußeren Schale 410 und die erste Öffnung 421 der inneren Schale 420 in die Fokussiereinheit 400 eindringen.

In anderen Ausführungsformen der Fokussiereinheit 400 können die äußere Schale 410 und die innere Schale 420 anders als kugelschalenförmig (beispielsweise als Ellisoide) ausgebildet sein und müssen auch nicht notwendigerweise koaxial angeordnet sein. Werden elektrische Spannungen geeigneter Größe an die äußere Schale 410 und die innere Schale 420 der Fokussiereinheit 400 angelegt, so bildet sich zwischen der äußeren Schale 410 und der inneren Schale 420 der Fokussiereinheit 400 ein in radia- le Richtung weisendes elektrisches Feld heraus, dass eine Fokussierung des zwischen der ersten Öffnung 411 der äußeren Schale 410 und der ersten Öffnung 421 der inneren Schale 420 verlaufenden Elektronenstrahls 210 bewirkt. Der Elektronen- strahl 210 wird dabei durch den radialen Verlauf des elektrischen Feldes näherungsweise auf das gemeinsame Zentrum der äußeren Schale 410 und der inneren Schale 420 der Fokussiereinheit 400 fokussiert. Zusätzlich werden die Elektronen des Elektronenstrahls 210 zwischen der äußeren Schale 210 und der inneren Schale 420 derart beschleunigt, dass sich ein Geschwindigkeitsbetrag der Elektronen des Elektronenstrahls 210 erhöht. Der Zuwachs an kinetischer Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 210 ergibt sich dabei aus der Potentialdifferenz zwischen der äußeren Schale 410 und der inneren Schale 420.

Im von der inneren Schale 420 der Fokussiereinheit 400 umschlossenen Raum ist die Anode 500 der Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung angeordnet. Die Anode 500 weist einen Halter 520 auf, der die Targetschicht 510 hält.

Der Halter 520 der Anode 500 kann beispielsweise Diamant aufweisen oder daraus bestehen. Die Targetschicht 510 kann beispielsweise Wolfram aufweisen oder daraus bestehen. Die Anode 500 weist eine Vorderseite 501 und eine Rückseite 502 auf. Die Vorderseite 501 der Anode 500 wird durch die

Targetschicht 510 gebildet.

Die Anode 500 ist so angeordnet, dass der durch die erste Öffnung 411 der äußeren Schale 410 und die erste Öffnung 421 der inneren Schale 420 in die Fokussiereinheit 400 eindringende Elektronenstrahl 210 auf die Targetschicht 510 an der Vorderseite 501 der Anode 500 trifft. Bevorzugt trifft der Elektronenstrahl 210 etwa senkrecht auf die Targetschicht 510. Bevorzugt ist die Anode 500 so im Innenraum der inneren Schale 420 der Fokussiereinheit 400 angeordnet, dass sich die Targetschicht 510 im Brennpunkt der durch die Fokussiereinheit 400 bewirkten Fokussierung des Elektronenstrahls 210 befindet. Dann weist der Brennfleck, in dem die Elektronen des Elektronenstrahls 210 auf die Targetschicht 510 der Anode 500 treffen, einen minimalen Durchmesser auf.

Die auf die Targetschicht 510 der Anode 500 treffenden Elek- tronen des Elektronenstrahls 210 werden in der Targetschicht 510 abgebremst, wobei Röntgenstrahlung entsteht. Diese Röntgenstrahlung wird in mehrere oder alle Raumrichtungen abgestrahlt. Die Röntgenstrahlung umfasst dabei Röntgen-Brems- strahlung und charakteristische Röntgenstrahlung. Der Anteil der Röntgen-Bremsstrahlung ist in die durch die Richtung des auf die Targetschicht 510 treffenden Elektronenstrahls 210 definierte Vorwärtsrichtung höher als in die entgegengesetzte Rückwärtsrichtung . Da für verschiedene medizinische und technische Zwecke ein möglichst geringer Anteil an Röntgen-Bremsstrahlung wünschenswert ist, befindet sich bei der Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ein Röntgenfenster 110 zum Ausleiten von in der Targetschicht 510 der Anode 500 erzeugter Röntgenstrahlung in rückwärtiger Richtung, also in der der

Richtung des auf die Targetschicht 510 auftreffenden Elektronenstrahls 210 entgegengesetzten Richtung. Das Röntgenfenster 110 kann dabei beispielsweise einen Raumwinkelbereich von +/- 20° abdecken.

