Mikrofokus-Röntgenröhre für eine hochauflösende
Röntgenvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Mikrofokus -Röntgenröhre für eine hochauflösende Röntgenvorrichtung umfassend ein Gehäuse, eine Elektronenstrahlquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und eine Fokussierlinse zur Fokussierung des Elektronenstrahl auf ein Target .
Derartige Röntgenröhren sind beispielsweise für hochauflösenden Computertomografievorrichtungen bekannt.
Aufgrund von Fortschritten in der Detektortechnologie, der Rechner- und Speicherkapazitäten sowie der gesteigerten Auflö sung von Mikrofokus-Röntgenröhren ermöglicht die Mikro-Compu- tertomografie Volumenrekonstruktion mit einer sehr hohen Ortsauflösung (Voxelgröße) bis in den sub-Mikrometer-Bereich . Da die Messung sämtlicher Röntgenprojektionen, die für eine Rekonstruktion mit hoher Auflösung benötigt werden, in der Re gel mehrere Stunden dauert, bereiten thermisch verursachte Verschiebungen der Probenprojektionen auf dem Detektor erhebliche Probleme. Es ist zwar bekannt, diese Verschiebungen mit hilfe von Software-basierten Algorithmen zu kompensieren. Jedoch ist die dadurch erzielbare Auflösungsverbesserung begrenzt .
Die kritische Komponente ist dabei die Röntgenröhre, weil es nicht möglich ist, die Röhre im Brennfleck an einem thermisch unempfindlichen Manipulator zu befestigen; es verbleibt immer eine thermisch empfindliche (in der Regel metallische) Verbin
dung über das Röhrengehäuse zwischen dem Fokus und der Befestigung der Röhre an dem Manipulator, was ohne weitere Maßnahmen dazu führt, dass sich die Fokusposition der Röntgenröhre über die Messdauer erheblich verschiebt.
Eine übliche Maßnahme, die Fokusposition der Röntgenröhre übe die gesamte Messdauer so konstant wie möglich zu halten, besteht darin, die Röhre auf Betriebstemperatur aufzuheizen und zu warten, bis sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat, bevor die Scans gestartet werden. Allerdings dauert es aufgrund der erheblichen Masse der Röntgenröhre und der damit verbundenen großen Wärmekapazität etliche Stunden, bis sich das thermische Gleichgewicht einstellt. Des Weiteren wird das thermische Gleichgewicht durch jede Parameteränderung der Röh re erneut gestört, was zusätzliche erhebliche Wartezeiten ver ursacht .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mikrofokus- Röntgenröhre bereitzustellen, die es ermöglicht, in der indus triellen Anwendung Daten in kürzerer Zeit mit einer höheren Auflösung zu erhalten.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Aufgrund der Kühlung der Röntgenröhre mittels des durch die Kühlkammer strömenden Kühlmediums wird thermisch verursachten Verschiebungen der Fokusposition entge gengewirkt. Ein entscheidendes Merkmal ist dabei, dass die Kühlkammer erfindungsgemäß im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist. Dadurch kann die im Wesentlichen rotationssymmetri sehe Temperaturverteilung in der Röhre, die überwiegend durch rotationssymmetrischen Wärmeeintrag insbesondere aufgrund der Energiedissipation in der Elektronenoptik und der Absorption thermischer Energie über die Oberfläche des Röhrengehäuses er
zeugt wird, auch dann aufrecht erhalten werden, wenn sich die Röhre nicht im thermischen Gleichgewicht befindet. Durch die Aufrechterhaltung der rotationssymmetrischen Temperaturverteilung in der Röhre können seitliche Verschiebungen des Fokus, d.h. Verschiebungen in der senkrecht zur Rotationsachse angeordneten Fokusebene, sehr wirksam unterbunden werden. Da diese Verschiebungen in der Fokusebene einen großen Einfluss auf die Ortsauflösung auf dem Detektor haben, kann erfindungsgemäß eine signifikante Steigerung der Ortsauflösung in der Volumenrekonstruktion erreicht werden. Auf eine Vorwärmung der Röhre und Warten auf Einstellen des thermischen Gleichgewichts kann verzichtet werden, was die Messdauer insgesamt erheblich reduziert .
Aufgrund der erfindungsgemäßen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Kühlung verbleiben im Wesentlichen lediglich axiale thermische Verschiebungen des Fokuspunkts. Diese haben weniger gravierende Auswirkungen auf die Ortsauflösung auf dem Detektor. Des Weiteren können, soweit erforderlich, axiale thermische Verschiebungen des Fokuspunkts mittels einer erhöhten Kühlleistung, d.h. einer entsprechend ausgelegten Kühlpumpe, wirksam unterbunden werden.
Durch die ringförmige Kühlkammer ist die Erfindung vorteilhaft abgegrenzt von einer insbesondere schraubenförmig um die Rotationsachse angeordneten Kühlleitung, wo insbesondere in den axialen Endbereichen erhebliche Abweichungen von der Rotationssymmetrie der Kühlung auftreten.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der Kühlkammer in einem Längsquerschnitt mindestens fünfmal, weiter vorzugsweise mindestens zehnmal so groß wie die Querschnittsfläche von mit der Kühlkammer zu verbindenden Kühlleitungen. Dieses Merkmal
trägt zu einer besonders effizienten Kühlung aufgrund eines größtmöglichen Kühlvolumens in der Kühlkammer bei gegebener Baugröße bei. Aus dem gleichen Grund sind vorzugsweise die lichten Innenabmessungen der Kühlkammer in einem Längsquerschnitt größer als die Wandstärken der Kühlkammer, damit möglichst viel von dem zur Verfügung stehenden Bauraum als Kühl- mittelvolumen nutzbar ist.
Vorzugsweise ist die Kühlkammer ringzylindrisch geformt, wobei eine radiale Innenwand und eine radiale Außenwand der Kühlkammer zylindrisch geformt sind. Diese Form erlaubt eine besonders effiziente Kühlung aufgrund eines größtmöglichen Kühlvolumens bei gegebener Baugröße, und ist darüber hinaus auch fertigungstechnisch vorteilhaft.
Vorzugsweise sind ein Einlass und ein Auslass für das Kühlmedium in Umfangsrichtung der Röhre versetzt zueinander angeordnet, weiter vorzugsweise um mindestens 90° versetzt, noch weiter vorzugsweise um 180° versetzt, d.h. einander gegenüberliegend in Bezug auf die Röhrenachse angeordnet . Diese Anordnung kann zu einer möglichst gleichförmigen Durchströmung des gesamten Kühlkammervolumens beitragen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mikro-Computertomo- grafiesystems ;
Fig. 2 einen Längsquerschnitt durch eine Röntgenröhre in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Röntgenröhre senkrecht zur Längsachse ;
Fig. 4 einen Längsquerschnitt durch eine Röntgenröhre in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 einen Längsquerschnitt durch eine Röntgenröhre in einer dritten Ausführungsform; und
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Röntgenröhre senkrecht zur
Längsachse in einer zu Figur 3 alternativen Ausführungsform.
Die in Figur 1 gezeigte Mikro-Computertomografievorrichtung umfasst ein Röntgensystem 10, das zur Aufnahme eines Satzes von Röntgenprojektionen einer Probe 13 eingerichtet ist. Zu diesem Zweck umfasst das Röntgensystem 10 eine Mikrofokus- Röntgenröhre 11, die Röntgenstrahlung 14 ausgehend von einem Brennpunkt oder Fokus 16 der Röntgenröhre 11 emittiert, einen bildgebenden Rontgendetektor 12 und einen Probenhalter 20, der vorzugsweise zum Rotieren der Probe 13 um eine vertikale Achse eingerichtet ist. Der Rontgendetektor 12 ist vorzugsweise ein Flächendetektor, insbesondere ein flat panel-Detektor, jedoch ist auch ein Zeilendetektor möglich. Ein Satz von Röntgenpro- jektionen der Probe 13 wird beispielsweise durch schrittweises Rotieren des Probenhalters 20 um jeweils einen definierten kleinen Winkelschritt und Aufnahme einer Röntgenprojektion bei jedem Rotationswinkel erhalten. Das Röntgensystem 10 ist nicht auf eine Rotation des Probenhalters 20 um eine vertikale Achse beschränkt. Alternativ können beispielsweise die Röntgenröhre 11 und der Rontgendetektor 12 um die feststehende Probe 13 rotiert werden.
Die Röntgenprojektionen werden aus dem Röntgendetektor 12 ausgelesen und an eine Computervorrichtung 41 übermittelt, wo aus dem aufgenommenen Satz von Röntgenprojektionen mittels eines grundsätzlich bekannten Rekonstruktionsalgorithmus rekonstruierte dreidimensionale Volumendaten der Probe 13 errechnet und beispielsweise auf einem Bildschirm 42 dargestellt werden. Die Computervorrichtung 41 kann, wie in Fig. 1 gezeigt, ebenfalls zur Steuerung der Röntgenquelle 11, des Probenhalters 20 und des Röntgendetektors 12 eingerichtet sein; alternativ kann eine separate Steuervorrichtung vorgesehen sein.
