WO2005091326A2 - Röntgenstrahler, flüssigmetallanode für eine röntgenquelle sowie verfahren zum betrieb einer magnetohydrodynamischen pumpe hierfür - Google Patents

Röntgenstrahler, flüssigmetallanode für eine röntgenquelle sowie verfahren zum betrieb einer magnetohydrodynamischen pumpe hierfür Download PDF

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WO2005091326A2
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Geoffrey Harding
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Yxlon International Security Gmbh
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    • H02K44/00—Machines in which the dynamo-electric interaction between a plasma or flow of conductive liquid or of fluid-borne conductive or magnetic particles and a coil system or magnetic field converts energy of mass flow into electrical energy or vice versa
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    • H01J35/13—Active cooling, e.g. fluid flow, heat pipes
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    • H01J2235/081—Target material
    • H01J2235/082—Fluids, e.g. liquids, gases

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a magnetohydrodynamic pump for a liquid metal anode of an X-ray source, with an X-ray arrangement and with a liquid metal anode for an X-ray source with a liquid metal that is located in a line, part of the line being designed as a focus area, and with a pump for circulating the liquid metal in the line and with cooling for the liquid metal.
  • LIMAX Liquid Metal Anode X-ray
  • Such a liquid metal anode requires the following components for its operation. There is a liquid metal in a line, which must have a high, average atomic number in order to achieve a good X-ray yield when bombarding with electrons.
  • An anode module is inserted into the line around the focus area, in which the electron beam strikes the liquid metal and the X-rays are generated. At this point, the anode module must be designed in such a way that it has only a slight interaction with the electrons passing through it.
  • the object of the invention is to provide individual parts of a liquid metal anode or an overall system. To provide that allows the liquid metal anode to work well, the individual parts of the liquid metal anode being well coordinated with one another.
  • the object is achieved by a method for operating a magnetohydrodynamic pump with the features of patent claim 1.
  • the liquid metal of a liquid metal anode according to the invention must be solid at room temperature.
  • the liquid metal must be liquid during operation. This results in the problem that a liquefaction or solidification of the liquid metal must take place between the operating mode and the sleep mode, which can either be done via heating and cooling elements on the line of the liquid metal anode or according to the invention by different modes in the. Operation of the magnetohydrodynamic pump.
  • the thawing mode melts the liquid metal in the pipe, which is solid in idle mode and at room temperature.
  • the motor of the pump is alternately switched on and off. This induces eddy currents in the solid liquid metal, which are gradually distributed and lead to an ohmic heating of the liquid metal. This then continues until all of the liquid metal has melted.
  • the operating mode there is a molten liquid metal that flows through the line is pumped. X-rays are generated in this operating mode.
  • a further advantageous development of the invention provides that in the thawing mode, a sensor is used to determine whether the liquid state of the liquid metal has been reached. As a result, switching from the thawing mode to the operating mode as early as possible can take place very precisely after the entire liquid metal has been melted and is therefore in the liquid state.
  • a further advantageous development of the invention provides that a third mode and up mode is present in which the rotation speed is increased "the pump. This slow gradually rising circulation of the molten liquid metal is achieved and the pump must not be excessive and suddenly their full capacity yield. particularly preferably, this is achieved in that the rotation speed of the 'pump is increased until the liquid metal has its normal flow rate.
  • a further advantageous development of the invention provides that a fourth mode is available as a shutdown mode, in which the rotational speed of the pump is gradually reduced after the generation of X-rays.
  • the entire liquid metal anode is thus considerably increased in its service life.
  • the gradual reduction in the rotational speed of the pump is preferably only carried out when the temperature of the liquid metal drops below a predeterminable threshold value, which is in particular less than 50 ° C. above the melting point of the liquid metal.
  • a liquid metal anode for an X-ray source with the features of patent claim 8.
  • the pump used for this which works according to an inventive method in accordance with the above statements, is particularly well suited for a liquid metal anode.
  • a further advantageous development of the invention provides that a Bi alloy, in particular BiPb or BiPblnSn, is used as the liquid metal.
  • a Bi alloy in particular BiPb or BiPblnSn
  • this has the advantage that no mercury-containing compounds have to be used, which are now banned in many countries for health reasons.
  • the Bi alloys mentioned also have a melting point which ensures that the liquid metal solidifies in idle mode.
  • the melting point of BiPb is 125 ° C and that of BiPblnSn is 55.5 ° C.
  • the weight fraction of Bi in the BiPb alloy is particularly preferably between 50 and 60% by weight, in particular 55.5% by weight, and the rest is Pb.
  • the BiPblnSn alloy has a Bi content of 49.4% by weight, Pb of 18.8% by weight, In of 21.0% by weight and Sn of 11.6% by weight.
  • the line is made of molybdenum. Since bismuth alloys corrode steel pipes when the temperature of the bismuth alloy is in the range of several hundred degrees - which is normal when bombarding with electrons in the focus range during operation - this is avoided when using a molybdenum line.
  • the anode module is made entirely of molybdenum and an electron window is inserted therein, which consists of translucent cubic boron nitride - T-cBN. This ensures that the liquid bismuth alloy no corrosion of the line occurs in the focus area either.
  • the electron window which is regularly soldered to the focus area, has very similar coefficients of thermal expansion to molybdenum, each in the range of 4 x 10 "6 K " 1 . This avoids tensile stresses during heating, which could cause the electron window to jump.
  • the T-cBN has a high thermal conductivity of 300 W m -1 K "1.
  • the thickness of the electron window is particularly preferably 40 ⁇ m.
  • cooling is a cross-flow heat exchanger in mini-channel construction. Good cooling of the hot liquid metal is thus possible even with a small space for the entire liquid metal anode.
  • a liquid metal anode 1 according to the invention is shown schematically as it is arranged in relation to a cathode 9.
  • the cathode 9 is attached to a high-voltage insulator 11 and is used to generate an electron beam 10 which strikes the liquid metal anode 1 and is used there to generate X-rays.
  • liquid metal anodes 1 In many applications in the field of non-destructive analysis and security monitoring of luggage, it is necessary for the x-ray source to generate x-ray radiation over a considerable period of time, sometimes over several hours. Therefore, in liquid metal anodes 1, it is necessary for liquid metal 2 to continuously flow through line 3 the liquid metal anode 1 circulates. For this purpose, it has a pump 5, which circulates the liquid metal 2 in the line 3. In addition, cooling 6 is also necessary "in order to cool the liquid metal 2, which is strongly heated in the focus area 4 - where the electron beam 10 strikes the liquid metal anode 1.
  • the liquid metal anode 1 can be transported easily and safely from one location to another location, without essential parts being broken for operation, in particular an electron window 8 through which the electron beam 10 in the anode module 15 penetrates to the liquid metal 2.
  • a high-voltage generator with opposite polarity is normally used, in which the housing is kept at earth potential, but the liquid metal anode 1 and the cathode 9 are kept symmetrically at opposite potentials with respect to the earth potential 1, especially her line 3, very much has a compact design so that it can be easily installed in the terminal of the antipolar high voltage generator which is kept at the negative high voltage potential.
  • liquid metal anode 1 For this purpose, it is necessary to design the liquid metal anode 1 with components, which are described in more detail below.
  • a liquid metal 2 with a high atomic number must be used.
  • the previously preferred mercury can no longer be used due to its health and environmental side effects.
  • An alloy containing bismuth or lead is therefore used in the liquid metal anode 1 according to the invention.
  • An alloy that contains both bismuth and lead is preferred.
  • a liquid metal made of BiPb is particularly preferred, with a proportion of 55.5% by weight of Bi and the rest Pb. This alloy has one. Melting point of 125 ° C.
  • Another particularly preferred alloy is BiPblnSn with a proportion of 49.4% by weight Bi, 18.0% by weight Pb, 21.0% by weight In and the rest Sn. This alloy has a melting point of 55.5 ° C.
  • the liquid metal 2 used is thus solid at room temperature and a liquid metal anode 1 with such a liquid metal 2 can be transported safely without the risk of the electron window 8 breaking under normal precautionary measures.
  • the two aforementioned alloys have the advantage that they reduce their volume when solidifying. This prevents the line 3, in particular the thin electron window 8, from being blown up, as would be the case, for example, with the water expanding during freezing.
  • the two exemplary alloys each have lead and bismuth, both of which have a high vapor pressure. A crack in the electron window 8 in the operating mode - when the liquid metal 2 is pumped in liquid form through the line 3 - can then be determined very easily by monitoring the quality of the vacuum in the X-ray tube.
  • the line 3 and the entire anode module 15 are made of molybdenum. This also has the advantage that it is perfectly matched to the electron window 8 described below with regard to its coefficient of thermal expansion. In addition, a line 3 made of molybdenum has a low magnetic permeability, which is important for the proper functioning of the pump 5 - as described below.
  • the anode module 15 is designed as follows in its focus area 4. Facing the cathode 8, it has an electron window 8. Through this electron window 8 occurs the electron beam 10 in order to interact with the liquid metal 2 and thus generate X-rays.
  • either thin metal foils made of tungsten or molybdenum and diamond films are known as electron windows 8.
  • the known metal foils are susceptible to fatigue cracks.
  • the disadvantage of diamond films is that their coefficient of thermal expansion - which is approximately 1 x 10 " 6 K " 1 - makes a very large difference to the material of the anode module 15 - namely molybdenum with a coefficient of thermal expansion of 4 x 10 "6 K "1 - has.
  • an electron window 8 which consists of a T-cBN, which is used in a similar way to a heat sink for a high-power laser anode
  • the T-cBN has the advantage of a high thermal conductivity in the range of 300 W m - ⁇ ⁇ - ⁇ ⁇ n connection with a thermal expansion coefficient of 4 x 10 " ⁇ K " 1. This thermal expansion coefficient agrees with that of the Molybdenum, from which the anode module 15 is made - also in the area of the focus area 4.
  • the electron window 8 is only 40 ⁇ m thick.
  • the anode module 15 has, in the focus area 4 in the flow direction 7, successively a confuser area 12, an interaction area 13 and a diffuser area 14.
  • a turbulent (swirled) flow of the liquid metal 2 is generated in the confuser region 12.
  • the turbulence leads to a good heat transport of the heat generated in the interaction with the electron beam 10 in the liquid metal 2 in the interaction region 13.
  • the speed of the flow is without large friction losses returned to normal size.
  • an alternating magnetic field can be generated using a system of permanent magnets arranged on a plate driven by a conventional small AC motor.
  • the line 3 is made of molybdenum, which has a low magnetic permeability. This makes it possible for the changing magnetic fields - which is generated by the rotation of the permanent magnets - to pass through the line 3 and thereby induce a force in the liquid metal 2. This is important for the defrost mode described below.