Ein Vorteil der Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung besteht darin, dass die Kathode 200 zumindest teilweise außerhalb des Raumbereichs angeordnet ist, durch den die durch das Röntgenfenster 110 ausgeleitete Röntgenstrah- lung auf ihrem Weg von der Targetschicht 510 der Anode 500 verläuft. Dadurch wird die Röntgenstrahlung nicht oder nur wenig durch die Kathode 200 abgeschirmt oder abgeschwächt. Ermöglicht wird die Anordnung der Kathode 200 außerhalb des durch das Röntgenfenster 110 abgedeckten Raumbereichs durch die Ablenkeinheit 300. Diese ermöglicht es, die Kathode 200 seitlich gegenüber der rückwärtigen Richtung versetzt anzuordnen und den Elektronenstrahl 210 dennoch in der der rück- wärtigen Richtung entgegengesetzten Vorwärtsrichtung auf die Targetschicht 510 der Anode 500 zu richten.

Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung um- fasst außerdem einen Kollektor 600. Der Kollektor 600 ist in der durch die Richtung des auf die Targetschicht 510 treffenden Elektronenstrahls 200 definierten Vorwärtsrichtung hinter der Fokussiereinheit 400 und außerhalb der äußeren Schale 410 der Fokussiereinheit 400 angeordnet.

Der Kollektor 600 dient dazu, Elektronen des Elektronenstrahls 210, die die Anode 500 vollständig durchdrungen haben, aufzusammeln, um eine Energieeffizienz der Vorrichtung 100 zu verbessern. Hierzu weist die innere Schale 420 eine zweite Öffnung 422 auf. Die äußere Schale 410 weist ebenfalls eine zweite Öffnung 412 auf. Die zweite Öffnung 412 der äußeren Schale 410 und die zweite Öffnung 422 der inneren Schale 420 sind an den den ersten Öffnungen 411, 421 gegenüberliegenden Seiten der äußeren Schale 410 und der inneren Schale 420 angeordnet. Dadurch können Elektronen des Elektronenstrahls 210, die nach ihrem Auftreffen auf die Targetschicht 510 die Anode 500 vollständig durchdrungen haben, die Fokus- siereinheit 400 durch die zweite Öffnung 422 der inneren Schale 420 und die zweite Öffnung 412 der äußeren Schale 410 verlassen und den Kollektor 600 erreichen.

Im Betrieb der Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung werden die unterschiedlichen Komponenten der Vorrichtung 100 auf unterschiedliche elektrische Potentiale ge- legt. Die Kathode 200 kann dabei ein Massen- oder Bezugspotential bilden.

Bevorzugt werden das Schirmrohr 330 der Ablenkeinheit 300 und die äußere Schale 410 der Fokussiereinheit 400 auf ein ge- meinsames positives elektrisches Potential gelegt. Die elektrische Spannung kann dabei beispielsweise 10 kV gegenüber der Kathode 200 betragen. Bevorzugt wird auch die zweite Elektrode 320 der Ablenkeinheit 300 auf dieses Potential ge- legt. Es wäre jedoch auch möglich, das Schirmrohr 330 der Ablenkeinheit 300, die zweite Elektrode 320 der Ablenkeinheit 300 und die äußere Schale 410 der Fokussiereinheit 400 auf jeweils unterschiedliche Potentiale zu legen.

Die erste Elektrode 310 der Ablenkeinheit 300 wird auf ein positives Potential gelegt, das kleiner ist als das Potential des Schirmrohrs 330 der Ablenkeinheit 300. Beispielsweise kann die erste Elektrode 310 gegenüber der Kathode 200 auf ein Potential von 1 kV gelegt werden.

