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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Vakuumhülle, in der folgende Funktionselemente vorgesehen sind. Es sind eine Kathode und eine Anode angeordnet, und zwar derart, dass bei Anlegen einer Hochspannung an die Kathode und die Anode von der Kathode emittierte Elektroden zur Anode hin auf eine Primärenergie beschleunigbar sind. Die Primärenergie der Elektronen führt bei Auftreffen derselben auf die Anode zur Emission der Röntgenstrahlung, wobei die Vakuumhülle im Bereich der Anode durchlässig für diese Röntgenstrahlung ist, so dass diese beispielsweise zu medizinischen Zwecken genutzt werden kann. Im Bereich der Anode ist innerhalb der Vakuumhülle überdies eine Abschirmung für von der Anode abgestrahlte Rückstreuelektronen vorgesehen, die ansonsten eine das Bild gebende Diagnoseverfahren störende Extrafokalstrahlung erzeugen würden.
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Röntgenröhren der eingangs angegebenen Art sind beispielsweise aus der
US 2008/0112538 A1 bekannt. Auch die dort beschriebenen Röntgenröhren weisen eine Vakuumhülle auf, wobei in dieser eine Kathode angeordnet ist, aus der Elektronen emittiert werden. Diese werden von einer Anode aufgefangen, auf die diese in einem Strahl gerichtet werden, so dass aus der Anode Röntgenstrahlen emittiert werden. Damit der Elektronenstrahl erzeugt wird, wird an die Kathode und an die Anode eine Hochspannung angelegt, die außerdem ursächlich für eine Beschleunigung der Elektronen auf die notwendige Primärenergie ist. Die rückgestreuten Elektronen, die von der Anode ausgehen, werden durch eine Abschirmung im Bereich der Anode weggefangen, wobei die Abschirmung aus einem Material mit einer möglichst kleinen Kernladungszahl, bevorzugt kleiner als 14, bestehen soll. Daher ist das Material des Rückstreuelektronenfängers bevorzugt aus einer Schicht aufgebaut, die Kohlenstoff, Bor und/oder Stickstoff beinhaltet.
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Beim Betrieb der Röntgenröhre entsteht Wärme, die ggf. eine Kühlung der Röntgenröhre erfordert und im Übrigen die Bauteile der Röntgenröhre thermisch beansprucht. Hierbei treten Arbeitstemperaturen von über 500°C auf, so dass auch der Rückstreuelektronenfänger in diesem Temperaturbereich thermisch belastet wird. Hierbei treten ggf. aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Funktionselemente der Röntgenröhre auch mechanische Spannungen auf, der diese Funktionselemente Stand halten müssen.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine Röntgenröhre mit einer Abschirmung für Rückstreuelektronen anzugeben, bei dem das Material eine möglichst geringe Kernladungszahl der verwendeten chemischen Elemente aufweist, und vergleichsweise hohe Arbeitstemperaturen von über 500°C zulässt.
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Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegeben Röntgenröhre erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Abschirmung auf einer im Inneren der Vakuumhülle angeordneten Fläche in Form einer Schicht ausgebildet ist, die CNT und/oder BNNT und/oder CXBYNNT aufweist. Als CNT sind Carbonnanotubes zu verstehen, BNNT sind Bornitrid-Nanotubes, wobei auch Nanoröhrchen aus sowohl Kohlenstoff als auch Bornitrid gefertigt werden können, unterschiedliche Summenformeln aufweisen können und daher als CXBYNNT bezeichnet werden. Die oben aufgeführten Strukturen werden insgesamt im Folgenden kurz als Nanoröhrchen bezeichnet.