  • the pump 5 is separated from the vacuum system of the X-ray tube via a shield, so that there is no interaction in the electromagnetic system.
  • the pump 5 according to the invention has four different modes, namely an opening dew mode, a start-up mode, an operating mode and a shutdown mode, which are described in detail below.
  • the pump 5 in the exemplary embodiment, the heating effect is generated by the pump motor being operated intermittently.
  • the pump motor being operated intermittently.
  • eddy currents are generated due to the magnetohydrodynamic forces. Since the liquid metal 2 cannot move in its solid state, the eddy currents are gradually distributed and lead to an ohmic heating of the liquid metal 2 present in solid form.
  • the intermittent operation of the pump 5 leads to the already molten liquid metal 2 gradually heating up releases the still solid liquid metal 2.
  • the thawing mode is ended when a temperature sensor in the vicinity of the focus area 4 on the end remote from the pump in the flow direction 7 signals that the liquid state of the liquid metal 2 has been reached.
  • the operating mode can be started.
  • the electron beam 10 is fired at the liquid metal 2 in the focus area 4 to generate the X-rays.
  • high voltage is applied to the X-ray source.
  • the operating mode there is also power transferred to the liquid metal 2 via the pump 5 in order to compensate for friction losses in the circuit.
  • the pump 5 therefore continues to operate at normal power until the temperature of the focus area 4 has fallen below a predetermined threshold value.
  • a temperature which is 50 ° C. above the temperature is preferably used as the threshold value
  • the cooling 6 is described as the last element of the liquid metal anode 1. It is a compact cross-flow heat exchanger in mini-channel construction made of molybdenum. The hydraulic diameter of the channels is between 0.3 and 3 mm. The hot liquid metal 2 is cooled in the only available volume of a few cm 3 . An oil is used in the secondary cooling circuit that is resistant to high voltages and heat at medium temperatures so that no electrical breakdown occurs. Such heat exchangers are known in the literature and are therefore not described in more detail below.
  • the X-ray emitter according to the invention thus has a cathode 9 for the emission of an electron beam 10, which leads to X-ray emission when it hits the liquid metal anode 1.

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Betrieb einer magnetohydrodynamischen Pumpe 5 für eine Flüssigmetallanode 1 einer Röntgenquelle. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sie in mindestens zwei Moden betreibbar ist, wobei der erste Modus ein Auftaumodus ist, in dem das Flüssigmetall 2 in einer Leitung 3 der Flüssigmetallanode 1 geschmolzen wird, der zweite Modus ein Betriebsmodus ist, in dem das Flüssigmetall 2 durch die Leitung 3 gepumpt wird und die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt. Darüber hinaus befasst sich die Erfindung mit einer Flüssigmetallanode 1 für eine Röntgenquelle mit einem Flüssigmetall 2, das sich in einer Leitung 3 befindet, wobei ein Anodenmodul 15 im Fokusbereich 4 in die Leitung 3 eingesetzt ist, mit einer Pumpe 5 zum Umwälzen des Flüssigmetalls 2 in der Leitung 3 sowie mit einer Kühlung 6 für das Flüssigmetall 2. Erfindungsgemäß weist eine solche Flüssigmetallanode 1 eine magnetohydrodynamische Pumpe 5 gemäß den obigen Ausführungen auf.

Description

Röntgenstrahier, Flussigmetallanode für eine Röntgenquelle sowie Verfahren zum Betrieb einer magnetohydrodynamischen Pumpe hierfür
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Betrieb einer magnetohydrodynamischen Pumpe für eine Flussigmetallanode einer Röntgenquelle, mit einer Röntgenanordnung sowie mit einer Flussigmetallanode für eine Röntgenquelle mit einem Flüssigmetall, das sich in einer Leitung befindet, wobei ein Teil der Leitung als Fokusbereich ausgebildet ist, und mit einer Pumpe zum Umwälzen des Flüssigmetalls in der Leitung sowie mit einer Kühlung für das Flüssigmetall.
Seit kurzem ist es bekannt, Röntgenstrahlen nicht über eine feste Metallanode, die mit Elektronen beschossen wird, zu erzeugen, sondern mit einer Flussigmetallanode. Diese Technologie wird LIMAX (Liquid Metal Anode X-ray) genannt. Eine solche Flussigmetallanode benötigt für ihren Betrieb die folgen- den Komponenten. In einer Leitung befindet sich ein Flüssigmetall, das eine hohe, mittlere Atomzahl aufweisen muss, um eine gute Röntgenausbeute beim Beschuss mit Elektronen zu erzielen. In die Leitung ist um den Fokusbereich herum ein Anodenmodul eingesetzt, in dem der Elektronenstrahl auf das Flüssigmetall auftrifft und die Röntgenstrahlung erzeugt wird. An dieser Stelle muss das Anodenmodul so ausgebildet sein, dass es nur eine geringere Wechselwirkung mit den durch es hindurchtretenden Elektronen aufweist. Dies wird regelmäßig mit einem sogenannten Elektronenfenster erreicht, in dem die hindurchtretenden Elektronen nur geringfügig abgebremst werden. Um die im Fokusbereich entstehende Wärme abzuführen, wird eine Pumpe verwendet, die das Flüssigmetall durch die Leitung und somit auch den Fokusbereich umwälzt. Wird ein geschlossener Kreislauf des Flüssigmetalls verwendet, wird über einen Wärmetauscher eine Abkühlung des aufgeheizten Flüssigmetalls erreicht. Aufgrund der vorgegebenen Rahmenbedingungen ist es — wie oben schon aufgeführt — nötig, dass das Flüssig- etall eine hohe, mittlere Atomzahl aufweist und darüber hinaus einen mittleren Schmelzpunkt hat. Des Weiteren muss die Flussigmetallanode äußerst kompakt aufgebaut sein. Es ergeben sich somit für die Gesamtheit der vorbezeichneten einzelnen Teile der Flussigmetallanode bezügliche ihrer Interaktionen starke Beschränkungen, da die einzelnen Teile gut zusammenpassen müssen. Dies gilt insbesondere auch für die Pumpe zum Umwälzen des Flüssigmetalls.