Die innere Schale 420 der Fokussiereinheit 400 wird auf ein positives Potential gelegt, das höher als das Potential der äußeren Schale 410 der Fokussiereinheit 400 ist. Beispiels- weise kann die innere Schale 420 gegenüber der Kathode 200 auf ein Potential von 150 kV gelegt werden.

Der Kollektor 600 kann auf ein positives Potential gelegt werden, das zwischen den Potentialen der äußeren Schale 410 und der inneren Schale 420 der Fokussiereinheit 400 liegt. Beispielsweise kann der Kollektor 600 gegenüber der Kathode 200 auf ein Potential von 40 kV gelegt werden.

Figur 3 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Schnitt durch eine Vorrichtung 700 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß einer zweiten Ausführungsform . Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Vorrichtung 700 zur Erzeugung der Röntgenstrahlung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Figur 4 einige Komponenten der Vorrich- tung 700 nicht dargestellt.

Die Vorrichtung 700 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung weist Übereinstimmungen mit der in Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung auf. Ein- ander entsprechende Komponenten sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nachfolgend nicht erneut detailliert beschrieben. Anstelle der Fokussiereinheit 400 weist die Vorrichtung 700 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung eine Fokussiereinheit 800 auf. Die Fokussiereinheit 800 umfasst eine innere Schale 820, die als elektrisch leitende Kugelschale ausgebildet ist. Die innere Schale 820 umfasst eine erste Öffnung 821, durch die Elektronen des Elektronenstrahls 210 in den von der inneren Schale 820 umschlossenen Raum eindringen können. Im Innenraum der inneren Schale 820 der Fokussiereinheit 800 ist die Anode 500 angeordnet. Elektronen des Elektronenstrahls 210, die die Anode 500 vollständig durchdrungen haben, können die innere

Schale 820 durch eine zweite Öffnung 822 verlassen. Die innere Schale 820 der Fokussiereinheit 800 entspricht insoweit der inneren Schale 420 der Fokussiereinheit 400 der Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung der Figuren 1 und 2.

Die Fokussiereinheit 800 der Vorrichtung 700 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst ferner eine äußere Schale 810. Die äußere Schale 810 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall. Die äußere Schale 810 weist die Form eines Teils einer Kugelschale auf. Die äußere Schale 810 ist als halbe Kugelschale ausgebildet. Die äußere Schale 810 kann daher auch als Kugelkalottenschale bezeichnet werden. Die äußere Schale 810 umschließt die innere Schale 820 der Fokussiereinheit 800 teilweise. Dabei fällt der Mittelpunkt der Kugelschale, von der die äußere Schale 810 einen Teil bildet, mit dem Mittelpunkt der inneren Schale 820 zusammen. Die äußere Schale 810 ist auf der dem zweiten Längsende 332 des Schirmrohrs 330 der Ablenkeinheit 300 zuge- wandten Seite der inneren Schale 820 angeordnet. Die äußere Schale 810 weist eine Öffnung 811 auf, durch die Elektronen des Elektronenstrahls 210, die das Schirmrohr 330 der Ablenkeinheit 300 durch das zweite Längsende 332 verlassen, in die Fokussiereinheit 800 eindringen können.

Auch zwischen der äußeren Schale 810 und der inneren Schale 820 der Fokussiereinheit 800 kann durch das Anlegen geeigneter elektrischer Spannungen ein elektrisches Feld erzeugt werden, dass eine Fokussierung des zwischen der äußeren Schale 810 und der inneren Schale 820 verlaufenden Elektronenstrahls 210 bewirkt. Der Elektronenstrahl 210 wird dabei wiederum näherungsweise auf den Mittelpunkt der inneren Schale 820 der Fokussiereinheit 800 fokussiert. Gleichzeitig bewirkt das elektrische Feld wiederum eine Erhöhung des Geschwindigkeitsbetrags der Elektronen des Elektronenstrahls 210.

