Vorrichtung mit Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß Patentanspruch 9.

Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Röntgenröhren weisen eine Kathode zur Emission von Elektronen auf. Die emittierten Elektronen werden durch eine Hochspannung auf eine Anode beschleunigt. In der Anode werden die Elektronen abgebremst und erzeugen dabei Röntgen-Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung. Röntgen-Bremsstrahlung besitzt eine breite spektrale Verteilung, während charakteristische Röntgenstrahlung ein diskretes Linienspektrum aufweist. In der von der Röntgenröhre abgestrahlten Röntgenstrahlung sind beide Strahlungsarten überlagert.

Für bestimmte Einsatzzwecke ist charakteristische Röntgen ^¬ strahlung mit diskreten Energien besser geeignet als Röntgen- Bremsstrahlung. Es ist bekannt, Röntgenstrahlung mit metalli- sehen Filtern zu filtern, um den Bremsstrahlungsanteil zu re ^¬ duzieren. Allerdings dämpfen solche Filter auch den Anteil charakteristischer Röntgenstrahlung .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Anode mit den Merk ^¬ malen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der Erfin ^¬ dung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeu ^¬ gung von Röntgenstrahlung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Eine erfindungsgemäße Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung weist einen Halter und eine durch den Halter gehaltene Targetschicht auf. Dabei umfasst die Targetschicht einen Mit ^¬ tenabschnitt und einen Randabschnitt. Die Anode ist dazu vor- gesehen, einem auf den Mittenabschnitt der Targetschicht ge ^¬ richteten Elektronenstrahl ausgesetzt zu werden. Dabei ist der Randabschnitt in Bezug auf die Richtung des Elektronen ^¬ strahls seitlich neben dem Mittenabschnitt angeordnet. Außer ^¬ dem weist der Randabschnitt in Richtung des Elektronenstrahls eine größere Dicke auf als der Mittenabschnitt. Vorteilhaft ^¬ erweise kann der Randabschnitt der Targetschicht dieser Anode zur Filterung von im Mittenabschnitt der Targetschicht der Anode erzeugter Röntgenstrahlung dienen. Dadurch verbessert sich vorteilhafterweise eine Monochromatizität der durch die Anode erzeugten Röntgenstrahlung.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Anode ist der Randabschnitt in eine der Richtung des Elektronenstrahls entge ^¬ gengesetzte Richtung über den Mittenabschnitt erhaben. Vor- teilhafterweise kann dann im Mittenabschnitt der Target ^¬ schicht erzeugte Röntgenstrahlung entgegen der Strahlrichtung des Elektronenstrahls abgestrahlt werden und dabei einen Teil des Randabschnitts der Targetschicht der Anode durchlaufen, wodurch es zu einer Dämpfung eines kontinuierlichen Wellen- längenanteils der Röntgenstrahlung kommt.

In einer Ausführungsform der Anode ist der Randabschnitt ringförmig um den Mittenabschnitt angeordnet. Vorteilhafterweise kann der Randabschnitt dann eine Filterung in unter- schiedliche Raumrichtungen emittierter Röntgenstrahlung leisten .

In einer bevorzugten Ausführungsform der Anode ist die Targetschicht materialeinheitlich ausgebildet. Vorteilhafterwei- se ergibt sich dadurch ein besonders einfacher Aufbau der Targetschicht wie auch der gesamten Anode. In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Anode weist die Targetschicht ein Material mit einer Ordnungszahl zwischen 42 und 74 auf. Vorteilhafterweise eignen sich diese Materialien besonders gut zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Anode weist die Targetschicht Wolfram auf. Vorteilhafterweise eig- net sich Wolfram gut zur Erzeugung und zur Filterung von Röntgenstrahlung .

In einer Ausführungsform der Anode weist der Mittenabschnitt eine Dicke zwischen 50 nm und 10 ym auf. Vorteilhafterweise hat sich dieser Dickenbereich als besonders geeignet erwie- sen .

