DE19808342C1 - Abschaltbare Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine abschaltbare Fluoreszenz- Röntgenstrahlenquelle mit einer zur Erzeugung von Röntgen­ bremsstrahlung dienenden Primärquelle, wobei in die von der Primärquelle ausgehende Bremsstrahlung zur Erzeugung von Fluoreszenz-Röntgenstrahlung ein Fluoreszenztarget einbring­ bar ist.

Es ist eine variable Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle be­ kannt, bei der im Deckel eines Gehäuses eine ringförmige Primär­ quelle, beispielsweise wie in der DE 33 26 737 A1 beschrieben ein Americiumstrahler, vorgesehen ist, der gegenüberstehend eine Trägerplatte in dem Gehäuse angeordnet ist, die mit mehreren Fluoreszenztargets versehen ist, so daß eines dieser Fluoreszenztargets durch die von der Primärquelle ausgehende Strahlung getroffen wird, wobei in dem jeweils von der Strahlung der Primärquelle getroffenen Fluoreszenztarget cha­ rakteristische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung ausgelöst wird, die durch eine Deckelbohrung im Zentrum der Primärquelle austreten kann. Eine derartige variable Fluoreszenz-Röntgen­ strahlenquelle ist aber weder als Strahlenquelle mit hohem Fluß an Fluoreszenz-Röntgenstrahlung ausbildbar, da die Akti­ vität des Primärstrahlers typischerweise bei 10 mCi liegt, noch ist sie abschaltbar, da der Primärstrahler ständig strahlt. Hinzu kommt, daß eine solche Fluoreszenz-Röntgen­ quelle, die von der Bauform her gesehen sehr kompakt aufge­ baut ist, was den Anwendungszwecken sehr entgegenkommt, wegen der ständig strahlenden Primärquelle auch aufwendig entsorgt werden muß. Auch beim Transport solcher variabler Fluo­ reszenz-Röntgenstrahlenquellen sind aus Sicherheitsgründen erhebliche Aufwendungen zu machen.

Außerdem ist aus der DE 37 16 618 A1 eine abschaltbare Fluo­ reszenz-Röntgenstrahlenquelle der eingangs genannten Art be­ kannt, die einen Brennfleck aufweist, was für viele Anwendun­ gen, wie beispielsweise in der Röntgenanalytik, nicht notwen­ dig ist. Bei dieser räumlich sehr viel aufwendigeren und weit weniger kompakten Anordnung wird ein kegelförmiges Fluores­ zenztarget verwendet, das durch die von einer fokussierten Elektronenstrahlquelle auf einem Anodentarget ausgelöste Bremsstrahlung bestrahlt wird, um im Fluoreszenztarget die charakteristische, monoenergetische Fluoreszenz-Röntgenstrah­ lung auszulösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine variable Hochfluß-Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle zu schaffen, die abschaltbar ist und dennoch den Vorteil einer kleinen, kompak­ ten Bauform und damit eines unkomplizierten, ortsungebundenen Einsatzes besitzt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine ab­ schaltbare variable Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle mit einer zur Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung dienenden Pri­ märquelle, die eine unfokussierte, rundumstrahlende Elektro­ nenstrahlquelle aufweist, die in einem vorzugsweise auf der gesamten Innenseite als Anodentarget zur Erzeugung von Rönt­ genbremsstrahlung ausgebildeten Vakuumgehäuse mit einem Röntgenstrahlaustrittsfenster angeordnet ist, wobei in die von der Primärquelle ausgehende Bremsstrahlung zur Erzeugung von Fluoreszenz-Röntgenstrahlung unterschiedlicher Strah­ lungsspektren verschiedene, auf einer verschieb- oder dreh­ baren Trägerplatte angeordnete Fluoreszenztargets einbringbar sind.

Dabei ist das Vakuumgehäuse bevorzugt im wesentlichen zylin­ drisch mit einem Röntgenstrahlaustrittsfenster in einer Stirnwand ausgebildet und die Elektronenstrahlquelle als eine geheizte Zylinderwendel ausgeführt, die konzentrisch um die mit der Röntgenstrahlaustrittsachse zusammenfallende Gehäu­ seachse angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Primärquelle ist praktisch die ge­ samte, vorzugsweise durch eingelassene Kühlschlangen gekühlte Gehäuse-Innenseite als Anodentarget ausgebildet, so daß eine einfache, unfokussierte und damit auch große und leistungs­ starke Elektronenstrahlquelle verwendet werden kann. Die Elektronenoptik besteht in diesem Fall lediglich aus der großen, geheizten Zylinderwendel und der Gehäuse-Innenseite, die als Anode dient.

Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen ab­ schaltbaren, variablen Hochfluß-Fluoreszenz-Röntgenstrahlen­ quelle kann die Fluoreszenztarget-Trägerplatte außerhalb des Vakuumgehäuses des Primärstrahlers vor dem Röntgenstrahlaus­ trittsfenster angeordnet sein, so daß man im wesentlichen den gleichen Aufbau wie bei der eingangs beschriebenen variablen, nicht abschaltbaren Fluoreszenz-Strahlenquelle hat. Aller­ dings ist die erfindungsgemäße Strahlenquelle erheblich lei­ stungsstärker und vor allem abschaltbar und braucht nicht um­ ständlich entsorgt zu werden. Ebenso entfällt bei der erfin­ dungsgemäßen Lösung natürlich auch ein aufwendiger Transport, da keine ständig aktiven Strahler vorhanden sind.

Mit besonderem Vorteil kann aber auch eine Ausführung verwen­ det werden, bei der die Fluoreszenztarget-Trägerplatte inner­ halb des Vakuumgehäuses dem Röntgenstrahlaustrittsfenster gegenüberliegend angeordnet ist. In Weiterbildung der Erfin­ dung kann dies besonders vorteilhaft derart realisiert sein, daß die in einer Gehäuseerweiterung im Bereich vor der dem Röntgenstrahlaustrittsfenster gegenüberliegenden Stirnwand angeordnete drehbare Fluoreszenztarget-Trägerplatte mit je­ weils nur einem Target in den Zylinderraum einragend um eine zur Gehäuseachse parallele Achse drehbar ist, wobei zur Ver­ meidung aufwendiger Durchführungen die Fluoreszenztarget-Trä­ gerplatte am einfachsten durch eine Magnetkupplung mit einem außerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Drehantrieb gekop­ pelt ist. Im einfachsten Fall besteht der Drehantrieb aus einem Stabmagneten an der Fluoreszenztarget-Trägerplatte und einem drehbaren, dazu parallelen Stabmagneten außerhalb des Vakuumgehäuses. Wird der äußere Magnet verdreht, so nimmt er den inneren über die Magnetkupplung mit und verdreht damit auch die Fluoreszenztarget-Trägerplatte.

Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Röntgenbremsstrahlung in die Fluoreszenzstrahlung des jeweils in Arbeitsposition befindlichen Fluoreszenztargets läßt sich dabei in an sich bekannter Weise dadurch erhöhen, daß die Innenfläche des Vakuumgehäuses unter der Anodentargetschicht, die beispiels­ weise eine Wolframschicht sein kann, eine Comptonstreu­ schicht, beispielsweise aus Aluminium oder Beryllium, auf­ weist. Dabei kann ggf. das gesamte Vakuumgehäuse aus dem Material der Comptonstreuschicht bestehen. Durch diese Aus­ bildung ergibt sich über Mehrfachreflexion der Röntgenbrems­ strahlung eine Anhebung des Wirkungsgrades. Dies garantiert eine gute Ausnutzung der Primärstrahlung bei der Umwandlung in die charakteristische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung, was in Verbindung mit der hohen Leistung der Primärquelle infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung insgesamt zu einer sehr lei­ stungsstarken Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle führt, die infolge der umschaltbaren Fluoreszenztargets variabel ist und gleichzeitig auch abschaltbar ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer er­ findungsgemäßen Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil der Wandung des Vakuumgehäuses,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß abschalt­ bare, variable Hochfluß-Fluoreszenz-Röntgenstrahlen­ quelle mit im Vakuumgehäuse eingebauter Fluores­ zenztarget-Trägerplatte, und

Fig. 4 ein Fluoreszenzspektrum für ein Wolfram-Anodentar­ get in Verbindung mit einem Barium-Fluoreszenztar­ get.

