Die Erfindung befasst sich mit einem Anodenmodul für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle, die im Fokusbereich ein Elektroneneintrittsfenster aufweist. Darüber hinaus toefasst sich die Erfindung mit einem Röntgenstrahler mit einem solchen Anodenmodul.

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen werden seit kurzer Zeit Flüssigmetallanoden verwendet. Diese Technologie wird LIMAX (Liquid Metal Anode X-Ray) genannt. Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen wird die Flüssigmetallanode mit einem Elektronenstrahl beschossen. Dadurch erwärmt sich die Flüssigmetallanode — wie jede feste Anode — erheblich. Die entstehende Wärme muss aus dem Fokusbereich abgeführ-fc werden, damit sich die Anode nicht überhitzt. Dies erfolgt in Flüssigmetallanoden mittels turbulenten Massentransports, Konvexions-, Leitungs- und Elektronendiffusionsvorgängen. Im Fokusbereich, in dem die Elektronen auf die Flüssigmetallanode auftreffen, weist das Leitungssystem der Flüssigmetallanode ein Elektronenfenster auf. Dies besteht aus einer dünnen Metallfolie, die so dünn ist, dass die Elektronen in ihr nur einen geringen Teil ihrer Bewegungsenergie verlieren. Die Ausbeute an Röntgenstrahlung unter 90° zum einfallenden Elektronenstrahl ist jedoch nicht sehr hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Anodenmodxαl für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle sowie einen Röntgenstrahler vorzustellen, bei der eine höhere Ausbeute an Röntgenstrahlung erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch ein Anodenmodul für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Da die durch die Wechselwixkung der auf die Flüssigmetallanode auftreffenden Elektronen mit dieser erzeugte Röntgenstrahlung nicht isotrop ist, sondern in Flugrichtung der Elektronen ausgerichtet ist , ist es vorteilhaft, die in Vorwärtsrichtung des Elektronenstrahls erzeugte Röntgenstrahlung aus der Flüssigmetallanode zu verwenden. Der Winkel zum einfallenden Elektronenstrahl, unter dem ein Maximum an Röntgenstrahlung emittiert wird, hängt insbesondere von der Energie der einfallenden Elektronen ab. Je relativistischer die Elektronen sind — also das Verhältnis wischen Elektronenenergie E0 und Ruhemasse des Elektrons von 511 keV gegen 1 strebt —, desto signifikanter wird diese Anisotropie. Erfindungsgemäß wird die Ausbeute an Röntgenstrahlung dadurch erhöht, dass das Röntgenstrahlenaustrittsfenster nicht unter 90° zum einfallenden Elektronenstrahl angeordnet ist sondern unter einem geringen Winkel — dem Austrittswinkel der Röntgenstrahlung — also in Vorwärtsrichtung. DeJC optimale Winkel hängt dabei stark von der Elektronenenergie ab, wobei er bei einer Elektronenenergie E0 = 500 keV 15° beträgt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Elektronenaustrittsfenster eine Metallfolie , insbesondere aus Wolfram, mit einer Dicke von 5 bis 30 μm, insbesondere von 15 μm, ist. Bei einer solchen Dicke erfolgt nur ein sehr geringer Verlust der Elektronenenergie im Elektroneneintrittsfenster. Bei einer Dicke von 15 μm sind dies nur 5 % der Elektronenenergie. Hinsichtlicli der Dicke des Elektroneneintrittsfensters muss jedoch ein Kompromiss aufgrund dessen mechanischer Stabilität eingegangen werden. Ein zu dünnes Elektroneneintrittsfenster würde den mechanischen Gegebenheiten innerhalb des Anodenmoduls, insbesondere dem Flüssigkeitsdruck und dem auftxetenden Scherkräften, nicht mehr gerecht und instabil werden oder sogar zerspringen. Das Elektroneneintrittsfenster kann zur Erfüllung der vorgenannten Erfordernisse auch als ein Diamantfilm, ein keramischen Werkstoff oder ein Einkristall, insbesondere aus kubischem Bornitrid, ausgebildet sein. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Röntgenstrahlenaustrittsfenster ein Stahlblech mit einer Dicke von 100 bis 400 μm, insbesondere von 250 μm, ist. Da im Röntgenstrahlenaustrittsfenster eine Wechselwirkung mit den austretenden Röntgenstrahlen erfolgt, darf dieses nicht zu dick sein. Die optimale Dicke hängt davon ab, welcher Schwächungsgrad akzeptabel ist und welche mittlere Energie der Röntgenstrahlung erhalten werden soll. Darüber hinaus setzt auch die mechanische Stabilität des Röntgenstrahlenaustrittsfensters eine untere Grenze für deren Dicke.