DE69711653T2

DE69711653T2 - Röntgergenerator

Info

Publication number: DE69711653T2
Application number: DE69711653T
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Arndt; Peter Duncumb; Victor Long
Original assignee: Bede Scientific Instruments Ltd
Current assignee: Bruker Technologies Ltd
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: EP0928496A1; EP0928496B1; ATE215734T1; AU4313197A; US6282263B1; JP4169219B2; GB9620160D0; DE69711653D1; WO1998013853A1; JP2001501023A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Röntgengenerator und insbesondere auf einen Röntgengenerator, der geeignet ist, um eng an eine fokussierende Röntgenvorrichtung gekuppelt zu werden.
Röntgengeneratoren umfassen eine Elektronenkanone, einen Strahlenempfänger und ein Strahlenaustrittsfenster, im Allgemeinen in einer abgedichteten, luftleeren Röntgenröhre. Generatoren des bisherigen Stands der Technik erzeugen Röntgenstrahlen mit einem relativ großen Brennpunkt oder einer relativ großen Brennlinie. Viele Anwendungen erfordern einen präzise parallel gerichteten Röntgenstrahl. Um dies zu erreichen, werden relativ kleine Öffnungen mit dem Generator gekuppelt, um den Strahlendurchmesser und die Strahlendivergenz zu begrenzen, wobei dies jedoch zu einem großen Verlust der Röntgenstrahlenintensität führt.
US-A-3,732,426 offenbart eine Strahlenquelle, die eine Elektronenkanone, eine luftleere und abgedichtete Röntgenröhre, eine Kondensorlinse und einen Astigmator umfasst, wobei die Röntgenröhre einen Strahlenempfänger, der so ausgeführt ist, dass ein Elektronenstrahl auf ihn auftreffen kann, und ein Strahlenaustrittsfenster umfasst.
Bei vielen Anwendungen besteht das wirkungsvollste Verfahren zur Verwendung der von dem Empfänger eines Röntgengenerators emittierten Röntgenstrahlen darin, auf dem Röntgenobjekt eine Abbildung der Strahlenquelle, d. h. des Elektronenfokus auf den Empfänger, zu formen. Bei kristallographischen Anwendungen ist es normalerweise wichtig, dass die Konvergenz oder Divergenz der auf die Probe auffallenden Strahlen klein ist. Um die Strahlenintensität bei der Probe zu maximieren, sollte der Öffnungswinkel an der Quelle so groß wie möglich sein. Die Kombination dieser zwei Anforderungen bedeutet, dass sich die abbildende Optik vergrößern sollte. Die Größe der Probe bestimmt die maximale nützliche Bildgröße (siehe Fig. 3). Fig. 3 zeigt, dass das Verhältnis des Öffnungswinkels α an der Quelle S zum Strahlenkonvergenzwinkel β bei dem Bild I gleich der Vergrößerung des fokussierenden Kollimators oder des fokussierenden Spiegels F ist. Bei der Einkristall-Diffraktometrie beträgt der Durchmesser der Kristallprobe zum Beispiel ungefähr 300 um. Daher sollte die Strahlenquelle viel kleiner als 300 um sein.
Die maximale Leistungsbelastung des Empfängers ist ohne Beschädigung seiner Oberfläche am größten, wenn die Quelle eine Brennlinie bei einem kleinen Take-off-Winkel ist, um eine ungefähr 10- fache Verkürzung zu geben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Röntgengenerator bereitzustellen, der eine Strahlenquelle mit einem Brennpunkt oder einer Brennlinie mit sehr kleinen Dimensionen erzeugt. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Röntgengenerator bereitzustellen, der einen Röntgenstrahl von hoher Intensität an einem relativ kleinen Anwendungspunkt unter Verwendung einer geringeren Antriebsenergie erzeugen kann.
Gemäß der Erfindung wird ein Röntgengenerator gemäß Anspruch 1 bereitgestellt, der eine Elektronenkanone, eine Röntgenröhre, ein Elektronenfokussiermittel und einen Empfänger umfasst, wobei das Elektronenfokussiermittel so angeordnet ist, dass die Strahlenquelle auf dem Empfänger in Größe und/oder Form und/oder Position variiert werden kann.
Die Strahlenquelle auf dem Empfänger kann von einem Punkt mit kleinem Durchmesser zu einer Linie mit geringerer Dicke verändert werden.
Der Generator umfasst ferner ein Strahlenaustrittsfenster, bestehend aus einer Röhre aus einem Material mit einer niedrigen Röntgenstrahlenabsorption, vorzugsweise mit einem kleinen Durchmesser, um das enge Kuppeln der Röntgenfokussiervorrichtungen zu ermöglichen.
Das Elektronenfokussiermittel umfasst ein Elektronenstrahlfokussiermittel, das um die Röntgenröhre herum angebracht ist. Das Elektronenstrahlfokussiermittel kann ein x-y- Ausrichtungssystem zum Zentrieren des Elektronenstrahls in der Röntgenröhre umfassen. Das Elektronenstrahlfokussiermittel kann ferner mindestens eine Elektronenlinse, vorzugsweise eine axial symmetrische oder runde Linse, und mindestes eine Quadrupol- oder Multipollinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf eine Brennlinie umfassen. Die Brennlinie weist vorzugsweise ein Längenverhältnis in dem Bereich zwischen 1 : 1 und 1 : 20 auf.
Die Elektronenstrahllinsen können magnetisch oder elektrostatisch sein und werden vorzugsweise elektronisch gesteuert.
Vorzugsweise weist das Material des Strahlenaustrittsfensters eine hohe mechanische Festigkeit auf und besteht vorzugsweise aus Beryllium. Das Strahlenaustrittsfenster kann Teil einer mechanischen Struktur der Röntgenröhre sein und verbindet vorzugsweise die Röntgenröhre mit dem Empfänger.
Vorzugsweise besteht der Empfänger aus Metall, am besten aus einem Metall, das aus der Gruppe Cu, Ag, Mo, Rh, Al, Ti, Cr, Co, Fe, W, Au ausgewählt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Empfänger aus Kupfer. Die Empfängeroberfläche kann so ausgerichtet werden, dass die Ebene der Empfängeroberfläche senkrecht oder in einem Winkel zu der Achse der Röntgenstrahlenröhre liegt.
Der Empfänger kann eine dünne Metallschicht, die auf einem dickeren Substrat aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit abgeladen ist, umfassen. Vorzugsweise ist das Substratmaterial Diamant.
Vorzugsweise umfasst der Generator ferner ein Empfängerkühlmittel. Gemäß einer ersten Ausführungsform kann das Kühlmittel ein Mittel zum Richten eines Fluidstrahls auf den Empfänger umfassen, und zwar auf die Seite, die derjenigen, auf der der Elektronenstrahl auftrifft, gegenüberliegt. Das Fluid ist vorzugsweise Luft oder Wasser. Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann das Kühlmittel ein Mittel zum Bewirken des Wärmetransfers von dem Empfänger durch Leitung oder Konvektion umfassen.
Vorzugsweise umfasst der Generator ferner ein Ausrichtungsmittel, das die Position des Elektronenstrahls auf der Vorderseite des Empfängers räumlich ausrichtet.
