WO2005091327A2

WO2005091327A2 - Elektronenfenster für eine flüssigmetallanode, flüssigmetallanode, röntgenstrahler und verfahren zum betrieb eines solchen röntgenstrahlers

Info

Publication number: WO2005091327A2
Application number: PCT/EP2005/002990
Authority: WO
Inventors: Geoffrey Harding
Original assignee: Yxlon International Security Gmbh
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2005-09-29
Also published as: US20070177715A1; DE102004013620A1; WO2005091327A3; US7443958B2; DE102004013620B4

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Elektronenfenster 1 für eine Flüssigmetallanode 2 in der Form einer Membran 4. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Elektronenfenster 1 Erhebungen 10 und Vertiefungen 11 aufweist. Darüber hinaus befasst sich die Erfindung mit einer Flüssigmetallanode 2, in die ein solches erfindungsgemäßes Elektronenfenster 1 eingesetzt ist. Außerdem befasst sich die Erfindung mit einem Röntgenstrahler, der eine erfindungsgemäße Flüssigmetallanode 2 aufweist. Des weiteren befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Betrieb einer Flüssigmetallanode 2, bei dem während der Erzeugung von Röntgenstrahlung im Fluss des Flüssigmetalls unterhalb des Elektronenfensters 1 verstärkte Verwirbelungen 5 erzeugt werden.

Description

Elektronenfenster für eine Flussigmetallanode, Flussigmetallanode, Röntgenstrahier und Verfahren zum Betrieb eines solchen Röntgenstrahlers

Die Erfindung befasst sich mit einem Elektronenfenster für eine Flussigmetallanode in der Form einer Membran, mit einer Flussigmetallanode, die ein erfindungsgemäßes Elektronenfenster aufweist und einen Röntgenstrahier mit einer solchen Flussigmetallanode. Darüber hinaus befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Betrieb eines Röntgenstrahlers mit einer Flussigmetallanode.

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen werden seit kurzer Zeit Flüssigmetallanoden verwendet. Diese Technologie wird LIMAX (Liquid Metal Anode X-Ray) genannt. Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen wird die Flussigmetallanode mit einem Elektronenstrahl beschossen. Dadurch erwärmt sich die Flussigmetallanode — wie jede bekannte feste Anode — erheblich. Die entstehende Wärme muss aus dem Fokusbereich abgeführt werden, damit sich die Anode nicht überhitzt. Dies erfolgt in Flüssigmetallanoden mittels turbulenten Massentransports, Konvexions-, wärmeleitungs- und Elektronendiffusionsvorgängen. Im Fokusbereich, in dem die Elektronen auf die Flüssig- metallanode auftreffen, weist das Leitungssystem der Flussigmetallanode ein Elektronenfenster auf. Dies besteht aus einer dünnen Metallfolie oder einem Diamantfilm, die so dünn ist, dass die Elektronen in ihr nur einen geringen Teil ihrer Bewegungsenergie verlieren. Um die unterhalb des Elektronen- fensters entstehende Wärme abtransportieren zu können, wird das flüssige Metall in einem Kreislauf umgewälzt. Die an der Stelle des Fokus entstehende Wärme wird somit vom flüssigen Metall mitgenommen. Bei der benötigten dünnen Metallfolie besteht das Problem, dass sie instabil werden kann oder sogar platzt, wenn der Flüssigkeitsdruck oder die Scherbeanspruchung eine vorgegebene mechanische Grenze überschreitet. Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Elektronenfenster zur Verfügung zu stellen, das eine höhere mechanische Stabilität aufweist und gleichzeitig dünn genug ist, um nur einen sehr geringen Teil der Elektronenenergie aufzunehmen. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Flussigmetallanode, in die ein solches Elektronenfenster eingesetzt ist, betrieben werden kann.

Die Au gabe wird durch ein Elektronenfenster mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Membran Erhebungen und Vertiefungen aufweist, ist zum Einen die Stabilität gegenüber mechanischen Beanspruchungen, wie dem Flüs- sigkei-tsdruck in der Leitung der Flussigmetallanode und der Scherbeanspruchung, erhöht. Gleichzeitig kann die Membran über den überwiegenden Teil der Fläche weiterhin so dünn ausgeführt sein, dass nur ein geringer Energieverlust der hindurchtretenden Elektronen auftritt. Zum Anderen werden durch die Erhebungen und Vertiefungen im Fluss des Flüssigmetalls unterhalb des Elektronenfensters verstärkt Verwirbelungen erzeugt. Dadurch wird eine bessere Abfuhr der in der Flussigmetallanode bei einem Beschuss mit Elektronen entstehenden Wärme erreicht. Als Membran kommen alle dünnen Gegenstände in Betracht, die auf der einen Seite stabil sind und auf der an- deren Seite die sie durchdringenden Elektronen möglichst wenig in ihrer Energie schwächen. Bevorzugt werden eine Metallfolie, ein Diamantfilm, ein keramischer Werkstoff oder ein Einkristall, insbesondere aus kubischem Bornitrid, als Membran verwendet. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass das Elektronenfenster eine Prägestruktur aufweist und sowohl die Erhebungen als auch die Vertiefungen Teilflächen sind, die über Verbindungsflanken miteinander verbunden sind. Eine so ausgebildete dünne Metallfolie kann sehr einfach hergestellt werden, da sie aus einem einzigen Teil geformt werden kann. Die Verwirbelung des Flüssigkeitsstroms der Flussigmetallanode wird hier durch die Erhebungen und Vertiefungen erreicht . Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vertiefungen und/oder die Erhebungen in einer virtuellen regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet sind. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Vertiefungen und/oder die Erhebungen als polygonale Einheiten, insbesondere quadratische oder hexagonale Einheiten, ausgebildet sind. Solche geometrischen und symmetrischen Ausgestaltungen sind sehr einfach herzustellen und geben der Membran eine besonders hohe mechanische Stabilität.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Elektronenfenster gebogen ausgebildet ist, insbesondere wie ein Ausschnitt eines Zylindermantels. Eine sol- ehe Ausgestaltung ist zum Einen sehr einfach herzustellen und zum Anderen auch mechanisch sehr stabil.

Eine weiter vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vertiefungen und/oder die Erhebungen eine Höhe im Bereich von 10 bis 250 μm, bevorzugt 50μm, haben und die Membran eine Dicke von 5 bis 50 μm, bevorzugt 20μm, aufweist. Durch die angegebenen Höhe der Vertiefungen und/oder Erhebungen werden Wirbel erzeugt, die im selben Größenbereich liegen. Dieser Bereich entspricht im Wesentlichen der Reichwei- ter der Elektronen im Flüssigmetall, wenn man von stark relativistischen Elektronen ausgeht. Wirbel von größerem Ausmaß sind nicht nötig, da die im Flüssigmetall erzeugte Wärme nur in dem Bereich entsteht, in den auch die Elektronen vordringen.

Die Aufgabe wird auch durch eine Flussigmetallanode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Erfindungsgemäß ist das Elektronenfenster so in die Leitung eingesetzt, dass die Erhebungen zum Inneren der Leitung weisen und mit dem Flüs- sigmetall in Kontakt sind. Durch das Einsetzen des Elektronenfensters mit den Erhebungen zum Inneren der Leitung wird neben der Steigerung der mechanischen Stabilität der Membran auch gleichzeitig eine erhöhte Verwirbelung des Flüssigmetallstroms in der Flussigmetallanode erreicht, was zu einem besseren Abtransport des unterhalb des Elektronenfensters im Fokusbereich entstandenen Wärme führt.

Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Erfindungsgemäß werden dabei die Verwirbelungen an den Erhebungen des Elektronenfensters erzeugt. Durch die Verwirbelung des Flüssigmetallstroms wird — wie oben schon ausgeführt — der Abtransport der entstehenden Wärme in der Flussigmetallanode unterstützt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Flussigmetallanode im Fokusbereich,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erstes erfindungsgemäßes Elektronenfenster,

Fig. 3 eine Ansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Elektronenfensters und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Elektronenfenster mit gleich großen Erhebungen und Vertiefungen.

In Fig. 1 wird ein schematischer Schnitt durch eine Flussigmetallanode 2 dargestellt. In einer Leitung 9 wird entlang einer Flussrichtung 6 Flüssigmetall gepumpt. Als Flüssigmetall kommt beispielsweise BiPblnSn in Betracht. Im Bereich des Fokus der Flussigmetallanode 2 trifft ein Elektronen- strahl 3 im Wesentlichen senkrecht auf ein Elektronenfenster 1. Dieses Elektronenfenster 1 ist als eine dünne Membran 4 ausgebildet, die die Energie der Elektronen nur gering schwächt. Die Membran ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine dünne Metallfolie 4 ausgebildet. Genauso gut ist es möglich, einen Diamantfilm, einen keramischen Werkstoff oder einen Einkristall, insbesondere aus kubischem Bor- nitrid, zu verwenden. Die Metallfolie 4 ist so dünn, dass sie den Elektronenstrahl 3 in seiner Energie nur geringfügig abbremst. Sie ist aus einer Wolframlegierung, beispielsweise aus W/Re, gefertigt und weist eine Dicke von 10 μm auf. Die optimale Dicke ist allerdings stark von der Elektronenenergie abhängig. Die Elektronenenergie wird durch das Flüssigmetall aufgenommen und es entsteht Röntgenstrahlung (nicht gezeigt).

Gleichzeitig entsteht in dem Gebiet, in dem der Elektronenstrahl 3 seine Energie an das Flüssigmetall abgibt, ein er- wärmter Bereich 8. Die Wärme des erwärmten Bereichs muss abgeführt werden, um eine Überhitzung der Flussigmetallanode 2 zu vermeiden. Die Kühlung erfolgt dadurch, dass das Flüssigmetall über eine Pumpe (nicht gezeigt) durch die Leitung 9 entlang der Flussrichtung 6 umgewälzt wird. Der Abtransport der entstandenen Wärme erfolgt durch Konvexion, thermische Leitung im Flüssigmetall und Elektronendiffusion.

Mittels eines erfindungsgemäßen Elektronenfensters 1 (nähere Einzelheiten s. Fig. 2 bis 4) werden aufgrund der Erhebungen 10 und der Vertiefungen 11 in der laminaren Strömung des

Flüssigmetalls entlang der Flussrichtung 6 verstärkt Verwirbelungen 5 erzeugt. Dies wird anhand des Flussgeschwindig- keitsvektors 7 verdeutlicht. Man erhält dadurch eine gute Abführung der unterhalb der Metallfolie 4 des Elektronenfens- ters 1 entstandenen Wärme in Richtung der Flussrichtung 6. Um eine solche Durchmischung von kaltem und heißem Flüssigmetall zu erreichen, und gleichzeitig einen guten Abtransport aufgrund der Pumpleistung zu erhalten, reichen Flussgeschwindigkeiten des Flüssigmetalls im Bereich von einigen 10 m s^-1 aus. In den Figuren 2 bis 4 sind drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Metallfolie 4 dargestellt, die auf der einen Seite zu der oben beschriebenen Wirbelbildung führt und somit zu einer Verbesserung des Ab- transports der entstehenden Wärme aus dem erwärmten Bereich 8 beiträgt, aber gleichzeitig auch zu einer erheblichen Erhöhung der mechanischen Steifheit der Metallfolie 4 beiträgt. Diese mechanische Steifheit ist besonders wichtig, da sie den begrenzenden Faktor für die maximale Leistungsstärke bildet, mit der die Röntgenquelle betrieben werden kann. Wird die mechanische Stabilität der Metallfolie 4 erreicht oder überschritten, wird diese aufgrund des Flüssigkeitsdrucks oder der Scherbeanspruchung instabil oder zerbricht sogar. Es gibt allerdings oberhalb des elastischen Verformungsbereichs bei Metallfolien noch einen plastischen Verformungsbereich, so dass eine gewisse Sicherheitszone gegeben ist. Dies ist bei einer Membran aus Keramik nicht der Fall, da diese beim Überschreiten des elastischen Verformungsbereichs zerspringt.

In Fig. 2 ist eine erste erfindungsgemäße Möglichkeit dargestellt, wie die mechanische Stabilität der Metallfolie 4 erhöht werden kann. Die Metallfolie 4 ist hierbei in einer Draufsicht gezeigt, die in Fig. 1 der Richtung von unten entspricht. Somit ist die dargestellte Fläche dem Flüssigmetall der Flussigmetallanode 2 zugewandt und mit diesem in Kontakt. Auf der ebenen Metallfolie 4 sind hexagonale Rippen 12 als eine Art von Stegen ausgebildet. Diese haben eine Höhe von ca. 20 μm. Die Rippen 12 entsprechen damit Erhebungen 10, die über die Vertiefungen 11 herausstehen, welche durch die ebene Metallfolie 4 definiert sind. Durch diese Rippen 12 wird das Flüssigmetall, das entlang der Flussrichtung 6 an der Metallfolie 4 entlang fließt verstärkt verwirbelt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Aufgrund der Verwirbelung 5 wird eine gute Vermischung von heißem und kaltem Flüssigmetall erreicht. Die Größe der Verwirbelungen 5 liegt dabei ungefähr bei der Höhe der Rippen 12. Die hexagonalen Rippen 12 sind auf einem virtuellen regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet. Durch diese zweidimensionale gerippte Struktur wird die Formstabilität im Vergleich zu einer unstrukturierten, planen Metallfolie 15 (s. Fig. 4) erheblich erhöht. Neben der hexa- gonalen Struktur der Rippen 12 sind ebenso andere polygonale Einheiten möglich, beispielsweise quadratische. Diese sind dann auch bevorzugt auf einer regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Metallfolie 4 dargestellt. Diese ist jedoch nicht auf einer ebenen, sondern auf einer gebogenen Oberfläche ausgebildet. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 handelt es sich hierbei um ein quadratisches Muster von Erhebungen 10 und Vertiefungen 11. Man erhält dadurch ein verzerrtes hexagonales Muster (im Unterschied zur Fig. 2). Dies entspricht dem bekannten Fingerhut, den man beispielsweise zum Nähen auf einen Finger aufsetzt.

Das in Fig. 4 dargestellte dritte Aus ührungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Metallfolie 4 weist ebenfalls eine gebogene Oberfläche auf. Anders als eine plane Metallfolie 15 (die als Referenz dargestellt ist) mit — wie in den beiden Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 dargestellt — aufgesetzten Rippen 12 ist diese Metallfolie 4 nach einem anderen Prinzip geformt. Die dargestellte Struktur wird beispielsweise durch einen Prägevorgang erreicht. Im Längsschnitt ist gut zu erkennen, dass die Vertiefungen 11 alle auf einer gemeinsamen Oberfläche, die im Wesentlichen auf einem Zylindermantel lie- gen angeordnet sind. Auch die Erhebungen 10 liegen alle auf einem Zylindermantel jedoch beabstandet zu den Vertiefungen 11. Jeweils nebeneinander liegende Erhebungen 10 und Vertiefungen 11 sind über jeweils eine Verbindungsflanke 13 miteinander verbunden. Eine solche Struktur wirkt selbststabilisie- rend, so dass sie eine bedeutend höhere mechanische Stabilität aufweist als die als Referenz angegebene plane Metallfolie 15. Das Flüssigmetall, das entlang der Flussrichtung 6 auf die Erhebungen 10 trifft, wird — genauso wie oben beschrieben — verwirbelt. Dadurch ergeben sich die oben genannten Vorteile für die Abführung der unterhalb des Elektronenfensters 1 entstandenen Wärme.

Im Allgemeinen gilt, dass Verwirbelungen 5 immer mit einem Massentransport einhergehen und somit die turbulente Leitfähigkeit relativ zur thermischen Leitfähigkeit erhöhen, die unter laminaren Flussbedingungen gemessen werden. Dadurch er- möglicht eine Flussigmetallanode 2 mit einem erfindungsgemäßen Elektronenfenster 1 höhere Elektronenstromleistungen. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei der industriellen zerstörungsfreien Analyse wichtig, um die Messzeit für die Untersuchung einer Reihe von Objekten zu reduzieren.

Bezugszeichenliste

Elektronenfenster Flussigmetallanode Elektronenstrahl Membran, insbesondere Metallfolie Verwirbelung Flussrichtung Flussgeschwindigkeitsvektor Erwärmter Bereich Leitung Erhebung Vertiefung Rippe Verbindungsflanke Virtuelle Gitterstruktur Plane Metallfolie

Claims

Patentansprüche

1. Elektronenfenster (1) für eine Flussigmetallanode (2) in der Form einer Membran (4), die Erhebungen (10) und Vertiefungen (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Prägestruktur aufweist und sowohl die Erhebungen (10) als auch die Vertiefungen (11) Teilflächen sind, die über Verbindungsflanken (13) miteinander verbunden sind.

2. Elektronenfenster (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) aus einer Metallfolie, einem Diamantfilm, einem keramischen Werkstoff oder einem Einkristall, insbesondere aus kubischem Borrnitrid, besteht.

3. Elektronenfenster ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertie- fungen (11) und/oder die Erhebungen (10) in einer virtuellen regelmäßigen Gitterstruktur (14) angeordnet sind.

4. Elektronenfenster ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertie- fungen (11) und/oder die Erhebungen (10) als polygonale Einheiten, insbesondere quadratische oder hexagonale Einheiten, ausgebildet sind.

5. Elektronenfenster (1) nach einem der vorstehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es gebogen ausgebildet ist, insbesondere wie ein Ausschnitt eines Zylindermantels .

6. Elektronenfenster (1) nach einem der vorstehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (10) eine Höhe im Bereich von 10 bis 250 μm, bevorzugt 50μm, haben und die Membrane (4) eine Dicke von 5 bis 50 μm, bevorzugt 20μm, aufweist.

7. Flussigmetallanode (2) mit einer Pumpe, einer Kühlung, einer Leitung (9) und einem Flüssigmetall, das mittels der Pumpe durch die Leitung (9) pumpbar ist, wobei in der Leitung (9) einen Anodenmodul angeordnet ist, in welches ein Elektronenfenster (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche eingesetzt ist, wobei das Elektronen— fenster (1) so in die Leitung (9) eingesetzt ist, dass die Erhebungen (10) zum Inneren der Leitung (9) weisen und mit dem Flüssigmetall in Kontakt sind.

8. Röntgenstrahier mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen und einem beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlen emittierenden Flussigmetallanode (2) nach Patentanspruch 7.

9. Verfahren zum Betrieb eines Röntgenstrahlers mit einer Flussigmetallanode (2) bei dem während der Erzeugung -von Röntgenstrahlung im Fluss des Flüssigmetalls unterhalb des Elektronenfensters (1) verstärkte Verwirbelungen (5) an den Erhebungen (10) des Elektronenfensters (1) erzeugt werden.