DE69316041T2

DE69316041T2 - Röntgenröhre mit verringertem Arbeitsabstand

Info

Publication number: DE69316041T2
Application number: DE69316041T
Authority: DE
Inventors: Achard Van Enschut J F M D; Lourens Valkonet
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Malvern Panalytical BV
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: EP0553913B1; EP0553913A1; JPH05275035A; DE69316041D1; JP3769029B2; US5345493A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit
- einer Kathode zum Erzeugen eines Elektronenbündels,
- einer Anode zum Erzeugen von Röntgenstrahlen beim Auftreffen des Elektronenbündels auf die Anode,
- und einem elektronenoptischen System, das dient zum Richten des von der Kathode ausgehenden Elektronenbündels auf die Anode,
- wobei die Kathode, die Anode und das elektronenoptische System sich in einem zylindrischen Kolben mit einem Strahlenaustrittsfenster an einem axialen Ende zum Durchlassen der Röntgenstrahlen befindet,
- das axiale Fensterende der Röhre derart aufgebaut ist, daß es mit einem Winkel von im wesentlichen 45 Grad konisch ist, und das Austrittsfenster am schmalen Ende des axialen Fensterendes angeordnet ist.
Eine Röntgenröhre dieser Art ist aus EP 439 852 bekannt. Die hier beschriebene Röntgenröhre enthält ein kegelförmiges axiales Ende, das ein Fenster, eine neben einem Anodenrohr angebrachte Kathode und ein elektronenoptisches System enthält, das eine Ablenkelektrode zwischen der Kathode und der Anode, eine Apertur in einem Kathodengehäuse und die Anode selbst enthält.
Unter Verwendung des elektronenoptischen Systems wird ein Elektronenbündel auf die Anodenfläche gerichtet, so daß die Elektronen zum Erzeugen von Röntgenstrahlen unter einem Winkel von wenigstens etwa 45 Grad darauf einfallen. Eine derartige Röntgenröhre erfüllt den Bedarf an eine Röntgenquelle mit einer verhältnismäßig hohen Strahlungsleistung zum Verwirklichen eines verhältnismäßig geringen Arbeitsabstands zum Anstrahlen eines Objekts oder Prüflings in einem Röntgenanalyseapparat. Für verschiedene Anwendungszwecke wurde gefunden, daß der mit der Ausgangsleistung verknüpfte Arbeitsabstand immer noch zu groß ist, so daß die betreffenden Messungen nicht optimal durchgeführt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Bedarf zu einem sogar größeren Ausmaß zu decken. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Röntgenröhre der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß
- das Austrittsfenster auf einer axialen Abdichtplatte mit einer minimalen gleichmäßigen Materialdicke außen angebracht ist,
- ein kegelförmiger Anteil des axialen Fensterendes um das Austrittsfenster herum einen Teil des elektronenoptischen Systems als elektronenoptische Elektrode bildet, wobei die Verwendung einer Hilfselektrode im Kathoden-Anodenraum der Röhre überflüssig ist,
- ein Kühlkanal, der sich nicht vorbei dem 45-Grad-Konus erstreckt, um den Kolben herum angebracht ist, wobei die elektronenoptischen Elemente derart gewählt werden, daß Betrieb mit einem Mindestabstand zwischen der Anode und dem Austrittsfenster möglich ist.
Da betreffende Teile einer erfmdungsgemäßen Röntgenröhre integral zum Minimisieren des Anoden-Objektabstands in einem Analysegerät dient, wird eine wesentliche Verstärkung erhalten. Da die Fensterplatte, üblicherweise aus Beryllium angefertigt, auf einer Endabdichtplatte ohne spezielle Montageränder an der Außenseite angeordnet oder in einer Aussparung angebracht ist, kann die ganze Abdichtplatte eine gleichmäßige Dicke nach den Ansprüchen haben, wobei die Dicke zum Erhalten geeigneter Vakuumdichte der Röhre gewählt wird, beispielsweise eine Eisen-Nickeloder Kupfer-Nickelplatte mit einer Dicke von nur etwa 1 mm. Insbesondere wegen seines Ausdehnungskoffizienten eignet Kupfer-Nickel sich besonders zur Verwendung in Zusammenarbeit mit einem Beryllium-Fenster. Da der kegelförmige Röhrenwandanteil selbst einen Teil des elektronenoptischen Systems bildet, kann eine wesentliche Verringerung der Röhren-Querabmessung im Vergleich zur Anordnung der Ablenkelektrode zwischen dem Anodenrohr und dem Konus erhalten werden, und bietet so eine wesentliche Verstärkung bei der Montage in einem Analysegerät Ein Kühlkanal wird um die Röhre angeordnet, so daß davon kein einziger Teil aus dem Konus herausragt.
Es sei bemerkt, daß in DE7 49 856 eine Röntgenröhre mit einer Kathode, einer Anode und einem elektronenoptischen System beschrieben ist, das zum Richten eines von der Kathode auf die Anode auszusendenden Elektronenbündels dient, und in einem zylindrischen Kolben mit einem Strahlungsaustrittsfenster an einem axialen Ende angeordnet ist, wobei das axiale Fensterende der Röhre in Kegelform angefertigt wird. Außerdem bildet der kegelförmige Anteil des axialen Fensterendes einen Teil des elektronenoptischen Systems. Aus diesem Dokument ist jedoch nicht bekannt, ob das axiale Fensterende in Kegelform unter einem Winkel von 45 Grad angefertigt ist, weder ist aus diesem Dokument bekannt, ob das Austrittsfenster auf einer axialen Abdichtplatte mit einer minimalen gleichmäßigen Materialdicke an der Außenseite angebracht ist, und daß ein nicht aus dem 45-Grad-Konus ausragender Kühlkanal um den Kolben angebracht ist. Eine Röntgenröhre mit einer Kathode, einer Anode und einem elektronenoptsichen System, das zum Richten eines von der Kathode auf die Anode ausgestrahlten Elektronenbündels dient, ist ebenfalls aus einem Artikel in NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS, Vol 126, Nr.1, 1975, NL, S. 99 ... 