ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
X-RAY SOURCE, USE THEREOF AND METHOD FOR PRODUCING X-RAYS

Изобретение относится к источнику рентгеновского излучения с корпусом, в котором предусмотрена мишень, которая при бомбардировке пучком электронов может испускать рентгеновские лучи. Кроме того, изобретение относится к способу генерации рентгеновского излучения, при котором в корпусе источника рентгеновского излучения мишень бомбардируется пучком электронов и испускает рентгеновское излучение. Наконец, изобретение также относится к применению источника рентгеновского излучения, испускающего монохроматическое рентгеновское излучение.
Источник рентгеновского излучения, его применение и способ генерации рентгеновского излучения вышеуказанного типа известны, например, из US 2008/0144774 А1. В соответствии с этим источник рентгеновского излучения может быть реализован, например, посредством конфигурации электродов в корпусе. Пучок электронов генерируется в корпусе с помощью электрода, который имеет потенциал 0 В. Напротив этого электрода размещен анод, который используется для излучения электронов. Он находится под потенциалом 100 кВ. За анодом расположен коллектор, который находится под потенциалом 10 кВ. Если пучок электронов попадает на анод, то высвобождается рентгеновское излучение, которое через соответствующее окно (прозрачное для рентгеновского излучения) может выводиться и направляться для соответствующего применения.
Анод, который служит в качестве мишени, может быть выполнен как тонкостенная структура. Например, она может иметь базовую пластину из бора, которая имеет толщину от 10 до 200 мкм. На нее наносится тонкий слой вольфрама с толщиной слоя от 0,1 до 5 мкм, который применяется в качестве мишени. В общем случае очень тонкий вольфрамовый слой испытывает высокую нагрузку из-за пучка электронов.
Задача изобретения состоит в том, чтобы вышеуказанный источник рентгеновского излучения усовершенствовать таким образом, что становится возможной сравнительно длительная продолжительность эксплуатации источника рентгеновского излучения без необходимости смены мишени. Кроме того, задачей изобретения является предложить способ функционирования упомянутого источника рентгеновского излучения. Наконец, задача изобретения состоит в применении для такого источника рентгеновского излучения.
Задача изобретения в отношении вышеуказанного источника рентгеновского излучения в соответствии с изобретением решается тем, что в качестве материала мишени предусмотрена металлическая пленка, причем пучок электронов и мишень подвижны относительно друг друга. Посредством перемещения генератора пучка электронов и/или металлической пленки достигается то, что пучок электронов не постоянно попадает в мишень на том же самом месте и подвергает только там термической нагрузке. Напротив, сформированная пучком электронов активная область перемещается на мишени, так что можно избежать локальной термической перегрузки. Кроме того, возможно направлять пучок электронов всегда на материал мишени, целостность которого не повреждена настолько, что генерация желательной величины рентгеновского излучения более не гарантируется (относительно вариантов создания относительного перемещения между пучком электронов и мишенью см. далее.)
В целом с помощью соответствующих изобретению мер может гарантироваться более длительное время эксплуатации источника рентгеновского излучения, так как посредством относительного перемещения между мишенью и пучком электронов, так сказать, запас непотребленного материала мишени может поддерживаться в корпусе источника рентгеновского излучения. Смена мишени, таким образом, требуется реже, благодаря чему в течение более длительного интервала времени возможна надежная работа без смены мишени. Тем самым предпочтительным образом функционирование источника рентгеновского излучения становится также более экономичным.
3
Согласно предпочтительному выполнению изобретения предусмотрено, что металлическая пленка состоит из легкого металла или нескольких легких металлов, в частности алюминия. В качестве легких металлов в смысле настоящей заявки должны рассматриваться металлы и их сплавы, плотность которых находится ниже 5 г/см. В частности, это определение подходит для следующих легких металлов: все щелочные металлы, все щелочноземельные металлы, кроме радия, а также скандий, иттрий, титан и алюминий. Другими предпочтительными группами веществ для образования металлической пленки являются вольфрам, молибден и группа лантаноидов. В частности, при этом речь идет о 14 элементах, следующих в периодической системе за элементом лантан.
