DE10025807A1 - Röntgenröhre mit Flachkathode - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre, deren Kathodenanordnung einen flachen mit Durchbrüchen versehenen Elektronenemitter aufweist. Dabei ist auf der von der Anode der Röntgenröhre abgewandten Seite des Elektronenemitters eine Elektrode angeordnet, die gegenüber dem Elektronenemitter ein negatives Potential führt, durch das die Elektronenbahnen vor dem Emitter begradigt werden. Durch diese Maßnahmen ergibt sich ein gültiges Verhältnis zwischen den Abmessungen des Elektronenemitters und den Abmessungen des von den emittierten Elektronen auf der Anode erzeugten Brennflecks.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Anode und mit einer Kathodenanordnung, die einen Kathodentopf zur Elektronenfokussierung, einen flachen, mit Durchbrüchen versehenen Elektronenemitter und eine Elektrode aufweist, die auf der von der Anode abgewandten Seite des Elektronenemitters angeordnet ist. Eine solche Röntgenröhre ist aus der US-PS 4 344 011 bekannt. Bei einer der dort angegebenen Ausführungsformen ist der Elektrodenemitter ein ebenes, flaches und mäanderförmig verlaufendes Metallband. Zwischen den hin- und hergehenden Stegen dieses Metallbandes sind also Durchbrüche vorhanden.

Bei der bekannten Röntgenröhre ist vorgesehen, daß das Potential des Kathodentopfes gegenüber dem Elektronenemitter variabel ist, so daß Fehler beim Fertigungsprozeß keinen Einfluß auf die Abmessungen des Brennflecks haben. Wenn das Potential am Kathodentopf um einen bestimmten Betrag positiver ist als am Elektronenemitter, können Elektronen aus den seitlichen Regionen oder aus der Rückseite des Elektronenemitters auf den Kathodentopf gelangen und diesen aufheizen. Deshalb ist bei einer Ausführungsform in geringem Abstand von dem Elektronenemitter eine Elektrode vorgesehen, die die Rückseite und die seitlichen Bereiche des Elektronenemitters abschirmt und deren Potential zumindest annähernd dem Potential des Elektronenemitters entspricht.

Der Vorteil eines solchen flachen Elektronenemitters gegenüber einem Elektronenemitter aus einem helixförmig gewickelten Draht besteht darin, daß sich die Elektronenbahnen besser fokussieren lassen, so daß auf der Anode ein Brennfleck mit einer günstigeren Elektronendichteverteilung erzeugt wird. Gleichwohl reicht die erzielbare Elektronendichteverteilung im Brennfleck nicht an die eines idealen Flachemitters heran. Als idealer Flachemitter wird ein ebener Emitter mit der Dicke Null und ohne Durchbrüche bezeichnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich die Charakteristik des idealen Flachemitters wenigstens näherungsweise ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrode zum Anschluß an ein im Betriebszustand der Röntgenröhre gegenüber dem Elektronenemitter negatives Potential von solcher Größe vorgesehen ist, daß die elektrische Feldstärke im Raum zwischen der Elektrode und dem Elektronenemitter mindestens 20% - vorzugsweise mindestens 100% - der Feldstärke auf der der Anode zugewandten Seite des Elektronenemitters beträgt.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß bei der bekannten Röntgenröhre das elektrische Feld bis in die Durchbrüche hineingreift, so daß die Äquipotentiallinien an der der Anode zugewandten Oberfläche des Elektronenemitters in die Durchbrüche hineingezogen werden. Im Bereich der Durchbrüche ergeben sich daher Elektronenbahnen, die von denen eines idealen Flachemitters abweichen und verhindern, daß die Charakteristik dieses idealen Flachemitters erreicht werden kann. Dadurch, daß die Elektrode auf der von der Anode abgewandten Rückseite des Elektronenemitters ein negatives Potential führt, werden die Äquipotentiallinien aus den Durchbrüchen zurückgedrängt. Bei geeigneter Wahl des Potentials kann erreicht werden, daß die Äquipotentialflächen auf der der Anode zugewandten Vorderseite des Elektronenemitters nahezu eben sind. Die Elektronenbahnen verlaufen dann in der Nähe des Elektronenemitters überall geradlinig und senkrecht zu seiner Oberfläche.

Durch diese Maßnahmen vergrößert sich das Verhältnis zwischen der Fläche des Elektronenemitters und der Fläche des Brennflecks. Man kann also eine bestimmte Brennfleckgröße mit einem größeren Elektronenemitter erreichen. Um in dem Brennfleck eine bestimmte Elektronendichte zu erzielen, kann der Elektronenemitter auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden, wodurch sich seine Lebensdauer verlängert. Ein weiterer aus der Erfindung resultierender Vorteil ist, daß sich Lage und/oder Größe des Brennflecks leichter steuern lassen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung ist in Anspruch 2 angegeben. Der Elektronenemitter kann zwar auch eine andere Form als die eines Mäanders haben (z. B. die Form einer Spirale), doch ist ein Mäander einfacher herzustellen. Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird ein besserer Durchgriff der an der Rückseite des Elektronenemitters befindlichen Elektrode auf die Vorderseite des Elektronenemitters erreicht. Bei gleichbleibendem Abstand zwischen Elektronenemitter und Elektrode kann dadurch die elektrische Spannung zwischen diesen Teilen verringert werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung ist in Anspruch 4 angegeben. Grundsätzlich ist auch eine andere Form möglich, z. B. eine gekrümmte Form des Elektronenemitters. In diesem Fall müßte die Elektrode an diese Krümmung angepaßt sein.

Bei der im Anspruch 5 angegebenen Lage des Elektronenemitters können Elektronenemitter und Kathodentopf dasselbe Potential führen.

Die bessere Steuerbarkeit der Lage und/oder der Größe des Brennflecks läßt sich durch die in Anspruch 6 angegebenen Maßnahmen ausnutzen. Durch Variation der Ströme in der Quadrupoleinheit können die Abmessungen des Brennflecks stufenlos variiert werden.

Ein Röntgeneinrichtung mit einer Röntgenröhre nach Anspruch 1 ist im Anspruch 7 angegeben. Die Ausgestaltung nach Anspruch 8 bewirkt dabei, daß die Vorspannung der Elektrode in Abhängigkeit von der Röhrenspannung (d. h. der Spannung zwischen Anode und Kathode) so variiert wird, daß sich im Bereich des Elektronenemitters stets der optimale Feldverlauf ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Röntgenröhre, bei der die Erfindung anwendbar ist, in schematischer Darstellung,

Fig. 2 die Kathodenanordnung einer solchen Röhre,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils dieser Anordnung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Röntgeneinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre und

Fig. 5a bis b die Elektronenbahnen verschiedener Elektronenemitter

Die in Fig. 1 dargestellte Drehanoden-Röntgenröhre besitzt eine im Betriebszustand rotierende Anodenscheibe 1 und eine Kathodenanordnung 2. Die Kathodenanordnung 2 ist über einen Isolator 3 mit dem Metallgehäuse 4 der Röntgenröhre verbunden. Auch die Anode 1 kann über einen Isolator mit dem Gehäuse 4 verbunden sein oder das Potential des (geerdeten) Gehäuses führen. Die aus der Kathode emittierten Elektronen treffen in einem Brennfleck auf die Anode auf und erzeugen dort Röntgenstrahlung, die durch ein Fenster 5 die Röntgenröhre verlassen kann.

Die in Fig. 1 dargestellte Röntgenröhre ist eine Drehanoden-Röntgenröhre, wie sie bei medizinisch diagnostischen Untersuchungen verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch auch bei Röntgenröhren mit feststehenden Anoden bzw. bei Röntgenröhren anwendbar, die im nicht medizinischen Bereich verwendet werden.

Fig. 2 zeigt die Kathodenanordnung in einem Querschnitt. Man erkennt einen Kathodentopf 201, der mit einem Gesenk 202 versehen ist, das der Fokussierung des Elektronenstrahls dient. Am Boden in der Mitte des Gesenkes befindet sich ein Schlitz 204, dessen Längsrichtung radial zur Rotationsachse der Anodenscheibe 1 verläuft.

Wie Fig. 3, die diesen Schlitz vergrößert darstellt, deutlich zeigt, befindet sich in dem Schlitz ein flacher, ebener Elektronenemitter 203, dessen Vorderseite (das ist die der Anode 1 zugewandte Seite) mit dem Boden des Gesenks in einer Ebene liegt. Der Elektronenemitter hat die Form eines Mäanders, dessen einzelne Stege senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3 - und damit in Längsrichtung des Schlitzes 204 verlaufen. Die Durchbrüche zwischen benachbarten Stegen haben eine Abmessung von ca. 0,1 mm, während die Breite der Stege (das ist die Abmessung in der senkrechten Richtung in der Zeichenebene) ca. 0,2 mm beträgt. - Die Stege 203 können aber auch senkrecht zur Längsrichtung des Steges 204 verlaufen - ähnlich wie bei der US-PS 4 344 011. Sie lassen sich dann leichter herstellen. Der Elektronenemitter 203 wird durch einen im Betriebszustand durch ihn hindurch fließenden elektrischen Strom aufgeheizt, sodaß er Elektronen emittieren kann.

Das im Betriebszustand erzeugte Feld zwischen Anode und Kathode greift in das Gesenk 202 und in die Durchbrüche zwischen den Stegen hinein. Ohne Kompensation würden die Äquipotentialflächen also in die Durchbrüche zwischen den Stegen des Elektronenemitters 203 hineingezogen, was zu den eingangs erläuterten negativen Konsequenzen führen würde. Um diese zu vermeiden, ist in dem Schlitz auf der Rückseite des Elektronenemitters 203 eine Elektrode 205 angeordnet, die ein gegenüber dem Elektronenemitter 203 negatives Potential führt.

Fig. 4 stellt ein stark vereinfachtes, schematisches Blockschaltbild einer Röntgeneinrichtung mit der erfindungsgemäßen Röntgenröhre dar. Diese ist an den Ausgang eines ersten Gleichrichters 91 angeschlossen, der eine Gleichspannung im Bereich zwischen 40 und 125 kV liefert. Eine zweiter Gleichrichter 92, an dessen positiven Ausgangsanschluß der Elektronemitter 203 und an dessen negativen Ausgangsanschluß die Elektrode 205 angeschlossen sind, liefert die einige kV betragende negative Vorspannung der Elektrode 205 gegenüber dem Elektronenemitter 203. Eine Heizstromquelle die den Elektronenemitter aufheizt, sodaß daraus Elektronen emittiert werden können, ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Die negative Vorspannung der Elektrode 205 gegenüber dem Elektronenemitter 203 ist nun so gewählt, daß sich auf der Vorderseite des Elektronenemitters - und zwar auch im Bereich der Durchbrüche zwischen den Stegen - ein annähernd ebener Verlauf der Äquipotentialflächen ergibt.

Der die Röntgenröhre 100 speisende Röntgengenerator kann auch einen anderen Aufbau haben. Wesentlich ist, daß er eine (zusätzliche) Gleichspannungsquelle zur Erzeugung einer Gleichspannung zwischen Elektronenemitter 203 und Elektrode 205 enthält, die sich vorzugsweise proportional entsprechend der Hochspannung zwischen Anode und Kathode ändert. (Diese Bedingung wird von der in Fig. 4 stark vereinfacht dargestellten Schaltung mit dem mit seiner Primärwicklung 81 an einen Wechselrichter angeschlossenen Transformator 8, an dessen Sekundärwicklungen 82 und 83 die Gleichrichter 91, 92 angeschlossen sind, nur mit Einschränkungen erfüllt.)

Da der Elektronenemitter den Durchgriff des zwischen ihm und der Elektrode bestehenden elektrischen Feldes behindert, muß das elektrische Feld an der Rückseite des Elektronenemitters stärker sein als an der Vorderseite. Um wieviel es stärker sein muß, hängt von der Dicke der Stege (das sind die in der Zeichenebene von Fig. 3 horizontal verlaufenden Abmessungen), von ihrer Breite und von ihrem gegenseitigen Abstand ab. Eine Möglichkeit, um den Durchgriff des von der Elektrode 205 erzeugten elektrischen Feldes auf die Vorderseite des Elektronenemitters zu verbessern, besteht darin, die Seitenflächen der einzelnen Stege des Elektronenemitters abzuschrägen, so daß diese sich zur Elektrode 203 hin verjüngen bzw. die Durchbrüche sich zur Elektrode hin erweitern.

Wenn die elektrische Feldstärke hinter dem Elektronenemitter genauso groß ist, wie die elektrische Feldstärke vor dem Elektronenemitter, dann ist zwar eine vollständige Kompensation der durch die Durchbrüche im Elektronenemitter hervorgerufenen Feldverzerrungen nicht möglich, jedoch ergibt sich immer noch ein positiver Effekt. Bei einem Wert von weniger als 20% der Feldstärke auf der Vorderseite ist die negativ vorgespannte Elektrode 205 praktisch wirkungslos.

Die Wirkung der Erfindung im Vergleich zu anderen Ausführungsformen einer Elektrodenanordnung ergibt sich aus den Fig. 5a bis d. Die Darstellung in diesen Figuren ist dabei in der Weise verzerrt, daß der Maßstab für die vertikalen Abmessungen mehrfach so groß ist wie der Maßstab für die horizontalen Abmessungen.

Fig. 5a zeigt die Elektronenbahnen bei einem helixförmig gewickelten Draht 203' als Elektronenemitter (dessen Querschnitt wegen der verzerrten Darstellung ellipsenförmig erscheint). Der Verlauf der Elektronenbahnen hängt davon ab, an welcher Stelle des Elektronenemitters die Elektronen austreten. Trotz Fokussierung (nicht näher dargestellt) treffen sich die Elektronen daher in einem vergleichsweise großen Querschnitt. In Fig. 5b sind dem die Verhältnisse bei einem idealen Flächenemitter gegenübergestellt. Alle Elektronenbahnen starten senkrecht zur Oberfläche des Emitters, bis sie sich unter der Wirkung eines fokussierenden Feldes in einem Brennfleck minimaler Größe treffen.

Fig. 5c zeigt die Verhältnisse bei einem realen mäanderförmigen Elektronenemitter. In den Randbereichen der Stege des Elektronenemitters sind die Elektronenbahnen gekrümmt, was trotz der Fokussierung zu einer Vergrößerung des Brennflecks (im Vergleich zum idealen Flächenemitter) führt. Allerdings ist der Brennfleck deutlich kleiner als bei einem helixförmig gewickelten Elektronenemitter.

Fig. 5d zeigt die Verhältnisse bei der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung mit einer negativ vorgespannten Elektrode auf der Rückseite des mäanderförmigen Elektronenemitters. Die Elektronen werden auf zunächst senkrecht zum Elektronenemitter verlaufenden Bahnen beschleunigt, um danach im Brennfleck fokussiert zu werden. Die Verhältnisse sind nicht ganz so günstig wie bei Fig. 56, jedoch deutlich besser als bei den flachen, mäanderförmigen Emitter ohne die Elektrode (Fig. 5c). Der Schlitz ist mit Vorsprüngen 206 versehen, die die Ränder der Elektrode, deren Abmessungen größer sind als die des Elektronenemitters, abschirmen.

Claims (8)

1. Röntgenröhre mit einer Anode (1) und mit einer Kathodenanordnung (2), die einen Kathodentopf (201) zur Elektronenfokussierung, einen flachen, mit Durchbrüchen versehenen Elektronenemitter (203) und eine Elektrode (205) aufweist, die auf der von der Anode abgewandten Seite des Elektronenemitters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zum Anschluß an ein im Betriebszustand der Röntgenröhre gegenüber dem Elektronenemitter negatives Potential von solcher Größe vorgesehen ist, daß die elektrische Feldstärke im Raum zwischen der Elektrode und dem Elektronenemitter mindestenst 20% - vorzugsweise mindestens 100% - der Feldstärke auf der der Anode zugewandten Seite des Elektronenemitters beträgt.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenemitter (203) die Form eines Mäanders hat.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche einen sich zur Elektrode hin erweiternden Querschnitt haben.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (205) und der Elektronenemitter (203) eben sind.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenemitter (203) sich in einem Schlitz (204) im Kathodentopf (201) befindet, dessen Oberkante bündig zu der der Anode zugewandten Oberfläche des Elektronenemitters (203) verläuft, und daß der Kathodentopf und der Elektronenemitter zumindest annähernd das gleiche Potential haben.

6. Röntgenröhre nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Quadrupol-Einheit (6) zur Steuerung der Größe und/oder der Lage des auf der Anode erzeugten Brennflecks.

7. Röntgeneinrichtung mit einem Röntgengenrator und einer Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Röntgengenerator eine Spannungsquelle (83, 92) zur Erzeugung eines gegenüber dem Elektronenemitter (203) negativen Potentials an der Elektrode (205) aufweist.

8. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 7 mit einem Hochspannungserzeuger zur Erzeugung einer Spannung zwischen Anode und Kathode im Betriebszustand der Röntgenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (83, 92) so mit Hochspannungserzeuger (81, 82, 91) gekoppelt ist, daß die vom Hochspannungserzeuger und von der Spannungsquelle gelieferten Spannungen in einem festen, von der Spannung zwischen Anode und Kathode unabhängigen Verhältnis stehen.