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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Röntgentarget, eine Röntgenröhre sowie ein Röntgensystem und ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, wie sie beispielsweise bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, in der Medizin, bei Gepäckkontrollen oder zu Analysezwecken eingesetzt werden.
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Beispielsweise bedingt die (Werkstoff-)Prüfung von Objekten oder Gegenständen mit hohen Durchstrahlungslängen oder hohen Dichten den Einsatz einer energiereichen und intensiven Röntgenquelle. Das bei Röntgenröhren im herkömmlichen Energiebereich bis zu einer Beschleunigungsspannung von beispielsweise 450 kV zur Erzeugung der Röntgenstrahlung verwendete Röntgentarget ist hierbei einer großen thermischen Belastung ausgesetzt, welche die erreichbare Ausgangsleistung der Röntgenstrahlen aufgrund der thermischen Belastung des Röntgentargets begrenzt.
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Die Erzielung einer guten Röntgenbildqualität bei kurzen Belichtungszeiten erfordert jedoch Röntgenquellen mit einer hohen Ausgangsleistung der Röntgenstrahlung. Außerdem ist es wünschenswert die Brennfleckgröße der Röntgenquelle zu minimieren, um das Ortsauflösungsvermögen des bildgebenden Systems zu optimieren und somit die Erkennbarkeit von Objektstrukturen mit kleiner räumlicher Ausdehnung zu verbessern.
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Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen in Röntgenröhren wird ein gebündelter Strahl beschleunigter Elektronen auf ein Target – dem Röntgentarget – gerichtet. Die kinetische Energie der Elektronen wird bei dem Auftreffen im Röntgentarget in der Größenordnung von 1% in Röntgenstrahlung umgewandelt, der Rest, also ca. 99% wird in Wärme umgewandelt. Die entstehende Wärmemenge muss abtransportiert werden, um eine hitzebedingte Beschädigung des Targets zu verhindern. Eine Verkleinerung des Brennflecks bei gleichbleibender Röhrenleistung führt dabei zu einer höheren Erwärmung des Röntgentargets. Eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglicht deshalb eine größere zulässige Röhrenleistung bei gleicher Brennfleckgröße bzw. einem kleineren Brennfleck bei gleicher Röhrenleistung oder auch eine verlängerte ununterbrochene Betriebszeit der Röhre. Durch eine verbesserte Wärmeabfuhr vom Röntgentarget kann also ein besseres Ortauflösungsvermögen eines Röntgensystems bzw. einer Röntgenröhre erzielt werden.
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In einer Röntgenröhre können die Elektronen beispielsweise über Glühemission einer Glühkathode erzeugt werden und durch Anlegen einer Hochspannung auf Energien von beispielsweise bis zu 800 keV beschleunigt werden. Das Röntgentarget, das als Anode ausgebildet sein kann besteht in geschlossenen Röntgenröhren üblicherweise aus einer Wolfram- oder Molybdänschicht, die auf einem Träger aus Kupfer, Graphit, Diamant, Beryllium oder Aluminium aufgebracht ist.
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Röntgenquellen können mit Transmissionsröntgentargets oder Reflexionsröntgentargets betrieben werden. Bei Transmissionsröntgentargets wird die entstehende Röntgenstrahlung von der der Elektroneneinstrahlseite gegenüberliegenden Röntgentargetseite abgenommen. Bei Reflexionsröntgentargets wirkt der einfallende Elektronenstrahl in einem bestimmten Einstrahl- bzw. Einfallwinkel auf das Röntgentarget ein. Die genutzte Röntgenstrahlung wird von derselben Targetseite unter Beachtung eines Ausstrahl- bzw. Ausfallwinkels abgenommen.
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Üblicherweise wird die erzeugte Wärme, die bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entsteht, zum Teil über thermischen Kontakt, z. B. mit einem gekühlten massiven Kupferblock, vom Röntgentarget abgeführt. Ein weiterer Anteil der Wärme wird über Infrarotstrahlung an das Gehäuse der Röntgenröhre abgegeben. Der letztgenannte Effekt kann beispielsweise durch Schwärzung des Gehäuses noch verstärkt werden.
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In der
DE 29 10 138 A1 ist eine Anodenscheibe für eine Drehanodenröntgenröhre beschrieben, wobei die Anodenscheibe einen Trägerkörper aus schaumartigen Kohlenstoff und einen Pyrographitring aufweist. Die Wärmeabfuhr der bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung abfallenden Abwärme erfolgt über den Pyrographitring, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Abwärme wird dabei in radialer Richtung über Bohrungen an die Umgebung abgegeben und in axialer Richtung zu einer unteren Stirnfläche des Pyrogrphitrings transportiert.
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Die
DE 29 29 136 A1 beschreibt ebenfalls eine Drehanode für Röntgenröhren, wobei ein Träger- bzw. Grundkörper aus Schaumkohlenstoff ausgebildet sein kann. Mit Hilfe von Barriereschichten wird eine Diffusion von Trägerkörpermaterial in die zur Röntgenstrahlungserzeugung wichtigen Elektronenauffangschichten verhindert.
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Die Brennfleckgröße einer Röntgenquelle hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise von der Verteilung der Auftreffrate der Elektronen auf der Röntgentargetoberfläche, der Streuung der Elektronen im Röntgentarget bzw. der Streuung der erzeugten Strahlung im Target bzw. im Austrittsfenster einer Röntgenröhre. Je kleiner der thermische Brennfleck ist auf den die beschleunigten Elektronen auftreffen, desto höher ist die Wärmedichte im Target. Daraus folgt, dass sich bei kleineren Brennflecken nur kleine Röntgenleistungen verwirklichen lassen. Typischerweise können Brennflecke von etwa 1 μm, bei Spannungen von unter 100 kV und spezifischen Röntgentargetleistungen von 1 W/μm erzeugt werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Röntgentarget und ein Verfahren zu Erzeugung einer Röntgenstrahlung zu schaffen, welches es ermöglicht, die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung auftretende Restwärme besser als bei herkömmlichen Vorrichtungen oder Verfahren abzuführen.