Aufgabe der Erfindung ist es, einzelne Teile einer Flussigmetallanode beziehungsweise ein Gesamtsystem zur. erfügung zu stellen, das eine gute Arbeitsweise der Flussigmetallanode ermöglicht, wobei die Einzelteile der Flussigmetallanode gut aufeinander abgestimmt sind.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer magnetohydrodynamischen Pumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Um besonders gut und sicher im ausgeschalteten Zustand transportiert werden zu können, muss das Flüs- sigmetall einer erfindungsgemäßen Flussigmetallanode bei Zimmertemperatur fest sein. Im Betrieb dagegen muss das Flüssigmetall flüssig sein. Dadurch ergibt sich das Problem, dass zwischen dem Betriebsmodus und dem Ruhemodus eine Verflüssigung beziehungsweise Erstarrung des Flüssigmetalls erfolgen muss, was entweder über Wärm- und Kühlelemente an der Leitung der Flussigmetallanode geschehen kann oder erfindungsgemäß durch unterschiedliche Moden im. Betrieb der magnetohydrodynamischen Pumpe. Durch den Auftaumodus wird das im Ruhemodus und bei Zimmertemperatur feste Flüssigmetall in der Leitung geschmolzen. Im Auftaumodus wird der Motor der Pumpe ständig abwechselnd an- und ausgeschaltet. Dadurch werden im festen Flüssigmetall Wirbelströme induziert, die sich graduell verteilen und zu einer ohmschen Erwärmung des Flüssigmetalls führen. Dies wird dann so lang fortgesetzt, bis das gesamte Flüssigmetall geschmolzen ist. Dagegen liegt im Betriebsmodus ein geschmolzenes Flüssigmetall vor, das durch die Leitung gepumpt wird. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Erzeugung von Röntgenstrahlen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Auftaumodus über einen Sensor erfasst wird, ob der flüssige Zustand des Flüssigmetalls erreicht ist. Dadurch kann sehr exakt eine möglichst frühzeitige Umschaltung vom Auftaumodus in den Betriebsmodus erfolgen, nachdem das gesamte Flüssigmetall geschmolzen wurde und sich somit im flüs- sigen Zustand befindet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein dritter Modus als Hochfahrmodus vorhanden ist, in dem die Rotationsgeschwindigkeit" der Pumpe gesteigert wird. Dadurch wird ein langsames graduell ansteigendes Umwälzen des geschmolzenen Flüssigmetalls erreicht und die Pumpe muss nicht übermäßig und schlagartig ihre volle Leistung erbringen. Besonders bevorzugt geschieht dies dadurch, dass die Rotationsgeschwindigkeit der 'Pumpe gesteigert wird, bis das Flüssigmetall seine normale Flussgeschwindigkeit aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein vierter Modus als Herunterfahrmodus vorhanden ist, in dem nach der Erzeugung von Röntgenstrahlen die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe stufenweise verringert wird. Dadurch wird vermieden, dass sich in der Leitung Druckwellen bilden, die beispielsweise zu einem Zerbersten des Elektronenfensters im Fokusbereich führen können. Damit wird die ge- samte Flussigmetallanode in ihrer Lebensdauer erheblich erhöht. Bevorzugt wird die stufenweise Verringung der Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe erst dann vorgenommen, wenn die Temperatur des Flüssigmetalls unter einen vorgebbaren Schwellenwert sinkt, der insbesondere weniger als 50 °C ober- halb des Schmelzpunkts des Flüssigmetalls liegt. Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Flussigmetallanode für eine Röntgenquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Die hierzu eingesetzte Pumpe, die nach einem erfin ngsgemäßen Verfahren gemäß den vorstehenden Aus- führungen arbeitet, ist besonders gut für eine Flussigmetallanode geeignet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Flüssigmetall eine Bi-Legierung insbesondere BiPb oder BiPblnSn, verwendet wird. Dies hat zum einen den Vorteil, dass keine quecksilberhaltigen Verbindungen verwendet werden müssen, die aus Gesundheitsgründen in vielen Staaten mittlerweile verboten sind. Die genannten Bi-Legierungen weisen neben ihrer hohen mittleren Atomzahl auch einen Schmelzpunkt auf, der im Ruhemodus ein Erstarren des Flüssigmetalls gewährleistet. Der Schmelzpunkt von BiPb liegt bei 125°C und der von BiPblnSn bei 55,5°C. Besonders bevorzugt liegt der Gewichtsanteil des Bi in der BiPb-Legierung zwischen 50 und 60 Gew.