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Anodenmodul im Fokusbereich eine Dicke in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls von 100 bis 350 μm, insbesondere von 200 μm, hat. Aufgrund der Eindringtiefe der Elektronen in die Flüssigmetallanode ist es möglich, die Dicke das Anodenmodul im Fokusbereich in einem gewissen Bereich zu variieren. Dieser Bereich wird stark dadurch begrenzt, dass die produzierten Röntgenstrahlen noch quer durch das gesamte Flüssigmetall (je nach Winkel, unter dem das Röntgenstrahlenaustrittsfenster angeordnet ist, ist dieser Weg länger oder kürzer) hindurch treten muss. Eine zu große Dicke ist nicht möglich, da die Röntgenstrahlenausbeute übermäßig durch Selbstabsorption im Flüssigmetall verringert würde.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Anodenmodul im Fokusbereich einen Einschnürkanal in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls aufweist und außerhalb des Fokusbereichs eine Dicke von 5 bis 10 mm, bevorzugt von 8 mm, hat. Dadurch ist es möglich, dass die oben ausgeführten sehr geringen Maße lediglich im Anodenmodul, um den Fokusbereich herum, eingehalten werden müssen und die gesamte andere Leitung einen erheblich größeren Querschnitt aufweisen kann. Somit können billigere Pumpen zur Umwälzung des Flüssigmetalls verwendet werden und die Flüssigmetallanode wird dadurch bedeutend preiswerter.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Fokusbereich parallel zur YZ-Ebene verläuft, die senkrecht auf die Flussrichtung des Flüssigmetalls steht. Damit wird beispielsweise bei einem Zylindermantelförmig ausgebildeten Elektroneneintrittsfenster dafür gesorgt, dass der Fokusbereich im Wesentlichen auf einer Geraden verläuft und somit nicht unterschiedlich lange Wege durch die Flüssigmetallanode gegeben sind. Aufgrund der gegebenen Definition der YZ-Ebene verläuft die X-Achse entlang der Flussrichtung des Flüssigmetalls. Die Y-Achse ist dabei parallel zur Achse des zylinderförmigen Elektroneneintrittsfensters ausgerichtet und die Z-Achse entlang eines Radius des zylinderförmigen Elektroneneinrittsfensters.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einfallswinkel zwischen der Einfallrichtung des Elektronenstrahls und der Z-Achse zwischen 5° und 65°, bevorzugt 50°, beträgt. Dadurch wird erreicht, dass der Fokusbereich bei gleichen Elektronenstrahlabmessungen größer wird, da die projizierte Fläche größer ist. Der tatsächliche Fokusbereich, der der Auftreffflache der Elektronen entspricht, wird dadurch vergrößert. Dies führt dazu, dass die entstehende Wärme besser abgeführt wird und somit höhere Leistungen eingestrahlt werden können.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einfallswinkel, der Anodenwinkel und der Austrittswinkel alle in de YZ-Ebene liegen. Dadurch wird eine hervorragende Ausbeute hinsichtlich der erzeugten Röntgenstrahlen im Verhältnis zu den einfallenden Elektronen erreicht. Darüber hinaus wird die Aufgabe auch von einem Röntgenstrahler mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen und einen beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlen emittierenden Flüssigmetallanode, die ein Anodenmodul gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen aufweist, gelöst.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines schematisch dargestellten Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Leitung um den Fokusbereich herum,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Anodenmodul der Fig. 1 entlang der XZ-Ebene,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Elektroneneintrittsfensters des Anodenmoduls aus den Figuren 1 und 2 mit den interessierenden Winkeln und

Fig. 4 ein Diagramm zur vorwärts gerichteten Emission von RöntgenbremsStrahlung.