Vorzugsweise umfasst der Generator ferner eine Elektronenmaske mit einer Öffnung, die so ausgeführt ist, dass sie den Brennpunkt des Elektronenstrahls ausrichtet.
Die erfindungsgemäße Strahlenquelle ist insbesondere ausgeführt, um mit den fokussierenden Röntgenvorrichtungen eng gekuppelt zu werden. Sie kann einen Brennpunkt oder eine Brennlinie mit sehr kleinen Dimensionen erzeugen und daher den Nutzen der Fokussierverfahren maximieren.
Der Abstand vom Elektronenfokus zum Äußeren des Austrittsfensters ist sehr klein und kann 7 mm oder weniger für einen Reflektionsempfänger oder weniger als 1 mm für einen Folienübertragungsempfänger betragen.
Der erfindungsgemäße Röntgengenerator ist kompakt und stellt eine abgedichtete Röhre bereit.
Der erfindungsgemäße Röntgengenerator benötigt nur wenig Energie aufgrund der Effizienz der Sammlung und anschließenden Beförderung der Röntgenstrahlen zur Probe.
Der Generator erreicht eine hohe Helligkeit, die als Strahlenstärke pro Einheitsbereich pro Steradiant definiert wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, beschrieben, wobei:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Röntgengenerator darstellt;
Fig. 2 ein vergrößertes Detail eines Teils des in Fig. 1 abgebildeten Röntgengenerators darstellt;
Fig. 3 die Beziehung zwischen der Größe einer Strahlenquelle und der Abbildung auf einer Probe darstellt; und
Fig. 4 die Änderung der Strahlenintensität beim Führen des Elektronenstrahls über eine Öffnung vor einem Empfänger darstellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 umfasst der Röntgengenerator 1 eine luftleere und abgedichtete Röntgenröhre 2, die folgende Elemente enthält:
- einer Elektronenkanone 3
- einem Strahlenempfänger 4
- einer Innenelektronenmaske 5
- einem Strahlenfenster 6, bestehend aus einer dünnen Röhre aus einem Material mit einer niedrigen Strahlenabsorption und von hoher mechanischer Festigkeit, wie etwa Beryllium. Dieses Fenster verbindet auch die Röhre 2 mit dem Empfängersystem 12, welches den Empfänger 4 enthält.
Die Röntgenröhre 2 befindet sich in einem Gehäuse 13. Der Generator 1 umfasst auch ein System 7 zum Fokussieren und Steuern des Elektronenstrahls auf den Empfänger, ein Kühlsystem 15, 16, 17 zum Kühlen des Empfängermaterials, kinematische Befestigungsvorrichtungen 9, um ein präzises und wiederholbares Befestigen der Röntgenvorrichtungen zum Fokussieren des Röntgenstrahls zu ermöglichen und Strahlenfokussiervorrichtungen 10 von unterschiedlichen Konfigurationen und Verfahren. Die Röntgenspiegel 10 werden in vorher ausgerichteten Einheiten geliefert, so dass ein Wiederausrichten nachdem Austausch nicht mehr nötig ist.
Die Röntgenröhre 2 erzeugt einen gut fokussierten Strahl von Elektronen, der auf das Empfängermaterial 4 auftrifft. Der Elektronenstrahl kann zu einem Brennpunkt oder einer Brennlinie fokussiert werden und die Dimensionen des Punkts und der Linie wie auch dessen/deren Position können elektronisch verändert werden. Es kann ein Brennpunkt mit einem Durchmesser in dem Bereich zwischen 1 und 100 um, im Allgemeinen mindestens 5 um, erreicht werden. Andernfalls kann eine Brennlinie mit einer ähnlichen Dicke, mit einem Längen-Breiten-Verhältnis von bis zu 20 : 1, erreicht werden.
Eine Elektronenstrahlmaske 5 aus Metall (z.B. Wolfram) in der Form einer internen Elektronenstrahlöffnung 11 mit geeigneten Dimensionen, wie etwa einem rechteckigen Schlitz für die Brennlinie, kann mit geeignetem Feedback und Steuerungsmechanismen zum automatischen Ausrichten des Brennpunkts und zum Beibehalten seiner Position auf dem Empfänger, zum Beispiel mittels Führen des Elektronenstrahls über die Öffnung 11 und Messen der entstehenden Strahlenintensität, verwendet werden.
Der Elektronenstrahl wird mittels einer Elektronenkanone 3, die aus einer Wehnelt-Elektrode und -Katode besteht, erzeugt. Die Katode kann folgendes sein:
- ein Glühfaden aus Wolfram oder einer Legierung, zum Beispiel Wolfram-Rhenium, die haarnadelförmig oder heftklammerförmig ist; oder
- eine indirekt geheizte, aktivierte Vorratskatode, die flach ist oder anders geformt, wie etwa ein Stab mit einem gewölbten Ende.
Die Vorratskatode hat den Vorteil einer längeren Lebensdauer und einer höheren mechanischen Festigkeit. Die Vorratskatode hat mit der flachen Oberfläche den weiteren Vorteil, dass lediglich ein ungefährer Grad an Ausrichtung in der Wehnelt-Elektrode erforderlich ist.
Eine primäre Fokussierung wird durch die Positionierung der Anode in einem geeigneten Abstand zu der Elektronenkanone erreicht.
Zum Formen des Austrittsfensters 6 für die austretenden Röntgenstrahlen wird eine dünne Röhre aus einem Material mit niedriger Strahlenabsorption aber hoher mechanischer Festigkeit und Stabilität, z.B. Beryllium, verwendet. Die Röhre muss gute Vakuum- Abdichtungsmerkmale aufweisen. Diese Röhre bildet auch die mechanische Verbindung zwischen der Röntgenröhre 2 und dem Empfängersystem 12. Ein solches System spart Platz und Komplexität beim Bilden von Strahlenfenstern.
Der Elektronenstrahl von der Kanone wird im verlängerten Abschnitt der Röntgenröhre 2 durch eine Zentrierspule 14 oder einen Satz Quadrupollinsen, die den verlängerten Abschnitt der Röntgenröhre 2 umgeben, zentriert. Andernfalls kann er durch Multipollinsen zentriert werden. Der Elektronenstrahl wird auf einen Punkt mit variierendem Durchmesser fokussiert. Das Fokussieren auf einen Durchmesser von weniger als 5 um oder mehr kann mittels einer axialen Linse 7 erreicht werden, welche eine Quadrupol-, Multipol- oder Solenoid-Linse sein kann.
Der Brennpunkt kann in eine Brennlinie durch einen weiteren Satz Quadrupol- oder Multipollinsen geändert werden. Linien mit einem Längenverhältnis, das größer als 10 : 1 ist, sind möglich. Eine Brennlinie verteilt die Ladung über den Empfänger. Wenn sie von einem geeigneten Winkel her betrachtet wird, erscheint die Linie als Punkt.
Linsen sind vorzugsweise magnetisch, können aber elektrostatisch sein. Alle Linsen sind elektronisch gesteuert, wobei ein automatisches und fortlaufendes Ausrichten und Scannen des Brennpunkts ermöglicht wird. Der Übergang vom Punkt zur Linie erfolgt ebenfalls automatisch, sowie die Änderung des Strahlendurchmessers.
Der Empfänger 4 besteht aus einem Metall wie etwa Cu, aber er kann auch aus einem anderen Metall bestehen, je nach Wellenlänge der erforderlichen charakteristischen Strahlung, zum Beispiel Ag, Mo, Al, Ti, Rh, Cr, Co, Fe, W oder Au. Der Empfänger 4 liegt entweder senkrecht zum auftreffenden Elektronenstrahl oder kann geneigt sein, um die Absorption der emittierten Röntgenstrahlen zu senken.
