DE112011102783B4

DE112011102783B4 - Dickwandige Targets für Transmissions-Röntgenröhren

Info

Publication number: DE112011102783B4
Application number: DE112011102783.4T
Authority: DE
Inventors: Chia-Gee Wang; Brude Braint Parsons
Original assignee: GAMC BIOTECH DEVELOPMENT Co Ltd; GAMC Biotech Dev Co Ltd
Current assignee: GAMC BIOTECH DEVELOPMENT Co Ltd; GAMC Biotech Dev Co Ltd
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: US20120051496A1; WO2012025830A3; WO2012025830A4; CN103119686B; US8406378B2; JP2013541803A; JP5901028B2; WO2012025830A2; DE112011102783T5; TW201209847A; CN103119686A

Abstract

Transmissions-Röntgenröhre, umfassend:ein evakuiertes Gehäuse;eine Endfesteranode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und ein Endfenstersubstrat und ein dickwandiges Target umfasst, das eine Folie oder eine Vielzahl von Folien umfasst;eine Kathode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Elektronenstrahl aussendet, der entlang eines Strahlenpfads in dem Gehäuse verläuft und die Anode an einem Fleck trifft, und einen Röntgenstrahl erzeugt, der das Gehäuse durch das Endfenstersubstrat verlässt;eine Energieversorgung, die an die Kathode angeschlossen ist und eine wählbare Elektronenstrahlenergie und Strahlstromstärke bereitstellt, um einen hellen Röntgenstrahlenstrahl mindestens einer vorgewählten Energiecharakteristik der Folie oder der Vielzahl von Folien des dickwandigen Targets zu produzieren,wobei die Stärke der Folie oder mindestens einer der Vielzahl von Folien des dickwandigen Targets zwischen 70 µm und 200 µm liegt.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen eine verbesserte Erzeugung von Röntgenstrahlen in einer Transmissions-Röntgenröhre, die unerwünschte niedrigenergetische Strahlen erheblich reduziert und gleichzeitig hochenergetische, charakteristische Linienemissionen von der Auftreffplatte bzw. Target proportional verstärkt. Insbesondere betrifft die Erfindung den Gebrauch von dickwandigen Transmissions-Targets mit einer Materialstärke von über ca. 50 µm. Die Erfindung beinhaltet verschiedene Anwendungen der Erfindung in verschiedenen medizinischen und zahnmedizinischen Bildgebungs-Fluoroskopie- und zerstörungsfreien Prüfanwendungen.
Stand der Technik
Das US Patent 7,180,981 vom 20. Februar 2007, auf das hier in seiner Gesamtheit Bezug genommen wird, offenbart Endfenster-Röntgenröhren mit Target-Folien einer Stärke von bis zu 41 µm. Abhängig von dem gebrauchten Target-Material filtern 41 µm Target-Material einige der Röntgenstrahlen, die im Niedrigenergiebereich erzeugt werden. Dennoch wird eine signifikante, niedrigenergetische Röntgenstrahlung erzeugt, die eine noch immer zu hohe Dosis darstellt für Patienten bei einer medizinischen Röntgenuntersuchung, oder die unerwünschte niedrigenergetische Röntgenstrahlen liefert bzw. bereitstellt, die bei Anwendungen, die z.B. Röntgenröhren für Röntgen-Mikroskopie, -Fluoroskopie oder -Beugung bzw. -Diffraktion gebrauchen, entfernt werden müssen, wobei die tieferen Röntgenstrahlen entfernt werden müssen.
Im US Patent US 7 180 981 B2 werden Daten gezeigt für zwei unterschiedliche Targetdicken bzw. -stärken von Silber-Targets in einer Transmissionsröhre, 25 µm und 41 µm. Vergleicht man das Spektrum eines Silber-Targets von 25 µm Stärke, abgebildet in 5A - 5D, mit Silber-Targets von 41 µm Stärke, 17a-17d, so ist der Ausgabefluss des 25 µm-Targets bedeutend höher als der des 41 µm-Silbertargets. Daher beschreibt dieser Stand der Technik was der Fachmann im Allgemeinen akzeptiert, nämlich dass mit steigender Dicke des Transmissions-Targets das dickere Target Röntgenstrahlen absorbiert, die beim ersten Eindringen der Elektronen in das Target erzeugt werden. Daraus folgt, dass ein Silbertarget von 41 µm Stärke einen erheblich geringeren Fluss produziert als ein 25 µm-Target. Obwohl das Patent Daten über ein 41 µm -Target beinhaltet, erwähnt es nicht den möglichen Markt eines solchen Targets. Aus den Daten ist offensichtlich, dass die 25 µm-starken Silbertargets bessere Spektraldaten produzierten.
In WO 2006/ 069 009 A2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zielfolienmaterials für Röntgenröhren offenbart, wobei Röntgentargets bereitgestellt werden, die durch gleichzeitige Abscheidung von mehr als einem Material hergestellt werden, wodurch sich der Wärmeübertragungskoeffizient im Vergleich zu einer Schichtung der genannten Materialien ändert. Transmissionsröntgenröhren, die für die Verwendung in der Fluoroskopie konfiguriert sind, indem der Elektronenstrahl auf einen kleinen Punkt auf dem Target fokussiert wird oder indem eine dicke Targetfolie verwendet wird, um das Hintergrundrauschen der Röntgenstrahlung bei der Messung eines Elements zu reduzieren, wobei eine zweite optionale dünne Folie auf die dicke Targetfolie geschichtet wird, um Anregungsenergie für das gemessene Element zu erzeugen, sind bereitgestellt.
Es entspricht dem Wissensstand des Experten, dass die meisten Röntgenstrahlen von Elektronen beim Eintritt in die ersten Mikrometer des Targetmaterials erzeugt werden, und dass stärkere Transmissions-Targets die Qualität des erzeugten Röntgenstrahl-Strahls herabsetzen, der durch Absorbieren von Röntgenstrahlen, die bereits auf ihrem Weg durch das Target erzeugt wurden, erzeugt wurde. Deshalb ist bei handelsüblichen Röntgenröhren die Stärke der Transmissionsröhren, die meist Wolfram-Targets gebrauchen, üblicherweise begrenzt auf 8 µm oder weniger.
PENELOPE ist ein vielseitig einsetzbares Monte-Carlo-Softwarewerkzeug, das für die Simulation des Transports von Elektronen und Photonen beim Eindringen von Elektronen auf Röntgen-Targets in der Atomenergiebehörde der OECD in Frankreich gepflegt bzw. erhalten wird. Für detaillierte Simulationen geeignete experimentelle Situationen sind solche, bei denen es entweder Elektronenquellen mit niedriger kinetischer Anfangsenergie (bis zu ca. 100 kVp) gibt oder die spezielle Geometrien aufweisen, wie z.B. Elektronenstrahlen, die auf dünne Folien aufprallen. Bei höheren Anfangsenergien oder dickeren Geometrien wird die durchschnittliche Anzahl der Kollisionen, die ein Elektron bis zu seinem tatsächlichen Stillstand erfährt sehr hoch, und eine detaillierte Simulation ist wenig effizient. PENELOPE kann daher keine verlässlichen Simulationen bereitstellen, wenn ein dickwandiges Transmissions-Target einbezogen ist, oder wenn die Beschleunigungsspannung für die aufprallenden Elektronen höher als 100 kVp ist. Folglich gibt es kein verlässliches Simulationswerkzeug, um die Ergebnisse des Gebrauchs eines dickwandigen Transmissions-Targets vorauszusehen, insbesondere wenn diese Targets Beschleunigungsspannungen von über ca. 100 kVp gebrauchen können. In der Literatur werden zwar weitere Simulationspakete genannt, jedoch ist wenig bekannt über die Annahmen, die gebraucht werden, um das Ausgabespektrum zu produzieren, falls überhaupt ein Ausgabespektrum produziert wird.
In einen Artikel mit dem Titel „Transmission-type Microfocus X-ray Tube Using Carbon Nontube Field Emitters“, veröffentlicht in Applied Physics Letters 90, 183109_2007_ offenbarten die Autoren „...mit steigender Stärke des Targetmaterials werden die Röntgenstrahlen beim Durchdringen des Target beachtlich gedämpft. Anhand des Rechenergebnisses wurde bestimmt, dass die Beschichtungsstärke von W auf dem Be-Fenster 1,1 µm ist, um bei einer Elektronenenergie von 40 keV eine maximale Röntgensintensität zu erzeugen." Dies untermauert die Kenntnisse der Fachleute, dass die Tranmissions-Targets aus dünnen Folien bestehen sollten.
Es gibt viele Röntgenanwendungen, bei denen niedrigenergetische Röntgenstrahlung ein ungewolltes Nebenprodukt bei der Erzeugung von nützlicher höherenergetischer Röntgenstrahlung ist, die benötigt wird für Bildgebung, Röntgen-Diffraktionsanalysen oder Röntgenmikroskopie. Bei medizinischen Anwendungen wird diese niedrigenergetische Röntgenstrahlung vom Patienten absorbiert ohne dass nützliche Bilder produziert werden und stellt somit eine unerwünschte Zusatzdosis dar.
Monochromatische Röntgenstrahlen werden oft erzeugt unter Verwendung von Röntgenstrahlen aus herkömmlichen Quellen für den industriellen Gebrauch. Jedoch ist es aufwändig und kostenintensiv die monochromatischen Bestandteile der Röntgenstrahlen breiter Energiebandbreite, die durch herkömmliche Reflektions- und Transmissions-Röntgenröhrenquellen erzeugt wurden, in nützliche monochromatische Röntgenstrahlen umzuwandeln. Derartige monochromatische Röntgenstrahlen finden häufig Gebrauch bei der Kristalldiffraktometrie und der Röntgenmikroskopie. Wenn die Menge an niedrigenergetischer Röntgenstrahlung beträchtlich ist, steigen die Kosten für die Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlenergien.
Bei medizinischen Bildgebungsanwendungen unter Verwendung von Reflektions-Röntgenröhren können unerwünschte niedrigenergetische Röntgenstrahlen durch einen Filter, der außen an der Röntgenröhre platziert ist, herausgefiltert werden. Derartige Filter reduzieren proportional mehr niedrigenergetische Röntgenstrahlung als höhere nützliche Röntgenstrahlen, jedoch gibt es eine Grenzmenge an Röntgenstrahlung, die gefiltert werden kann, bevor die Brennfleckgröße, die ermittelt werden kann, und die Energiemenge, die vom Brennfleck auf dem Target wo der Strahl auftrifft, entfernt werden kann, Schaden am Target anrichten. Es ist weiterhin wohlbekannt, dass Transmissionsröhren bei gleicher Röhrenstromstärke und Röhrenspannung ein Vielfaches an brauchbaren Röntgenstrahlen im Vergleich mit Reflektionsröhren produzieren.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Dosis, der die Patienten ausgesetzt sind, wird benötigt, ohne die Qualität der Bilder zu reduzieren oder tatsächlich zu verbessern, die durch medizinische Röntgenstrahlbildgebung produziert werden. Es wird eine herkömmliche Röntgenstrahlenquelle benötigt, die eine große Menge an charakteristischen Röntgenstrahlen erzeugt, die dann für den vielseitigen Einsatz in der Industrie und der Medizin in starke, quasi-monochromatische Röntgenstrahlen umgewandelt werden.
Beschreibung der Erfindung
Es wird eine Endfenster-Transmissions-Röntgenröhre offenbart, umfassend ein evakuiertes Röhrengehäuse, eine End-Fensteranode, die sich im Gehäuse befindet und ein Endfenstersubstrat und eine Folie oder eine Vielzahl von Folien des dickwandigen Targets beinhaltet, eine Kathode, die im Gehäuse angeordnet ist und einen Elektronenstrahl mit einer Energien von 10 kVp bis 500 kVp aussendet; dieser verläuft entlang des Strahlenpfads, trifft die End-Fensteranode an einem Fleck und erzeugt einen Röntgenstrahl, der das Gehäuse durch das Endfenstersubstrat verlässt. Eine Energiequelle wird an die Kathode angeschlossen, die wählbare Elektronenstrahlenergien bereitstellt, um einen hellen Röntgenstrahl von mindestens einer vorgewählten Energiecharakteristik der Folie oder Folien des dickwandigen Targets zu produzieren. Die Stärke der Folie oder mindestens einer der Folien des dickwandigen Targets ist größer als ca. 50 µm und kann bis zu 200 µm und mehr betragen. Wenn für das Target und das Endfenstersubstrat das gleiche Material gebraucht wird, kann die Gesamtstärke des Targets/Endfenstersubstrats bis zu 500 µm betragen.
Ein dickwandiges Target wird gebildet, indem das dickwandige Target durch Diffusionsschweißen bzw. -binden, Heißpressen oder heißisostatisches Pressen auf dem Endfenstersubstrat angebracht wird. Das Endfenstersubstrat ist weitestgehend durchlässig für Röntgenstrahlen und ist ausgewählt aus Beryllium, Aluminium, Kupfer, Lithium, Bor oder Legierungen hiervon.
Das dickwandige Target kann alternativ aus einer Legierung, eutektischen Legierung, Verbindung oder intermetallischen Verbindung aus zwei oder mehr Elementen hergestellt werden, die nützliche charakteristische Röntgenstrahl-Linienemissionen von mindestens einem der Elemente produziert. Das für das Röntgentarget gebrauchte Material kann eines der Elemente Skandium, Chrom, Antimonium bzw. Antimon, Titan, Eisen, Nickel, Yttrium, Molybdän, Rhodium, Palladium, Gadolinium, Erbium, Ytterbium, Kupfer, Lanthan, Zinn, Thulium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Platin, Gold und Uran enthalten.
Der Elektronenstrahl kann mittels eines Fokussiermechanismus über, unter oder auf das dickwandige Target fokussiert werden. Das dickwandige Target kann auf einem Endfenstersubstrat aus einem anderen Material wie z.B. Beryllium, Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen, angebracht sein.
Anwendungen der oben beschriebenen Transmissionsröhre schließen die Verwendung der Röhre ein, um CT-Dentalbilder, medizinische Bilder, Computertomographie-Bilder, Röntgen-Diffraktionsmuster, C-Bogen-Bilder, Fluoroskopiebilder und Röntgenmikroskopiebilder zu erhalten.
Zwei Anwendungen der obigen Technologie sind z.B. die Röntgenbildgebung und die Fluoreszenz-Analyse, die die Kollimation der Röntgenstrahlen nutzen, um den Röntgenstrahlenpfad zum zu untersuchenden Objekt zu führen.
Zum Gebrauch in der Fluoroskopie und der industriellen Bildgebungsanwendung kann eine einzelne Glaskapillare oder ein Bündel von Glaskapillaren, das sehr nahe an dem Endfenster platziert ist, dazu gebraucht werden zumindest einen Teil der Ausgabe-Röntgenstrahlen an das andere Ende der Kapillare oder des Kapillarbündels zu führen.
Eine weitere Anwendung der Transmissionsröhre mit dickwandigem Target ist die Untersuchung von Gegenständen durch automatisierte Inline-Materialhandhabungsanlagen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine schematische, Querschnittsansicht bzw. Elevationale einer Transmissions-Röntgenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische, Querschnittsansicht einer Reflektions-Röntgenröhre.
3 zeigt eine graphische Darstellung der Protonenzahl, die jeweils in den drei verschiedenen Röntgenröhren, eine Reflektionsröhre und zwei Transmissionsröhren, mit verschiedenen Targetausgestaltungen, erzeugt wird.
4 zeigt einen graphischen Vergleich der Spektren von vier Transmissionsröhren, drei davon gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine graphische Darstellung des Spektrums einer einzelnen Transmissions-Röntgenröhre mit einem Tantal-Target von 4 µm bei verschiedenen Winkeln von der Mittellinie.
6 zeigt eine graphische Darstellung des Spektrums einer einzelnen Transmissions-Röntgenröhre, aber mit einem Tantal-Target von 2 µm bei verschiedenen Winkeln von der Mittellinie.
7 zeigt eine schematische, Querschnittsansicht einer Glasskapillare, die gebraucht wird um Photonen aus einer Röhre der vorliegenden Erfindung einzufangen und auf einen anderen Punkt im Raum zu fokussieren.
8 zeigt eine bildliche Darstellung der Verwendung einer einzelnen Kapillare oder eines Kapillarbündels, um die Ausgabe-Röntgenstrahlen aus einer Röhre der vorliegenden Erfindung zu führen.
9 zeigt eine schematische Darstellung der Benutzung der Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung zur Inline-Prüfung von Gegenständen in einem automatisierten Materialhandhabungssystem.
10A und 10B zeigen zwei verschiedene Darstellungen derselben Daten einer Transmissions-Röntgenröhre mit einem 25 µm starken Molybdän-Target bei der Mittellinie und bei 60° von der Mittellinie.
11 zeigt eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Ausgabespektren einer Röntgenröhre der vorliegenden Erfindungen mit einem 130 µm starken Tantal-Target, die sowohl ein Endfenster aus 2mm Aluminium als auch ein Fenster aus 1mm Beryllium verwendet.
12 zeigt eine Serie von Spektren aus einer Transmissionsröhre mit einem 25 µm starken Tantal-Target, das an einem, 6,35 µm starken Aluminium-Endfenster angebracht ist, aufgenommen an der Mittellinie, bei 10 Grad, 20 Grad und 30 Grad, wobei alle Spektren überlagert sind.