Wie oben schon ausgeführt, ist die Winkelverteilung der erzeugten RöntgenbremsStrahlung nicht isotrop sondern in Richtung der Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 ausgerichtet. Diese Anisotropie ist umso ausgeprägter, je hochenergetischer die Elektronen werden. Bei einer Elektronenenergie von E0 = 500 keV wird das Maximum der BremsStrahlung unter einem Winkel von ungefähr 15° zur Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 emittiert. In Fig. 2 wird das Verhältnis der Röntgenstrahlausbeute unter 15° zur Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 zur Röntgenstrahlausbeute unter 90° zur Elektronenflugrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 in Abhängigkeit der relativen Photonenenergie dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass es sich hierbei ungefähr um einen Faktor 35 handelt, um den die Emission von Röntgenstrahlung unter einem Austrittswinkel Θ von 15° höher ist als diejenige unter 90°. Der Faktor wird umso höher, je näher man an den „Spitzenbereich" des Spektrums kommt, in dem die Photonenenergie ungefähr gleich groß ist wie die Elektronenenergie.

Aufgrund dieses Verhältnisses ist in den Figuren 1 und 2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Anodenmodul 1 für eine Flüssigmetallanoden-Röntgenquelle dargestellt, bei der in Fokusbereich 2 ein Elektroneneintrittsfenster 3 und diesem gegenüberliegend ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ausgebildet sind. Dieses Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ist so angeordnet, dass unter dem oben angegebenen Austrittswinkel Θ der Röntgenstrahlen 7 von 15° gegenüber der Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 angeordnet. Im Querschnitt der Figur 2 ist zu erkennen, dass sowohl der einfallende Elektronenstrahl 6 als auch der austretende Röntgenstrahl 7 in der YZ-Ebene verlaufen. Hier ist als Röntgenstrahl 7 jedoch nur der Zentralstrahl dargestellt. Dagegen erkennt man in Figur 1 sehr gut, dass es sich um einen divergierenden Röntgenstrahl 7 handelt, der jedoch keinen kreisförmigen Querschnitt aufweist sondern eine unterschiedliche Breite B und Höhe H hat. In der Darstellung ist der Querschnitt rechteckig dargestellt. Dies dient lediglich zur einfacheren Anschauung. Der Querschnitt ist in Realität eher elliptisch aufgrund der physikalischen und mathematischen Gegebenheiten bei der Erzeugung der Röntgenstrahlen 7 im Anodenmodul 1. Die Breite B liegt ungefähr in einem Winkelbereich von ±20° um den Zentralstrahl der Röntgenstrahlen 7. Dagegen liegt die Höhe H lediglich in einem Winkelbereich von ca. ±5° um den Zentralstrahl. Somit ergibt sich ein Verhältnis zwischen der Breite B und der Höhe H von ca. 4. Dieses Verhältnis hängt jedoch wieder stark davon ab, welche Energie der einfallende Elektronenstrahl 6 hat, welche Materialen für das Elektroneneintrittsfenster 3, das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 verwendet werden sowie davon, welches Flüssigmetall 10 verwendet wird. Außerdem spielt es auch eine starke Rolle, unter welchem Einfallswinkel α der Elektronenstrahl 6 auf das Elektroneneintrittsfenster 3 fällt.

Das Anodenmodul 1 muss insbesondere im Fokusbereich 2 einige geometrische Anforderungen erfüllen, damit durch das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ein möglichst intensiver Röntgenstrahl 7 austritt. Diese geometrischen Voraussetzungen hängen stark von den verwendeten Materialien — beispielsweise für das Elektroneneintrittsfenster 3, das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4, das verwendete Flüssigmetall — sowie von der Energie des Elektronenstrahls 6 ab.

