WO2015052039A1 - Röntgenquelle und verfahren zur erzeugung von röntgenstrahlung - Google Patents

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WO2015052039A1
WO2015052039A1 PCT/EP2014/070883 EP2014070883W WO2015052039A1 WO 2015052039 A1 WO2015052039 A1 WO 2015052039A1 EP 2014070883 W EP2014070883 W EP 2014070883W WO 2015052039 A1 WO2015052039 A1 WO 2015052039A1
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anode
electron
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ray source
anode beam
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PCT/EP2014/070883
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Oliver Heid
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01J35/00—X-ray tubes
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J2235/165—Shielding arrangements
    • H01J2235/168—Shielding arrangements against charged particles

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray source comprising an anode beam generator for producing a liquid anode beam and an electron source for generating an electron beam which is directed to the anode beam in an interaction region.
  • the anode material is present as a solid.
  • the fixed anode can either be arranged stationary or a so-called rotary anode is used, which rotates rapidly during operation of the X-ray source in order to reduce the local heating of the anode material in the region of the interaction with the electron beam.
  • X-ray tubes with solid-state anodes generally have the disadvantage that the power density of the X-radiation arising in the interaction region is limited by the heat generated during the interaction. Both for medical imaging and for X-ray analysis, it is desirable to develop X-ray sources with the highest possible power and with the smallest possible focal spot, ie with the smallest possible extent of the interaction region.
  • Power density is limited in fixed rotating anodes mainly by the thermal load capacity of the anode material and by the speed of rotation.
  • the power density it must be low enough to prevent local melting or even evaporation of the anode material.
  • the power density of X-ray sources can be improved by the use of so-called metal-beam X-ray sources in which a liquid anode beam is generated and is brought into interaction with the electron beam.
  • a liquid anode source 1,305,984 beschrie ⁇ ben in the EP.
  • the anode jet is here generated by pushing out a liquefied in a heated pressure vessel material through an outlet opening.
  • the anode material may have a beam VELOCITY ⁇ ness in the range of 10 to 1000 m / s.
  • the transport speed can be about an order of magnitude higher than in typical rotary anodes, which greatly increases the possible local power density.
  • the beam passes through the interaction area only once, in contrast to the rotating anode, before the liquid material is collected and the
  • Another advantage is that the anode material is already liquefied, and that, unlike the fixed rotary anode, melting of the material does not have to be prevented. Therefore, the allowable thermal load is much larger than with x-ray sources with solid anodes. It must be avoided only too strong evaporation of the anode material.
  • a disadvantage of the known metal beam sources is that the energy efficiency for the production of characteristic X-ray radiation is relatively low.
  • Liquid anode jets typically have an approximately circular cylindrical beam profile with diameters in the range of 100 to 500 ym.
  • a large proportion of the electrons are decelerated to standstill by the interaction with such an anode beam, although only the rather high-energy part of the electrons is suitable for generating characteristic X-radiation.
  • the interaction creates much Bremsstrahlung.
  • This disadvantage is particularly serious In applications where monochromatic X-ray radiation is required, ie the highest possible proportion of characteristic X-radiation is needed.
  • a quasi-monochromatic X-ray source is advantageous in order to achieve a good soft-tissue contrast with the lowest possible dose loading of the patient.
  • X-ray analysis there is an increasing demand for spectrally narrow-band X-radiation with small focal spots and high power densities.
  • anode which is as thin as possible and which does not completely decelerate the electrons and only generates a small proportion of Bremsstrahlung.
  • An anode for this low thickness is for example common mate ⁇ rials in a range between 0.1 ym and ym 10th If a circularly cylindrical anode beam with a diameter below 10 ym, then, however, the width of the interaction region would be less than 10 ym, and the maximum power of the X-ray source would be strong again be adjacent ⁇ , since all of the power generated in a very small space got to. The electron beam would also have to be focused on this very narrow area. In the case of the metal-beam anodes , the maximum power density of the generated X-ray radiation is limited, above all, by the evaporation of the anode material with a locally very high energy input into the anode.
  • the object of the invention is to provide an X-ray source which avoids the disadvantages mentioned.
  • Another object of the invention is to provide a method for generating X-radiation.
  • the X-ray source comprises an anode beam generator for generating a liquid jet anode and an electron source for generating an electron beam ⁇ directed beam in an interaction region on the anode. It further comprises a Elektronenkol ⁇ lecturer, which is designed for braking and subsequent trapping by the anode beam penetrating electrons and which is arranged ⁇ effective range in the direction of the electron beam after the change.
  • the X-ray source according to the invention makes it possible to produce X-ray radiation of high power density by use of a liquid Ver ⁇ anode beam in the interaction region between the anode ⁇ ray and electron beam.
  • the electron beam in the interaction region can have a high power density and relatively narrowly focused be, since the liquid anode material in the beam can be quickly olivespor ⁇ advantage. It can also be a fixed in relation to anodes comparatively high heat input by tolerated in the anode material by the interaction with the electron beam, since the anode material is already present in the FLÜS ⁇ sigen phase and melting does not prevent ⁇ the must.
  • the x-ray tube Due to the design of the x-ray tube with an electron collector, it is advantageous to design and operate the x-ray tube so that the accelerated electrons are only partially decelerated and / or absorbed by the anode beam. A remaining portion can penetrate the anode beam and is slowed down at most weak. This remaining portion of the electrons can then be converted into electrical energy by recovering the kinetic energy
  • the material and thickness of the electric ⁇ nenkollektors are advantageously chosen such that the anode beam penetrating electrons are absorbed by the electron collector is substantially at a maxima ⁇ len operating voltage of the X-ray tube.
  • the advantage of a reduced interaction between the electron beam and the anode beam is that a higher proportion of quasi-monochromatic characteristic X-radiation and a lower proportion of spectrally broad Bremsstrahlung compared to a conventional X-ray tube, in which the electron beam is almost completely absorbed by the anode material.
  • the X-ray source according to the invention is suitable for generating X-ray radiation of high power density, a high proportion of shear charac ⁇ radiation, a small focal spot and having a high energy efficiency.
  • a liquid anode beam is generated with an anode-beam generator. Furthermore, an electron beam is generated with an electron source, which is directed in an interaction region on the anode beam. In the interaction region, the interaction between the electron beam and the anode beam generates X-radiation, and a portion of the electrons of the electron beam penetrating the anode beam is decelerated by an electron collector and then collected.
  • the advantages of the method according to the invention are analogous to the described advantages of the X-ray source according to the invention. Advantageous embodiments and further developments of the X-ray source according to the invention are evident from the claims dependent on claim 1.
  • the X-ray source may comprise in addition the following features:
  • the X-ray source may be an electric circuit aufwei ⁇ sen through which the electron collector during operation of the X-ray source negative electrical potential is brought to a relative to the anode beam.
  • the electrical circuit and the anode beam to a positive potential in relation to the electron source can be brought, so that electrons are accelerated during operation of the X-ray source of the electron source in the direction of the anode beam. Due to the negative electric potential of the electron collector in relation to the anode beam, it is achieved that the electrons of the electron beam penetrating the anode beam
  • Electron beam between the anode beam and electron collector are braked. That the remaining after Kir Signsbe ⁇ rich kinetic energy of the electrons is recovered back by such electrostatic deceleration is achieved. This energy is largely fed into the electrical ⁇ rule circuit and can be used again for accelerating the electron beam from the electron source. Furthermore, the deceleration of the electrons causes them to be more easily absorbed in the material of the electron collector, even with a smaller choice of collector thickness than would be needed without prior deceleration. It is advantageous to first electrostatically decelerate the electrons on the way to Kol ⁇ lecturer and then to absorb the material of the collector.
  • the electrical circuit may be designed so that the electron collector can be brought to an electrical potential during operation of the X-ray source, which is between an electric potential of the electron source and the electric potential of the anode beam.
  • the advantage of this embodiment is that the electrons are accelerated from the electron source to the anode beam and decelerated again between the anode beam and the electron collector.
  • Electrons on the way to the electron collector largely, but not completely decelerated, so that they meet with a residual velocity on the electron collector and can be reliably absorbed by this.
  • the potential of the electron collector is selected such that it is closer to the potential of the electron source than to the potential of the anode beam. In this way, the electrons are slowed down on the way from the anode beam to the collector by at least half of their remaining kineti- see energy.
  • the greater portion of the kinetic energy can be recovered by the circuit, which increases the energy efficiency of the source, and only a small portion is converted to Bremsstrahlung by interaction with the collector material, which improves the monochromatic properties of the X-ray source.
  • the collector can be made thicker along the electron beam direction than the average penetration depth of the electrons at a kinetic energy of the electrons of 150 keV.