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Dadurch kann die erzielbare Strahlungsleistung gesteigert werden, und es ermöglicht werden die Brennfleckgröße zu minimieren und damit das Ortauflösungsvermögen eines bildgebenden Röntgensystem erhöht bzw. eine verlängerte, ununterbrochene Betriebszeit einer Röntgenröhre ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Röntgentarget gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 16.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Röntgentarget mit einem Targetmaterial und einem Trägermaterial, wobei das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material als Schaumkühlkörper zur Steigerung der erzielbaren Röntgenstrahlungsleistung durch verbesserte Wärmeabfuhr dient.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, durch Beschleunigen eines Elektronenstrahls, der auf ein solches Röntgentarget trifft und durch verbesserte Abführung der Restwärme vom Röntgentarget durch Durchleiten eines Kühlmittels durch das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten u. a. den Vorteil, dass die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung entstehende Abwärme effizient abtransportiert werden kann, wodurch es ermöglicht wird die Brennfleckgröße der auftreffenden Elektronen zu minimieren und damit das Ortauflösungsvermögen des bildgebenden Röntgensystems und somit die Erkennbarkeit von Objektstrukturen mit kleiner räumlicher Ausdehnung erhöht werden kann. Ferner bieten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass durch die verbesserte Wärmeabfuhr eine größere zulässige Röhrenleistung bei gleicher Brennfleckgröße bzw. ein kleinerer Brennfleck bei gleicher Röhrenleistung oder auch eine verlängerte ununterbrochene Betriebszeit der Röntgenröhre erreicht werden kann.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a ein schematisches Bild eines Röntgentargets mit einem Targermaterial und einem Trägermaterial aus aufgeschäumten Material sowie einem einfallenden Elektronenstrahl und die am Röntgentarget entstehende Röntgenstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1b eine schematische Perspektivansicht eines zylinderförmigen Röntentargets gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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1c eine weitere Perspektivansicht eines Röntgentargets, das als Hohlkörper ausgebildet ist;
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2a die schematische Darstellung einer Röntgenröhre mit einem Röntgentarget, welches als Festanode mit Schaumkühlkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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2b die schematische Darstellung einer Festanode, die in einer Vakuumkammerwand einer Röntgenröhre integriert ist;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhre mit einem Röntgentarget, welches als Festanode mit Schaumkühlkörper und einer alternativ angeordneten Kühlmittelzuführung ausgebildet ist;
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4 eine weitere Röntgenröhre mit einer rotierenden Anode mit Schaumkühlkörper gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines Röntgensystems mit einer Röntgenröhre, einer Einrichtung zum Erzeugen einer Elektronenemission, einer Einrichtung zum Erzeugen einer Hochspannung, einem Kühlmittelkreislauf und einem Pumpsystem, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Flussdiagramm zum Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche, äquivalente Elemente oder Schritte zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
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In 1a ist schematisch ein Röntgentarget 20 mit einem Targetmaterial 2 und einem Trägermaterial 1, das aus einem aufgeschäumten Material besteht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Röntgentarget 20 kann in einer evakuierten Röntgenröhre (nicht gezeigt) angeordnet sein, wobei Elektronen 11 aus einer Elektronenquelle 8 auf das Targetmaterial 2 des Röntgentargets 20 beschleunigt werden. Die kinetische Energie der Elektronen wird bei ihrem Auftreffen auf das Targetmaterial zu einem geringen Anteil von ungefähr einem Prozent in Röntgenstrahlung umgewandelt und der Rest der kinetischen Energie wird in Wärme umgewandelt. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Targetmaterial 2 werden diese absorbiert bzw. abgebremst, wodurch die sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung und die Röntgenbremsstrahlung erzeugt werden. Die charakteristische Röntgenstrahlung entspricht diskreten Quantenenergien bzw. Wellenlängen, die materialtypisch sind und vom gewählten Targetmaterial 2 abhängen. Die Energie der Röntgenstrahlung entspricht dabei der Differenz der Bindungsenergie von Elektronen aus den inneren Schalen aus dem atomaren Aufbau des Targetmaterials. Die Röntgenbremsstrahlung entsteht durch die Abbremsung der Elektronen beim Durchlaufen des Targetmaterials. Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung hängt dabei vom Wert der Beschleunigung bzw. Abbremsung ab und ist im Gegensatz zur charakteristischen Röntgenstrahlung kontinuierlich verteilt.
