EP2987391A1 - X-ray source and method for producing x-rays - Google Patents

X-ray source and method for producing x-rays

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Publication number
EP2987391A1
EP2987391A1 EP14707775.4A EP14707775A EP2987391A1 EP 2987391 A1 EP2987391 A1 EP 2987391A1 EP 14707775 A EP14707775 A EP 14707775A EP 2987391 A1 EP2987391 A1 EP 2987391A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
ray source
electron beam
anode material
vaporous
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14707775.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver Heid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2987391A1 publication Critical patent/EP2987391A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/008—X-ray radiation generated from plasma involving a beam of energy, e.g. laser or electron beam in the process of exciting the plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/112—Non-rotating anodes
    • H01J35/116—Transmissive anodes
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    • H05G2/003—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas
    • H05G2/005—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas containing a metal as principal radiation generating component
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/08—Targets (anodes) and X-ray converters
    • H01J2235/081—Target material
    • H01J2235/082—Fluids, e.g. liquids, gases

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray source with an evacuable outer housing having at least one X-ray beam permeable beam exit window, an electron source for emitting an electron beam and an anode for generating X-radiation. Furthermore, the invention relates to a method for generating X-radiation, wherein an anode by interaction with a
  • Electron beam emitting X-rays Electron beam emitting X-rays.
  • X-ray sources are within an evacuated outer casing, a so-called X-ray tube, electrons are accelerated to an anode whose material is ge ⁇ is to convert energy of the accelerated electrons into x-rays.
  • the x-ray radiation is decoupled from the x-ray source by means of an X-ray-permeable exit window.
  • the radiation is then directed to a typically to un ⁇ tersuchendes object and then measured with a x-ray imaging detector.
  • a monochromatic x-ray possible ⁇ radiation is advantageous in which the radiation consists essentially of characteristic X-rays and only a small part as possible of the distributed over a wide energy bremsstrahlung.
  • the heat development in the anode is in such X-ray sources generally limiting for the Leis ⁇ tung density of the electron beam and thus also for the radiation emitted by the X-ray source beam power.
  • Another disadvantage is the low mechanical strength and the associated high wear of the thin anode layer.
  • the object of the invention is to provide an X-ray source for the generation ⁇ supply of monochromatic X-rays as possible, which avoids the disadvantages mentioned.
  • Another object of the invention is to provide a method for generating X-radiation.
  • the X-ray source comprises an evacuable outer housing with at least one X-ray-permeable beam exit window, an electron source for emitting an electron beam and an anode for generating X-radiation.
  • the anode is present during operation of the Rönt ⁇ gene source in a vapor phase, wherein the vapor from an anode by evaporation present in the condensed phase supply of anode material by the action of
  • Electron beam can be generated.
  • the X-ray source according to the invention makes it possible, by application of a vaporous Ver ⁇ anode X-ray having a high proportion of substantially monochromatic charac- to generate rist radiation.
  • the anode material In vapor form, the anode material is automatically made available in the low quantity of material which is favorable for the generation of monochromatic radiation. Due to the small amount of material available for the interaction, only a small proportion of broadband Bremsstrahlung and a high proportion of monochromatic, characteristic X-radiation is generated.
  • the X-ray source according to the invention allows to operate at very high power densities of electron beam, because the vaporous anode continuously re ge ⁇ forms by evaporation of Ano ⁇ denmaterial of a material stock is. Thus, no problems Materialver ⁇ wear occur.
  • no special measures for the heat dissipation of the anode must be made, since the heat generated by interaction with the electron beam in the vapor anode is continuously transported away by a diffusion and flow of the vapor away from the location of the formation of X-rays.
  • it can be used ⁇ ⁇ an electron beam with a much higher power density than in the X-ray sources with a fixed anode layer. Even with the use of fast rotating anodes, so-called rotary anodes, the cooling of the anode layer in the area of the interaction with the electron beam is a limiting factor for the total beam power of conventional X-ray sources.
  • the use of an electron beam with high power is particularly important since, when interacting with a small amount of anode material, only a small proportion of the electron beam power can be converted into X-ray radiation.
  • the performance of the electron beam used In order to achieve ⁇ be urged for different imaging minimum radiated power, so it must the performance of the electron beam used to be still materiality ⁇ Lich higher than when using conventional solid anodes with higher layer thicknesses and higher conversion percentage.
  • the high absolute power of the electron beam and a high power density of the electron beam ⁇ at the site of interaction with the anode material is important. When the electron beam focused on a very small area with a correspondingly high power density who the can ⁇ then spatially particularly well-defined X-ray-radiation can be generated, with the inclusion of particularly high spatially resolving x-ray images is possible.
  • a steam-shaped anode is continuously formed by bombardment of an anode material present in condensed phase with an electron beam within an evacuatable outer housing of an X-ray source.
  • the vaporous anode send by Wech ⁇ sel Titan with the electron beam X-ray radiation.
  • the X-ray source can additionally have the following features:
  • the X-ray source may comprise a feed device for feeding an anode material in a condensed phase from an anode supply into an interaction zone in the region of the electron beam.
  • the anode material can be made continuously available for evaporation in the electron beam so that new material is constantly available for evaporation in the electron beam.
  • constantly new dampfför ⁇ Miges anode material in the interaction zone can be formed, so that there is always a sufficiently high vapor density is ensured in this zone.
  • the interaction zone is through the Spatial overlap of the electron beam with the formed Dampfwölke given. In the direction perpendicular to an axis of the electron beam, the width of the interaction zone is thus given by the lateral extent of the electron beam itself.
  • the width of the interaction zone in different spatial directions is similar.
  • the lateral extent of the electron beam and the effek ⁇ tive width of the feed region are each below 500 ym, more preferably both expansions can be below 250 ym.
  • the feed device can be configured such that anode material can be catapulted into the interaction zone of the electron beam.
  • the feed region is thus a trajectory on which anode material is introduced ballistically into the interaction zone.
  • the introduction of small material portions into the interaction zone facilitates the complete evaporation of these portions in the electron beam and has the effect that during the generation of the X-ray radiation there is at most a small residual amount of non-evaporated anode material in the interaction zone.
  • the X-ray source can be designed such that the anode material can be catapulted into the interaction zone as a portioned solid.
  • the solid can be introduced in the form of a jet of powder through a nozzle in the interaction zone.
  • the solid may also be pulsed into the electron beam in the form of grains or other individual particles.
  • the present in solid form anode material may comprise be ⁇ vorzugt metallic materials, particularly preferred materials with an atomic number of at least 40.
  • Particularly suitable materials are molybdenum having a core countries ⁇ dung number of 42 and tungsten having an atomic number of 74.
  • Such a heavy metal material can also in an alloy with other metals as oxidic material, as a salt or as other chemical compound vorlie ⁇ gene.
  • the anode particles can for example also in the form of a porous solid, in particular in the form of an aerosol gels are present.
  • the X-ray source may be configured so that the anode material is katapultierbar in the form of liquid droplets into the Interakti ⁇ onszone.
  • the anode material may preferably comprise the above-mentioned metallic materials, in particular metallic materials having an atomic number of at least 40.
  • the anode material advantageously also includes other materials that are liquid at room temperature or at slightly elevated temperatures.
  • the anode material may for example be a low-melting alloy, or solid metallic particles can be dispersed in another liquid vorlie ⁇ gene. It is essential that the anode material in the form of small drops is katapultierbar in this off ⁇ guide die portions in the interaction zone.
  • the feeder ⁇ device may for example comprise a nozzle which feeds the Ano ⁇ denmaterial in the form of a finely atomized mist or in regular individual droplets in the interaction zone.
  • this nozzle may be configured similar to the nozzle of an inkjet printer.
  • the feeding of the anode material can generally be carried kontinuier ⁇ Lich or pulsed, the frequency at pulsed feed, for example in a range above 1 kHz, preferably may be in a range above 10 kHz.
  • the frequency at pulsed feed for example in a range above 1 kHz, preferably may be in a range above 10 kHz.
  • the electron beam of the X-ray source can also be operated pulsed or continuously. In a pulsed operation, the synchronization of pulses of the electron beam with pulses of material feed is appropriate.
  • a steam vessel may be arranged, which at least partially encloses the vaporous anode during operation of the X-ray source.
  • the pre ⁇ part of this embodiment is that the steam vessel allows a spatial separation of an area around the Inter relieszo ⁇ ne with a relatively higher vapor density of an outer region with a better vacuum.
  • the electron source outside the steam vessel is arranged at ⁇ so that the electron source is located in an area with better vacuum.
  • the area between the outer housing and the steam vessel can be evaku ⁇ ated continuously with a vacuum pump.
  • the Röntgenquel ⁇ le may also include a cooling device with which the
  • Steam housing can be cooled to a temperature of, for example, 30 degrees Celsius or less. Then anode material can condense on the wall of the steam housing and is thus continuously withdrawn from the interior of this housing, so that nevertheless a re ⁇ tively good vacuum can be maintained between the steam housing and outer housing.
  • the formation of the vacuum is required to ensure the operation of the electron source and an acceleration ⁇ and a shock-poor transport of electrons along a central beam direction.
  • the pressure within the vapor vessel must not be too high on average, since otherwise the transport of the electron beam into the interaction zone is difficult.
  • an equilibrium state can advantageously be achieved, in which the center of the interaction zone bar a relatively high vapor density of preferably at least 0.01, more preferably min ⁇ present least 0.1 bar , and in which the vapor density decreases from this center approximately quadratically with the radial distance.
  • the electron source and the supply of anode material may be part of an electrical circuit, wherein the neutron source may be Elek ⁇ negative potential during operation of the X-ray source on a in comparison ⁇ ratio to the anode supply. Such a potential difference makes it possible to accelerate the electric ⁇ nenán released electrons toward the anode mate ⁇ rials.
  • an electric potential beibehal ⁇ th which is also from the anode supply of fed anode particles and / or anode droplets and a therefrom resulting from evaporation vapor cloud in the vicinity of the potential of the anode supply.
  • the electric potential of the vaporous anode should be lower than the electric potential of the electron source, so that the released electrons in the direction of the vapor
  • the X-ray source may also comprise a focusing unit.
  • this focusing unit comprises one or more control electrodes, which may be arranged in the form of a shell segment around the interaction zone.
  • Such focussing unit serves as to ⁇ , to converge the electron beam so that it has the least possible lateral Ausdeh ⁇ voltage in the interaction zone.
  • the X-ray source may comprise a collector for collecting the vapor anode penetrating electrons, wherein the collector is in operation of the X-ray source at a negative in comparison ⁇ proportion to a supply of anode material potential. This causes the potential of the collector to be negative in relation to the vaporous anode formed therefrom.
  • the collector is arranged in the electron beam direction after the vaporous anode, so that the electrons passing through the anode are decelerated on their way to the collector towards.