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Die Verwendung von Nanoröhrchen hat den Vorteil, dass diese enorm temperaturbeständig sind, da die gebildeten Strukturen eine hohe Ordnung in ihrer Gitterstruktur aufweisen. Gleichzeitig sind die Nanoröhrchen aus chemischen Elementen gebildet, die eine geringe Kernladungszahl aufweisen. CNT weisen eine Kernladungszahl von 6 auf. BNNT weisen ebenfalls eine durchschnittliche Kernladungszahl von 6 auf. Auch bei CXBYNNT liegt die durchschnittliche Kernladungszahl abhängig von der Summenformel ungefähr bei 6. Hierdurch ist vorteilhaft eine sehr wirksame Absorption der Rückstreuelektroden möglich. Gleichzeitig ist die Temperaturbeständigkeit der Abschirmung sichergestellt, da Nanoröhrchen erst bei Temperaturen weit über 1000°C thermisch instabil werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schicht eine Gefügematrix aufweist, in der die Nanoröhrchen eingebaut sind. Eine solche Schicht kann beispielsweise elektrochemisch hergestellt werden, wobei die Nanoröhrchen in dem Elektrolyt dispergiert sind, wie dies beispielsweise gemäß der
US 2007/0036978 A1 beschrieben ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schicht durch Kaltgasspritzen herzustellen. Hierbei werden die Nanoröhrchen auf den Beschichtungspartikeln fixiert und so in die sich ausbildende kaltgasgespritzte Schicht eingebaut. Dieses Verfahren ist beispielsweise gemäß der
DE 10 2006 047103 A1 beschrieben.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird erhalten, wenn die Nanoröhrchen mit jeweils einem ihrer Enden auf der besagten Fläche verankert sind. Hierbei ist zur Erzeugung einer Haftung auf der besagten Fläche keine Schichtmatrix erforderlich, wodurch vorteilhaft die Nanoröhrchen in einer sehr hohen Dichte auf der besagten Fläche angeordnet werden können. Es lässt sich daher vorteilhaft eine sehr wirkungsvolle Abschirmung für Rückstreuelektroden erzeugen. Da die Nanoröhrchen alle einzeln auf der besagten Fläche verankert sind, ist diese Schicht zudem auch gegenüber einer thermischen Ausdehnung des die besagte Fläche zur Verfügung stellenden Untergrundes sehr unempfindlich, da die Nanoröhrchen auf dem Untergrund fast punktuell verankert sind. Dehnt sich der Untergrund aus, wird damit nur der Abstand der einzelnen Nanoröhrchen voneinander größer, ohne dass jedoch in den Nanoröhrchen selbst Spannungen induziert werden.
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Gleichzeitig weisen Nanoröhrchen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Wärme auch gut aus der Röntgenröhre abgeführt werden kann, auch wenn beispielsweise gemäß einer sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung die Abschirmung zumindest teilweise auf einer inneren Wand der Vakuumhülle vorgesehen sind. Alternativ ist es auch vorteilhaft möglich, dass die Abschirmung zumindest teilweise auf einem Abschirmungsbauteil vorgesehen ist, welches sich im Inneren der Vakuumröhre befindet. Hierdurch kann das Abschirmungsbauteil geometrisch optimal derart angepasst werden, dass die Rückstreuelektroden möglichst nah an dem Ort ihrer Entstehung wieder eingefangen werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Nanoröhrchen auf der besagten Fläche sozusagen als Wälder oder Bündel ausgebildet sind. Dies kann durch einen selbst organisierten Prozess des Aufwachsens der Nanaröhrchen auf dem Untergrund sichergestellt werden. Derartige Wälder oder Bündel werden durch die Erzeugung vertikal ausgerichteter Nanoröhrchen (beispielsweise sogenannter vertical aligned CNT’s kurz VACNT) erzeugt. Hierbei können vorteilhaft Wälder bzw. Bündel erzeugt werden, die dann als Schicht im Sinne der Erfindung aufzufassen sind. Diese weisen eine vergleichsweise hohe Konzentration an Kohlenstoffatomen pro Volumeneinheit auf erreichen Dicken von 10 μm bis 100 μm. Die Dicke der Schicht entspricht im Wesentlichen der Länge der erzeugten Nanoröhrchen. Diese werden auf einer Metalloberfläche, hier der besagten Fläche, hergestellt, beispielsweise durch ein CVD-Verfahren (CVD steht für chemical vapour deposition), wobei katalytische Precurser (Vorstufen) zum Einsatz kommen. Es sind Beschichtungsverfahren geeignet, bei denen zuerst eine Schicht der katalytischen Partikel auf der besagten Fläche erzeugt wird (seed layer), wobei die Nanoröhrchen durch ein sogenanntes Submonolagen-Wachstum dieser Katalysatorschicht erzeugt werden. Es ist auch möglich, dass die katalytischen Partikel durch eine Strukturierung der besagten Fläche vor dem eigentlichen Wachstum der Nanoröhrchen auf das Substratmaterial aufgebracht werden. Alternativ ist es auch möglich, ein Direktbeschichten mit Nanoröhrchen durchzuführen. Letzteres ist mit Hilfe eines Katalysators aus der Gasphase zu bewerkstelligen. Hierzu können z. B. Eisen- Katalysatorpartikel durch Verdampfen einer Lösung aus Ferrocen, das heißt Fe(C5H5)2 und Xylen, das heißt C6H4C2H6, auf das Substratmaterial aufgebracht werden. Die Herstellung von Wäldern aus CNT’s ist beispielsweise durch X. Zhang, „Spinning and Processing Continuous Yarns from 4-Inch Wafer Scale Super-Aligned Carbon Nanotubes Arrays", Advanced Materials 2006, 18, Seiten 1505–1510 beschrieben. Sollen keine CNT, sondern BNNT oder CXBYNNT hergestellt werden, so ist dies möglich, indem zunächst ein Wald aus CNT hergestellt wird und dieser anschließend durch Borieren und/oder Nitrieren in der Gasphase ungebaut wird.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die besagte Fläche durch ein Substrat zur Verfügung gestellt wird, welches aus einer Metalllegierung besteht, deren Legierungselemente Konstituenten mit unterschiedlichen Atomradien haben. Insbesondere kann die Fläche durch eine Inconel-Legierung zur Verfügung gestellt werden. Diese Substratmaterialien eignen sich vorteilhaft in besonderer Weise für ein selbst organisiertes Aufwachsen von Wäldern oder Bündeln von Nanoröhrchen, da sichergestellt ist, dass die oben erwähnten Katalysatorpartikel zwar in einer dichten Belegung auf der besagten Fläche (Substrat) absorbiert werden, jedoch keine geschlossenen Benetzungen entstehen, die das Wachstum der Nanoröhrchen ungünstig beeinflussen würde.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Röntgenröhre im schematischen Schnitt und
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2 bis 4 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schicht, die als erfindungsgemäße Abschirmung zur Absorption von Rückstreuelektronen zum Einsatz kommt, als schematische Ausschnitte.
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Eine Röntgenröhre 1 gemäß 1 ist als Drehkolbenröhre ausgeführt. Diese weist eine Vakuumhülle 3 auf, die um eine Achse drehbar gelagert ist. Innerhalb der Vakuumhülle 3 befinden sich eine Kathode 5 und eine Anode 7 (diese Baugruppen sind im Einzelnen nicht näher erläutert, da ihr Aufbau allgemein bekannt ist). Diese können in nicht dargestellter Weise mit einer Hochspannung beaufschlagt werden. Dadurch werden ausgehend von der Kathode 5 Elektronen (nicht näher dargestellt) freigesetzt, die aufgrund der Hochspannung entlang eines Primärstrahls 11 beschleunigt werden und auf die Anode 7 treffen. Unter Verwendung eines Elektromagneten 13 kann der Primärstrahl 11 derart abgelenkt werden, dass er auf einem bestimmten Ort der Anode 7 trifft, der einen Brennfleck 15 bildet.
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Im Brennfleck 15 treten die Elektronen mit den Atomen des Anodenmaterials in Wechselwirkung, wodurch eine Röntgenstrahlung 17 erzeugt wird, die aus dem Brennfleck 15 emittiert wird und durch die Vakuumhülle hindurch von der Röntgenröhre 1 abgestrahlt wird. Um die Röntgenröhre 1 zu drehen, wird ein Motor 19 verwendet, der eine in Wellenlagern 21 gelagerte Antriebswelle 23 antreibt. Damit wandert der Brennfleck 15 auf der Anode 7 im Kreis, wodurch eine höhere Leistung der Röntgenröhre erreicht werden kann, da die Wärmeabfuhr aus der Röntgenröhre 1 dadurch erleichtert wird.
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Allerdings emittiert die Anode 7 nicht nur die Röntgenstrahlen 17, sondern es treten auch weitere Elektronen 29 aus. Diese bestehen aus den bereits erwähnten Rückstreuelektronen des Primärstrahls 11. Es können jedoch auch Sekundärelektronen sein, die zusätzlich aus dem Anodenmaterial herausgelöst werden. Allerdings sind die Rückstreuelektronen, die noch eine vergleichsweise hohe Energie besitzen, diejenigen, die größere Probleme erzeugen.
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Diese weiteren Elektronen 29 treffen wieder auf die Anode 7, allerdings außerhalb des Brennflecks 15. Einige treffen jedoch auch auf das Material der Vakuumhülle 3. Die Vakuumhülle ist im Allgemeinen jedoch aus einem vergleichsweise schweren Material gefertigt (d. h. aus einem Material mit Atomen hoher Kernladungszahl), wie z. B. Stahl. Bei diesen Materialien erzeugen die weiteren Elektronen beim Auftreffen wiederum Röntgenstrahlung, die sogenannte Extrafokalstrahlung, die die Bildqualität verringert, die sich mit der Röntgenröhre 1 erreichen lässt. Darum sollen die Elektronen möglichst absorbiert werden, ohne Röntgenstrahlung zu erzeugen. Dies ist mit der erfindungsgemäßen Abschirmung 31 möglich. Diese kann, wie 1 zu entnehmen ist, auf der Innenwand der Vakuumhülle 3 angebracht sein und/oder auf einem gesonderten Abschirmbauteil 32, welches hinsichtlich seiner Form daraufhin optimiert ist, möglichst viele Rückstreuelektronen und Sekundärelektronen 29 abzufangen.
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In den 2 bis 4 ist die Abschirmung 31 in Form von Schichten im Detail zu erkennen. Diese befinden sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf dem Abschirmungsbauteil 32, welches als Substrat die besagte Fläche 33 zur Beschichtung zur Verfügung stellt. Gemäß 2 besteht die Abschirmung 31 aus einer Gefügematrix 34, in die Nanoröhrchen 35 eingebunden sind. Die Schicht ist elektrochemisch unter Einbau der Nanoröhrchen 35 hergestellt worden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Abschirmung 31 als Wald 36 von Nanoröhrchen 35 auf der Fläche 33 herzustellen. Dieser bildet dann eine vergleichsweise dichte geschlossene Schicht 31 auf der Fläche 33, wobei jedes Nanoröhrchen 35 einzeln mit einem Ende auf der Fläche fixiert ist. Die Nanoröhrchen sind vertikal ausgerichtet.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, jeweils Bündel 37 von Nanoröhrchen 35 auf der Fläche 33 herzustellen, wie dies in 4 dargestellt ist. Hierbei lässt sich im Vergleich zu einem Wald von Nanoröhrchen 35 gemäß 3 nur eine etwas geringere Dichte an Nanoröhrchen 35 auf der Oberfläche 33 erzeugen (lokal entspricht die Dichte den Bündel im Wesentlichen derjenigen des Waldes 36, nur bleiben zwischen den Bündeln 37 Bereiche der besagen Fläche 33 mit geringer Dichte an Nanoröhrchen 35 oder gar keinen Nanoröhrchen 35 übrig). Allerdings ist dieses Verfahren wirtschaftlicher. Auch die Nanoröhrchen gemäß 35 sind mit ihren Enden jeweils auf der Fläche 33 fixiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0112538 A1 [0002]
- US 2007/0036978 A1 [0007]
- DE 102006047103 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- X. Zhang, „Spinning and Processing Continuous Yarns from 4-Inch Wafer Scale Super-Aligned Carbon Nanotubes Arrays”, Advanced Materials 2006, 18, Seiten 1505–1510 [0010]