101 bekannt. Dieser Artikel gibt jedoch keine Beschreibung davon, daß das axiale Fensterende der Röhre unter einem Winkel von hauptsächlich 45 Grad kegelförmig angefertigt ist, daß das Austrittsfenster auf einer axialen Abdichtplatte mit einer minimalen gleichmäßigen Materialdicke an der Außenseite angeordnet ist, daß ein kegelförmiger Anteil des axialen Fensterendes einen Teil des elektronenoptischen Systems bildet, und daß ein nicht außerhalb des 45-Grad-Konus ausragender Kühlkanal um den Kolben angebracht ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auf dem Kolben eine Anschlagsfläche parallel zur Anodenfläche zur genauen axialen Bestimmung des Abstands zur Anodenfläche und zentriert in bezug auf die Anodenfläche vorgesehen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anode an einem äußersten Ende eines Anodenrohrs angeordnet, das sich in der Röntgenröhre axial erstreckt, in der die Kathode sich um das Anodenrohr in Ringform erstreckt, und in dem ein Ende einer hülsenförmigen Elektrode (8) des elektronenoptischen Systems koaxial zu dem dem Austrittsfenster zugewandten Anodenrohr sich höchstens bis zur Anodenfläche erstreckt.
Ausführungsbeispeile der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre,
Fig. 2 betreffende Teile eines Simultanspektrometers, in dem eine Röntgenröhre als Strahlungsquelle angeordnet ist, und
Fig. 3 betreffende Teile eines sequentiellen Spektrometers mit einer Röntgenquelle in Form einer derartigen Röntgenröhre.
Eine Röntgenröhre nach Fig. 1 enthält in einem Kolben 2 mit einer Konnektorbüchse 4 und einem Fenster 6 einen Elektronenemitter 10, der sich in einer Kathodenhülse 8 befindet und beispielsweise aus einer Wendel besteht. Vom Emitter ausgehende Elektronen werden auf eine Anode 14 gerichtet. Die Elektronenwege werden von der Geometrie der Kathodenhülse, von der Kathode, von der Anode und in diesem Fall auch von der Form eines kegelförmigen Anteils 16 des Röhrenkolbens bestimmt. Die Geometrie des Konus 16 der Röhre wird zum Erhalten eines Mindest- Arbeitsabstands zwischen der Anode 14 und einem anzustrahlenden Objekt gewählt. Die anderen elektronenoptischen Elemente werden ebenfalls derart gewählt, daß Betrieb in einem Mindestabstand zwischen der Anode 14 und dem Fenster 6 möglich ist. Infolgedessen arbeitet der Konus 16 als solcher als elektronenoptische Elektrode, und die Verwendung einer Hilfselektrode im Kathoden-Anodenraum der Röhre unterbleibt. Das Fenster 6 ist auf dem Konus angebracht zum Erhalten einer minimalen strukturellen Länge. Dies wird durch Anbringen des Fensters direkt auf dem Rand der minimalen Dicke erzielt statt mittels Anbringen einer Ausnehmung in einem Fensterrand des Konus zum Unterstützen des Fensters. Anbringen auf der Innenseite oder auf der Außenseite der Röhre ist ebenfalls möglich. Der Arbeitsabstand wird somit sowohl von der Innengeometrie der Hülse, von der Außengeometrie eines Strahlungsendes der Hülse als auch von integrierter Zusammenarbeit dieser beiden Faktoren verwirklicht. Wegen des geringen Arbeitsabstands zur geeigneten Strahlungsreproduzierbarkeit ist es erwünscht, den Abstand zwischen der Anode und der Prüflingsoberfläche genau zu definieren und zu kennen. Dazu wird die Position der Anode in der Röhre in bezug auf einen Flansch 20 außerhalb der Röhre bestimmt. Eine Fläche 22 dient dabei als Bezugswert zum Anbringen der Röhre in einem Röntgenanalysegerät.
In Fig. 2 ist die Röntgenröhre 1 dargestellt, in der ein Simultanspektrometer mit einem Mustertisch 30, einer Montageplatte 32, wobei Oberflächenanteile 34 zum Beispiel als Bezugsflächen dienen können, ein Gehäuse 36 für eine Anzahl von Meßkanälen und zwei Kanälen 42 und 44 angeordnet ist, die sich symmetrisch in bezug auf ein anzugebendes Objekt oder Muster 40 befinden. Aus dem Blickpunkt der Strahlungswirkung ist es wichtig, den Abstand zwischen dem Fenster 6 der Röhre und dem Muster 40 zu minimisieren. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die Dicke der Röhre und die Form des Konus 16 in dieser Beziehung besonders wichtig sind. Ihre Optimierung in Kombination mit der Optimierung der Röhre selbst unter der Sekundärbedingung an die Montage bietet eine wesenffiche Verstärkung in bezug auf die Strahlungswirkung, die in Röhren-Lebensdauer, Meßgeschwindigkeit, Auflösung usw. übersetzt werden kann.
In Fig. 3 ist die Anordnung der Röntgenröhre in einem sequentiellen Spektrometer dargestellt, in dem der mögliche Montageabstand zwischen der Röhre 1 und dem Muster 40 vom Raum für einen Eingangskollimator 50 begrenzt wird, der vorzugsweise aus mehreren Anteilen besteht, die in bezug auf die Position austauschbar sind, und daher einen verhältnismäßig großen Raumbetrag einnimmt, und zu diesem Zweck muß die Geometrie der Röhre wiederum angepaßt werden. Optimierung des Arbeitsabstandes bedingt eine bevorzugte Form für den Konus 16, was zu einer ählichen Form infolge der Geometrie führt, die der Position im Simultanspektrometer vergleichbar ist. Der sequentielle Spektrometer enthält ebenfalls einen Kristallrevolver 52 und ein Detektorsystem 54, das in diesem Fall beispielsweise mit einem ersten Detektionskollimator 56, einem Gasionisationsdetektor 58, einem zweiten Detektionskollimator 60 und einem Szintillationsdetektor 62 versehen ist. Beide Positionen ergeben eine Kegelform mit einem Konuswinkel im wesentlichen von 45 15 Grad.