Die Dicke des Elektroneneintrittsfensters 3 kann aus der Thomson-Whiddington-Gleichung hergeleitet werden. Diese lautet

JC — ' bp

E0 ist die Elektronenenergie und x die beabsichtige Reichweite, die zur Reduzierung der mittleren Elektronenenergie auf die Energie E nötig ist. p ist der Wert der Dichte des verwendeten Materials für das Elektroneneintrittsfenster 3. Die Bezeichnung b ist die Thomson-Whiddington-Konstante, die für das im vorliegenden Fall verwendete Elektroneneintrittsfenster 3 aus Wolfram einen Wert von 8,5 x 104 keV2 m2 kg"1 hat. Daraus ergibt sich für p x ein Wert von 0,27 kg m~2. Für den Fall, dass nur 5 % der Elektronenenergie im Elektroneneintrittsfenster 3 verloren werden soll, ergibt sich für dieses eine Dicke von 15 μm. Das Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 ist im Fokusbereich 2 an der dem Elektroneneintrittsfenster 3 entgegengesetzten Fläche des Anodenmoduls 1 angeordnet. Im vorliegenden Fall wurden als Eckdaten eine maximale Schwächung von 10 % der in der Flüssigmetallanode erzeugten Röntgenstrahlung bei einer mittleren Energie von 250 keV vorgegeben. Damit ergibt sich für ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 aus Stahl eine Dicke von 250 μm.

Im Fokusbereich 2 ist die Leitung 11 in Form des Anodenmoduls 1 gegenüber dem Rest der Leitung 11 stark eingeschnürt, so dass ein Einschnürkanal 8 ausgebildet ist. Dieser Einschnürkanal 8 muss einen Kompromiss zwischen zwei konkurrierenden Faktoren erfüllen. Auf der einen Seite muss eine lange Weglänge der Elektronen in dem Flüssigmetall 10 gegeben sein, damit ein Maximum an Umwandlung der Elektronenenergie in RöntgenbremsStrahlung erfolgen kann. Dies entspricht einer großen Kanalhöhe parallel zur Einfallsrichtung 5 des Elektronenstrahls 6 und senkrecht zur Flussrichtung 9 des Flüssigmetalls 10. Auf der anderen Seite muss die Kanalhöhe so gering wie möglich sein, damit die produzierten Röntgenstrahlen 7 nicht übermäßig durch Selbstabsorption im Flüssigmetall 10 gedämpft werden. Wenn man die Thomson-Whiddington-Gleichung auf das verwendete Flüssigmetall 10 (BiPbInSn) anwendet, erhält man für eine Kanalhöhe von ca. 200 μm einen Verlust von 33 % der Elektronenenergie. Da eine größere Kanalhöhe nur zur Produktion relativ niederenergetischer Röntgenstrahlen 7 führt und gleichzeitig die Selbstabsorption der Röntgenstrahlen 7 im Flüssigmetall 10 anwächst, ist der vorgenannte Wert für die Kanalhöhe ein guter Kompromiss zwischen den beiden oben genannten Erfordernissen.

Die Elektronendiffusion über eine Tiefe von 200 μm ist bei Weitem der wichtigste Prozess, der zum thermischen Transport der im Fokusbereich 2 entstandenen Wärme aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl 6 und dem Flüssigmetall 10 führt. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 25 m s"1 des Flüssigmetalls 10 ergibt sich aus dem Produkt der Kanalhöhe (200 μm) , der Fokuslänge (hier 5 mm) und der Flussgeschwindigkeit (25 m s"1) das Volumen des Flüssigmetalls 10 pro Sekunde, in dem der Elektronenstrahl 6 seine Energie abgibt. Dadurch erhält man einen Materialfluss von 2,5 x 10"5 m3 s"1. Unter Verwendung von BiPbInSn als Flüssigmetall 10 erhält man aufgrund der Wärmekapazität (cp = 0,263 kJ kg"1 K"1 bei 65°C) und einer Dichte von p = 8,22 x 103 kg in"3 bei 65°C, dass die Flüssigmetallanoden-Röntgenröhre eine Gleichstromleistungsaufnahme von über 25 kW aufweist, wenn eine maximale Temperaturerhöhung von 5000K zulässig ist. Es ergibt sich dann eine effektive Fokusgröße von 1 mm x 1,3 mm.