Genaue Beschreibung der Erfindung
Offene Transmissionsröhren werden typischerweise für die Abbildung von elektronischen Schaltkreisen und andere hochauflösende Anwendungen verwendet, und können alternativ auch als Röntgen-Quelle verwendet werden, wenn eine vielfache Vergrößerung des Objektbildes gefordert ist. Geschlossene Röhren werden mit einem Vakuum abgedichtet, wohingegen die offenen oder die „ausgepumpten“ Röhren eine Vakuumpumpe haben, die während der Verwendung der Röhre kontinuierlich angebracht ist und ein Vakuum zieht, in aller Regel um den häufigen Austausch von Röhrenbauteilen, die während der Verwendung zum Ausfallen neigen, zu ermöglichen. Für den Zweck der Erfindung sind, sofern nicht anderweitig angegeben, sowohl der offene als auch der geschlossene Transmissionsröhren-Typ gemeint.
Falls nicht anders spezifiziert, wurden die Spektraldaten der Röntgenröhren mit einem Amptek Model XR-100 mit einem CdTe Sensor, 1mm dick und 10 mils [1 mil = 1/1000 Zoll bzw. 25,4 µm] Beryllium-Filter, aufgenommen. Der Sensor wurde in 1 m Entfernung von der Röntgenröhre platziert und ein Wolfram-Kollimator mit einem Kollimator-Loch von 100 µm wurde vor den Sensor platziert. Verschiedene Röhrenstromstärken und Expositionszeiten wurden verwendet, die Vergleichsdaten wurden aber normiert auf 50 µA Röhrenstromstärke und eine Auffangzeit von 60 Sekunden.
Für den Zweck der vorliegenden Erfindung werden die Elektronen-Beschleunigungsspannungen in der Einheit kVp ausgedrückt und reichen von 10 kVp bis 500 kVp. Es wurde kein Versuch unternommen Elektronen-Beschleunigungsspannungen von über 500 kVp einzuschließen. Des Weiteren wird die Energie der Röntgen-Photonen in keV, Kilo-Elektronenvolt ausgedrückt.
Die Transmissionsröhre der vorliegenden Erfindung, Nr. 7 in 1 ist umfasst von einem evakuierten Gehäuse Nr. 9 und einer End-Fensteranode Nr. 1, die am Ende des Gehäuses, das der Atmosphäre ausgesetzt ist, angeordnet. Eine Röntgen-Targetfolie Nr. 2 ist auf der End-Fensteranode aufgebracht. Eine elektrisch stimulierte Kathode Nr. 3 sendet Elektronen, die auf dem Elektronenstrahl-Pfad Nr. 4 beschleunigt werden und auf das Anodentarget treffen, wobei Röntgenstrahlen Nr. 8 erzeugt werden. Eine Energieversorgung Nr. 6 ist zwischen der Kathode und der Anode angeschlossen, um die Beschleunigungskraft für den Elektronenstrahl bereitzustellen. Die erzeugten Röntgenstrahlen verlassen die Röntgenröhre durch das Endfenster. Das Material des Endfenstersubstrats wird typischerweise gewählt aus Beryllium, Aluminium, Kupfer, Lithium, Bor und deren Legierungen, aber es gibt auch alternative Tiefendfenster-Materialien, die den Fachleuten bekannt sind. Die Stärke des Endfenstersubstratmaterials kann auf die spezifische Anwendung abgestimmt werden. Ein optionaler Kathodenbecher Nr. 5, üblicherweise elektrisch vorgespannt, bündelt den Elektronenstrahl über, unter oder auf einen Fleck auf dem Target. Die größte Abmessung des Flecks auf der Oberfläche des Targets wird als Brennfleckgröße oder Fleckgröße bezeichnet. Die Ausgabe-Röntgenstrahlen umfassen sowohl Bremsstrahlung als auch charakteristische Linienstrahlung, die für das Targetmaterial einzigartig sind. Der Stand der Technik spezifiziert, dass die Stärke der Folie des dickwandigen Targets bis zu 41 µm betragen kann. In eine bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer Transmissions-Röntgenröhre eine Folie eines dickwandigen Targets genutzt, die erheblich dicker ist als je offenbart, nämlich stärker als 50 µm und bis zu 200 µm.
2 wird als Referenz angeführt und stellt schematisch eine Reflektionsröhre dar, die ein evakuiertes Gehäuse umfasst, in dem sich die Kathode Nr. 12 und die Anode Nr. 14 befinden. Die Anode Nr. 14 umfasst ein auf einem Substrat aufgebrachten Röntgen-Target, wobei das Substrat die Wärme, die beim Aufprallen der Röntgenstrahlen auf die Anode entsteht, entfernt. Elektronen werden aus der Kathode in jeder dem Fachmann bekannten Weise ausgesendet. Eine Energiequelle Nr. 6 wird zwischen der Kathode und der Anode angeschlossen zur Bereitstellung eines elektrischen Feldes, das die Elektronen auf ihrem Weg von der Kathode entlang des Elektronenstrahlpfads Nr. 10 beschleunigt, die dann auf die Anode Nr. 14 auf einem Fleck auftreffen und dabei einen Röntgenstrahl Nr. 13 erzeugen, der daraufhin die Röhre durch ein Seitenfenster Nr. 11 verlässt. Die Reflektionsröhre sammelt also Röntgenstrahlen an der gleichen Seite des Targets, auf der auch der Elektronenstrahl aufprallt.
3 stellt die Ausgabespektren von drei verschiedenen Röntgenröhren dar. Alle drei Röhren wurden normiert auf die gleiche Anzahl von Photonenzählungen bzw. - ereignissen der kritischen bzw. ausschlaggebenden Röntgenenergie zwischen 40 keV und 70 keV, und werden durch einen Filter gefiltert, der üblicherweise im Dental-CT-Bildgebungsmarkt verwendet wird, wobei die Röhren sehr ähnlich sind mit Röhren, die für andere medizinische Bildgebungsverfahren, die C-Bogen-Instrumente einschließen, verwendet wird. Bei C-Bogen-Instrumenten befinden sich die Röntgenquelle und der Bildempfänger auf gegenüberliegenden Seiten entlang der Richtung der Mittellinie der Röntgenröhre. Die geringe Dosis gemäß der Erfindung ist besonders interessant für C-Bogen-Anwendungen, bei denen der Patient häufig über einen längeren Zeitraum mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird. Nr. 15 stellt das Ausgabespektrum einer Reflektions-Röntgenröhre dar, die mit 3 mA Röhrenstromstärke und einer Röhrenspannung von 120 kVp betrieben wird und als Target-Material Wolfram verwendet. Nr. 17 stellt das Ausgabespektrum einer Transmissionsröhre gemäß dem Stand der Technik dar mit einer Tantal-Folienstärke von 25 µm betrieben bei 1,2 mA Stromstärke. Nr. 16 stellt die Ausgabe einer Transmissionsröhre der vorliegenden Erfindung dar mit einer Tantal-Folienstärke von 50 µm betrieben bei einer Röhrenstromstärke von 1,35 mA. Wie erwartet ist die Anzahl der Ereignisse der Transmissionsröhre bei gleicher Röhrenstromstärke erheblich höher als die der Reflektionsröhre. Eine Untersuchung der Gesamtdosis der unerwünschten Röntgenstrahlung zwischen 10 keV und 40 keV ergibt, dass die Gesamtphotonenereignisse zwischen 10 keV und 40 keV bei der Reflektionsröhre mit einem Wolfram-Target bei 52.763 Ereignissen liegt. Die gleichen Gesamtphotonenereignisse zwischen 10 keV und 40 keV für die Transmissionröhre mit einem Tantal-Target von 25 µm war 47.740, was eine Reduzierung an Niedrigenergie-Röntgenstrahlen von 9,5 % darstellt. Bei der Untersuchung der Menge der Gesamtereignisse für ein 50 µm-starkes Tantal-Target zeigt sich gegenüber der Reflektionsröhre eine Reduzierung von 21,8 % bei dem Photonenenergiefluss zwischen 10 keV und 40 keV gegenüber dem der Reflektionsröhre. Bei allen drei Röhren war die Filterung identische.

