SE530094C2 - Metod för alstring av röntgenstrålning genom elektronbestrålning av en flytande substans - Google Patents

Description

530 054 2 av betydelse, eftersom faskontrasten ofta är mycket högre än absorptionskontrasten. Dessutom skulle faskontrastav- bildning kunna reducera den absorberade dosen under av- bildning.

Den grundläggande fysiken vid röntgenalstring i kom- pakta källor baserade pâ elektronbombardemang har inte ändrats sedan Röntgens dagar. När elektroner bombarderar (infaller mot) målet, förlorar de energi på något av två olika sätt: antingen kan de bromsas i det elektriska fäl- tet nära en atomkärna och avge kontinuerlig bromsstrål- ning, eller så kan de slå ut en elektron från ett inre skal, vilket leder till emission av en karaktäristisk röntgenfoton när vakansen fylls. Effektiviteten för rönt- genalstring med elektronbombardemang är mycket låg, ty- piskt under 1%, och huvuddelen av energin som bärs av elektronstrålen konverteras till värme.

Radiansen för befintliga, kompakta röntgenkällor ba- serade på elektronbombardemang är begränsad av termiska effekter i anoden. Radiansen för röntgenstrålningen [d.v.s. fotoner/(mmÄsr++BW)] är proportionell mot elek- tronstrålens effektiva effekttäthet vid anoden, vilken måste vara begränsad för att inte anoden ska smälta eller på annat sätt skadas. Sedan de första katodstràlerören har endast två grundläggande tekniker, linjefokus och ro- tation av anoden, introducerats i syfte att förbättra anodens effektlastkapacitet.

Principen med linjefokus, som introducerades under 1920-talet, utnyttjar det faktum att röntgenemission är icke-Lambertsk för att öka den effektiva effektlastkapa- citeten genom att mâlarean sträcks ut men källans skenba- ra area hàlles i stort sett konstant genom att anoden be- traktas ur en vinkel. Om man bortser från Heel-effekten och synfältet, ökar detta trick den tillgängliga effekt- lasttätheten med upp till ~lOx. fördes under 1930-talet i syfte att ytterligare öka den effektiva arean som värms upp av elektronstrålen, genom Den roterande anoden in- 10 15 20 25 30 35 530 094 3 att en konformad anod roteras så att en sval màlyta hela tiden tillförs.

Efter dessa förbättringar har framsteg med avseende på radians varit ganska långsamma för kompakta elektron- bombardemangskällor, och har bara bestått i ingenjörsmäs- siga förbättringar avseende målmaterial, värmeledning, värmelagring, rotationshastighet etc. Dagens källor en- ligt känd teknik medger en effektiv elektronstråleeffekt på 100 - 150 kW/mmz. Typiska implementeringar av det mer avancerade slaget är exempelvis angiografisystem pà 10 kW, och med en fläckstorlek på 0,3 x 0,3 nmF, eller mam- mografisystem med finfokus på 1,5 kW och med en fläck- storlek på 0,1 x 0,1 m2. Mikrofokuskäiior med låg effekt (4 W, effektiv fläckdiameter för röntgen 5 pm) har lik- nande effektiva effekttätheter (200 kW/mmz) och är också begränsade av termiska effekter.

Gränsen för effektlast hos en modern, roterande anod kan beräknas genom p n1@' - AT max marginal Wii + kJtf ífl rrR där Aüffltw är den skenbara arean för röntgenkällan, R är anodens radie, l är fläckens höjd, 25 är fläckens bredd, BMX är maximalt tillåten temperatur, Aïgæïnml är en säker- A effektiv hetsmarginal, fms är anodens starttemperatur, Å är den termiska konduktiviteten, p är densiteten, cp är det spe- cifika värmet, f är rotationsfrekvensen, t är lastperio- den och k är en korrektionsfaktor som tar hänsyn till den radiella värmeledningsförmågan, värmeförlust genom strål- ning och anodens tjocklek. Från ekvation 1 kan man se att det enda sättet att öka gränsen för effektlasten är att öka fläckens hastighet, d.v.s. f och R. lertid även en ganska orealistisk uppsättning parametrar (anod med 1 m diameter och rotation på 1 kHz) bara en ök- ning av utmatningen med ~6x. Det förefaller därför osan- Tyvärr ger emel- _ L/ 6 Ibas Å4ÛCPiïæ (1) 10 15 20 25 30 35 53Ü 094 4 nolikt att konventionell teknik för röntgenkällor kan ut- vecklas mycket mer, även med omfattande ingenjörsmässiga ansträngningar.