Anstelle des Kollektors 600 weist die Vorrichtung 700 zur Er- zeugung von Röntgenstrahlung einen Kollektor 900 auf. Der

Kollektor 900 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall, und dient dazu, Elektronen des Elektronenstrahls 210, die die Anode 500 vollständig durchdrungen haben, aufzufangen, um dadurch eine Energieeffi- zienz der Vorrichtung 700 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zu erhöhen.

Der Kollektor 900 weist einen zylindrischen Abschnitt 910 auf, der einseitig durch einen Bodenabschnitt geschlossen ist. Der Kollektor 900 ist somit becherförmig ausgebildet.

Der zylindrische Abschnitt 910 des Kollektors 900 weist denselben Durchmesser auf, wie die äußere Schale 810 der Fokussiereinheit 800. Das offene Ende des zylindrischen Abschnitts 910 des Kollektors 900 schließt sich an das offene Ende der äußeren Schale 810 an. Dadurch ist die innere Schale 820 der Fokussiereinheit 800 durch die äußere Schale 810 und den Kollektor 900 umschlossen.

Zwischen der äußeren Schale 810 und dem zylindrischen Ab- schnitt 910 des Kollektors 900 ist eine Isolierung 920 angeordnet, die die äußere Schale 810 elektrisch gegen den Kollektor 900 isoliert. Dies ermöglicht es, die äußere Schale 810 und den Kollektor 900 auf unterschiedliche elektrische Potentiale zu legen.

Elektronen des Elektronenstrahls 210, die die Anode 500 durchlaufen haben, können die Anode 500 mit breiter Winkel - Verteilung verlassen. Die Richtungsänderung der Elektronen gegenüber der Richtung des auf die Vorderseite 501 der Anode 500 gerichteten Elektronenstrahls 510 wird durch Stöße der Elektronen des Elektronenstrahls 210 mit den Atomen der

Targetschicht 510 und des Halters 520 der Anode 500 verur- sacht. Falls die Anode 500 beispielsweise einen Halter 520 aus Diamant und eine Targetschicht 510 aus Wolfram mit einer Dicke von 500 nm aufweist, so kann die Winkelverteilung der Elektronen, die die Anode 500 durchlaufen haben, in einem Bereich von etwa +/- 60° liegen. Der Kollektor 900 bietet ge- genüber dem Kollektor 600 der Figuren 1 und 2 den Vorteil, dass der Kollektor 900 Elektronen aus diesem gesamten großen Raumwinkelbereich auffangen kann. Hierdurch weist die Vorrichtung 700 eine besonders hohe Energieeffizienz auf. Bevorzugt ist die zweite Öffnung 822 der inneren Schale 820 ent- sprechend groß ausgebildet, um Elektronen aus dem gesamten möglichen Streuwinkelbereich passieren zu lassen.

Die Komponenten der Vorrichtung 700 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung können während des Betriebs der Vorrichtung 700 auf dieselben Potentiale gelegt werden, wie die entsprechenden Komponenten der Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Insbesondere kann die äußere Schale 810 gegenüber der Kathode 200 auf ein Potential von 10 kV gelegt werden. Die innere Schale 820 der Fokussiereinheit 800 kann ge- genüber der Kathode 200 auf ein Potential von 150 kV gelegt werden. Der Kollektor 900 kann gegenüber der Kathode 200 auf ein Potential von 40 kV gelegt werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs- beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumgang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (100, 700) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einer Anode (500) mit einer Targetschicht (510) , einer Kathode (200) zum Aussenden eines Elektronenstrahls

(210) ,

einer Ablenkeinheit (300) zum Ablenken des Elektronenstrahls (210) auf die Targetschicht (510) mittels eines elektrischen Feldes,

einer Fokussiereinheit (400, 800) zum Fokussieren des

Elektronenstrahls (210)

und einem Röntgenfenster zum Auskoppeln von in der

Targetschicht (510) der Anode (500) erzeugter Röntgenstrahlung in einer dem auf die Targetschicht (510) auf- treffenden Elektronenstrahl (210) entgegengesetzten Rückwärtsrichtung,

wobei die Kathode (200) gegenüber der von der Anode (500) ausgehenden Rückwärtsrichtung seitlich versetzt angeordnet ist.