Die erfindungsgemäße abschaltbare, variable Hochfluß-Fluores­ zenz-Röntgenstrahlenquelle zeichnet sich zunächst dadurch aus, daß fast die gesamte Innenfläche 1 der Gehäusewand 2 eines Vakuumgehäuses als Anodentarget ausgebildet ist, wobei die Gehäusewand durch eingelassene Kühlschlangen 3 wirksam gekühlt werden kann. Die Elektronenoptik besteht lediglich aus der als Zylinderwendel 4 ausgebildeten Kathode und der als Anode dienenden Gehäuse-Innenfläche 1. Über die Span­ nungsquelle 5 erfolgt die Beschleunigung der aus der geheiz­ ten Zylinderwendel 4 austretenden Elektronen auf die Innen­ fläche 1 der Gehäusewandung 2. Die Heizspannungsquelle 6 dient zur Aufheizung der Zylinderwendel 4. Die Innenfläche 1 des Gehäuses ist mit einem zur Erzeugung einer Röntgenbrems­ strahlung beim Auftreffen der Elektronen dienenden Anodentar­ get, im vorliegenden Fall, vgl. insbesondere Fig. 3, bei­ spielsweise einer Wolframschicht 7, versehen, unter der eine Comptonstreuschicht angeordnet sein kann. Im Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1 und 2 kann dies das aus Beryllium oder Aluminium bestehende Vakuumgehäuse selbst sein, d. h. die Wandung 2 besteht aus Aluminium oder Beryllium. Die von der geheizten Zylinderwendel 4 ausgehenden Elektronen werden auf die das Anodentarget bildende Wolframschicht 7 beschleunigt und lösen dabei, wie in Fig. 2 angedeutet ist, eine in den Raumwinkel ausgestrahlte Röntgenbremsstrahlung 8 aus, die, ggf. nach einigen weiteren Reflexionen an der Comptonstreu­ schicht, irgendwann auf das Fluoreszenztarget 9 trifft. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist dieses Fluoreszenztarget als flächenhaftes, massives Target ausgebildet. Eine Mehrzahl der­ artiger unterschiedlicher Targets 9, 9', 9", 9''' sind dabei auf einer drehbaren Fluoreszenztarget-Trägerplatte 17 ange­ ordnet. Diese Trägerplatte kann entweder außerhalb des zylin­ drischen Vakuumgehäuses vor einem Röntgenstrahlaustrittsfen­ ster angeordnet sein, durch das die Röntgenbremsstrahlung austritt, oder aber - wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 - innerhalb des Vakuumgehäuses.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 erkennt man das Vakuumgehäuse mit der Gehäusewand 2 und den Stirnwänden 11 und 12. Die ge­ samte Innenseite des Vakuumgehäuses ist mit einer beispiels­ weise aus Aluminium oder Beryllium bestehenden Comptonstreu­ schicht 13, 14, 15 überdeckt, auf der eine wiederum deren ge­ samte Innenfläche überdeckende Wolframschicht 7 angeordnet ist. Konzentrisch zur Längsachse des Vakuumgehäuses ist die geheizte Zylinderwendel 4 angeordnet, wobei die Längsachse des Gehäuses und der Zylinderwendel mit der Röntgenstrahlaus­ trittsachse der durch das Fenster 10, beispielsweise aus Beryllium, austretenden Röntgenstrahlung zusammenfällt. Bei dieser Ausbildung wird die gesamte Gehäuse-Innenseite und da­ mit das aus der Wolframschicht 7 bestehende Anodentarget gleichmäßig mit Elektronen bestrahlt, so daß sich hieraus eine Hochleistungsprimärquelle für die Anregung der Fluores­ zenztargets ergibt.

Die verschiedenen Fluoreszenztargets 9, 9', 9", 9''' sind auf einer Trägerplatte 17 angeordnet, die drehbar in einer Gehäuseerweiterung 18 des Vakuumgehäuses angeordnet ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß jeweils immer nur ein Fluoreszenztarget 9 in den zylindrischen Innenraum des Vaku­ umgehäuses, also in den Bereich der Röntgenbremsstrahlung, einragt. Die vom jeweils in Arbeitsposition befindlichen Tar­ get 9 ausgehende charakteristische Röntgenstrahlung tritt durch das, beispielsweise aus Beryllium bestehende, Röntgen­ strahlaustrittsfenster 10 aus. Die Trägerplatte 17 ist als Permanentmagnet ausgebildet bzw. mit Permanentmagneten be­ stückt, so daß mit Hilfe einer ebenfalls magnetischen außer­ halb des Gehäuses drehbar angeordneten Stelleinrichtung 19 eine durchführungsfreie Verstellung der Fluoreszenztarget- Trägerplatte 17 erfolgen kann.