Применение тонкой металлической пленки имеет, кроме того, преимущество, состоящее в том, что за счет возбуждения мишени пучком электронов предпочтительно может генерироваться монохроматическое рентгеновское излучение. При этом речь идет о рентгеновском излучении только с одной длиной волны, что имеет преимущество, заключающееся в том, что, например, с помощью монохроматического рентгеновского излучения рентгеновские изображения могут отображаться с более высоким контрастом. Поэтому также имеется альтернативное решение изобретения, состоящее в применении этого монохроматического рентгеновского излучения для просвечивания тела, причем оно должно быть создано таким образом, что при длине волны применяемого монохроматического рентгеновского излучения на отображении проявлялись контрасты тела. Тело может представлять собой техническую структуру (техническое или неживое тело), как, например, соединение конструктивных деталей, которые должны исследоваться на влияние воздуха. Другая возможность состоит в съемке рентгеновских изображений тела человека или животного.
Согласно предпочтительному выполнению изобретения предусмотрено, что анод выполнен как полоса, которая может сматываться с первой катушки и наматываться на вторую катушку. Выполнение анода в форме полосы имеет большое преимущество, заключающееся в том, что он простыми шагами подачи и перемещения может направляться относительно пучка электронов. За счет этого можно реализовать уже упомянутое относительное перемещение между мишенью и пучком электронов. Особенно предпочтительным является подводить такую полосу в форме катушки к источнику рентгеновского излучения и использованную полосу наматывать на соответствующую катушку, так что простым способом возможно полосу во время эксплуатации источника рентгеновского излучения безопасно хранить в корпусе и направлять к пучку электронов. Кроме того, может осуществляться простая смена полосы путем съема катушек, когда она израсходована. Особенно предпочтительно для этой цели может быть предусмотрено, что первая катушка и вторая катушка размещены в вакуумных шлюзах корпуса. Под вакуумным шлюзом в смысле настоящей заявки следует понимать особую закрытую камеру в корпусе, которая, с одной стороны, имеет проход внутрь корпуса для материала мишени в форме полосы. Кроме того, имеются закрываемые шлюзовые отверстия наружу, через которые пропускаются применяемые катушки. Смена катушек может осуществляться посредством заполнения только предоставленных в распоряжение шлюзовых камер, так что остальное пространство корпуса остается вакуумированным. Здесь следует заметить, что генерация рентгеновского излучения предпочтительно происходит в вакуумированном корпусе. По меньшей мере вторая катушка должна предпочтительным образом быть связана также механически с приводом, который предпочтительно закреплен снаружи на корпусе. Закрепление снаружи на корпусе имеет преимущество, заключающееся в том, что техническое обслуживание привода упрощается, так как доступ к нему облегчается, и работы по техническому обслуживанию не требуют заполнения полости корпуса.
Другая возможность обеспечить относительное движение между пучком электронов и материалом мишени состоит в том, что устройство генерации для пучка электронов выполнено с возможностью поворота. За счет поворота устройства генерации пучок электронов перемещается по материалу мишени туда и обратно, за счет чего возможно равномерное нагружение всего материала мишени. Разумеется, поворотное устройство генерации может также объединяться с механизмом катушек. В то время как механизм катушек может вызывать перемещение пучка электронов по полосе в направлении намотки, устройство генерации может поворачиваться, в частности, перпендикулярно направлению перемещения полосы. Это гарантирует, что полоса также может использоваться по всей своей ширине, за счет чего становится возможным оптимальное использование материала мишени.
