CH639798A5

CH639798A5 - Roentgenroehre mit einer elektronenkanone.

Info

Publication number: CH639798A5
Application number: CH264579A
Authority: CH
Inventors: Hans-Joerg Bittorf
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1978-05-17
Filing date: 1979-03-21
Publication date: 1983-11-30
Also published as: GB2021310A; FR2426331A1; GB2021310B; FR2426331B1; JPS6138575B2; DE2821597A1; JPS54150997A

Description

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PATENTANSPRUCH Röntgenröhre mit einer Elektronenkanone, die ein Elek-tronenstrahl-Erzeugungssystem mit rein elektrostatischer Fokussierung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Kathode, eine blendenförmige Zuganode und mindestens eine Strahlformungselektrode enthält, die zusammen einen Elektronenstrahl flachen Querschnitts erzeugen, in dem die wirksame Kathodenoberfläche um 90° gedreht seitlich von der Zuganode angeordnet ist, welche an der Eintrittsstelle des Elektronenstrahls in das Beschleunigungsfeld der Röntgenröhre senkrecht zur Elektronenstrahlbahn sich erstreckt und das im Raum des Strahlenerzeugungssystems vorhandene elektrostatische Feld vom Beschleunigungsfeld der Röntgenröhre trennt, während an einer Seite des Systems, die der Kathodenoberfläche gegenüberliegt, eine angenähert mit Kathodenpotential beaufschlagte Umlenkelektrode vorhanden ist, wobei seitlich von der Kathode im Bereich zwischen Kathode und Zuganode einerseits und zwischen Katho-denumlenkelektrode andererseits Strahlformungselektroden angeordnet sind, welche mit einer zwischen Kathoden- und Zuganodenpotential liegenden elektrischen Spannung beaufschlagt sind, derart, dass die von der Kathode ausgehende Elektronenströmung um 90° in Richtung auf die Blendenöffnung der Zuganode umgelenkt wird und dass die Elektronenströmung anschliessend an letztgenannte Umlenkung auf den Brennfleck der Anode der Röntgenröhre zu beschleunigt wird.

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Elektronenkanone, die ein System zur Erzeugung eines Elektro-nenflachstrahls mit rein elektrostatischer Fokussierung enthält.

Bei Röntgenröhren von z.Z. üblicher Bauart, wie sie etwa in der US-PS 3885179 beschrieben sind, werden bekanntlich Kathoden verwendet, die eine heizbare Wendel aus schwerschmelzbarem Metall, etwa Wolfram, enthalten. Diese werden als Originalquelle für Elektronen verwendet, die dann zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auf ein schwerschmelzbares Target geleitet werden, wo sie Bremsstrahlen auslösen, die zu röntgenologischen Zwecken verwendbar sind. Insbesondere für eine Anwendung, bei welcher Kurzzeitimpulse im Bereich von (xs erzeugt werden müssen, sind diese Röhren aber nachteilig. Einerseits sind sie wegen der benötigten hohen Schaltspannungen und relativ grossen Wehnelt-Kathodenkapazität nur schwer schaltbar; andererseits sind erwünschte Anodenströme von mehreren Ampere auf kleine Brennfleckflächen nur schwer zu erhalten, weil die Emissionsstromdichte der Wendeln begrenzt ist und die mit Wendeln verbundene Oberflächenstruktur der Kathode hohen Stromverdichtungen entgegenwirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Röntgenröhren mit einer Elektronenkanone ein Elektronenerzeugungssystem anzugeben, das es erlaubt, Elektronenströme von mehreren Ampere a) zu erzeugen,

b) zu fokussieren und c) kapazitätsarm zu schalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Röntgenröhre mit einer Elektronenkanone, die ein System zur Erzeugung eines Elektronenflachstrahls mit rein elektrostatischer Fokussierung aufweist, gelöst, wobei die Strahlverdichtung im wesentlichen durch eine Umlenkung des Elektronenstrahls aus der Kathodenebene um 90° erreicht wird, wofür die Zuganode seitlich von der Kathodenfläche um 90° gedreht angeordnet ist, während im Bereich zwischen Kathode und Zuganode einerseits und zwischen Kathode und einer dieser gegenüberliegenden Umlenkelektrode andererseits Strahlumformungselektroden vorgesehen sind. Es wird eine Röntgenröhre mit folgenden Eigenschaften erhalten:

a) Es wird mittels elektrostatischer Umlenkfokussierung ein Elektronenflachstrahl erzeugt, wie er in der Regel für Röntgenröhren benötigt wird.