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Anode weist der Mittenabschnitt senkrecht zur Richtung des Elektro ^¬ nenstrahls einen Durchmesser zwischen 1 mm und 20 mm auf. Vorteilhafterweise haben sich diese Werte als besonders ge- eignet erwiesen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung weist eine Kathode zum Aussenden eines Elektronenstrahls und eine Anode der vorgenannten Art auf. Dabei ist die Anode so angeordnet, dass ein von der Kathode ausgesand ^¬ ter Elektronenstrahl auf den Mittenabschnitt der Target ^¬ schicht trifft. Vorteilhafterweise kann bei dieser Vorrich ^¬ tung im Mittenabschnitt der Targetschicht der Anode erzeugte Röntgenstrahlung durch den Randabschnitt der Targetschicht der Anode gefiltert werden, wodurch sich eine Monochromatizi- tät der erzeugten Röntgenstrahlung verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Anode so angeordnet, dass ein von der Kathode ausgesandter Elektronenstrahl senkrecht auf den Mittenabschnitt der Tar ^¬ getschicht trifft. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch ein symmetrischer und kompakter Aufbau der Vorrichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist diese ein Fenster zum Ausleiten von in der Targetschicht erzeugter Röntgenstrahlung auf. Dabei ist das Fenster so angeordnet, dass im Mittenabschnitt der Targetschicht erzeugte und durch das Fenster ausgeleitete Röntgenstrahlung zuvor den Randabschnitt der Targetschicht durchdringt. Vorteilhafter ^¬ weise wird die im Mittenabschnitt der Targetschicht erzeugte Röntgenstrahlung dann beim Durchdringen des Randabschnitts der Targetschicht gefiltert, wodurch sich eine Monochromati- zität dieser Röntgenstrahlung erhöht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist das Fenster so angeordnet, dass ausgeleitete Röntgenstrahlung den Randabschnitt der Targetschicht im Mittel auf einer Länge zwischen 10 ym und 100 ym durchdringt. Es hat sich erwiesen, dass eine derartige Durchdringungslänge zu einer vorteilhaf ^¬ ten Erhöhung der Monochromatizität der Röntgenstrahlung führt, ohne die Intensität der Röntgenstrahlung insgesamt zu stark abzuschwächen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist das Fenster so angeordnet, dass bezüglich der Richtung des Elektronenstrahls rückwärts gerichtete Röntgenstrahlung durch das Fenster ausgeleitet werden kann. Vorteilhafterweise weist rückwärts gerichtete Röntgenstrahlung gegenüber vorwärts ge ^¬ richteter Röntgenstrahlung einen höheren Anteil an charakteristischer Röntgenstrahlung auf, so dass die aus der Vorrichtung ausgeleitete Röntgenstrahlung nach der Filterung durch den Randabschnitt der Targetschicht der Anode eine besonders hohe Monochromatizität aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist diese einen Kollektor auf, der dazu vorgesehen ist, Elektronen des Elektronenstrahls, die die Anode durchdrungen haben, aufzufangen. Vorteilhafterweise kann durch den Kollektor ein Stromkreis zwischen der Kathode und dem Kollektor der Vorrichtung geschlossen werden, wodurch sich eine Energieeffizienz der Vorrichtung verbessert. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein von einer Röntgenröhre mit einer Anode mit einer Wolfram-Targetschicht emittiertes Röntgenspektrum;

Fig. 2 einen linearen Absorptionskoeffizienten von Wolfram;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung;

Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung einer Targetschicht einer Anode gemäß einer ersten Ausführungsform; und

Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer Targetschicht einer Anode gemäß einer zweiten Ausführungs ^¬ form. Figur 1 zeigt in einem Graphen ein Röntgenspektrum 100. Auf einer horizontalen Achse ist eine Energie 101 in keV aufge ^¬ tragen. Auf einer vertikalen Achse ist ein Photonenfluss 102 in 1/ (keV-mA-mm ² · s) aufgetragen. Ein erstes Spektrum 110 gibt die spektrale Verteilung von

Röntgenstrahlung an, die durch eine Wolfram-Targetschicht ei ^¬ ner Anode einer Röntgenröhre emittiert und durch ein Filter aus Aluminium mit einer Stärke von 2 mm gefiltert wurde. Das erste Spektrum 110 weist einen kontinuierlichen Anteil von Bremsstrahlung 111 auf. Außerdem weist das erste Spektrum 110 Maxima bei diskreten Energiewerten auf, die durch charakteristische Röntgenstrahlung 112 gebildet werden. b

Figur 2 zeigt anhand eines Graphen 200 eine Dämpfung von Röntgenstrahlung durch ein Filter aus Wolfram. Auf einer horizontalen Achse ist wiederum die Energie 101 in keV aufge ^¬ tragen. Auf einer vertikalen Achse ist ein Absorptionskoeffi- zient 202 in cm ^-1 aufgetragen.

Figur 2 zeigt einen Verlauf 210 des linearen Absorptionskoef ^¬ fizienten von Wolfram. Erkennbar ist, dass der lineare Absorptionskoeffizient von Wolfram mit zunehmender Energie ab- nimmt. Allerdings weist der Absorptionskoeffizientenverlauf 210 eine K-Kante 213 (K-edge) auf, an der der fallende Ab ^¬ sorptionskoeffizientenverlauf 210 sprungartig ansteigt. Die K-Kante 213 tritt bei einer Energie 101 auf, die einer Bin ^¬ dungsenergie von in der K-Schale von Wolframatomen angeordne- ten Elektronen entspricht.

Ferner sind im Diagramm 200 der Figur 2 Energiewerte zweier wichtiger Linien der charakteristischen Röntgenstrahlung von Wolfram markiert. Dies sind die K _a i-Linie 211 und die K _a2 ^~ Linie 212.

Wird Röntgenstrahlung mit dem in Figur 1 dargestellten ersten Röntgenspektrum 110 durch ein zusätzliches Filter aus Wolfram gefiltert, so kommt es zu einer zusätzlichen Dämpfung dieser Röntgenstrahlung. Wegen der K-Kante 213 im Absorptionskoeffi ^¬ zientenverlauf 210 von Wolfram werden dabei höherenergetische Anteile des ersten Spektrums 110 stärker gedämpft als der Be ^¬ reich der K _a i-Linie und der K _a2 Linie der charakteristischen Röntgenstrahlung 112 des ersten Spektrums 110. Dadurch erhöht sich die relative Intensität der genannten Linien im Spektrum der gefilterten Röntgenstrahlung.

Figur 1 zeigt anhand eines zweiten Spektrums 120 die spektra ^¬ le Verteilung der Röntgenstrahlung des ersten Spektrums 110 nach einer zusätzlichen Filterung 110 mit einem Wolframfilter von 50 ym Stärke. Erkennbar ist, dass der Anteil der Brems ^¬ strahlung 121 des zweiten Spektrums 120 gegenüber dem Anteil der Bremsstrahlung 111 des ersten Spektrums 110 stark redu- ziert ist. Der Anteil charakteristischer Röntgenstrahlung 122 des zweiten Spektrums 120 ist gegenüber dem Anteil charakte ^¬ ristischer Röntgenstrahlung 112 des ersten Spektrums 110 weniger stark gedämpft. Hierdurch weist das zweite Spektrum 120 eine höhere Monochromatizität auf als das erste Spektrum 110.

Figur 3 zeigt in stark schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Die in Figur 3 dargestellten Komponenten der Vor- richtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung können beispielsweise in einer Vakuumröhre angeordnet sein. In diesem Fall kann die Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung auch als Röntgenröhre bezeichnet werden. Die Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung weist eine Kathode 310 auf. Die Kathode 310 ist dazu vorgesehen, Elektronen zu emittieren, um einen Elektronenstrahl 320 zu erzeugen. Die Kathode 310 kann die Elektronen beispielsweise durch thermische Emission oder durch Feldemission emittieren. Der durch die von der Kathode 310 emittierten Elektronen gebildete Elektronenstrahl 320 wird durch eine nicht darge ^¬ stellte Hochspannung in eine Strahlrichtung 325 beschleunigt.

Die Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung um- fasst ferner eine Anode 400. Die Anode 400 weist einen Halter 410 und eine durch den Halter 410 gehaltene Targetschicht 420 auf. Die Targetschicht 420 wiederum umfasst einen Mittenab ^¬ schnitt 430 und einen Randabschnitt 440. Der Randabschnitt 440 ist bezüglich der Strahlrichtung 325 seitlich gegen den Mittenabschnitt 430 versetzt angeordnet.

Der Mittenabschnitt 430 und der Randabschnitt 440 sind bevor ^¬ zugt materialeinheitlich ausgebildet. Dabei bestehen der Mittenabschnitt 430 und der Randabschnitt 440 der Targetschicht 420 bevorzugt aus einem Material mit einer Ordnungszahl zwi ^¬ schen 42 und 74. Besonders bevorzugt bestehen der Mittenab ^¬ schnitt 430 und der Randabschnitt 440 der Targetschicht 420 aus Wolfram. Der Halter 410 kann beispielsweise aus Diamant bestehen .

Die Anode 400 weist einen Vorderseite 421 und eine Rückseite 422 auf. Die Vorderseite 421 der Anode 400 ist der Kathode 310 zugewandt. Die Anode 400 ist so angeordnet, dass der von der Kathode 310 ausgehende Elektronenstrahl 320 etwa senk ^¬ recht auf einen mittleren Bereich des Mittenabschnitts 430 der Targetschicht 420 trifft.

Der auf den Mittenabschnitt 430 der Targetschicht 420 der Anode 400 auftreffende Elektronenstrahl 320 wird im Mittenab ^¬ schnitt 430 der Targetschicht 420 abgebremst, wobei Röntgen ^¬ strahlung 330 entsteht. Diese Röntgenstrahlung 330 wird in mehrere oder alle Raumrichtung abgestrahlt, unter anderem in eine Abstrahlrichtung 335. Die Abstrahlrichtung 335 ist bevorzugt gegenüber der Strahlrichtung 325 des Elektronenstrahls 320 rückwärts orientiert. Dies bedeutet, dass die Ab ^¬ strahlrichtung 335 vom Mittenabschnitt 430 der Targetschicht 420 der Anode 400 in den Halbraum weist, in dem die Kathode 310 angeordnet ist.

Die Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung weist ein Fenster 350 auf, das dazu dient, in Abstrahlrichtung 335 emittierte Röntgenstrahlung 330 aus der Vorrichtung 300 auszuleiten. Das Fenster 350 kann beispielsweise aus Aluminium oder aus Beryllium bestehen.

Der Mittenabschnitt 430 der Targetschicht 420 weist senkrecht zur Strahlrichtung 325 einen Durchmesser 432 auf. Der Durchmesser 432 kann beispielsweise zwischen 1 mm und 20 mm liegen. In Strahlrichtung 325 weist der Mittenabschnitt 430 der Targetschicht 420 eine Dicke 431 auf. Die Dicke 431 kann bei ^¬ spielsweise zwischen 50 nm und 10 ym liegen. Der im darge- stellten Beispiel außen um den Mittenabschnitt 430 angeordne ^¬ te Randabschnitt 440 der Targetschicht 420 weist einen Durch ^¬ messer 442 auf, der größer als der Durchmesser 432 des Mittenabschnitts 430 ist. Außerdem weist der Randabschnitt 440 der Targetschicht 420 in Strahlrichtung 325 eine Dicke 441 auf, die größer als die Dicke 431 des Mittenabschnitts 430 ist. Der Randabschnitt 440 ist dabei auf der Vorderseite 421 (also entgegen der Strahlrichtung 325) über den Mittenab- schnitt 430 der Targetschicht 420 erhaben.

Dicke 441 und Durchmesser 442 des Randabschnitts 440 der Tar ^¬ getschicht 420, der Durchmesser 432 des Mittenabschnitts 430 der Targetschicht 420 und die Position des Fensters 350 sind derart aufeinander abgestimmt, dass in Abstrahlrichtung 335 vom Mittenabschnitt 430 der Targetschicht 420 der Anode 400 abgestrahlte Röntgenstrahlung 330 auf ihrem Weg zu dem Fens ^¬ ter 350 einen als Filterbereich 450 dienenden Teil des Randabschnitts 440 der Targetschicht 420 durchdringt. Die Rönt- genstrahlung 330 durchdringt den Filterbereich 450 des Randabschnitts 440 dabei im Mittel auf einer Durchdringlänge 455, die beispielsweise zwischen 10 ym und 100 ym betragen kann. Während des Durchdringens des Filterbereichs 450 wird die Röntgenstrahlung 330 gefiltert, so dass sich ihre Monochroma- tizität erhöht, wie dies anhand der Figuren 1 und 2 erläutert wurde .

Die Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung um- fasst ferner einen Kollektor 340, der in Strahlrichtung 325 hinter der Anode 400 angeordnet ist. Der Kollektor 340 dient dazu, Elektronen des Elektronstrahls 320, die die Anode 400 durchdrungen haben, aufzusammeln. Die durch den Kollektor 340 aufgesammelten Elektronen können in einem Stromkreis zurückgeführt werden, wodurch sich eine Energieeffizienz der Vor- richtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verbessert.

Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Targetschicht 420 der Anode 400 der Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung der Fig. 3. Erkennbar ist, dass der Randabschnitt 440 ringförmig um den Mittenabschnitt 430 der Targetschicht 420 angeordnet ist. Diese Ausbildung der Targetschicht 420 hat den Vorteil, dass die Anode 400 in der Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung um ei- ne zum Elektronenstrahl 320 parallele Drehachse gedreht wer ^¬ den kann. Dies führt während eines Betriebs der Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zu einer gleichmäßigeren Erwärmung und Abnutzung der Targetschicht 420 der Anode 400. Auf die Drehung der Anode 400 kann allerdings auch ver ^¬ zichtet werden.

Figur 5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Targetschicht 1420 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Targetschicht 1420 der Figur 5 kann die Targetschicht 420 der Anode 400 der Vorrichtung 300 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung der Figur 3 ersetzen. Die Targetschicht 1420 um- fasst wiederum einen Mittenabschnitt 1430 und einen Randab ^¬ schnitt 1440. Die Targetschicht 1420 weist eine Vorderseite 1421 und eine Rückseite 1422 auf. Die Targetschicht 1420 ist dazu vorgesehen, derart durch den Halter 410 der Anode 400 gehalten zu werden, dass der durch die Kathode 310 erzeugte Elektronenstrahl 320 auf die Vorderseite 1421 des Mittenab ^¬ schnitts 1430 trifft.

Im Unterschied zum Randabschnitt 440 der Targetschicht 420 ist der Randabschnitt 1440 der Targetschicht 1420 der Figur 5 nicht ringförmig um den gesamten Mittenabschnitt 1430 der Targetschicht 1420 herum angeordnet. Vielmehr weist der Rand- abschnitt 1440 die Form eines Kreisringsektors auf, der le ^¬ diglich in einem begrenzten Winkelbereich seitlich neben dem Mittenabschnitt 1430 der Targetschicht 1420 angeordnet ist. Der Randabschnitt 1440 ist dabei derart neben dem Mittenab ^¬ schnitt 1430 der Targetschicht 1420 angeordnet, dass im Mit- tenabschnitt 1430 der Targetschicht 1420 erzeugte Röntgen ^¬ strahlung 330 in Abstrahlrichtung 335 den Randabschnitt 1440 der Targetschicht 1420 durchdringt. Bei Verwendung der Tar ^¬ getschicht 1420 in der Anode 400 der Vorrichtung 300 zur Er ^¬ zeugung von Röntgenstrahlung wird die Anode 400 nicht ge- dreht.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs ^¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .