DE102005018342A1

DE102005018342A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102005018342A1
Application number: DE102005018342A
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr. Bernhardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: DE102005018342B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (R) mit einer Kathode (4) und einer Transmissionsanode (2). Zur Erhöhung des Wirkungsgrads wird vorgeschlagen, dass der Transmissionsanode (2) in Strahlrichtung ein Moderator (3) zur Absorption eines vorgegebenen Anteils der Energie der Röntgenstrahlung (R) und eine Blende (5) nachgeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einer Kathode und einer Transmissionsanode.

Derartige Vorrichtungen sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt. Zur Herstellung von Röntgenstrahlung, insbesondere im Bereich der Medizintechnik, wird ein von der Kathode auf die Transmissionsanode mit einer Röhrenspannung im Bereich von 20 kVp und 150 kVp beschleunigter Elektronenstrahl vom Anodenmaterial absorbiert. Die dabei gebildete Röntgenstrahlung tritt an der gegenüberliegenden Seite der dünnwandig ausgebildeten Transmissionsanode aus und wird dort abgegriffen. Um die durch die Absorption des Elektronenstrahls hervorgerufene Wärme abzuführen, kann die Transmissionselektrode rotiert und an einer Kühleinrichtung vorbei geführt werden.

Röntgenvorrichtungen mit Transmissionsanode haben den Nachteil, dass damit im Vergleich zu Röntgenvorrichtungen mit Winkelanoden geringere Röntgenleistungen erzeugbar sind. Andererseits haben sie aber den Vorteil, dass die gebildete Röntgenstrahlung keine geometrisch bedingten Intensitätsunterschiede aufweist, d. h. es tritt der so genannte "Heel-Effekt" nicht auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, mit denen mit einem hohen Wirkungsgrad und unter Vermeidung des Heel-Effekts Röntgenstrahlung erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11 und 13 bis 22.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass der Transmissionsanode in Strahlrichtung ein Moderator zur Absorption eines vorgegebenen Anteils der Energie der Röntgenstrahlung und eine Blende nachgeordnet sind. – Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es möglich, den Elektronenstrahl mit besonders hohen Beschleunigungsspannungen von etwa 200 bis 1000 kVp auf die Transmissionsanode zu beschleunigen. Es wird infolgedessen ein hoch energetisches Röntgenspektrum erzeugt, das sich insbesondere zur Herstellung von medizinischen Röntgenbildern nicht eignet. Zur Umwandlung des hoch energetischen Röntgenspektrums in ein zur Herstellung medizinischer Röntgenbilder geeignetes Röntgenspektrum ist erfindungsgemäß ein in Strahlrichtung nachgeordneter Moderator zur Absorption eines vorgegebenen Anteils der Energie der Röntgenstrahlung vorgesehen. Im Moderator wird die mittlere Quantenenergie der Röntgenquanten durch verschiedene Streuprozesse, beispielsweise den Comptoneffekt, verringert. Gleichzeitig wird der Anteil der Streustrahlung erhöht. Zum Ausblenden eines für die Erzeugung medizinischer Röntgenbilder geeigneten Röntgenstrahlenbündels ist nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung dem Moderator eine Blende nachgeordnet.

Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung kann Röntgenstrahlung mit einem gegenüber herkömmlichen Röntgenröhren mit Transmissionsanode wesentlich verbesserten Wirkungsgrad hergestellt werden. Der Moderator dient dabei insbesondere auch zum Abführen der durch die Absorption der Elektronen in der Transmissionselektrode gebildeten Wärme. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, den Brennfleck auf der Transmissionselektrode von 0,8 mm × 0,8 mm bei herkömmlichen Röntgenvorrichtungen auf nunmehr 8,0 mm × 8,0 mm zu steigern. Damit können bei gleicher Elektronendichte 100-mal mehr Quanten erzeugt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Moderator ein Stoff oder ein Stoffgemisch mit einer mittleren Kernladungszahl Z von weniger als 30, vorzugsweise weniger als 15, be sonders bevorzugt weniger als 10. Der Moderator kann ein im Wesentlichen Kohlenstoff enthaltender Feststoff sein. Es wird zweckmäßigerweise ein Material zur Herstellung des Moderators verwendet, welches einen Schmelzpunkt von zumindest 1000°C aufweist. Der Moderator kann insbesondere aus Grafit hergestellt sein. In diesem Fall kann der Moderator an der Transmissionsanode angebracht sein.

Nach einer alternativen Ausgestaltung kann der Moderator auch außerhalb eines Transmissionsanode aufnehmenden Vakuumgehäuses angeordnet sein. Die Transmissionsanode kann insbesondere auch Bestandteil einer Drehkolbenröhre sein. Sie kann Bestandteil eines der Kathode gegenüberliegenden Bodens einer Drehkolbenröhre sein. In diesem Fall kann als Moderator auch ein die Drehkolbenröhre zu Kühlungszwecken umgebendes Öl sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Einrichtung zum Kühlen der Transmissionsanode und/oder des Moderators vorgesehen. Sofern der Moderator ein Feststoff ist, kann in dessen Nähe eine Kühleinrichtung zur Aufnahme der vom Moderator abgestrahlten Wärme sein. Eine solche Kühleinrichtung kann beispielsweise heat-pipes umfassen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist eine Einrichtung zum Rotieren der Transmissionsanode vorgesehen. Damit kann die durch die Absorption des Elektronenstrahls entstehende Wärme auf eine größere Fläche verteilt und besonders effektiv abgeführt werden.

Die Blende ist zweckmäßigerweise relativ zur Transmissionsanode feststehend angeordnet. Es können auch mehrere Blenden, beispielsweise Lochblenden mit unterschiedlichen Lochdurchmessern, vorgesehen sein, welche an einer Scheibe aufgenommen sind. So ist es auf einfache Weise möglich, eine für den jeweiligen Zweck geeignete Blende zu wählen und durch Rotieren der Scheibe in eine den Brennfleck gegenüberliegende Position zu bringen. Damit ist es schnell und einfach möglich, ein Röntgenstrahlenbündel gewünschter Geometrie herzustellen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere Bestandteil einer medizintechnischen Bilderzeugungseinrichtung, beispielsweise eines Röntgen-Computertomografen oder einer mammographischen Röntgenvorrichtung sein.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit folgenden Schritten vorgesehen:

a) Beschleunigen von Elektronen mit einer zwischen einer Kathode und einer Transmissionsanode anliegenden Beschleunigungsspannung von zumindest 200 kVp,
b) Absorbieren eines vorgegebenen Anteils der von der Transmissionsanode abgestrahlten Röntgenenergie mit einem in Strahlrichtung nachgeordneten Moderator, und
c) Ausblenden eines Teils der aus dem Moderator austretenden Röntgenstrahlung mit einer in Strahlrichtung nachgeordneten Blende.

Infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Beschleunigungsspannung von zumindest 200 kVp kann der Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung erheblich verbessert werden. Mit der Zunahme der Beschleunigungsspannung steigt der in Strahlrichtung abgegebene Anteil der Brennstrahlung. Abgesehen davon werden im Moderator Fotonen/Elektronenkaskaden ausgelöst und damit die Gesamtzahl der Röntgenquanten weiter erhöht. Wegen der weiteren Vorteile des Verfahrens wird auf die vorangegangenen Ausführungen verwiesen. Die in Bezug auf die Vorrichtung erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für das Verfahren.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.
Bei der in 1 schematisch gezeigten Röntgenvorrichtung trifft ein mittels eines Hochspannungsgenerators (hier nicht gezeigt) beschleunigter Elektronenstrahl 1 auf eine Transmissionsanode 2 auf, die beispielsweise aus Wolfram hergestellt ist. Der Transmissionsanode 2 ist in Strahlrichtung einer Röntgenstrahlung R ein Moderator 3 nachgeordnet. Der Moderator 3 ist an einer einer Kathode 4 gegenüberliegenden Seite der Transmissionsanode 2 angebracht und beispielsweise aus Grafit hergestellt. Mit dem Bezugszeichen 5 ist eine beispielsweise aus Blei hergestellte Blende bezeichnet.
Bei dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Drehkolbenstrahler, bei dem ein einer Kathode 4 gegenüberliegendes Boden eines um eine Achse A rotierbaren Drehkolbens D die Transmissionsanode 2 bildet. Sie kann auch hier aus Wolfram hergestellt sein. Zur Ablenkung des mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneten Elektronenstrahls sind (hier nicht gezeigte) Magnetvorrichtungen im Bereich einer Einschnürung des Drehkolbens D vorgesehen. Der Drehkolben D ist von einem Gehäuse 6 umgeben, welches beispielsweise aus einem Kunststoff, insbesondere PEEK, hergestellt sein kann. Das Gehäuse 6 kann mit einer beispielsweise aus Blei hergestellten Abschirmung 7 umgeben sein, welche die Blende 5 umfasst. In einem zwischen dem Gehäuse 6 und dem Drehkolben D befindlichen Zwischenraum ist ein Öl 8 aufgenommen, welches gleichzeitig als Kühlmittel und als Moderator 3 dient.
Die Funktion der gezeigten Vorrichtungen ist folgende:
Ein mit einer Beschleunigungsspannung von zumindest 200 kVp beschleunigter Elektronenstrahl 1 trifft auf die Transmissi onsanode 2 auf. Infolge der Absorption des Elektronenstrahls 1 entstehen Wärme und Röntgenstrahlung R. Die Röntgenenergie des erzeugten Röntgenspektrums wird im Moderator 3 durch Streuprozesse, beispielsweise Comptonstreuung, vermindert und tritt an einer der Transmissionsanode 2 gegenüberliegenden Seite des Moderators 3 aus. Mit einer in Strahlrichtung nachgeordneten Blende 5, wird ein gewünschtes Bündel an Röntgenstrahlung R ausgeblendet und verlässt die Vorrichtung.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (R) mit einer Kathode (4) und einer Transmissionsanode (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Transmissionsanode (2) in Strahlrichtung ein Moderator (3) zur Absorption eines vorgegebenen Anteils der Energie der Röntgenstrahlung (R) und eine Blende (5) nachgeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Moderator (3) ein Stoff oder ein Stoffgemisch mit einer mittleren Kernladungszahl Z von weniger als 30, vorzugsweise weniger als 15, besonders bevorzugt weniger als 10, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Moderator (3) ein im Wesentlichen Kohlenstoff enthaltender Feststoff ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoff einen Schmelzpunkt von zumindest 1000°C aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Moderator (3) an der Transmissionsanode (2) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Moderator (3) außerhalb eines die Transmissionsanode (2) aufnehmenden Vakuumgehäuses (D) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transmissionsanode (2) Bestandteil einer Drehkolbenröhre ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Moderator (3) ein Öl ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einrichtung zum Kühlen der Transmissionsanode (2) und/oder des Moderators (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einrichtung zum Rotieren der Transmissionsanode (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Bestandteil einer medizintechnischen Bilderzeugungseinrichtung.
Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (R) mit folgenden Schritten: a) Beschleunigen von Elektronen mit einer zwischen einer Kathode (4) und einer Transmissionsanode (2) anliegenden Beschleunigungsspannung von zumindest 200 kVp, b) Absorbieren eines vorgegebenen Anteils der von der Transmissionsanode (2) abgestrahlten Röntgenstrahlung (R) mit einem in Strahlrichtung nachgeordneten Moderator (3), und c) Ausblenden eines Teils der abgestrahlten Röntgenstrahlung (R) mit einer in Strahlrichtung nachgeordneten Blende (5).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Moderator (3) ein Stoff oder ein Stoffgemisch mit einer mittleren Kernladungszahl Z von weniger als 30, vorzugsweise weniger als 15, besonders bevorzugt weniger als 10, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei als Moderator (3) ein im Wesentlichen Kohlenstoff enthaltender Feststoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Feststoff einen Schmelzpunkt von zumindest 1000°C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Moderator (3) an der Transmissionsanode (2) angebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Moderator (3) außerhalb eines die Transmissionsanode (2) aufnehmenden Vakuumgehäuses (D) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Transmissionsanode (2) Bestandteil einer Drehkolbenröhre ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei als Moderator (3) ein Öl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei die Transmissionsanode (2) und/oder der Moderator (3) gekühlt wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die Transmissionsanode (2) rotiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei die Transmissionsanode (2) Bestandteil einer medizintechnischen Bilderzeugungseinrichtung ist.