Ein simuliertes Beispiel für die möglichen Fluoreszenzspek­ tren ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei ist das Spektrum eines Bariumtargets gezeigt. Wünscht man den Untergrund unterhalb und/oder oberhalb der Fluoreszenzlinien Kα und Kβ herauszu­ filtern, so kann dies mit geeigneten Filtern geschehen, die bei Bedarf dem Fluoreszenzstrahlen-Austrittsfenster 10 vorge­ schaltet werden können. Die Auswahl des Materials des Rönt­ genstrahlaustrittsfensters 10 variiert je nachdem, ob die Röntgenbremsstrahlung ausgeleitet und zu einem außerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Fluoreszenztarget gelangen soll oder aber ob, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, durch das Röntgenstrahlaustrittsfenster 10 die charakteristische Fluoreszenz-Röntgenstrahlung austreten soll.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbei­ spiel beschränkt. Neben der Möglichkeit, die Röntgenbrems­ strahlung über das Fenster 10 und den vorgeschalteten Kolli­ mator 16 auszukoppeln und auf ein außerhalb des Vakuumgehäu­ ses angeordnetes Fluoreszenztarget zu richten, sprich die Fluoreszenztarget-Trägerplatte 17 rechts vor dem Fenster 10 in Fig. 3 anzuordnen, könnte die Ausbildung auch so getroffen sein, daß auch auf der gegenüberliegenden Seite ein weiteres Röntgenstrahlaustrittsfenster vorgesehen ist, so daß die ge­ wünschte variable Fluoreszenz-Röntgenstrahlung durch dieses Fenster links ausgekoppelt werden kann, während das rechte dazu dient, die Röntgenbremsstrahlung auf das rechtsliegende Fluoreszenztarget gelangen zu lassen.

Claims (11)

1. Abschaltbare variable Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle mit einer zur Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung dienenden Primärquelle, die eine unfokussierte, rundumstrahlende Elek­ tronenstrahlquelle aufweist, die in einem vorzugsweise auf der gesamten Innenseite (1) als Anodentarget zur Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung ausgebildeten Vakuumgehäuse mit einem Röntgenstrahlaustrittsfenster (10) angeordnet ist, wo­ bei in die von der Primärquelle ausgehende Bremsstrahlung pur Erzeugung von Fluoreszenz-Röntgenstrahlung unterschiedlicher Strahlungsspektren verschiedene, auf einer verschieb- oder drehbaren Trägerplatte angeordnete Fluoreszenztargets ein­ bringbar sind.

2. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, deren Vakuumgehäuse im wesentlichen zylindrisch mit dem Röntgen­ strahlaustrittsfenster (10) in einer Stirnwand (12) ausge­ bildet ist und deren Elektronenstrahlquelle eine geheizte Zy­ linderwendel (4) ist, die konzentrisch um die mit der Rönt­ genstrahlaustrittsachse zusammenfallende Gehäuseachse ange­ ordnet ist.

3. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder 2, deren Trägerplatte (17) außerhalb des Vakuumgehäuses vor dem Röntgenstrahlaustrittsfenster (10) angeordnet ist.

4. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1 oder 2, deren Trägerplatte (17) innerhalb des Vakuumgehäuses dem Röntgenstrahlaustrittsfenster (10) gegenüberliegend angeord­ net ist.

5. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 4, deren um eine zur Gehäuseachse parallele Achse drehbare Trägerplat­ te (17) in einer Gehäuseerweiterung (19) des Vakuumgehäuses im Bereich vor der dem Röntgenstrahlaustrittsfenster (10) ge­ genüberliegenden Stirnwand (11) angeordnet ist und mit je­ weils nur einem Fluoreszenztarget (9, 9', 9", 9''') in den zylindrischen Hohlraum des Vakuumgehäuses einragt.

6. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 4 oder 5, deren Trägerplatte (17) durch eine Magnetkupplung mit einem außerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Stellglied (19) ge­ koppelt ist.

7. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Innenfläche (1) des Vakuumgehäuses unter der Primärtargetschicht eine Comptonstreuschicht (13, 14, 15) aufweist.

8. Fluoroeszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 7, deren Comptonstreuschicht aus Aluminium oder Beryllium besteht.

9. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 7 oder 8, deren Vakuumgehäuse aus dem Material der Comptonstreuschicht besteht.

10. Fluoroeszenz-Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, deren Anodentarget eine Wolframschicht (7) ist.

11. Fluoreszenz-Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprü­ che 1 bis 10, bei der die gesamte Gehäuse­ wand (2) des Vakuumgehäuses vorzugsweise durch eingelassene Kühlschlangen (3) gekühlt ist.