Die Mikrofokus-Röntgenröhre 11 umfasst ein Kathodenelement 15, einen Wehnelt -Zylinder 21, eine Anode 19, eine vorzugsweise als elektromagnetische Linse ausgeführte Fokussierlinse 22 und ein Elektronenstrahl -Target 23. Des Weiteren kann eine weitere elektromagnetische Linse 25 vorgesehen sein, die vorzugsweise als Kondensorlinse eingerichtet ist, um den Elektronenstrahl 24 näherungsweise parallel auszurichten oder um eine Zwischenabbildung zu erzeugen; die Kondensorlinse 25 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Mikrofokus -Röntgenröhre 11 umfasst weiterhin zweckmäßigerweise eine nicht gezeigte Ablenkeinheit zur Strahllagejustierung . Die Mikrofokus-Röntgenröhre 11 ist so eingerichtet, dass der minimale Fokus bzw. Brennfleck auf dem Target 23 kleiner oder gleich 10 μπι, vorzugsweise kleiner oder gleich 4 μπι, noch weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 2 μπι beträgt .
Die Mikrofokus-Röntgenröhre 11 umfasst des Weiteren ein Gehäuse, das aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein kann. Insbesondere kann ein das Kathodenelement 15 aufnehmender und die Anode 19 bildender Gehäuseabschnitt 35, ein die Fokussierlinse 22 umgebender Gehäuseabschnitt 36 und gegebenenfalls ein dazwischen angeordneter mittlerer Gehäuseabschnitt 37, in dem
beispielsweise die Kondensorlinse 25 angeordnet sein kann, vorgesehen sein. Das die Spule 33 umgebende Gehäuse 36 ist vorteilhafterweise frei von thermisch isolierenden, insbesondere nichtmetallischen Abschirmungen oder Schichten, die die Einstellung eines thermischen Gleichgewichts behindern würden
Die Röntgenröhre 11 umfasst eine ringförmige Kühlkammer 30, die einen Einlass 31 und einen Auslass 32 aufweist, die über Kühlmittelleitungen 38 mit einer nicht gezeigten Kühlmittelpumpe zu einem Kühlkreislauf verbindbar sind. Auf diese Weise kann ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere Wasser oder Öl, durch die Kühlkammer 30 strömen, um dem Eintrag von Wärmeener gie aus verschiedenen internen und externen Wärmequellen und einer damit verbundenen Verschiebung des Fokuspunkts 16 relativ zu der Röhrenbefestigung 39 entgegenzuwirken. Die genannten Wärmequellen entstehen beispielsweise aufgrund des Auf- treffens des Elektronenstrahls 24 auf dem Target 23, der Ener giedissipation in der Elektronenoptik 22 und der Absorption thermischer Energie über die Oberfläche des Röhrengehäuses 34
Die Kühlkammer 30 ist ringförmig in sich geschlossen, wie am besten aus den Figuren 3 und 6 ersichtlich ist. In der Ausfüh rungsform gemäß Figur 3 ist der flüssigkeitsdurchströmte Innenraum der Kühlkammer 30 umlaufend vollständig durchgängig. In dieser Ausführungsform sind Einlass 31 und Auslass 32 vorzugsweise um 180° versetzt zueinander, d.h. einander gegenüberliegend angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt, damit die Kühlkammer 30 möglichst gleichförmig durchströmt wird und sich keine Vorzugsfließrichtung für das Kühlmedium ausbildet.
In der Ausführungsform gemäß Figur 6 ist dagegen in der Kühlkammer 30 eine radiale Trennwand 48 vorgesehen, die den flüs- sigkeitsdurchströmten Innenraum der Kühlkammer 30 an einer Um
fangssteile unterbricht. In diesem Fall sind Einlass 31 und Auslass 32 zweckmäßigerweise im Bereich der Trennwand 48 auf entgegengesetzten Seiten derselben angeordnet, um eine vollständige Durchströmung der Kühlkammer 30 zu erreichen. In diesem Ausführungsbeispiel können Einlass und Auslass auch im Wesentlichen ohne Umfangsversatz , sondern stattdessen axial versetzt angeordnet sein.
Die Ausführungsform gemäß Figur 6 verdeutlicht, dass das erfindungsgemäße Merkmal „im Wesentlichen rotationssymmetrisch" bedeutet: rotationssymmetrisch abgesehen von Ein- und Auslässen 31, 32 für das Kühlmittel, etwaigen Trennwänden 48 in der Kühlkammer und gegebenenfalls weiteren, die Rotationssymmetrie nicht wesentlich störenden Funktionselementen. Die Begriffe axial, radial und rotationssymmetrisch beziehen sich im Rahmen dieser Anmeldung auf die Längsachse der Röhre 11, welche durch die Mittelachse des Elektronenstrahls 24 zwischen der Kathode 15 und dem Target 23 definiert ist.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist die Kühlkammer 30 um das Röhrengehäuse 34, insbesondere um den die Fokussierlinse 22 umgebenden Gehäuseabschnitt 36 angeordnet. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die Kühlkammer 30 überwiegend axial, d.h. ihre axiale Erstreckung ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie ihre radiale Erstreckung. Beispielsweise kann die axiale Erstreckung der Kühlkammer 30 an die axiale Erstreckung der Spule 33 der Fokussierlinse 22 ange- passt sein.
In den Ausführungsformen gemäß Figur 4 und 5 ist die Kühlkammer 30 in dem Röhrengehäuse 34 angeordnet. In der in Figur 4 gezeigten Variante ist die Kühlkammer 30 außen an dem die Fokussierlinse 22 umgebenden Gehäuseabschnitt 36, hier in dem
mittleren Gehäuseabschnitt 37, angeordnet. In der in Figur 5 gezeigten Variante ist die Kühlkammer 30 in dem die Fokussierlinse 22 umgebenden Gehäuseabschnitt 36 unmittelbar neben der Spule 33 angeordnet. In beiden Ausführungsformen erstreckt sich die Kühlkammer 30 überwiegend radial, d.h. ihre radiale Erstreckung ist vorzugsweise um mindestens 50% größer als ihre axiale Erstreckung. Beispielsweise kann die radiale Erstreckung der Kühlkammer 30 an die radiale Erstreckung der Spule 33 der Fokussierlinse 22 angepasst sein.
In den Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 2, 4 und 5 ist die Kühlkammer 30 benachbart zu der Spule 33 der Fokussierlinse 22 angeordnet, da diese eine Hauptwärmequelle in der Röhre 11 darstellt. Die Erfindung ist aber nicht auf eine zu der Fokussierlinse 25 benachbarte Anordnung der Kühlkammer 30 beschränkt .
In den Ausführungsformen gemäß Figuren 2 bis 6 weist die Kühlkammer die bevorzugte Form eines Ringzylinders auf. Die radiale Außenwand 45 und die radiale Innenwand 46 der Kühlkammer 30 sind demnach zylindrisch geformt. Die zur Bildung einer geschlossenen Kühlkammer 30 erforderlichen Seitenwände 47 sind vorzugsweise scheibenförmig.
Die die Kühlkammer bildende Wände 45, 46, 47 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK, insbesondere aus einem Material auf der Grundlage von Aluminium, Kupfer und/oder Messing.
Wie aus den Figuren 2, 4 und 5 ersichtlich ist, ist die Querschnittsfläche der Kühlkammer 30 in einem Längsquerschnitt mehr als zehnmal so groß wie die Querschnittsfläche von mit der Kühlkammer 30 über die Anschlüsse 31, 32 zu verbindenden
Kühlleitungen 38. Die Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums in der Kühlkammer 30 ist daher vorzugsweise mehr als zehnmal kleiner als in den mit der Kühlkammer 30 über die Anschlüsse 31, 32 zu verbindenden Kühlleitungen 38. Die lichten Innenabmessungen der Kühlkammer 30 in einem Längsquerschnitt sind erheblich größer als die Wandstärken der Wände 45 bis 47, damit möglichst viel von dem zur Verfügung stehenden Bauraum als Kühlmittelvolumen nutzbar ist. Die vorgenannten Merkmale tragen zu einer effizienten Kühlung aufgrund größtmöglichen Kühl- volumens in der Kühlkammer 30 bei gegebener Baugröße bei.
Die Erfindung ist nicht auf einen Kühlmitteleinlass 31, einen Kühlmittelauslass 32 und gegebenenfalls eine Trennwand 48 beschränkt. Es sind weitere Ausführungsformen mit einer Mehrzahl von Kühlmitteleinlässen 31, einer Mehrzahl von Kühlmittelein- lässen 31 und/oder einer Mehrzahl von Trennwänden 48 denkbar.
Die Röhre 11 kann eine Mehrzahl von Kühlkammern 30 aufweisen, die beispielsweise axial versetzt zueinander angeordnet sein können .
Die Kühlkammer 30 wurde vorstehend im Zusammenhang mit einer Röhre 11 mit Transmissionstarget beschrieben. Die Kühlkammer 30 kann jedoch ohne Weiteres alternativ in einer Röhre 11 mit Direktstrahlgeometrie, d.h. mit Reflektionstarget , vorteilhaft eingesetzt werden.
Die Röhre 11 wurde vorstehend für die bevorzugte Anwendung in einer CT-Vorrichtung beschrieben. Es sind jedoch andere Anwendungen für die industrielle Röntgenprüfung oder Röntgenvermes- sung von Bauteilen denkbar. Im Allgemeinen kann die Röntgenröhre 11 vorteilhaft in einer hochauflösenden Röntgenvorrich- tung mit einem bildgebenden Detektor verwendet werden.