2. Vorrichtung (100, 700) gemäß Anspruch 1,

wobei die Fokussiereinheit (400, 800) in Verlaufsrichtung des Elektronenstrahls (210) hinter der Ablenkeinheit (300) angeordnet ist.

3. Vorrichtung (100, 700) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Ablenkeinheit (300) ein gekrümmtes Schirmrohr (330) umfasst,

wobei innerhalb des Schirmrohrs (330) eine erste Elektrode (310) und eine zweite Elektrode (320) angeordnet sind.

4. Vorrichtung (100, 700) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Fokussiereinheit (400, 800) eine innere Schale

(420, 820) umfasst,

wobei die Anode (500) innerhalb der inneren Schale (420, 820) angeordnet ist. Vorrichtung (100, 700) gemäß Anspruch 4,

wobei die innere Schale (420, 820) als Kugelschale ausgebildet ist.

Vorrichtung (100, 700) gemäß Anspruch 4 oder 5,

wobei die Fokussiereinheit (400, 800) eine äußere Schale (410, 810) umfasst, wobei die äußere Schale (410, 810) die innere Schale (420, 820) zumindest teilweise umschließt .

Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6,

wobei die äußere Schale (410) als Kugelschale ausgebildet ist .

Vorrichtung (700) gemäß Anspruch 6,

wobei die äußere Schale (810) als Kugelkalottenschale ausgebildet ist.

Vorrichtung (100, 700) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die innere Schale (420, 820) und die äußere Schale (410, 810) jeweils mindestens eine Öffnung (411, 412, 421, 422, 811, 821, 822) aufweisen, die dazu vorgesehen ist, den Elektronenstrahl (210) passieren zu lassen.

Vorrichtung (100, 700) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Vorrichtung (100, 700) einen Kollektor (600, 900) aufweist, der dazu vorgesehen ist, Elektronen des Elektronenstrahls (210) , die die Anode (500) durchdrungen haben, aufzufangen.

Vorrichtung (700) gemäß Anspruch 10 und einem der Ansprüche 6 , 8 und 9 ,

wobei der Kollektor (900) und die äußere Schale (810) der Fokussiereinheit (800) gemeinsam die innere Schale (820) der Fokussiereinheit (800) umschließen. Vorrichtung (700) gemäß Anspruch 11,

wobei der Kollektor (900) einen zylindrischen Abschnitt (910) aufweist,

wobei der zylindrische Abschnitt (910) des Kollektors (900) an die äußere Schale (810) anschließt,

wobei die äußere Schale (810) und der zylindrische Abschnitt (910) elektrisch voneinander isoliert sind.

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (100, 700) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß Ansprüchen 3 und 6, wobei das Schirmrohr (330) und die äußere Schale (410, 810) auf eine erste elektrische Spannung gegen die Kathode (200) gelegt werden,

wobei die erste Elektrode (310) auf eine zweite elektrische Spannung gegen die Kathode (200) gelegt wird, wobei die innere Schale (420, 820) auf eine dritte elektrische Spannung gegen die Kathode (200) gelegt wird, wobei die erste Spannung einen positiveren Spannungswert aufweist als die zweite Spannung,

wobei die dritte Spannung einen positiveren Spannungswert aufweist als die erste Spannung.

Verfahren gemäß Anspruch 13,

wobei die zweite Elektrode (320) ebenfalls auf die erste elektrische Spannung gegen die Kathode (200) gelegt wird.

Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14,

wobei Vorrichtung (100, 700) zum Erzeugen von Röntgenstrahlen gemäß Anspruch 10 ausgebildet ist,

wobei der Kollektor (600, 900) auf eine vierte elektrische Spannung gegen die Kathode (200) gelegt wird, wobei die vierte Spannung einen positiveren Spannungswert aufweist als die erste Spannung,

wobei die dritte Spannung einen positiveren Spannungswert aufweist als die vierte Spannung.