4 zeigt die deutlichen Vorteile eine Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung mit Tantal-Targets der Stärken 25 µm (Nr. 24), 50 µm (Nr. 25), 65 µm (Nr. 26) und 130 µm (Nr. 27) betrieben bei einer Röhrenspannung von 120 kVp für die medizinische und zahnmedizinische Bildgebung, als auch für andere zerstörungsfreie Prüfanwendungen zu verwenden. Alle Daten wurden normiert. Der Gesamtfluss zwischen 40 keV und 70 keV wurde dem der Tantal-Röhre mit einem 50 µm starken Targetmaterial gleichgesetzt. In der Praxis ist dies äquivalent dem Verändern der Röhrenstromstärke bis der Fluss jeder Röhre dem Fluss der Röhre mit einer Target-Stärke von 50 µm gleicht. Mit zunehmender Targetmaterialstärke wird die Dosis der Strahlung unter 40 keV durch das stärkere Targetmaterial drastisch reduziert. Gleichzeitig nimmt die hochenergetische Strahlung (von ca. 70 kVp bis 120 kVp) nicht erheblich zu, und ist meist sogar weniger. Wie für die Fachleute klar ersichtlch, ist diese Tatsache insbesondere nützlich auf dem Markt der medizinischen Bildgebung, zahnmedizinischen „computed toomgraphy“ bzw. Computertomographie-CT-Bildgebung, medizinischen CT-Bildgebung und der C-Bogen-Bildgebung. Zwar verwendet die bevorzugte Ausführungsform Tantal als Targetmaterial, es können aber auch andere Targetmaterialien verwendet werden, die verschiedene spektrale Charakteristika wie benötigt für die speziellen Anwendungen der vorliegenden Erfindung bereitstellen. Eine Reduzierung der Röntgenstrahlung unter 40 keV verringert auch die Strahlenmenge, die vom Körper bei einem medizinischen Bildgebungsverfahren absorbiert wird und Gewebeschäden zur Folge hat, aber die Qualität des Röntgenbildes nicht verbessert. Die zusätzliche Strahlenmenge zwischen den charakteristischen Energien der k-Linie und der k-Kante des Targetmaterials bei einer größeren Stärke des Targets bietet eine erhebliche Verbesserung der Bildqualität mit zunehmender Stärke des Targets. Die folgenden Daten zeigen deutlich die Vorteile einer Target-Stärke von 50 µm und mehr. Tabelle 1

Targetmaterial / Stärke	Winkel von der Mittellinie	Gesamtanzahl der Ereignisse
2 Ta 60 kVp 50 mA	0 Grad	228.673
2 Ta 60 kVp 50 mA	60 Grad	192.064
2 Ta 60 kVp 50 mA	80 Grad	123.670
4 Ta 60 kVp 50 mA	0 Grad	167.290
4 Ta 60 kVp 50 mA	60 Grad	113.417
4 Ta 60 kVp 50 mA	80 Grad	53.872

5 stellt den Ausgabefluss bei einer Transmissionsröhre mit einem Tantal-Target einer Stärke von 4 µm dar, wobei der Röntgenfluss an der Mittellinie (0 Grad) Nr. 18, bei 60 Grad von der Mittellinie Nr. 19 und bei 80 Grad von der Mittellinie Nr. 20 gemessen wurde. Die Stärke des Tantal-Targets bei 0 Grad ist 4 µm, bei 60 Grad nimmt die Stärke deutlich auf 80 µm zu, und bei 80 Grad auf über 20 µm. 6 zeigt eine graphische Darstellung des Ausgabeflusses aus einer Transmissionsröhre mit einer Targetstärke von 2 µm, gemessen an der Mittellinie Nr. 21, bei 60 Grad Nr. 22 und bei 80 Grad Nr. 23. Tabelle 1 zeigt den relativen Röntgenfluss eines Tantal-Targets von 2 µm Stärke verglichen mit 4 µm. Es wird im Allgemeinen angenommen, dass mit zunehmender Stärke des Targets die Menge der durch das zusätzliche Material absorbierten Röntgenstrahlen drastisch zunimmt, was durch die begrenzten Daten für zwei dünnwandige Transmissionstargets unterstützt wird. Wenn die Fachleute zwischen Transmissions- und Reflektionstargets wählen müssten, würden sie daher darauf achten, nicht ein Transmissionstarget zu verwenden, das stärker als ca. 8 µm ist. Es ist nicht ausreichend lediglich die Anzahl der produzierten Photonen zu betrachten, sondern man muss auch die Qualität der Photonen untersuchen. Schon bei der Betrachtung der 5 und 6 wird klar, dass die Differenz zwischen dem Fluss bei 40 keV und höher nicht wesentlich reduziert wird, wenn man größere Winkel von der Mittellinie wählt. Die Absorption des Flusses bei dem 1-Linien-Emissionsanteil der Kurve ist offensichtlich viel höher bei niedrigen Energien als bei höheren Energien. Bei den meisten praktischen Anwendungen in der medizinischen Bildgebung und der zerstörungsfreien Anwendung von Röntgenröhren wird die 1-Linie nicht gebraucht oder verwendet.
Ein Gebiet der Strahlungsphysik, das viel Aufmerksamkeit erregt hat, betrifft den Elektron-Photon-Transport in Materie. PENELOPE ist ein modernes, vielseitig einsetzbares Monte Carlo-Werkzeug zur Simulation des Transports von Elektronen und Photonen, das auf beliebige Materialien und in einem breiten Energiebereich anwendbar ist. Es wird bei der Atomenergiebehörde der OECD in Frankreich gepflegt. PENELOPE stellt quantitative Richtwerte für viele praktische Situationen und Verfahren bereit, wie z.B. Elektronen- und Röntgenspektroskopie, Elektronenmikroskopie und -mikroanalyse, Biophysik, Dosimetrie, Medizindiagnostik und Strahlungstherapie, als auch Strahlungsschäden und -abschirmung.
Versuchssituationen, die sich für einer genaue Simulation eignen, haben entweder Energiequellen mit niedriger kinetischer Anfangsenergie (von bis zu ca. 100 kVp) oder eine spezielle Geometrie, wie z.B. Elektronenstrahlen, die auf dünne Folien aufprallen. Für höhere Anfangsenergien oder eine dickerwandigen Geometrie wird die Durchschnittszahl der Kollisionen, die ein Elektron erfährt bis es endgültig abgebremst wird, sehr groß, und eine genaue Simulation ist sehr ineffizient. Folglich kann selbst die weitestentwickelte Simulationssoftware zur Voraussage der Röntgen-Erzeugung, die beim Aufprallen von Elektronen auf ein Transmissions-Target produziert wird, sich nicht mit dickwandigen Targets oder hohen Elektronenergien von über ca. 100 kVp befassen.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel „X-ray Tube Selection Criteria for BGA/CSP X-ray Inspection“ von David Bernard, veröffentlicht in „The Proceedings of SMTA International Conference“ im September 2002 wird offenbart, dass „dies besonders wichtig für Transmission-Targets ist, da eine Abwägung gemacht werden muss zwischen einem guten Röntgen-Fluss für die gewerbliche Anwendung (d.h. einer langen Lebensdauer) und einer nicht zu hohen Eigenabsorption der Röntgenstrahlen auf ihrem Weg (durch das Target)“. Dies kommt der Aussage gleich, dass je dünner das Target ist, desto weniger im Inneren des Targets produzierte Röntgenstrahlen absorbiert werden.
In einer weiteren Veröffentlichung mit dem Titel „Transmission-type Microfocus X-ray Tube Using Carbon Nanotube Field Emitters“, veröffentlicht in „Applied Physics Letters“ 90, 183109_2007_ offenbarten die Verfasser folgendes: „Wenn die Stärke des Targets kleiner ist als der Bereich der einfallenden Elektronen, können Elektronen das Target durchdringen, wobei nur ein Teil der Elektronenenergie in Röntgenstrahlung umgewandelt wird. Also benötigt man ausreichend dickwandiges Targetmaterial, um den Umwandlungs-Wirkungsgrad der Elektronenenergie in Röntgenenergie zu erhöhen. Jedoch wird die Röntgenstrahldämpfung beim Durchschlagen des Targets beträchtlich mit steigender Materialstärke des Targets. Dies legt nahe, dass es eine optimale Targetstärke gibt, um bei einer vorgegebenen Strahlstromstärke die maximale Röntgenstrahlintensität zu produzieren und, dass die optimale Stärke von der Energie der auftreffenden Elektronen abhängt. Die Röntgenstrahlintensität als eine Funktion der Stärke W wurde unter Verwendung eines Partikeltransport-Codes _MCNPX berechnet. Anhand des Berechnungsergebnisses wurde bestimmt, dass die Beschichtungsdicke von W auf dem Be-Fenster 1,1 µm sein muss, um eine maximale Röntgenstrahlintensität bei einer Elektronenenergie von 40 keV zu produzieren.“ Es wurde nicht versucht, die spektrale Zusammensetzung der Ausgabe-Röntgenstrahlen zu analysieren.
In einer weiteren Veröffentlichung mit dem Titel „Optimization of X-ray target parameters for a high-brightness mircofocus X-ray tube“, veröffentlicht in „Nuclear Instruments and Methods in Physics Research“ B 264 (2007) 371-377, folgern die Verfasser in 2 der Veröffentlichung, dass die optimale Stärke für ein Wolfram-Transmissionstarget bei einer Röhrenspannung von 30 kVp ca. 1 µm ist und bis auf 8 µm ansteigt für ein Wolframtarget bei einer Röhrenspannung von 150 kVp. Dies spiegelt den kürzlich veröffentlichten Menschenverstand wider bezüglich der Wahl der optimalen Stärke des Targets einer Röntgen-Transmissionsröhre.
Der gesunde Menschenverstand sagt den Fachleuten, dass mit zunehmender Stärke eines Transmissionstargets die Menge der erzeugten Röntgenstrahlung abnimmt, da das stärkere Targetmaterial die im Inneren des Targets produzierten Röntgenstrahlen absorbiert, und somit die Strahlungsmenge, die auf der anderen Seite des Targets austritt, reduziert und die Röntgenröhre unbrauchbar macht. Außer Acht gelassen wird, dass die Menge der absorbierten Energie stark abhängig ist von der Photonenenergie, und dass ein Großteil der Bremsstrahlung in nützliche charakteristische Strahlung umgewandelt wird, wenn die Bremsstrahlung das dickwandige Target durchdringt. Es könnte auch andere, noch nicht erklärte Phänomene geben, die in einer erhöhten nützlichen Röntgenstrahlung bei steigender Materialstärke des Targets resultieren. Weder. PENELOPE noch irgendeine andere Publikation stellen in diesem Punkt Hilfestellung bereit, da sie sich auf niedrige Elektronenenergien und/oder dünnwandige Targets beschränken.