  • the electric potential of the collector may preferably be between the Po ⁇ tential of the electron source and the potential of Anodenvor ⁇ rats, so that the electrons on the way from
  • the advantage of this embodiment is that the energy efficiency of the X-ray source is increased because a portion of the kinetic energy of the electrons is returned to the electric field.
  • this aspect is particularly important because the efficiency of converting electrical energy into X-radiation is rather low with a low density of anode material. Therefore, the more important is the recovery of the unconverted energy of the non-interacting electrons.
  • a further advantage of this embodiment is that the braking of the electrons avoids a further interaction of high-energy electrons in other materials, so that the formation of additional bremsstrahlung is suppressed, which contributes to an improvement of the monochromatic properties of the x-ray source.
  • the collector can be made thicker along the electron beam direction than the average penetration depth of the electrons at a kinetic energy of the electrons of 150 keV.
  • the maximum kinetic energy to which electrons are accelerated in x-ray sources is up to 150 keV in many x-ray sources. If the collector is designed to be thicker than the mean penetration depth of the electrons in the region of this electron energy then, during operation of the X-ray source, a substantial portion of the electrons will be trapped by this maximum energy from the collector.
  • the collector is brought to a negative potential during operation as envisaged, the electrons are decelerated prior to entry into the material of the collector, and accordingly an even greater proportion of the electrons are collected by the collector.
  • the proportion of the electrons collected by the collector in this embodiment is at least 1-1 / e and thus over 63%.
  • the material of the described collector may comprise an electrically conductive material, for example stainless steel and / or copper.
  • the collector may have a thickness of at least 1 mm along the electron beam direction.
  • the collector can have a depression in the electron beam direction. Such a depression is advantageous in order to reliably absorb the accelerated electrons in the collector and to prevent a lateral escape of the electrons to the outer housing of the X-ray source.
  • the formation of a depression of the collector is expedient, since a certain proportion of the electrons are scattered at the anode and thus changed in their direction of flight.
  • a collector with a depression is particularly suitable for collecting as many scattered electrons as possible.
  • the recess described may be designed trapezoidal. Alternatively, the recess may also be configured rectangular, U-shaped or semicircular. It may have a depth of at least 1 cm, particularly advantageous ⁇ way the depth between 5 cm and 15 cm can be.
  • the X-ray source, at least one deflection unit for directing the electron beam from ⁇ a curved electron ⁇ web include.
  • the electron beam may be curved between the electron source and the interaction zone. Such an arrangement is especially in the presence of a
  • the electron source can be positioned so that it is not in one of the Inter ⁇ action zone from directly accessible propagation direction of the vapor.
  • the steam vessel is provided with an opening for coupling the electron beam.
  • the electron source can be staggered so that it lies next to a direct connection axis of this inlet opening and the interaction zone.
  • the deflection unit ⁇ this embodiment for example, a netspule Mag and / or an electrostatic deflector, in ⁇ game example, include in the form of a curved screen tube.
  • the method for generating X-radiation may additionally have the following features:
  • the condensed-phase anode material can be catapulted by means of a feed device into an interaction zone of the electron beam.
  • the anode material can be fed in the form of a solid portionwise into the interaction zone.
  • the advantages of this embodiment are analogous to the advantages of claim 4.
  • the anode material can be fed into the interaction zone in the form of liquid droplets.
  • the advantages of this embodiment are analogous to the advantages of claim 5.
  • An existing within the evacuated outer housing and the vaporous anode at least partially enclose ⁇ the steam housing can be cooled to a temperature of at most 100 degrees Celsius.
  • This embodiment allows for the continuous removal of the vaporous anode from the vapor vessel, which enables a better vacuum to be maintained in the region between the outer casing and the vapor vessel and the achievement of a lower average vapor density in the interior of the vapor vessel.
  • the electron beam After passing through the vaporous anode, the electron beam can be slowed down by a collector and collected is maintained at a ratio to the anode material nega tive potential ⁇ be.
  • the advantages of this embodiment are analogous to the advantages of the present claim. 8
  • the method may comprise the decoupling of the X-ray radiation by means of a radiation decoupling window provided for this purpose.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section of an X-ray source according to a first embodiment
  • Fig. 2 shows a schematic cross section of an X-ray source according to a second embodiment.
  • FIG. 1 A schematic cross section of an X-ray source 1 according to a first exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. 1.
  • an evacuable outer housing 3 which has a circular cross-section.
  • the outer housing 3 may be formed, for example, as a hollow sphere or as a hollow cylinder ⁇ .
  • the formation of a vacuum within the Geotrou ⁇ ses 3 is a prerequisite for the emission of electrons in this space and its acceleration in the direction of a superiors given location.
  • the outer housing 3 is provided with a Strahlaus ⁇ exit window 5, which serves to couple out the generated Rönt 9 ⁇ -radiation from the X-ray source. 1
  • the jet exit window 5 is also sealed in a vacuum-tight manner against the outer housing 3.
  • Suitable materials for the beam exit window 5 are, for example, beryllium or aluminum.
  • the electron source 7 is used to generate 7 is accelerated along a central electron trajectory 11 of an electron beam ⁇ .
  • the electron source 7 may be a field emission cathode or a hot cathode.
  • a field emission cathode ⁇ is a so-called cold cathode are typically emitted by a very high local field in the eva ⁇ ku investigating space of the X-ray source in the electron.
  • the electrons are emitted from the cathode material into the evacuated space under the influence of high temperature.
  • a feed device 16 is arranged, can be fed through the anode material in the form of droplets 14 through a nozzle 19 into the interior of the steam vessel 25 ⁇ .
  • the anode material is present in a storage container 17 as a liquid anode supply 15.
  • the droplets 14 are pulsed at regular intervals ⁇ in the direction of the center of the steam vessel 25 is injected.
  • the diameter of the droplets may be between 5 and 20 ⁇ m, for example.
  • the anode material is fed so that the flow of material crosses the central electron trajectory 11. In the area of the crossing, the anode material is affected by the influence of the
  • Electron beam evaporates.
  • the result is a vapor cloud 13, which is indicated in Fig. 1 by two cross-sectional lines of the same vapor density.
  • the vapor density of centering ⁇ rum of occurrence of vapor cloud takes outwardly greatly from radial.
  • the electron beam interacts with the vaporous anode 13, and an interaction zone 12 forms in the overlap region.
  • the X-ray source 1 comprises a elekt ⁇ step circuit not shown here, which can take 7 positive potential during operation the anode 15 to a stock in relation to the electron source.
  • the anode supply 15 together with the wall of the steam vessel 25 is at a potential of 0V, while the electron source 7 is at a potential from -100V.
  • the X-ray source 1 also comprises a focusing electrode, which for the sake of clarity is not shown here. It is arranged within the vapor container 25 as a shell segment around the interaction zone 12.
  • the vaporized anode material 13 now interacts with the electron beam 11 and is partially ionized by it.
  • the result is a plasma with a high concentration of positive ions, which additionally focus the electron beam in the center of the interaction zone 12.
  • a portion of the ki ⁇ netic energy of the electron beam can now be converted by Wech ⁇ sel Titan with the vaporous anode material 13 in the X-ray radiation. 9 Since the interaction takes place with only a small amount of material, a total of only occurs a small fraction of the electrons in the interaction, and it is discharged via ⁇ only a small fraction of the electron energy.
  • this X-ray radiation 9 can now be coupled out, for example, in the direction of the electron beam through the beam exit window 5.
  • a decoupling along the local electron beam axis is particularly favorable because the radiation in this direction is particularly well spatially focused by the waisted, tie-like shape of the interaction zone.
  • the radiation may lie in an angular range ⁇ about a central outcoupling direction, for example in a range of up to
  • +/- 50 degrees can be particularly advantageous in a range of up to +/- 10 degrees.
  • the steam vessel 25 can with a cooling device, not shown here, to a temperature below, for example 30 degrees Celsius are cooled, so that the vaporized Ano ⁇ denmaterial 13 condenses on the walls of the vessel 25. In this way, the continuously fed material is again continuously removed from the vapor phase, so that at least in the area outside of the steam vessel 25, a sufficient out ⁇ reaching vacuum can be maintained.
  • the electron beam 11 can emerge again and meets in this example on a collector 21 to which an electric Po ⁇ potential of -90 kV is applied.
  • the electrons are decelerated again and lose about 90% of their maximum kinetic energy due to the potential difference. They finally encounter the material of the collector 21 and are caught by it.
  • This type of braking and collecting only a very small proportion of Bremsstrahlung which also contributes to the monochromatic properties of the X-ray source 1 forms.
  • the central electron ⁇ flight path 11 is a curved trajectory, which is effected by two deflectors 23, which are arranged here in each case outside the steam vessel ⁇ 25th In this case, a deflection unit 23 between the electron source 7 and the interaction zone 12 and the other deflection unit 23 between the interaction zone 12 and Col ⁇ lector 21 is arranged.
  • This example is two solenoids.
  • the electron source 7 is arranged in the embodiment shown so that they offset is next to a straight Verbin ⁇ dung line between the interaction zone 12 and the A ⁇ opening 26 of the steam vessel 25th As a result, the electron source is not exposed to the directly exiting through the inlet opening 26 steam flow.
  • the inlet opening 25 can also be kept very small, so that the region of the electron source 7 is as well as possible shielded from the vapor flow.
  • further shading elements not shown here may be provided to protect the electron source 7 from the propagating vapor flow.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of an X-ray source 1 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the anode material in the form of individual solid particles 29 is fed into the interior of the vapor container 25 here.
  • the Parti ⁇ kel 29 are fed from a reservoir 17 through a nozzle 19th In the reservoir 17, the anode material is in the form of a powder with the most homogeneous particle size possible.
  • Another difference from the first embodiment lies in the arrangement of the jet exit window 5 on the side of the inlet opening 26 of the steam vessel.
  • the Auskopp ⁇ development direction 10 of the X-rays 9 is so oriented in countersigned modifying the direction of the local direction of the electron beam. 11
  • This back extraction has the advantage that in this direction the ratio of charac ⁇ ristic X-rays to bremsstrahlung is still cheaper than in the forward direction.
  • One difficulty with this geometry, however, is that the inlet

Abstract

The invention relates to an X-ray source (1) having an outer housing (3) that can be evacuated, comprising at least one radiation exit window (5), an electron source (7) for emitting an electron beam and an anode (13) for producing X-rays. When the X-ray source is in operation, the anode is present in a vapor phase, wherein the vaporous anode can be produced by evaporating a stock (15) of anode material that is present in a condensed phase by exposure to the electron beam. The invention further relates to a method, in which inside of an outer housing of an X-ray, which can be evacuated, a vaporous anode is continuously formed by bombarding the anode material that is present in a condensed phase with an electron beam. The vaporous anode emits X-rays by interaction with the electron beam. The advantages of the method according to the invention for producing X-rays result analogously to the advantages of the X-ray source according to the invention.