b) Der Flachstrahl ist in seinen Dimensionen weitgehend stromunabhängig, weil er rein elektrostatisch fokussiert ist.

c) Die Stromstärke ist durch Verwendung einer Oxid- oder Metallkapillarkathode und nahezu vollständiger Abschirmung des Anodenpotentials über die Kanonen-Anodenspannung von Null bis zum Grenzstrom, d.h. bis beispielsweise 6 A, regelbar.

d) Mit entsprechender Gestaltung (z.B. der Strahlformelektroden, wie 26,29,30, der Fig. 2 und Krümmung der Kathodenoberfläche) der Elektroden ist eine Optimierung im Sinne von bestimmten Stromdichteverteilungen im Brennfleck für den Einsatz in Röntgenröhren, d.h. Gestaltung der Stromdichteverteilung für maximale Belastbarkeit der Anode oder auch zur Erzielung optimaler Abbildungseigenschaften, möglich. Durch Änderung der Spannungen, insbesondere an den Elektroden 29 und 30 (Fig. 2), kann der Strahlquerschnitt geändert werden z.B. in einem Verhältnis von etwa 1:3.

e) Als Kathoden können Oxid- oder Vorratskathoden verwendet werden, die im Pulsbetrieb im Vergleich zu den üblichen Metallwendeln wegen der niedrigen Austrittsarbeit sehr hohe Stromdichten erlauben. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die dazu notwendigen Kathodentemperaturen um rund 1000 °C niedriger liegen als bei W-Wendeln. Als Oxidkathoden sind die bekannten Barium-Strontium-Oxid(Ba-Sr-0)-Be-schichtungen mit Nickelunterlage anwendbar. Andererseits ist die Verwendung von Vorratskathoden wegen der Robustheit und Regenerierfähigkeit im Betrieb vorteilhaft.

f) Wegen der Umlenkfokussierung ist hohe Strahlverdichtung (ca. 10:1) erreichbar. Die Einzeldimensionierung der Elektronenkathode wird zweckmässig so ausgelegt, dass der Elektronenstrahl den Austrittsspalt konvergent verlässt. Bei anderer Auslegung würde der Nachteil eintreten, dass die Strahlaufweitung infolge der Raumladungskräfte zu unerwünschter Verbreiterung des Brennflecks führt.

g) Durch die Umlenkfokussierung wird erreicht, dass die Kathode weitgehend vor dem in Röntgenröhren besonders problematischen Ionenrückfluss geschützt ist.

h) Durch den geschlossenen Aufbau der Elektronenkanone kann Abdampfung von Kathodenmaterial weitgehend aus den kritischen Hochspannungsbereichen, d.h. Austrittsebene - Kanone (33, Fig. 2) - Anode (9, Fig. 1), ferngehalten werden.

i) Eine Schaltung des Elektronenstroms ist wegen der niedrigen Kanonenanodenspannung mit einer Spannung von wenigen kV möglich, indem die Wehneltelektrode entsprechend getastet wird. Bei den z.Z. in der Röntgendiagnostik üblichen Röntgenröhren mit geheizter Drahtwendel als Elektronenquelle und Beschleunigungsspannungen bis 150 keV ist in der Regel eine Schaltspannung von ca. 6 kV nötig. Bei der Röntgenröhre nach der Erfindung kann diese auf 1 bis 2 kV herabgesetzt werden. Dies bringt den Vorteil, dass mit wesentlich kleineren Steuerleistungen rechteckförmige Pulse im Mikrosekundenbereich erzeugt werden können.

Bei dem Elektronenstrahl-Erzeugungssystem ist die wirksame Kathodenoberfläche um 90° gedreht seitlich von einer Zuganode angeordnet, welche an der Eintrittsstelle des Elektronenstrahls in das Feld eines Zylinderkondensators senkrecht zur schraubenlinienförmigen Elektronenstrahlbahn sich erstreckt und das im Raum des Strahlenerzeugungssystems vorhandene elektrostatische Feld vom Feld des Zylinderkondensators trennt, während an der Seite des Systems, die der Kathodenoberfläche gegenüberliegt, eine angenähert mit

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Kathodenpotential beaufschlagte Umlenkelektrode vorhanden ist, wobei seitlich von der Kathode im Bereich zwischen Kathode und Zuganode einerseits und zwischen Kathode und Umlenkelektrode andererseits Strahlformungselektroden angeordnet sind, welche mit einer zwischen Kathoden- und Zuganodenpotential liegenden elektrischen Spannung beaufschlagt sind, derart, dass die von der Kathode ausgehende Elektronenströmung um 90° in Richtung auf eine Blendenöffnung der Zuganode umgelenkt wird.

Mit einem in vorgenannter Weise ausgestalteten System ist bei relativ geringer Kathodenbelastung sehr hohe Stromdichte in einem Elektronenstrahl erzielbar. Beispielsweise ist bei einer Kathodenbelastung von etwa 1 A/cm2 ein Flachstrahl mit einer Stromdichte von etwa 10 A/cm2 erreichbar. Der Elektronenstrahl lässt sich ausserdem durch Regulierung der Spannungen, die an den einzelnen Elektroden, insbesondere 29 und 30 (Fig. 2), angelegt sind, verstellen, etwa der Öffnungswinkel am Strahlenaustritt 33, so dass die Fokusbreite verändert wird. Das innerhalb des Systems liegende Feld (Kanonenfeld) ist dabei gegenüber dem Beschleunigungsfeld zwischen Zuganode 25 (Fig. 2) und Röntgenanode 9 (Fig. 1) durch die blendenförmige Zuganode abgeschirmt, so dass eine Spannungsregulierung am System sich nicht störend auf die Strahlführung im eigentlichen Laufraum der Röhre auswirkt. Falls es notwendig erscheint, kann auch noch hinter der Zugelektrode etwa mittels eines kleinen Plattenkondensators eine weitere Korrektur der Form und Richtung des Strahls erfolgen. Dies ist insbesondere bei Röntgenröhren interessant, weil beispielweise durch Anlegen einer HF-Spannung eine Strahlverbreiterung erzeugt werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

In der Fig. 1 ist das Schaubild einer Röntgenröhre dargestellt mit einer Elektronenkanone, bei welcher die Kathode aufgebrochen gezeichnet ist,

in der Fig. 2 der Querschnitt durch das System der Elektronenkanone zur Erzeugung eines Elektronenflachstrahls und in der Fig. 3 eine Ansicht des Systems quer zur Fig. 1 in Blickrichtung auf III-III.

In der Fig. 1 ist mit 1 eine Röntgenröhre bezeichnet, in deren gläsernem Kolben 2 am einen Ende eine Kathodenanordnung 3 und am anderen eine Anodenanordnung 4 angebracht ist. Die Kathodenanordnung enthält als Elektronenquelle eine Kathode 5 und ein Umlenksystem 6 für den Elektronenstrahl 7, der auf einen Brennfleck 8 einer Drehanode 9 gelenkt wird, die aus einer Wolframplatte 10 besteht, deren Unterseite mit einer Platte 11 aus Graphit belegt ist. Die Anode 9 ist über eine Achse 12 mit einem Rotor 13 verbunden, so dass sie mittels eines nicht dargestellten Stators in an sich bekannter Weise in Rotation versetzt werden kann.

Zur Inbetriebsetzung der Röhre werden einerseits über Leitungen 15 bis 19 die zur Erzeugung des Elektronenstrahls 7 und seine Fokussierung notwendigen Spannungen angelegt. Andererseits wird ausserdem noch über die Leitung 19 und den Anschluss 20 des Anodensystems 4 eine Beschleunigungsspannung angelegt, um dem Elektronenstrahl 7 die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen erforderliche Geschwindigkeit zu geben.