%, insbesondere bei 55,5 Gew.%, und der Rest ist Pb. Bei einer Verwendung einer BiPblnSn-Legierung ist es in der Regel besonders bevorzugt, wenn die BiPblnSn- Legierung einen Anteil Bi von 49,4 Gew.%, Pb von 18,8 Gew.%, In von 21,0 Gew.% und Sn von 11,6 Gew. % aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Leitung aus Molybdän ist. Da Bismut-Legierungen Stahlrohre korrodieren, wenn die Temperatur der Bismut-Legierung im Bereich einiger hundert Grad liegt — was bei einem Beschuss mit Elektronen im Fokusbereich während des Betriebs normal ist — wird dies bei der Verwendung einer Molybdän-Leitung vermieden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Anodenmodul vollständig aus Molybdän ist und ein Elektronenfenster darin eingesetzt ist, das aus lichtdurchlässigem kubischen Bornitrid — T-cBN — besteht. Dadurch wird gewährleistet, dass durch die flüssige Bismut-Legierung auch im Fokusbereich keine Korrosion der Leitung erfolgt. Das Elektronenfenster, das regelmäßig mit dem Fokusbereich verlötet ist, weist sehr ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Molybdän auf, die jeweils im Bereich von 4 x 10"6 K"1 liegen. Dadurch werden bei einer Erhitzung Zugspannungen vermieden, die das Elektronenfenster zum Springen bringen könnten. Außerdem weist das T-cBN eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 300 W m-1 K"1 auf. Besonders bevorzugt ist die Dicke des Elektronenfensters 40μm.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlung ein Querstrom-Wärmetauscher in Minikanalbauweise ist. Damit ist auch bei geringem Platz für die gesamte Flussigmetallanode eine gute Kühlung des heißen Flüs- sigmetalls möglich.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand des näher in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flussigmetallanode beschrieben. Die einzige Figur zeigt:
Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Flussigmetallanode inklusive Elektronenquelle.
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Flussigmetallanode 1 schematisch dargestellt, wie sie in Relation zu einer Kathode 9 angeordnet ist. Die Kathode 9 ist an einem Hochspannungsisolator 11 angebracht und dient zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 10, der auf die Flussigmetallanode 1 trifft und dort zur Erzeugung von Röntgenstrahlen verwendet wird.
Bei vielen Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Analyse und der Sicherheitsüberwachung von Gepäckstücken ist es notwendig, dass die Röntgenquelle eine Röntgenstrahlung über eine beachtliche Zeitspanne, teilweise über mehrere Stunden, erzeugt. Deswegen ist es bei Flüssigmetallanoden 1 notwendig, dass das Flüssigmetall 2 kontinuierlich durch die Leitung 3 der Flussigmetallanode 1 zirkuliert. Dazu weist sie eine Pumpe 5 auf, die das Flüssigmetall 2 in der Leitung 3 umwälzt. Darüber hinaus ist auch eine Kühlung 6 nötig," um das Flüssigmetall 2 abzukühlen, welches im Fokusbereich 4 — wo der Elektronenstrahl 10 auf die Flussigmetallanode 1 trifft — stark erwärmt wird. Des Weiteren ist es nötig, dass die Röntgenquelle und somit auch die Flussigmetallanode 1 problemlos und sicher von einem Ort zu einem anderen Ort transportiert werden kann, ohne dass für den Betrieb wesentliche Teile ka- putt gehen. Hierbei ist insbesondere an ein Elektronenfenster 8 gedacht, durch welches der Elektronenstrahl 10 im Anodenmodul 15 zum Flüssigmetall 2 vordringt. Bei einer Verwendung von Potentialen im Bereich von 200 kV wird normalerweise ein gegenpoliger Hochspannungsgenerator verwendet, in dem das Gehäuse auf Erdpotential gehalten wird, aber die Flussigmetallanode 1 und die Kathode 9 symmetrisch auf entgegengesetzten Potentialen bezüglich des Erdpotentials gehalten werden. Dadurch ist es nötig, dass die Flussigmetallanode 1, insbesondere ihre Leitung 3, sehr kompakt ausgeführt ist, damit sie leicht in die auf dem negativen Hochspannungspotential gehaltenen Terminal des gegenpoligen Hochspannungsgenerators montiert werden kann.
Dafür ist es nötig, die Flussigmetallanode 1 mit Komponenten auszugestalten, die im Folgenden im Einzelnen näher beschrieben werden.
Um eine hohe Ausbeute an Röntgenstrahlen zu erhalten, muss ein Flüssigmetall 2 mit einer hohen Atomzahl verwendet wer- den. Das früher bevorzugte Quecksilber kann aufgrund seiner gesundheits- und umweltgefährdenden Nebenwirkungen nicht mehr verwendet werden. Deshalb wird in der 'erfindungsgemäßen Flussigmetallanode 1 eine Legierung verwendet, die Bismut oder Blei enthält. Bevorzugt wird dabei eine Legierung, die sowohl Bismut als auch Blei enthält. Als besonders bevorzugt wird ein Flüssigmetall aus BiPb verwendet, mit einem Anteil von 55,5 Gew.% Bi und den Rest Pb. Diese Legierung weist einen. Schmelzpunkt von 125°C auf. Eine andere besonders bevorzugte Legierung ist BiPblnSn mit einem Anteil von 49,4 Gew.% Bi, 18,0 Gew.% Pb, 21,0 Gew.% In und der Rest Sn. Diese Legierung weist einen Schmelzpunkt von 55,5°C auf. Damit ist das ver- wendete Flüssigmetall 2 bei Raumtemperatur fest und eine Flussigmetallanode 1 mit einem solchen Flüssigmetall 2 kann sicher transportiert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Elektronenfenster 8 bei normalen Vorsichtsmaßnahmen bricht. Darüber hinaus haben die beiden vorgenannten Legie- rungen den Vorteil, dass sie beim Erstarren ihr Volumen verringern. Damit wird vermieden, dass die Leitung 3, insbesondere das dünne Elektronenfenster 8 gesprengt wird, wie dies beispielsweise bei dem sich beim Gefrieren ausdehnenden Wasser der Fall wäre. Darüber hinaμs weisen die beiden Ausfüh- rungsbeispiele der Legierungen jeweils Blei und Bismut auf, die beide einen hohen Dampfdruck aufweisen. Ein Riss im Elektronenfenster 8 im Betriebsmodus — wenn das Flüssigmetall 2 in flüssiger Form durch die Leitung 3 gepumpt wird — kann dann sehr leicht festgestellt werden, indem die Qualität des Vakuums in der Röntgenröhre überwacht wird.
Bei der Verwendung einer Indium-Legierung als Flüssigmetall 2 kann für die Leitung 3 kein Stahl verwendet werden, da Indium bei einer Temperatur von 100°C — wie dies im Betriebsmodus durchaus der Fall ist — Stahlleituήgen korrodiert. Um eine solche Korrosion zu verhindern, wird die Leitung 3 und das gesamte Anodenmodul 15 aus Molybdän gefertigt. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass es hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten auf das weiter unten beschriebene Elektronenfenster 8 hervorragend abgestimmt ist. Darüber hinaus weist eine Leitung 3 aus Molybdän eine geringe magnetische Permeabilität auf, was für die einwandfreie Funktion der Pumpe 5 — wie nachfolgend beschrieben — wichtig ist.
Das Anodenmodul 15 ist in seinem Fokusbereich 4 folgendermaßen ausgebildet. Der Kathode 8 zugewandt weist es ein Elektronenfenster 8 auf. Durch dieses Elektronenfenster 8 tritt der Elektronenstrahl 10, um mit dem Flüssigmetall 2 in Wechselwirkung zu treten und somit Röntgenstrahlen zu erzeugen. Bisher sind als Elektronenfenster 8 entweder dünne Metallfolien aus Wolfram oder Molybdän sowie Diamantfilme bekannt. Die bekannten Metallfolien sind jedoch anfällig für Ermüdungsrisse. Die Diamantfilme haben den Nachteil, dass sie in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten — der bei circa 1 x 10"6 K"1 liegt — einen sehr großen Unterschied zu dem Material des Anodenmoduls 15 — nämlich Molybdän mit einem Wärmeausdeh- nungskoeffizienten von 4 x 10"6 K"1 — aufweist. Dieser Unterschied führt zu Spannungen im Elektronenfenster 8, da es normalerweise bei einer Temperatur von 1.100°C mit dem Anodenmodul 15 verlötet ist. Dadurch ergibt "sich eine äußerst unvorteilhafte Verkürzung der Lebensdauer und eine hohe Druckemp- findlichkeit des Fokusbereichs 4. Im Ausführungsbeispiel wird deswegen ein Elektronenfenster 8 verwendet, das aus einem T- cBN besteht, das in einer ähnlichen Art wie ein Kühlkörper für eine Hochleistungslaseranode verwendet wird. Das T-cBN besitzt gegenüber dem oben genannten Elektronenfenster 8 den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 300 W m-ι κ-ι ^n Verbindung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4 x 10"δ K"1. Dieser Wärmeausdehungskoeffizient stimmt mit dem des Molybdän überein, aus dem das Anodenmodul 15 — auch im Bereich des Fokusbereichs 4 — besteht. Um möglichst nur einen geringen Energieverlust und kaum Wechselwirkung des
Elektronenstrahls 10 im Elektronenfenster 8 zu erhalten, ist das Elektronenfenster 8 nur 40μm dick.
Das Anodenmodul 15 weist im Fokusbereich 4 in Flussrichtung 7 nacheinander einen Konfusorbereich 12, einen Wechselwirkungsbereich 13 und einen Diffusorbereich 14 auf. Im Konfusorbereich 12 wird ein turbulenter (verwirbelter) Fluss des Flüssigmetalls 2 erzeugt. Die Verwirbelungen führen dazu, dass im Wechselwirkungsbereich 13 ein guter Wärmetransport der bei der Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 10 im Flüssigmetall 2 entstehenden Wärme erfolgt. In dem sich anschließenden Diffusorbereich 14 wird die Geschwindigkeit des Flusses ohne große Reibungsverluste wieder auf die normale Größe zurückgeführt.
Aufgrund der Verwendung eines Flüssigmetalls 2, das bei Raum- temperatur fest ist und im Betriebsmodus flüssig, muss es immer vor Betrieb über seinen Schmelzpunkt erhitzt werden, damit eine zufrieden stellende Funktionsweise der Röntgenquelle gewährleistet wird. Dabei kommt der erfindungsgemäßen Pumpe 5 eine wichtige Rolle zu. Neben der klassischen Rolle einer Pumpe 5 — nämlich der Umwälzung des Flüssigmetalls 2 in der Leitung 3 — nimmt diese auch das Schmelzen und Erhitzen des Flüssigmetalls 2 wahr. Schließlich ist aufgrund der nötigen kompakten Bauweise der gesamten Flussigmetallanode 1 — da sie auf das Kathodenpotential der Röntgenquelle gelegt werden muss — auch eine sehr kompakte Ausführung der Pumpe 5 nötig. Die vorgenannten Eckpunkte werden durch ein kontaktloses Grundprinzip erfüllt, das eine magnetohydrodynamische Kraft verwendet. Mit einer solchen Pumpe 5 kann ein Magnetwechselfeld unter der Verwendung eines Systems von Permanentmagneten erzeugt werden, die auf einer von einem konventionellen kleinen Wechselstrommotor angetriebenen Platte angeordnet sind. Die Vorteile einer solchen magnetohydrodynamischen Pumpe 5, die Dauermagnete nutzt, liegen in einer höheren Effizienz, keinen elektrischen Isolationsproblemen bei hohen Temperatu- ren, einer einfacheren Konstruktion und einem geringeren Gewicht sowie einer kleineren Abmessung. Wie oben schon ausgeführt, ist die Leitung 3 aus Molybdän, was eine geringe magnetische Permeabilität aufweist. Dadurch ist es möglich, dass die wechselnden Magnetfelder - die durch das Rotieren der Permanentmagneten erzeugt wird, durch die Leitung 3 hindurch tritt und dadurch im Flüssigmetall 2 eine Kraft induziert. Dies ist für den unten beschriebenen Auftaumodus wichtig.
Die Pumpe 5 ist über eine Abschirmung von dem Vakuumsystem der Röntgenröhre getrennt, so dass keine Wechselwirkung im elektromagnetischen System auftritt. Die erfindungsgemäße Pumpe 5 weist vier verschiedene Moden auf, nämlich einen Auf- taumodus, einen Hochfahrmodus, einen Betriebsmodus und einen Herunterfahrmodus, die im Folgenden im Einzelnen beschrieben werden.
Wie oben beschrieben, muss aufgrund seines Schmelzpunktes oberhalb der Zimmertemperatur das Flüssigmetall 2 vor der Inbetriebnahme der Röntgenquelle erwärmt und geschmolzen werden. Um ein möglichst kompaktes System zu erhalten, wird dies im Ausführungsbeispiel durch die Pumpe 5 miterfüllt. In die- sem Auftaumodus wird der Heizeffekt dadurch erzeugt, dass der Pumpenmotor stoßweise betrieben wird. Wenn ein wechselndes Magnetfeld in ein festes Metall induziert wird, bilden sich aufgrund der magnetohydrodynamischen Kräfte Wirbelströme. Da sich das Flüssigmetall 2 in seinem festen Zustand nicht bewegen kann, verteilen sich die Wirbelströme graduell und führen zu einer ohmschen Erwärmung des in fester Form vorliegenden Flüssigmetalls 2. Der stoßweise Betrieb der Pumpe 5 führt dazu, dass das schon geschmolzene Flüssigmetall 2 graduell Wärme auf das noch feste Flüssigmetall 2 abgibt. Der Auftau- modus wird beendet, wenn ein Temperaturfühler in der Nähe des Fokusbereichs 4 auf dem in Flussrichtung 7 pumpenfernen Ende signalisiert, dass der flüssige Zustand des Flüssigmetalls 2 erreicht wurde.
Im Hochfahrmodus wird der Pumpe 5 kontinuierlich elektrische Leistung zugeführt und auf das Flüssigmetall 2 übertragen. Die an die Pumpe 5 bei der nominellen Rotationsgeschwindigkeit übertragene elektrische Leitung wird gemessen. Wenn keine weitere Änderung in der elektrischen Leistungsaufnahme erfolgt, hat das Flüssigmetall 2 seine normale Flussgeschwindigkeit erreicht.
Wenn dieser Hochfahrmodus beendet ist, kann der Betriebsmodus gestartet werden. In diesem Modus wird der Elektronenstrahl 10 auf das Flüssigmetall 2 im Fokusbereich 4 zur Erzeugung der Röntgenstrahlung geschossen. Dazu wird Hochspannung an die Röntgenquelle angelegt. Im Betriebsmodus wird auch Kraft auf das Flüssigmetall 2 über die Pumpe 5 übertragen, um Reibungsverluste im Kreislauf zu kompensieren.
Nachdem die Hochspannung der Röntgenröhre abgeschaltet ist und kein Elektronenstrahl 10 mehr auf das Flüssigmetall 2 trifft, ist das Flüssigmetall 2 trotzdem noch stark erhitzt. Die Pumpe 5 arbeitet deswegen noch bei normaler Leistung weiter, bis die Temperatur des Fokusbereichs 4 unter einen vorgegebenen Schwellenwert gefallen ist. Als Schwellenwert wird bevorzugt eine Temperatur genommen, die 5O°C über dem
Schmelzpunkt des verwendeten Flüssigmetalls 2 liegt. Somit ergibt sich als Schwellenwert bei der Verwendung von BiPb 175°C und bei der Verwendung von BiPblnSn ein Schwellenwert von 105, 5°C. Wird dieser Schwellenwert unterschritten, wird die elektrische Leistung der Pumpe schrittweise herabgesetzt, um Druckwellen des Flüssigmetalls 2 innerhalb der Leitung 3 zu vermeiden. Dadurch wird eine erhebliche Verlängerung der Lebenszeit der Flussigmetallanode 1 erreicht, da insbesondere das sehr dünne druckanfällige Elektronenfenster 8 keinen Schaden nimmt.
Als letztes Element der Flussigmetallanode 1 wird die Kühlung 6 beschrieben. Es handelt sich hierbei um einen kompakten Querstrom-Wärmetauscher in Minikanalbauweise aus Molybdän. Der hydraulische Durchmesser der Kanäie beträgt zwischen 0,3 und 3 mm. Das heiße Flüssigmetall 2 wird in dem nur geringen zur Verfügung stehenden Volumen von einigen cm3 gekühlt. Im Sekundärkühlkreislauf wird ein Öl, verwendet, das hochspan- nungsresistent und hitzebeständig bei mittleren Temperaturen ist so dass keine elektrischen Durchschlage auftreten. Solche Wärmetauscher sind in der Literatur bekannt und werden deswegen im Folgenden nicht näher beschrieben.
Der erfindungsgemäße Röntgenstrahier weist somit eine Kathode 9 zur Emission eines Elektronenstrahls 10 auf, der beim Auf- treffen auf die Flussigmetallanode 1 zur Röntgenstrahlenemis- sion führt. Bezugszeichenliste
Flussigmetallanode Flüssigmetall Leitung Fokusbereich Pumpe Kühlung Flussrichtung Elektronenfenster Kathode Elektronenstrahl Hochspannungsisolator Konfusorbereich Wechselwirkungsbereich Diffusorbereich Anodenmodul

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer magnetohydrodynamischen Pumpe (5) für eine Flussigmetallanode (1) einer Röntgenquelle, wobei sie in mindestens zwei Moden betrieben wird, wobei der erste Modus ein Auftaumodus ist, in dem das Flüssigmetall (2) in einer Leitung (3) der Flussigmetallanode (1) geschmolzen wird, der zweite Modus ein Betriebsmodus ist, in dem das Flüssigmetall ( 2 ) durch die Leitung ( 3 ) gepumpt wird und die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor der Pumpe (5) im Auftaumodus ständig abwech- selnd an- und ausgeschaltet wird.
2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Auftaumodus über einen Sensor erfasst wird, ob der flüssige Zustand des Flussigmetalls (2) erreicht ist.
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass -ein dritter Modus als Hochfahrmodus zwischen dem Auftaumodus und dem Betriebsmodus vorhanden ist, in dem die Rotat.iorisgeschwindigkeit der Pumpe (5) gesteigert wird. •- -
4. Verfahren gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe (5) gesteigert wird, bis das Flüssigmetall (2) seine normale Fluss- geschwindigkeit aufweist.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Modus als Herunterfahrmodus nach dem Betriebsmodus vorhanden ist, in dem nach der Erzeugung von Röntgenstrahlen die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe (5) stufenweise verringert wird. i. Verfahren gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenweise Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe (5) erst erfolgt, wenn die Temperatur des Fokusbereichs (4) unter einen vorgebbaren Schwellenwert sinkt.
J . Verfahren gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert 50°C über dem Schmelzpunkt des Flüssigmetalls (2) liegt.
8. Flussigmetallanode (1) für eine Röntgenquelle mit einem Flüssigmetall (2), das sich in einer Leitung (3) befindet, wobei ein Anodenmodul (15), im Fokusbereich (4) in die Leitung (3) eingesetzt ist, mit einer Pumpe (5) zum Umwälzen des Flüssigmetalls (.2) in der Leitung (3) sowie mit einer Kühlung (6) für das Flüssigmetall (2), dadurch gekennzeichnet, dass in das Anodenmodul (15) ein Elektronenfenster (8) eingesetzt ist und die Pumpe (5) nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Patentansprüche als eine magnetohydrodynamische Pumpe (5) betreibbar ist.
9. Flussigmetallanode (1) gemäß Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigmetall (2) eine Bi-Legie- rung, insbesondere BiPb oder BiPblnSn, verwendet wird.
10. Flussigmetallanode (1) gemäß Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des Bi in des BiPb-Legierung zwischen 50 und 60 Gew.%, insbesondere bei 55,5 Gew.%, liegt und der Rest Pb ist.
11. Flussigmetallanode (1) gemäß. Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die BiPb-Legierung einen Anteil Bi von 49,4 Gew.%, Pb von 18,8 Gew.%, In von 21,0 Gew.% und Sn von 11,6 Gew.% aufweist.
12. Flussigmetallanode (1) gemäß einem der Patentansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (3) aus Molybdän ist.
13. Flussigmetallanode (1) gemäß einem der Patentansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenmodul (15) vollständig aus Molybdän ist, in das ein Elektronenfenster (8) eingesetzt ist, das aus lichtdurchlässigem kubischen Bornitrid besteht.
14. Flussigmetallanode (1) gemäß einem der Patentansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenfenster (8) eine Dicke von 10 - 80μm, insbesondere von 40μm, aufweist.
15. Flussigmetallanode (1) gemäß einem der Patentansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung (6) ein Querstrom-Wärmetauscher im Minikanalbauweise ist.
16. Röntgenstrahier mit einer Kathode (9) zur Emission eines Elektronenstrahls (10) und einem beim Auftreffen des Elektronenstrahls (10) Röntgenstrahlen emittierenden Flussigmetallanode (1) nach einem der Patentansprüche 8 bis 15.
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