Description

Beschreibung description
Röntgenquelle und Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung X-ray source and method for generating X-ray radiation
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenquelle mit einem evakuierbaren Außengehäuse mit wenigstens einem rönt- genstrahldurchlässigen Strahlaustrittsfenster, einer Elektronenquelle zum Aussenden eines Elektronenstrahls und einer Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, bei dem eine Anode durch Wechselwirkung mit einem The present invention relates to an X-ray source with an evacuable outer housing having at least one X-ray beam permeable beam exit window, an electron source for emitting an electron beam and an anode for generating X-radiation. Furthermore, the invention relates to a method for generating X-radiation, wherein an anode by interaction with a
Elektronenstrahl Röntgenstrahlung aussendet. Electron beam emitting X-rays.
Bei bekannten Röntgenquellen werden innerhalb eines evakuierbaren Außengehäuses, einer sogenannten Röntgenröhre, Elektronen auf eine Anode beschleunigt, dessen Material ge¬ eignet ist, um Energie der beschleunigten Elektronen in Röntgenstrahlung umzuwandeln. Durch ein röntgenstrahldurchlässi- ges Austrittsfenster wird die Röntgenstrahlung aus der Röntgenquelle ausgekoppelt. Bei Verwendung in einem bildgebenden System wird die Strahlung dann typischerweise auf ein zu un¬ tersuchendes Objekt gerichtet und anschließend mit einem bildgebenden Röntgendetektor gemessen. Vor allem bei der medizinischen Bildgebung ist die Anwendung solcher Systeme weit verbreitet. Für die diagnostische Untersuchung menschlicher Körperteile ist es allgemein wünschenswert, eine möglichst hohe Bildqualität mit möglichst niedriger Röntgendosis zu er¬ reichen. Hierfür ist eine möglichst monochromatische Röntgen¬ strahlung vorteilhaft, bei der die Strahlung im Wesentlichen aus charakteristischer Röntgenstrahlung besteht und nur zu einem möglichst geringen Teil aus der über einen weiten Energiebereich verteilten Bremsstrahlung. In known X-ray sources are within an evacuated outer casing, a so-called X-ray tube, electrons are accelerated to an anode whose material is ge ¬ is to convert energy of the accelerated electrons into x-rays. The x-ray radiation is decoupled from the x-ray source by means of an X-ray-permeable exit window. When used in an imaging system, the radiation is then directed to a typically to un ¬ tersuchendes object and then measured with a x-ray imaging detector. Especially in medical imaging, the use of such systems is widespread. For the diagnostic examination of human body parts, it is generally desirable to achieve the highest possible image quality with the lowest possible X-ray dose . For this purpose, a monochromatic x-ray possible ¬ radiation is advantageous in which the radiation consists essentially of characteristic X-rays and only a small part as possible of the distributed over a wide energy bremsstrahlung.
In der US 7436931B2 wird eine Röntgenquelle zur Erzeugung mo¬ nochromatischer Röntgenstrahlung beschrieben. Hierbei wird eine sehr dünne Anode eingesetzt, die auf einem Anodenträger aus einem Material mit niedriger Kernladungszahl aufgebracht ist. Hierdurch wird erreicht, dass durch die Anodenschicht im Wesentlichen charakteristische Röntgenstrahlung in einem engen Energiebereich gebildet wird. Durch die geringe Schicht¬ dicke der Anode und durch die geringe Kernladungszahl des Trägers wird außerdem wenig Bremsstrahlung emittiert, so dass nur ein geringer Anteil an breitbandiger Röntgenstrahlung von der Quelle erzeugt wird. Ein Nachteil bei der hier offenbar¬ ten Lösung ist die hohe Wärmeentwicklung in der Anodenschicht und im Anodenträger. Die Wärmeentwicklung in der Anode ist bei solchen Röntgenquellen generell limitierend für die Leis¬ tungsdichte des Elektronenstrahls und somit auch für die von der Röntgenquelle emittierte Strahlleistung. Ein weiterer Nachteil ist die geringe mechanische Festigkeit und der damit verbundene hohe Verschleiß der dünnen Anodenschicht. In US Pat. No. 7,436,931B2, an X-ray source for generating mo ¬ even-aromatic X-radiation is described. Here, a very thin anode is used, which is applied to an anode support made of a material with a low atomic number is. It is thereby achieved that substantially characteristic X-radiation is formed in a narrow energy range by the anode layer. Due to the low layer thickness ¬ of the anode and the low atomic number of the carrier little bremsstrahlung is also emitted, so that only a small proportion of broadband X-radiation is generated by the source. One drawback to this apparently ¬ th solution is the high heat in the anode layer and anode support. The heat development in the anode is in such X-ray sources generally limiting for the Leis ¬ tung density of the electron beam and thus also for the radiation emitted by the X-ray source beam power. Another disadvantage is the low mechanical strength and the associated high wear of the thin anode layer.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenquelle zur Erzeu¬ gung möglichst monochromatischer Röntgenstrahlung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Rönt- genstrahlung anzugeben. The object of the invention is to provide an X-ray source for the generation ¬ supply of monochromatic X-rays as possible, which avoids the disadvantages mentioned. Another object of the invention is to provide a method for generating X-radiation.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Röntgenquelle und das in Anspruch 10 beschriebene Verfahren gelöst . These objects are achieved by the X-ray source described in claim 1 and the method described in claim 10.
Die erfindungsgemäße Röntgenquelle umfasst ein evakuierbares Außengehäuse mit wenigstens einem röntgenstrahldurchlässigen Strahlaustrittsfenster, eine Elektronenquelle zum Aussenden eines Elektronenstrahls und eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Die Anode liegt bei einem Betrieb der Rönt¬ genquelle in einer Dampfphase vor, wobei die dampfförmige Anode durch Verdampfen von einem in kondensierter Phase vorliegenden Vorrat an Anodenmaterial durch Einwirkung des The X-ray source according to the invention comprises an evacuable outer housing with at least one X-ray-permeable beam exit window, an electron source for emitting an electron beam and an anode for generating X-radiation. The anode is present during operation of the Rönt ¬ gene source in a vapor phase, wherein the vapor from an anode by evaporation present in the condensed phase supply of anode material by the action of
Elektronenstrahls erzeugbar ist. Electron beam can be generated.
Die erfindungsgemäße Röntgenquelle ermöglicht es, durch Ver¬ wendung einer dampfförmigen Anode Röntgenstrahlung mit einem hohen Anteil an im Wesentlichen monochromatischer charakte- ristischer Strahlung zu erzeugen. Die dynamische Erzeugung von einer dampfförmigen Anode direkt im Elektronenstrahl stellt die dafür verwendete Dampfanode direkt am Ort der Ver¬ wendung zur Verfügung. Durch das Vorliegen der Anode in The X-ray source according to the invention makes it possible, by application of a vaporous Ver ¬ anode X-ray having a high proportion of substantially monochromatic charac- to generate rist radiation. The dynamic generation of a vapor anode directly in the electron beam, the anode steam used for this directly at the site of the United ¬ application available. By the presence of the anode in
Dampfform wird das Anodenmaterial automatisch in der für die Erzeugung monochromatischer Strahlung günstigen geringen Materialmenge zur Verfügung gestellt. Durch die geringe für die Wechselwirkung zur Verfügung stehende Materialmenge wird nur eine geringer Anteil an breitbandiger Bremsstrahlung und ein hoher Anteil an monochromatischer, charakteristischer Röntgenstrahlung erzeugt. In vapor form, the anode material is automatically made available in the low quantity of material which is favorable for the generation of monochromatic radiation. Due to the small amount of material available for the interaction, only a small proportion of broadband Bremsstrahlung and a high proportion of monochromatic, characteristic X-radiation is generated.
Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Röntgenquelle den Betrieb bei besonders hohen Leistungsdichten des Elektronenstrahls, da die dampfförmige Anode durch Verdampfung von Ano¬ denmaterial aus einem Materialvorrat kontinuierlich neu ge¬ bildet wird. Somit treten keine Probleme durch Materialver¬ schleiß auf. Außerdem müssen keine speziellen Maßnahmen zur Entwärmung der Anode getroffen werden, da die durch Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl in der Dampfanode entstehende Wärme durch eine Diffusion und eine Strömung des Dampfes weg von dem Ort der Entstehung der Röntgenstrahlung kontinuierlich abtransportiert wird. Es kann somit ein Elektronen¬ strahl mit wesentlich höherer Leistungsdichte eingesetzt wer¬ den als bei Röntgenquellen mit einer festen Anodenschicht. Selbst bei der Verwendung von schnell rotierenden Anoden, sogenannten Drehanoden, ist die Entwärmung der Anodenschicht im Bereich der Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl ein limitierender Faktor für die gesamte Strahlleistung von herkömmlichen Röntgenquellen. Furthermore, the X-ray source according to the invention allows to operate at very high power densities of electron beam, because the vaporous anode continuously re ge ¬ forms by evaporation of Ano ¬ denmaterial of a material stock is. Thus, no problems Materialver ¬ wear occur. In addition, no special measures for the heat dissipation of the anode must be made, since the heat generated by interaction with the electron beam in the vapor anode is continuously transported away by a diffusion and flow of the vapor away from the location of the formation of X-rays. Thus it can be used ¬ ¬ an electron beam with a much higher power density than in the X-ray sources with a fixed anode layer. Even with the use of fast rotating anodes, so-called rotary anodes, the cooling of the anode layer in the area of the interaction with the electron beam is a limiting factor for the total beam power of conventional X-ray sources.
Gerade für die Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlung ist die Verwendung eines Elektronenstrahls mit hoher Leistung besonders wichtig, da bei Wechselwirkung mit einer geringen Menge an Anodenmaterial auch nur ein kleiner Anteil der Elek- tronenstrahlleistung in Röntgenstrahlung konvertiert werden kann. Um eine für unterschiedliche bildgebende Verfahren be¬ nötigte minimale Strahlungsleistung zu erreichen, muss also die Leistung des verwendeten Elektronenstrahls noch wesent¬ lich höher sein als beim Einsatz von herkömmlichen festen Anoden mit höheren Schichtdicken und höherem Konversionsanteil. Neben der hohen absoluten Leistung des Elektronen- Strahls ist auch eine hohe Leistungsdichte des Elektronen¬ strahls am Ort der Wechselwirkung mit dem Anodenmaterial wichtig. Wenn der Elektronenstrahl auf einen sehr kleinen Bereich mit entsprechend hoher Leistungsdichte fokussiert wer¬ den kann, dann kann räumlich besonders gut definierte Rönt- genstrahlung erzeugt werden, mit der die Aufnahme von besonders hoch ortsauflösenden Röntgenbildern möglich ist. Especially for the generation of monochromatic X-ray radiation, the use of an electron beam with high power is particularly important since, when interacting with a small amount of anode material, only a small proportion of the electron beam power can be converted into X-ray radiation. In order to achieve ¬ be urged for different imaging minimum radiated power, so it must the performance of the electron beam used to be still materiality ¬ Lich higher than when using conventional solid anodes with higher layer thicknesses and higher conversion percentage. In addition to the high absolute power of the electron beam and a high power density of the electron beam ¬ at the site of interaction with the anode material is important. When the electron beam focused on a very small area with a correspondingly high power density who the can ¬ then spatially particularly well-defined X-ray-radiation can be generated, with the inclusion of particularly high spatially resolving x-ray images is possible.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird innerhalb eines evakuierbaren Außengehäuses einer Röntgenquelle eine dampf- förmige Anode durch Beschuss von einem in kondensierter Phase vorliegenden Anodenmaterial mit einem Elektronenstrahl kontinuierlich gebildet. Die dampfförmige Anode sendet durch Wech¬ selwirkung mit dem Elektronenstrahl Röntgenstrahlung aus. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ergeben sich analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle. In the method according to the invention, a steam-shaped anode is continuously formed by bombardment of an anode material present in condensed phase with an electron beam within an evacuatable outer housing of an X-ray source. The vaporous anode send by Wech ¬ selwirkung with the electron beam X-ray radiation. The advantages of the method according to the invention for generating X-ray radiation are analogous to the advantages of the X-ray source according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle gehen aus den von Anspruch 1 ab- hängigen Ansprüchen hervor. So kann die Röntgenquelle zusätzlich folgende Merkmale aufweisen: Advantageous embodiments and further developments of the X-ray source according to the invention are evident from the claims dependent on claim 1. Thus, the X-ray source can additionally have the following features:
Die Röntgenquelle kann eine Einspeisevorrichtung zur Einspei- sung von einem in einer kondensierten Phase vorliegenden Ano- denmaterial aus einem Anodenvorrat in eine Interaktionszone im Bereich des Elektronenstrahls umfassen. Mit dieser Ausführungsform kann das Anodenmaterial kontinuierlich für die Verdampfung im Elektronenstrahl zur Verfügung gestellt werden, so dass ständig neues Material zur Verdampfung im Elektronen- strahl bereit steht. Somit kann auch ständig neues dampfför¬ miges Anodenmaterial in der Interaktionszone gebildet werden, so dass ständig eine ausreichend hohe Dampfdichte in dieser Zone gewährleistet ist. Die Interaktionszone ist durch dem räumlichen Überlapp des Elektronenstrahls mit der gebildeten Dampfwölke gegeben. In Richtung senkrecht zu einer Achse des Elektronenstrahls ist die Breite der Interaktionszone also durch die seitliche Ausdehnung des Elektronenstrahls selbst gegeben. Entlang der Achse des Elektronenstrahls ist die Aus¬ dehnung der Interaktionszone durch die Breite des Einspei- sungsbereichs und die Form und Größe der entstehenden Dampf¬ wolke gegeben. Zweckmäßig ist die Breite der Interaktionszone in verschiedenen Raumrichtungen ähnlich groß. Bevorzugt kann die seitliche Ausdehnung des Elektronenstrahls und die effek¬ tive Breite des Einspeisungsbereichs jeweils unterhalb von 500 ym liegen, besonders bevorzugt können beide Ausdehnungen unterhalb von 250 ym liegen. Die Einspeisevorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass Anodenmaterial in die Interaktionszone des Elektronenstrahls katapultierbar ist. In dieser Ausführungsform ist der Ein- speisungsbereich also eine Wurfbahn, auf der Anodenmaterial ballistisch in die Interaktionszone eingebracht wird. Der Einwurf von kleinen Materialportionen in die Interaktionszone erleichtert das vollständige Verdampfen dieser Portionen im Elektronenstrahl und bewirkt, dass während der Erzeugung der Röntgenstrahlung höchstens ein kleiner Restanteil an unver- dampftem Anodenmaterial in der Interaktionszone vorliegt. The X-ray source may comprise a feed device for feeding an anode material in a condensed phase from an anode supply into an interaction zone in the region of the electron beam. With this embodiment, the anode material can be made continuously available for evaporation in the electron beam so that new material is constantly available for evaporation in the electron beam. Thus, constantly new dampfför ¬ Miges anode material in the interaction zone can be formed, so that there is always a sufficiently high vapor density is ensured in this zone. The interaction zone is through the Spatial overlap of the electron beam with the formed Dampfwölke given. In the direction perpendicular to an axis of the electron beam, the width of the interaction zone is thus given by the lateral extent of the electron beam itself. Along the axis of the electron beam from the ¬ expansion of the interaction zone is given by the width of the feed-sungsbereichs and the shape and size of the resulting vapor ¬ cloud. Suitably, the width of the interaction zone in different spatial directions is similar. Preferably, the lateral extent of the electron beam and the effek ¬ tive width of the feed region are each below 500 ym, more preferably both expansions can be below 250 ym. The feed device can be configured such that anode material can be catapulted into the interaction zone of the electron beam. In this embodiment, the feed region is thus a trajectory on which anode material is introduced ballistically into the interaction zone. The introduction of small material portions into the interaction zone facilitates the complete evaporation of these portions in the electron beam and has the effect that during the generation of the X-ray radiation there is at most a small residual amount of non-evaporated anode material in the interaction zone.
Insbesondere kann die Röntgenquelle so ausgestaltet sein, dass das Anodenmaterial als portionierter Feststoff in die Interaktionszone katapultierbar ist. Beispielsweise kann der Feststoff in Form eines Pulverstrahls durch eine Düse in die Interaktionszone eingeleitet werden. Alternativ kann der Feststoff auch in Form von Körnern oder anderen einzelnen Partikeln gepulst in den Elektronenstrahl eingeschossen werden. Das in fester Form vorliegende Anodenmaterial kann be¬ vorzugt metallische Materialien umfassen, besonders bevorzugt Materialien mit einer Kernladungszahl von wenigstens 40. Besonders geeignete Materialien sind Molybdän mit einer Kernla¬ dungszahl von 42 und Wolfram mit einer Kernladungszahl von 74. Ein solches schweres metallisches Material kann auch in einer Legierung mit anderen Metallen, als oxidisches Material, als Salz oder als sonstige chemische Verbindung vorlie¬ gen. Die Anodenpartikel können beispielsweise auch in Form eines porösen Festkörpers, insbesondere in Form eines Aero- gels, vorliegen. In particular, the X-ray source can be designed such that the anode material can be catapulted into the interaction zone as a portioned solid. For example, the solid can be introduced in the form of a jet of powder through a nozzle in the interaction zone. Alternatively, the solid may also be pulsed into the electron beam in the form of grains or other individual particles. The present in solid form anode material may comprise be ¬ vorzugt metallic materials, particularly preferred materials with an atomic number of at least 40. Particularly suitable materials are molybdenum having a core countries ¬ dung number of 42 and tungsten having an atomic number of 74. Such a heavy metal material can also in an alloy with other metals as oxidic material, as a salt or as other chemical compound vorlie ¬ gene. The anode particles can for example also in the form of a porous solid, in particular in the form of an aerosol gels are present.
Alternativ kann die Röntgenquelle so ausgestaltet sein, dass Anodenmaterial in Form flüssiger Tröpfchen in die Interakti¬ onszone katapultierbar ist. Auch hier kann das Anodenmaterial bevorzugt die oben erwähnten metallischen Materialien, insbesondere metallische Materialien mit einer Kernladungszahl von wenigstens 40 umfassen. Zusätzlich umfasst das Anodenmaterial vorteilhaft jedoch auch andere Materialien, die bei Raumtemperatur oder bei leicht erhöhten Temperaturen flüssig sind. So kann das Anodenmaterial beispielsweise eine niedrig schmelzende Legierung sein, oder feste metallische Partikel können auch in einer anderen Flüssigkeit dispergiert vorlie¬ gen. Wesentlich ist, dass das Anodenmaterial in dieser Aus¬ führungsform portionsweise in Form kleiner Tropfen in die Interaktionszone katapultierbar ist. So kann die Einspeise¬ vorrichtung beispielsweise eine Düse umfassen, die das Ano¬ denmaterial in Form eines fein versprühten Nebels oder in regelmäßigen einzelnen Tröpfchen in die Interaktionszone einspeist. Diese Düse kann beispielsweise ähnlich wie die Düse eines Tintenstrahldruckers ausgestaltet sein. Alternatively, the X-ray source may be configured so that the anode material is katapultierbar in the form of liquid droplets into the Interakti ¬ onszone. Again, the anode material may preferably comprise the above-mentioned metallic materials, in particular metallic materials having an atomic number of at least 40. In addition, however, the anode material advantageously also includes other materials that are liquid at room temperature or at slightly elevated temperatures. Thus, the anode material may for example be a low-melting alloy, or solid metallic particles can be dispersed in another liquid vorlie ¬ gene. It is essential that the anode material in the form of small drops is katapultierbar in this off ¬ guide die portions in the interaction zone. Thus, the feeder ¬ device may for example comprise a nozzle which feeds the Ano ¬ denmaterial in the form of a finely atomized mist or in regular individual droplets in the interaction zone. For example, this nozzle may be configured similar to the nozzle of an inkjet printer.