In Figur 3 sind die einzelnen auftretenden Winkel dargestellt. Es ist ein Ausschnitt aus dem Elektroneneintrittsfenster 3 gezeigt. Die Flussrichtung 9 des Flüssigmetalls 10 verläuft entlang der X-Achse. Der entlang der Einfallsrichtung 5 einfallende Elektronenstrahl 6 liegt in der YZ-Ebene. Er ist um den Einfallswinkel α gegen die Z- Achse geneigt. Der aus dem Anodenmodul 1 entlang der Austrittsrichtung 12 austretende Röntgenstrahl 7 verläuft ebenfalls in der YZ-Ebene. Er ist jedoch nicht parallel zum Einfallswinkel a sondern um den Austrittswinkel θ auf die Y- Achse hin geneigt. Zwischen der Y-Achse und dem Röntgenstrahl 7 ist der Anodenwinkel ß ausgebildet. Wenn man den oben schon ausgeführten Wert für den Austrittswinkel θ der Röntgenstrahlung 7 von 15° betrachtet und einen Anodenwinkel ß von 25° annimmt, so ergibt sich anhand einfacher geometrischer Überlegungen, dass der Einfallswinkel α des Elektronenstrahls 6 einen Wert von 50° aufweisen muss. Möchte man den erzeugten Röntgenstrahl 7 unter einem anderen Anodenwinkel ß betrachten, so ergibt sich bei konstant gehaltenem Austrittswinkel θ der entsprechende Einfallswinkel α aus der Gleichung α + ß + θ = 90°. Natürlich ist es auch möglich, den Austrittswinkel θ zu ändern, was sich sofort stark auf die Röntgenstrahlausbeute (siehe Figur 4) auswirkt. Je nachdem, unter welchem Anodenwinkel ß man den Röntgenstrahl 7 betrachtet, ergibt sich dann der Einfallswinkel a.

M±t einer Flüssigmetallanoden-Röntgenröhre die ein dargestelltes erfindungsgemäßes Anodenmodul 1 aufweist, erhält man eine erhöhte Emission von hochenergetischen Photonen und eine hohe Gleichstromleistungsaufnahme mit einem gleichzeitig kleinen Fokusbereich 2. Eine solche Flüssigmetallanoden-Röntgenröhre wird als Bestandteil eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers mit einer Elektronenquelle zur Emission von Elektronen verwendet, wobei beim Auftreffen der Elektronen die gewünschten Röntgenstrahlen 7 produziert werden. Sie ist sehr hilfreich in Zoll- und Sicherheitsanwendungen inklusive CT-gestützter Gepäcküberwachung. Darüber hinaus kann sie auch sehr effektiv in der zerstörungsfreien Analyse von Werkstoffen oder der Überprüfung von Gussteilen, beispielsweise bezüglich Schweißnähten von Felgen, verwendet werden. Bezugszeichenliste

1 Anodenmodul 2 Fokusbereich 3 Elektroneneintrittfenster 4 Röntgenstrahlenaustrittsfenster 5 Einfallsrichtung 6 Elektronenstrahl 7 Röntgenstrahl 8 Einschnürkanal 9 Flussrichtung 10 Flüssigmetall 11 Leitung 12 Austrittsrichtung B Breite des Röntgenstrahls H Höhe des Röntgenstrahls α Einfallswinkel des Elektronenstrahls ß Anodenwinkel θ Austrittswinkel der Röntgenstrahlung