[0001] Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlenquelle zur Erzeugung einer weitgehend
monochromatischen Fluoreszenz-Röntgenstrahlung mit einem primären und einem sekundären
Target.
[0002] Eine Röntgenstrahlenquelle dieser Art ist aus der US-PS 3.867.637 bekannt und umfasst
in einer Röntgenröhre im wesentlichen ein (primäres) Target, das einer Kathode gegenüberliegt
und in dem durch Einfall eines Elektronenstrahls Röntgenstrahlen erzeugt werden. Das
Target ruht auf einem Substrat, das zum Beispiel aus einem Leichtmetall wie Aluminium
oder Beryllium sein kann und das dazu dient, das Target mechanisch zu halten und einen
vakuumfesten Verschluss der Röntgenröhre zu gewährleisten. Das Substrat ist für die
von dem Target ausgehenden Röntgenstrahlen im wesentlichen durchlässig und so dick
gewählt, dass sämtliche einfallenden Elektronen absorbiert werden. Auf die andere
Seite des Substrates ist ein fluoreszierendes Material (sekundäres Target) aufgebracht,
das zum Beispiel Ceriumoxid sein kann, so dass durch die aus dem primären Target einfallenden
Röntgenstrahlen eine materialabhängige monochromatische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung
angeregt wird.
[0003] Ein Problem bei diesen bekannten Röntgenstrahlenquellen besteht darin, dass es relativ
schwierig ist, einen großen Anteil der in dem primären Target erzeugten Röntgenstrahlung
in das sekundäre Target zu koppeln. Dies hat zur Folge, dass die Intensität der angeregten
monochromatischen Fluoreszenz-Röntgenstrahlung entsprechend gering ist bzw. durch
Veränderung der Targets nur auf Kosten der spektralen Reinheit erhöht werden kann.
[0004] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenstrahlenquelle der
eingangs genannten Art zu schaffen, mit der im wesentlichen monochromatische Fluoreszenz-Rontgenstrahlung
mit einer höheren Strahlungsintensität bei gleichzeitig hoher spektraler Reinheit
erzeugt werden kann.
[0005] Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Röntgenstrahlenquelle der eingangs genannten
Art, die sich dadurch auszeichnet, dass das primäre Target ein flüssiges Metall oder
eine flüssige Metalllegierung ist, das/die zwischen einem ersten, für einen Elektronenstrahl
durchlässigen und einem zweiten, für eine Röntgenstrahlung durchlässigen Fenster,
an das sich das sekundäre Target anschließt, in der Weise geführt ist, dass Elektronen,
die durch das erste Fenster auf das primäre Target treffen, Röntgenstrahlen erzeugen,
die beim Erreichen des sekundären Targets im wesentlichen eine einer Absorptionskante
des sekundären Targets entsprechende maximale Energie aufweisen, so dass in dem sekundären
Target eine weitgehend monochromatische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung angeregt wird.
[0006] Das (zumindest im Betriebszustand der Röntgenstrahlenquelle) flüssige Metall bzw.
die Metalllegierung erfüllt dabei nicht nur die Funktion des primären Targets, sondern
bewirkt gleichzeitig eine wirksame Abführung von Wärme aus dem Target und kühlt die
Fenster, wobei insbesondere an dem ersten Fenster durch den einfallenden Elektronenstrahl
eine relativ starke Wärmeentwicklung auftritt. Die Kühlung hat zur Folge, dass die
Elektroneneinstrahlung und damit die thermische Leistungsdichte wesentlich gesteigt
werden kann, so dass sich auch die Strahlungsintensität der monochromatischen Fluoreszenz-Röntgenstrahlen
entsprechend erhöht.
[0007] Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt. Die
Ausführung der Fenster gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass sie einerseits besonders
stabil sind, so dass sie dem Strömungsdruck des fließenden flüssigen Metalls schon
bei relativ geringer Dicke standhalten können und andererseits dem Elektronen- bzw.
Röntgenstrahl eine nur sehr geringe Energie entziehen.
[0008] Die Ausführung nach Anspruch 3 hat den Vorteil, dass eine besonders wirksame Abführung
der Wärme von den Fenstern erzielt wird.
[0009] Die Ausführung nach den Ansprüchen 4 und 5 ermöglicht schließlich eine erhebliche
Verbesserung der spektralen Reinheit der aus dem sekundären Target ausgekoppelten
Röntgenstrahlung.
[0010] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeitung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Ausführungsform;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils der Röntgenstrahlenquelle;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Targetanordnung;
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Targetanordnung;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der spektralen Verläufe der Röntgenstrahlung bei
verschiedenen Auslesewinkeln; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der spektralen Reinheit einer Röntgenlinie in Abhängigkeit
von dem Auslesewinkel.
[0011] In Figur 1 ist ein elektrisch vorzugsweise geerdeter Röhrenkolben 1 dargestellt,
der durch ein erstes Fenster 2 vakuumdicht abgeschlossen ist. In dem Vakuumraum des
Röhrcnkolbens befindet sich eine Kathode 3, die im Betriebszustand einen Elektronenstrahl
4 emittiert, der durch das erste Fenster 2 hindurch auf ein primäres Target 10 in
Form eines flüssigen Metalls trifft, so dass durch Wechselwirkung mit den Elektronen
eine Röntgenstrahlung entsteht. Das flüssige Metall (oder die flüssige Metalllegierung)
befindet sich in einem System 5. Dieses System umfasst Rohrleitungen 50, durch die
das flüssige Metall von einer Pumpe 52 getrieben wird, mit einem Abschnitt 51 gegenüber
dem ersten Fenster 2, sowie einem Wärmetauscher 53, mit dem die in dem flüssigen Metall
entstandene Wärme mittels eines Kühlkreislaufs abgeführt werden kann.
[0012] An der dem ersten Fenster 2 gegenüberliegenden Seite weist der Abschnitt 51 ein zweites
Fenster 6 auf, durch das die in dem flüssigen Metall (primäres Target) angeregte Röntgenstrahlung
in ein sekundäres Target 11 eintritt, um dort eine monochromatische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung
anzuregen. Diese Strahlung wird schließlich über eine an das sckundäre Target angrenzende
Einrichtung 8 ausgeblendet.
[0013] Das erste Fenster 2 hat den Zweck, sowohl den Röhrenkolben 1, als auch den Abschnitt
51, der von dem flüssigen Metall durchströmt wird, vakuumdicht abzuschließen. Das
erste Fenster sollte außerdem aus einem Material bestehen, das für den Elektronenstrahl
möglichst transparent ist, so dass der Energieverlust der Elektronen beim Durchtritt
durch das Fenster und damit auch die entstehende Wärme so gering wie möglich ist.
Das Fenster sollte schließlich auch eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
[0014] Als besonders geeignetes Material hat sich Diamant erwiesen, das schon bei einer
Fensterstärke von 1 um eine ausreichende mechanische Stabilität bietet. Der Energieverlust,
den Elektronen mit einer Energie von z.B. 150 keV in einem solchen Fenster erfahren,
ist geringer als 1%, so dass der in dem Fenster durch die Elektronen hervorgerufene
Wärmestrom niedriger als 500 W ist, wenn das flüssige Metall durch die Elektronen
mit 50 kW erwärmt wird. Weitere Vorteile von Diamant sind schließlich seine hohe thermische
Leitfähigkeit sowie die Tatsache, dass es in einer sauerstofffreien Umgebung ohne
irreversible Veränderungen bis auf 1500°C erwärmt werden kann.
[0015] Die Pumpe 52 arbeitet vorzugsweise nach dem magnetohydrodynamischen Prinzip, so dass
sie keine mechanisch bewegten Teile aufweist. Ein Beispiel für eine solche Pumpe ist
in der US-PS 4.953.191 beschrieben.
[0016] Figur 2 zeigt den Bereich des Abschnitts 51 des Systems 5 mit dem ersten Fenster
2, das einen Siliziumträger 22 mit einer Dicke von zum Beispiel 300 µm sowie eine
Diamantschicht 23 mit einer Dicke von zum Beispiel 100 um umfasst, wobei im Bereich
des Durchtritts des Elektronenstrahls eine Öffnung 21 in den Siliziumträger eingebracht
ist. Die Herstellung eines solchen Fensters wird zum Beispiel in der EP-A-0 957 506
[PHD 98-044] beschrieben.
