Die Erfindung befasst sich mit einem Elektronenfenster für eine Flüssigmetallanode in der Form einer Membran, mit einer Flüssigmetallanode, die ein erfindungsgemäßes Elektronenfens¬ ter aufweist und einen Röntgenstrahler mit einer solchen Flüssigmetallanode. Darüber hinaus befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Betrieb eines Röntgenstrahlers mit einer Flüssigmetallanode.

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 Flüs¬ sigmetallanode — wie jede bekannte feste Anode — erheblich. Die entstehende Wärme muss aus dem Fokusbereich abgeführt werden, damit sich die Anode nicht überhitzt. Dies erfolgt in Flüssigmetallanoden mittels turbulenten Massentransports, Konvexions-, wärmeleitungs- und Elektronendiffusionsvorgän¬ gen. Im Fokusbereich, in dem die Elektronen auf die Flüssig- metallanode auftreffen, weist das Leitungssystem der Flüssig¬ metallanode ein Elektronenfenster auf. Dies besteht aus einer dünnen Metallfolie oder einem Diamantfilm, die so dünn ist, dass die Elektronen in ihr nur einen geringen Teil ihrer Be¬ wegungsenergie verlieren. Um die unterhalb des Elektronen- fensters entstehende Wärme abtransportieren zu können, wird das flüssige Metall in einem Kreislauf umgewälzt. Die an der Stelle des Fokus entstehende Wärme wird somit vom flüssigen Metall mitgenommen. Bei der benötigten dünnen Metallfolie be¬ steht das Problem, dass sie instabil werden kann oder sogar platzt, wenn der Flüssigkeitsdruck oder die Scherbeanspru¬ chung eine vorgegebene mechanische Grenze überschreitet. Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Elektronenfenster zur Verfügung zu stellen, das eine höhere mechanische Stabi¬ lität aufweist und gleichzeitig dünn genug ist, um nur einen sehr geringen Teil der Elektronenenergie aufzunehmen. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Flüssigmetallanode, in die ein solches Elektronenfenster eingesetzt ist, betrieben wer¬ den kann.

Die Aufgabe wird durch ein Elektronenfenster mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Membran Erhebungen und Vertiefungen aufweist, ist zum Einen die Sta¬ bilität gegenüber mechanischen Beanspruchungen, wie dem Flüs- sigkeitsdruck in der Leitung der Flüssigmetallanode und der Scherbeanspruchung, erhöht. Gleichzeitig kann die Membran über den überwiegenden Teil der Fläche weiterhin so dünn aus¬ geführt sein, dass nur ein geringer Energieverlust der hin¬ durchtretenden Elektronen auftritt. Zum Anderen werden durch die Erhebungen und Vertiefungen im Fluss des Flüssigmetalls unterhalb des Elektronenfensters verstärkt Verwirbelungen er¬ zeugt. Dadurch wird eine bessere Abfuhr der in der Flüssigme¬ tallanode bei einem Beschuss mit Elektronen entstehenden Wärme erreicht. Als Membran kommen alle dünnen Gegenstände in Betracht, die auf der einen Seite stabil sind und auf der an- deren Seite die sie durchdringenden Elektronen möglichst we¬ nig in ihrer Energie schwächen. Bevorzugt werden eine Metall¬ folie, ein Diamantfilm, ein keramischer Werkstoff oder ein Einkristall, insbesondere aus kubischem Bornitrid, als Membran verwendet. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass das Elektronenfenster eine Prägestruktur aufweist und sowohl die Erhebungen als auch die Vertiefungen Teilflächen sind, die über Verbindungsflanken miteinander verbunden sind. Eine so ausgebildete dünne Metallfolie kann sehr einfach herge¬ stellt werden, da sie aus einem einzigen Teil geformt werden kann. Die Verwirbelung des Flüssigkeitsstroms der Flüssigme¬ tallanode wird hier durch die Erhebungen und Vertiefungen er¬ reicht. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vertiefungen und/oder die Erhebungen in einer virtuellen regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet sind. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Vertiefungen und/oder die Erhebungen als polygonale Einheiten, insbesondere quadrati¬ sche oder hexagonale Einheiten, ausgebildet sind. Solche geo¬ metrischen und symmetrischen Ausgestaltungen sind sehr ein¬ fach herzustellen und geben der Membran eine besonders hohe mechanische Stabilität.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Elektronenfenster gebogen ausgebildet ist, ins¬ besondere wie ein Ausschnitt eines Zylindermantels. Eine sol- che Ausgestaltung ist zum Einen sehr einfach herzustellen und zum Anderen auch mechanisch sehr stabil.

