DE102005018342B4

DE102005018342B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102005018342B4
Application number: DE102005018342A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bernhardt Philipp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: DE102005018342A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (R) mit einem eine Kathode (4) und eine Transmissionsanode (2) aufweisenden Drehkolbenstrahler, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Beschleunigen von Elektronen mit einer zwischen der Kathode (4) und der Transmissionsanode (2) anliegenden Beschleunigungsspannung von zumindest 200 kVp vorgesehen ist, und dass der Transmissionsanode (2) in Strahlrichtung ein aus Öl gebildeter 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 einem eine Kathode und eine Transmissionsonode aufweisenden Drehkolbenstrahler.
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.
Aus der DE 198 60 115 C2 ist ein Drehkolbenstrahler mit Transmissionsanode bekannt, bei welchem die Transmissionsanode direkt auf der Innenwand eines Bodenteils des Vakuumgehäuses angeordnet ist. Das Bodenteil des Vakuumgehäuses ist transparent für Röntgenstrahlung. Das Bodenteil kann von außen direkt mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden.
Die DE 42 28 559 A1 betrifft einen Drehkolbenstrahler mit Transmissionsanode, bei welcher der Öffnungswinkel zwischen der Einfallsrichtung der Elektronen und der Richtung der durch die Trägerschicht hindurch emittierten Röntgenstrahlen mit der Betriebsspannung variiert wird. Die Betriebsspannung liegt dabei im Bereich zwischen 50 kV und 500 kV.
Aus der DE 27 29 833 A1 ist eine aus mehreren Kathoden und einer ringförmigen Transmissionsanode aufgebaute Röntgenvorrichtung bekannt, welche als Strahlenquelle für die Herstellung von Schichtbildern verwendet wird. Eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Röntgenvorrichtung kann dabei durch eine geeignete Wahl der Schichtdicke der Anode erreicht 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 6 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5 und 7 bis 9.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Mittel zum Beschleunigen von Elektronen mit einer zwischen der Kathode und der Transmissionsanode anliegenden Beschleunigungsspannung von zumindest 200 kVp vorgesehen.
Nach Maßgabe der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der Transmissionsanode in Strahlrichtung ein aus Öl gebildeter 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 200 bis etwa 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 alternativen Ausgestaltung kann der Moderator auch außerhalb eines die Transmissionsanode aufnehmenden Vakuumgehäuses angeordnet sein. Die Transmissionsanode kann Bestandteil eines der Kathode gegenüberliegenden Bodens einer Drehkolbenröhre sein. In diesem Fall kann das als Moderator die Drehkolbenröhre umgebende Öl auch als Kühlmittel dienen.
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-Computertomographen oder einer mammographischen Röntgenvorrichtung sein.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit der beschriebenen Vorrichtung 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, aus Öl gebildeten 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 Photonen/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 gegenüberliegender 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 Transmissionsanode 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 einem eine Kathode (4) und eine Transmissionsanode (2) aufweisenden Drehkolbenstrahler, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Beschleunigen von Elektronen mit einer zwischen der Kathode (4) und der Transmissionsanode (2) anliegenden Beschleunigungsspannung von zumindest 200 kVp vorgesehen ist, und dass der Transmissionsanode (2) in Strahlrichtung ein aus Öl gebildeter 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) außerhalb eines die Transmissionsanode (2) aufnehmenden Vakuumgehäuses (D) angeordnet 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 einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 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 Energie der von der Transmissionsanode (2) abgestrahlten Röntgenstrahlung (R) mit einem in Strahlrichtung nachgeordneten, aus Öl gebildeten Moderator (3), und c) Ausblenden eines Teils der abgestrahlten Röntgenstrahlung (R) mit einer in Strahlrichtung nachgeordneten Blende (5)
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Moderator (3) außerhalb eines die Transmissionsanode (2) aufnehmenden Vakuumgehäuses (D) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Transmissionsanode (2) und/oder der Moderator (3) gekühlt wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Transmissionsanode (2) Bestandteil einer medizintechnischen Bilderzeugungseinrichtung ist.