  • the maximum kinetic energy to which electrons are accelerated in x-ray sources can advantageously be in the range of up to 150 keV.
  • the material of the collector may include an electrically conductive material, ⁇ example, stainless steel and / or copper.
  • the collector may have a thickness of at least 1 mm along the electron beam direction.
  • the electron collector may have a depression in the electron beam direction. Such a depression is advantageous for detecting the accelerated electrons in the collector. tor reliably catch and prevent lateral leakage of the electrons to the outer casing of the X-ray source.
  • the formation of a depression of the electron collector is expedient, since a certain proportion of the electrons are scattered at the anode and thus changed in their direction of flight.
  • An electron collector with a depression is particularly suitable for collecting as many scattered electrons as possible.
  • the recess described may be designed trapezoidal. Alternatively, the recess can also be configured rectangular, U-shaped or circular segment. It may advantageously have a depth of at least 1 cm.
  • the material and the width of the liquid jet anode Kgs ⁇ NEN be configured such that the kinetic energy of Elek ⁇ tronenstrahls is weakened in the interaction region by the anode beam by a maximum of 50% at a maximum operating voltage of the X-ray source.
  • Particularly advantageous ⁇ the kinetic energy of the electron beam can be weakened by at most 30%. This embodiment ensures that the proportion of characteristic radiation in the spectrum of the generated X-radiation is increased.
  • the material of the liquid anode jet may comprise at least a first and a second component, the second component having at most 30% of the attenuation coefficient of the first component.
  • the attenuation coefficient is meant the coefficient of specific attenuation of the kinetic energy of the electron beam at the maximum operating voltage of the X-ray source.
  • the interaction with the electron beam and the generation of X-radiation are effected more strongly by the first component, while the second component is comparatively transparent to the electron beam.
  • the width of the anode beam can be selected to be greater with the same proportionate weakening of the electron beam than with an anode beam with only one strongly absorbing first component.
  • the anode beam only causes a proportional weakening of the kinetic energy of the electrons and yet may have a higher width, which may result from other geometric requirements in the design of the X-ray source.
  • the width of the anode beam may advantageously be at least as great as the width of the electron beam and / or the width of the desired focal spot, and the anode beam may nevertheless have an advantageously low attenuation of the electron beam.
  • the molar proportion of the second component is at least 30% is advantageous, so that the fish volumenspezi ⁇ attenuation of the electron beam by this Components ⁇ te is effectively reduced.
  • the material of the liquid anode beam may comprise at least a first and a second component, said second component has a mean atomic number of at most 20 on ⁇ .
  • the second component is thus relatively transparent to the accelerated electron beam and can effectively reduce the attenuation of the electron beam through the anode beam with the same width of the electron beam.
  • the molar proportion of the second component is at least 30% is advantageous, so that the volume specific weakening of the electron beam ⁇ is effectively reduced by this component.
  • the material of the liquid anode beam may comprise at least a first and a second component wherein the first component has an average atomic number of at least 30 on ⁇ .
  • the first component will comprise at least one heavy and medium heavy element that interacts with the electron beam sufficient to interact to particular advantage generate X-rays, a high proportion of characte ristic ⁇ X-ray radiation.
  • the first component may have an average atomic number between 30 and 92.
  • the material of the liquid anode beam may comprise a metalli ⁇ specific alloy, particularly advantageously a metalli ⁇ specific alloy having a first component and a second Component, wherein the second component has at most 30% of the attenuation coefficient of the first component.
  • Metallic materials are particularly suitable for liquid anode jets because they can have sufficiently heavy components to produce characteristic X-radiation and at the same time have a relatively low melting point.
  • metallic alloys typically have a high electrical conductivity, so that a defined electrical potential can be applied to the resulting anode beam via an electrical circuit.
  • the material of the liquid anode beam may have a melting point of at most 250 ⁇ ° C. Particularly advantageously, the material of the liquid anode beam may have a melting point of at most 200 ⁇ ° C.
  • the liquid anode beam is relatively easy by addition presses a liquefied in a heated pressure vessel material through an outlet opening
  • the method may additionally have the following features:
  • the electron collector can be brought to a negative electric potential relative to the anode beam.
  • a maximum operating voltage of the X-ray source, a material of the anode beam, and a width of said anode beam may be chosen such that the kinetic energy of the electric ⁇ nenstrahls is weakened in the interaction region by the anode beam by a maximum of 50%.
  • the anode beam may be made of a material comprising at least a first and a second component, wherein wherein the second component has a maximum of 30% of the Schissechungskoef ⁇ coefficient of the first component.
  • the anode beam can be generated from a material comprising at least a first and a second component, where ⁇ has a mean atomic number of at most 20 in the second component.
  • the anode beam may be produced from a material comprising at least a first and a second component, where ⁇ at the first component has an average atomic number of at least ⁇ least 30th
  • Fig. 1 shows a schematic cross section of an X-ray source 1 according to a preferred exemplary embodiment of the ⁇ invention. Shown is an outer housing 3, in which the essential components of the X-ray source 1 are arranged. Inner ⁇ half of the outer housing 3, an inner vacuum container 5 is arranged, in the interior 15 of which a vacuum can be maintained. Within the outer housing 3, an electron source 7 is furthermore arranged, through which an electron beam 11 can be generated and accelerated through an electron tube 9 along an electron beam direction 13 into the interior of the vacuum container 5. The interior of the electron tube 9 is also evacuated and sealed against the outer wall of the electron source 7 and the wall of the inner vacuum vessel 5.
  • an anode jet generator 17 is arranged, which comprises a pressure vessel 19 and in this example a collecting container 29.
  • the pressure vessel 19 contains a supply of anode material 33, which is heated by the heatable in this example walls of Druckbe ⁇ container 19 and is liquefied at an operating temperature of the spinning container 19. It is also possible to provide further heating devices for heating the anode material 33 in the interior of the pressure vessel 19.
  • the temperature of the liquid anode material 33 may be, for example, between 30 ° C and 250 ° C.
  • the thus liquefied Anodenma ⁇ TERIAL 33 is pressed by a valve 21 through a nozzle 23 from the pressure vessel 19 so that a liquid anode beam is formed 25th
  • the liquid anode beam 25 is interacted in an interaction region 31 with the electron beam 11, so that in this area by the interaction of anode material 33 and accelerated
  • Electrons 11 X-radiation is generated.
  • the anode beam 25 along the anode beam direction 27 can reach a speed in the range of 10 m / s to 1000 m / s, particularly advantageously between 100 m / s and 1000 m / s. Due to this relatively high speed, an excessive local heating of the anode material 33 is avoided even at high electron beam powers, so that only a very small proportion of the anode material 33 evaporates.
  • Such evaporation ⁇ fen should be avoided, as this would reduce the evacuated space 15, the quality of the vacuum, which in turn would affect the quality of the electron beam.
  • a good vacuum in the area of the electron beam 11 is important in order to generate and guide a spatially narrowly focused electron beam 11 with defined kinetic energy.
  • the distance traveled between the pressure vessel 19 and the collecting vessel 29 is kept as low as possible. In ⁇ example, this free distance can be in the range between 0.5 mm and 10 mm.
  • the anode material 33 is collected and returned to the pressure vessel 19 in a return system (not shown here).
  • the sump 19 may be cooled to facilitate the condensation of the anode material 33 and evaporate the anode material into the evacuated space 15 to reduce.
  • the outer wall of the collecting container 29 may be provided, for example, with cooling channels, through which a coolant flows.
  • the electrons of the electron beam 11 are accelerated toward the anode beam 25 between the electron source 7 and the interaction region 31.
  • This is achieved by a not shown electric circuit through which the anode beam 25 in relation to the electron source 7 during the operating of the X-ray source 1 to a positive electric Po ⁇ tential is brought.
  • the electron ⁇ source 7 may be at a potential of -100 kV
  • the pressure vessel 19 with the supply of anode material 33 may be at a potential of 0V.
  • the resulting anode beam 25 likewise receives a potential of 0 V, and the potential difference between the electron source 7 and the anode beam 25 is 100 kV. Then the achievable by the Accelerat ⁇ n Trent of electrons to the anode beam 25 maximum kinetic energy is 100 keV, and it may by interaction with the anode material 33. X-rays with photon energies up to 100 keV are generated.
  • the Potenti ⁇ aldifferenz between electron source 7 and the anode beam 25 is also commonly referred to as operating voltage of the X-ray source. 1
  • a maximum operating voltage can be provided, wherein variable operating voltages can be anticipated for different operating modes. In general, it is advantageous to provide values in a range of up to 150 kV for this maximum operating voltage.
  • the electron beam 11 can be focused, for example, to an advantageous beam width in the range between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m, particularly advantageously between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the electron beam 11 can in this case sel
  • Stroshaft 31 be an approximately symmetrical and approximately circular cylindrical beam. Alternatively, however, it can also be asymmetrical and have different beam widths in different spatial directions perpendicular to the electron beam direction 13.
  • the electron beam 11 can have a waisted shape, wherein the narrow region of the waist is arranged in the region of the changeover zone 31.
  • the electron beam 11 and the anode beam 25 are aligned so that they meet as closely as possible in the interaction region 31.
  • an angle of about 90 ° is shown between the electron beam 11 and the anode beam 25, but the beams can also hit one another at deviating angles.
  • the width of the electron beam 11 and the width of the anode beam 25 are advantageous similarity ⁇ Lich large and soft, for example, by a maximum of +/- 50% from each other.
  • the nozzle 23 of the anode beam generator 17 is here shaped so that an Ano ⁇ denstrahl 25 is formed with an approximately circular cylindrical cross-section.
  • the spatial dimensions of the interaction region 31 are determined by the beam profiles of the electron beam 11 and the anode beam 25 as well as by the alignment of the two beams with respect to each other and by the included angle.
  • the interaction region 31 is also referred to as a focal spot in conventional X-ray sources. Its size determines the optically effective focus size of the X-ray source.
  • X-ray sources 1 which are particularly suitable for spatially high-resolution X-ray examinations have focal spot sizes in the range of at most 200 ⁇ m, particularly advantageously in the range of at most 100 ⁇ m. In the illustrated preferred embodiment, the maximum operating voltage is 150 kV.
  • the anode material 33 and the width of the anode beam 25 are chosen so that at a maximum kinetic energy of the electrons of 150 keV, the total kinetic energy of the electron beam is weakened by at most 50%. Both the deceleration of electrons and the complete absorption of electrons by the anode beam 25 contribute to this overall weakening. With a 50% weakening, either 50% of the electrons with unchanged kinetic energy or a larger proportion of the electrons with partially reduced kinetic energy can penetrate the anode beam 25. The incomplete absorption of the electron beam 11 by the anode beam 25 causes a relatively high proportion of characteristic X-radiation in the interaction region 31 is formed. By using the liquid anode beam 25, an electron beam 11 with a very high power density can also be used, so that high-power X-ray radiation as well as narrow spatial focusing can also be generated.
  • the anode material 33 is a metallic alloy, namely an alloy coins ⁇ tion of barium and lithium as the first component as the second component.
  • the heavier first compo nent ⁇ interacts with the electron beam 11, and it is produced mainly by this interaction with the first component X-rays.
  • the function of lithium as the second component is to reduce the transparency of the alloy formed for the electron beam 11 to such an extent that, given a width of the anode beam 25 adapted to the width of the electron beam 11, at least a weakening of the energy of the electron beam 11 is avoided occurs 50% ⁇ .
  • the molar fraction of the second component is generally advantageously at least 80%, so that it can cause a significant reduction in specific attenuation.
  • the proportion of barium is about 10.5% and the proportion of lithium is about 89.5%.
  • This composition results in a eutectic Le ⁇ alloy with a melting point of 143 ° C.
  • a liquid anode beam may be generated before ⁇ part way at an operating temperature of the pressure vessel 19 below 200 ° C, in this case, even below 150 ° C.
  • other alloys of the type Lii_ x Ba x may be used, where x may advantageously be between 5% and 40%, particularly advantageously between 5% and 20%.
  • Other advantageous ⁇ exemplary alloys for the liquid jet anode are generation rell example Lii_ x Bi x or
  • the set in the embodiment shown transparency of the anode beam 25 for the accelerated to 150 keV electrons of the electron beam 11 causes only a portion of the energy of the electron beam 11 can be converted into X-radiation ⁇ .
  • an electron collector 35th is arranged in the direction of the electron beam 11 to the interaction region 31, an electron collector 35th
  • the Elektronenkol ⁇ lecturer 35 is brought by the electric circuit on an electric potential between the potential of the electron source ⁇ 7 and the potential of the anode beam 25th
  • the potential of the electron collector is -80 kV, so that the electrons passing through the anode beam 25 are largely decelerated on their way to the collector 35 and a majority of their kinetic energy can be returned to the electrical circuit.
  • the electron collector 35 is formed in the example shown as part of the inner vacuum container 5 and is connected to this electrically conductive.
  • the material of the electron collector 35 is formed such that a überwie ⁇ gender portion of the electrons is collected in the electron collector 35th
  • the electron collector 35 is made of stainless steel.
  • the thickness of the Elektronenkol ⁇ lector 35 in the direction of electron beam 13 is formed so that the highest possible absorption of the electrons takes place, in this example, the wall thickness is 4 mm.
  • the electric In the electron beam direction 13, the collector has a circular segment-shaped recess.
  • the inner vacuum container 5 is at the same potential as the electron collector 35, ie at -80 kV.
  • the internal vacuum container 5 is particularly suitable to absorb other scattered electrons which have been changed in particular in interaction ⁇ portion 31 in its direction of flight. These can also be, for example, backscattered electrons 36.
  • the electron collector 35 and / or the remaining part of the inner vacuum container 5 may be thermally coupled with a coolant gekop ⁇ pelt to counteract caused by the absorption of the electrons heating.
  • the intermediate space 37 between the inner vacuum container 5 and the outer housing can also be filled with a cooling liquid, for example with oil.
  • the exemplary embodiment shown of corrugated ⁇ formed shape of the inner vacuum vessel 5 has the Customized ⁇ ren advantage that form on the inner surface with respect to a condensation of the vaporized in the interior of the vacuum container 5 Anode material shadow zones. This advantageously prevents the formation of a continuous conductive coating of condensed anode material.
  • the material of the inner vacuum container 5 is, for example, electrically insulating at least on the inside.
  • the X-ray radiation produced in the interaction region 31 can be coupled out of the X-ray source 1 by a beam exit window, not shown in FIG. 1.
  • both the internal vacuum ⁇ container 5 and the outer casing 3 having an X-ray-ray transmissive window are provided. These two windows are in a plane outside of that shown in FIG.
  • the windows can be positioned so that X-ray radiation can be coupled out with a central beam direction perpendicular to the section plane shown.
  • the exit windows may also be arranged in the vicinity of the electron collector 35, so that X-ray radiation having a significant component in the direction of the electron beam direction 13 is produced. pelt.
  • the windows can be arranged in the vicinity of the electron source 7, so that X-ray radiation with a strong directional component opposite to the electron beam direction 13 is coupled out.
  • the last-mentioned embodiment is particularly favorable in order to decouple a high proportion of characteristic X-radiation in relation to the Bremsstrahlung.
  • the exit windows may also be arranged in the vicinity of the electron collector 35, so that X-ray radiation having a significant component in the direction of the electron beam direction 13 is produced. pelt.
  • the windows can be arranged in the vicinity of the electron source 7, so that X-ray radiation with a strong directional component opposite to the electron beam direction 13 is coupled out.
  • Beam exit window may be arranged so that the mean beam direction of the X-radiation to be coupled out an angle between 130 ° and 230 ° with the electron beam direction 13 includes. More preferably, the angle is connected ⁇ may range between 160 ° and 200 °.
  • the electron beam 11 can also be guided on a curved path. Such an embodiment facilitates the decoupling of the resulting X-ray radiation in a direction opposite to the electron beam 11.

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Abstract

Es wird eine Röntgenquelle (1) mit einem Anodenstrahlgenerator (17) zur Erzeugung eines flüssigen Anodenstrahls (25) und einer Elektronenquelle (7) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (11) angegeben, der in einem Wechselwirkungsbereich (31) auf den Anodenstrahl gerichtet ist. Die Röntgenquelle umfasst ferner einen Elektronenkollektor (35), der zum Abbremsen und anschließenden Auffangen von den Anodenstrahl durchdringenden Elektronen ausgestaltet ist und der in Richtung des Elektronenstrahls nach dem Wechselwirkungsbereich angeordnet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels einer Röntgenquelle angegeben, bei dem mit einem Anodenstrahlgenerator ein flüssiger Anodenstrahl erzeugt wird. Weiterhin wird mit einer Elektronenquelle ein Elektronenstrahl erzeugt, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anodenstrahl gerichtet wird. Im Wechselwirkungsbereich wird durch die Wechselwirkung von Elektronenstrahl und Anodenstrahl Röntgenstrahlung erzeugt, und ein den Anodenstrahl durchdringender Anteil der Elektronen des Elektronenstrahls wird durch einen Elektronenkollektor abgebremst und anschließend aufgefangen.

Description

Beschreibung
Röntgenquelle und Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenquelle mit einem Anodenstrahlgenerator zur Erzeugung eines flüssigen Anodenstrahls und einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anodenstrahl gerichtet ist.
Bei bekannten Röntgenquellen werden von einer Elektronenquelle ausgesendete Elektronenstrahlen in Richtung einer Anode so stark beschleunigt, dass durch die Wechselwirkung zwischen Anode und Elektronenstrahl Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die Röntgenstrahlung wird dabei typischerweise sowohl in Form von Bremsstrahlung als auch in Form von charakteristischer Röntgenstrahlung erzeugt. Es ergibt sich dann ein Röntgenspekt¬ rum, in dem beide Arten von Röntgenstrahlung einander überla- gert sind.
Bei herkömmlichen Röntgenquellen liegt das Anodenmaterial als Feststoff vor. Die feste Anode kann dabei entweder ortsfest angeordnet sein, oder es wird eine sogenannte Drehanode ver- wendet, die beim Betrieb der Röntgenquelle schnell rotiert, um die lokale Aufheizung des Anodenmaterials im Bereich der Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl zu verringern. Röntgenröhren mit Festkörper-Anoden haben allgemein den Nachteil, dass die Leistungsdichte der im Wechselwirkungsbereich ent- stehenden Röntgenstrahlung durch die bei der Wechselwirkung erzeugte Wärme limitiert ist. Sowohl für die medizinische Bildgebung als auch für die Röntgenanalytik ist es wünschenswert, Röntgenquellen mit möglichst hoher Leistung und mit möglichst kleinem Brennfleck, also mit möglichst geringer Ausdehnung des Wechselwirkungsbereichs zu entwickeln. Die
Leistungsdichte ist bei festen Drehanoden vor allem durch die thermische Belastbarkeit des Anodenmaterials und durch die Geschwindigkeit der Rotation limitiert. Die Leistungsdichte muss dabei niedrig genug sein, um ein lokales Schmelzen oder gar ein Abdampfen des Anodenmaterials zu verhindern.
Die Leistungsdichte von Röntgenquellen kann durch den Einsatz von sogenannten Metallstrahl-Röntgenquellen verbessert werden, bei denen ein flüssiger Anodenstrahl erzeugt wird und in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl gebracht wird. Eine solche Flüssiganodenquelle ist in der EP 1 305 984 beschrie¬ ben. Der Anodenstrahl wird hier durch Herausdrücken eines in einem geheizten Druckbehälter verflüssigten Materials durch eine Auslassöffnung erzeugt. Bei den so erzeugten Anodenstrahlen kann das Anodenmaterial im Strahl eine Geschwindig¬ keit im Bereich von 10 bis 1000 m/s aufweisen. Damit kann die Transportgeschwindigkeit um etwa eine Größenordnung höher liegen als bei typischen Drehanoden, was die mögliche lokale Leistungsdichte stark erhöht. Außerdem durchläuft der Strahl im Gegensatz zur Drehanode den Wechselwirkungsbereich nur einmal, bevor das flüssige Material aufgefangen und dem
Kreislauf wieder zugeführt wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Anodenmaterial bereits verflüssigt ist, und dass nicht wie bei der festen Drehanode ein Schmelzen des Materials verhindert werden muss. Daher ist auch die erlaubte thermische Last deutlich größer als bei Röntgenquellen mit festen Anoden. Es muss nur ein zu starkes Verdampfen des Anodenmaterials vermieden werden.
Ein Nachteil der bekannten Metallstrahlquellen ist jedoch, dass die energetische Effizienz für die Erzeugung von charak- teristischer Röntgenstrahlung relativ gering ist. Flüssige Anodenstrahlen haben typischerweise ein annähernd kreiszylindrisches Strahlprofil mit Durchmessern im Bereich von 100 bis 500 ym. Ein großer Anteil der Elektronen wird durch die Wechselwirkung mit einem solchen Anodenstrahl bis zum Still- stand abgebremst, obwohl nur der eher hochenergetischer Teil der Elektronen zur Erzeugung von charakteristischer Röntgenstrahlung geeignet ist. So entsteht durch die Wechselwirkung viel Bremsstrahlung. Dieser Nachteil ist besonders schwerwie- gend bei Anwendungen, bei denen möglichst monochromatische Röntgenstrahlung, also ein möglichst hoher Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung benötigt wird. Vor allem bei der medizinischen Bildgebung ist eine quasi-monochromatische Röntgenquelle vorteilhaft, um einen guten Weichteilkontrast bei möglichst niedriger Dosisbelastung des Patienten zu erreichen. Aber auch in der Röntgenanalytik besteht ein immer größerer Bedarf an spektral schmalbandiger Röntgenstrahlung mit kleinen Brennflecken und hohen Leistungsdichten.
Zur Erzeugung von quasi-monochromatischer Röntgenstrahlung mit einem hohen Anteil an charakteristischer Strahlung ist es allgemein günstig, eine möglichst dünne Anode zu verwenden, welche die Elektronen nicht vollständig abbremst und nur ei- nen geringen Anteil an Bremsstrahlung erzeugt. Eine hierfür günstige Anodendicke liegt beispielsweise bei gängigen Mate¬ rialien in einem Bereich zwischen 0.1 ym und 10 ym. Würde ein kreiszylindrischer Anodenstrahl mit einem Durchmesser unterhalb von 10 ym eingesetzt, dann wäre allerdings auch die Breite des Wechselwirkungsbereichs nur weniger als 10 ym, und die maximale Leistung der Röntgenquelle wäre wieder stark be¬ grenzt, da die gesamte Leistung auf sehr kleinem Raum erzeugt werden muss. Auch der Elektronenstrahl müsste auf diesen sehr engen Bereich fokussiert werden. Bei den Metallstrahlanoden ist die maximale Leistungsdichte der erzeugten Röntgenstrah¬ lung vor allem durch das Verdampfen des Anodenmaterials bei einem lokal sehr hohen Energieeintrag in die Anode begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenquelle anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Röntgenquelle und das in Anspruch 10 beschriebene Verfahren gelöst . Die erfindungsgemäße Röntgenquelle umfasst einen Anoden- strahlgenerator zur Erzeugung eines flüssigen Anodenstrahls und eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronen¬ strahls, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anoden- strahl gerichtet ist. Sie umfasst ferner einen Elektronenkol¬ lektor, der zum Abbremsen und anschließenden Auffangen von den Anodenstrahl durchdringenden Elektronen ausgestaltet ist und der in Richtung des Elektronenstrahls nach dem Wechsel¬ wirkungsbereich angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Röntgenquelle ermöglicht es, durch Ver¬ wendung eines flüssigen Anodenstrahls in dem Wechselwirkungs¬ bereich zwischen Anodenstrahl und Elektronenstrahl Röntgenstrahlung mit hoher Leistungsdichte zu erzeugen. Insbesondere kann der Elektronenstrahl im Wechselwirkungsbereich eine hohe Leistungsdichte aufweisen und relativ eng fokussiert sein, da das flüssige Anodenmaterial im Strahl schnell weitertranspor¬ tiert werden kann. Außerdem kann ein im Verhältnis zu Festanoden vergleichsweise hoher Wärmeeintrag durch in das Ano- denmaterial durch die Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl toleriert werden, da das Anodenmaterial bereits in der flüs¬ sigen Phase vorliegt und ein Schmelzen nicht verhindert wer¬ den muss. Durch die Ausgestaltung der Röntgenröhre mit einem Elektronenkollektor ist es vorteilhaft, die Röntgenröhre so auszugestalten und zu betreiben, dass die beschleunigten Elektronen nur zum Teil durch den Anodenstrahl abgebremst und/oder absorbiert werden. Ein verbleibender Anteil kann den Anodenstrahl durchdringen und wird höchstens schwach abgebremst. Dieser verbleibende Anteil der Elektronen kann dann unter Rückgewinnung der kinetischen Energie in elektrische
Energie von dem Elektronenkollektor abgebremst und von diesem absorbiert werden. Dazu sind Material und Dicke des Elektro¬ nenkollektors vorteilhaft so gewählt, dass bei einer maxima¬ len Betriebsspannung der Röntgenröhre die den Anodenstrahl durchdringenden Elektronen vom Elektronenkollektor im Wesentlichen absorbiert werden. Der Vorteil einer reduzierten Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Anodenstrahl liegt darin, dass ein höherer Anteil an quasi-monochromatischer charakteristischer Röntgenstrahlung und ein niedrigerer Anteil an spektral breiter Bremsstrahlung entsteht im Vergleich zu einer herkömmlichen Röntgenröhre, bei der der Elektronenstrahl durch das Anodenmaterial fast vollständig absorbiert wird. Die nur anteilige Schwächung der kinetischen Energie der Elektronen wird durch die Wahl eines relativ dünnen und im Mittel nur schwach elek- tronenabsorbierenden Anodenstrahls erreicht. Diese nur antei¬ lige Schwächung der kinetischen Energie bewirkt, dass die Röntgenstrahlung stärker durch Wechselwirkung der noch hochenergetischen beschleunigten Elektronen mit dem Anodenmaterial erzeugt wird, so dass mehr charakteristische Röntgenstrah¬ lung erzeugt wird. Die schon in ihrer Energie reduzierten
Elektronen würden dagegen bei weiterer Abbremsung im Anodenmaterial im Wesentlichen niederenergetische und spektral breitere Bremsstrahlung erzeugen. Um diesen Prozess weitgehend zu unterdrücken, werden die bereits in ihrer Energie ab- geschwächten Elektronen nicht weiter gebremst, sondern sie können den schwach absorbierenden Anodenstrahl zu einem großen Teil durchdringen und werden stattdessen durch den Elektronenkollektor abgebremst und aufgefangen. Somit ist die erfindungsgemäße Röntgenquelle geeignet, Röntgenstrahlung mit hoher Leistungsdichte, einem hohen Anteil an charakteristi¬ scher Strahlung, kleinem Brennfleck und mit einer hohen energetischen Effizienz zu erzeugen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Erzeugung von Röntgen- Strahlung mittels einer Röntgenquelle wird mit einem Anoden- strahlgenerator ein flüssiger Anodenstrahl erzeugt. Weiterhin wird mit einer Elektronenquelle ein Elektronenstrahl erzeugt, der in einem Wechselwirkungsbereich auf den Anodenstrahl gerichtet wird. Im Wechselwirkungsbereich wird durch die Wech- selwirkung von Elektronenstrahl und Anodenstrahl Röntgenstrahlung erzeugt, und ein den Anodenstrahl durchdringender Anteil der Elektronen des Elektronenstrahls wird durch einen Elektronenkollektor abgebremst und anschließend aufgefangen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die Röntgenquelle zusätzlich folgende Merkmale aufweisen: Die Röntgenquelle kann einen elektrischen Schaltkreis aufwei¬ sen, durch den der Elektronenkollektor beim Betrieb der Röntgenquelle auf ein im Verhältnis zum Anodenstrahl negatives elektrisches Potential bringbar ist. Vorteilhaft ist durch den elektrischen Schaltkreis auch der Anodenstrahl auf ein im Verhältnis zur Elektronenquelle positives Potential bringbar, so dass Elektronen beim Betrieb der Röntgenquelle von der Elektronenquelle in Richtung des Anodenstrahls beschleunigt werden. Durch das im Verhältnis zum Anodenstrahl negative elektrische Potential des Elektronenkollektors wird erreicht, dass die den Anodenstrahl durchdringenden Elektronen des
Elektronenstahls zwischen Anodenstrahl und Elektronenkollektor abgebremst werden. Durch ein solches elektrostatisches Abbremsen wird erreicht, dass die nach dem Wechselwirkungsbe¬ reich verbleibende kinetische Energie der Elektronen zurück- gewonnen wird. Diese Energie wird großenteils in den elektri¬ schen Schaltkreis eingespeist und kann wieder zum Beschleunigen des Elektronenstrahls aus der Elektronenquelle eingesetzt werden. Weiterhin bewirkt das Abbremsen der Elektronen, dass sie leichter im Material des Elektronenkollektors absorbiert werden können, auch bei einer geringeren Wahl der Kollektordicke als es ohne ein vorheriges Abbremsen nötig wäre. Es ist also vorteilhaft, die Elektronen zuerst auf dem Weg zum Kol¬ lektor elektrostatisch abzubremsen und erst dann im Material des Kollektors zu absorbieren. Auf diese Weise wird beim Ab- bremsen dieser Elektronen nur ein geringer Anteil an Bremsstrahlung erzeugt, und ein großer Anteil der Energie kann zu¬ rückgewonnen werden. Der elektrische Schaltkreis kann so ausgestaltet sein, dass der Elektronenkollektor beim Betrieb der Röntgenquelle auf ein elektrisches Potential bringbar ist, welches zwischen einem elektrischen Potential der Elektronenquelle und dem elektrischen Potential des Anodenstrahls liegt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Elektronen von der Elektronenquelle zum Anodenstrahl beschleunigt werden, und dass sie zwischen dem Anodenstrahl und dem Elektronenkollektor wieder abgebremst werden. Durch die Wahl des Kollektorpoten- tials zwischen den anderen beiden Potentialen werden die
Elektronen auf dem Weg zum Elektronenkollektor weitgehend, aber nicht vollständig abgebremst, so dass sie mit einer Restgeschwindigkeit auf den Elektronenkollektor treffen und von diesem zuverlässig absorbiert werden können. Besonders vorteilhaft ist das Potential des Elektronenkollektors so ge¬ wählt, dass es näher beim Potential der Elektronenquelle liegt als beim Potential des Anodenstrahls. Auf diese Weise werden die Elektronen auf dem Weg vom Anodenstrahl zum Kollektor um mindestens die Hälfte ihrer verbleibenden kineti- sehen Energie abgebremst. Der größere Anteil der kinetischen Energie kann also durch den Schaltkreis zurückgewonnen werden, was die energetische Effizienz der Quelle erhöht, und nur ein kleiner Anteil wird durch Wechselwirkung mit dem Material des Kollektors in Bremsstrahlung umgesetzt, was die monochromatischen Eigenschaften der Röntgenquelle verbessert.
Der Kollektor kann entlang der Elektronenstrahlrichtung dicker ausgestaltet sein als die mittlere Eindringtiefe der Elektronen bei einer kinetischen Energie der Elektronen von 150 keV. Die maximale kinetische Energie, auf die Elektronen in Röntgenquellen beschleunigt werden, kann vorteilhaft im Bereich bis zu 150 keV liegen. Das Material des Kollektors kann ein elektrisch leitendes Material umfassen, beispiels¬ weise Edelstahl und/oder Kupfer. Der Kollektor kann entlang der Elektronenstrahlrichtung eine Dicke von wenigstens 1 mm aufweisen. Der Elektronenkollektor kann in Elektronenstrahlrichtung eine Vertiefung aufweisen. Eine solche Vertiefung ist vorteilhaft, um die beschleunigten Elektronen im Kollek- tor zuverlässig aufzufangen und ein seitliches Entweichen der Elektronen zum Außengehäuse der Röntgenquelle zu verhindern. Die Ausbildung einer Vertiefung des Elektronenkollektors ist zweckmäßig, da ein gewisser Anteil der Elektronen an der Ano- de gestreut und somit in ihrer Flugrichtung verändert werden. Ein Elektronenkollektor mit einer Vertiefung ist besonders geeignet, möglichst viele gestreute Elektronen aufzufangen. Die beschriebene Vertiefung kann trapezförmig ausgestaltet sein. Alternativ kann die Vertiefung auch rechteckförmig, U-förmig oder kreissegmentförmig ausgestaltet sein. Sie kann vorteilhaft eine Tiefe von wenigstens 1 cm aufweisen.
Das Material und die Breite des flüssigen Anodenstrahls kön¬ nen so ausgestaltet sein, dass bei einer maximalen Betriebs- Spannung der Röntgenquelle die kinetische Energie des Elek¬ tronenstrahls im Wechselwirkungsbereich durch den Anodenstrahl um höchstens 50 % geschwächt wird. Besonders vorteil¬ haft kann die kinetische Energie des Elektronenstrahls um höchstens 30 % geschwächt werden. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass der Anteil an charakteristischer Strahlung im Spektrum der erzeugten Röntgenstrahlung erhöht wird.
Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfassen, wobei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoeffizienten der ersten Komponente aufweist. Mit dem Schwächungskoeffizienten ist hierbei der Koeffizient der spezifischen Schwächung der kinetischen Energie des Elektronenstrahls bei der maximalen Betriebsspannung der Röntgenquelle gemeint. In dieser Ausfüh- rungsform werden die Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl und die Erzeugung von Röntgenstrahlung stärker durch die erste Komponente bewirkt, während die zweite Komponente für den Elektronenstrahl vergleichsweise transparent ist. Durch den Zusatz der zweiten Komponente kann die Breite des Anoden- Strahls bei gleicher anteiliger Schwächung des Elektronenstrahls größer gewählt werden als bei einem Anodenstrahl mit nur einer stark absorbierenden ersten Komponente. Durch diese Ausgestaltungsform wird erreicht, dass der Anodenstrahl nur eine anteilige Schwächung der kinetischen Energie der Elektronen bewirkt und trotzdem eine höhere Breite aufweisen kann, die sich aus anderen geometrischen Anforderungen bei der Auslegung der Röntgenquelle ergeben kann. Beispielsweise kann die Breite des Anodenstrahls vorteilhaft wenigstens so groß sein wie die Breite des Elektronenstrahls und/oder die Breite des gewünschten Brennflecks, und der Anodenstrahl kann trotzdem eine vorteilhaft niedrige Schwächung des Elektronenstrahls aufweisen. Vorteilhaft ist der molare Anteil der zweiten Komponente wenigstens 30 %, so dass die volumenspezi¬ fische Schwächung des Elektronenstrahls durch diese Komponen¬ te wirksam reduziert wird.
Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfassen, wobei die zweite Komponente eine mittlere Ordnungszahl von höchstens 20 auf¬ weist. Die zweite Komponente ist also relativ transparent für den beschleunigten Elektronenstrahl und kann die Schwächung des Elektronenstrahls durch den Anodenstrahl bei gleicher Breite des Elektronenstrahls wirksam verringern. Vorteilhaft ist der molare Anteil der zweiten Komponente wenigstens 30 %, so dass die volumenspezifische Schwächung des Elektronen¬ strahls durch diese Komponente wirksam reduziert wird. Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfassen, wobei die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl von mindestens 30 auf¬ weist. Die erste Komponente soll also wenigstens ein schweres bis mittelschweres Element umfassen, das mit dem Elektronen- strahl ausreichend in Wechselwirkung tritt, um Röntgenstrahlung, besonders vorteilhaft einen hohen Anteil an charakte¬ ristischer Röntgenstrahlung, zu erzeugen. Besonders vorteilhaft kann die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl zwischen 30 und 92 aufweisen.
Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann eine metalli¬ sche Legierung umfassen, besonders vorteilhaft eine metalli¬ sche Legierung mit einer ersten Komponenten und einer zweiten Komponente, wobei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoeffizienten der ersten Komponente aufweist. Metallische Materialien sind besonders geeignet für flüssige Anodenstrahlen, da sie ausreichend schwere Komponenten zur Erzeugung von charakteristischer Röntgenstrahlung aufweisen können und gleichzeitig einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweisen können. Metallische Legierungen weisen außerdem typischerweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, so dass über einen elektrischen Schaltkreis ein definiertes elektri- sches Potential an dem entstehenden Anodenstrahl angelegt werden kann.
Das Material des flüssigen Anodenstrahls kann einen Schmelz¬ punkt von höchstens 250 °C aufweisen. Besonders vorteilhaft kann das Material des flüssigen Anodenstrahls einen Schmelz¬ punkt von höchstens 200 °C aufweisen. Bei diesen Ausgestal¬ tungsformen ist der flüssige Anodenstrahl relativ leicht durch Hinauspressen eines in einem geheizten Druckbehälter verflüssigten Materials durch eine Austrittsöffnung
erzeugbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens gehen aus den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das Verfahren zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Der Elektronenkollektor kann auf ein im Verhältnis zum Anodenstrahl negatives elektrisches Potential gebracht werden. Eine maximale Betriebsspannung der Röntgenquelle, ein Material des Anodenstrahls und eine Breite des Anodenstrahls können so gewählt werden, dass die kinetische Energie des Elektro¬ nenstrahls im Wechselwirkungsbereich durch den Anodenstrahl um höchstens 50 % geschwächt wird.
Der Anodenstrahl kann aus einem Material erzeugt werden, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo- bei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoef¬ fizienten der ersten Komponente aufweist.
Der Anodenstrahl kann aus einem Material erzeugt werden, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo¬ bei die zweite Komponente eine mittlere Ordnungszahl von höchstens 20 aufweist.
Der Anodenstrahl kann aus einem Material erzeugt werden, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo¬ bei die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl von min¬ destens 30 aufweist.
Die Vorteile der Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich analog zu den entsprechenden Ausführungsformen der Röntgenquelle .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus¬ führungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die einzige Zeich- nung beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle 1 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er¬ findung. Gezeigt ist ein Außengehäuse 3, in dem die wesentli- chen Komponenten der Röntgenquelle 1 angeordnet sind. Inner¬ halb des Außengehäuses 3 ist ein innerer Vakuumbehälter 5 angeordnet, in dessen Innenraum 15 ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Innerhalb des Außengehäuses 3 ist weiterhin eine Elektronenquelle 7 angeordnet, durch die ein Elektronenstrahl 11 erzeugt und durch ein Elektronenrohr 9 entlang einer Elek- tronenstrahlrichtung 13 in das Innere des Vakuumbehälters 5 beschleunigt werden kann. Das Innere des Elektronenrohrs 9 ist dabei ebenfalls evakuiert und gegen die Außenwand der Elektronenquelle 7 und die Wand des inneren Vakuumbehälters 5 abgedichtet. Im Inneren des Vakuumbehälters 5 ist ein Anoden- strahlgenerator 17 angeordnet, der einen Druckbehälter 19 und in diesem Beispiel einen Sammelbehälter 29 umfasst. Im Druckbehälter 19 ist ein Vorrat an Anodenmaterial 33 enthalten, das durch die in diesem Beispiel heizbaren Wände des Druckbe¬ hälters 19 geheizt wird und bei einer Betriebstemperatur des Drückbehälters 19 verflüssigt vorliegt. Es können auch noch weitere Heizvorrichtungen zum Aufheizen des Anodenmaterials 33 im Inneren des Druckbehälters 19 vorgesehen sein. Die Temperatur des flüssigen Anodenmaterials 33 kann beispielsweise zwischen 30°C und 250°C liegen. Das so verflüssigte Anodenma¬ terial 33 wird über ein Ventil 21 durch eine Düse 23 aus dem Druckbehälter 19 gepresst, so dass ein flüssiger Anodenstrahl 25 gebildet wird. Der flüssige Anodenstrahl 25 wird in einem Wechselwirkungsbereich 31 mit dem Elektronenstrahl 11 in Wechselwirkung gebracht, so dass in diesem Bereich durch die Wechselwirkung von Anodenmaterial 33 und beschleunigten
Elektronen 11 Röntgenstrahlung erzeugt wird. Durch das Her- auspressen des Anodenmaterials 33 durch die Düse 23 kann der Anodenstrahl 25 entlang der Anodenstrahlrichtung 27 eine Geschwindigkeit im Bereich von 10 m/s bis 1000 m/s, besonders vorteilhaft zwischen 100 m/s und 1000 m/s erreichen. Durch diese relativ hohe Geschwindigkeit wird auch bei hohen Elek- tronenstrahlleistungen ein zu starkes lokales Aufheizen des Anodenmaterials 33 vermieden, so dass nur ein sehr geringer Anteil des Anodenmaterials 33 verdampft. Ein solches Verdamp¬ fen ist zu vermeiden, da dadurch die Qualität des Vakuums im evakuierten Raum 15 vermindert würde, was wiederum die Quali- tät des Elektronenstrahls 11 beeinträchtigen würde. Ein gutes Vakuum im Bereich des Elektronenstrahls 11 ist wichtig, um einen räumlich eng fokussierten Elektronenstrahl 11 mit definierter kinetischer Energie zu erzeugen und zu führen. Um ein Verdampfen des Anodenstrahls 25 möglichst zu verringern, wird auch die zwischen Druckbehälter 19 und Sammelbehälter 29 zurückgelegte freie Strecke möglichst gering gehalten. Bei¬ spielsweise kann diese freie Strecke im Bereich zwischen 0.5 mm und 10 mm liegen. Im Sammelbehälter 19 wird das Anodenmaterial 33 aufgefangen und in einem hier nicht näher ge- zeigten Rückführungssystem wieder dem Druckbehälter 19 zugeführt. Der Sammelbehälter 19 kann gekühlt werden, um die Kondensation des Anodenmaterials 33 zu erleichtern und ein Verdampfen des Anodenmaterials in den evakuierten Raum 15 hinein zu verringern. Dazu kann die Außenwand des Sammelbehälters 29 beispielsweise mit Kühlkanälen versehen sein, die von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die Elektronen des Elektronenstrahls 11 werden zwischen Elektronenquelle 7 und Wechselwirkungsbereich 31 auf den Anodenstrahl 25 hin beschleunigt. Dies wird durch einen hier nicht gezeigten elektrischen Schaltkreis erreicht, durch den der Anodenstrahl 25 im Verhältnis zur Elektronenquelle 7 beim Be- trieb der Röntgenquelle 1 auf ein positives elektrisches Po¬ tential gebracht wird. Beispielsweise kann die Elektronen¬ quelle 7 auf einem Potential von -100 kV liegen, und der Druckbehälter 19 mit dem Vorrat an Anodenmaterial 33 kann auf einem Potential von 0 V liegen. Dadurch erhält der entstehen- de Anodenstrahl 25 ebenfalls ein Potential von 0 V, und die Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle 7 und Anodenstrahl 25 beträgt 100 kV. Dann liegt die durch die Beschleu¬ nigung der Elektronen bis zum Anodenstrahl 25 erreichbare maximale kinetische Energie bei 100 keV, und es kann durch Wechselwirkung mit dem Anodenmaterial 33 Röntgenstrahlung mit Photonenenergien bis zu 100 keV erzeugt werden. Die Potenti¬ aldifferenz zwischen Elektronenquelle 7 und Anodenstrahl 25 wird auch allgemein als Betriebsspannung der Röntgenquelle 1 bezeichnet. Für die Röntgenquelle 1 kann eine maximale Be- triebsspannung vorgesehen sein, wobei für verschiedene Betriebsmodi variable Betriebsspannungen vorgehsehen sein können. Allgemein können für diese maximale Betriebsspannung vorteilhaft Werte in einem Bereich bis zu 150 kV vorgesehen sein .
In dem Bereich zwischen Elektronenquelle 7 und Anodenstrahl 25 können weitere hier nicht gezeigte Fokussierelektroden und/oder Steuerelektroden vorgesehen sein, die zur Formung und Fokussierung des Elektronenstrahls dienen. Im Wechselwir- kungsbereich 31 kann der Elektronenstrahl 11 beispielsweise auf eine vorteilhafte Strahlbreite im Bereich zwischen 10 ym und 200 ym, besonders vorteilhaft zwischen 10 ym und 100 ym fokussiert werden. Der Elektronstrahl 11 kann dabei im Wech- selwirkungsbereich 31 ein annähernd symmetrischer und annähernd kreiszylindrischer Strahl sein. Alternativ kann er kann aber auch asymmetrisch sein und in verschiedenen Raumrichtungen senkrecht zur Elektronenstrahlrichtung 13 verschiedene Strahlbreiten aufweisen. Der Elektronenstrahl 11 kann auf seine ganze Länge betrachtet eine taillierte Form aufweisen, wobei der schmale Bereich der Taille im Bereich der Wechsel¬ wirkungszone 31 angeordnet ist. Der Elektronenstrahl 11 und der Anodenstrahl 25 sind so ausgerichtet, dass sie im Wechselwirkungsbereich 31 möglichst genau aufeinander treffen. In Fig. 1 ist zwischen Elektronenstrahl 11 und Anodenstrahl 25 ein Winkel von etwa 90° gezeigt, die Strahlen können jedoch auch in davon abweichenden Winkeln aufeinander treffen. Die Breite des Elektronenstrahls 11 und die Breite des Anodenstrahls 25 sind vorteilhaft ähn¬ lich groß und weichen beispielsweise um höchstens +/- 50 % voneinander ab. Da der Elektronenstrahl keine scharf definierte räumliche Abgrenzung aufweist, soll dabei unter der Breite dieses Strahls die Halbwertsbreite bezogen auf die ma¬ ximale Elektronendichte verstanden werden. Die Düse 23 des Anodenstrahlgenerators 17 ist hier so geformt, das ein Ano¬ denstrahl 25 mit etwa kreiszylindrischem Querschnitt entsteht .
Die räumlichen Abmessungen des Wechselwirkungsbereichs 31 werden von den Strahlprofilen des Elektronenstrahls 11 und des Anodenstrahls 25 sowie von der Ausrichtung der beiden Strahlen zueinander und von dem eingeschlossenen Winkel be- stimmt. Der Wechselwirkungsbereich 31 wird bei herkömmlichen Röntgenquellen auch als Brennfleck bezeichnet. Seine Größe bestimmt die optisch wirksame Fokusgröße der Röntgenquelle. Für räumlich hochauflösende Röntgenuntersuchungen besonders geeignete Röntgenquellen 1 weisen Brennfleckgrößen im Bereich von höchstens 200 ym, besonders vorteilhaft im Bereich von höchstens 100 ym auf. In dem gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die maximale Betriebsspannung bei 150 kV. Das Anodenmaterial 33 und die Breite des Anodenstrahls 25 sind so gewählt, dass bei einer maximalen kinetischen Energie der Elektronen von 150 keV die gesamte kinetische Energie des Elektronenstrahls um höchstens 50 geschwächt wird. Zu dieser gesamten Schwächung trägt dabei sowohl die Abbremsung von Elektronen als auch die vollständige Absorption von Elektronen durch den Anodenstrahl 25 bei. Bei einer 50prozentigen Schwächung können also entwe- der 50 Prozent der Elektronen bei unveränderter kinetischer Energie oder ein größerer Anteil der Elektronen bei zum Teil verminderter kinetischer Energie den Anodenstrahl 25 durchdringen. Die unvollständige Absorption des Elektronenstrahls 11 durch den Anodenstrahl 25 bewirkt, dass ein relativ hoher Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung im Wechselwirkungsbereich 31 gebildet wird. Durch die Verwendung des flüssigen Anodenstrahls 25 kann außerdem ein Elektronenstrahl 11 mit sehr hoher Leistungsdichte zum Einsatz kommen, so dass auch Röntgenstrahlung mit hoher Leistung und außerdem enger räumlicher Fokussierung erzeugt werden kann.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Anodenmaterial 33 eine metallische Legierung gewählt, und zwar eine Legie¬ rung aus Barium als erster Komponente und Lithium als zweiter Komponente. Dabei tritt vor allem die schwerere erste Kompo¬ nente in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 11, und es wird vor allem durch diese Wechselwirkung mit der ersten Komponente Röntgenstrahlung erzeugt. Die Funktion von Lithium als zweiter Komponente ist es, die Transparenz der gebildeten Legierung für den Elektronenstrahl 11 so weit zu reduzieren, dass bei einer auf die Breite des Elektronenstrahls 11 ange- passten Breite des Anodenstrahls 25 trotzdem eine Schwächung der Energie des Elektronenstrahl 11 um höchstens 50 % auf¬ tritt. Der molare Anteil der zweiten Komponente ist allgemein vorteilhaft mindestens 80 %, so dass sie eine signifikante Verminderung der spezifischen Schwächung bewirken kann. Im diskutierten Ausführungsbeispiel liegt der Anteil an Barium bei etwa 10.5 % und der Anteil an Lithium bei etwa 89.5 %. Bei dieser Zusammensetzung ergibt sich eine eutektische Le¬ gierung mit einem Schmelzpunkt von 143 °C. Damit kann vor¬ teilhaft bei einer Betriebstemperatur des Druckbehälters 19 unterhalb von 200 °C, in diesem Fall sogar unterhalb von 150 °C, ein flüssiger Anodenstrahl erzeugt werden. Alternativ können auch andere Legierungen des Typs Lii_xBax verwendet werden, wobei x vorteilhaft zwischen 5 % und 40 %, besonders vorteilhaft zwischen 5% und 20% liegen kann. Andere vorteil¬ hafte Legierungen für den flüssigen Anodenstrahl sind gene- rell beispielsweise Lii_xBix oder
Die im gezeigten Ausführungsbeispiel eingestellte Transparenz des Anodenstrahls 25 für die auf bis zu 150 keV beschleunig- ten Elektronen des Elektronenstrahls 11 führt dazu, dass nur ein Teil der Energie des Elektronenstrahls 11 in Röntgen¬ strahlung umgewandelt werden kann. Um die verbleibende kine¬ tische Energie der Elektronen zurückzugewinnen, ist in Richtung des Elektronenstrahls 11 nach dem Wechselwirkungsbereich 31 ein Elektronenkollektor 35 angeordnet. Der Elektronenkol¬ lektor 35 wird durch den elektrischen Schaltkreis auf ein elektrisches Potential zwischen dem Potential der Elektronen¬ quelle 7 und dem Potential des Anodenstrahls 25 gebracht. In diesem Beispiel ist das Potential des Elektronenkollektors bei -80 kV, so dass die den Anodenstrahl 25 durchdringenden Elektronen auf ihrem Weg zum Kollektor 35 weitgehend abgebremst werden und ein überwiegender Teil ihrer kinetischen Energie in den elektrischen Schaltkreis zurückgeführt werden kann. Der Elektronenkollektor 35 ist im gezeigten Beispiel als Teil des inneren Vakuumbehälters 5 ausgebildet und ist mit diesem elektrisch leitend verbunden. Das Material des Elektronenkollektors 35 ist so ausgebildet, dass ein überwie¬ gender Anteil der Elektronen im Elektronenkollektor 35 aufgefangen wird. In diesem Beispiel ist der Elektronenkollektor 35 aus Edelstahl gefertigt. Auch die Dicke des Elektronenkol¬ lektors 35 in Elektronenstrahlrichtung 13 ist so ausgebildet, dass eine möglichst hohe Absorption der Elektronen stattfindet, in diesem Beispiel ist die Wandstärke 4 mm. Der Elektro- nenkollektor weist in Elektronenstrahlrichtung 13 eine kreis- segmentförmige Vertiefung auf. Im gezeigten Beispiel ist der innere Vakuumbehälter 5 auf demselben Potential wie der Elektronenkollektor 35, also auf -80 kV. Hierdurch ist der innere Vakuumbehälter 5 besonders geeignet, auch andere gestreute Elektronen aufzufangen, die insbesondere im Wechselwirkungs¬ bereich 31 in ihrer Flugrichtung verändert wurden. Dies können beispielsweise auch rückgestreute Elektronen 36 sein. Der Elektronenkollektor 35 und/oder der übrige Teil des inneren Vakuumbehälters 5 kann thermisch mit einem Kühlmittel gekop¬ pelt sein, um einem durch die Absorption der Elektronen verursachten Aufheizen entgegenzuwirken. Hierzu kann auch der Zwischenraum 37 zwischen innerem Vakuumbehälter 5 und Außengehäuse mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise mit Öl ge- füllt sein. Die im gezeigten Ausführungsbeispiel gewellt aus¬ gebildete Form des inneren Vakuumbehälters 5 hat den besonde¬ ren Vorteil, dass sich auf der inneren Oberfläche bezüglich einer Kondensation des im Inneren des Vakuumbehälters 5 verdampften Anodenmaterials Schattenzonen ausbilden. Hierdurch wird die Ausbildung einer durchgehend leitfähigen Beschich- tung aus kondensiertem Anodenmaterial vorteilhaft verhindert. Das Material des inneren Vakuumbehälters 5 ist beispielsweise zumindest auf der Innenseite elektrisch isolierend. Die im Wechselwirkungsbereich 31 entstehende Röntgenstrahlung kann durch ein in Fig. 1 nicht gezeigtes Strahlaustrittsfens¬ ter aus der Röntgenquelle 1 ausgekoppelt werden. In dem be¬ vorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl der innere Vakuum¬ behälter 5 als auch das Außengehäuse 3 mit einem röntgen- strahldurchlässigen Fenster versehen. Diese beiden Fenster sind in einer Ebene außerhalb der in Fig. 1 gezeigten
Schnittebene angeordnet. Beispielsweise können die Fenster so positioniert sein, dass Röntgenstrahlung mit einer mittleren Strahlrichtung senkrecht zur gezeigten Schnittebene ausgekop- pelt werden kann. Alternativ können die Austrittsfenster jedoch auch in der Nähe des Elektronenkollektors 35 angeordnet sein, so dass Röntgenstrahlung mit einer signifikanten Komponente in Richtung der Elektronenstrahlrichtung 13 ausgekop- pelt wird. Oder die Fenster können in der Nähe der Elektronenquelle 7 angeordnet sein, so dass Röntgenstrahlung mit einer starken Richtungskomponente entgegengesetzt zur Elekt- ronenstrahlrichtung 13 ausgekoppelt wird. Die letztgenannte Ausführungsform ist besonders günstig, um einen hohen Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung im Verhältnis zur Bremsstrahlung auszukoppeln. Beispielsweise können die
Strahlaustrittsfenster so angeordnet sein, dass die mittlere Strahlrichtung der auszukoppelnden Röntgenstrahlung einen Winkel zwischen 130° und 230° mit der Elektronenstrahlrich- tung 13 einschließt. Besonders bevorzugt kann der einge¬ schlossene Winkel im Bereich zwischen 160° und 200° liegen. Alternativ zur gezeigten geradlinigen Ausbreitung des Elektronenstrahls 11 kann der Elektronenstrahl 11 auch auf einer gekrümmten Bahn geführt werden. Eine solche Ausführungsform erleichtert die Auskopplung der entstehenden Röntgenstrahlung in einer dem Elektronenstrahl 11 entgegengesetzten Richtung.

Claims

Patentansprüche
1. Röntgenquelle (1) mit
- einem Anodenstrahlgenerator (17) zur Erzeugung eines flüs- sigen Anodenstrahls (25) ,
- einer Elektronenquelle (7) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (11), der in einem Wechselwirkungsbereich (31) auf den Anodenstrahl (25) gerichtet ist und
- einem Elektronenkollektor (35) , der zum Abbremsen und an- schließenden Auffangen von dem Anodenstrahl (25) durchdringenden Elektronen ausgestaltet ist und der in Richtung des Elektronenstrahls (11) nach dem Wechselwirkungsbereich (31) angeordnet ist.
2. Röntgenquelle (1) nach Anspruch 1 mit einem elektrischen Schaltkreis, durch den der Elektronenkollektor (35) beim Betrieb der Röntgenquelle (1) auf ein im Verhältnis zum Anoden¬ strahl (25) negatives elektrisches Potential bringbar ist.
3. Röntgenquelle (1) nach Anspruch 2, bei der elektrische
Schaltkreis so ausgestaltet ist, dass der Elektronenkollektor (35) beim Betrieb der Röntgenquelle (1) auf ein elektrisches Potential bringbar ist, welches zwischen einem elektrischen Potential der Elektronenquelle (7) und dem elektrischen Po- tential des Anodenstrahls (25) liegt.
4. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material (33) und die Breite des flüssigen Ano¬ denstrahls (25) so ausgestaltet sind, dass bei einer maxima- len Betriebsspannung der Röntgenquelle (1) die kinetische
Energie des Elektronenstrahls (11) im Wechselwirkungsbereich (31) durch den Anodenstrahl (25) um höchstens 50 % geschwächt wird .
5. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material (33) des flüssigen Anodenstrahls (25) wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo- bei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoef¬ fizienten der ersten Komponente aufweist.
6. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material (33) des flüssigen Anodenstrahls (25) wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo¬ bei die zweite Komponente eine mittlere Ordnungszahl von höchstens 20 aufweist.
7. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material (33) des flüssigen Anodenstrahls (25) wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo¬ bei die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl von min¬ destens 30 aufweist.
8. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material (33) des flüssigen Anodenstrahls (25) eine metallische Legierung umfasst.
9. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material (33) des flüssigen Anodenstrahls (25) einen Schmelzpunkt von höchstens 250 °C aufweist.
10. Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels einer Röntgenquelle (1), bei dem
- mit einem Anodenstrahlgenerator (17) ein flüssiger Anodenstrahl (25) erzeugt wird,
- mit einer Elektronenquelle (7) ein Elektronenstrahl (11) erzeugt wird, der in einem Wechselwirkungsbereich (31) auf den Anodenstrahl (25) gerichtet wird,
- im Wechselwirkungsbereich (31) durch die Wechselwirkung von Elektronenstrahl (11) und Anodenstrahl (25) Röntgenstrahlung erzeugt wird,
- und ein den Anodenstrahl (25) durchdringender Anteil der Elektronen des Elektronenstrahls (11) durch einen Elektro¬ nenkollektor (35) abgebremst und anschließend aufgefangen wird .
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Elektronenkollektor (35) auf ein im Verhältnis zum Anodenstrahl (25) negati¬ ves elektrisches Potential gebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem eine maximale Betriebsspannung der Röntgenquelle (1), ein Ma¬ terial (33) des Anodenstrahls (25) und eine Breite des Ano¬ denstrahls (25) so gewählt werden, dass die kinetische Ener¬ gie des Elektronenstrahls (11) im Wechselwirkungsbereich (31) durch den Anodenstrahl (25) um höchstens 50 % geschwächt wird .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem ein Anodenstrahl (25) aus einem Material (33) erzeugt wird, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo¬ bei die zweite Komponente höchstens 30 % des Schwächungskoef¬ fizienten der ersten Komponente aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem ein Anodenstrahl (25) aus einem Material (33) erzeugt wird, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo¬ bei die zweite Komponente eine mittlere Ordnungszahl von höchstens 20 aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem ein Anodenstrahl (25) aus einem Material (33) erzeugt wird, das wenigstens eine erste und eine zweite Komponente umfasst, wo¬ bei die erste Komponente eine mittlere Ordnungszahl von min¬ destens 30 aufweist.
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