Предпочтительным образом металлическая пленка выполнена с толщиной от 0,1 мкм до 0,5 мкм. Указанная толщина представляет собой технический компромисс, на который оказывается влияние тем, что металлическая пленка, которая образует мишень, с одной стороны должна быть достаточно стабильной, чтобы, например, иметь возможность манипулирования с катушками. Кроме того, материал мишени также должен оказывать определенное сопротивление пучку электронов, тем более что более толстые материалы мишени также обеспечивают возможность лучшего распределения тепла. С другой стороны, для генерации монохроматического рентгеновского излучения мишень должна выполняться по возможности тонкостенной.
Другие детали изобретения далее описываются на основе чертежей. Одинаковые или соответствующие элементы чертежей на отдельных фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями и неоднократно поясняются только в связи с различиями между отдельными чертежами, на которых показано следующее:
фиг. 1 - схематичное представление генерации монохроматического рентгеновского излучения в пленке в схематичном сечении,
фиг. 2 - пример выполнения соответствующего изобретению источника рентгеновских лучей в схематичном сечении.
На фиг. 1 в качестве мишени 11 предусмотрена металлическая пленка 12 (представлена как фрагмент). Пучок 13 электронов наталкивается электронами 14 на атом 15 материала мишени (например, алюминия). Также представлена К-оболочка 16 атома 15, причем пучок электронов обуславливает то, что один из электронов 17 К-оболочки 16 возбуждается и поднимается на другую оболочку. Если эти электроны возвращаются назад, то при этом испускается монохроматическое рентгеновское излучение 18.
На фиг. 2 показана структура соответствующего изобретению источника рентгеновского излучения. Источник рентгеновского излучения размещен в вакуумированном корпусе 19, который имеет окно 22. Пучок 13 электронов входит в корпус 19. Затем пучок электронов сталкивается с мишенью 11, причем последняя, ввиду ее малой толщины, по существу не поглощает энергию пучка электронов. Во всяком случае, часть энергии за счет возбуждения атомов 15 (см. фиг. 1) уже описанным образом преобразуется в монохроматическое рентгеновское излучение 18, которое может выходить из корпуса через окно 22. Для того чтобы электроны 14 в пучке 13 электронов в достаточной степени ускорять, предусмотрена так называемая электронная пушка (Е-пушка). Она имеет катод 23, который при приложении электрического поля испускает электроны. Эти электроны фокусируются с помощью линзы 24. Электрическое поле формируется тем, что мишень включена как анод. Он может функционировать при потенциале от 100 до 300 кВ, причем дополнительно за мишенью еще используется коллектор 27 с потенциалом от 40 до 120 кВ. Коллектор тормозит пучок 13 электронов, который почти полностью прошел через мишень 11, электростатически и отбирает у него кинетическую энергию. Низкоэнергетичные электроны заторможенного пучка поглощаются коллектором и отводятся как ток.
В корпусе, кроме того, предусмотрены первая катушка 28 и вторая катушка 29. На первой катушке 28 намотана мишень, которая выполнена в форме полосы 30 и приводится не показанным образом с помощью сервопривода М2 (установлен снаружи корпуса известным образом на приводном валу для вращения катушки 29). При этом мишень 11 сматывается с катушки 28 и наматывается на катушку 29. Для того чтобы смена катушек 28, 29 была возможна простым способом, предусмотрены указанные штрихпунктирной линией вакуумные шлюзы 31, так что оставшееся пространство корпуса при смене катушек 28, 29 не должно заполняться. Катушки 28, 29 снимаются через указанные заслонки 32.
Электрическая пушка также установлена с возможностью поворота посредством вала 33. Привод осуществляется с помощью двигателя М1. Вал 33 расположен параллельно к плоскости чертежа в подшипниках 34, так что поворот электронной пушки приводит к тому, что пучок 13 электронов может перемещаться по всей ширине полосы 30. Привод катушек 28, 29 обуславливает то, что пучок электронов может изменять место столкновения с мишенью также в направлении продольной протяженности полосы 30.