Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluoreszenz-Strahlen­quelle, bei der eine einen Körper (7) umschließende Anode (5a, 5b)auf ihrer dem Körper zugewandten Seite von Elektronen (4a) getroffen wird und wobei die in der Anode (5a, 5b) erzeugte primäre Röntgenstrahlung in dem Körper (7) eine Fluoreszenzstrahlung erzeugt. Vorzugsweise ist der Körper (7) im Innern eines ihn umschließenden Schirms (6) angeordnet, der Streuelektronen von dem Körper fernhält.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung mit einer Kathode zur Erzeugung von auf eine Anode be­schleunigten Elektronen und mit einem von der Anode um­schlossenen kegelförmigen Körper, der auf ihn auftreffende Röntgenstrahlung in Fluoreszenzstrahlung umsetzt und der mit seinem sich verjüngenden Ende auf einen Strahlenaus­tritt weist.

[0002] Eine solche Strahlenquelle ist aus der DE-OS 22 59 382 bekannt. Die monochromatische Strahlung wird bei dieser Strahlenquelle durch die Fluoreszenzstrahlung gebildet, die von dem Körper ausgeht, wenn er durch primäre Röntgen­strahlung getroffen wird. Die primäre Röntgenstrahlung wird durch einen an geeigneter Stelle befindlichen Kollimator unterdrückt.

[0003] Bei der bekannten Strahlenquelle ist die Anode als soge­nannte Transmissionsanode ausgebildet, d.h. sie wird auf ihrer Außenfläche von Elektronen getroffen und die Röntgenstrahlung, die auf den kegelförmigen Körper auf­trifft, tritt aus der Innenfläche aus. Die Dicke der Anode muß ein Kompromiß sein zwischen den gegensätzlichen Forde­rungen, einerseits möglichst alle Elektronen zu absor­bieren und andererseits die erzeugte Röntgenstrahlung möglichst wenig zu schwächen. Dabei ergeben sich relativ geringe Dicken, woraus eine schlechte Wärmeabfuhr und damit eine begrenzte Röhrenbelastbarkeit resultieren.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strahlen­quelle der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich eine erhöhte thermische Belastbarkeit ergibt.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode auf ihrer dem Körper zugewandten Innenfläche von den aus der Kathode emittierten Elektronen getroffen wird.

[0006] Da bei dieser Bauform der Anode nur deren Innenfläche dem Elektronenbeschuß ausgesetzt und Ausgangspunkt der Röntgenstrahlung ist, kann die Wärme wesentlich besser aus der Anode abgeführt werden, beispielsweise durch eine Flüssigkeitskühlung und/oder dadurch, daß eine relativ dickwandige Anode verwendet wird.

[0007] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die dem Körper zugewandte Innenfläche der Anode die Form eines sich zum Strahlenaustritt hin verjüngenden Kegelstumpf­mantels aufweist. Bei dieser Ausgestaltung, bei der das sich verjüngende Ende der Anode dem Strahlenaustritt und das sich erweiternde Ende der Kathode zugewandt ist, ergibt sich eine relativ gleichmäßige Verteilung der Elektronen über die Anodenfläche, so daß auch die ther­mische Belastbarkeit vergleichmäßigt wird.

[0008] Eine andere Weiterbildung sieht vor, daß die Anode aus einem massiven Metallblock besteht, der auf seiner Innen­fläche mit einer schweratomigen Metallschicht versehen ist. Das Material des Metallblocks der Anode kann dabei aus einem thermisch gut leitenden Werkstoff bestehen, beispielsweise Kupfer, während das Metall auf der Innen­fläche im Hinblick auf eine möglichst hohe Fluoreszenz­strahlungsausbeute gewählt werden kann.

[0009] Eine andere Weiterbildung sieht vor, daß das Material für die Innenfläche der Anode und die Außenfläche des Körpers so gewählt ist, daß die aus der Anode emittierte charakte­ristische Röntgenstrahlung eine Energie besitzt, die geringfügig größer ist als die K-Absorptionskante des Körpers. Da Röntgenstrahlung, deren Energie geringfügig oberhalb der Absorptionskante eines Materials liegt, in diesem zu einem besonders hohen Prozentsatz in Fluores­zenzstrahlung umgesetzt wird, ergibt sich dadurch eine vergrößerte Intensität der Fluoreszenzstrahlung.

[0010] Nach einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, daß sich zwischen der Anode und dem Körper ein den Körper um­schließender zylinderförmiger Metallschirm befindet, der die Röntgenstrahlung nur geringfügig schwächt. Der Schirm absorbiert die Sekundärelektronen und verhindert, daß dadurch in dem Körper Röntgenstrahlung mit einer von der Energie der Fluoreszenzstrahlung abweichenden Energie erzeugt wird.