Der Aufbau des Elektronenerzeugungssystems ist aus der Fig. 2 in schnittbildlicher Darstellung ersichtlich. Mit 5 ist dabei die Kathode bezeichnet, die aus einem Träger 21 und einer Schicht 22, beispielsweise einer Ba-Sr-O-Schicht, mit rechteckförmigem Querschnitt von beispielsweise 2x5 mm2 besteht. Sie ist von einer Wehneltelektrode 23 umgeben. Diese hat einen Schlitz 24 von beispielsweise 1,8 mm Breite und 5 mm Höhe. Mit seiner Hilfe wird aus der von der Schicht 22 der Kathode 5 emittierten Elektronenströmung ein Elektronenbündel 7 von 1,8 mm Breite und 5 mm Höhe ausgeblendet. Gegenüber der wirksamen Kathodenoberfläche ist um 90° gedreht eine blendenförmige Zuganode 25 angeordnet, welche sich senkrecht zur Elektronenstrahlrichtung an der Eintrittsstelle des Elektronenstrahls 7 in ein auf die Zuganode folgendes Beschleunigungsfeld erstreckt. Die Zuganode 25 ist an ihrem der Kathode 5 benachbarten Ende mit einem Fortsatz 26 versehen, der im wesentlichen parallel zur wirksamen Kathodenoberfläche verläuft und sich bis in die Nähe der Elektronenströmung über der Kathode 5 erstreckt. An der Seite des Systems, die der Kathodenoberfläche gegenüberliegt, ist eine plattenförmige Umlenkelektrode 27 vorhanden, die angenähert mit Kathodenpotential beaufschlagt sein soll.

Diese Umlenkelektrode 27 weist an ihrem der Zuganode zugewandten Ende einen Ansatz 28 auf, der dem an der Zuganode 25 befindlichen Fortsatz 26 gegenübersteht. Eine derartige abgewinkelte Form der Umlenkelektrode ist dem Umstand förderlich, dass der obere Strahlrand des Elektronenstrahls 7 bei der Umlenkung stärker gekrümmt sein muss als der untere Strahlrand. Im Raum zwischen dem Teil 26 der Zuganode 25 und der Wehneltelektrode 23 befindet sich eine erste Strahlformungselektrode 29, die mit einer zwischen Kathoden- und Zuganodenpotential liegenden elektrischen Spannung beaufschlagt sein soll. Auf der anderen Seite des Elektronenstrahls 7 ist etwa in gleicher Entfernung von der Wehneltelektrode 23 und der Umlenkelektrode 27 eine zweite Strahlformungselektrode 30 angeordnet, die zylindrische Form hat und im wesentlichen mit dem gleichen Potential wie die erste Strahlformungselektrode 29 beaufschlagt sein soll. Ausserdem ist unterhalb der zylindrischen Strahlformungselektrode 30 eine weitere, plattenförmig ausgebildete Strahlformungselektrode 31 angeordnet, die seitlich vom Elektronenweg sich im wesentlichen senkrecht zur Kathodenebene erstreckt; an diese Elektrode soll ungefähr die gleiche Spannung wie an die Wehneltelektrode 23 angelegt sein. Senkrecht zu dieser Elektrodenanordnung (nur in Fig. 3 dargestellt) befinden sich plattenförmige Elektroden 34 auf Kathodenpotential, die ein seitliches Aufspreizen des Elektronenstrahls verhindern.

Die in Fig. 2 dargestellte Elektrodenanordnung mit den beschriebenen Potentialen ruft eine Potentialverteilung hervor, wie sie durch die Potentiallinien 32 in Fig. 2 angedeutet ist. Auf dieser Potentialverteilung beruht die Umlenkung und gleichzeitige Verdichtung der von der Kathode 5 ausgehenden Elektronenströmung in Richtung auf die Blendenöffnung 33 der Zuganode 25. Obwohl dabei die Einflüsse der einzelnen Elektroden sich nicht voneinander trennen lassen, kann man über ihre wesentliche Bedeutung folgende Angaben machen: Die Wehneltelektrode 23 mit dem Wehneltschlitz 24 dient in erster Linie der Begrenzung des Strahlquerschnitts. Sie verhindert ausserdem in bekannter Weise ein Aufspreizen des Elektronenstrahls durch Raumladungskräfte. Das Potential der Wehneltelektrode 23 liegt zwischen Kathodenpotential und einem negativen Zehntel des Zuganodenpotentials. Die Spannung an den beiden Strahlformungselektroden 29 und 30 soll ein bis vier Zehntel des Zuganodenpotentials betragen; die Grösse dieser Spannung bestimmt im wesentlichen die Stärke des Emissionsstromes und die Lage des Fokus des Elektronenflachstrahls 4. Dabei muss die Form der Strahlformungselektrode 30 nicht unbedingt kreiszylindrisch sein. Es kommt nur darauf an, dass die mit den Linien 32 angedeutete Feldverteilung im wesentlichen erhalten bleibt. Die zusätzliche plattenförmige Strahlformungselektrode 31, die auf einem Potential zwischen Kathodenpotential und einem um ein Zehntel des Zuganodenpotentials verringerten Kathodenpotential liegt, ermöglicht im Zusammenwirken mit der Strahlformungselektrode 29 und dem Teil 26 der Zuganode 25 eine Feinkorrektur des Strahlverlaufs. Insbesondere kann mit der Einstellung der Spannung an der plattenförmigen Strahlformungselektrode 31