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Bei dem Röntgentarget 20 kann es sich um ein sogenanntes Reflexionsröntgentarget handeln, bei dem der beschleunigte Elektronenstrahl 11 unter einem bestimmten Einstrahlwinkel auf das Röntgentarget einwirkt. Die genutzte Röntgenstrahlung wird dann von derselben Röntgentargetseite unter Beachtung eines entsprechenden Ausfallwinkels abgenommen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel (1a) handelt es sich um ein Reflexionstarget, wobei das Targetmaterial 2, z. B. materialschlüssig direkt oder mit Hilfe eines Wärmeleitmaterials mit dem Trägermateriall verbunden ist. Es ist z. B. auch möglich das Targetmaterial über ein spezielles Lot auf eine Wärmekontaktstelle 22 (1b) des Trägermaterials 1 aus aufgeschäumten Material aufzubringen. Das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material kann also als Kühlkörper bzw. als Schaumkühlkörper dienen, weshalb diese Begriffe im Folgenden mit dem gleichen Bezugszeichen 1 versehen werden. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Kühlkörper 1 aus offenporigem, aber zu der Wärmekontaktstelle 22 für das Targetmaterial 2 und zur Außenseite des Kühlkörpers hin gasdicht bzw. fluiddicht geschlossenem Schaum aus einem gut wärmeleitenden Material, wie z. B. Kupfer-, Aluminium- oder anderer Metallschaum oder auch Keramikschaum, bestehen. Das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material kann einen Körper formen der eine mittlere Dichte aufweist, die mindestens dreimal, also z. B. fünfmal, kleiner ist als die mittlere Dichte des massiven Trägermaterials. Ein Schaumkühlkörper aus Aluminiumschaum kann also beispielsweise eine 10-mal kleinere mittlere Dichte aufweisen als ein massiver, vom Volumen identischer Aluminiumkörper. Dieses Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material bzw. der Schaum kann nun direkt von einem flüssigen oder gasförmigen, also einem fluiden Kühlmittel durchströmt werden. Hierfür kann der Kühlkörper 1 bzw. das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material gasdichte bzw. fluiddichte seitliche Zu- und Abführungen für das Kühlmittel bzw. Fluid aufweisen. Durch die große innere Berührungsfläche zwischen dem Schaum bzw. dem Trägermaterial aus aufgeschäumten Material aus wärmeleitenden Material und dem Kühlmittel, sowie durch die innere Verwirbelung des Kühlmaterials durch die Porenstege des Schaums, wird ein verbesserter Wärmeabfluss im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen erreicht und dadurch eine Erhöhung der erzielbaren Röntgenstrahlungsleistung ermöglicht. Das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material, z. B. Metallschaum oder Keramikschaum, besitzt eine Vielzahl von Poren und Hohlräumen, die eine große Oberfläche für einen effizienten Wärmeabtransport vom Targetmaterial 2 zur Verfügung stellen. Zudem wird beim Durchströmen des Trägermaterials 1 aus aufgeschäumten Material mit dem Kühlmittel durch die innere Verwirbelung des Kühlmittels an den vielen Porenstegen des aufgeschäumten Materials ebenfalls ein verbesserter Wärmeabfluss erreicht.
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Das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material kann beispielsweise Kupfer, Zink, Blei, Stahl/Eisen, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder andere Metalllegierungen aufweisen. Das Trägermaterial kann eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen um die anfallende Restwärme bei der Röntgenstrahlungserzeugung effektiv und schnell über den Kühlkörper 1 verteilen und abführen zu können.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, kann das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material bzw. der Kühlkörper 1 zu seiner Außenseite hin fluiddicht geschlossen sein. Mit anderen Worten kann das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material eine fluiddichte Außenoberfläche 1c aufweisen. In Ausführungsbeispielen der vorliegen Erfindung kann diese fluiddichte Außenoberfläche 1c aus demselben Material bestehen, wie das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material. D. h., der Kühlkörper kann nach außen hin fluiddicht abgeschlossen sein und im Inneren eine schaumartige, mit vielen Poren und Hohlräumen versehene Struktur aufweisen. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die fluiddichte Außenoberfläche 1c aus einem anderen Material bestehen als das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material. Über die geschlossene fludidichte Außenoberfläche, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist kann sich die vom Targetmaterial 2 abzutransportierende Wärme gut über den gesamten Kühlkörper 1 verteilen und im Inneren durch die große Oberfläche der Poren und Stege und der inneren Verwirbelung des Kühlmittels an den Porenstegen effektiv abtransportiert werden.
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In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Targetmaterial 2 dem Trägermaterial aus aufgeschäumten Material entsprechen. Beispielsweise ist es denkbar, dass das Trägermaterial Wolfram ist und dementsprechend Wolframschaum den Kühlkörper 1 bildet und gleichzeitig das Targetmaterial 2 ebenfalls aus Wolfram besteht. Das Targetmaterial 2 kann dann direkt oder aber auch mit Hilfe eines speziellen Lots oder eines Wärmeleitmaterials mit dem Wolframschaum verbunden sein. Das Röntgentarget 20 kann ein Targetmaterial 2 aufweisen, welches beispielsweise eines der Elemente Kupfer, Molybdän, Rhodium, Palladium, Silber, Cadmium, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Quecksilber, Thallium, Blei oder Bismut aufweist. Dementsprechend ist es auch denkbar, dass in alternativen Ausführungsbeispielen das Röntgentarget aus einem dieser Metalle und einem entsprechenden Metallschaum aus diesen Metallen besteht. Das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material kann also elektrisch leitfähig sein, es kann sich bei dem Trägermaterial aus aufgeschäumten Material um ein Metall handeln oder eine Metalllegierung, denkbar ist aber z. B. auch der Einsatz von aufgeschäumten Material aus Keramik. Falls das Trägermaterial aus einem nicht leitfähigen oder isolierenden Material, wie z. B. Keramik besteht, kann das Targetmaterial einen elektrisch leitfähigen (Anoden-)Anschluss aufweisen. Das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, um so die am Targetmaterial 2 entstehende Abwärme effektiv abtransportieren zu können und so mit Hilfe des Schaumkühlkörpers zur Steigerung der erzielbaren Röntgenstrahlungsleistung durch eine verbesserte Wärmeabfuhr beizutragen.
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Das Röntgentarget 20 kann in einigen Ausführungsbeispielen so ausgebildet sein, dass die fluiddichte Außenoberfläche 1c zumindest eine erste Öffnung 1a für eine Kühlmittelzuführung und eine zweite Öffnung 1b für eine Kühlmittelabführung aufweist. Im Betriebsfall eines Röntgensystems bzw. einer Röntgenröhre mit dem erfindungsgemäßen Röntgentarget kann dann ein Kühlmittel oder Fluid durch die erste Öffnung in den Kühlkörper gepumpt bzw. gedrückt werden und das durch die Restwärme bei der Röntgenstrahlerzeugung erwärmte Kühlmittel oder Fluid kann aus der zweiten Öffnung des Kühlkörpers 1 wieder austreten.
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In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material einen Körper bilden bzw. einen Kühlkörper bilden, der die Form eines Zylinders (1b), eines Ovals oder eines Diskus aufweist. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material jedoch auch eine andere körperliche Gestalt annehmen also einen anders geformten Körper aufweisen. Der Kühlkörper 1 bzw. das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material kann z. B. auch als Hohlkörper ausgebildet sein (1c), wobei der Hohlkörper eine fluiddichte Außenoberfläche 1c und eine fluiddichte Innenoberfläche 1d aufweist und das Kühlmittel nur durch den Wandbereich des Hohlzylinders, also dem Bereich zwischen der fluidichten Außenoberfläche 1c und der fluiddichten Innenoberfläche 1d, strömt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material ebenfalls als Hohlkörper ausgebildet sein, wobei der Hohlkörper nur eine fluiddichte Außenoberfläche besitzt und das Kühlmittel den gesamten Querschnitt D des Hohlkörpers der als Kühlkörper dient, durchströmt. Der Kühlkörper 1 bzw. das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material kann beispielsweise einen Durchmesser D zwischen 5 mm und 200 mm oder beispielsweise auch zwischen 10 mm und 150 mm aufweisen. Die Länge L des Schaumkühlkörpers 1 kann beispielsweise bis 200 mm sein, also z. B. ungefähr 40 mm, oder aber auch eine noch größere Länge L haben. Die Porendichte des Schaumkühlkörpers kann entsprechend zur Durchflussgeschwindigkeit eines Kühlmittels gewählt werden. D. h., die Porendichte kann den jeweiligen Anforderungen an den Wärmeabtransport mittels des Kühlmittels angepasst werden.
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2a zeigt die schematische Darstellung einer Röntgenröhre 50 mit einer Elektronenquelle 8 und einem Röntgentarget 20, wie es oben beschrieben wurde. In diesem Ausführungsbeispiel kann es sich bei der Elektronenquelle beispielsweise um eine Glühkathode handeln, die durch elektrischen Stromfluss auf Temperaturen aufgeheizt wird, die zu einer thermischen Emission von Elektronen aus dem Metall führen. Durch Anlegen einer positiven (Hoch-)Spannung an das Röntgentarget, das auch als Anode bezeichnet wird, und einer negativen (Hoch-)Spannung an die Glühkathode werden die Elektronen auf das Röntgentarget hinbeschleunigt. Die Röntgenröhre ist dabei evakuiert, weist also ein Vakuum auf. In anderen Ausführungsbeispielen für die Röntgenröhre kann die Elektronenquelle beispielsweise die Elektronen durch Feldemission freisetzen, und die freigesetzten Elektronen können mittels einer Elektronenfokussiereinrichtung 28 gebündelt werden und auf das Röntgentarget beschleunigt werden.
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Das Röntgentarget 20 weist wiederum ein Targetmaterial 2 und ein Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material auf. Wie in 2a gezeigt ist, kann das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material einen zylindrischen Körper formen. Das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material kann eine fluiddichte Außenoberfläche 1c aufweisen, wobei die fluiddichte Außenoberfläche eine erste Öffnung 1a für die Kühlmittelzuführung 6 und eine zweite Öffnung 1b für die Kühlmittelabführung 7 aufweist. Die Röntgenröhre 50 kann ein Gehäuse 10 oder eine Vakuumkammer 10 aufweisen, welches gasdichte bzw. fluididchte Durchführungen 12 für die Kühlmittelzuführung zu dem Röntgentarget und für die Kühlmittelabführung von dem Röntgentarget besitzt. Die auf das Röntgentarget 20 beschleunigten Elektronen 11 treffen das Targetmaterial 2 in einem Bereich, der Brennfleck 3 genannt wird. Wie oben bereits beschrieben, ist die Minimierung der Brennfleckgröße einer Röntgenquelle von großer Bedeutung für das Ortauflösungsvermögen des bildgebenden Systems und somit für die Erkennbarkeit von Objektstrukturen mit kleiner räumlicher Ausdehnung. Das Gehäuse 10 bzw. die Umhüllung der Röntgenröhre mit dem innenseitigen Vakuum weist zudem ein Strahlenaustrittsfenster 9 auf, durch das die Röntgenstrahlung aus der Röntgenröhre austreten kann um für ihren jeweiligen Anwendungszweck eingesetzt zu werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann das Röntgentarget 20 ein festes Targetfeld 2 aufweisen, das auf dem Kühlkörper 1 aufgebracht ist. Die Form des Kühlkörpers 1 kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, zylindrisch sein. Bei dem Röntgentarget, das als Anode ausgebildet ist kann es sich um eine sogenannte Festanode mit Schaumkühlkörper handeln. D. h., die Anode mit dem Targetmaterial 2 ist ortsfest in der Röntgenröhre 50 angebracht. Wie in 2a schematisch dargestellt ist, kann ein kaltes Kühlmittel 6 durch die erste Öffnung 1a der Außenoberfläche 1c des Trägermaterials 1 aus aufgeschäumten Material strömen und nachdem es in effektiver Weise durch die große innere Berührungsfläche mit dem Trägermaterial aus aufgeschäumten Material die Restwärme aus der Erzeugung von Röntgenstrahlung von dem Targetmaterial 2 absorbiert bzw. aufgenommen hat, mit einer höheren Temperatur oder als warmes Kühlmittel 7 aus der zweiten Öffnung 1b des Kühlkörpers 1 austreten. Aufgrund der fluiddichten Durchführungen 12 ist das Vakuum in der Röntgenröhre gewährleistet.
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Eine Röntgenröhre 50 kann also gemäß einiger Ausführungsbeispiele eine Elektronenquelle 8, ein als Ziel für einen durch die Elektronenquelle 8 gespeisten Elektronenstrahl 11 dienendes Röntgentarget 20 und einen Kühlmitteldurchleiter zum Durchleiten eines Kühlmittels durch das aufgeschäumte Material des Trägermaterials 1 aufweisen. Ferner kann die Röntgenröhre eine Vakuumkammer 10 aufweisen, in der die Elektronenquelle 8 und das Röntgentarget 20 angeordnet sind und Zuführungen 12 und Abführungen 12 zum Zuführen und zum Abführen des Kühlmittels von außerhalb der Vakuumkammer 10 zu dem Röntgentarget 20 und von dem Röntgentarget 20 nach außerhalb der Vakuumkammer 10. Ferner kann die Röntgenröhre eine Einrichtung 28 bzw. Mittel zum Fokussieren der Elektronen aufweisen.
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In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Röntgentarget 20 so ausgebildet sein, dass das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material einen Körper bildet, den Kühlkörper 1, wobei in diesem Kühlkörper ein Kühlmittelstromführungselement 13 angeordnet ist, welches ausgebildet ist, die Richtung einer Strömung eines fluidischen Kühlmittels in dem Kühlkörper zu lenken. D. h., der Kühlkörper 1 kann ein Kühlmittelstromführungselement 13 aufweisen, um ein Kühlmittel, das beispielsweise über die erste Öffnung 1a zugeführt wird, so innerhalb des Kühlkörpers 1 zu lenken, das eine gute Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel ermöglicht werden kann. Beispielsweise kann, wie in 2a angedeutet ist, ein Kühlmittelstromführungselement 13 ein einströmendes Kühlmittel 6 an die Außenflächen des Kühlkörpers 1 zu dem Targetmaterial 2 hinlenken, um so einen effektiveren Wärmeabtransport der Restwärme zu ermöglichen. Bei dem Kühlmittelstromführungselement 13 kann es sich um ein in den Schaum bzw. die Poren des Kühlkörpers eingelassenes Element, welches z. B. aus Blech oder anderen Metallformteilen zur Strömungsführung gebildet sein kann, handeln. Die Strömung kann dann beispielsweise mit Hilfe dieses Kühlmittelstromführungselementes in Richtung der Targetspur bzw. des Targetfeldes 2 gelenkt werden. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn die Kühlmittelzufuhr- bzw. die Kühlmittelabfuhrvorrichtung einen anderen Durchmesser als der Schaumkühlkörper hat.
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In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besitzt das Trägermaterial 1 eine Außenoberfläche 1c mit einem fluiddichten Teil und einem fluiddurchlässigen Teil 1a, 1b. Ferner ist in dem aufgeschäumten Material des Trägermaterials 1 ein fluiddichtes Kühlmittel-Stromführungselement 13 so eingebettet, dass ein kürzester Weg für ein Kühlmittel von einem ersten Punkt des fluiddurchlässigen Teil zu einem zweiten Punkt des fluiddurchlässigen Teils durch das fluiddichte Kühlmittel-Stromführungselement so verlängert wird, dass der Weg näher an dem Targetmaterial 2 vorbeiführt. D. h., das Kühlmittel-Stromführungselement 13 ist so ausgebildet und in dem Schaumkühlkörper so angeordnet, dass ein Kühlmittel oder ein Fluid näher an das Targetmaterial 2, in dem die abzuführende Restwärme beim Betrieb der Röntgenröhre entsteht, herangeführt wird, um so einen besseren Wärmabtransport zu ermöglichen.
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In 2b ist eine schematische Darstellung eines Röntgentargets 20 in einer Vakuumkammer 10 mit Elektronenquelle 8 gezeigt. Demnach ist es auch denkbar, dass das Röntgentarget nicht vollständig in der Vakuumkammer 10 der Röntgenröhre angeordnet ist, sondern wie in 2b angedeutet ist nur das Targetmaterial 2. Das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht in der Vakuumkammer der Röntgenröhre 50 angeordnet. Es ist daher denkbar, dass das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material in diesem Ausführungsbeispiel keine fluiddichte Außenoberfläche benötigt und das Targetmaterial 2 in einer Vakuumkammerwand der Vakuumkammer 10 so eingebaut ist, dass das Vakuum in der Vakuumkammer aufrecht erhalten werden kann, die Vakuumkammer also gasdicht bzw. fluiddicht verschlossen ist.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhre 50 mit einer Elektronenquelle 8 und einem Röntgentarget 20 mit einem Targetmaterial 2 und einem Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material mit einer fluiddichten Außenoberfläche 1c gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel in 3 weist die Festanode 2 mit Schaumkühlkörper 1 eine alternativ angeordnete Kühlmittelzuführung 6 und Kühlmittelabführung 7 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kühlmittelzuführung bzw. Kühlmittelabführung nebeneinander angeordnet. Die Röntgenröhre 50 weist wiederum ein Strahlenaustrittsfenster 9 für eine Röntgenstrahlung 5 auf, die beim Auftreffen der Elektronen 11 in dem Targetmaterial 2 auftritt. Der Ort, an dem die Elektronen 11 auf das Targetmaterial 2 auftreffen, wird auch als Brennfleck 3 bezeichnet. Die Röntgenröhre 50 kann außerdem fluiddichte Durchführungen 12 für die Kühlmittelzuführung zu dem Röntgentarget und für die Kühlmittelabführung von dem Röntgentarget aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel in 3 weist das Röntgentarget bzw. der Kühlkörper eine Trennwand 14 auf, die als Kühlmittelstromführungselement 13 für das einströmende kalte Kühlmittel und das ausströmende wärmere Kühlmittel dient.
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Wie in der 4 dargestellt ist, kann das Röntgentarget 20 auch als rotierende Anode 2 mit Schaumkühlkörper 1 ausgebildet sein. Die Funktionsweise der übrigen Elemente wurde bereits oben beschrieben, weshalb sie hier nicht noch einmal beschrieben werden sollen. Die Röntgenröhre 50 weist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch ein Röntgentarget 20 auf, welches als drehbares Röntgentarget 20 ausgebildet ist, also als rotierende Anode. Der Kühlkörper 1, der beispielsweise aus Metallschaum ausgebildet ist, kann z. B. die Form eines Zylinders, eines Ovals oder eines Diskus annehmen, der von einem ringförmigen Targetstreifen 2a umgeben ist. Der Targetstreifen 2a besteht aus Targetmaterial 2. Während des Betriebes der Röntgenröhre 50 kann sich der Kühlkörper um seine Längsachse drehen 4. Dadurch wird die Einwirkung des Brennflecks 3 auf eine größere Fläche als bei einer nicht-rotierenden Anode, nämlich auf die Fläche des Targetstreifens 2a verteilt. Die dem Brennfleck 3 jeweils abgewandten Teile des Targetstreifens 2a können in dieser Zeit effektiv durch ein Kühlmittel, welches durch den Kühlkörper 1 strömt, abgekühlt, also auf eine niedrigere Temperatur gebracht werden. Im Falle der beweglichen, drehbaren Anode 20 können der fluiddichte Auslass bzw. die fluiddichten Durchführungen 12 durch eine Hohlwellen-Drehdurchführung mit Magnetflüssigkeitsdichtung realisiert werden. Der zur Drehung der Anode bzw. zur Drehung des Röntgentargets nötige Drehantrieb kann in diesem Fall ebenfalls außerhalb des Röntgenröhrengehäuses 10 ausgeführt werden (nicht gezeigt in 3).
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In einigen Ausführungsbeispielen ist das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material als rotationssymmetrischer Körper mit einer Rotationsachse ausgebildet, wobei das Targetmaterial 2 in Form eines ringförmigen Targetstreifens 2a an einer Außenoberfläche des rotationssysmmetrischen Körpers angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 5 ein Röntgensystem 100 gezeigt. Das Röntgensystem 100 weist eine Röntgenröhre 50, wie sie beispielsweise oben beschrieben wurde, auf. D. h., die Röntgenröhre kann u. a. ein Röntgentarget 20 aufweisen, bei dem das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material eine fluiddichte Außenoberfläche 1c aufweist und bei dem die fluiddichte Außenoberfläche eine erste Öffnung 1a für die Kühlmittelzuführung 6 und eine zweite Öffnung 1b für eine Kühlmittelabführung 7 aufweist, und wobei eine Elektronenquelle 8, eine Einrichtung 28 zum Fokussieren der Elektronen und das Röntgentarget 20 in einem evakuierten Gehäuse 10, der Vakuumkammer, mit fluiddichten Durchführungen 12 für die Kühlmittelzuführung 6 zu dem Röntgentarget 20 und für die Kühlmittelabführung 7 von dem Röntgentarget 20 angeordnet ist. Das Röntgentarget 20 kann, wie es oben beschrieben wurde, ein Targetmaterial 2 und ein Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material aufweisen. Durch dieses Röntgentarget kann eine effektive Abführung der Restwärme bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung ermöglicht werden. Das Röntgensystem 100 kann ferner eine Einrichtung 21 zum Erzeugen einer Elektronenemission in der Röntgenröhre 50 aufweisen. Die Einrichtung 21 zum Erzeugen einer Elektronenemission kann beispielsweise eine Stromquelle sein, die die Elektronenquelle 8, die als Glühkathode ausgebildet sein kann, so stark erwärmt, dass thermische Elektronen ins Vakuum der Röntgenröhre 50 austreten. Diese Elektronen können dann mit einer Einrichtung 23 zum Erzeugen einer Hochspannung, die zwischen der Elektronenquelle 8 und dem Röntgentarget 20 anlegbar ist, auf das Targetmaterial 2 des Röntgentargets 20 beschleunigt werden. Die auf das Targetmaterial 2 auftreffenden beschleunigten Elektronen werden abgebremst und erzeugen dabei eine entsprechende Röntgenstrahlung 5. Die Abwärme die dabei frei wird kann durch das Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material, mit dem sich das Targetmaterial in guter wärmeleitender Verbindung befindet, effektiv abgeführt werden. Diese effektive Wärmeabfuhr kann, wie oben bereits beschrieben wurde, durch die große innere Oberfläche bzw. Berührungsfläche mit dem Kühlmittel und durch die innere Verwirbelungen des Kühlmittels an den Porenstegen des Kühlkörpers 1 aus aufgeschäumten Material erreicht werden. Das Röntgensystem 100 kann dazu einen Kühlmittelkreislauf 25 aufweisen, der über die fluiddichten Durchführungen 12 Kühlmittel für das Röntgentarget liefern kann und das im Betrieb erwärmte Kühlmittel wieder vom Röntgentarget abführen kann. Das in dem Kühlmittelkreislauf befindliche Kühlmittel kann dann mit Hilfe eines Pumpsystems 27 des Röntgensystems 100 durch den Kühlmittelkreislauf gepumpt werden, so dass eine effektive Abführung der anfallenden Restwärme bei der Röntgenstrahlenerzeugung erreicht werden kann. Das Pumpsystem kann also außerhalb des Vakuums für die Umwälzung des Kühlmittels sorgen.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann das Röntgensystem ferner eine Einrichtung 29 aufweisen, die mit dem Kühlmittelkreislauf 25 so gekoppelt ist, dass das durch den Betrieb des Röntgensystem erwärmte Kühlmittel 7 nach dem Durchgang durch den Kühlkörper 1 wieder abgekühlt wird. Die Einrichtung 29 kann also so ausgebildet sein, um das erwärmte Kühlmittel wieder auf eine vorbestimmte tiefere Temperatur abzukühlen, so dass das abgekühlte Kühlmittel wieder als „kaltes” Kühlmittel 6, durch das Pumpsystem oder durch andere Einrichtungen angetrieben, den Kühlkörper 1 erneut durchströmen kann. Eine Sekundär-Kühlmaßnahme kann also für die Abkühlung des erwärmten Kühlmittels sorgen.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann, wie oben bereits beschrieben, das Röntgentarget 20 als drehbares Röntgentarget bzw. als rotierende Anode, ausgebildet sein. Dementsprechend kann ein Röntgensystem 100 eine Einrichtung 31 aufweisen, die ausgebildet ist, um das Röntgentarget mit Targetspur 2a zu drehen, um so die Einwirkung des Brennflecks auf eine größere Targetmaterialfläche zu verteilen. Die dem Brennfleck jeweils abgewandten Teile des Röntgentargetstreifens 2a können in dieser Zeit durch das Kühlmittel abgekühlt werden. Ein Röntgensystem 100 kann natürlich, was in der 5 nicht gezeigt ist, entsprechende Computer mit entsprechender Software zur Steuerung, beispielsweise der Einrichtung zum Erzeugen der Elektronenemission 21, der Einrichtung zum Erzeugen einer Hochspannung 23, zum Steuern des Pumpsystems für den Kühlmittelkreislauf 25 bzw. falls vorhanden, für den Drehantrieb 31 aufweisen. Des Weiteren kann ein Röntgensystem natürlich auch die entsprechenden bildgebenden Systeme aufweisen (nicht gezeigt in 5), um die durch das Strahlenaustrittsfenster 9 austretende und ein Objekt durchdringende Röntgenstrahlung sichtbar zu machen.
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Das Röntgentarget 20 kann in Röntgenröhren mit einem typischen Röntgenenergiebereich bis 450 kV Beschleunigungsspannung eingesetzt werden.
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In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Durchmesser D des Schaumkühlkörpers 1 bzw. des Trägermaterials aus aufgeschäumten Material beispielsweise zwischen 10 mm und 150 mm liegen. Die Länge L des Schaumkühlkörpers kann z. B. bis 40 mm lang sein. Die Porendichten des Trägermaterials aus aufgeschäumten Material sollte entsprechend passend zur Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels gewählt werden.
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Der Kühlkörper 1 aus dem aufgeschäumten Material kann als vollständig ausgefüllter Kühl- bzw. Schaumkühlkörper oder auch als Hohlkörper, z. B. als Hohlzylinder ausgebildet sein. Im letzteren Fall kann die Wand zum Hohlraum ebenfalls fluiddicht sein. Die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkörper 1 kann in einigen Ausführungsbeispielen beispielsweise 10 mm/s bis 2 m/s betragen. Als Kühlmittel können sowohl flüssige als auch gasförmige Stoffe, also allgemein Fluide benutzt werden. Als Kühlmittel können z. B. Wasser, Öle, Helium, Stickstoff, Luft etc. zum Einsatz kommen.
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Wie in einigen Ausführungsbeispielen gezeigt ist, kann in dem aufgeschäumten Material des Trägermaterials bzw. des Kühlkörpers 1 ein Kühlmittelstromführungselemente angeordnet sein, welches z. B. aus Blech oder einem Metallformteil ausgebildet ist. Durch diese Kühlmittelstromführungselemente kann die Strömung des Kühlmittels beispielsweise in Richtung der Röntgentargetspur 2a (bei rotierenden Targetanoden) bzw. des Targetfeldes 2 gelenkt werden. Dies kann erforderlich sein, wenn die Kühlmittelzuführung- und Abführungsvorrichtung einen anderen Durchmesser als der Schaumkühlkörper 1 aufweist. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Targetmaterial 2 ein Material mit einer hohen Kernladungszahl sein. Beispielsweise kann die Kernladungszahl Z > 20 sein. Materialien, die als Targetmaterial eingesetzt werden können, sind beispielsweise Metalle, wie Wolfram, Molybdän, Gold, Platin, Blei oder Kupfer. Die Dicke des Targetmaterials 2 kann beispielsweise zwischen 10 μm und 2 mm liegen. Wie in einigen Ausführungsbeispielen gezeigt ist, kann die Anode bzw. das Röntgentarget drehbar gelagert sein. Die Drehgeschwindigkeit der beweglichen Anode mit dem Schaumkühlkörper 1 kann in einigen Ausführungsbeispielen zwischen 10 Hz und 300 Hz liegen.
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In alternativen Ausführungsbeispielen für ein Röntgentarget kann die gesamte Röntgentarget-/Kühlkörperkonstruktion, also das Röntgentarget 20 mit dem Targetmaterial 2 und dem Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material aus offenporigen, aber zur Außenseite hin geschlossenem Targetmaterialschaum, z. B. Wolframschaum gefertigt werden.
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In 6 ist in einem Flussdiagramm ein Ausführungsbeispiel zum Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung dargestellt. Demnach kann das Verfahren ein Beschleunigen 110, oder ein Richten eines Elektronenstrahls, der auf ein Röntgentarget mit einem Targetmaterial und einem Trägermaterial aus aufgeschäumten Material trifft und ein Durchleiten 112 eines Kühlmittels durch das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material aufweisen. Durch das Durchleiten des Kühlmittels durch das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material kann die große innere Berührungsfläche des aufgeschäumten Trägermaterials mit dem Kühlmittel ausgenutzt werden, um die Wärme, die bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entsteht, vom Targetmaterial 2 effektiv und in einer verbesserten Weise als bei herkömmlichen Kühlmethoden abzuführen. Ein Grund für diesen verbesserten Wärmeabtransport ist auch in der inneren Verwirbelung des Kühlmittels in dem aufgeschäumten Material und seinen entsprechenden Porenstegen beim durchleiten des Kühlmittels zu sehen. Durch diese innere Verwirbelung des Kühlmittels ist es nun möglich das Kühlmittel in einer extrem effektiven Weise einzusetzen, d. h. schnell und mit einem hohen Wärmeaustauschwirkungsgrad, um die Wärme vom Röntgentarget abzutransportieren.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ein Erzeugen von freien Elektronen in einer evakuierten Röntgenröhre aufweisen. Weiterhin kann das Verfahren ein Fokussieren der Elektronen mittels einer Elektronenfokussierungseinrichtung 28 und ein Beschleunigen der freien Elektronen auf ein Röntgentarget 20 mit einem Targetmaterial 2 und einem Trägermaterial 1 aus aufgeschäumten Material aufweisen. Außerdem kann das Verfahren ein Abbremsen der freien Elektronen zumindest in dem Targetmaterial 2 aufweisen, so dass eine Röntgenstrahlung emittiert wird und ferner ein Abführen der bei der Abbremsung entstehenden Wärme vom Röntgentarget 20 bzw. genauer vom Targetmaterial 2 durch Durchströmen des Trägermaterials 1 aus aufgeschäumten Material mit einem Kühlmittel und durch innere Verwirbelung des Kühlmittels an dem aufgeschäumten Material.
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Das Erzeugen von freien Elektronen in einer evakuierten Röntgenröhre kann beispielsweise durch thermische Emission von Elektronen aus einer Glühkathode in der Röntgenröhre oder durch Feldemission aus einer entsprechenden Kathode erreicht werden. Das Beschleunigen der freien Elektronen auf ein Röntgentarget mit einem Targetmaterial und einem Trägermaterial aus aufgeschäumten Material kann beispielsweise durch Anlegen einer Hochspannung zwischen der oben erwähnten Kathode und dem Röntgentarget, das als Anode dient, erreicht werden. Das Abbremsen der freien Elektronen kann dann so durchgeführt werden, dass es in einem Targetmaterial mit einer entsprechend hohen Kernladungszahl abgebremst wird, so dass eine Röntgenstrahlung emittiert wird. Das Abführen der beim Abbremsen entstehenden Wärme vom Röntgentarget kann so durchgeführt werden, dass das Trägermaterial aus aufgeschäumten Material mit einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei durch die große innere Berührungsfläche des aufgeschäumten Trägermaterials mit dem Kühlmittel ausgenutzt wird, um die Wärme vom Röntgentarget besser als mit herkömmlichen Kühlmethoden, abgeführt werden kann. Dies wird auch die durch die innere Verwirbelung des Kühlmittels in dem aufgeschäumten Material und seinen entsprechenden Porenstegen erreicht.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann es ermöglicht werden, die Brennfleckgröße der auf das Targetmaterial des Röntgentargets auftreffenden Elektronen zu minimieren und gleichzeitig eine maximale Ausbeute an Röntgenquanten zu erzielen. Das Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung kann durch eine verbesserte Wärmeabfuhr vom Targetmaterial eine verlängerte ununterbrochene Betriebeszeit einer Röntgenröhre 50 bzw. eines Röntgensystems 100 ermöglichen. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Röntgentarget 20 eine längere Lebensdauer aufweisen, da eine hitzebedingte Beschädigung des Röntgentargets durch die verbesserte Wärmeabfuhr vermindert bzw. zeitlich verzögert wird. In Ausführungsbeispielen zum Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung kann durch eine höhere Beschleunigung der freien Elektronen, z. B. durch Anlegen einer höheren Beschleunigungsspannung oder durch einen höheren Röhrenstrom als bei vergleichbaren Röntgenssystemen ohne verbesserte Wäremabfuhr, eine größere zulässige Röntgenröhrenleistung bei gleicher Brennfleckgröße bzw. ein kleinerer Brennfleck bei gleicher Röhrenleistung erzielt werden. Dadurch kann eine verbesserte Ortsauflösung von Objektstrukturen erzielt werden und auch eine verlängerte ununterbrochene Betriebszeit der Röntgenröhre erreicht werden, da das Abführen der bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entstehenden Wärme vom Röntgentarget, effizienter als in herkömmlichen Röntgensystemen durchgeführt werden kann.