Die Einspeisung des Anodenmaterials kann generell kontinuier¬ lich oder gepulst erfolgen, wobei die Frequenz bei gepulster Einspeisung beispielsweise in einem Bereich oberhalb von 1 kHz, bevorzugt in einem Bereich oberhalb von 10 kHz liegen kann. Somit wird bei gepulster Einspeisung ein quasi-kon- tinuierlicher Betrieb der Röntgenquelle ermöglicht. Generell kann der Elektronenstrahl der Röntgenquelle auch gepulst oder kontinuierlich betrieben werden. Bei einem gepulsten Betrieb ist die Synchronisation von Pulsen des Elektronenstrahls mit Pulsen der Materialeinspeisung zweckmäßig. Innerhalb des evakuierbaren Außengehäuses kann ein Dampfgefäß angeordnet sein, das bei einem Betrieb der Röntgenquelle die dampfförmige Anode wenigstens teilweise umschließt. Der Vor¬ teil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Dampfgefäß eine räumliche Trennung eines Bereichs um die Interaktionszo¬ ne mit einer relativ gesehen höheren Dampfdichte von einem äußeren Bereich mit einem besseren Vakuum ermöglicht. Zweckmäßig ist die Elektronenquelle außerhalb des Dampfgefäßes an¬ geordnet, so dass die Elektronenquelle in einem Bereich mit besserem Vakuum liegt. Der Bereich zwischen Außengehäuse und Dampfgefäß kann kontinuierlich mit einer Vakuumpumpe evaku¬ iert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den Bereich innerhalb des Dampfgefäßes mit einer Vakuumlei¬ tung leer zu pumpen, um so die kontinuierlich eingebrachte Menge an Anodenmaterial wieder zu entfernen. Die Röntgenquel¬ le kann auch eine Kühlvorrichtung umfassen, mit der das The feeding of the anode material can generally be carried kontinuier ¬ Lich or pulsed, the frequency at pulsed feed, for example in a range above 1 kHz, preferably may be in a range above 10 kHz. Thus, with pulsed feed, a quasi-continuous operation of the X-ray source is possible. In general, the electron beam of the X-ray source can also be operated pulsed or continuously. In a pulsed operation, the synchronization of pulses of the electron beam with pulses of material feed is appropriate. Within the evacuatable outer housing, a steam vessel may be arranged, which at least partially encloses the vaporous anode during operation of the X-ray source. The pre ¬ part of this embodiment is that the steam vessel allows a spatial separation of an area around the Interaktionszo ¬ ne with a relatively higher vapor density of an outer region with a better vacuum. Suitably, the electron source outside the steam vessel is arranged at ¬ so that the electron source is located in an area with better vacuum. The area between the outer housing and the steam vessel can be evaku ¬ ated continuously with a vacuum pump. Alternatively or additionally, it is also possible to pump the area within the steam vessel with a Vakuumlei ¬ tung empty, so as to remove the continuously introduced amount of anode material again. The Röntgenquel ¬ le may also include a cooling device with which the
Dampfgehäuse auf eine Temperatur von beispielsweise 30 Grad Celsius oder weniger gekühlt werden kann. Dann kann Anodenmaterial an der Wand des Dampfgehäuses kondensieren und wird so kontinuierlich dem Innenraum dieses Gehäuses entzogen, so dass zwischen Dampfgehäuse und Außengehäuse trotzdem ein re¬ lativ gutes Vakuum aufrechterhalten werden kann. Die Ausbildung des Vakuums ist nötig, um den Betrieb der Elektronen¬ quelle und eine Beschleunigung und einen stoßarmen Transport der Elektronen entlang einer zentralen Strahlrichtung zu gewährleisten. Auch der Druck innerhalb des Dampfgefäßes darf im Mittel nicht zu hoch sein, da sonst der Transport des Elektronenstrahls in die Interaktionszone erschwert ist. Bei einem kontinuierlichen Abtransport des Anodenmaterials durch Abpumpen und/oder Kondensation an den Gefäßwänden kann vorteilhaft ein Gleichgewichtszustand erreicht werden, bei dem im Zentrum der Interaktionszone eine relativ hohe Dampfdichte von bevorzugt mindestens 0,01 bar, besonders bevorzugt min¬ destens 0,1 bar vorliegt, und bei dem die Dampfdichte von diesem Zentrum ausgehend etwa quadratisch mit der radialen Entfernung abnimmt. Die Elektronenquelle und der Vorrat an Anodenmaterial können Teil eines elektrischen Schaltkreises sein, wobei die Elek¬ tronenquelle bei Betrieb der Röntgenquelle auf einem im Ver¬ hältnis zum Anodenvorrat negativen Potential sein kann. Ein solcher Potentialunterschied ermöglicht es, von der Elektro¬ nenquelle freigesetzte Elektronen in Richtung des Anodenmate¬ rials zu beschleunigen. Es wird dabei davon ausgegangen, dass auch von dem Anodenvorrat aus eingespeiste Anodenpartikel und/oder Anodentröpfchen sowie eine daraus durch Verdampfung entstehende Dampfwolke ein elektrisches Potential beibehal¬ ten, das in der Nähe des Potentials des Anodenvorrats liegt. Insbesondere soll im Betrieb der Röntgenquelle auch das elektrische Potential der dampfförmigen Anode niedriger sein als das elektrische Potential der Elektronenquelle, so dass die freigesetzten Elektronen in Richtung der dampfförmigenSteam housing can be cooled to a temperature of, for example, 30 degrees Celsius or less. Then anode material can condense on the wall of the steam housing and is thus continuously withdrawn from the interior of this housing, so that nevertheless a re ¬ tively good vacuum can be maintained between the steam housing and outer housing. The formation of the vacuum is required to ensure the operation of the electron source and an acceleration ¬ and a shock-poor transport of electrons along a central beam direction. The pressure within the vapor vessel must not be too high on average, since otherwise the transport of the electron beam into the interaction zone is difficult. In a continuous removal of the anode material by pumping and / or condensation on the vessel walls, an equilibrium state can advantageously be achieved, in which the center of the interaction zone bar a relatively high vapor density of preferably at least 0.01, more preferably min ¬ present least 0.1 bar , and in which the vapor density decreases from this center approximately quadratically with the radial distance. The electron source and the supply of anode material may be part of an electrical circuit, wherein the neutron source may be Elek ¬ negative potential during operation of the X-ray source on a in comparison ¬ ratio to the anode supply. Such a potential difference makes it possible to accelerate the electric ¬ nenquelle released electrons toward the anode mate ¬ rials. It is assumed here that an electric potential beibehal ¬ th, which is also from the anode supply of fed anode particles and / or anode droplets and a therefrom resulting from evaporation vapor cloud in the vicinity of the potential of the anode supply. In particular, in the operation of the X-ray source, the electric potential of the vaporous anode should be lower than the electric potential of the electron source, so that the released electrons in the direction of the vapor
Anode beschleunigt werden. Zusätzlich kann die Röntgenquelle noch eine Fokussiereinheit umfassen. Beispielsweise umfasst diese Fokussiereinheit eine oder mehrere Steuerelektroden, die in Form eines Schalensegments um die Interaktionszone an- geordnet sein können. Eine solche Fokussiereinheit dient da¬ zu, den Elektronenstrahl so zu bündeln, dass er im Bereich der Interaktionszone eine möglichst geringe seitliche Ausdeh¬ nung aufweist. Die Röntgenquelle kann einen Kollektor zum Auffangen von die dampfförmige Anode durchdringenden Elektronen umfassen, wobei der Kollektor bei Betrieb der Röntgenquelle auf einem im Ver¬ hältnis zu einem Vorrat an Anodenmaterial negativen Potential ist. Dadurch wird bewirkt, dass das Potential des Kollektors auch negativ im Verhältnis zu der daraus gebildeten dampfförmigen Anode ist. Zweckmäßig ist der Kollektor in Elektronen- Strahlrichtung nach der dampfförmigen Anode angeordnet, so dass die die Anode durchdringenden Elektronen auf ihrem Weiterweg zum Kollektor hin abgebremst werden. Das elektrische Potential des Kollektors kann vorzugsweise zwischen dem Po¬ tential der Elektronenquelle und dem Potential des Anodenvor¬ rats liegen, so dass die Elektronen auf dem Weg von der Anode be accelerated. In addition, the X-ray source may also comprise a focusing unit. By way of example, this focusing unit comprises one or more control electrodes, which may be arranged in the form of a shell segment around the interaction zone. Such focussing unit serves as to ¬, to converge the electron beam so that it has the least possible lateral Ausdeh ¬ voltage in the interaction zone. The X-ray source may comprise a collector for collecting the vapor anode penetrating electrons, wherein the collector is in operation of the X-ray source at a negative in comparison ¬ proportion to a supply of anode material potential. This causes the potential of the collector to be negative in relation to the vaporous anode formed therefrom. Suitably, the collector is arranged in the electron beam direction after the vaporous anode, so that the electrons passing through the anode are decelerated on their way to the collector towards. The electric potential of the collector may preferably be between the Po ¬ tential of the electron source and the potential of Anodenvor ¬ rats, so that the electrons on the way from
Dampfanode zum Kollektor nur einen Teil ihrer kinetischen Energie verlieren. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die energetische Effizienz der Röntgenquelle erhöht wird, da ein Anteil der kinetischen Energie der Elektronen wieder an das elektrische Feld zurückgegeben wird. Bei Ver- wendung einer dampfförmigen Anode ist dieser Aspekt besonders wichtig, da die Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in Röntgenstrahlung bei einer geringen Dichte an Anodenmaterial eher gering ist. Umso entscheidender ist daher die Rückgewinnung der nicht umgewandelten Energie der nicht in Wechselwirkung tretenden Elektronen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass durch das Abbremsen der Elektronen eine weitere Wechselwirkung hochenergetischer Elektronen in anderen Materialien vermieden wird, so dass die Entstehung zusätzlicher Bremsstrahlung unterdrückt wird, was zu einer Verbesserung der monochromatischen Eigenschaften der Röntgenquelle beiträgt. Steam anode to the collector only part of its kinetic Lose energy. The advantage of this embodiment is that the energy efficiency of the X-ray source is increased because a portion of the kinetic energy of the electrons is returned to the electric field. When using a vaporous anode, this aspect is particularly important because the efficiency of converting electrical energy into X-radiation is rather low with a low density of anode material. Therefore, the more important is the recovery of the unconverted energy of the non-interacting electrons. A further advantage of this embodiment is that the braking of the electrons avoids a further interaction of high-energy electrons in other materials, so that the formation of additional bremsstrahlung is suppressed, which contributes to an improvement of the monochromatic properties of the x-ray source.
Der Kollektor kann entlang der Elektronenstrahlrichtung dicker ausgestaltet sein als die mittlere Eindringtiefe der Elektronen bei einer kinetischen Energie der Elektronen von 150 keV. Die maximale kinetische Energie, auf die Elektronen in Röntgenquellen beschleunigt werden, liegt bei vielen Röntgenquellen im Bereich bis zu 150 keV. Wenn der Kollektor so ausgestaltet ist, dass er im Bereich dieser Elektronenenergie dicker als die mittlere Eindringtiefe der Elektronen ist, dann wird im Betrieb der Röntgenquelle ein wesentlicher Anteil der Elektronen mit dieser Maximalenergie von dem Kollektor abgefangen werden. Wenn der Kollektor außerdem, wie vorgesehen, im Betrieb auf ein negatives Potential gebracht wird, dann werden die Elektronen vor Eintritt in das Material des Kollektors abgebremst, und entsprechend wird ein noch größerer Anteil der Elektronen von dem Kollektor aufgefangen. Der Anteil der durch den Kollektor aufgefangenen Elektronen beträgt in dieser Ausführungsform mindestens 1-1/e und somit über 63%. The collector can be made thicker along the electron beam direction than the average penetration depth of the electrons at a kinetic energy of the electrons of 150 keV. The maximum kinetic energy to which electrons are accelerated in x-ray sources is up to 150 keV in many x-ray sources. If the collector is designed to be thicker than the mean penetration depth of the electrons in the region of this electron energy then, during operation of the X-ray source, a substantial portion of the electrons will be trapped by this maximum energy from the collector. In addition, when the collector is brought to a negative potential during operation as envisaged, the electrons are decelerated prior to entry into the material of the collector, and accordingly an even greater proportion of the electrons are collected by the collector. The proportion of the electrons collected by the collector in this embodiment is at least 1-1 / e and thus over 63%.