Untenstehende Tabelle 2 zeigt das Verhältnis der Energie, die von den Röntgenstrahlen, die Tantalfolienstücke der Stärken 50 µm und 100 µm durchdringen, absorbiert wird. I/I₀ ist eine Masseinheit des Röntgen-Photonenflusses (I), die eine Tantal-Lage der Stärken 50 µm und 100 µm durchdringt, verglichen mit der Menge an Röntgenstrahlung (I₀), die in die Folie eintritt. Tabelle 2

Tantal als dickwandiges Targetmaterial
Photonenenergie	I/I ₀ bei 50 µm	I/I ₀ bei 100 µm
150 keV	88%	77,50 %
100 keV	69,90 %	48,90 %
80 keV	53,20 %	28,30 %
70 keV	40,20 %	16,20 %
67,46 keV hoch	37,40 %	14,00 %
67,46 keV niedrig	80,20 %	64,30 %
60 keV	74,30 %	55,20 %
56,278 keV k-α	68,10 %	46,40 %
40 keV	42,60 %	18,10 %
30 keV	16,20 %	2,62 %
20 keV	0,50 %	0 %
10 keV	0 %	0 %

Die K-Kante beschreibt den plötzlichen Anstieg des Dämpfungs-Koeffizienten von Photonen, der bei einer Photonenenergie knapp über der Bindungsenergie des K-Schalenelektrons der Atome, die mit den Photonen interagieren, auftritt. Dieser plötzliche Anstieg der Dämpfung ist zurückzuführen auf die photoelektronische Absorption der Photonen. Der photoelektronischen Absorption wird durch die Emission von K-Linien-Röntgenstrahlen entgegengewirkt, die bei der Röntgenbildgebung und bei zerstörungsfreien Prüfanwendungen sehr hilfreich sind.
Damit diese Wechselwirkung stattfindet, muss die Energie der Photonen höher sein als die Bindungsenergie der K-Schalen-Elektronen. Es ist wahrscheinlicher, dass ein Photon mit einer Energie knapp über der Bindungsenergie des Elektrons absorbiert wird, als ein Photon mit einer Energie knapp unter dieser Bindungsenergie.
In dieser Tabelle wurde nicht versucht, die zusätzliche Menge an k-Linien- und 1-Linien-Röntgenstrahlen vorherzusagen, die durch die Absorption der Röntgenstrahlen mit Energien über der k-Kante und 1-Kante von Tantal produziert würden. Die Tabelle ist lediglich eine Vorhersage der Menge der Röntgenstrahlung, die ein Stück Tantal-Folie durchdringen würde, und der absorbierten Menge, in Abhängigkeit von der Eingabeenergie der Röntgenstrahlen in keV und der Folienstärke.
Diese Tabelle zeigt die wichtige Erkenntnis, dass ein 100 µm starkes Target nicht mehr als 35,7 % der gesamten, von dem Target erzeugten Energie knapp unter der k-Kante absorbiert. Daher bewirkt eine einfache Steigerung der Röhrenstromstärke um 25 % zur Produktion von Röntgenstrahlung, dass die gleiche Menge an Röntgenstrahlung bei einer 50 µm starken Targetfolie bereitgestellt wird. Jedoch wird noch nicht einmal dies benötigt, da eine erheblich höhere Menge an absorbierten Photonen knapp an der k-Kante zur Verfügung steht, um in k-α-Strahlung umgewandelt zu werden.
Für das Element Tantal tritt die k-Kante bei 67,46 keV der Protonenenergie auf. In Tabelle 2 bezeichnet „67,46 keV hoch“ den Absorptionskoeffizienten knapp über der k-Kante. „67,46 keV niedrig“ bezeichnet die Absorption der Röntgenstrahlenergien knapp unter der k-Kante. Bei einer 50 µm starken Tantal-Folie wird das Verhältnis zwischen der Röntgenenergie, die auf der anderen Seite (I) des Targets austritt, verglichen mit der Röntgenenergiemenge, die in die Folie (I₀) eintritt, mit 80,20 % knapp unter der k-Kante von Tantal und mit 37,40 % knapp über der k-Kante angegeben. Folglich durchdringt bei einer 50 µm starken Tantal-Folie knapp unter der k-Kante 80,20 % der Energie ohne absorbiert zu werden, und stellt somit nützliche Röntgenstrahlen für die Bildgebung und der zerstörungsfreien Prüfanwendungen bereit. Jedoch werden 62,60 % der Photonen mit einer Energie über der k-Kante durch die Tantal-Folie absorbiert. Wenn die Folie das Target einer Röntgenröhre wird, erzeugt sie zusätzliche k-alpha-Strahlung, wenn die Röntgenenergien knapp über der k-Kante absorbiert werden, und erhöht damit die Menge nützlicher Röntgenstrahlung. Bei einem 100 µm starken Tantal-Target ist die durchdringende Energiemenge 64,30 %, wohingegen die von den K-Schalen-Elektronen absorbierte Energiemenge auf 86 % ansteigt. Bei einer Verwendung als Target gemäß der vorliegenden Erfindung stellen die zusätzlichen 50 µm Materialstärke zusätzliches Material dar, in dem hochenergetische Röntgenstrahlen absorbiert und nützliche k-Linien-Röntgenstrahlen produziert werden.
Es ergibt sich aus Tabelle 2, dass ein 100 µm starkes Target große Vorteile bietet bei der Reduzierung der Röntgenstrahlung einer Stärke von 40 keV und weniger und höhere Prozentzahlen an Energie über der k-Kante absorbiert. Dies stellt einen zweifachen Vorteil bereit, nämlich die Verringerung der niedrigenergetischen Röntgenstrahlung, die nur dazu führen die Strahlungsdosis zu erhöhen, aber die Bildgebungsmöglichkeiten der Röntgenröhre nicht verbessern, und die Absorption höherenergetischer Röntgenstrahlung, die durch das dickerwandige Targetmaterial dringt und dabei zusätzliche k-alpha-Strahlung produziert. Auch wenn zur Veranschaulichung hier Tantal verwendet wird, verhalten sich andere Targetelemente ebenso, wobei die k-Kante bei jedem Targetmaterial verschieden ist.
Bemerkenswert ist, dass die von der Folie absorbierte, gesamte Aufprallenergie knapp unter der k-Kante nur 19,8 % bei einer 50 µm starken und 35,7 % bei einer 100 µm starken Folie beträgt. Die 100 µm-Target absorbiert wesentlich mehr Energie über der k-Kante als die 50 µm-Target. Der Mechanismus der Energieabsorption von Energien über der k-Kante schließt ein, dass k-alpha-Strahlung zusätzlich erzeugt wird. Diese zusätzliche k-alpha-Strahlung wäre bei dem 100 µm-Target höher als bei dem 50 µm-Target, was zusätzlich nützliche Röntgenstrahlung als k-alpha-Strahlung hinzufügt. Dieses Phänomen wird in 4 verdeutlicht. Bei einer Erhöhung der Stärke des Tantal-Targets von 25 µm auf 130 µm steigt der Prozentanteil der Röntgenstrahlung zwischen 55 keV und 60 keV (k_α für Tantal ist 56,278 keV) mit steigender Targetstärke stetig an. Dies kann mit der zusätzlichen k-alpha-Strahlung, die von einer Energie über der k-Kante erzeugt wird, erklärt werden. Obwohl die vom Target absorbierte Röntgenmenge knapp unterhalb der k-Kante gering ist, werden bei dickerwandigen Targets zusätzliche Röhrenstromstärken benötigt, um die geeignete Ebene bzw. Höhe an Röntgenstrahlen für Röntgenanwendungen zu erhalten. Bei einer Erhöhung der Röhrenstromstärke nimmt die Wärmemenge, die von der Oberfläche des Targets entfernt werden muss, zu. Deshalb kann es sein, dass bei Anwendungen, bei denen der Gesamtausgabefluss der Röntgenstrahlung kritisch ist, zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Wärme, die durch erhöhte Röhrenstromstärke erzeugt wurde, zu entfernen.
Um überschüssige Wärme zu entfernen, können Transmissionsröhren den Vorteil, dass Flüssigkeiten mit Hochdruck auf die Rückseite des Endfenstersubstrats, wo die Elektronen auf das Target aufprallen, leicht nutzen. Transmissionsröhren sind besonders geeignet die Wärme dadurch zu entfernen, dass man turbulente Flüssigkeitsströme über die Oberfläche des Endfenstersubstrats leitet. Da die Wärme nahe am Ort ihrer Erzeugung entfernt werden kann, kann die Temperaturerhöhung auf der Vakuum-Seite des Targets minimiert werden. Ähnlich ist es bekannt, dass bei einer Röhre mit dickwandigem Target die Wärmeverteilung durch die aufprallenden Elektronen beim Eintritt der Elektronen in das dickwandige Target verteilt wird. Dieses Verteilen der Wärme reduziert den Temperaturanstieg an dem Auftreffpunkt des Targets, d.h. dem Brennpunkt, und erlaubt daher höhere Röhrenstromstärken. Bei der Röhre der vorliegenden Erfindung kann die Substratstärke des Endfenstersubstrats nur ca. 100 µm bis 200 µm betragen, was es erlaubt die durch den Elektronenstrahl erzeugte Wärme durch Flüssigkeitskühlung in einem Abstand von ca. 150 µm bis 450 µm vom Strahlpunkt auf dem Target zu entfernen. Da bei der Verwendung eines flüssigen Kühlmittels der Wärmefluss, der auf das Target trifft, sehr hoch sein kann, sollte der Phasenübergang von flüssig zu dampfförmig nahe dem Elektronen-Auftreffpunkt maximal genutzt werden.
Die industrielle für Mammographien eingesetzte Standardröntgenröhre ist eine Reflektionsröntgenröhre nach 2, die mit einem Molybdän-Target und einem zusätzlichen 30 µm-starken Molybdän-Filter hergestellt wurde, der außerhalb des Röhrenvakuums positioniert ist, um das Ausgabespektrum der Reflektionsröhre maßgeblich zu verändern und die charakteristische k-alpha Strahlung von dem Molybdän-Target zu erhöhen. Dies geschieht jedoch auf Kosten einer unerwünschten FilterUnschärfe, da der Filter außen an der Röhre, typischerweise mit einem Abstand von über 15 mm vom Elektronen-Auftreffpunkt des Reflektionstargets, hinzugefügt ist.
Bei der Untersuchung der Verwendung einer Transmissions-Röntgenröhre für den Markt der Mammographie-Bildgebung könnte der Filter Teil eines dickwandigen Targets sein, falls eine Transmissionsröhre verwendet würde, und somit die Filterunschärfe erheblich verringern, verglichen mit einer Reflektionsröhre. Gemäß Fachleuten in der Produktion von Transmissionsröhren wurde ein 25 µm-starken Molydän-Target als Target für eine Transmissionsröhre hergestellt. Das dickwandige Molybdän-Target sollte als sein eigener Filter agieren, wobei der Filter so nah an dem Punkt der Röntgenerzeugung sein sollte, dass die Qualität der Röntgenbilder verbessert würde. Die Stärke des Targets aber wurde auf 25 µm begrenzt, da der gesunde Menschenverstand sagt, dass dickerwandige Targets ihre eigenen Röntgenstrahlen filtern. Eine derartige Versuchsröhre wurde hergestellt und das Ausgabespektrum wurde analysiert.
10 A zeigt das Spektrum einer Röntgenröhre mit einem 25 µm-starken Molybdän-Target, das bei einer Röhrenspannung von 60 kVp bei 0 Grad und bei 60 Grad von der Mittellinie der Röhre aufgenommen wurde. Der schattierte Bereich der überlagerten Bilder zeigt das Spektrum bei 60 Grad. Damit die Figuren leichter vergleichbar sind, wurde der Durchmesser des Kollimators des Amptek-Spektrometers von 200 µm bei der Mittellinie auf einen Durchmesser von 400 µm bei 60 Grad von der Mittellinie vergrößert. 10 B zeigt die gleichen zwei Spektren, wobei der schattierte Bereich das Spektrum auf der Mittellinie ist. Die Qualität des Spektrums bei 60 Grad war dem mit 25 µm überlegen. Es gab weniger niedrigenergetische Röntgenstrahlung oder Strahlungsdosis und es gab mehr Röntgenstrahlung in dem Energieband, das k-alpha und k-beta Energien für Molybdän einschließt. Dies widerspricht der allgemeinen Auffassung im Stand der Technik, dass dickerwandiges Targetmaterial für Transmissionsröhren nicht geeignet sei.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde ein 50-55 µm-starkes Molybdän-Target an einem 2 mm-starken, Beryllium-Endfenstersubstrat angebracht. Das Röntgenspektrum wurde mit dem Spektrum einer handelsüblichen Mammographie-Röntgenröhre und dem der Röntgenröhre nach 10 A und 10 B mit einem 25 µm-starken Target verglichen. Die untenstehende Tabelle zeigt die Flussprozentzahl jeder Röhre in den Energiebändern 3-10 keV, 10-16,83 keV, 16,83-20,5, wobei dieses Energieband die k-Liniencharakteristik von Molybdän enthält, und größer als 20,5 keV. Für das 50-55 µm-starke Target wurde das Röntgen-Spektrum auf der Mittellinie und bei 45 Grad von der Mittellinie gemessen. Die Materialstärke des Targets wäre tatsächlich 40 % größer bei 45 Grad von der Mittellinie. Tabelle 3

Energie% in jedem Energieband
	3-10 keV	10-16,83 keV	16,83-20,5 keV	>20,5 keV
Handelsübliche Röhre-27 kVp	2,5 %	43,80 %	49,50 %	4,10 %
25Mo 0 Grad - 27 kVp	3,40 %	47,40 %	44,60 %	4,50 %
25Mo 60 Grad - 27 kVp	1,70 %	38,70 %	55 %	4,60 %
50-55Mo 0 Grad - 27 kVp	0,90 %	32,90 %	62,60 %	3,60 %
50-55Mo 45 Grad - 27 kVp	0,30 %	23 %	74,40 %	2,20 %
50-55Mo 0 Grad - 30 kVp	0,80 %	28,70 %	64,90 %	5,70 %
50-55Mo 45 Grad - 30 kVp	0,25 %	21,80 %	73,70 %	4,20 %
50-55Mo 0 Grad - 35 kVp	0,90 %	21,90 %	66 %	11,30 %
50-55Mo 45 Grad - 35 kVp	0,70 %	15,50 %	75,60 %	8,10 %

Die handelsüblich verfügbare Röhre war eine Reflektionsröhre mit einem Molybdän-Target und einem 30 µm-starken Molydän-Filter, den die. Röntgenstrahlen durchdringen bevor sie die Brust abbilden. Für diese Röhre wurden die Spektrumsdaten auf der Mittellinie aufgenommen. Die Daten der Röhre mit dem 25 µm-starken Molybdän-Target wurden auf der Mittellinie und bei 60 Grad von der Mittellinie gezeigt. Bemerkenswert ist, dass für das 50-55 µm Molybdän-Target der vorliegenden Erfindung, betrieben mit 30 kVp und 35 kVp und bei 45 Grad von der Mittellinie, eine deutliche Verringerung um ca. 60 % in dem Gesamtfluss von Energien geringer als 16,83 keV auftrat, was die Strahlungsdosis, die der Patient während Routine-Mammographien mit Reflektionsröhren erhält, signifikant reduziert. Gleichzeitig steigt der Energiefluss in dem für Molybdän charakteristischen k-Linien-Energiebereich von 16,83-20,5 keV um ca. 50 %, was ausschlaggebend für eine hohe Bildqualität der Brust, ist. Das Flussverhältnis der handelsüblichen Reflektionsröhre zwischen 16,83 keV und 20,5 keV (49,50 %) verglichen mit dem unnötigen Fluss zwischen 3 keV und 16,83 keV (46,3 %) ist erheblich schlechter als das des 50-55 µm-Targets bei 45 Grad von der Mittellinie und einer Röhrenspannung von 30 kVp (73,7 % zwischen 16,83 keV und 20,5 keV und 22,05% unter 16,83 keV) und bei 45 Grad von der Mittellinie in der gleichen Röhre, betrieben bei 35 kVP (75,6 % zwischen 16,83 keV und 20,5 keV und 16,2 % unter 16,83 keV). Und dies wird während der Betriebs der Röhre mit einer höheren Spannungen erreicht als bei der handelsüblichen Röhre, wodurch ein beträchtlich höherer Fluss bei ähnlichen Röhrenstromstärken erzielt wird.

Eine Transmissionsröhre mit Tantal als Targetmaterial und einer Targetstärke von 25 µm, die an einem 6,35 mm-starken Aluminium-Endfenster aufgebracht ist, wurde gebaut und getestet. Mit sich änderndem Messwinkel von der Mittellinie (0 Grad) der Röhre auf 10, 20 und 30 Grad von der Mittellinie gab es bei den getesteten Spannungen 80, 90, 100, 110 und 120 kVp so gut wie keine Änderung in dem gemessenen Spektrums. Dies widerspricht dem gesunden Menschenverstand des Experten auf diesem Gebiet. Die Röntgenstrahlen, die eine Target-Stärke von 38,8 µm bei 30 Grad durchdrangen, waren vergleichbar mit denen durch ein 25 µm-starkes Target auf der Mittellinie. Die Röntgenstrahlen durchdrangen auch und zusätzlich 1 mm von Aluminium bei 30 Grad verglichen zu dem bei der Mittellinie. Es trat keine kontinuierliche Verringerung der Röntgenstrahlung auf, insbesondere bei der Änderung des Messwinkels von 0 Grad auf 30 Grad und speziell bei der charakteristischen k-alpha-Linie von Tantal von 57,5 keV. 12 stellt eine Überlagerung aller Spektren der oben beschriebenen Röhre dar, die mit einer Röhrenspannung von 120 kVp bei 0, 10, 20 und 30 Grad von der Mittellinie betrieben wird. Besonders zu bemerken ist, dass die Kurven des Ausgabeflusses im k-alpha-Energiebereich zwischen 55 keV und 60 keV so gut wie gleich sind. Weiterhin zu bemerken ist, dass bei der k-Kante von Tantal eine starke Verringerung des Ausgabeflusses festzustellen ist, was darauf hinweist, dass höhere Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlungsenergien, die in das dickwandige Target eindringen, absorbiert werden, und dass zumindest ein Teil davon in charakteristische k-Linien-Strahlung umgewandelt wird. Tabelle 4

	80 kVp	90 kVp	100 kVp	110 kVp	120 kVp
0 Grad	62.451	90.400	147.474	201.884	263.384
10 Grad	56.060	87.580	125.669	152.704	201.308
20 Grad	60.408	93.027	123.921	169.700	244.687
30 Grad	57.640	87.022	135.674	159.055	208.071

Tabelle 3 ist eine Aufstellung der mit der oben beschriebenen Konfiguration aufbenommenen Spektraldaten. Die Gesamtzahl der Ereignisse bei jedem Winkel und jeder Röhrenspannung werden in der Tabelle gezeigt. Abgesehen von der geringen Änderung der Röntgenausgabe innerhalb 30 Grad von der Mittellinie, war auffallend, dass die Röntgenflussmenge auf der Mittellinie bei einer 2-fachen Erhöhung der Röhrenspannung um das 4,2-fache zunahm, was darauf schließen lässt, dass höhere Spannungen und dickerwandige Targets einen sogar noch höheren Ausgabefluß produzieren würden. Dies stellt den besonderen Vorteil bereit, dass man den GesamtAusgabefluss durch Erhöhung der Beschleunigungsspannung (kVp) in der Röhre erhöhen kann, wobei die Wärmebelastung des Röntgentargets unterproportional erhöht werden würde. Ein weiteres, diese Verringerung der Wärmebelastung begünstigendes Phänomen ist, dass mit zunehmender Targetstärke die Belastung mehr verteilt wird und deshalb eine geringere Oberflächentemperatur beim Elektronen-Auftreffpunkt des Targets auftritt.
Bei drei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden Transmissions-Röntgenröhren mit Tantal-Targets der Stärken 50 µm, 65 µm und 130 µm hergestellt. Zwar verwendet diese Darstellung Tantal als Targetmaterial, das Targetmaterial könnte jedes einer Anzahl von verschiedenen Materialien sein, die geeignet für die Verwendung als Röntgen-Transmissionstarget sind, einschließlic, aber nicht begrenzt auch Scandium, Chrom, Zinn, Antimon, Kupfer, Lanthan, Titan, Eisen, Nickel, Yttrium, Molybdän, Rhodium, Palladium, Gadolinium, Erbium, Ytterbium, Thulium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Platin, Gold und Uran und deren Legierungen, eutektischen Legierungen, Verbindungen oder intermetallischen Verbindungen. Verwendet man Legierungen, intermetallische Verbindungen, eutektische Legierungen oder Verbindungen aus einem der vorgenannten Materialien als Targetfolie, wird das Target charakteristische Röntgenlinien-Emissionen zumindest eines der Targetelemente erzeugen.
Im Stand der Technik wird immer wieder behauptet, dass derartige dickwandige Targets unterlegen sind, da sie zu viel der durch das Aufprallen der Elektronen im Inneren des Targets erzeugten Röntgenstrahlung absorbieren. Es wurde zu keinem Zeitpunkt versucht, die Qualität der Strahlung für spezielle Anwendungen zu untersuchen. In der vorliegenden Erfindung wird nicht lediglich die Gesamtmenge der Ausgaberöntgenstrahlung untersucht. Untersucht man die Qualität des Augabespektrum im Hinblick auf verschiedene Anwendungen, wird klar, dass dickwandige Targets einer Materialstärke von 50 µm und mehr einen bedeutenden Durchbruch darstellen bei der Verwendung von Transmissionsröhren für medizinische Bildgebung, einschließlich C-Bogen-Anwendungen, zahnmedizinische CT-Anwendungen, Röntgenbildgebung des Ober- und Unterkörpers und Computertomographie-Anwendungen im medizinischen Bereich. Bei zerstörungsfreien Prüf-(NDT)-Anwendungen, wie z.B. die Abbildung elektronischer Schaltkreise und elektronischer Chips, Fluoureszenz-Analyse, Röntgen-Mikroskopie, Computertomographie-Bildgebung, Röntgen-Diffraktion und weiterer dem Fachmann bekannten Anwendungen.
Es ist wohlbekannt, dass wenn Elektronen in die Oberfläche des Targetmaterials eindringen, die maximale Eindringtiefe der Elektronen je nach Materialdichte durch die Energie der aufprallenden Elektronen bestimmt wird. Wenn Elektronen mit einer Energie von z.B. 100 keV auf Tantal aufprallen, liegt die Eindringtiefe im Bereich von 8 µm, und bei 150 keV ist sie nahe bei 16 µm. Die Eindringtiefen bei weniger dichten Materialien, wie z.B. Chrom beträgt bei 100 keV 20 µm bzw. bei 150 keV 37 µm. Die Eindringtiefe des Elektron und die darauffolgende Erzeugung von Röntgen-Strahlung in den tieferen Ebenen des Targets können die Verbesserung der Röntgenausgabe bei Target-Materialstärken über 50 µm nicht erklären.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zum Anbringen der Folie des dickwandigen Targets auf dem Endfenster-Substrat Diffusionsschweißen eingesetzt. Beim Diffusionsschweißen wird ein vorgefertigtes Bauteil bei angehobenen Temperaturen unter Belastung gehalten, meist in einer Schutzatmosphäre oder einem Vakuum. Die verwendeten Belastungen liegen für gewöhnlich unter den Belastungen, die Makrodeformationen des Grundwerkstoffs/der Grundwerkstoffe bewirken würden, und Temperaturen von 0,5-0,8 Tm (wobei Tm den Schmelzpunkt in K bezeichnet) werden verwendet. Die Zeitspannen der Temperatur liegt typischerweise zwischen 1 min und 60+min.
Diffusionsgeschweißte Verbindungen sind ausgesprochen biegsam, bleiben aber stabil und können deshalb extreme Temperaturen aushalten. Selbst wenn die verbundenen Materialien Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, die nicht zueinander passen, sind diese Verbindungen absolut zuverlässig. Daher ist das Diffusionsschweißen ganz besonders geeignet für Anwendungen, die bei hohen Betriebstemperaturen Temperaturschocks ausgesetzt sind, wie es in der vorliegenden Erfindung der Fall ist beim Aufprallen der Elektronen aus das Target.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Material für das Endfenstersubstrat 2mm-starkes Aluminium gewählt. Das Aluminium wird durch Diffusionsschweißen oder Heißpressen an einem Edelstahlrahmen befestigt, der dazu dient das Endfenstersubstrat in Position zu halten und eine Vakuum-Versiegelung bildet zwischen dem Inneren der Röhre und der Umgebungsatmosphäre. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich ein 130 µm-starkes Tantal-Target auf der Vakuum-Seite des Aluminum-Endfenstersubstrats diffusionsgeschweißt oder heißgepresst. 11 vergleicht das Ausgabespektrum einer Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung mit einem 130 µm-starken Tantal-Target und einem 2 mm-starken Aluminium-Endfenstersubstrats, Nr. 50, mit einer ähnlichen Röntgenröhre, deren Endfenstersubstrat aus 1 mm Beryllium Nr. 49 hergestellt ist. Die Gesamtausgabemengen beider Röhren wurden zwischen 40 keV und 70 keV normiert, sodass sie gleich sind. Um aber nun in einem Energieband zwischen 40 keV und 70 keV Röntgenstrahlen der gleichen Röntgenstrahlintensität bereitzustellen, muss die Stromstärke der Röhre mit dem Aluminium-Endfenstersubstrats um ca. 8 % erhöht werden. Das Endfenstersubstrat aus Aluminium stellt ganz klar eine beträchtlich niedrigere Dosis als das äquivalente Beryllium-Endfenstersubstrat bereit. In einigen medizinischen Anwendungen ist diese Verringerung der Dosis bei niedrigen Energien viel entscheidender als der erhöhte Energieaufwand zum Betrieb einer ähnlichen Röhre mit einem Beryllium-Endfenster. Das Platzieren des Aluminium-Filters in unmittelbarer Nähe des Brennflecks reduziert die Filterungenauigkeit bedeutend im Vergleich zu Filtern, die auf der Atmosphärenseite der Reflektions- oder Transmissions-Röntgenröhre platziert wurden. Zwar wird zur Veranschaulichung dieser Ausführungsform ein 2 mm-starkes Aluminium-Endfenstersubstrat verwendet, es kann aber auch durch andere Materialien und Stärken für das Endfenstersubstrat ersetzt werden, um ähnliche Ergebnisse zu erhalten. Obwohl Heißpressen und Diffusionsschweißen bevorzugt sind, können Fachleute dieses auch durch jede andere Verfahren zu Anbringen von Aluminium auf sowohl den Rahmen der Röntgenröhre als auch auf das Targetmaterial ersetzen.
Beim Festphasen-Diffusionsschweißen können auch duktile Zwischenschichtmaterialien mit geringen Ausgasungswerten eingesetzt werden, um die metallischen Materialien der Targetfolie und des Substrats der vorliegenden Erfindung zu verbinden. Die resultierende Verbindung enthält keinerlei Einschlüsse. Jedes einer Anzahl von, den Fachleuten auf dem Gebiet des Diffusionsschweißens bekannten möglichen Zwischenschichtmaterialien kann verwendet werden. Jedoch ist es ratsam, ein duktiles Zwischenschichtmaterial zu wählen, dessen Schmelztemperatur nicht höher liegt als die Schmelztemperatur des Targetfolien-Materials oder des Endfenstersubstrats.
Alternativ können entweder Sputtern der Folie des dickwandigen Targets auf das Substrat oder Anbringen der Folie des dickwandigen Targets durch heißisostatisches Pressen (HIP) verwendet werden, wobei sehr viel höhere Drücke (100-200 Mpa) verwendet werden, um die Oberfläche anzubringen. Die hohen Drücke beim Binden mit HIP erlauben Oberflächenbeschaffenheiten, die weniger kritisch sind. Oberflächenbeschaffenheiten von 0,8 µm RA und mehr können verwendet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Verwendung der Fluoroskopie-Messung des Vorhandenseins und der Konzentration von Elementen in einem zu messenden Objekt eine fokussierte Transmissionsröhre für die Produktion von Röntgenstrahlen verwendet mit einer Brennfleckgröße ca. 0,1 µm bis 3 mm ist. Die bevorzugten Fleckgrößen liegen üblicherweise zwischen 3 µm und 200 µm. Die Ausgabe einer Röntgenröhre wird in einen dünnen Röntgenstrahl kollimiert, der dann auf das zu analysierende Objekt aufprallt, dabei nur einen kleinen Abschnitt des Strahls nutzt und die Röntgen-Fluoreszenz auf den zu bestrahlenden Abschnitt des Objekts beschränkt. Kennt man und variiert man die Stelle des strahlenden Röntgenstrahls, kann eine Karte produziert werden, die das Vorhandensein und die Konzentration einer oder mehrerer Elemente von Interesse zeigt, was den Fachleuten auf diesem Gebiet geläufig ist. Die Verwendung einer Transmissionsröhre mit einer Folie eines dickwandigen Targets bietet viele Vorteile gegenüber der Verwendung von Reflektionsröhren und der Verwendung von Transmissionsröhren mit einer geringeren Targetstärke. Mit höheren Röhrenspannungen als in Reflektionsröhren produziert werden können, kann eine erheblich höhere Prozentzahl an k-alpha Strahlung mit der exakten Energie benötigt zur Anregung eines bestimmten Elements von Interesse im Objekt produziert werden. Der Kollimator kann sich sehr nah an dem Röntgenfleck befinden, meist in einem Abstand von 1 mm oder 2 mm, verglichen mit ca. 20 mm bis 30 mm bei Reflektionsröhren, wodurch die 1/r²-Verluste an Röntgenstrahlintensität bei der Reflektionsröhre beträchtlich reduziert werden. Weiterhin entfernt der Kollimator schädliche hochenergetische Röntgenstrahlung, die in den Wänden des Kollimators absorbiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine einzelne Folie eines dickwandige Targets aus einer Legierung, eutektischen Legierung, Verbindung oder einer intermetallischen Verbindung zweier oder mehrerer Elemente bereitgestellt. Es ist bekannt, dass man durch das Schichten von Targetmaterialien oder durch Verwendung mehrerer Targets und dem gezielten Bewegen des Elektronenstrahls von einem zum anderen Röntgenstrahlen produzieren kann, die nützliche charakteristische Linien von mehr als einem einzelnen Element enthalten, was jedoch zusätzliche Kosten verursacht. Vermischt man jedoch zwei oder mehr Elemente in einem einzelnen Target, werden solche Kosten vermieden. Folien aus solchen Legierungen oder Verbindungen können einsatzbereit gekauft werden und mit Diffusionsschweißen, Heißpressen oder HIP-Verfahren auf die dickwandige Folie des Endfenstersubstrats angebracht werden.
Eine Alternative stellt das gleichzeitige Sputtern der beiden Elemente zur Bildung einer Folie eines dickwandigen Targets direkt auf das Endfenstersubstrat dar.
Mit den verschiedenen, charakteristischen Röntgen-Emissionslinien und durch aufeinanderfolgendes Variieren der Röhrenspannung kann die Prozentzahl der charakteristischen Strahlung jedes der Elemente, die die Legierung oder die Verbindung umfasst, verändert werden, was den Fachleuten eine hilfreiche Möglichkeit liefert, spezifische Verbindungen in dem zu untersuchenden Objekt abzubilden oder zu identifizieren.
Derartige dickwandige Folien können sich mit nur einem Element in der Folie mit vielen Problemen befassen. Niedrige Schmelzpunkte, schlechte Wärmeleitfähigkeit, reaktionsfreudige Materialien, die in einer Produktionsumgebung schwierig zu handhaben sind, sind nur einige der vielen Probleme, die durch das Vermischen des Elements mit anderen Elementen zur Bereitstellung nützlicher charakteristischer Strahlung gelöst werden können.
Das Beispiel mit Lanthan/Zinn: Jod wird häufig als Kontrastmittel unter anderem bei der Angiographie, der CT-Bildgebung und der Mammographie verwendet. Nachdem einem Patienten ein Jod-basiertes Kontrastmittel verabreicht wurde, ein Röntgenbild mit einer hohen Prozentzahl an k-alpha-Lanthan (33,440 keV) und ein zweites mit einer hohen Prozentzahl an k-alpha-Zinn (25,270 keV) aufgenommen wurde, daraufhin die Bilder subtrahiert wurden, resultiert ein klares Bild des Jods mit einer k-Absorption of 33,164 keV. In ähnlicher Weise kann Doppelabbildung des Zinn-Gehalts in Lötmitteln mit den beiden gleichen Elementen Lanthan und Zinn erreicht werden, um ein Qualitätssicherungwerkzeug für Lötverfahren bereitzustellen. Eine intermetallische Verbindung umfassend 60 % Lanthan und 40 % Zinn stellt ein Beispiel jeder Anzahl von möglichen Targetmaterialien bereit, mit ausreichend hohen Mengen von jedem Material, um k-Linien-Röntgenstrahlen hoher Energien beider Elemente zu produzieren. Die Mengen der k-alpha-Strahlung von jedem Element werden durch Variieren der Spannung in der Röntgenröhre eingestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Transmissionsröhre dieser Erfindung mit einer einzelnen Kapillare oder einem Kapillarbündel gekoppelt, wobei die Kapillare normalerweise aus dem Fachmann geläufigen Spezialglas oder einem anderen geeigneten Material hergestellt ist, die einen Abschnitt der in einer Transmissionsröhre produzierten Röntgenstrahlen führen und fokussieren. 7 zeigt eine einzelne, an der Ausgabe einer Transmissionsröhre gekoppelte Kapillare, wobei Nr. 31 einen gebündelten Elektronenstrahl einer Transmissionsröhre darstellt, der in einem Brennfleck auf das Target Nr. 32 trifft. Das auf einem Anodensubstrat Nr. 30 aufgebrachte Target erzeugt einen Röntgenstrahl Nr. 33, ein Abschnitt dessen das Endfenstersubstrat verlässt, in eine einzelne Kapillare Nr. 34 eintritt und diese auf der gegenüberliegenden Seite der Kapillare wieder verlässt. Eine derartige einzelne Kapillare wird üblicherweise dazu verwendet, Röntgenstrahlen mit einem Brennfleck von ca. 20 µm bis 150 µm Durchmesser auf einen sehr engen Röntgenstrahl im Bereich von 1 µm bis 10 µm zu fokussieren, wobei die Röhren-Fleckgröße und die Größe des engen Ausgangs-Röntgenstrahls keine Einschränkung für diese Anwendung darstellt. Ebenso können das Targetmaterial oder die Targetmaterialien so gewählt werden, dass ein höchster Wirkungsgrad bei der Fluoreszenz-Analyse bereitgestellt wird.
8 stellt ein Kapillarbündel dar, das zur Fokussierung der Fleckgröße in einer Röntgenröhre verwendet wird, um eine noch höhere Auflösung des Röntgenstrahls zu produzieren, was in der Diffraktion, Fluoreszenz und der Bildgebung nützlich ist, oder um einen nahezu parallelen Röntgenstrahl zur Reduzierung der Streuung im Objekt bereitzustellen. Bei der vorliegenden Erfindung werden Röntgenstrahlen am Brennfleck des Transmissions-Targets Nr. 39 erzeugt. Nr. 37 zeigt, wie ein Kapillarbündel Röntgenstrahlen von einer Punktquelle aufnehmen kann und sie zu einem beinahe parallelen Röntgenstrahl führen kann. Nr. 35 und Nr. 36 stellen graphisch dar, wie ein individueller Röntgenstrahl in einer einzelnen Kapillare innerhalb eines Kapillarbündels verläuft. Nr. 38 zeigt die Verwendung eines Kapillarbündels, das Röntgenstrahlen aufnimmt und auf einen zweiten Punkt im Raum erneut fokussiert. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf diese beiden Verwendungen beschränkt.
Obwohl die Transmissionsverluste innerhalb der Kapillare oder der Kapillaren erhöht sind, da der Fleck der Röntgenstrahlerzeugung nahe am Eingang der Kapillare in einer Transmissionsröhre platziert ist, sind diese Verluste nicht so bedeutend wie die Einsparung an Röntgenintensität aufgrund der normalen l/r²-Verluste, die innerhalb der Kapillare nicht realisiert sind. Die Verwendung von Transmissionsröhren erlaubt es, die Kapillare in geringem Abstand von ca. 0,075 mm bis 2 mm zu platzieren, wobei die Stärke des Endfenstersubstrats die Röntgenstrahlintensität, die aus der Kapillare austritt, bedeutend erhöht im Vergleich zu Reflektionsröhren, bei denen das Platzieren auf ein Minimum von 20 mm bis 30 mm beschränkt ist. Weitere Vorteile von Transmissionsröhren mit dickwandigen Folientargets gegenüber den oben beschriebenen Reflektionsröhren und Transmissionsröhren mit dünnen Folien ist z.B. der hohe Prozentzahl an charakteristischen Linienemissionen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Transmissionsröhre dieser Erfindung dazu verwendet Röntgenstrahlen für die automatisierte Inline-Prüfung von Objekten bereitzustellen. Objekte werden in die Prüfstation befördert, geprüft und dann automatisch durch eine Materialhandhabungsvorrichtung entfernt. 9 stellt eine derartige Anwendung dar. Ein Fließband 40 befördert Produkte 44, die während der Prüfung angehalten werden können oder sich kontinuierlich durch die Station bewegen können. Es kann natürlich jede dem Fachmann bekannte Materialhandhabungsvorrichtung eingesetzt werden. In 9 wird ein dem Fachmann geläufiger Zeilensensor 46 verwendet, um das Bild abzutasten bzw. wahrzunehmen, und ein Bildprozessor 45 sammelt eine Serie von Zeilenbildern und übersetzt diese zu einem Bild des Objekts. Eine Energieversorgung 42 stellt elektrischen Strom an der Röntgenröhren-Anordnung 41 bereit, die im Allgemeinen die Röntgenröhre enthält, die von einer kühlenden und elektrisch isolierenden Flüssigkeit umgeben ist. Die Röntgenröhre produziert Röntgenstrahlen 43, die zur Produktion von Röntgenbildern des Produkts verwendet werden. Auch wenn diese Abbildung eine Zeilenbildsensor darstellt, so können doch auch verschiedene andere, dem Fachmann bekannte Sensoren zur Bildgebung, zur Fluoureszenz-Analyse oder einer Kombination hiervon verwendet werden.
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist der Kegelwinkel der produzierten Röntgenstrahlen 8 beträchtlich größer bei einer Transmissionsröhre als bei einer Reflektionsröhre. Reflektionsröhren werden üblicherweise mit einem Abstand von 35 cm vom Fließband platziert. Transmissionsröhren der vorliegenden Erfindung können den gleichen Prüfbereich bei Entfernungen von nur 20 cm oder näher bereitstellen in Abhängigkeit von der Größe des zu untersuchenden Produkts, wodurch die benötigte Röntgen-Flussmenge verringert wird und die Wärmebelastung auf das Röntgen-Target bedeutend reduziert wird.
Verwendet man eine Transmissionsröhre, deren Targetstärke, Targetmaterial und folgende Röhrenspannung optimal auf den bei der Inline-Prüfung verwendeten Sensor gewählt sind, kann eine Verbesserung des Gesamt-Röntgenflusses mit der für die Röntgenbildgebung kritischen Energie im Vergleich zu Reflektionsröhren um das 3- bis 5-fache bereitgestellt werden. Dies wird noch ergänzt durch den Vorteil, der dadurch entsteht, dass man die Röntgenröhre näher an dem abzubildenden Objekt platzieren kann, was den Gesamtenergieverbrauch um den Faktor 10 oder höher vermindert. Aufgrund der Geschwindigkeit, die bei der Inline-Prüfung in den Stationen benötigt wird, wurden Fleckgrößen von unter 1 mm bisher nicht häufig verwendet. Die beträchtliche Leistungssteigerung einer Transmissionsröhre der vorliegenden Erfindung ermöglicht Fleckgrößen von weniger als 200 µm mit sich daraus ergebender höherer Systemauflösung, aber ohne das Fließband deutlich abzubremsen.
Die Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung kann zur Bereitstellung von Röntgenstrahlen mit einer hohen Konzentration an k-alpha-Emissionen verwendet werden. Bei Diffraktionsanwendungen müssen die in einer Röntgenröhre produzierten Röntgenstrahlen erst monochromatisch gemacht werden. Dickwandige Targets produzieren besonders hohe Mengen an k-alpha-Strahlung aus dem Targetmaterial, da eine große Menge der niederenergetischen Energien deutlich mehr Röntgenstrahlen oberhalb der k-Kante des Targetmaterials absorbieren. Die absorbierte Energie wird zur Erzeugung zusätzlicher k-alpha im Inneren des Targets verwendet. Bei Diffraktion ist Kupper häufig das Targetmaterial der Wahl. Kombiniert man ein Kupfer-Endfenstersubstrat mit dem Kupfer-Target, so wird das gesamte Endfenstersubstrat das Target. Materialstärken von über 300 µm oder 400 µm und Röhrenspannungen in kVp, die weit über dem zweifachen der k-alpha in keV liegen, stellen eine hervorragende Quelle für quasi-monochromatische k-alpha-Strahlung bereit. Obwohl Kupfer solch eine Röhre zum Einsatz bei dieser Röntgen-Diffraktion bereitstellt, können Fenster/Targetkombinierte Elemente für andere Anwendungen verwendet werden. In solchen Anwendungen sollte die Stärke des Endfenstersubstrats/Targets von der Größenordnung von maximal 500 µm sein. Die geringste Stärke sollte groß genug sein, das Vakuum zwischen dem Inneren der Röntgenröhre und der Umgebungsatmosphäre aufrechtzuerhalten. Das Endfenstersubstrat/Target kann durch dem Fachmann Gebiet bekannte Mittel an dem Rahmen der Röntgenröhre angebracht werden.
Bei einem Röntgenmikroskop wird im Allgemeinen eine Fresnelzonenplatte zwischen dem Objekt und dem Bildsensor platziert. Quasi-monochromatische Röntgenstrahlen prallen auf die Objektröntgenstrahlen, durchdringen das Objekt und werden daraufhin auf einen sehr kleinen Bildpunkt fokussiert, wodurch Detailauflösungen des Objekts im zweistelligen Nanometerbereich erzielt werden. Für ein derartiges Röntgenmikroskop benötigt man eine große Menge an monochromatischen Röntgenstrahlen, um in einer kurzen Zeit ein scharfes Bild bereitzustellen. Derartige Mikroskope finden sich meist in Synchrotron-Zentren, die imstande sind sehr hohe Qualitäten monochromatischer Röntgenstrahlung zu produzieren. Für gewerbliche Zwecke jedoch kann die Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung beträchtlich höhere Mengen an quasi-monochromatischen Röntgenstrahlen bereitstellen, die daraufhin durch die Fresnel-Platte zu einem ökonomisch sinnvollen, hochauflösenden Bild fokussiert werden.

Claims

Transmissions-Röntgenröhre, umfassend: ein evakuiertes Gehäuse; eine Endfesteranode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und ein Endfenstersubstrat und ein dickwandiges Target umfasst, das eine Folie oder eine Vielzahl von Folien umfasst; eine Kathode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Elektronenstrahl aussendet, der entlang eines Strahlenpfads in dem Gehäuse verläuft und die Anode an einem Fleck trifft, und einen Röntgenstrahl erzeugt, der das Gehäuse durch das Endfenstersubstrat verlässt; eine Energieversorgung, die an die Kathode angeschlossen ist und eine wählbare Elektronenstrahlenergie und Strahlstromstärke bereitstellt, um einen hellen Röntgenstrahlenstrahl mindestens einer vorgewählten Energiecharakteristik der Folie oder der Vielzahl von Folien des dickwandigen Targets zu produzieren, wobei die Stärke der Folie oder mindestens einer der Vielzahl von Folien des dickwandigen Targets zwischen 70 µm und 200 µm liegt.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, wobei die Strahlenergien zwischen 10 kVp und 500 kVp liegen.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, wobei das Target und das Endfenstersubstrat aus einem einzigen Material hergestellt sind und 500 µm stark sind.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, wobei das dickwandige Target durch Diffusionsschweißen an dem Endfenstersubstrat angebracht ist.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, wobei das dickwandige Target durch Heißpressen oder heißisostatisches Pressen an dem Endfenstersubstrat angebracht ist.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, wobei das dickwandige Target auf dem Endfenstersubstrat aufgebracht ist, das aus einem Material ist, das im Wesentlichen durchlässig für Röntgenstrahlen ist, wobei das Material aus Beryllium, Aluminium, Kupfer, Lithium, Bor und Legierungen hiervon ausgewählt ist.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, wobei der Elektronenstrahl durch eine Fokussierlinse über, unter oder auf dem dickwandigen Target fokussiert wird.
Verfahren für die Röntgenfluoroskopie, umfassend: a) Bereitstellen einer Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, und b) Bewirken, dass die Röntgenröhre die Quelle der erzeugten Röntgenstrahlen für die Verwendung in der Röntgenfluoroskopie produziert.
Verfahren, um dentale Computertomographie-Bilder zu erhalten, umfassend: a) Bereitstellen einer Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, und b) Bewirken, dass die Röntgenröhre Röntgenstrahlen produziert, um die Dentalbilder zu erhalten.
Verfahren, um medizinische Bilder zu erhalten, umfassend: a) Bereitstellen einer Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, und b) Bewirken, dass die Röntgenröhre die Quelle der erzeugten Röntgenstrahlen produziert, um die medizinischen Bilder zu erhalten.
Verfahren, um Bilder durch Computertomographie zu produzieren, umfassend: a) Bereitstellen einer Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, und b) Bewirken, dass die Röntgenröhre die Quelle der erzeugten Röntgenstrahlen produziert, die zur Produktion von Bildern durch Computertomographie verwendet werden.
Vorrichtung, umfassend: eine Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, und einen C-Arm mit einer Röntgenstrahlenquelle und einem Bildempfänger an gegenüberliegenden Enden, die einander entlang einer Röntgenstrahlachse zugewandt sind.
Verfahren zur Röntgenstrahl-Diffraktion: a) Bereitstellen einer Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, und b) Bewirken, dass die Röntgenröhre die überwiegend charakteristischen Linienröntgenstrahlen produziert.
Vorrichtung, umfassend: eine Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, um eine Quelle von hochkonzentrierten monochromatischen Röntgenstrahlen zur Verwendung in einem Röntgenmikroskop bereitzustellen.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 1, wobei das Material, das für die Folie oder wenigstens eine der Vielzahl von Folien des dickwandigen Targets verwendet wird, wenigstens eines der Elemente Scandium, Chrom, Zinn, Antimon, Titan, Eisen, Kupfer, Nickel, Yttrium, Molybdän, Rhodium, Lanthan, Palladium, Gadolinium, Erbium, Ytterbium, Thulium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Platin, Gold und Uran enthält.
Transmissions-Röntgenröhre gemäß Anspruch 15, wobei das Material, das für die Folie oder wenigstens eine der Vielzahl von Folien des dickwandigen Targets verwendet wird, eine Legierung, eine eutektische Legierung, eine Verbindung oder eine Zwischenmetallverbindung wenigstens eines der Elemente einschließt, um nützliche charakteristische Röntgenstrahllinienemissionen des Elements zu produzieren.
Transmissions-Röntgenröhre zur Verwendung in der Röntgen-Fluroskopie, umfassend: ein evakuiertes Gehäuse, das entweder nach der Evakuierung versiegelt wurde oder kontinuierlich evakuiert wird; eine Endfenster-Anode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und ein Endfenstersubstrat und ein Target aus wenigstens einer dickwandigen Folie umfasst, die an dem Endfenstersubstrat angebracht ist, das im Wesentlichen transparent für Röntgenstrahlen ist; wobei die dickwandige Folie dicker als 70 µm und weniger als oder gleich 200 µm dick ist oder wobei das Target und das Endfenstersubstrat aus einem einzelnen Material hergestellt und 500 µm dick sind, eine Kathode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Elektronenstrahl aussendet, der entlang eines Strahlenpfads in dem Gehäuse verläuft und die Endfenster-Anode an einem Fleck trifft, und einen Röntgenstrahl erzeugt, der das Gehäuse durch das Endfenstersubstrat verlässt; und eine Energieversorgung, die an die Kathode angeschlossen ist und eine wählbare Elektronenstrahlenergie zwischen 10 und 500 kVp und eine wählbare Strahlstromstärke bereitstellt, um den Röntgenstrahlenstrahl zu produzieren, wobei der Elektronenstrahl durch eine Fokussierungslinse über, unter oder auf dem Target fokussiert wird; wobei Kollimation verwendet wird, um den Ausgaberöntgenstrahl zu einer Stelle auf dem zu messenden Objekt zu führen.
Transmissions-Röntgenröhre, umfassend: ein evakuiertes Gehäuse, das entweder nach der Evakuierung versiegelt wurde oder kontinuierlich evakuiert wird; eine Endfenster-Anode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und ein Endfenstersubstrat und ein Target aus wenigstens einer dickwandigen Folie umfasst, die an dem Endfenstersubstrat angebracht ist, das im Wesentlichen transparent für Röntgenstrahlen ist; wobei die dickwandige Folie mehr als 70 µm und weniger oder gleich 200 µm dick ist oder wobei das Target und das Endfenstersubstrat aus einem einzelnen Material hergestellt sind und 500 µm dick sind, eine Kathode, die in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Elektronenstrahl aussendet, der entlang eines Strahlenpfads in dem Gehäuse verläuft und die Endfenster-Anode an einem Fleck trifft, und einen Röntgenstrahl erzeugt, der das Gehäuse durch das Endfenstersubstrat verlässt; und eine Energieversorgung, die an die Kathode und die Anode angeschlossen ist und eine wählbare Elektronenstrahlenergie zwischen 10 und 500 kVp und eine wählbare Strahlstromstärke bereitstellt, um den Röntgenstrahlenstrahl zu produzieren, wobei der Elektronenstrahl durch eine Fokussierungslinse über, unter oder auf dem Target fokussiert wird; und wobei eine Kapillare oder ein Bündel von Kapillaren nahe dem Endfenstersubstrat platziert ist, um wenigstens einen Teil des Röntgenstrahls aufzufangen, der das Endfenster verlässt, und, um die Röntgenstrahlen zu führen, um das andere Ende der Kapillare oder des Bündels von Kapillaren zu verlassen.
Vorrichtung, zur Inline-Überprüfung von Objekten, umfassend: eine Transmissions-Röntgenröhre mit einem fokussierten Elektronenstrahl, die einen Brennpunkt auf einem dickwandigen Folien-Target bereitstellt, das in solch einer Röhre angeordnet ist und einen Röntgenstrahlenstrahl produziert, der die Röhre durch ein Endfenster der Röhre unter Bildung eines Kegels aus Röntgenstrahlen verlässt, wobei das dickwandige Folien-Target mehr als 70 und weniger oder gleich 200 µm dick ist oder wobei das dickwandige Folien-Target und das Endfenster aus einem einzelnen Material hergestellt und 500 µm dick sind; eine Energieversorgung, die an die Röntgenröhre angeschlossen ist und eine wählbare Elektronenstrahlenergie zwischen 10 und 500 kVp und eine wählbare Strahlstromstärke bereitstellt, um den Röntgenstrahlenstrahl zu produzieren; wobei die Röhre und die zu prüfenden Objekte so positioniert sind, dass die zu prüfenden Objekte in dem Röntgenstrahlenkegel platziert sind, um von solchen Röntgenstrahlen bestrahlt zu werden; eine automatisierte Materialhandhabungsvorrichtung, um die Objekte in den Röntgenstrahlenkegel zur Untersuchung einzuführen, und um sie zu entfernen, nachdem die Prüfung abgeschlossen ist; und wenigstens einen Sensor, der an einer Stelle platziert ist, um Röntgenstrahlen wahrzunehmen, die das Objekt verlassen, das durch Röntgenstrahlen der Transmissions-Röntgenröhre bestrahlt wird.