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ein Überschneiden der Strahlberandung vermieden werden, weil durch die Elektrode 31 vorwiegend der obere Strahlrand beeinflussbar ist, während der Verlauf des unteren Strahlrands durch die Strahlformungselektrode 29 und dem an der Zuganode 25 befindlichen Fortsatz 26 bestimmt wird. Die etwa auf Kathodenpotential liegende Umlenkelektrode 27 bewirkt hauptsächlich die Umlenkung des Elektronenstrahls. Diese Elektrode erlaubt es auch, den Austrittswinkel des Elektronenstrahls 7 aus der Blendenöffnung 33 der Zuganode 25 zu beeinflussen, wobei der Strahl auch etwas seitlich verschoben werden kann. Die Form der Zuganode 25 ist einerseits dadurch bestimmt, dass das Kanonenfeld vom Feld des eigentlichen Laufraums streng getrennt sein soll, um eine gegenseitige Beeinträchtigung der beiden Felder zu vermeiden. Andererseits ist der abgewinkelte Fortsatz 26 an der Zuganode 25 erforderlich, um zusammen mit den beiden wesentlichen Strahlformungselektroden 29 und 30 die gewünschte Strahl-form zu erreichen. Hierzu sei bemerkt, dass die Zuganode selbstverständlich auch aus zwei getrennten Teilen, nämlich der Platte mit der Blendenöffnung 33 und einer dazu senkrechten, dem Fortsatz 26 entsprechenden Platte, bestehen kann.

Die Stromdichteverteilung eines Elektronenflachstrahls, der mit einer Kanone nach Fig. 2 erzeugt worden ist, zeigt eine Breite d des Strahlquerschnitts von einigen Zehntel mm (etwa 0,3) bei einer Höhe von 5 mm. Die Messung wurde mit folgenden Spannungen an den einzelnen Elektroden durchgeführt; die Spannung an der Kathode 5, der Wehneltelektrode 23, der Umlenkelektrode 27 und der zusätzlichen Strahlformungselektrode 31 betrug jeweils 0 Volt. Die Strahlformungselektrode 29 war mit einem Potential von 53 V und die zylindrische Strahlformungselektrode 29 mit einem Potential von 41 V beaufschlagt, während an der Zuganode 25 ein Potential von 410 V s liegt. Der Strahl ist bei einer Perveanz von 0,7 x 10-6 A/V372 im Verhältnis von 10:1 verdichtet, sein Öffnungswinkel liegt nach dem Austritt aus der Zuganode bei ungefähr 5°.

Zur Erzielung der bei einer Röntgenröhre für Computer-Tomographie erwünschten Betriebseigenschaften ist beispiels-io weise ein Elektronenstrahlquerschnitt an der Röntgenanode von 1x16 mm2 erforderlich bei einer Impulsstromstärke bis 6 A. Für die Kathode ergibt sich dann bei einer Verdichtung von 5:1 bis 20:1, insbesondere 10:1, eine Fläche von 5x10 mm2 bis 20 x 10 mm2, insbesondere 10x10 mm2 bei einer Stromdichte 15 von 12 A/cm2 bis 3 A/cm2, insbesondere 6 A/cm2, an der Kathodenoberfläche. Diese Stromdichte lässt sich impulsbetrieben sowohl mit Oxid- als auch mit Vorratskathoden problemlos erreichen. Der wesentliche Unterschied gegenüber heute üblichen Glühkathoden, d.h. Metall (W)-Wendeln, ist, 20 dass die für derartige Emissionsstromdichten benötigten Temperaturen bei nur 700 °C bis 1300 °C liegen und die gesamte Kathodenoberfläche gleichmässig emittiert.

Die oben beschriebene Umlenkfokussierung lässt sich auch auf magnetischem Wege realisieren. Wegen der Abhän-25 gigkeit des Bahnkreisradius der Ladungsträger von ihrer Geschwindigkeit gehen dann aber Vorteile verloren. Dies ist insbesondere die Möglichkeit der Stromregulierung bei gleichbleibenden Brennfleckabmessungen.

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1 Blatt Zeichnungen