WO2005096341A1 - Anodenmodul für eine flüssigmetallanoden-röntgenquelle sowie röntgenstrahler mit einem anodenmodul - Google Patents

Anodenmodul für eine flüssigmetallanoden-röntgenquelle sowie röntgenstrahler mit einem anodenmodul Download PDF

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WO2005096341A1
WO2005096341A1 PCT/EP2005/003334 EP2005003334W WO2005096341A1 WO 2005096341 A1 WO2005096341 A1 WO 2005096341A1 EP 2005003334 W EP2005003334 W EP 2005003334W WO 2005096341 A1 WO2005096341 A1 WO 2005096341A1
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WO
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anode
ray
electron
anode module
liquid metal
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PCT/EP2005/003334
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Inventor
Geoffrey Harding
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Yxlon International Security Gmbh
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    • H01J2235/1225—Cooling characterised by method
    • H01J2235/1262—Circulating fluids
    • H01J2235/1275—Circulating fluids characterised by the fluid
    • H01J2235/1279—Liquid metals

Definitions

  • the invention relates to an anode module for a liquid metal anode X-ray source which has an electron entry window in the focus area.
  • the invention is concerned with an X-ray source with such an anode module.
  • Liquid metal anodes have recently been used to generate X-rays. This technology is called LIMAX (Liquid Metal Anode X-Ray).
  • LIMAX Liquid Metal Anode X-Ray
  • the liquid metal anode is bombarded with an electron beam.
  • the liquid metal anode heats up considerably.
  • the heat generated must be removed from the focus area so that the anode does not overheat. This takes place in liquid metal anodes by means of turbulent mass transport, convection, conduction and electron diffusion processes. In the focus area, in which the electrons on the
  • the conduction system of the liquid metal anode has an electron window. This consists of a thin metal foil that is so thin that the electrons in it lose only a small part of their kinetic energy. However, the yield of X-rays below 90 ° to the incident electron beam is not very high.
  • the task is performed by an anode module for a liquid metal anode X-ray source with the features of
  • Claim 1 solved. Because the alternating effects of the electrons hitting the liquid metal anode X-ray radiation generated is not isotropic, but is oriented in the direction of flight of the electrons, it is advantageous to use the X-ray radiation generated in the forward direction of the electron beam from the liquid metal anode.
  • the yield of X-rays is increased in that the X-ray exit window is not arranged at 90 ° to the incident electron beam but at a small angle - the exit angle of the
  • the electron exit window is a metal foil, in particular made of tungsten, with a thickness of 5 to 30 ⁇ m, in particular of 15 ⁇ m. With such a thickness, there is very little loss of electron energy in the electron entry window. With a thickness of 15 ⁇ m, this is only 5% of the electron energy. Regarding the thickness of the electron entry window, however, a compromise must be made due to its mechanical stability. If the electron entry window was too thin, the mechanical conditions within the anode module, in particular the fluid pressure and the extinguishing shear forces, would no longer be fair and unstable, or even shatter.
  • the electron entry window can also be designed as a diamond film, a ceramic material or a single crystal, in particular made of cubic boron nitride, to meet the aforementioned requirements.
  • the X-ray exit window is a steel sheet with a thickness of 100 to 400 ⁇ m, in particular of 250 ⁇ m. Since there is an interaction with the emerging X-rays in the X-ray exit window, this must not be too thick. The optimal thickness depends on what degree of attenuation is acceptable and what average energy of the X-rays should be obtained. In addition, the mechanical stability of the X-ray exit window also places a lower limit on its thickness.
  • the anode module in the focus area has a thickness in the direction of the incident electron beam of 100 to 350 ⁇ m, in particular of 200 ⁇ m. Due to the penetration depth of the electrons into the liquid metal anode, it is possible to vary the thickness of the anode module in the focal area within a certain range. This area is strongly limited by the fact that the X-rays produced still have to pass through the entire liquid metal (depending on the angle at which the X-ray exit window is arranged, this path is longer or shorter). A too large thickness is not possible, since the X-ray yield would be excessively reduced by self-absorption in the liquid metal.
  • the anode module has a constriction channel in the focus area in the direction of the incident electron beam and has a thickness of 5 to 10 mm, preferably 8 mm, outside the focus area.
  • a further advantageous development of the invention provides that the focus area runs parallel to the YZ plane, which is perpendicular to the direction of flow of the liquid metal.
  • this ensures that the focus area runs essentially on a straight line and therefore does not have different paths through the path
  • Liquid metal anode are given. Due to the given definition of the YZ plane, the X axis runs along the direction of flow of the liquid metal. The Y axis is aligned parallel to the axis of the cylindrical electron entry window and the Z axis along a radius of the cylindrical electron entry window.
  • a further advantageous development of the invention provides that the angle of incidence between the direction of incidence of the electron beam and the Z axis is between 5 ° and 65 °, preferably 50 °. It is thereby achieved that the focus area becomes larger with the same electron beam dimensions, since the projected area is larger. This increases the actual focus area, which corresponds to the impact area of the electrons. This means that the heat generated is dissipated better and higher powers can be radiated in.
  • the angle of incidence, the anode angle and the exit angle all lie in the YZ plane. This achieves an excellent yield with regard to the X-rays generated in relation to the incident electrons.
  • the object is also achieved by an X-ray emitter with an electron source for the emission of electrons and a liquid metal anode which emits X-rays upon impact of the electrons and which has an anode module according to one of the configurations described above.
  • FIG. 1 is a perspective view of a schematically illustrated section of a line according to the invention around the focus area
  • FIG. 2 shows a cross section through the anode module of FIG. 1 along the XZ plane
  • FIG. 3 shows a section of an electron entry window of the anode module from FIGS. 1 and 2 with the angles of interest and
  • Fig. 4 is a diagram of the forward emission of X-ray radiation.
  • the angular distribution of the X-ray brake radiation generated is not isotropic but oriented in the direction of the direction of incidence 5 of the electron beam 6. This anisotropy becomes more pronounced the more energetic the electrons become.
  • This X-ray exit window 4 is arranged such that it is arranged at the above-mentioned exit angle Röntgen of the X-rays 7 of 15 ° with respect to the direction of incidence 5 of the electron beam 6.
  • both the incident electron beam 6 and the emerging X-ray beam 7 run in the YZ plane.
  • only the central beam is shown as X-ray beam 7.
  • FIG. 1 it can be seen very well in FIG.
  • the width B is approximately in an angular range of ⁇ 20 ° around the central beam of the X-rays 7.
  • the height H is only in an angular range of approximately ⁇ 5 ° around the central beam. This results in a ratio between the width B and the height H of approximately 4. This ratio, however, again depends strongly on the energy of the incident electron beam 6 Which materials are used for the electron entry window 3, the X-ray exit window 4 and which liquid metal 10 is used.
  • the angle at which the electron beam 6 strikes the electron entry window 3 also plays a major role.
  • the anode module 1 must meet some geometric requirements, in particular in the focus area 2, so that the X-ray exit window 4 is as intense as possible
  • X-ray beam 7 emerges. These geometric requirements depend strongly on the materials used - for example for the electron entry window 3, the X-ray exit window 4, the liquid metal used - and on the energy of the electron beam 6.
  • the thickness of the electron entry window 3 can be derived from the Thomson-Whiddington equation. This is
  • ⁇ 0 is the electron energy and x is the intended range to reduce the mean
  • Electron energy to the energy E is necessary.
  • p is the value of the density of the material used for the electron entry window 3.
  • the designation b is the Thomson-Whiddington constant, and the value for the electron entry window 3 made of tungsten used in the present case is 8.5 x 10 4 keV 2 m 2 kg Has -1 . This results in a value of 0.27 kg m "2 for px. In the event that only 5% of the electron energy is to be lost in the electron entry window 3, this results in a thickness of 15 ⁇ m.
  • the x-ray exit window 4 is arranged in the focus area 2 on the surface of the anode module 1 opposite the electron entry window 3.
  • the line 11 in the form of the anode module 1 is severely constricted in relation to the rest of the line 11, so that a constriction channel 8 is formed.
  • This constriction channel 8 must meet a compromise between two competing factors. On the one hand, there must be a long path length for the electrons in the liquid metal 10 so that a maximum conversion of the electron energy into X-ray brake radiation can take place. This corresponds to a large channel height parallel to the direction of incidence 5 of the electron beam 6 and perpendicular to the direction of flow 9 of the liquid metal 10. On the other hand, the channel height must be as low as possible so that the X-rays 7 produced are not excessively damped by self-absorption in the liquid metal 10.
  • the electron diffusion over a depth of 200 microns is by far the most important process for the thermal transport of the heat generated in the focus area 2 due to the interaction between the electron beam 6 and the Liquid metal 10 leads.
  • the product of the channel height (200 ⁇ m), the focus length (here 5 mm) and the flow rate (25 ms " 1 ) result in the volume of the liquid metal 10 per second in which the Electron beam 6 emits its energy. This gives a material flow of 2.5 x 10 "5 m 3 s " 1 .
  • Electron entry window 3 shown.
  • the flow direction 9 of the liquid metal 10 runs along the X axis.
  • the electron beam 6 incident along the direction of incidence 5 lies in the YZ plane. It is inclined by the angle of incidence against the Z axis.
  • the X-ray beam 7 emerging from the anode module 1 along the exit direction 12 likewise runs in the YZ plane. However, it is not parallel to the angle of incidence a but inclined towards the Y axis by the exit angle ⁇ .
  • the anode angle ⁇ is formed between the Y axis and the X-ray beam 7.
  • Liquid metal anode X-ray tube is used as part of an X-ray emitter according to the invention with an electron source for the emission of electrons, the desired X-rays 7 being produced when the electrons strike. It is very helpful in customs and
  • Security applications including CT-based baggage monitoring.
  • it can also be used very effectively in the non-destructive analysis of materials or the inspection of cast parts, for example with regard to weld seams of rims.

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  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Anodenmodul (1) für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle, die im Fokusbereich (2) ein Elektroneneintrittsfenster (3) aufweist. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass das Anodenmodul (1) dem Elektroneneintrittsfenster (3) ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster (4) gegenüberliegt und der Austrittswinkel θ der Röntgenstrahlen (7) zwischen einem durch das Elektroneneintrittsfenster (3) entlang der Einfallsrichtung (5) eintretenden Elektronenstrahl (6) und den durch das Röntgenstrahlenaustrittsfenster (4) austretenden Röntgenstrahlen (7) zwischen 5° und 50°, insbesondere 15°, beträgt. Die Erfindung befasst sich darüber hinaus mit einem Röntgenstrahler mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen und einem beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlen (7) emittierenden Flüssigmetallanode, die ein Anodenmodul (1) mit den oben genannten Merkmalen aufweist.

Description

Anodenmodul für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquel-le sowie Rontgenstrahler mit einem Anodenmodul
Die Erfindung befasst sich mit einem Anodenmodul für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle, die im Fokusbereich ein Elektroneneintrittsfenster aufweist. Darüber hinaus befasst sich die Erfindung mit einem Rontgenstrahler mit einem solchen Anodenmodul.
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 Flüssigmetallanode mit einem Elektronenstrahl beschossen. Dadurch erwärmt sich die Flüssigmetallanode — wie jede feste Anode — erheblich. Die entstehende Wärme muss aus dem Fokusbereich abgeführ-fc werden, damit sich die Anode nicht überhitzt. Dies erfolgt in Flüssigmetallanoden mittels turbulenten Massentransports, Konvexions-, Leitungs- und Elektronendiffusionsvorgängen. Im Fokusbereich, in dem die Elektronen auf die
Flüssigmetallanode auftreffen, weist das Leitungssys-tem der Flüssigmetallanode ein Elektronenfenster auf. Dies besteht aus einer dünnen Metallfolie, die so dünn ist, dass die Elektronen in ihr nur einen geringen Teil ihrer Bewegungsenergie verlieren. Die Ausbeute an Röntgenstrahlung unter 90° zum einfallenden Elektronenstrahl ist jedoch nicht sehr hoch.
Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Anodenmodxαl für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle sowie einen
Rontgenstrahler vorzustellen, bei der eine höhere Ausbeute an Röntgenstrahlung erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch ein Anodenmodul für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Da die durch die Wechselwixkung der auf die Flüssigmetallanode auftreffenden Elektronen mit dieser erzeugte Röntgenstrahlung nicht isotrop ist, sondern in Flugrichtung der Elektronen ausgerichtet ist , ist es vorteilhaft, die in Vorwärtsrichtung des Elektronenstrahls erzeugte Röntgenstrahlung aus der Flüssigmetallanode zu verwenden. Der Winkel zum einfallenden Elektronenstrahl, unter dem ein Maximum an Röntgenstrahlung emittiert wird, hängt insbesondere von der Energie der einfallenden Elektronen ab. Je relativistischer die Elektronen sind — also das Verhältnis wischen Elektronenenergie E0 und Ruhemasse des Elektrons von 511 keV gegen 1 strebt —, desto signifikanter wird diese Anisotropie. Erfindungsgemäß wird die Ausbeute an Röntgenstrahlung dadurch erhöht, dass das Röntgenstrahlenaustrittsfenster nicht unter 90° zum einfallenden Elektronenstrahl angeordnet ist sondern unter einem geringen Winkel — dem Austrittswinkel der
Röntgenstrahlung — also in Vorwärtsrichtung. De-r optimale Winkel hängt dabei stark von der Elektronenene gie ab, wobei er bei einer Elektronenenergie E0 = 500 keV 15° beträgt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Elektronenaustrittsfenster eine Metallfolie , insbesondere aus Wolfram, mit einer Dicke von 5 bis 30 μm, insbesondere von 15 μm, ist. Bei einer solchen Dicke erfolgt nur ein sehr geringer Verlust der Elektronenenergie im Elektroneneintrittsfenster. Bei einer Dicke von 15 μm sind dies nur 5 % der Elektronenenergie. Hinsichtlic-h der Dicke des Elektroneneintrittsfensters muss jedoch ein Kompromiss aufgrund dessen mechanischer Stabilität eingegangen werden. Ein zu dünnes Elektroneneintrittsfenster würde den mechanischen Gegebenheiten innerhalb des Anoderrmoduls , insbesondere dem Flüssigkeitsdruck und dem auftxetenden Scherkräften, nicht mehr gerecht und instabil werden oder sogar zerspringen. Das Elektroneneintrittsfenster kann zur Erfüllung der vorgenannten Erfordernisse auch als ein Diamantfilm, ein keramischen Werkstoff oder ein Einkristall, insbesondere aus kubischem Bornitrid, ausgebildet sein. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Röntgenstrahlenaustrittsfenster ein Stahlblech mit einer Dicke von 100 bis 400 μm, insbesondere von 250 μm, ist. Da im Röntgenstrahlenaustrittsfenster eine Wechselwirkung mit den austretenden Röntgenstrahlen erfolgt, darf dieses nicht zu dick sein. Die optimale Dicke hängt davon ab, welcher Schwächungsgrad akzeptabel ist und welche mittlere Energie der Röntgenstrahlung erhalten werden soll. Darüber hinaus setzt auch die mechanische Stabilität des Röntgenstrahlenaustrittsfensters eine untere Grenze für deren Dicke.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Anodenmodul im Fokusbereich eine Dicke in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls von 100 bis 350 μm, insbesondere von 200 μm, hat. Aufgrund der Eindringtiefe der Elektronen in die Flüssigmetallanode ist es möglich, die Dicke das Anodenmodul im Fokusbereich in einem gewissen Bereich zu variieren. Dieser Bereich wird stark dadurch begrenzt, dass die produzierten Röntgenstrahlen noch quer durch das gesamte Flüssigmetall (je nach Winkel, unter dem das Röntgenstrahlenaustrittsfenster angeordnet ist, ist dieser Weg länger oder kürzer) hindurch treten muss. Eine zu große Dicke ist nicht möglich, da die Röntgenstrahlenausbeute übermäßig durch Selbstabsorption im Flüssigmetall verringert würde .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Anodenmodul im Fokusbereich einen Einschnürkanal in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls aufweist und außerhalb des Fokusbereichs eine Dicke von 5 bis 10 mm, bevorzugt von 8 mm, hat. Dadurch ist es möglich, dass die oben ausgeführten sehr geringen Maße lediglich im Anodenmodul, um den Fokusbereich herum, eingehalten werden müssen und die gesamte andere Leitung einen erheblich größeren Querschnitt aufweisen kann. Somit können billigere Pumpen zur Umwälzung des Flüssigmetalls verwendet werden und die Flüssigmetallanode wird dadurch bedeutend preiswerter.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Fokusbereich parallel zur YZ-Ebene verläuft, die senkrecht auf die Flussrichtung des Flüssigmetalls steht. Damit wird beispielsweise bei einem zylindermantelförmig ausgebildeten Elektroneneintrittsfenster dafür gesorgt, dass der Fokusbereich im Wesentlichen auf einer Geraden verläuft und somit nicht unterschiedlich lange Wege durch die
Flüssigmetallanode gegeben sind. Aufgrund der gegebenen Definition der YZ-Ebene verläuft die X-Achse entlang der Flussrichtung des Flüssigmetalls. Die Y-Achse ist dabei parallel zur Achse des zylinderförmigen Elektroneneintrittsfensters ausgerichtet und die Z-Achse entlang eines Radius des zylinderförmigen Elektroneneinrittsfensters .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einfallswinkel zwischen der Einfallrichtung des Elektronenstrahls und der Z-Achse zwischen 5° und 65°, bevorzugt 50°, beträgt. Dadurch wird erreicht, dass der Fokusbereich bei gleichen Elektronenstrahlabmessungen größer wird, da die projizierte Fläche größer ist. Der tatsächliche Fokusbereich, der der Auftreffflache der Elektronen entspricht, wird dadurch vergrößert. Dies führt dazu, dass die entstehende Wärme besser abgeführt wird und somit höhere Leistungen eingestrahlt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einfallswinkel, der Anodenwinkel und der Austrittswinkel alle in de YZ-Ebene liegen. Dadurch wird eine hervorragende Ausbeute hinsichtlich der erzeugten Röntgenstrahlen im Verhältnis zu den einfallenden Elektronen erreicht. Darüber hinaus wird die Aufgabe auch von einem Rontgenstrahler mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen und einen beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlen emittierenden Flüssigmetallanode, die ein Anodenmodul gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen aufweist, gelöst.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines schematisch dargestellten Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Leitung um den Fokusbereich herum,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Anodenmodul der Fig. 1 entlang der XZ-Ebene,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines Elektroneneintrittsfensters des Anodenmoduls aus den Figuren 1 und 2 mit den interessierenden Winkeln und
Fig. 4 ein Diagramm zur vorwärts gerichteten Emission von RöntgenbremsStrahlung.
Wie oben schon ausgeführt, ist die Winkelverteilung der erzeugten RöntgenbremsStrahlung nicht isotrop sondern in Richtung der Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 ausgerichtet. Diese Anisotropie ist umso ausgeprägter, je hochenergetischer die Elektronen werden. Bei einer Elektronenenergie von E0 = 500 keV wird das Maximum der BremsStrahlung unter einem Winkel von ungefähr 15° zur Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 emittiert. In Fig. 2 wird das Verhältnis der Rontgenstrahlausbeute unter 15° zur Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 zur Rontgenstrahlausbeute unter 90° zur Elektronenflugrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 in Abhängigkeit der relativen Photonenenergie dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass es sich hierbei ungefähr um einen Faktor 35 handelt, um den die Emission von Röntgenstrahlung unter einem Austrittswinkel Θ von 15° höher ist als diejenige unter 90°. Der Faktor wird umso höher, je näher man an den „Spitzenbereich" des Spektrums kommt, in dem die Photonenenergie ungefähr gleich groß ist wie die Elektronenenergie.
Aufgrund dieses Verhältnisses ist in den Figuren 1 und 2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Anodenmodul 1 für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle dargestellt, bei der in Fokusbereich 2 ein Elektroneneintrittsfenster 3 und diesem gegenüberliegend ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ausgebildet sind. Dieses Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ist so angeordnet, dass unter dem oben angegebenen Austrittswinkel Θ der Röntgenstrahlen 7 von 15° gegenüber der Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 angeordnet. Im Querschnitt der Figur 2 ist zu erkennen, dass sowohl der einfallende Elektronenstrahl 6 als auch der austretende Röntgenstrahl 7 in der YZ-Ebene verlaufen. Hier ist als Röntgenstrahl 7 jedoch nur der Zentralstrahl dargestellt. Dagegen erkennt man in Figur 1 sehr gut, dass es sich um einen divergierenden Röntgenstrahl 7 handelt, der jedoch keinen kreisförmigen Querschnitt aufweist sondern eine unterschiedliche Breite B und Höhe H hat. In der Darstellung ist der Querschnitt rechteckig dargestellt. Dies dient lediglich zur einfacheren Anschauung. Der Querschnitt ist in Realität eher elliptisch aufgrund der physikalischen und mathematischen Gegebenheiten bei der Erzeugung der
Röntgenstrahlen 7 im Anodenmodul 1. Die Breite B liegt ungefähr in einem Winkelbereich von ±20° um den Zentralstrahl der Röntgenstrahlen 7. Dagegen liegt die Höhe H lediglich in einem Winkelbereich von ca. ±5° um den Zentralstrahl. Somit ergibt sich ein Verhältnis zwischen der Breite B und der Höhe H von ca. 4. Dieses Verhältnis hängt jedoch wieder stark davon ab, welche Energie der einfallende Elektronenstrahl 6 hat, welche Materialen für das Elektroneneintrittsfenster 3, das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 verwendet werden sowie davon, welches Flüssigmetall 10 verwendet wird. Außerdem spielt es auch eine starke Rolle, unter welchem Einfallswinkel der Elektronenstrahl 6 auf das Elektroneneintrittsfenster 3 fällt.
Das Anodenmodul 1 muss insbesondere im Fokusbereich 2 einige geometrische Anforderungen erfüllen, damit durch das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ein möglichst intensiver
Röntgenstrahl 7 austritt. Diese geometrischen Voraussetzungen hängen stark von den verwendeten Materialien — beispielsweise für das Elektroneneintrittsfenster 3, das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4, das verwendete Flüssigmetall — sowie von der Energie des Elektronenstrahls 6 ab.
Die Dicke des Elektroneneintrittsfensters 3 kann aus der Thomson-Whiddington-Gleichung hergeleitet werden. Diese lautet
Figure imgf000009_0001
Ε0 ist die Elektronenenergie und x die beabsichtige Reichweite, die zur Reduzierung der mittleren
Elektronenenergie auf die Energie E nötig ist. p ist der Wert der Dichte des verwendeten Materials für das Elektroneneintrittsfenster 3. Die Bezeichnung b ist die Thomson-Whiddington-Konstante, die für das im vorliegenden Fall verwendete Elektroneneintrittsfenster 3 aus Wolfram einen Wert von 8,5 x 104 keV2 m2 kg-1 hat. Daraus ergibt sich für p x ein Wert von 0,27 kg m"2. Für den Fall, dass nur 5 % der Elektronenenergie im Elektroneneintrittsfenster 3 verloren werden soll, ergibt sich für dieses eine Dicke von 15 μm. Das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ist im Fokusbereich 2 an der dem Elektroneneintrittsfenster 3 entgegengesetzten Fläche des Anodenmoduls 1 angeordnet. Im vorliegenden Fall wurden als Eckdaten eine maximale Schwächung von 10 % der in der Flüssigmetallanode erzeugten Röntgenstrahlung bei einer mittleren Energie von 250 keV vorgegeben. Damit ergibt sich für ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 aus Stahl eine Dicke von 250 μm.
Im Fokusbereich 2 ist die Leitung 11 in Form des Anodenmoduls 1 gegenüber dem Rest der Leitung 11 stark eingeschnürt, so dass ein Einschnürkanal 8 ausgebildet ist. Dieser Einschnürkanal 8 muss einen Kompromiss zwischen zwei konkurrierenden Faktoren erfüllen. Auf der einen Seite muss eine lange Weglänge der Elektronen in dem Flüssigmetall 10 gegeben sein, damit ein Maximum an Umwandlung der Elektronenenergie in RöntgenbremsStrahlung erfolgen kann. Dies entspricht einer großen Kanalhöhe parallel zur Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 und senkrecht zur Flussrichtung 9 des Flüssigmetalls 10. Auf der anderen Seite muss die Kanalhöhe so gering wie möglich sein, damit die produzierten Röntgenstrahlen 7 nicht übermäßig durch Selbstabsorption im Flüssigmetall 10 gedämpft werden. Wenn man die Thomson-Whiddington-Gleichung auf das verwendete Flüssigmetall 10 (BiPblnSn) anwendet, erhält man für eine Kanalhöhe von ca. 200 μm einen Verlust von 33 % der Elektronenenergie. Da eine größere Kanalhöhe nur zur Produktion relativ niederenergetischer Röntgenstrahlen 7 führt und gleichzeitig die Selbstabsorption der Röntgenstrahlen 7 im Flüssigmetall 10 anwächst, ist der vorgenannte Wert für die Kanalhöhe ein guter Kompromiss zwischen den beiden oben genannten Erfordernissen.
Die Elektronendiffusion über eine Tiefe von 200 μm ist bei Weitem der wichtigste Prozess, der zum thermischen Transport der im Fokusbereich 2 entstandenen Wärme aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl 6 und dem Flüssigmetall 10 führt. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 25 m s"1 des Flüssigmetalls 10 ergibt sich aus dem Produkt der Kanalhöhe (200 μm) , der Fokuslänge (hier 5 mm) und der Flussgeschwindigkeit (25 m s"1) das Volumen des Flüssigmetalls 10 pro Sekunde, in dem der Elektronenstrahl 6 seine Energie abgibt. Dadurch erhält man einen Materialfluss von 2,5 x 10"5 m3 s"1. Unter Verwendung von BiPblnSn als Flüssigmetall 10 erhält man aufgrund der Wärmekapazität (cp = 0,263 kJ kg"1 K"1 bei 65°C) und einer Dichte von p = 8,22 x 103 kg m"3 bei 65°C, dass die Flüssigmetallanoden-Röntgenröhre eine Gleichstromleistungsaufnahme von über 25 kW aufweist, wenn eine maximale Temperaturerhöhung von 500°K zulässig ist. Es ergibt sich dann eine effektive Fokusgröße von 1 mm x 1,3 mm.
In Figur 3 sind die einzelnen auftretenden Winkel dargestellt. Es ist ein Ausschnitt aus dem
Elektroneneintrittsfenster 3 gezeigt. Die Flussrichtung 9 des Flüssigmetalls 10 verläuft entlang der X-Achse. Der entlang der Einfallsrichtung 5 einfallende Elektronenstrahl 6 liegt in der YZ-Ebene. Er ist um den Einfallswinkel gegen die Z- Achse geneigt. Der aus dem Anodenmodul 1 entlang der Austrittsrichtung 12 austretende Röntgenstrahl 7 verläuft ebenfalls in der YZ-Ebene. Er ist jedoch nicht parallel zum Einfallswinkel a sondern um den Austrittswinkel θ auf die Y- Achse hin geneigt. Zwischen der Y-Achse und dem Röntgenstrahl 7 ist der Anodenwinkel ß ausgebildet. Wenn man den oben schon ausgeführten Wert für den Austrittswinkel θ der Röntgenstrahlung 7 von 15° betrachtet und einen Anodenwinkel ß von 25° annimmt, so ergibt sich anhand einfacher geometrischer Überlegungen, dass der Einfallswinkel des Elektronenstrahls 6 einen Wert von 50° aufweisen muss. Möchte man den erzeugten Röntgenstrahl 7 unter einem anderen Anodenwinkel ß betrachten, so ergibt sich bei konstant gehaltenem Austrittswinkel θ der entsprechende Einfallswinkel aus der Gleichung α + ß + θ = 90°. Natürlich ist es auch möglich, den Austrittswinkel θ zu ändern, was sich sofort s-tark auf die Rontgenstrahlausbeute (siehe Figur 4) auswirkt. Je nachdem, unter welchem Anodenwinkel ß man den Röntgenstrahl 7 betrachtet, ergibt sich dann der Einfallswinkel α.
Mit einer Flüssigmetallanoden-Röntgenröhre die ein dargestelltes erfindungsgemäßes Anodenmodul 1 aufweist, erhält man eine erhöhte Emission von hochenergetischen Photonen und eine hohe Gleichstromleistungsaufnahme mit einem gleichzeitig kleinen Fokusbereich 2. Eine solche
Flüssigmetallanoden-Röntgenröhre wird als Bestandteil eines erfindungsgemäßen Rontgenstrahlers mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen verwendet, wobei beim Auftreffen der Elektronen die gewünschten Röntgenstrahlen 7 produziert werden. Sie ist sehr hilfreich in Zoll- und
Sicherheitsanwendungen inklusive CT-gestützter Gepäcküberwachung. Darüber hinaus kann sie auch sehr effektiv in der zerstörungsfreien Analyse von Werkstoffen oder der Überprüfung von Gussteilen, beispielsweise bezüglich Schweißnähten von Felgen, verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Anodenmodul
2 Fokusbereich
3 Elektroneneintrittfenster
4 Röntgenstrahlenaustrittsfenster
5 Einfallsrichtung
6 Elektronenstrahl
7 Röntgenstrahl
8 Einschnürkanal
9 Flussrichtung
10 Flüssigmetall
11 Leitung
12 Austrittsrichtung
B Breite des Röntgenstrahls
H Höhe des Röntgenstrahls Einfallswinkel des Elektronenstrahls ß Anodenwinkel θ Austrittswinkel der Röntgenstrahlung

Claims

Patentansprüche
1. Anodenmodul (1) für eine Flüssigmetallanoden- Röntgenquelle, die im Fokusbereich (2) ein Elektroneneintrittsfenster (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektroneneintrittsfenster (3) ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster (4) gegenüberliegt und der Austrittswinkel (Θ) der Röntgenstrahlen (7) zwischen einem durch das Elektroneneintrittsfenster (3) entlang der Einfallsrichtung (5) eintretenden Elektronenstrahl ( 6 ) und den durch das Röntgenstrahlenaustrittsfenster (4) austretenden Röntgenstrahlen (7) zwischen 5° und 50°, insbesondere 15°, beträgt.
2. Anodenmodul (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenaustrittsfenster (3) eine Metallfolie, insbesondere aus Wolfram, mit einer Dicke von 5 bis 30 μm, insbesondere von 15 μm, oder ein Diamantfilm, ein keramischen Werkstoff oder ein Einkristall, insbesondere aus kubischem Bornitrid, ist.
3. Anodenmodul ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgenstrahlenaustrittsfenster (4) ein Stahlblech mit einer Dicke von 100 bis 400 μm, insbesondere von 250 μm, ist.
4. Anodenmodul ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Fokusbereich (2) eine Dicke in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls (6) von 100 bis 350 μm, insbesondere von 200 μm, hat.
5. Anodenmodul ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Fokusbereich (2) einen Einschnürkanal (8) in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls (6) aufweist und außerhalb des Fokusbereichs (2) eine Dicke von 5 bis 10 mm, bevorzugt 8 mm, hat.
6. Anodenmodul ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroneneintrittsfenster (3) senkrecht zur Flussrichtung (9) des Flüssigmetalls (10) konvex gebogen ist, insbesondere wie ein Teil eines Zylindermantels.
7. Anodenmodul ( 1 ) nach einem der vorstehenden < Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgenstrahlenaustrittsfenster (4) senkrecht zur Flussrichtung (9) des Flüssigmetalls (10) konkav gebogen ist, insbesondere wie ein Teil eines Zylindermantels.
8. Anodenmodul (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslänge 2 bis 8 mm, insbesondere 5 mm, beträgt.
9. Anodenmodul ( 1 ) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Fokusgröße 1 mm x 1,3 mm beträgt.
10. Anodenmodul (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokusbereich (2) parallel zur YZ-Ebene verläuft, die senkrecht auf die Flussrichtung (9) des Flüssigmetalls (10) steht.
11. Anodenmodul (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (α) zwischen der Einfallrichtung (5) des Elektronenstrahls (6) und der Z-Achse zwischen 5° und 65°, bevorzugt 50°, beträgt.
12. Anodenmodul (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenwinkel (ß) zwischen der Austrittsrichtung (12) des Röntgenstrahls (7) und der Y-Achse zwischen 10° und 50°, bevorzugt 20°, beträgt.
13. Anodenmodul (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel ( ), der Anodenwinkel (ß) und der Austrittswinkel (Θ) alle in der YZ-Ebene liegen.
14. Anodenmodul (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Breite (B) des Röntgenstrahls (7) und der Höhe (H) des Röntgenstrahls (7) in der XZ- Ebene zwischen 2 und 6, bevorzugt bei 4, liegt.
15. Rontgenstrahler mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen und einer beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlen (7) emittierenden Flüssigmetallanode, die ein Anodenmodul (1) nach einem der vorstehenden Patentansprüche aufweist.
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