Eine weiter vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vertiefungen und/oder die Erhebungen eine Höhe im Bereich von 10 bis 250 μm, bevorzugt 50μm, haben und die Membran eine Dicke von 5 bis 50 μm, bevorzugt 20μm, aufweist. Durch die angegebenen Höhe der Vertiefungen und/oder Erhebun¬ gen werden Wirbel erzeugt, die im selben Größenbereich lie¬ gen. Dieser Bereich entspricht im Wesentlichen der Reichwei- ter der Elektronen im Flüssigmetall, wenn man von stark rela¬ tivistischen Elektronen ausgeht. Wirbel von größerem Ausmaß sind nicht nötig, da die im Flüssigmetall erzeugte Wärme nur in dem Bereich entsteht, in den auch die Elektronen vordrin¬ gen.

Die Aufgabe wird auch durch eine Flüssigmetallanode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Erfindungsgemäß ist das Elektronenfenster so in die Leitung eingesetzt, dass die Erhebungen zum Inneren der Leitung weisen und mit dem Flüs- sigmetall in Kontakt sind. Durch das Einsetzen des Elektro¬ nenfensters mit den Erhebungen zum Inneren der Leitung wird neben der Steigerung der mechanischen Stabilität der Membran auch gleichzeitig eine erhöhte Verwirbelung des Flüssigme¬ tallstroms in der Flüssigmetallanode erreicht, was zu einem besseren Abtransport des unterhalb des Elektronenfensters im Fokusbereich entstandenen Wärme führt.

Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 9 gelöst. Erfindungsgemäß werden da¬ bei die Verwirbelungen an den Erhebungen des Elektronenfens¬ ters erzeugt. Durch die Verwirbelung des Flüssigmetallstroms wird — wie oben schon ausgeführt — der Abtransport der ent¬ stehenden Wärme in der Flüssigmetallanode unterstützt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten und nachfolgend beschriebe- nen Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Flüssigme¬ tallanode im Fokusbereich,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erstes erfindungsgemäßes Elektronenfenster,

Fig. 3 eine Ansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Elek¬ tronenfensters und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsge¬ mäßes Elektronenfenster mit gleich großen Erhebun¬ gen und Vertiefungen.

In Fig. 1 wird ein schematischer Schnitt durch eine Flüssig¬ metallanode 2 dargestellt. In einer Leitung 9 wird entlang einer Flussrichtung 6 Flüssigmetall gepumpt. Als Flüssigme¬ tall kommt beispielsweise BiPbInSn in Betracht. Im Bereich des Fokus der Flüssigmetallanode 2 trifft ein Elektronen- strahl 3 im Wesentlichen senkrecht auf ein Elektronenfenster 1. Dieses Elektronenfenster 1 ist als eine dünne Membran 4 ausgebildet, die die Energie der Elektronen nur gering schwächt. Die Membran ist im dargestellten Ausführungsbei¬ spiel als eine dünne Metallfolie 4 ausgebildet. Genauso gut ist es möglich, einen Diamantfilm, einen keramischen Werk¬ stoff oder einen Einkristall, insbesondere aus kubischem Bor- nitrid, zu verwenden. Die Metallfolie 4 ist so dünn, dass sie den Elektronenstrahl 3 in seiner Energie nur geringfügig ab¬ bremst. Sie ist aus einer Wolframlegierung, beispielsweise aus W/Re, gefertigt und weist eine Dicke von 10 μm auf. Die optimale Dicke ist allerdings stark von der Elektronenenergie abhängig. Die Elektronenenergie wird durch das Flüssigmetall aufgenommen und es entsteht Röntgenstrahlung (nicht gezeigt).