Ett sätt att öka radiansen för kompakta, elektron- bombardemangbaserade källor för hårdröntgen skulle vara en fundamentalt annorlunda anodkonfiguration som medger en högre effekttäthet hos elektronstràlen. damål har det tidigare föreslagits ett nytt koncept med För detta än- anod i form av en jet av flytande metall. Denna anodkon- figuration skulle kunna medge betydligt högre (>l00X) termisk last per yta än befintlig teknik, tack vare fun- damentalt andra termiska begränsningar, så som förklaras nedan. System med flytande jet har ofta använts som mål i källor med försumbar produktion av skräpprodukter basera- de på laserproducerat plasma för mjukröntgen och EUV. En jet av flytande gallium har även använts som mål vid alstring av hårdröntgen i femtosekunders laserplasmaexpe- riment. Vidare har en elektronstråle kombinerats med en vattenjet för generering av mjukröntgen med låg effekt via fluorescens. Röntgenrör med flytande anoder, antingen stationära eller som flyter över en yta, har tidigare rapporterats, men deras fördelar vid drift med hög radi- ans är begränsade på grund av den inneboende låga flödes- hastigheten och kylningskapaciteten hos sådana system.

Senare arbete inbegriper även en flytande anod som flödar bakom ett tunt fönster.

Den mycket högre effekttäthetskapaciteten hos system med flytande jet av metall jämfört med konventionella anoder (2-3 storleksordningar) har, i korthet, tre huvud- sakliga anledningar: (i) andra termiska egenskaper hos anoden med flytande jet jämfört med en solid anod, potential för högre hastigheter hos jeten än vad som kan (ii) uppnås för en roterande anod, och (iii) den I@9eneratiVa naturen hos en flytande jet, som mildrar kravet på att hålla anoden intakt.

När man försöker öka effekten för sådana system, är emellertid emission av skräpprodukter (”debris”) en po- 10 15 20 25 30 35 530 G94 5 tentiell praktisk svårighet. Förbättringar eftersöks alltså för att reducera problemet med skräpprodukter för högeffektsröntgenkällor med anod i form av flytande jet av metall.

Sammanfattning I korthet föreslås här en metod för generering av röntgenstrålning, vilken kännetecknas av att elektron- strålens halvvärdesbredd i den transversella riktningen för måljeten är omkring 50% av måljetens transversella dimension eller mindre. Det har nu visat sig att detta leder till en betydande avskärmningseffekt för det mycket heta området av måljeten där elektronstrålen infaller, varvid sålunda den mängd skräpprodukter som skapas redu- ceras på ett fördelaktigt sätt. Dessutom erhålles den yt- terligare tekniska effekten att den effektiva effekttät- heten ökas när röntgenfläcken betraktas från sidan. Detta senare är i analogi med principen för linjefokus som har beskrivits i inledningen.

De uppfinningsmässiga principerna som beskrivs här har således den attraktiva fördelen att mängden skräppro- dukter kan minskas utan att man behöver öka måljetens ut- bredningshastighet nämnvärt, varvid man istället använder en elektronstràle som har, vid sitt infall mot målet, en halvvärdesbredd (FWHM) som är omkring hälften av målje- tens transversella dimension eller mindre.

Kort beskrivning av ritningarna Figur l visar schematiskt en uppställning för den uppfinningsenliga röntgenkällan med jet av flytande me- tall, sett från ovan. De infogade fotografierna visar en metalljet under drift vid låg effekt drift vid hög effekt (höger foto).

Figur 2 är en graf som visar emissionstakt för skräpprodukter som en funktion av applicerad elektron- stråleeffekt och fokalfläck för elektronsträlen. Fel- strecken anger standardavvikelse. (vänster foto) och 10 15 20 25 30 35 530 094 6 Figur 3 är en schematisk ritning som visar använd- ningen av ett elliptiskt fokus eller linjefokus för elek- tronstràlen.

Utförlig beskrivning Figur l visar det experimentella arrangemanget för röntgenkällan med jet av flytande metall. En jet av fly- tande metall bestående av 99,8% tenn skickas genom ett glaskapillärmunstycke med en diameter på 30 um eller 50 um in i en vakuumkammare. Jethastigheter på upp till 60 m/s kan uppnås genom att man applicerar ett kvävetryck pá 200 bar över det smälta tennet. Måljetens hastighet är sålunda jämförbar med de snabbaste roterande anoderna.

Elektronstrålesystemet är baserat på en 600 W (50 kV, 12 mA) elektronkanon med kontinuerlig drift. Elektron- strålen fokuseras med en magnetisk lins till en fläck med halvvärdesdiameter (FWHM) på ~15 eller ~25 um, beroende på storleken hos LaB6-katoden (50 um eller 200 um diame- ter). Elektronkanonen pumpas medelst en separat turbopump på 250 l/s och öppningarna vid ändarna av den magnetiska linsen är tillräckligt små för att ett tillräckligt dif- ferentialtryck ska bibehållas mellan den huvudsakliga va- kuumkammaren (~l0” mbar) och elektronkanonen (~l0' 7 mbar). Katoden är avskärmad från tennångor medelst ett hål på l mm i en 120 um tjock aluminiumfolie, som är pla- cerad mellan jeten och den magnetiska linsen. Vakuumet runt katoden hålles i det låga området vid IOJ mbar även under drift vid hög effekt hos kanonen, vilket resulterar i en rimlig livstid (>1000 h) för LaB6-katoden. Skivor för påvisande av skräpprodukter är placerade på fyra oli- ka positioner i huvudtanken omkring 150 mm från röntgen- källan. För röntgenavbildning använder vi en 4008x2672 pixlars fosforbelagd CCD-detektor med 9 um pixlar och en uppmätt punktspridningsfunktion (PSF) på ~34 um FWHM. Ett guldföremàl med upplösning för mammografi (20 um tjockt guld med 25 um breda linjer och mellanrum) är placerat 10 15 20 25 30 35 530 094 7 xx mm från källan och xx mm framför nämnda CCD. Ett l2x zoommikroskop användes för optisk inspektion av jeten.

Experiment utfördes i syfte att utvärdera den upp- finningsenliga principen för alstring av röntgenstrålar.

Deponeringstakter för skräpprodukter för flera olika sy- en elektronstràleeffekt mellan 38 W och 86 W, en jethastighet på 22 eller 40 m/s, en jetdiameter på 30 eller 50 um, samt ett elektronstrålefo- kus på 15 eller 26 um. Skivorna för påvisande av skräp- stemparametrar studerades: produkter exponerades för tennånga under 6-24 minuter och analyserades med en ytprofilometer (KLA Tencor P-15). Fi- (22 m/s, ter, 2412 um fläckdiameter) visar att deponeringstakten gur 2 visar resultaten. Kurva l 30 um jetdiame- för skräpprodukter är exponentiellt beroende av den ef- fekt som appliceras på jeten, vilket är i överensstämmel- se med det ökande àngtrycket för tenn som en funktion av temperatur. Kurva 2 avbildar emissionen av skräpprodukter från en jet vid 22 m/s och med en diameter på 50 um och en fläck på 24i2 um. Vid jämförelse mellan kurvorna 1 och 2 ska det noteras att en ökad jetdiameter leder till en minskad emissionstakt för skräpprodukter. Detta förmodas bero på två saker: (i) det ökade massflödet hos den stör- re jeten leder till en reducerad genomsnittlig temperatur hos jeten, och sålunda en reducerad föràngningstakt, och (ii) ökning av jetens diameter, med bibehållen storlek hos elektronstrålen, resulterar i en mer effektiv av- skärmning av det mycket heta området för elektronstrålens infall mot jeten såsom det ses från skivorna för påvisan- de av skräpprodukter. Det ska noteras att samma effekt skulle kunna erhållas allmänt genom att man ökar kvoten mellan jetens storlek och elektronstrålens storlek. Det har visat sig vara speciellt fördelaktigt att man har en elektronstrålestorlek som är 50% eller mindre jämfört med jetens storlek. Kurva 3 ger ytterligare bevis för koncep- tet med avskärmning. Kurvan 3 har samma parametrar för jeten som kurvan 2, men röntgenfläcken är mindre (l5,5il,5 um FWHM), vilket klart resulterar i förbättrad 10 15 20 25 30 35 53Ü 094 8 avskärmning. Vid den applicerade effekten på 72 W, gav ett mindre fokus en reducering av emissionstakten för skräpprodukter med en faktor ~l6x jämfört med driften vid 24i2 um. Slutligen visar kurva 4 inverkan på emissions- takten för skräpprodukter från en ökad målhastighet (40 m/s, ao um jetaiameter, 2412 um fläck). En ökning på ~80% av jetens hastighet i kombination med en ~50% ökning av den applicerade effekten resulterade i samma emis- sionstakt för skräpprodukter.

Emissionstakterna för skräpprodukter kommer natur- ligtvis att öka när man försöker nå högre radians genom att öka elektronstråleeffekten och effekttätheten. Vi no- terar att för elektronkanoner under en kilowatt, är den tekniska gränsen för elektronstrålens effekttäthet på grund av katodens emissionsförmàga nâgra få tiotals MW/mmz, d.v.s. två storleksordningar högre än den högsta effekttätheten för den metalljetanod som rapporteras här.

En betydande förbättring av jetanodens effekttäthetskapa- citet kan uppnås genom att man har en mycket snabbare. jet, och det har faktiskt visats att man skulle kunna skapa en stabil jet vid hastigheter upp till ~500 m/s. Å andra sidan behöver detta inte nödvändigtvis vara enda sättet att modifiera jeten för reducerad mängd skräppro- dukter. Så som indikeras av de resultat som visas i figur 3, och i enlighet med de uppfinningsmässiga principer som beskrivs här, kan en jet med medelhastighet och med en större diameter (jämfört med elektronstrâlen) visa sig ha bättre egenskaper avseende reducering av skräpprodukter än en betydligt snabbare, men tunnare, jet (jmf. kurvorna 3 och 4).

Det ska noteras att elektronstrålens fläck på målje- ten kan vara cirkulär, elliptisk eller ett linjefokus en- ligt önskemål. Såsom visas i figur 3 kan det exempelvis vara föredraget att man använder en elliptisk elektron- strålefläck (ett linjefokus) med dess huvudaxel transver- sellt mot den longitudinella utsträckningen hos måljeten och att man, i enlighet med vad som här föreslås och om- 10 15 20 25 30 35 53O 094 9 fattas av patentkraven, låter dess halvvärdesbredd (FWHM) längs huvudaxeln vara omkring 50% eller mindre jämfört med måljetens diameter. I enlighet med den välkända lin- jefokusprincipen, kommer detta att ge ökad effektiv ef- fektlastkapacitet för målet utan att man offrar radians för röntgenkällan när målområdet betraktas från sidan.

När en utsträckt elektronstrålefläck används enligt ovan är det emellertid inget krav att dess utsträckning är transversell mot måljeten. Godtycklig allmän orienter- ing av den elliptiska eller linjefokuserade elektronstrà- lefläcken är tänkbar, och en effektiv ökning av röntgen- stràlningens radians kan erhållas genom att man betraktar (samlar in) den alstrade röntgenstrålningen ur en lämplig vinkel. Om en elektronstrålefläck exempelvis används som har ett linjefokus som sträcker sig allmänt längs med måljeten, kan ökad radians för röntgenstrålningen erhål- las genom att man betraktar fläcken ur en sned vinkel längs med måljeten.

Vidare ska det påpekas att principen med linjefokus även kan användas när en cirkulär elektronstrålefläck ut- nyttjas. Anledningen är följande. När elektronstrålen in- faller på måljeten, kommer röntgenstrålning typiskt att alstras inom de första få millimetrarna av målmaterial när elektronerna penetrerar màljeten. Som ett icke- begränsande exempel, kan elektronerna typiskt penetrera omkring 4 mikrometer in i målmaterialet. Detta visas schematiskt i den förstorade sidovyn enligt figur l. När den betraktas från sidan, så som visas i figur l, kommer röntgenstràlningen således att alstras i ett område som har en utsträckt profil pà endast några få millimeters bredd. Som ett praktiskt exempel kan man tänka sig en cirkulär elektronstrålefläck med en storlek (FWHM) på 50 mikrometer, som infaller mot en måljet med en diameter på omkring 100 mikrometer. Detta kommer att skapa ett rönt- genomràde (eller en ”volym”) i måljeten som grovt sett liknar en cylinder med en diameter på 50 mikrometer och en ”höjd” på något mer än 4 mikrometer (på grund av krök- 10 15 20 53Ü 094 lO ningen hos måljetens yta). tas längs med elektronstrålen, Om detta röntgenområde betrak- kommer den skenbara rönt- genfläcken att vara en cirkel med en diameter pà 50 mik- rometer. När samma röntgenområde betraktas från sidan, kommer det emellertid att ha den allmänna formen av ett utsträckt område med en längd på omkring 50 mikrometer och en bredd på något mer än 4 mikrometer, d.v.s. en ra- dikal minskning av den skenbara arean, vilket leder till förbättrad radians för röntgenkällan sett ur denna rikt- ning.

Principen med användning av en elektronstràle med reducerad storlek i syfte att minska mängden skräpproduk- ter kan med fördel kombineras med tidigare kända tekniker för minskning av skräpprodukter, så som ökad utbrednings- hastighet för jeten, system för hantering av skräpproduk- ter etc.

Det kommer att inses att de exempel som ges ovan en- dast är illustrativa och medger utövande av uppfinningen, utan att vara avsedda att begränsa uppfinningens omfång.

Ramen för uppfinningen definieras av de bifogade patent- kraven.

Claims (5)

10 15 20 25 sso 094 “ ä, _ :M3 Ûga. if 11 PATENTKRAV

1. Metod för alstring av röntgenstrålning, innefattande stegen: (i) att bilda en måljet genom att pressa en flytande substans under tryck igenom en utloppsöppning, varvid nämnda måljet utbreder sig genom ett område för växel- verkan, och (ii) att rikta åtminstone en elektronstràle mot nämnda måljet i området för växelverkan så att elektron- strålen växelverkar med nämnda måljet för att alstra röntgenstrålning, varvid halvvärdesbredden för elektronstrålen i den transversella riktningen för nämnda måljet är omkring 50% eller mindre jämfört med den transversella dimensionen av nämnda måljet.

2. Metod enligt krav 1, varvid elektronstrálen riktas mot nämnda måljet i ett linjefokus.

3. Metod enligt krav 1 eller 2, varvid utbrednings- hastigheten för nämnda måljet i området för växelverkan är omkring 10-30 m/S.

4. Metod enligt något av föregående krav, varvid nämnda flytande substans är en metall.

5. Metod enligt något av föregående krav, varvid nämnda måljet utgör en anod för elektronstrålen.