Der Empfänger wird durch eines der folgenden gekühlt;
- einen Strahl Kühlmedium (Wasser, Luft oder ein anderes Fluid), der durch die Kühldüse 15 auf der Rückseite des Empfängerbereichs gerichtet wird; oder
- geleiteten oder konvektiven Wärmetransfer von der Rückseite des Empfängers 4.
Das Kühlmedium wird durch einen Einlass 16 und einen Auslass 17 zirkuliert.
Eine Erhöhung der Kühlleistungswirkung (und daher eine Erhöhung der zulässigen Empfängerladung) kann durch das Verwenden eines dünnen Metallfilms als Empfängermaterial, das auf einem dickeren Substrat aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. Diamant) abgelegt ist, erreicht werden. Der Empfänger könnte einen dünnen Feststoff aus einem einzigen Material umfassen oder er könnte mit einem anderen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit laminiert sein. Diese Empfänger können mit unterschiedlichen Kühlformen verwendet werden, wie etwa solchen, die hohen oder niedrigen Wasserdruck oder erzwungene oder natürliche Konvektion anwenden.
Folienübertragung wie Reflektionsempfänger können als Empfänger 4 verwendet werden.
Integrierte mechanische Verschlüsse 18 sind zwischen dem Fenster 6 und den Strahlen-Fokussierelementen 10 angeordnet, um den auftretenden Röntgenstrahl zu blockieren.
Die Anordnung des Verschlusses 18 vor den Fokussierelementen 10 schützt die Oberfläche des Spiegels vor erhöhtem Strahlungsschaden. Ein kompakter Röntgendetektor kann eingeschlossen werden, um die Position des Elektronenenbrennpunkts zu überwachen und fortlaufend zu optimieren. Dieser kann ein kleiner solider Zustandsdetektor oder eine andere Strahlenerfassungsvorrichtung sein.
Das System umfasst eine Strahlen-Fokussiervorrichtung 10, die nahe an der Strahlenquelle angeordnet ist, um ein vergrößertes Bild des Brennpunkts an gesteuerten, unterschiedlichen Abständen von der Quelle bereitzustellen. Folgende sind Möglichkeiten für Strahlen- Fokussiersysteme:
1 Mikrospiegel: Verwenden spiegelndes Reflexionsvermögen von einer goldenen oder ähnlichen Beschichtung mit hoch gesteuerter Glätte (um 1 nm quadratisches Mittel) von einem zirkular · symmetrischen Profil.
- Ellipsoidisches Profil: Ergibt einen fokussierten Strahl von Röntgenstrahlen (gegenwärtig 300 um Durchmesser, 600 mm vom Brennpunkt). Gemessener Einfügungsgewinn von > 150 (könnte 250+ sein). Der Grund für das enge Kuppeln besteht darin, dass ein großer, solider Strahlungswinkel gesammelt werden kann, das Fokussierelement aber auch ein vergrößertes Bild des Brennpunkts auf der Probe (niedrige Strahlendivergenz aber hoher Einfügungsgewinn) bilden kann
- Parabolisches Profil: Ergibt einen fast parallelen Strahl (erwartete Gewinne um 200+)
2 Kirkpatrick-Baez-Typ:
- Gebogene Platten in elliptischen oder parabolischen Kombinationen oder, einer Kombination davon, angeordnet
- Ermöglicht einen einfachen Wechsel von Spiegelprofilen je nach Anwendung
3 Weitere Möglichkeiten:
- Zonenplatten
- Bragg-Fresnel-Optik
- Mehrschichtenoptik
Der Abstand x zwischen dem Fokussierspiegel 10 und der Strahlenquelle auf dem Empfänger 4 ist klein, normalerweise weniger als 20 mm, vorzugsweise um 11 mm, um ein enges Kuppeln zu ermöglichen.

Beispiel

Eine Anzahl Röntgenröhren mit Kupferempfängern und Fokussierkollimatoren wurde gemäß denselben grundlegenden in der untenstehenden Tabelle angegebenen Leistungsdaten konstruiert.

Leistungsdatentabelle

Röntgenröhrenempfänger Kupfer, mittels Wasser oder Umwälzluft gekühlt
Quellengröße 15 um · 150 um aus einer Ansicht von 6º
Gegenwärtige Röhrenstromstärke 0,2 mA bei 30 kV
Strahlenfokussierung Ellipsoidischer Spiegel, Goldoberfläche
Abstand der Strahlenquelle zum Spiegel 11 mm
Solider Öffnungswinkel 8,0 · 10&supmin;&sup4; Steradiant
Strahlenkonvergenz an der Probe 10&supmin;³ Radiant
Die Katode hat eine negative hohe Spannung und die Elektronenkanone besteht aus einem Glühfaden gerade innerhalb der Öffnung eines Wehnelt-Gitters, das bezüglich des Glühfadens negativ vorgespannt ist. Die Elektronen werden in Richtung Anode, die sich in Erdspannung befindet, beschleunigt und gehen durch eine Öffnung dieser Anode und dann durch eine lange Röhre (Röhre 2) in Richtung des Kupfer- Empfängers 4. Ein Elektronen-Bündelknoten ist zwischen den Wehnelt- und Anodenöffnungen geformt und ist auf dem Empfänger durch den Solenoid 7 mit Eisenkern, der die Vakuumröhre umgibt, abgebildet. Der besten Elektronenfokus wird erreicht, wenn der Strahl sehr genau an der Achse des Solenoids entlang führt. Zwei Sätze Strahlenausrichtungsspulen 14, die Eisenkerne aufweisen können, werden auf zwei Ebenen, durch 30 mm getrennt und zwischen der Anode der Elektronenkanone 3 und dem axialen Solenoid 7 befestigt, angewendet, um den Strahl zu zentrieren. Zwischen dem Solenoid 7 und dem Empfänger 4 befindet sich ein eisenfreier Quadrupolmagnet, der insofern als Stigmator 19 dient, als er den zirkulären Querschnitt des Strahls in einen verlängerten umwandelt. Dieser Quadrupol 19 kann um · die Röhrenachse gedreht werden, um die Ausrichtung der Brennlinie einzustellen. Der Strahl kann auf der Empfängeroberläche 4 bewegt werden, indem die Strömungen in den vier Spulen des Quadrupols 19 gesteuert werden.
Bei einer Röhrenleistung unter 2 Watt wird der Folienempfänger lediglich durch Strahlung angemessen gekühlt, bei höheren Leistungen ist jedoch Umluft- oder Wasserkühlung nötig. Die Röhre kann fortlaufend bei 6 Watt betrieben werden, jedoch muss eine maximale Leistung, die zugleich eine niedrige Beschädigung der Empfängeroberfläche 4 verursacht, noch bestimmt werden.
Computersimulationen zeigen, dass die Ladungsgrenze eines wassergekühlten Kupferempfängers und eines Fokus von 15 um · 300 um bei ungefähr 20 Watt liegt. Experimente legen nahe, dass diese Zahl ein wenig verbessert werden kann, indem die Turbulenz im Strom des Kühlmittels erhöht wird. Eine andere Möglichkeit ist das Einbetten einer Materialschicht mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit zwischen eine sehr dünne Kupferempfängerschicht und einen gekühlten Kupferblock. Die eingebettete Schicht kann eine Diamantschicht des Typs II sein und kann zwischen eine 5 um dicke Kupferempfängerschicht und einen wassergekühlten Kupferblock gelegt werden. Der Diamant hat eine bis zu vier mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer und unsere Berechnungen zeigen, dass dessen Verwendung ermöglichen sollte, dass die zulässige Energie-Dissipation ungefähr verdoppelt wird.
Die Elektronenquelle einer Mikrofokus-Röntgenröhre muss eine hohe Helligkeit aufweisen, um Kanonenstromstärken in der Größenordnung von 1 mA zu erzeugen.
Es kann eine indirekt beheizte Katode mit einem Durchmesser von ein paar hundert Mikrometern verwendet werden. Der Strahlenquerschnitt bleibt zirkulär bis der Strahl den Stigmator-Quadrupol erreicht, wo er in eine Linie von 10 um und 30 um Dicke gezogen werden kann und ein Längen-Breiten-Verhältnis von bis zu 20 : 1 aufweisen kann. Eine solche Elektronenquelle konsumiert eine viel niedrigere Glühfadenleistung als die Haarnadel-Wolframglühfäden, die üblicherweise bei leistungsschwachen Anwendungen verwendet werden; da sie bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet, kann sie eine Nutzungsdauer von bis zu mehreren tausend Stunden aufweisen.
Die Röhre wird bei einer gesättigten Bedingung betrieben, bei der der Strom sozusagen unabhängig von der Glühfadentemperatur ist, jedoch von der Vorspannung zwischen dem Glühfaden und der Wehnelt- Elektrode abhängt. Diese Vorspannung ist der potentielle Abfall, der durch die Röhrenstromstärke, welche durch einen hohen Widerstand fließt, erzeugt wird; Diese Art von Selbst-Vorspannung erzeugt eine sehr stabile Röhrenstromstärke, die einfach gesteuert wird, indem der Vorspannungswiderstand variiert wird.
Die elektronenoptische Leistung der Röhren wurde untersucht, indem einige von ihnen mit 20 um dicken Übertragungsempfängern ausgestattet wurden. Dies ermöglichte ein fotografieren des Fokus mittels einer Lochkamera. Der Fokus konnte schnell ermessen werden, indem der vergrößerte, durch ein 200- oder 400- Maschengitter geworfene Schatten betrachtet wurde. Der Elektronenstrahl könnte auch über eine rechteckige Öffnung, direkt vor dem Empfänger befindlich, geführt werden. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 dargestellt, die aufzeigt, wie die Strahlenintensität (in Perioden je Sekunde) mit dem Führen des Elektronenstrahls über die Öffnung vor dem Empfänger, indem die Potentiometerscheibe von 4,2 auf 5,6 Einheiten geändert wird, variiert. Es ist ersichtlich, dass die Intensität einen Höhepunkt von ungefähr 4000 Perioden je Sekunde bei Abständen in dem Bereich von 60 bis 220 Mikrometern erreicht.
Der Einfügungsgewinn der ellipsoidischen Spiegel wurde gemessen. Der Gewinn wurde definiert als das Verhältnis vom CuKα-Röntgenfluß in das Bild der Röntgenstrahlenquelle mit einem Durchmesser von 0,3 mm, die in einem Abstand von 600 mm von der Quelle geformt wird, zu dem Fluß in demselben Bereich ohne den Spiegel. Unter diesen Bedingungen beträgt die Induktionsstörung an der Position der Probe ungefähr 1 Milliradian. Bei den besten Spiegeln betrug der Einfügungsgewinn 110.
Die wie oben erhaltene Strahlenintensität wurde auch mit der beim Fokus eines Standard-Doppel-Franksspiegelsystems, das in einem bei 2 kW betätigten Elliot GX-21 Drehanodenröntgengenerator verwendet wird, verglichen. (Dies ist eine herkömmliche Kombination einer Röntgenröhre und eines Kollimators für die Proteinkristallographie). Wenn die erfindungsgemäße Röhre bei unter 1 Watt betätigt wurde, war die Intensität lediglich 25 mal kleiner als die von der bei einer 2000 mal größeren Leistung betätigten Drehanode. Bei der Röntgenröhre wie bei der Spiegelleistung sind weitere Verbesserungen möglich. Es sollte angemerkt werden, dass der nur auf dem soliden Winkel des an der Quelle gesammelten Strahlungskegels und auf den höchsten gemessenen Werten der Röntgenwiderspiegelbarkeit basierend berechnete Einfügungsgewinn ungefähr fünf mal größer als der bisher erreichte ist.
Diese und weitere Modifizierungen und Verbesserungen können angebracht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Ein Röntgengenerator (1), der eine Elektronenkanone (3), eine Röntgenröhre (2), ein Elektronenfokussiermittel (7) und einen Stigmator (19) umfasst, wobei die Röntgenröhre (2) einen Empfänger (4), der so ausgeführt ist, dass darauf eine Strahlenquelle geformt werden kann, und ein Strahlenaustrittsfenster (6) aus einem Material mit niedriger Röntgenabsorption, umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass:

die Röntgenröhre (2) luftentleert und abgedichtet wird;

der Stigmator (19) zwischen dem Elektronenfokussiermittel (7) und dem Empfänger (4) angeordnet wird;

das Elektronenfokussiermittel außerhalb der Röntgenröhre um einen Abschnitt der Röntgenröhre (2) angeordnet ist und ausgeführt ist, um die Elektronen von der Elektronenkanone (3) zu fokussieren, um eine Strahlenquelle auf dem Empfänger, der einen Brennpunkt oder eine Brennlinie mit einem jeweiligen Durchmesser oder einer jeweiligen Breite von weniger als 100 um aufweist, zu erzeugen; und

das Strahlenaustrittsfenster (6) anliegend an den Empfänger (4) angeordnet ist, um ein enges Kuppeln einer Strahlenfokussiervorrichtung (10) außerhalb der abgedichteten Röntgenröhre (2) anliegend an das Fenster (6) zu ermöglichen.

2. Röntgengenerator gemäß Anspruch 1, wobei das Strahlenaustrittsfenster (6) weniger als 20 mm von dem Zentrum des Empfängers (4) entfernt liegt.

3. Röntgengenerator gemäß Anspruch 1 oder 2, der ferner ein Strahlenfokussiermittel (10), das eng mit dem Empfänger (4) außerhalb der Röntgenröhre (2) anliegend an das Fenster (6) gekuppelt ist, umfasst.

4. Röntgengenerator gemäß Anspruch 3, wobei das Strahlenfokussiermittel (10) einen Strahlenspiegel, dessen Längsausrichtungsachse in einem Winkel zur Achse der Röntgenröhre (2) angeordnet ist, umfasst.

5. Röntgengenerator gemäß Anspruch 4, wobei der Winkel zwischen 80º und 90º, vorzugsweise bei ungefähr 84º liegt.

6. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlenquelle auf dem Empfänger (4) von einem Punkt mit kleinem Durchmesser zu einer Linie mit geringerer Dicke variiert werden kann.

7. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlenaustrittsfenster (6) eine Röhre mit kleinem Durchmesser aus einem Material mit niedriger Strahlenabsorption umfasst.

8. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material des Austrittsfensters (6) Beryllium ist.

9. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Austrittsfenster (6) die Röntgenröhre (2) mit dem Empfänger (4) verbindet.

10. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elektronenfokussiermittel (7) ein x-y- Ausrichtungssystem (14) zum Zentrieren des Elektronenstrahls in der Röntgenröhre (2) umfasst.

11. Röntgengenerator gemäß Anspruch 10, wobei das Elektronenstrahlfokussiermittel (7) ferner zumindest eine Elektronenlinse, vorzugsweise eine axial symmetrische oder runde Linse, und zumindest eine Quadrupol- oder Multipollinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls zu einer Brennlinie umfasst.

12. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Empfänger (4) ein Empfänger (4) aus einer Metallfolie ist, wobei das Metall aus der Gruppe Cu, Ag, Mo, Rh, Al, Ti, Cr, Co, Fe, W und Au ausgewählt wird.

13. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Empfängers (4), auf welchen der Elektronenstrahl auftrifft, so ausgerichtet ist, dass die Ebene der Oberfläche des Empfängers (4) senkrecht oder in einem Winkel zur Achse der Röntgenröhre (2) liegt.

14. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Empfänger (4) eine dünne Metallschicht, die auf einem dickeren Substrat aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Diamant, abgeladen ist, umfasst.

15. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Generator ferner ein Empfängerkühlmittel (15, 16, 17) umfasst.

16. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Elektronenmaske (5) mit einer Öffnung, die ausgeführt ist, um den Brennpunkt des Elektronenstrahls auszurichten, umfasst.

17. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stigmator (19) einen Quadrupolmagnet umfasst.

18. Röntgengenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronenkanone (3) eine Vorratskatode umfasst.