Gleichzeitig entsteht in dem Gebiet, in dem der Elektronen¬ strahl 3 seine Energie an das Flüssigmetall abgibt, ein er- wärmter Bereich 8. Die Wärme des erwärmten Bereichs muss ab¬ geführt werden, um eine Überhitzung der Flüssigmetallanode 2 zu vermeiden. Die Kühlung erfolgt dadurch, dass das Flüssig¬ metall über eine Pumpe (nicht gezeigt) durch die Leitung 9 entlang der Flussrichtung 6 umgewälzt wird. Der Abtransport der entstandenen Wärme erfolgt durch Konvexion, thermische Leitung im Flüssigmetall und Elektronendiffusion.

Mittels eines erfindungsgemäßen Elektronenfensters 1 (nähere Einzelheiten s. Fig. 2 bis 4) werden aufgrund der Erhebungen 10 und der Vertiefungen 11 in der laminaren Strömung des Flüssigmetalls entlang der Flussrichtung 6 verstärkt Verwir- belungen 5 erzeugt. Dies wird anhand des Flussgeschwindig- keitsvektors 7 verdeutlicht. Man erhält dadurch eine gute Ab¬ führung der unterhalb der Metallfolie 4 des Elektronenfens- ters 1 entstandenen Wärme in Richtung der Flussrichtung 6. Um eine solche Durchmischung von kaltem und heißem Flüssigmetall zu erreichen, und gleichzeitig einen guten Abtransport auf¬ grund der Pumpleistung zu erhalten, reichen Flussgeschwindig¬ keiten des Flüssigmetalls im Bereich von einigen 10 m s"1 aus. In den Figuren 2 bis 4 sind drei unterschiedliche Ausfüh¬ rungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Metallfolie 4 darge¬ stellt, die auf der einen Seite zu der oben beschriebenen Wirbelbildung führt und somit zu einer Verbesserung des Ab- transports der entstehenden Wärme aus dem erwärmten Bereich 8 beiträgt, aber gleichzeitig auch zu einer erheblichen Erhö¬ hung der mechanischen Steifheit der Metallfolie 4 beiträgt. Diese mechanische Steifheit ist besonders wichtig, da sie den begrenzenden Faktor für die maximale Leistungsstärke bildet, mit der die Röntgenquelle betrieben werden kann. Wird die me¬ chanische Stabilität der Metallfolie 4 erreicht oder über¬ schritten, wird diese aufgrund des Flüssigkeitsdrucks oder der Scherbeanspruchung instabil oder zerbricht sogar. Es gibt allerdings oberhalb des elastischen Verformungsbereichs bei Metallfolien noch einen plastischen Verformungsbereich, so dass eine gewisse Sicherheitszone gegeben ist. Dies ist bei einer Membran aus Keramik nicht der Fall, da diese beim Über¬ schreiten des elastischen Verformungsbereichs zerspringt.

In Fig. 2 ist eine erste erfindungsgemäße Möglichkeit darge¬ stellt, wie die mechanische Stabilität der Metallfolie 4 er¬ höht werden kann. Die Metallfolie 4 ist hierbei in einer Draufsicht gezeigt, die in Fig. 1 der Richtung von unten ent¬ spricht. Somit ist die dargestellte Fläche dem Flüssigmetall der Flüssigmetallanode 2 zugewandt und mit diesem in Kontakt. Auf der ebenen Metallfolie 4 sind hexagonale Rippen 12 als eine Art von Stegen ausgebildet. Diese haben eine Höhe von ca. 20 μm. Die Rippen 12 entsprechen damit Erhebungen 10, die über die Vertiefungen 11 herausstehen, welche durch die ebene Metallfolie 4 definiert sind. Durch diese Rippen 12 wird das Flüssigmetall, das entlang der Flussrichtung 6 an der Metall¬ folie 4 entlang fließt verstärkt verwirbelt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Aufgrund der Verwirbelung 5 wird eine gute Vermischung von heißem und kaltem Flüssigmetall erreicht. Die Größe der Verwirbelungen 5 liegt dabei ungefähr bei der Höhe der Rippen 12. Die hexagonalen Rippen 12 sind auf einem vir¬ tuellen regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet. Durch diese zweidimensionale gerippte Struktur wird die Forin¬ stabilität im Vergleich zu einer unstrukturierten, planen Metallfolie 15 (s. Fig. 4) erheblich erhöht. Neben der hexa- gonalen Struktur der Rippen 12 sind ebenso andere polygonale Einheiten möglich, beispielsweise quadratische. Diese sind dann auch bevorzugt auf einer regelmäßigen Gitterstruktur an¬ geordnet.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Metallfolie 4 dargestellt. Diese ist jedoch nicht auf einer ebenen, sondern auf einer gebogenen Oberflä¬ che ausgebildet. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 handelt es sich hierbei um ein quadratisches Muster von Erhebungen 10 und Vertiefungen 11. Man erhält da¬ durch ein verzerrtes hexagonales Muster (im Unterschied zur Fig. 2). Dies entspricht dem bekannten Fingerhut, den man beispielsweise zum Nähen auf einen Finger aufsetzt.

Das in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Metallfolie 4 weist ebenfalls eine gebogene Oberfläche auf. Anders als eine plane Metallfolie 15 (die als Referenz dargestellt ist) mit — wie in den beiden Ausfüh¬ rungsbeispielen der Fig. 2 und 3 dargestellt — aufgesetzten Rippen 12 ist diese Metallfolie 4 nach einem anderen Prinzip geformt. Die dargestellte Struktur wird beispielsweise durch einen Prägevorgang erreicht. Im Längsschnitt ist gut zu er¬ kennen, dass die Vertiefungen 11 alle auf einer gemeinsamen Oberfläche, die im Wesentlichen auf einem Zylindermantel lie- gen angeordnet sind. Auch die Erhebungen 10 liegen alle auf einem Zylindermantel jedoch beabstandet zu den Vertiefungen 11. Jeweils nebeneinander liegende Erhebungen 10 und Vertie¬ fungen 11 sind über jeweils eine Verbindungsflanke 13 mitein¬ ander verbunden. Eine solche Struktur wirkt selbststabilisie- rend, so dass sie eine bedeutend höhere mechanische Stabili¬ tät aufweist als die als Referenz angegebene plane Metallfo¬ lie 15. Das Flüssigmetall, das entlang der Flussrichtung 6 auf die Erhebungen 10 trifft, wird — genauso wie oben be¬ schrieben — verwirbelt. Dadurch ergeben sich die oben genann¬ ten Vorteile für die Abführung der unterhalb des Elektronen¬ fensters 1 entstandenen Wärme.

Im Allgemeinen gilt, dass Verwirbelungen 5 immer mit einem Massentransport einhergehen und somit die turbulente Leitfä¬ higkeit relativ zur thermischen Leitfähigkeit erhöhen, die unter laminaren Flussbedingungen gemessen werden. Dadurch er- möglicht eine Flüssigmetallanode 2 mit einem erfindungsgemä¬ ßen Elektronenfenster 1 höhere Elektronenstromleistungen. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei der industriellen zer¬ störungsfreien Analyse wichtig, um die Messzeit für die Un¬ tersuchung einer Reihe von Objekten zu reduzieren. Bezugszeichenliste

Elektronenfenster Flüssigmetallanode Elektronenstrahl Membran, insbesondere Metallfolie Verwirbelung Flussrichtung Flussgeschwindigkeitsvektor Erwärmter Bereich Leitung Erhebung Vertiefung Rippe Verbindungsflanke Virtuelle Gitterstruktur Plane Metallfolie