DE10147473A1

DE10147473A1 - Drehanodenröntgenröhre

Info

Publication number: DE10147473A1
Application number: DE10147473A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kutschera; Eberhard Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: US20030058995A1; US6735283B2; DE10147473C2

Abstract

Es wird eine Drehanodenröntgenröhre, vorgestellt die insbesondere für den Einsatz in CT-Anlagen bestimmt ist. Die Röntgenröhre umfasst ein Vakuumgehäuse (2) in dem eine Elektronenstrahlen emittierende Kathode (3) fest und eine Röntgenstrahlen emittierende Anode (11) rotierend angeordnet sind. Die Anode (11) ist an einem Rotationskörper (6) angeordnet, welcher der Kathode (3) zugewandt eine Brennbahn (12) aus bei Betrieb der Röhre aufschmelzendem Targetmaterial aufweist. Die Anordnung ist so getroffen, dass das bei Betrieb der Röhre aufschmelzende Targetmaterial durch die Fliehkräfte des Rotationskörpers (6) bei Umlauf um die Kathode (3) an der Anode (4) gebunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehanodenröntgenröhre, die insbesondere als Hochleistungsröntgenröhre in CT-Anlagen vorgesehen ist.
Problematisch bei Drehanodenröntgenröhren ist, dass die Brennbahn des Targets, also die Anodenfläche, auf der die von der Kathode emittierten Elektronenstrahlen auftreffen, während des Röhrenbetriebs einem ständigen Verschleiß unterworfen ist. Dieser Verschleiß führt einerseits zu einer Veränderung der spektralen Zusammensetzung der meist in einem flachen Winkel emittierten Röntgenstrahlung. Andererseits wird wegen der unter flachem Winkel emittierten Strahlung die nutzbare Röntgendosis verringert. Ein weiteres Problem stellt sich durch das Ablösen von Partikeln aus der Brennbahn dar, weil es dabei zu vermehrten Überschlägen in der Röntgenröhre kommen kann.
Um den Verschleiß der Brennbahn zu reduzieren, ist es bekannt, dem Anodenmaterial, in der Regel Wolfram, einen Anteil von Rhenium beizumischen. Diese Maßnahme wirkt sich zwar günstig auf die Haltbarkeit der Anode aus, sie beseitigt aber nicht die angesprochenen Probleme.

In der DE-PS 89 02 46 wird vorgeschlagen, eine fest angeordnete Anode vorzusehen und die Brennbahn der Anode als umlaufende metallische Flüssigkeit auszubilden. Eine solche Ausbildung soll den Vorteil haben, dass der Brennfleck ständig erneuert wird und die Röntgenröhre wesentlich höher belastet werden kann. Als Flüssigkeit wird in der zitierten Literatur Quecksilber angegeben, welches in einem evakuierten geschlossenen Behälter, z. B. aus Glas, angeordnet ist. Der Behälter wird bei Betrieb der Röhre mittels eines elektromagnetischen Drehfeldes in Rotation versetzt, wobei unter dem Einfluß des Drehfeldes die metallische Flüssigkeit bei ihrem Umlauf einen Rotationsparaboloiden bildet. In der Wandung des die metallische Flüssigkeit aufnehmenden Behälters befindet sich eine Öffnung, durch welche die von der Kathode kommenden Elektronen auf die Außenfläche des Quecksilberkörpers gelangen können. Der auf diese Weise erzeugte Röntgenstrahl hat dann ungefähr die Form eines Kegels. Zum Auffangen des bei Rotation durch die erwähnte Öffnung herausspritzenden Quecksilbers ist eine Auffangeinrichtung vorgesehen, die auch einen Raum für die Kondensation des Quecksilberdampfes umfasst.

Es ist offensichtlich, dass eine solche Ausbildung und Anordnung einer Flüssigkeitsanode nicht nur konstruktiv sehr aufwendig, sondern an sich schon wegen des Quecksilbers sehr problematisch und insbesondere wegen des hohen Dampfdruckes des Quecksilbers technisch nicht für Hochleistungsröhren geeignet ist.

Auch andere, in jüngerer Zeit bekannt gewordene Ausführungen von Röntgenröhren mit einem flüssigen metallischen Target (US-PS 6,185,277; US-PS 5,052,034) sind mit den oben erwähnten Nachteilen behaftet; sie sind außerdem nicht für den Einsatz bei Drehanodenröntgenröhren der eingangs genannten Gattung geeignet.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehanodenröntgenröhre anzugeben, die insbesondere für Hochleistungsröhren in CT-Anlagen einsetzbar ist, mit der die vorgenannten Nachteile vermieden werden und mit der insbesondere die Lebensdauer der Anode auf kostengünstige Art und Weise erhöht werden kann.

Die Erfindung fußt auf der Erkenntnis, die Brennbahn der Anode im Betrieb aufzuschmelzen und damit ständig zu glätten bzw. während des Betriebs geglättet zu halten. Damit das aufgeschmolzene Material nicht durch Fliehkräfte bei der Rotation der Anode davon geschleudert wird, ist die Anordnung so getroffen, dass die Fliehkräfte das aufgeschmolzene Material an Ort und Stelle halten und zugleich die Ausbildung einer parabolischen Oberfläche vermieden wird.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Drehanodenröntgenröhre ist vom Design vergleichsweise einfach zu gestalten und benötigt kein Auffangbehältnis wie bei der vorerwähnten Ausführung nach dem Stand der Technik.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Anode an einem Rotationskörper angeordnet, der eine ringförmige Brennbahn aufweist. Der Rotationskörper kann zylindrisch oder auch trichterförmig ausgebildet sein, wobei bei letzterem Design die Anode mit der Brennbahn am erweiterten Ende des Rotationskörpers angeordnet ist.

Als im Betrieb aufschmelzendes Targetmaterial kann an sich Wolfram vorgesehen werden. Nachdem Wolfram aber oberhalb seines Schmelzpunktes schon einen Dampfdruck hat, der bei üblichem Design einer Kathoden/Anoden - Anordnung zu Überschlägen und Emissionsproblemen führen könnte, wird vorteilhafterweise eine (eutektische) Wolframlegierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb desjenigen von Wolfram und mit einem Dampfdruck von <0,1 hPa in der Umgebung der Schmelztemperatur gewählt.

Als weitere Materialien für die im Betrieb aufschmelzende Brennbahn kommen folgende Elemente in Frage: Tantal (Ta), Osmium (Os), Ruthenium (Ru), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Rhodium (Rh), Thorium (Th), Palladium (Pd), Gold (Au), Iridium (Ir), Rhenium (Re), Platin (Pt), Hafnium (Hf), Lanthan (La). Auch ein Legierungssystem aus den genannten Elementen, oder auch Borid- oder Carbidverbindungen aus den genannten Elementen können mit Vorteil zur Anwendung kommen.

Gemäß einer vorteilhaften Variante wird vorgeschlagen Kathode und Anode durch Trennwandungen voneinander abzuschirmen und so die Kathode vor Dämpfen aus dem Anodenmaterial zu schützen. Die Trennwandungen sind vorteilhafterweise im Bereich des Strahlendurchganges mit einer Blende versehen, die gegen den auftretenden Dampfdruck sperrt, dagegen für Elektronen mit kinetischen Energien, die anwendungstypisch oberhalb von etwa 60 keV liegen, weitgehend durchlässig ist. Eine solche Variante hat den Vorteil, dass man als aufschmelzbares Targetmaterial sogar reines Wolfram verwenden kann, insbesondere können Materialien mit höheren Dampfdrücken und damit Materialien mit höheren Schmelztemperaturen als z. B. Wolfram zugelassen werden.

Weitere vorteilhafte Varianten der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben und aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen zu entnehmen, die anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführung einer Drehanodenröntgenröhre nach der Erfindung,
Fig. 2 eine zweite Ausführung einer Drehanodenröntgenröhre nach der Erfindung,
Fig. 3 eine Variante zu der Ausführung nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Variante zu der Ausführung nach Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine erste Ausführung einer Drehanodenröntgenröhre nach der Erfindung. Die Drehanodenröntgenröhre ist als Hochleistungsröntgenröhre konzipiert, die vorzugsweise für den Einsatz in CT- Anlagen vorgesehen ist. In einer solchen CT-Anlage verläuft die mit 1 bezeichnete Symmetrieachse der Drehanodenröntgenröhre anwendungsgemäß parallel zur Längsachse des eigentlichen CT-Gerätes der Anlage.
Die Drehanodenröntgenröhre enthält ein Vakuumgehäuse 2 in welchem eine Kathode 3 so angeordnet ist, dass ihr Emitter 4 wie durch Pfeil angegeben, Elektronen radial emittieren kann. Das Vakuumgehäuse 2 kann aus Glas, Metall oder auch aus Keramik bestehen. Im Falle einer metallischen Ausführung ist dafür zu sorgen, dass die Kathode 3 durch eine entsprechende Isolierung 5 vom Vakuumgehäuse 2 elektrisch getrennt ist.
Der Emitter 4 kann, wie gezeigt, als Flachemitter, alternativ auch wendelförmig, ausgeführt sein.
Konzentrisch zur Symmetrieachse 1 ist im Vakuumgehäuse 2 ein Rotationskörper 6 drehbar gelagert. Die Lagerung des Rotationskörpers ist allgemein mit 7 bezeichnet und kann Wälzlager umfassen, die den nicht näher bezeichneten Lagerzapfen des Rotationskörpers axial und radial abstützen. Um die Drehanodenanordnung in Rotation versetzen zu können, ist ein elektrischer Antrieb 8 vorgesehen der einen mit dem Rotationskörper 6 fest verbundenen Rotor 9 aus elektrisch leitendem Werkstoff (Cu) und ein außerhalb des Vakuumgehäuses 2 angeordneten Stator 10 umfasst. Stator und Rotor bilden in an sich bekannter Weise einen Kurzschlussläufermotor, der den Rotationskörper 6 mit einer Frequenz von typischerweise 150 Hz antreibt.
Der Rotationskörper 6 ist, dem Antrieb 8 abgewandt, trichter- oder kegelförmig ausgebildet und trägt am freien Ende die Anode 11. Die trichterförmige Gestaltung des Rotationskörpers 6 ist zwar vorteilhaft weil sie eine platzsparende Unterbringung der Kathode ermöglicht, sie ist aber in dieser Form nicht zwingend notwendig. Denkbar und im Rahmen der Erfindung liegen deshalb auch andere Ausführungsformen eines Rotationskörpers, z. B. in Form eines zylindrischen Rohres, welches am einen Ende die Anode und am anderen Ende die Lagerung für den Antrieb aufnimmt.
Die Anode 11 ist ringförmig ausgeführt und umgibt die Kathode 3. Der Kathode 3 zugewandt enthält die Anode 11 eine Brennbahn 12 aus aufschmelzbarem Targetmaterial.
Mit aufschmelzbarem Material wird hier ein Material bezeichnet, welches bei Betrieb der Röhre, infolge der Erwärmung der Anode (typischerweise auf ca. 2800°C) vom festen in den flüssigen Zustand übergeht und vice versa nach Abschalten der Röhre.
Der Kathode 3 abgewandt enthält die Anode 11 ein Trägerteil 13 aus im Betrieb der Röhre nicht aufschmelzendem Material.
Zur Vermeidung von Reaktionen zwischen dem Targetmaterial und dem Trägerteil 13 kann letzteres aus Keramik oder auch aus Graphit, vorzugsweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff bestehen. Weitere vorteilhafte Materialien sind übliche Refraktärmetalle wie Molybdän (Mo), warmfeste Molybdän-Legierungen, Osmium (Os), Wolfram (W), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Tantal (Ta), Niob (Nb), Ruthenium (Ru), Vanadium (V), Bor (B).
Die im Betrieb aufschmelzende Brennbahn (12) besteht aus einer auf das Trägerteil 13 aufgebrachten etwa 0,5 bis 3 mm dicken Schicht aus Wolfram oder Wolframkarbid oder einem anderen geeigneten, bei Betrieb der Röhre aufschmelzendem Material. z. B. aus der chemischen Gruppe der Karbide oder Boride oder aus einem der bereits vorerwähnten Elemente.
Damit das bei der im Betrieb der Röhre aufschmelzende Material nicht durch Fliehkräfte bei Rotation der Anode davongeschleudert wird, ist das Trägerteil 13 mit einem entsprechend ausgebildeten Rand 15 versehen. Der Rand 15 ist vorteilhafterweise radial zur Symmetrieachse hin gerichtet und gegebenenfalls leicht nach innen gezogen angeordnet. Das bei Betrieb der Röhre aufschmelzende Targetmaterial wird so am Trägerteil 13 der Anode gebunden und ein Austreten aus dem Target verhindert.
Die Anode 11 ist in Bezug auf die Kathode 3 so angeordnet, dass die emittierten Röntgenstrahlen unter einem flachen Winkel α abgestrahlt werden und durch ein peripher im Vakuumgehäuse 2 angeordnetes Strahlenaustrittsfenster 14 austreten können.
Aus der Darstellung des Strahlenganges der Röntgenstrahlen einerseits und des Strahlenaustrittsfensters 14 andererseits ist entnehmbar, dass der Strahlengang der Röntgenstrahlen etwa um 45° zur Papierebene verläuft.
Gemäß einer vorteilhaften Variante wird vorgeschlagen, die Röntgenstrahlung durch den Kathodenhalter 16 zu leiten. Hierzu kann im Halter 16 ein als Vorblende wirkendes Strahlendurchtrittsfenster 17 angeordnet sein. Mit einer solchen Anordnung lässt sich eine Reduzierung der Extrafokalstrahlung erreichen.
Damit man die Röntgenröhre mit längeren Belichtungszeiten unter höherer Belastung fahren kann, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante vorgeschlagen, zumindest im Bereich der Anode 11, zweckmäßigerweise im ganzen Bereich des Kegels des Rotationskörpers 6, einen geeigneten Wärmespeicher 18 vorzusehen, der die bei Betrieb der Röhre entstehende Wärme kurzzeitig zwischenspeichern kann. Als Wärmespeicher hat sich eine auf den Rotationskörper aufgelötete Graphitschicht von etwa 10 bis 30 mm als vorteilhaft gezeigt.
Bei den in den Fig. 2 und 3 aufgezeigten Varianten ist die Anode 11 so ausgebildet, dass die Röntgenstrahlen in Pfeilrichtung durch das Trägerteil 13 hindurchtreten können. Eine solche Ausführung hat einen höheren Wirkungsgrad als die zuvor erläuterte Version.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist das Strahlenaustrittsfenster 14 zwar auch peripher aber direkt in Verlängerung der radialen Emission der Elektronen am Vakuumgehäuse 2 angeordnet. Das Trägerteil 13 besteht bei dieser Version aus für Röntgenstrahlen durchlässigem Material, z. B. aus Keramik, Graphit oder aus geeigneten Boriden. Die auf dem Trägerteil 13 aufgebrachte Targetschicht liegt vorteilhafterweise im Bereich von einigen wenigen µm, maximal bei etwa 10 µm. Damit ein chemischer Angriff auf das Material des Trägerteil 13 unterbunden wird, kann mit Vorteil zwischen der Targetschicht und dem Trägerteil eine Sperrschicht 19 von bis zu 20 µm Dicke aus im Betrieb nicht aufschmelzendem Material aufgebracht sein.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Variante einer Drehanodenröntgenröhre, bei der zwischen Kathode und Anode Trennwandungen 20 vorgesehen sind die die Kathode vor Ionenbeschuß und Eindringen von Dämpfen aus Anodenmaterial schützen. Die Trennwandungen 20 können zweckmäßigerweise Teil des Vakuumgehäuses sein und sind im Bereich des Strahlendurchganges mit einer Blende 21 versehen, die für Elektronen oberhalb von beispielsweise 60 keV weitgehend durchlässig ist, aber im Falle eines relativ hohen Dampfdruckes von z. B. >1 hPa (je nach Betriebstemperatur und gewähltem Targetmaterial) sperrt. Diese Variante hat den Vorteil, dass man, weil die Kathode vor Dämpfen aus Anodenmaterial geschützt ist, als aufschmelzbare Targetmaterialien solche mit relativ hohen Dampfdrücken wählen kann oder im Falle von Wolfram oder Rhenium (oder ähnlichen Refraktärmetallen) die Elektronenstrahlleistung erhöhen kann.
Die Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der zwar der Austritt der Röntgenstrahlen, wie bei der Version nach Fig. 1 beschrieben, seitlich unter einem flachen Winkel α erfolgt, bei der aber die Kathode 3 nicht direkt innerhalb des Rotationsbereiches der Anode liegt. Die Kathode 3 mit dem Kathodenhalter 22 ist hier etwas außerhalb des Rotationsbereiches angeordnet. Im Strahlengang der Elektronenemission ist eine Blende 23 angeordnet, die von einem am Vakuumgehäuse 2 befestigten Halter 24 getragen wird. Die Blende 23 ist so beschaffen, dass sie Elektronen durchlässt, dagegen den Durchtritt von Ionen verhindert. Der Blendenhalter 24 ist mit dem Vakuumgehäuse 2 elektrisch leitend verbunden und liegt an gleichem Potential wie der Rotationskörper 6, vorteilhafterweise an Masse. Der Raum zwischen Target und Blende 23 wird damit potentialfrei gehalten, was den Vorteil hat, dass es bei kurzzeitig höheren Dampfdrücken im Targetbereich zu keinen Überschlägen kommen kann. Der Emitter der Kathode ist außerdem vor erhöhtem Ionenbeschuss geschützt.

Claims

1. Drehanodenröntgenröhre, insbesondere für den Einsatz in CT- Anlagen, bei der eine fest angeordnete Kathode (3) und eine in Rotation versetzbare Anode (11) vorgesehen ist und bei der die Anode (11) mit einer Brennbahn (12) aus bei Betrieb der Röhre aufschmelzendem Targetmaterial versehen ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass das aufschmelzende Targetmaterial durch die Fliehkräfte des Rotationskörpers (6) bei Umlauf um die Kathode (3) an der Anode (4) gebunden wird.

2. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (11) an einem Rotationskörper (6) angeordnet ist der eine ringförmige Brennbahn (12) aufweist.

3. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (6) trichterförmig ausgebildet ist und die Anode (11) mit der Brennbahn (12) am erweiterten Ende des Rotationskörpers (6) angeordnet ist.

4. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (6) im Bereich der Brennbahn (12) mit einem Rand (15) versehen ist der das Austreten von aufschmelzendem Targetmaterial verhindert.

5. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlenbereich der Elektronenemission zwischen Kathode (3) und Anode (11) eine Blende (21, 23) aus für den Durchtritt von Elektronen durchlässigem, für den Durchtritt von Ionen dagegen sperrendem Material vorgesehen ist.

6. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (21) im Bereich des Strahlendurchganges von die Kathode (3) und die Anode (11) gegeneinander abschirmenden Trennwandungen (20) angeordnet ist.

7. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (23) an einem Halter (24) angeordnet ist, der elektrisch leitend mit einem die Anode (11) und Kathode (3) aufnehmenden Vakuumgehäuse (2) verbunden ist, derart, dass der Raum zwischen Anode (11) und Blende (19) potentialfrei gehalten ist.

8. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (11) und Blende (19) auf Massepotential liegen.

9. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (6) zumindest im Bereich der Anode (11) mit einer Wärme speichernden Schicht (18) versehen ist.

10. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (3) von einem Halter (16) getragen wird, durch den die Röntgenstrahlung geleitet wird und der Halter (16) im Strahlendurchgangsbereich mit einer als Vorblende dienenden Strahlendurchtrittsöffnung (17) versehen ist.

11. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial an einem Trägerteil (13) angeordnet ist, welches der Kathode (3) zugewandt die Brennbahn (12) und der Kathode abgewandt eine Sperrschicht (19) aus im Betrieb der Röhre nicht aufschmelzendem Material enthält.

12. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Trägerteil (13) Keramik, Graphit, ein kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff, oder ein Material aus der chemischen Reihe der Boride oder Carbide verwendet wird.

13. Drehanodenröntgenröhre nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (13) aus einem der folgenden Refraktärmetalle besteht: Molybdän (Mo), warmfesten Molybdän-Legierungen, Osmium (Os), Wofram (W), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Tantal (Ta), Niob (Nb), Ruthenium (Ru), Vanadium (V), Bor (B).

14. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Patentansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet dass als Material für den Rotationskörper (6) Graphit, faserverstärktes Graphit, Keramik, Molybdän, oder eine Molybdän- Legierung, verwendet wird.

15. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Patentansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die im Betrieb aufschmelzende Brennbahn (12) eines der Elemente Tantal (Ta), Osmium (Os), Ruthenium (Ru), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Rhodium (Rh), Thorium (Th), Palladium (Pd), Gold (Au), Iridium (Ir), Rhenium (Re), Platin (Pt), Hafnium (Hf), Lanthan (La), ein Legierungssystem aus den genannten Elementen, oder Borid- oder Carbidverbindungen aus den genannten Elementen verwendet werden.