Das Material des beschriebenen Kollektors kann ein elektrisch leitendes Material umfassen, beispielsweise Edelstahl und/oder Kupfer. Der Kollektor kann entlang der Elektronen- Strahlrichtung eine Dicke von wenigstens 1 mm aufweisen. The material of the described collector may comprise an electrically conductive material, for example stainless steel and / or copper. The collector may have a thickness of at least 1 mm along the electron beam direction.
Der Kollektor kann in Elektronenstrahlrichtung eine Vertie- fung aufweisen. Eine solche Vertiefung ist vorteilhaft, um die beschleunigten Elektronen im Kollektor zuverlässig aufzufangen und ein seitliches Entweichen der Elektronen zum Außengehäuse der Röntgenquelle zu verhindern. Die Ausbildung einer Vertiefung des Kollektors ist zweckmäßig, da ein gewis- ser Anteil der Elektronen an der Anode gestreut und somit in ihrer Flugrichtung verändert werden. Ein Kollektor mit einer Vertiefung ist besonders geeignet, möglichst viele gestreute Elektronen aufzufangen. Die beschriebene Vertiefung kann trapezförmig ausgestaltet sein. Alternativ kann die Vertiefung auch rechteckförmig, U-förmig oder halbkreisförmig ausgestaltet sein. Sie kann eine Tiefe von wenigstens 1 cm aufweisen, besonders vorteil¬ haft kann die Tiefe zwischen 5 cm und 15 cm betragen. The collector can have a depression in the electron beam direction. Such a depression is advantageous in order to reliably absorb the accelerated electrons in the collector and to prevent a lateral escape of the electrons to the outer housing of the X-ray source. The formation of a depression of the collector is expedient, since a certain proportion of the electrons are scattered at the anode and thus changed in their direction of flight. A collector with a depression is particularly suitable for collecting as many scattered electrons as possible. The recess described may be designed trapezoidal. Alternatively, the recess may also be configured rectangular, U-shaped or semicircular. It may have a depth of at least 1 cm, particularly advantageous ¬ way the depth between 5 cm and 15 cm can be.
Die Röntgenquelle kann wenigstens eine Ablenkeinheit zum Ab¬ lenken des Elektronenstrahls auf eine gekrümmte Elektronen¬ bahn umfassen. Insbesondere kann der Elektronenstrahl zwischen Elektronenquelle und Interaktionszone gekrümmt sein. Eine solche Anordnung ist vor allem bei Vorliegen eines The X-ray source, at least one deflection unit for directing the electron beam from ¬ a curved electron ¬ web include. In particular, the electron beam may be curved between the electron source and the interaction zone. Such an arrangement is especially in the presence of a
Dampfgefäßes vorteilhaft, denn dann kann die Elektronenquelle so positioniert sein, dass sie nicht in einer von der Inter¬ aktionszone aus direkt zugänglichen Ausbreitungsrichtung des Dampfes liegt. Zweckmäßig ist das Dampfgefäß mit einer Öff- nung zur Einkopplung des Elektronenstrahls versehen. DieSteam vessel advantageous, because then the electron source can be positioned so that it is not in one of the Inter ¬ action zone from directly accessible propagation direction of the vapor. Suitably, the steam vessel is provided with an opening for coupling the electron beam. The
Elektronenquelle kann beispielsweise so versetzt angeordnet sein, dass sie neben einer direkten Verbindungsachse dieser Eintrittsöffnung und der Interaktionszone liegt. Die Ablenk¬ einheit dieser Ausführungsform kann beispielsweise eine Mag- netspule und/oder eine elektrostatische Ablenkeinheit, bei¬ spielsweise in Form eines gebogenen Schirmrohres, umfassen. Das Auftreffen von dampfförmigem Anodenmaterial auf die For example, the electron source can be staggered so that it lies next to a direct connection axis of this inlet opening and the interaction zone. The deflection unit ¬ this embodiment, for example, a netspule Mag and / or an electrostatic deflector, in ¬ game example, include in the form of a curved screen tube. The impact of vaporous anode material on the
Elektronenquelle wird in dieser Ausführungsform zwar nicht vollständig vermieden, aber durch die Eigenschaften der Strömungsausbreitung bei Knudsen-Strömung oder bei Prandtl-Meyer- Eckenströmung ist die Ausbreitung des Dampfes entlang nicht geradliniger Wege zumindest stark vermindert. Although electron source is not in this embodiment completely avoided, but the flow propagation characteristics of Knudsen flow or Prandtl-Meyer corner flow at least greatly reduce the propagation of the vapor along non-linear paths.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann das Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen: Advantageous embodiments and further developments of the method according to the invention will become apparent from the claims dependent on claim 10. Thus, the method for generating X-radiation may additionally have the following features:
Das in kondensierter Phase vorliegende Anodenmaterial kann mittels einer Einspeisevorrichtung in eine Interaktionszone des Elektronenstrahls katapultiert werden. Die Vorteile die¬ ser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 3. The condensed-phase anode material can be catapulted by means of a feed device into an interaction zone of the electron beam. The advantages of the embodiment ¬ ser result analogously to the advantages of the claim. 3
Das Anodenmaterial kann in Form eines Feststoffs portionswei¬ se in die Interaktionszone eingespeist werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 4. The anode material can be fed in the form of a solid portionwise into the interaction zone. The advantages of this embodiment are analogous to the advantages of claim 4.
Das Anodenmaterial kann in Form von flüssigen Tröpfchen in die Interaktionszone eingespeist werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 5. The anode material can be fed into the interaction zone in the form of liquid droplets. The advantages of this embodiment are analogous to the advantages of claim 5.
Ein innerhalb des evakuierbaren Außengehäuses vorliegendes und die dampfförmige Anode wenigstens teilweise umschließen¬ des Dampfgehäuse kann auf eine Temperatur von höchstens 100 Grad Celsius gekühlt werden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine kontinuierliche Entfernung der dampfförmigen Anode aus dem Dampfgefäß, was die Aufrechterhaltung eines besseren Vakuums im Bereich zwischen Außengehäuse und Dampfgefäß und das Erreichen einer niedrigeren mittleren Dampfdichte im Innenraum des Dampfgefäßes ermöglicht. An existing within the evacuated outer housing and the vaporous anode at least partially enclose ¬ the steam housing can be cooled to a temperature of at most 100 degrees Celsius. This embodiment allows for the continuous removal of the vaporous anode from the vapor vessel, which enables a better vacuum to be maintained in the region between the outer casing and the vapor vessel and the achievement of a lower average vapor density in the interior of the vapor vessel.
Der Elektronenstrahl kann nach Durchtritt durch die dampfförmige Anode durch einen Kollektor gebremst und aufgefangen werden, der auf einem im Verhältnis zum Anodenmaterial nega¬ tiven Potential gehalten wird. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu den Vorteilen des gegenständlichen Anspruchs 8. After passing through the vaporous anode, the electron beam can be slowed down by a collector and collected is maintained at a ratio to the anode material nega tive potential ¬ be. The advantages of this embodiment are analogous to the advantages of the present claim. 8
Weiterhin kann das Verfahren die Auskopplung der Röntgenstrahlung durch ein hierfür vorgesehenes Strahlauskopplungs- fenster umfassen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier bevorzugter Aus¬ führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeich¬ nungen erläutert, von denen: Furthermore, the method may comprise the decoupling of the X-ray radiation by means of a radiation decoupling window provided for this purpose. The invention is explained below with reference to two preferred from ¬ exemplary embodiments with reference to the appended drawing ¬ voltages, of which:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt undFig. 1 shows a schematic cross section of an X-ray source according to a first embodiment, and
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt. Fig. 2 shows a schematic cross section of an X-ray source according to a second embodiment.
Einander entsprechende Elemente sind in den Figuren mit glei- chen Bezugszeichen versehen. Corresponding elements are provided in the figures with the same reference numerals.
Ein schematischer Querschnitt einer Röntgenquelle 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Gezeigt ist ein evakuierbares Außengehäuse 3, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Das Außengehäuse 3 kann beispielsweise als Hohlkugel oder als Hohlzylinder aus¬ gebildet sein. Die Bildung eines Vakuums innerhalb des Gehäu¬ ses 3 ist Voraussetzung für die Emission von Elektronen in diesen Raum und deren Beschleunigung in Richtung eines vorge- gebenen Orts. Das Außengehäuse 3 ist mit einem Strahlaus¬ trittsfenster 5 versehen, das dazu dient, die erzeugte Rönt¬ genstrahlung 9 aus der Röntgenquelle 1 auszukoppeln. Auch das Strahlaustrittsfenster 5 ist vakuumdicht gegen das Außengehäuse 3 abgedichtet. Geeignete Materialien für das Strahlaus- trittsfenster 5 sind beispielsweise Beryllium oder Aluminium. A schematic cross section of an X-ray source 1 according to a first exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. 1. Shown is an evacuable outer housing 3, which has a circular cross-section. The outer housing 3 may be formed, for example, as a hollow sphere or as a hollow cylinder ¬ . The formation of a vacuum within the Gehäu ¬ ses 3 is a prerequisite for the emission of electrons in this space and its acceleration in the direction of a superiors given location. The outer housing 3 is provided with a Strahlaus ¬ exit window 5, which serves to couple out the generated Rönt 9 ¬-radiation from the X-ray source. 1 The jet exit window 5 is also sealed in a vacuum-tight manner against the outer housing 3. Suitable materials for the beam exit window 5 are, for example, beryllium or aluminum.
Innerhalb des evakuierbaren Raums sind eine Elektronenquelle 7, ein Dampfgefäß 25 mit einer Eintrittsöffnung 26 und einer Austrittsöffnung 27 und ein Kollektor 21 angeordnet. Die Elektronenquelle 7 dient zur Erzeugung eines Elektronen¬ strahls, der entlang einer zentralen Elektronenflugbahn 11 beschleunigt wird. Die Elektronenquelle 7 kann eine Feldemis- sionskathode oder eine Glühkathode sein. Eine Feldemissions¬ kathode ist eine sogenannte kalte Kathode, bei der Elektronen typischerweise durch ein sehr hohes lokales Feld in den eva¬ kuierten Raum der Röntgenquelle emittiert werden. Im Unterschied hierzu werden bei einer Glühkathode die Elektronen un- ter dem Einfluss von hoher Temperatur aus dem Kathodenmaterial in den evakuierten Raum emittiert. Within the evacuable space are an electron source 7, a steam vessel 25 with an inlet opening 26 and a Outlet 27 and a collector 21 is arranged. The electron source is used to generate 7 is accelerated along a central electron trajectory 11 of an electron beam ¬. The electron source 7 may be a field emission cathode or a hot cathode. A field emission cathode ¬ is a so-called cold cathode are typically emitted by a very high local field in the eva ¬ kuierten space of the X-ray source in the electron. In contrast, in the case of a hot cathode, the electrons are emitted from the cathode material into the evacuated space under the influence of high temperature.
Unterhalb des Dampfgefäßes 25 ist eine Einspeisevorrichtung 16 angeordnet, durch die Anodenmaterial in Form von Tröpfchen 14 durch eine Düse 19 in das Innere des Dampfgefäßes 25 ein¬ gespeist werden kann. Das Anodenmaterial liegt hierbei in einem Vorratsbehälter 17 als flüssiger Anodenvorrat 15 vor. Durch die Düse 19 werden die Tröpfchen 14 gepulst in regelmä¬ ßigen Abständen in Richtung des Zentrums des Dampfgefäßes 25 eingespritzt. Der Durchmesser der Tröpfchen kann hierbei beispielsweise zwischen 5 und 20 ym liegen. Das Anodenmaterial wird so eingespeist, dass sich der Strom des Materials mit der zentralen Elektronenflugbahn 11 kreuzt. Im Bereich der Kreuzung wird das Anodenmaterial durch den Einfluss des Below the steam vessel 25, a feed device 16 is arranged, can be fed through the anode material in the form of droplets 14 through a nozzle 19 into the interior of the steam vessel 25 ¬ . In this case, the anode material is present in a storage container 17 as a liquid anode supply 15. Through the nozzle 19, the droplets 14 are pulsed at regular intervals ¬ in the direction of the center of the steam vessel 25 is injected. The diameter of the droplets may be between 5 and 20 μm, for example. The anode material is fed so that the flow of material crosses the central electron trajectory 11. In the area of the crossing, the anode material is affected by the influence of the
Elektronenstrahls verdampft. Es entsteht eine Dampfwolke 13, die in Fig. 1 durch zwei Querschnittslinien gleicher Dampfdichte angedeutet ist. Dabei nimmt die Dampfdichte vom Zent¬ rum des Entstehens der Dampfwolke nach außen hin stark radial ab. Schließlich tritt der Elektronenstrahl in Wechselwirkung mit der dampfförmigen Anode 13, und es bildet sich im Überlappungsbereich eine Interaktionszone 12. Electron beam evaporates. The result is a vapor cloud 13, which is indicated in Fig. 1 by two cross-sectional lines of the same vapor density. The vapor density of centering ¬ rum of occurrence of vapor cloud takes outwardly greatly from radial. Finally, the electron beam interacts with the vaporous anode 13, and an interaction zone 12 forms in the overlap region.
Die Röntgenquelle 1 umfasst einen hier nicht gezeigten elekt¬ rischen Schaltkreis, der im Betrieb den Anodenvorrat 15 auf ein im Verhältnis zur Elektronenquelle 7 positives Potential bringen kann. In diesem Beispiel liegt der Anodenvorrat 15 zusammen mit der Wand des Dampfgefäßes 25 auf einem Potential von 0V, während die Elektronenquelle 7 auf einem Potential von -100V liegt. Durch diese Potentialdifferenz werden die emittierten Elektronen von der Elektronenquelle 7 in Richtung des Zentrums des Dampfgefäßes 25 und in Richtung der Anoden¬ tröpfchen 14 beschleunigt. Zur Bündelung und Fokussierung des Elektronenstrahls umfasst die Röntgenquelle 1 noch eine Fo- kussierelektrode, die hier der Übersichtlichtkeit halber nicht gezeichnet sind. Sie ist innerhalb des Dampfbehälters 25 als Schalensegment um die Interaktionszone 12 angeordnet. Das verdampfte Anodenmaterial 13 tritt nun in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 11 und wird durch ihn teilweise ionisiert. Es entsteht ein Plasma mit einer hohen Konzentration an positiven Ionen, die den Elektronenstrahl im Zentrum der Interaktionszone 12 zusätzlich fokussieren. Dadurch ergibt sich für die Interaktionszone 12 eine leicht taillierte Form, und der Fokus der Röntgenquelle wird enger. Ein Teil der ki¬ netischen Energie des Elektronenstrahls kann nun durch Wech¬ selwirkung mit dem dampfförmigen Anodenmaterial 13 in Röntgenstrahlung 9 konvertiert werden. Da die Wechselwirkung nur mit einer geringen Materialmenge stattfindet, tritt insgesamt nur ein geringer Anteil der Elektronen in Wechselwirkung, und es wird nur ein geringer Anteil der Elektronenenergie über¬ tragen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Anteil an entstehender charakteristischer Röntgenstrahlung hoch ist und nur ein geringer Anteil an breitbandiger Bremsstrahlung ent- steht. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann diese Röntgenstrahlung 9 nun beispielsweise in Richtung des Elektronenstrahls durch das Strahlaustrittsfenster 5 ausgekoppelt werden. Eine Auskopplung entlang der lokalen Elektronenstrahlachse ist besonders günstig, da durch die taillierte, krawattenartige Form der Interaktionszone die Strahlung in dieser Richtung besonders gut räumlich fokussiert ist. Die Strahlung kann in einem Winkelbereich α um eine zentrale Auskopplungsrichtung liegen, der Beispielsweise in einem Bereich von bis zu The X-ray source 1 comprises a elekt ¬ step circuit not shown here, which can take 7 positive potential during operation the anode 15 to a stock in relation to the electron source. In this example, the anode supply 15 together with the wall of the steam vessel 25 is at a potential of 0V, while the electron source 7 is at a potential from -100V. By this potential difference the emitted electrons from the electron source 7 towards the center of the steam vessel 25 and in the direction of the anode ¬ droplets 14 are accelerated. For focusing and focusing the electron beam, the X-ray source 1 also comprises a focusing electrode, which for the sake of clarity is not shown here. It is arranged within the vapor container 25 as a shell segment around the interaction zone 12. The vaporized anode material 13 now interacts with the electron beam 11 and is partially ionized by it. The result is a plasma with a high concentration of positive ions, which additionally focus the electron beam in the center of the interaction zone 12. This results in a slightly waisted shape for the interaction zone 12, and the focus of the X-ray source becomes narrower. A portion of the ki ¬ netic energy of the electron beam can now be converted by Wech ¬ selwirkung with the vaporous anode material 13 in the X-ray radiation. 9 Since the interaction takes place with only a small amount of material, a total of only occurs a small fraction of the electrons in the interaction, and it is discharged via ¬ only a small fraction of the electron energy. It is particularly advantageous that the proportion of resulting characteristic X-ray radiation is high and only a small proportion of broadband Bremsstrahlung arises. As shown in FIG. 1, this X-ray radiation 9 can now be coupled out, for example, in the direction of the electron beam through the beam exit window 5. A decoupling along the local electron beam axis is particularly favorable because the radiation in this direction is particularly well spatially focused by the waisted, tie-like shape of the interaction zone. The radiation may lie in an angular range α about a central outcoupling direction, for example in a range of up to
+/- 50 Grad, besonders vorteilhaft in einem Bereich von bis zu +/- 10 Grad liegen kann. +/- 50 degrees, can be particularly advantageous in a range of up to +/- 10 degrees.
Das Dampfgefäß 25 kann mit einer hier nicht gezeigten Kühleinrichtung auf eine Temperatur unterhalb von beispielsweise 30 Grad Celsius gekühlt werden, so dass das verdampfte Ano¬ denmaterial 13 an den Wänden des Gefäßes 25 kondensiert. Auf diese Weise wird das kontinuierlich zugeführte Material auch wieder kontinuierlich aus der Dampfphase entfernt, so dass zumindest im Bereich außerhalb des Dampfgefäßes 25 ein aus¬ reichendes Vakuum aufrechterhalten werden kann. The steam vessel 25 can with a cooling device, not shown here, to a temperature below, for example 30 degrees Celsius are cooled, so that the vaporized Ano ¬ denmaterial 13 condenses on the walls of the vessel 25. In this way, the continuously fed material is again continuously removed from the vapor phase, so that at least in the area outside of the steam vessel 25, a sufficient out ¬ reaching vacuum can be maintained.
Durch die Austrittsöffnung 27 des Dampfgefäßes 25 kann der Elektronenstrahl 11 wieder austreten und trifft in diesem Beispiel auf einen Kollektor 21, an dem ein elektrisches Po¬ tential von -90 kV anliegt. Auf dem Weg zum Kollektor 21 werden die Elektronen wieder abgebremst und verlieren aufgrund der Potentialdifferenz etwa 90% ihrer maximalen kinetischen Energie. Sie treffen schließlich auf das Material des Kollek- tors 21 auf und werden von diesem aufgefangen. Durch diese Art des Abbremsens und Auffangens bildet sich nur ein sehr geringer Anteil an Bremsstrahlung, was ebenfalls zu den monochromatischen Eigenschaften der Röntgenquelle 1 beiträgt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zentrale Elektronen¬ flugbahn 11 eine gebogene Flugbahn, was durch zwei Ablenkeinheiten 23 bewirkt wird, die hier jeweils außerhalb des Dampf¬ gefäßes 25 angeordnet sind. Dabei ist eine Ablenkeinheit 23 zwischen Elektronenquelle 7 und Interaktionszone 12 und die andere Ablenkeinheit 23 zwischen Interaktionszone 12 und Kol¬ lektor 21 angeordnet. In diesem Beispiel handelt es sich um zwei Magnetspulen. Es können jedoch alternativ auch andere Ablenkeinheiten, wie beispielsweise elektrostatische Ablenk¬ einheiten Verwendung finden und/oder es können weitere Ab- lenkeinheiten innerhalb des Dampfgefäßes 25 angeordnet sein. Die Elektronenquelle 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass sie versetzt neben einer geraden Verbin¬ dungslinie zwischen der Interaktionszone 12 und der Ein¬ trittsöffnung 26 des Dampfgefäßes 25 liegt. Hierdurch ist die Elektronenquelle nicht der direkt durch die Eintrittsöffnung 26 austretenden DampfStrömung ausgesetzt. Durch die Anordnung der Auskopplungsrichtung 10 und des Strahlauskopplungsfens- ters 5 auf der Seite der Austrittsöffnung 27 des Dampfgefäßes 25 kann die Eintrittsöffnung 25 auch sehr klein gehalten werden, so dass der Bereich der Elektronenquelle 7 möglichst gut von der DampfStrömung abgeschirmt ist. Zusätzlich können noch weitere hier nicht gezeigte Abschattungselemente vorgesehen sein, um die Elektronenquelle 7 vor der sich ausbreitenden DampfStrömung zu schützen. Through the outlet opening 27 of the steam vessel 25, the electron beam 11 can emerge again and meets in this example on a collector 21 to which an electric Po ¬ potential of -90 kV is applied. On the way to the collector 21, the electrons are decelerated again and lose about 90% of their maximum kinetic energy due to the potential difference. They finally encounter the material of the collector 21 and are caught by it. By this type of braking and collecting only a very small proportion of Bremsstrahlung, which also contributes to the monochromatic properties of the X-ray source 1 forms. In the illustrated embodiment, the central electron ¬ flight path 11 is a curved trajectory, which is effected by two deflectors 23, which are arranged here in each case outside the steam vessel ¬ 25th In this case, a deflection unit 23 between the electron source 7 and the interaction zone 12 and the other deflection unit 23 between the interaction zone 12 and Col ¬ lector 21 is arranged. This example is two solenoids. However, alternatively, other deflection units, as found, for example, electrostatic deflection units ¬ use and / or further deflection units be located within the steam vessel 25th The electron source 7 is arranged in the embodiment shown so that they offset is next to a straight Verbin ¬ dung line between the interaction zone 12 and the A ¬ opening 26 of the steam vessel 25th As a result, the electron source is not exposed to the directly exiting through the inlet opening 26 steam flow. By the arrangement of the coupling-out direction 10 and the Strahlauskopplungsfens- ters 5 on the side of the outlet opening 27 of the steam vessel 25, the inlet opening 25 can also be kept very small, so that the region of the electron source 7 is as well as possible shielded from the vapor flow. In addition, further shading elements not shown here may be provided to protect the electron source 7 from the propagating vapor flow.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Röntgenquelle 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird hier das Anodenmaterial in Form einzelner fester Partikel 29 in das Innere des Dampfbehälters 25 eingespeist. Auch die Parti¬ kel 29 werden aus einem Vorratsbehälter 17 durch eine Düse 19 eingespeist. Im Vorratsbehälter 17 liegt das Anodenmaterial in Form eines Pulvers mit möglichst homogener Partikelgröße vor. Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt in der Anordnung des Strahlaustrittsfensters 5 auf der Seite der Eintrittsöffnung 26 des Dampfgefäßes . Die Auskopp¬ lungsrichtung 10 der Röntgenstrahlung 9 ist also in gegenge- setzter Richtung zur lokalen Strahlrichtung des Elektronenstrahls 11 orientiert. Diese rückwärtige Auskopplung hat den Vorteil, dass in dieser Richtung das Verhältnis von charakte¬ ristischer Röntgenstrahlung zu Bremsstrahlung noch günstiger ist als in Vorwärtsrichtung. Eine Schwierigkeit bei dieser Geometrie besteht allerdings darin, dass die EintrittsöffnungFIG. 2 shows a schematic cross section of an X-ray source 1 according to a second exemplary embodiment of the invention. In contrast to the first exemplary embodiment, the anode material in the form of individual solid particles 29 is fed into the interior of the vapor container 25 here. Also, the Parti ¬ kel 29 are fed from a reservoir 17 through a nozzle 19th In the reservoir 17, the anode material is in the form of a powder with the most homogeneous particle size possible. Another difference from the first embodiment lies in the arrangement of the jet exit window 5 on the side of the inlet opening 26 of the steam vessel. The Auskopp ¬ development direction 10 of the X-rays 9 is so oriented in countersigned modifying the direction of the local direction of the electron beam. 11 This back extraction has the advantage that in this direction the ratio of charac ¬ ristic X-rays to bremsstrahlung is still cheaper than in the forward direction. One difficulty with this geometry, however, is that the inlet
26 des Dampfbehälters 25 je nach Wahl des auszukoppelnden Winkelbereichs α etwas gröOer gewählt werden muss, als al¬ lein für die Einkopplung des Elektronenstrahls 11 nötig wäre. In dieser Ausführungsform müssen also zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um die Elektronenquelle 7 vor der Ausbrei¬ tung des dampfförmigen Anodenmaterials 13 zu schützen. Es ist hier also die Verwendung zusätzlicher, in diesem Beispiel nicht gezeigter Schutzstrukturen zur Abschirmung der Elektronenquelle 7 vor der DampfStrömung zweckmäßig. 26 of the vapor canister 25 must be chosen depending on the choice of the coupled out angular range α something gröOer as al ¬ lein would be necessary for the coupling of the electron beam. 11 In this embodiment, therefore, additional measures must be taken to protect the electron source 7 before the Ausbrei ¬ tion of the vaporous anode material 13. In this case, it is therefore expedient to use additional protective structures (not shown in this example) for shielding the electron source 7 from the vapor flow.

Claims

Patentansprüche claims
1. Röntgenquelle (1) mit 1. X-ray source (1) with
- einem evakuierbaren Außengehäuse (3) , umfassend wenigstens ein röntgenstrahldurchlässiges Strahlaustrittsfenster (5) , an evacuable outer housing (3), comprising at least one X-ray-permeable beam exit window (5),
- einer Elektronenquelle (7) zum Aussenden eines Elektronenstrahls - An electron source (7) for emitting an electron beam
- und einer Anode (13) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung  - And an anode (13) for generating X-radiation
(9) ,  (9),
dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (13) bei einem Betrieb der Röntgenquelle (1) in einer Dampfphase vorliegt, wobei die dampfförmige Anode (13) durch Verdampfen von einem in kondensierter Phase vorliegenden Vorrat (15) an Anodenmaterial durch Einwirkung des Elektronenstrahls erzeugbar ist. characterized in that the anode (13) in an operation of the X-ray source (1) is in a vapor phase, wherein the vaporous anode (13) by evaporation of a present in condensed phase supply (15) of anode material by the action of the electron beam can be generated.
2. Röntgenquelle (1) nach Anspruch 1, die eine Einspeise¬ vorrichtung (16) zur Einspeisung von einem in einer kondensierten Phase vorliegenden Anodenmaterial aus einem Anodenvorrat (15) in eine Interaktionszone (12) im Bereich des Elektronenstrahls umfasst. 2. X-ray source (1) according to claim 1, which comprises a feed ¬ device (16) for feeding a present in a condensed phase anode material from an anode supply (15) in an interaction zone (12) in the region of the electron beam.
3. Röntgenquelle (1) nach Anspruch 2, bei der die Einspeise¬ vorrichtung (16) so ausgestaltet ist, dass Anodenmaterial in die Interaktionszone (12) des Elektronenstrahls 3. X-ray source (1) according to claim 2, wherein the feed ¬ device (16) is designed so that anode material in the interaction zone (12) of the electron beam
katapultierbar ist. catapultable.
4. Röntgenquelle (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der Anodenmaterial als portionierter Feststoff (29) in die Interaktionszone (12) katapultierbar ist. 4. X-ray source (1) according to any one of claims 2 or 3, wherein the anode material as a portioned solid (29) in the interaction zone (12) is catapulted.
5. Röntgenquelle (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der Anodenmaterial in Form flüssiger Tröpfchen (14) in die Interaktionszone (12) katapultierbar ist. 5. X-ray source (1) according to any one of claims 2 or 3, wherein the anode material in the form of liquid droplets (14) in the interaction zone (12) is catapultable.
6. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des evakuierbaren Außengehäuses (3) ein Dampfgefäß (25) angeordnet ist, das bei einem Betrieb der Röntgenquelle (1) die dampfförmige Anode (13) wenigstens teilweise umschließt. 6. X-ray source (1) according to one of the preceding claims, characterized in that within the evacuatable outer housing (3) a steam vessel (25) is arranged, the at an operation of the X-ray source (1) at least partially surrounds the vaporous anode (13).
7. Röntgenquelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da- durch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (7) und ein Vorrat an Anodenmaterial (15) Teil eines elektrischen Schalt¬ kreises sind, wobei die Elektronenquelle (7) bei Betrieb der Röntgenquelle (1) auf ein im Verhältnis zum Anodenvorrat (15) negatives Potential bringbar ist. 7. X-ray source (1) according to any one of claims 2 to 6, character- ized in that the electron source (7) and a supply of anode material (15) are part of an electrical circuit ¬ circuit, wherein the electron source (7) during operation of the X-ray source (1) on a relative to the anode supply (15) negative potential can be brought.
8. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Kollektor (21) zum Auffangen von die dampfförmige Anode (13) durchdringenden Elektronen umfasst, wobei der Kollektor (21) bei Betrieb der Röntgenquelle (1) auf ein im Ver- hältnis zu einem Vorrat an Anodenmaterial (15) negatives Po¬ tential bringbar ist. 8. X-ray source (1) according to any one of the preceding claims, comprising a collector (21) for collecting the vaporous anode (13) penetrating electrons, wherein the collector (21) during operation of the X-ray source (1) in a relation to a supply of anode material (15) negative Po ¬ tential can be brought.
9. Röntgenquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstens eine Ablenkeinheit (23) zum Ablenken des 9. X-ray source (1) according to one of the preceding claims, the at least one deflection unit (23) for deflecting the
Elektronenstrahls auf eine gekrümmte Elektronenbahn umfasst. Electron beam on a curved electron path.
10. Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (9), 10. Method for generating X-radiation (9),
- bei dem innerhalb eines evakuierbaren Außengehäuses (3) ei¬ ner Röntgenquelle (1) eine dampfförmige Anode (13) durch Beschuss von einem in kondensierter Phase vorliegenden Anodenmaterial (14,29) mit einem Elektronenstrahl kontinuierlich gebildet wird, - in which within an evacuated outer casing (3) ner ei ¬ X-ray source (1) a vaporous anode (13) by bombardment of an anode material present in the condensed phase (14,29) is formed with an electron beam continuously,
- und bei dem die dampfförmige Anode (13) durch Wechselwir¬ kung mit dem Elektronenstrahl Röntgenstrahlung (9) aussen- det. - and in which the vaporous anode (13) through interactions with the electron beam kung ¬ X-rays (9) foreign det.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in kondensierter Phase vorliegende Anodenmaterial (14,29) mittels einer Einspeisevorrichtung (16) in eine Interaktions- zone (12) des Elektronenstrahls katapultiert wird. 11. The method according to claim 10, characterized in that the condensed phase anode material (14,29) is catapulted by means of a feed device (16) in an interaction zone (12) of the electron beam.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenmaterial in Form eines Fest- Stoffs (29) portionsweise in die Interaktionszone (12) einge¬ speist wird. 12. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that the anode material in the form of a fixed Stoffs (29) in portions in the interaction zone (12) is fed ¬ .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenmaterial in Form von flüssigen Tröpfchen (14) in die Interaktionszone (12) eingespeist wird. 13. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that the anode material in the form of liquid droplets (14) in the interaction zone (12) is fed.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb des evakuierbaren Außenge- häuses (3) vorliegendes und die dampfförmige Anode (13) we¬ nigstens teilweise umschließendes Dampfgefäß (25) auf eine Temperatur von höchstens 100 Grad Celsius gekühlt wird. 14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that within the evakuierbaren Außenge- housing (3) present and the vaporous anode (13) we ¬ least partially enclosing steam vessel (25) to a temperature of at most 100 degrees Celsius is cooled.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Elektronenstrahl nach Durchtritt durch die dampfförmige Anode (13) durch einen Kollektor (21) ge¬ bremst und aufgefangen wird, der auf einem im Verhältnis zum Anodenmaterial negativen Potential gehalten wird. 15. The method according to any one of claims 10 to 14, character- ized in that the electron beam after passing through the vaporous anode (13) by a collector (21) ge ¬ brakes and collected on a negative in relation to the anode material potential is held.
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