DE10056623A1

DE10056623A1 - Röntgenröhre mit einer Seltenerdanode

Info

Publication number: DE10056623A1
Application number: DE10056623A
Authority: DE
Inventors: Michel Theodorus Henricu Vorst; Jacobus Louis Dresens
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Malvern Panalytical BV
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: US6385295B1; JP3746191B2; DE10056623B4; JP2001202910A

Abstract

Für einige Analyseanwendungen ist Röntgenstrahlung einer bestimmten Wellenlänge erwünscht. Es ist möglich, eine solche weiche Strahlung durch Bestrahlen eines sekundären Targets mit Röntgenstrahlung einer geeigneten Wellenlänge zu erhalten. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Röntgenröhre 1 mit einer Anodenoberflächenschicht 7 zu bauen, die ein Seltenerdmetall enthält, vorzugsweise Gd oder Dy. Wenn ein sekundäres, La enthaltendes Target mit K-Strahlung aus einer solchen Röhre bestrahlt wird, wird K-Strahlung von La erzeugt, die zur Analyse von Elementen aus der 5-ten Reihe des Periodensystem verwendet werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Seltenerdmetall mit dem Anodenkörper 4 mit Hilfe einer Zwischenschicht 8 aus Ti oder Mo verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem Anodenaufbau mit einer Oberflächenschicht zum Erzeugen von Röntgenstrahlung.

Eine derartige Röntgenröhre ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 305 547 A1 bekannt. Die in dieser Patentdruckschrift beschriebene Röntgenröhre ist mit einem Anodenaufbau versehen, der einen Anodenkörper aus Graphit umfaßt, auf dem eine Oberflächenschicht aus Wolfram oder aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung befestigt ist. Aufgabe dieser Oberflächenschicht ist das Erzeugen von Röntgenstrahlung mit einer für medi zinische Anwendungen, insbesondere Anwendungen der sogenannten Computertomographie (CT), geeigneten Wellenlänge.

Für Analysezwecke, wie z. B. die Röntgenfluoreszenzanalyse, besteht häufig Bedarf an einer Röntgenquelle, die spektral reine Röntgenstrahlung, mit der geologisch wich tige Elemente analysiert werden können, erzeugt. Diese Elemente liegen häufig in der fünften Reihe des Periodensystems, wie z. B. Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te und I. Man will hierbei die K- Linien dieser Elemente anregen. Mit Hilfe der üblicherweise erhältlichen Analyseröntgenröh ren werden in dem gewünschten Energiebereich keine charakteristischen Linien erzeugt, die zur Anregung der genannten Elemente verwendet werden können. Bei Verwendung von Rh (dem am meisten verwendeten Anodenmaterial) liegen sie z. B. alle an der hochenergetischen Seite der K-Linien von Rh.

Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre zu verschaffen, die zum Analysieren der genannten Elemente verwendet werden kann. Hierzu ist die erfin dungsgemäße Röntgenröhre dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht zumindest ein Seltenerdmetall enthält. Man kann eine derartige Röhre mit einer Beschleunigungsspan nung in der Größenordnung von z. B. 80 kV betreiben, wobei die K-Linie des Materials der Oberflächenschicht erzeugt werden kann. Mit dieser K-Linie kann ein sekundäres Röntgen- Target bestrahlt werden, das La enthält, z. B. LaB₆, wobei in diesem Prozess durch Fluoreszenz K-Linien von La erzeugt werden. Mit diesen letztgenannten K-Linien können jetzt die K- Linien der genannten zu analysierenden Elemente der fünften Reihe angeregt werden. Falls noch höhere spektrale Reinheit erwünscht ist, kann man die Geometrie der Analyseaufstellung noch so wählen, dass zwischen der auf das sekundäre Target einfallenden Strahlung und der darin durch Fluoreszenz erzeugten Strahlung ein nahezu rechter Winkel gebildet wird. Da durch wird der sowieso geringe Teil der auf das sekundäre Target einfallenden Strahlung, der am Target gestreut wird statt durch Fluoreszenz umgewandelt zu werden, polarisiert, so dass durch Beobachtung senkrecht sowohl zur Einfalls- als auch zur Austrittsrichtung diese polari sierte Strahlung nicht mehr gesehen wird. So wird die spektrale Reinheit der K-Strahlung von La weiter verbessert. Unter dem Einfluss der L-Linien des Materials der Oberflächenschicht entstehen auch L-Linien von La; letztere können noch zur Anregung von leichteren Elementen wie z. B. Chrom (Cr) oder eines Elementes mit einer niedrigeren Ordnungszahl verwendet werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Seltenerdmetall eines der Elemente aus der Gruppe mit der Ordnungszahl 62 bis 71. Diese Elemente haben eine Wel lenlänge der K-Linie, die insbesondere gut zu einem sekundären lanthanhaltigen Target passt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Seltenerdmetall Ga dolinium oder Dysprosium. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass die L-Linien dieser Materialien eine solche Wellenlänge haben, dass bei Bragg-Reflexion an einem LiF-Kristall (d. h. der 220-Reflexion) zwischen der einfallenden und der reflektierten Strahlung ein nahezu rechter Winkel gebildet wird. LiF-Kristalle sind bei der Röntgenanalyse häufig verwendete Monochromatorkristalle. Durch den genannten Bragg-Reflexionprozess ist die Strahlung der L-Linie die die zu analysierende Probe erreicht, polarisiert, so dass wegen der bereits genann ten senkrechten Beobachtung ein Beitrag eventueller an der Probe gestreuter L-Strahlung von Gd nicht wahrgenommen wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Anodenaufbau in Form eines Anodenkörpers ausgeführt, auf dem die Oberflächenschicht mittels einer sich zwi schen der Oberflächenschicht und dem Anodenkörper befindenden Zwischenschicht, die Titan und/oder Molybdän (Mo) enthält, befestigt ist.

Mit dieser Maßnahme wird folgender Vorteil erhalten. Ein Anodenaufbau einer Röntgenröhre besteht im Allgemeinen aus einem Anodenkörper mit hoher Wärmeleitung, wie z. B. Kupfer oder Silber. Auf dem Anodenkörper ist die Oberflächenschicht des für die ge wünschte Strahlung geeigneten Materials befestigt, im vorliegenden Fall also ein Seltenerd metall. Die in der Oberflächenschicht erzeugte Wärme wird über den Anodenkörper über eine Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, abgeführt. An die Anode für eine Röntgenröhre wird die Forderung gestellt, dass diese eine gute Wärmebeständigkeit aufweisen muss und dass die Oberflä chenschicht während der gesamten Lebensdauer der Röntgenröhre auch bei hoher Temperatur und wechselnder Belastung über der gesamten Oberfläche eine sehr gute Haftung am Anoden körper beibehalten muss. Es kann jedoch vorkommen, dass Seltenerdmetalle nur schwer Ver bindungen mit Edelmetallen (Ag, Au) oder Kupfer (Cu) oder mit Übergangsmetallen wie z. B. Eisen (Fe), Cobalt (Co) oder Nickel (Ni) eingehen. Dieses schwierige Verbinden wird von der an sich bekannten Erscheinung der "ultra fast diffusion" verursacht. Bereits bei niedrigen Temperaturen bildet ein Seltenerdmetall eine intermetallische Verbindung mit den genannten Materialien des Anodenkörpers, welche Verbindungen bei niedrigen Temperatur flüssig sind. Gd-Ni wird beispielsweise bereits bei 645°C flüssig. Weiterhin sind diese Verbindungen spröde und hart, und sie sind häufig wenig beständig gegen infolge von Temperaturunter schieden auftretende mechanische Spannungen, wodurch in den genannten Schichten Risse auftreten können und die Anode für Analysezwecke unbrauchbar wird. Weitere Einzelheiten zu diesem Phänomen sind in einem Beitrag mit dem Titel "Diffusion in Rare Earth Metals" im "Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths", North Holland Publishing Com pany, 1978, beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass durch Einbringen einer Zwischenschicht von Ti und/oder Mo das Seltenerdmetall keine Verbindung mit dem Material des darunter lie genden Anodenkörpers eingeht. Zwar gehen die genannten Zwischenschicht-Materialien eine Verbindung mit dem Seltenerdmetall ein, aber sie weisen wenig oder keine Diffusion auf. Weiterhin lassen sie sich stabil, z. B. über "diffusion bonding" mit dem Anodenkörper verbin den.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung enthält der Anodenkörper Kupfer (Cu) und/oder Silber (Ag). Die genannten guten Eigenschaften der Zwischenschicht wie z. B. keine Sprödigkeit und das Nichtvorhandensein von "ultra fast diffusion" kommen in Kombination mit diesen Materialien für den Anodenkörper besonders zur Geltung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre;

Fig. 2 eine detailliertere Wiedergabe des erfindungsgemäßen Anodenaufbaus.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Reflexionsröntgenröhre mit einem Gehäuse 1, in dem unter Vakuum eine Kathode 2 mit einem Elektronen emittierenden Element 3 ange bracht ist. Weiterhin enthält die Röhre einen Anodenaufbau aus einem Anodenkörper 4, einer Oberflächenschicht 7 und einer Zwischenschicht 8. Zwischen der Anode und der Kathode herrscht im Betrieb eine Hochspannung von z. B. 80 kV. Die aus dem emittierenden Element 3 tretenden Elektronen werden durch die genannte Hochspannung beschleunigt und treffen auf die Anode, wodurch in der Oberflächenschicht 7 Röntgenstrahlung erzeugt wird. Mit der durch ein Austrittsfenster 6 nach außen tretenden Röntgenstrahlung kann in einem Röntgen analysegerät eine zu untersuchende Probe bestrahlt werden. Der Anodenkörper 4 besteht vor zugsweise aus einem Wärme gut leitenden Material, wie z. B. Kupfer (Cu) oder Silber (Ag). Die beim Auftreffen der Elektronen erzeugte Wärme wird in an sich bekannter Weise vom Anodenkörper auf ein in der Figur nicht abgebildetes Kühlmittel (z. B. Wasser) übertragen. Die Oberflächenschicht 7 besteht aus einem Seltenerdmetall, vorzugsweise Gadolinium (Gd) oder Dysprosium (Dy). Zwischen der Oberflächenschicht 7 und dem Anodenkörper 4 ist eine Zwi schenschicht 8 aus Titan oder Molybdän angebracht. Durch das Anbringen dieser Zwischen schicht aus Ti und/oder Mo geht das Seltenerdmetall keine Verbindung mit dem Kupfer oder Silber des darunter liegenden Anodenkörpers 4 ein. Die genannten Zwischenschichtmateriali en können eine Verbindung mit dem Seltenerdmetall eingehen, aber sie weisen wenig oder keine Diffusion auf.

Die genannten Materialien lassen sich über "diffusion bonding" stabil mit dem Anodenkörper verbinden. Bei dem Prozess des "diffusion bonding" wird eine Packung aus dem silbernen oder kupfernen Anodenkörper 4, einem Plättchen Titan für die Zwischenschicht 8 und einem Plättchen Gadolinium oder Dysprosium für die Oberflächenschicht 7 gebildet. Diese Packung wird unter einem Druck von ungefähr 3,5 . 10⁵ N/m² in einer Schutzgasatmo späre aus Argon unter Erwärmung bis auf ungefähr 750°C zusammengepresst. Hierbei tritt eine Bindung zwischen den genannten Metallschichten auf, die zur Anwendung in einem Ano denaufbau für eine Analysenröntgenröhre genügend stabil ist. Bei Verwendung von Molybdän als Material für die Zwischenschicht wird das Molybdän zuerst an einer Seite mit einer dünnen Goldschicht versehen und zwar an der Seite, die dazu bestimmt ist, mit dem Anodenkörper verbunden zu werden. Die so gebildete Zwischenschicht wird anschließend mit dem Anoden körper und der Oberflächenschicht in gleicher Weise wie im Fall der Titan-Zwischenschicht zusammengesetzt.

Claims

1. Röntgenröhre mit einem Anodenaufbau (4, 7) mit einer Oberflächenschicht (7) zum Erzeugen von Röntgenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (7) zumindest ein Seltenerdmetall enthält.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei das Seltenerdmetall eines der Elemente aus der Gruppe mit der Ordnungszahl 62 bis 71 ist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, wobei das Seltenerdmetall Gadolinium oder Dysprosium is.

4. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anodenaufbau in Form eines Anodenkörpers (4) ausgeführt ist, auf dem die Oberflächenschicht (7) mittels einer sich zwischen der Oberflächenschicht (7) und dem Anodenkörper (4) befindenden Zwischenschicht (8), die Titan (Ti) und/oder Molybdän (Mo) enthält, befestigt ist.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, wobei der Anodenkörper (4) Kupfer (Cu) und/oder Silber (Ag) enthält.