[0017] Das dem ersten Fenster 2 gegenüberliegende zweite Fenster 6 des Abschnitts 51 ist
bevorzugt in gleicher Weise aufgebaut wie das erste Fenster. Wichtig ist hierbei,
dass es eine gute Durchlässigkeit für die in dem flüssigen Metall angeregten Röntgenstrahlen
aufweist. Diamant hat sich auch hierfür als vorteilhaft erwiesen, da es nicht nur
eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, sondern die in dem Target erzeugten Röntgenstrahlen
in nur sehr geringem Maße absorbiert, da es einerseits auf Grund seiner Festigkeit
sehr dünn sein kann und andererseits eine geringe Ordnungszahl aufweist.
[0018] An das zweite Fenster 6 wird schließlich das sekundäre Target 11 mit der Ausblendcinrichtung
8 angebracht, die mit Bezug auf die Figur 4 näher erläutert werden wird.
[0019] Um die Wirksamkeit der Wärmeabfuhr durch das flüssiges Metall zu erhöhen, befindet
sich im Bereich der Fenster 2, 6 des Abschnitts 51 eine Querschnittsverengung 54,
mit der eine beschleunigt und turbulent fließende Strömung in diesem Bereich erzeugt
wird. Die Querschnittsverengung ist zum Beispiel in der dargestellten Weise asymmetrisch
und hat ein im Querschnitt tragflügelähnliches Profil, wobei der freie Durchtrittsbereich
für das flüssige Metall etwa 100 Mikron gegenüber einem Durchmesser der Rohrleitung
50 von etwa 10 mm betragen kann. Ferner sind die Querschnittsverengung 54 und das
zweite Fenster 6 vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt und bilden ein
beide Funktionen erfüllendes Element.
[0020] Für das primäre Target können Metalle oder Metalllegierungen verwendet werden, die
eine hohe Ordnungszahl aufweisen und bei einer möglichst niedrigen Temperatur, vorzugsweise
Zimmertemperatur flüssig sind. Beispiele hierfür sind Quecksilber, eine Metalllegierung
aus 62,5% Ga, 21,5% In und 16% Sn oder eine Metallregierung aus 43% Bi, 21,7% Pb,
18,3% In, 8% Sn, 5% Cd und 4% Hg (alle Angaben in Gewichtsprozent). Das sekundäre
Target kann zum Beispiel Tantal sein.
[0021] Insbesondere bei den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Targetanordnungen können für
das erste Target auch nichtflüssige Metalle (zum Beispiel Gold) oder Metalllegierungen
verwendet werden.
[0022] Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erste Targetanordnung in
Form einer Schichtstruktur. Der Elektronenstrahl E trifft durch das erste Fenster
2 auf das primäre Target 10, das als Konverter dient und in dem die Röntgenstrahlen
angeregt werden. Diese treten durch das zweite Fenster 6 in das sekundäre Target 11
ein und erzeugen dort die weitgehend monochromatische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung
Rfl.
[0023] Das Funktionsprinzip beruht auf folgenden Überlegungen: Es sei angenommen, dass der
einfallende Elektronenstrahl die Energie E
0 habe, während die Energie einer (materialabhängigen) Absorptionskante K des sekundären
Targets E
k sei. Während die Elektronen durch das primäre Target 10 diffundieren, erzeugen sie
in bekannter Weise Röntgenstrahlen (d.h. im wesentlichen Bremsstrahlung mit einem
relativ breiten Frequenzspektrum) und verlieren dabei Energie. Die Dicke R
1 des primären Targets, das heißt die Weglänge der Elektronen durch das primäre Target,
wird so gewählt, dass die folgende Bedingung näherungsweise erfüllt ist:
wobei in Figur 3 diese Dicke als Radius R
1 um den Eintrittspunkt des Elektronenstrahls E in das primäre Target dargestellt ist.
[0024] In dieser Gleichung bedeutet □E / □X den mittleren Energieverlust der Elektronen
pro Einheit der Weglänge über das Energieintervall E
0 - E
k. Die Elektronen, die das primäre Target bzw. die Weglänge R
1 durchlaufen haben, haben nunmehr nur noch die Energie E
k und können somit in dem sekundären Target 11 keine Bremsstrahlung mit einer Energie
anregen, die größer ist als E
k. Da diese Energie einer Absorptionskante des sekundären Targets entspricht, findet
dort vielmehr eine Absorption der entsprechenden Röntgenstrahlen und eine Anregung
höherer Energiezustände statt, durch deren Rückkehr in den Grundzustand die charakteristische
Strahlung (monochromatische Röntgenlinie, Fluoreszenz-Röntgenstrahlung) erzeugt wird.
[0025] Wenn die Weglänge durch das primäre Target wesentlich kürzer ist, als der mit der
obigen Gleichung errechnete Wert R
1, so ist die Intensität der erzeugten Röntgenstrahlung entsprechend geringer. Wenn
die Weglänge wesentlich größer ist, wird zwar ein wesentlich höherer Anteil der Elektronen
in Röntgenstrahlung umgesetzt, diese wird jedoch in dem primären Target auch wieder
absorbiert, bevor sie das sekundäre Target erreichen kann. In diesen beiden Fällen
ist somit die Intensität der monochromatischen Röntgenstrahlung sehr gering.
[0026] Die Dicke des sekundären Targets, die in Figur 3 durch den Radius R
2 um den Eintrittspunkt des Elektronenstrahls in das primäre Target dargestellt ist,
wird so gewählt, dass die Intensität der Fluoreszenz-Röntgenstrahlung möglichst groß
ist. Ein maximaler Wert wird erreicht, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
wobei µ den linearen Dämpfungskoeffizienten für Röntgenstrahlen in dem sekundären
Target darstellt. Die Photonen-Energie, bei der µ berechnet wird, sollte näherungsweise
(E
0 - E
k) / 2 betragen.
[0027] Die in dem gemäß obiger Gleichung bemessenen Bereich des sekundären Targets erzeugte
monochromatische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung sollte mit einem Winkel ausgelesen werden,
bei dem möglichst kein störender Einfluss von Bremsstrahlung aus dem primären Target
mit der Weglänge R
1 auftritt. Eine optimale Unterdrückung dieser Bremsstrahlung ist dann zu beobachten,
wenn das fluoreszierende Material selbst als Strahlungsfilter für diese Strahlung
dient. Dies ist dann gegeben, wenn der Röntgenstrahl Rfl mit einem relativ geringen
Winkel zu der Ebene des primären Targets ausgelesen wird. Eine solche Richtung ist
in Figur 3 eingezeichnet.
[0028] Zur weiteren Verbesserung der spektralen Reinheit und zur weiteren Minimierung des
in dem Fluoreszenz-Röntgenstrahlen-Spektrum vorhandenen Bremsstrahlungs-Spektrums
kann eine erhöhte Filterwirkung mit der in Figur 4 gezeigten zweiten Targetanordnung
erreicht werden.
[0029] Auch hierbei trifft der Elektronenstrahl durch das erste Fenster 2 hindurch auf das
primäre Target 10, das ein flüssiges oder festes Metall oder eine Metalllegierung
sein kann. Die erzeugte Röntgenstrahlung tritt durch das zweite Fenster 6 in das sekundäre
Target 11 ein.
[0030] Die angeregte monochromatische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung Rfl wird über die Einrichtung
8 ausgeblendet.
[0031] Diese Einrichtung 8 besteht aus einem für die Röntgenstrahlung im wesentlichen undurchlässigen
Material mit einer hohen Ordnungszahl. Durch die trichterförmige Öffnung in dem Material,
die sich in Richtung auf das sekundäre Target verengt und deren Hauptachse einen Winkel
von zwischen etwa 65° und 90° zu der Richtung des einfallenden Elektronenstrahls aufweist,
wird nur solche Strahlung aus dem sekundären Target ausgeblendet, die eine bestimmte
Weglänge zurückgelegt hat.
[0032] Die Bemessung der optimalen Weglänge hängt von der vorgesehenen Anwendung der Röntgenstrahlenquelle
ab und ist stets ein Kompromiss zwischen maximaler Intensität der monochromatischen
Röntgenstrahlung und ihrer spektralen Reinheit, das heißt der Filterwirkung des sekundären
Targets.
[0033] Diese Zusammenhänge sind in den Figuren 5 und 6 graphisch dargestellt, und zwar in
beiden Figuren für eine Targetanordnung aus einem 5 µm starken primären Target aus
Gold, einem Diamantfenster mit einer Stärke von 195 µm und einem sekundären Target
aus Tantal mit einer Stärke von 150 µm, wobei auf das primäre Target ein Elektronenstrahl
E mit einer Energie von 150 keV einfällt.
[0034] Figur 5 zeigt den Verlauf der Energiespektren der unter verschiedenen Winkeln ausgelesenen
monochromatischen Fluoreszenz-Röntgenstrahlung, und zwar Kurve (1) in Reflektion für
einen Z-Winkel von 90 bis 180 Grad, Kurve (2) in Transmission für einen Z-Winkel von
0 bis 90 Grad und Kurve (3) in Transmission für einen Z-Winkel von 65 bis 90 Grad.
Der Z-Winkel erstreckt sich gemäß der Darstellung in den Figuren 5 und 6 zwischen
der Einfallsrichtung des Elektronenstrahls und der Ausleserichtung.
[0035] Kurve (1) zeigt den üblichen Verlauf bei bekannten Röntgenstrahlenröhren, die zwar
zwei deutliche Frequenzlinien zeigen, jedoch oberhalb und unterhalb dieser Linien
auch ein erhebliches Bremsstrahlungsspektrurn aufweisen. Kurve (2) zeigt demgegenüber
ein deutlich vermindertes Bremsstrahlungsspektrurn und Frequenzlinien mit nur geringfügig
verminderter Intensität, während sich Kurve (3) durch eine außerordentlich hohe spektrale
Reinheit bei allerdings deutlich verminderter Intensität der beiden Frequenzlinien
auszeichnet. Insbesondere Kurve (2) stellt jedoch einen für viele Anwendungen günstigen
Kompromiss zwischen hoher spektraler Reinheit bei nur geringfügig verminderter Intensität
der monochromatischen Röntgenstrahlen dar, der in diesem Ausmaß mit dem Stand der
Technik bisher nicht erreicht wurde.
[0036] Figur 6 zeigt die Reinheit der spektralen monochromatischen Röntgenstrahlung (K□-Linie)
in Prozent pro 5 Grad-Intervallen in Abhängigkeit von dem Z-Winkel. Bei diesen Messungen
hat sich ein klares Maximum bei einem Z-Winkel von 82,5 Grad ergeben.
1. Röntgenstrahlenquelle zur Erzeugung einer weitgehend monochromatischen Fluoreszenz-Röntgenstrahlung
mit einem primären und einem sekundären Target, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre
Target (10) ein flüssiges Metall oder eine flüssige Metalllegierung ist, das/die zwischen
einem ersten, für einen Elektronenstrahl durchlässigen und einem zweiten, für eine
Röntgenstrahlung durchlässigen Fenster (2; 6), an das sich das sekundäre Target (11)
anschließt, in der Weise geführt ist, dass Elektronen, die durch das erste Fenster
auf das primäre Target treffen, Röntgenstrahlen erzeugen, die beim Erreichen des sekundären
Targets im wesentlichen eine einer Absorptionskante des sekundären Targets entsprechende
maximale Energie aufweisen, so dass in dem sekundären Target eine weitgehend monochromatische
Fluoreszenz-Röntgenstrahlung angeregt wird.
2. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beiden Fenster (2; 6) ein Diamantfcnster
ist.
3. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Metall oder die flüssige Metalllegierung
turbulent strömend zwischen dem ersten und dem zweiten Fenster (2; 6) geführt wird.
4. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung (8) zum Ausblenden eines monochromatischen Röntgenstrahls,
der eine in der Weise vorbestimmte mittlere Weglänge durch das sekundäre Target (11)
zurückgelegt hat, dass ein möglichst hoher Anteil an Bremsstrahlung aus dem primären
Target (10) durch das sekundäre Target absorbiert wird.
5. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8) durch eine Röntgenstrahlen-Abschirmung
an einer freien Fläche des sekundären Targets (11) gebildet ist, die eine trichterförmige
Öffnung aufweist, die sich in Richtung auf das sekundäre Target verengt und deren
Hauptachse einen Winkel von zwischen etwa 65° und 90° zu der Richtung des einfallenden
Elektronenstrahls (E) aufweist.