[0011] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Strahlenquelle zeigt.

[0012] Die rotationssymmetrisch ausgebildete Strahlenquelle besitzt ein zylinderförmiges Gehäuse 1, an dem über einen Keramikisolator 2 eine Kathodenanordnung 3 mit einer ring- oder spiralförmigen Kathode 4 befestigt ist. Im Betriebs­zustand wird aus der Kathode ein durch die gestrichelten Linien 4a angedeutetes Elektronenbündel emittiert, das auf die Innenfläche einer Anode trifft, die wie der Mantel eines Kegelstumpfes geformt ist. Dadurch ergibt sich eine relativ gleichmäßige Verteilung der Elektronen auf der Anodeninnenfläche.

[0013] Die Anode besteht aus einem Metallblock 5a aus thermisch gut leitenden Material, vorzugsweise Kupfer, das auf seiner Innenfläche mit einer schweratomigen Metallschicht beschichtet ist, in der durch den Elektronenbeschuß Röntgenstrahlung entsteht.

[0014] Die Röntgenstrahlung trifft durch einen dünnen zylin­drischen Schirm 6 hindurch auf ein Target 7, das auf seiner von der Kathode abgewandten Seite kegelförmig gestaltet ist und die auf ihn auftreffende Primärstrahlung in im wesentlichen monochromatische Fluoreszenzstrahlung umsetzt.

[0015] Der Schirm 6, der das Target 7 trägt, hat die Aufgabe, Streuelektronen vom Target 7 fernzuhalten. Diese Streu­elektronen würden beim Auftreffen auf das Target 7 ein unerwünschtes Bremsstrahlungsspektrum erzeugen. Um zu vermeiden, daß einerseits der Schirm 6 zuviel primäre Röntgenstrahlung absorbiert und andererseits durch auf­treffende Streu- oder Sekundärelektronen selbst Röntgen­strahlung emittiert, ist der Schirm 6 so dünnwandig wie aus mechanischen Gründen gerade noch zulässig und besteht aus einem niederatomigen Material, z.B. Titan.

[0016] Das offene Ende des Schirms, dem die Spitze des kegel­förmigen Targets 7 zugewandt ist, bildet den Strahlenaus­tritt 9 für die erzeugte Fluoreszenzstrahlung. Die von der Anode 5a, 5b ausgehende primäre Röntgenstrahlung wird von einer Kollimatoranordnung 8 unterdrückt, in deren Zentrum der Schirm 6 vakuumdicht angebracht ist. Der Kollimator besteht aus einem strahlenabsorbierenden Material oder mehreren in Richtung der Symmetrieachse gegeneinander ver­setzten Platten aus einem solchen Material, wobei die Dicke des Kollimators bzw. der Abstand der äußeren Platten dieses Kollimators so gewählt sind, daß von der Anode aus­ gehende primäre Röntgenstrahlung auf den Kollimator treffen muß, bevor sie den Strahlenaustritt 9 erreicht.

[0017] Die Energie der Fluoreszenzstrahlung hängt von dem Material des Targets ab. Wenn Tantal als Material gewählt wird, ergibt sich eine Energie der Fluoreszenzstrahlung von 57,5 keV (Kα₁-Linie). Wenn eine Fluoreszenzstrahlung mit höherer oder niedrigerer Energie erzeugt werden soll, muß das Tantaltarget durch eine Target ersetzt werden, das aus einem Element oder einer Legierung mit höherer bzw. niedrigerer Ordnungszahl besteht. Die Röhrenspannung (ausgedrückt in kV) muß dabei jeweils etwa doppelt so groß sein wie die Energie der Fluoreszenzstrahlung (ausgedrückt in keV). Um zwecks Erzeugung von monochromatischer Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge aus unter­schiedlichem Material bestehende Targets verwenden zu können, ist es zweckmäßig, das Target lösbar, z.B. durch eine Schraubverbindung, mitdem Schirm zu verbinden. Der Schirm muß dabei so gestaltet sein, daß er das Innere des evakuierten Gehäuses der Strahlenquelle hermetisch nach außen hin abschließt

[0018] Die Schicht 5b, in der die primäre Röntgenstrahlung erzeugt wird, hat eine hohe Ordnungszahl und ist zweck­mäßigerweise so gewählt, daß die Energie der in dieser Schicht erzeugten charakteristischen Strahlung geringfügig oberhalb der K-Absorptionskante des Targets 7 liegt, weil sich dabei eine besonders gute Umsetzung in Fluoreszenz­strahlung ergibt. Wenn das Target aus Tantal besteht (K-Absorptionskante bei 67,4 keV), wird diese Bedingung durch eine Schicht 5b aus Gold (Kα-Linie bei 68,8 keV) erfüllt.

[0019] Wie bereits erwähnt, ist die Schicht 5b auf einen massiven Metallblock 5a vorzugsweise aus Kupfer aufgebracht. Die Rückseite dieses Kupferblocks wird von einer Kühlflüssig­keit gekühlt, die in einen zum Röhreninnern hin hermetisch abgedichteten Hohlraum 10 um den Kupferblock herum in nicht näher dargestellter Weise von außen einströmt. Da die Anode 5a, 5b ebenso wie das Gehäuse 1 und der Kolli­mator 8 Massepotential führen, wird als Kühlflüssigkeit vorzugsweise Wasser eingesetzt. Anstelle eines von einem Hohlraum für die Kühlung umschlossenen Metallblocks kann auch ein Metallblock eingesetzt werden, in den bereits Kühlkanäle, beispielsweise in Spiralform, eingearbeitet sind. Dadurch läßt sich bei geeigneter Auslegung die Kühlfläche und damit auch die maximal zuführbare elek­trische Leistung vergrößern.

[0020] Die auf dem Target 7 erzeugte Fluoreszenzstrahlung ist nicht völlig monochromatisch. Dies liegt daran, daß außer der erwünschten Kα-Linien auch andere Linien angeregt werden, z.B. die höherenergetische Kß-Linie oder L-Linien mit wesentlich niedrigerer Energie. Die Kß-Linie kann durch ein im Strahlenaustritt angeordnetes Strahlenfilter unterdrückt werden, das aus einem Material besteht, dessen Absorptionskante zwischen der Kα- und der Kß-Linie liegt. Bei einem Tantaltarget eignen sich als Strahlen­filter Filter aus Ytterbium oder Thulium. Die weichen Linien können gegebenenfalls durch das gleiche Filter oder durch ein Filter aus einem Material mit einer niedrigeren Ordnungszahl unterdrückt werden, das so bemessen ist, daß die erwünschte Kα-Linie nur unwesentlich geschwächt wird, während die L-Linien weitgehend unterdrückt sind.

Ansprüche

1. Strahlenquelle zur Erzeugung einer im wesentlichen monochromatischen Röntgenstrahlung mit einer Kathode (3, 4) zur Erzeugung von auf eine Anode (5a, 5b) beschleunigten Elektronen und mit einem von der Anode umschlossenen kegelförmigen Körper (7), der auf ihn auftreffende Röntgenstrahlung in Fluoreszenzstrahlung umsetzt und der mit seinem sich verjüngenden Ende auf einen Strahlenaustritt weist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode auf ihrer dem Körper (7) zugewandten Innenfläche (5b) von den aus der Kathode (4) emittierten Elektronen getroffen wird.

2. Strahlenquelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (4) auf der vom Strahlenaustritt abgewandten Seite angeordnet ist und Ring- oder Spiralform aufweist.

3. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem Körper zugewandte Innenfläche (5b) der Anode die Form eines sich zum Strahlenaustritt hin verjüngenden Kegelstumpfmantels aufweist.

4. Strahlenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode auf ihrer Außen­fläche mit einer Kühlflüssigkeit kühlbar ist.

5. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode an negatives Hochspannungspotential und die Anode an Erdpotential angeschlossen sind und daß als Kühlmittel Wasser dient.

6. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem massiven Metallblock (5a) besteht, der auf seiner Innenfläche mit einer schweratomigen Metallschicht (5b) versehen ist.

7. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Innen­fläche der Anode und die Außenfläche des Körpers so gewählt ist, daß die aus der Anode emittierte charakte­ristische Röntgenstrahlung eine Energie besitzt, die geringfügig größer ist als die K-Absorptionskante der Außenfläche des Körpers.

8. Strahlenquelle nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zumindest im Bereich der Innenfläche aus Gold besteht und daß der Körper aus Tantal besteht.

9. Strahlenquelle nach einem der Ansprüch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Anode und dem Körper ein den Körper umschließender zylinderförmiger Metallschirm (6) befindet, der die Röntgenstrahlung nur geringfügig schwächt.

10. Strahlenquelle nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (6) den Körper (7) trägt und das Gehäuse der Strahlenquelle vakuumdicht abschließt.

11. Strahlenquelle nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (6) nach außen offen ist und daß der Körper (7) lösbar mit dem Schirm verbunden ist.

12. Strahlenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlenaustritt ein Filter (9) aus einem Material angeordnet ist, dessen Absorptionskante zwischen der Kα- und der Kß-Linie des Körpers liegt.

Zeichnung