Claims

1. Röntgenröhre mit

- einer Kathode (8, 10) zum Erzeugen eines Elektronenbündels (12),

- einer Anode (14) zum Erzeugen von Röntgenstrahlen beim Auftreffen des Elektronenbündeis auf die Anode,

- und einem elektronenoptischen System (8, 10, 14, 16), das dient zum Richten des von der Kathode ausgehenden Elektronenbündels auf die Anode,

- wobei die Kathode, die Anode und das elektronenoptische System sich in einem zylindrischen Kolben (2) mit einem Strahlenaustrittsfenster (6) an einem axialen Ende zum Durchlassen der Röntgenstrahlen befmdet,

- das axiale Fensterende der Röhre derart aufgebaut ist, daß es mit einem Winkel im wesentlichen von 45 Grad konisch ist, und das Austrittsfenster (6) am schmalen Ende des axialen Fensterendes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Austrittsfenster auf einer axialen Abdichtplatte mit einer minimalen gleichmäßigen Materialdicke außen angebracht ist,

- ein kegelförmiger Anteil des axialen Fensterendes um das Austrittsfenster herum einen Teil des elektronenoptischen Systems als elektronenoptische Elektrode bildet, wobei die Verwendung einer Hilfselektrode im Kathoden-Anodenraum der Röhre überflüssig ist,

- ein Kühlkanal, der sich nicht vorbei dem 45-Grad-Konus erstreckt, um den Kolben herum angebracht ist,

wobei die elektronenoptischen Elemente derart gewählt werden, daß Betrieb mit einem Mindestabstand zwischen der Anode (14) und dem Austrittsfenster (6) möglich ist.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, in der auf dem olben (2) eine Anschlagsfläche (22) parallel zur ebenen Anodenfläche (14) für genaue axiale Bestimmung des Abstands von der Anodenfläche und darauf vorgesehen ist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, in der die Anode (14) an einem äußersten Ende eines Anodenrohrs angeordnet ist, das sich in der Röntgenröhre axial erstreckt, in der die Kathode sich um das Anodenrohr in Ringform erstreckt, und in dem ein Ende einer hülsenförmigen Elektrode (8) des elektronenoptischen Systems koaxial zu dem dem Austrittsfenster zugewandten Anodenrohr sich höchstens bis zur Anodenfläche erstreckt.

4. Röntgenanalysegerät mit einer Röntgenröhre nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche.