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Die
Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler mit
einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode mit einer Oberfläche ausgestattet
ist, die unter Lasereinstrahlung Elektronen emittiert.
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Hochleistungs-Röntgenstrahler
besitzen üblicherweise
eine drehbar gelagerte Anode, um selbst unter Erzeugung von Röntgenstrahlen
mit hoher Strahlungsleistung eine hohe thermische Belastbarkeit
der Anode zu gewährleisten.
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In
der
DE 87 13 042 U1 ist
eine Röntgenröhre mit
einem evakuierten, um eine Drehachse drehbar gelagerten Gehäuse beschrieben,
in dem eine Kathode und eine Anode angeordnet sind. Die Kathode
und die Anode sind fest mit dem Gehäuse verbunden. Die Röntgenröhre verfügt über Antriebsmittel zum
Drehen des Gehäuses
um die Drehachse. Ein in Bezug auf das Gehäuse stationäres Ablenksystem lenkt einen
von der Kathode zu der Anode verlaufenden Elektronenstrahl derart,
dass er auf eine ringförmige
Auftreff-Fläche
auf der Anode trifft, wobei die Achse der ringförmigen Auftreff-Fläche der
Drehachse entspricht, die durch die Kathode verläuft. Da die Anode wärmeleitend
mit der Wand des Gehäuses verbunden
ist, ist eine hohe Wärmeabfuhr
von der Anode zur Außenfläche des
Gehäuses
gewährleistet.
Durch ein Kühlmittel,
das dem Gehäuse
beaufschlagt ist, ist eine effektive Kühlung möglich.
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Bei
dieser Anordnung ist durch die achsennahe Position der Kathode und
der achsenfernen Position der Auftreff-Fläche der Anode ein relativ langer Elektronenflugweg
vorhanden. Dies erzeugt Probleme bei der Fokussierung des Elektronenstrahls.
Dieses Problem tritt unter anderem bei der Erzeugung von weicher
Röntgenstrahlung
auf, bei der eine vergleichsweise geringe Spannung zwischen Kathode und
Anode angelegt wird.
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Durch
die geringere kinetische Energie der Elektronen erfolgt – bedingt
durch die Raumladungsbegrenzung – eine höhere Defokussierung des Elektronenstrahls.
Daher ist der Einsatz einer derartigen Röntgenröhre bei bestimmten Anwendungen,
wie beispielsweise bei der Mammographie, nur eingeschränkt möglich.
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In
der
US 4,821,305 wird
eine Röntgenröhre beschrieben,
bei der sowohl die Anode als auch die Kathode axialsymmetrisch in
einem Vakuumgehäuse angeordnet
sind, die als ganzes um eine Achse rotierbar ist. Die Kathode ist
somit drehbar gelagert und besitzt eine axialsymmetrische Oberfläche aus
einem Material, das unter Lichteinfall photoelektrisch Elektronen
emittiert (Photoelektronen). Die Elektronenemission wird durch einen
räumlich
stationären Lichtstrahl
ausgelöst,
der von außerhalb
des Vakuumgehäuses
durch ein transparentes Fenster auf die Kathode fokussiert wird.
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Die
Umsetzbarkeit dieses Konzeptes erscheint jedoch aufgrund der Quanteneffizienz
heutiger Photokathoden und der dadurch benötigten Lichtleistung fraglich.
Beim Einsatz von hoher Lichtleistung erfordert die Kühlung der
Photokathode aufgrund ihrer eher geringen Wärmebeständigkeit einen beträchtlichen
Aufwand. Zudem ist die Oberfläche der
Photokathode bei den in Röntgenröhren realisierten
Vakuumbedingungen Oxidationsprozessen unterworfen, was die Haltbarkeit
einer solchen Röntgenröhre begrenzt.
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In
der
US 5,768,337 ist
in einem Vakuumgehäuse,
in dem die Photokathode und die Anode angeordnet sind, zwischen
Photokathode und Anode ein Photomultiplier zwischengeschaltet. Dadurch
ist eine geringere optische Leistung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
nötig.
Der längere
Elektronenflugweg mit mehrfacher Ablenkung des Elektronenstrahls
zwischen den Dynoden erfordert einen hohen Aufwand zur Fokussierung
des Strahls.
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Durch
die
EP 0 147 009 B1 ist
ein Röntgen-Scanner,
insbesondere ein Computertomograph, bekannt. Dabei werden Röntgenstrahlen
von einem auf eine Anode treffenden Elektronenstrahl erzeugt. Unter
anderem wird die Möglichkeit
erwähnt, den
Elektronenstrahl durch thermoionisch emittierte Elektronen zu erzeugen,
indem eine Kathodenoberfläche
durch einen Lichtstrahl aufgeheizt wird. Durch die offenbarte Ausgestaltung
der Kathode mit einer Trägerschicht
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
soll die Oberfläche
der Kathode schnell erhitz- und abkühlbar sein. Dies erscheint
jedoch hinsichtlich der dann benötigten
Lichtleistung problematisch.
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Die
US 6,556,651 B1 beschreibt
ein System zur Erzeugung von therapeutischen Röntgenstrahlen. Unter anderem
wird allgemein die Möglichkeit
erwähnt,
dass der für
die Erzeugung von Röntgenstrahlung
benötigte
Elektronenstrahl von einer thermoionischen, von einem Laser geheizten
Kathode emittiert wird.
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Eine
Einkopplung eines Laserstrahls auf eine Kathode in einer abgeschlossene
Röntgenröhre sollte
allgemein möglichst
flexibel sein, um z. B. eine schnelle Änderung der Brennfleckgröße, die
durch die Größe des Laserbrennflecks
gegeben ist, zu ermöglichen.
Ferner muss diese Einkopplung industrietauglich sein, d. h., dass
die Optiken vor Verschmutzungen möglichst weitgehend geschützt sein
müssen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeit zur Einkopplung eines
Laserstrahls auf eine Kathode in einer abgeschlossenen Röntgenröhre bereitzustellen,
die besonders flexibel und industrietauglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Röntgenstrahler
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere den Unteransprüchen einzeln oder
in Kombination entnehmbar.
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Der
Röntgenstrahler
umfasst eine Anode, die Röntgenstrahlen
emittiert, eine Kathode, die Elektronen bei Bestrahlung durch einen
Laserstrahl thermoionisch emittiert, ein Mittel zum Anlegen einer Spannung
zwischen der Anode und der Kathode zur Beschleunigung der emittierten
Elektronen zur Anode hin unter Bildung eines Elektronenstrahls,
ein Vakuumgehäuse,
ein Mittel zur Kühlung
von Komponenten des Röntgenstrahlers,
und ein Mittel, um den Laserstrahl von einer stationären Quelle,
die außerhalb
des Vakuumgehäuses
angeordnet ist, auf einen räumlich
stationären
Laserbrennfleck auf der Kathode umzulenken. Es wird der Laserstrahl
somit nicht einfach von außen
auf die Kathode gerichtet, sondern aus der anfänglichen Strahlrichtung auf
die Kathode umgelenkt.
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Mit
diesem Röntgenstrahler
wird erreicht, dass eine Strahlführung
besonders einfach und flexibel eingestellt werden kann. Zudem kann
so ein großer
Abstand zwischen dem Ort der Einkopplung und dem Ort der Erzeugung
der Elektronen hergestellt werden, was eine Verschmutzung von Fenstern
stark reduzieren kann. Darüber
hinaus ist diese Art der Einkopplung auch für die Umsetzung in einem "non-mechanical CT" geeignet und kann
mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden. Auch sind besonders kompakte
Bauweisen möglich.
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Das
Mittel zum Lenken bzw. Strahlumlenken kann ein Reflektionselement,
z. B. einen Spiegel, eine total reflektierende Oberfläche usw.,
und/oder zumindest einen Lichtleiter umfasst.
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Der
obige Röntgenstrahler
ist im Typ nicht beschränkt
und kann z. B. auch auf sog. 'non-mechanical
CTs' angewendet
werden. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn das Vakuumgehäuse um eine
Achse drehbar ist, und der Röntgenstrahler
ein Mittel zur Rotation des Vakuumgehäuses um seine Achse umfasst. Dann
ist es für
eine kompakte Bauweise und einen zuverlässigen Betrieb vorteilhaft,
wenn der Laserstrahl aus einer Strahlrichtung im Wesentlichen parallel
zur Drehachse, insbesondere auf der Drehachse, durch das Umlenkmittel
von der Drehachse weg zur Kathode umgelenkt wird. Insbesondere bei
einem solchen drehbaren Aufbau ist es günstig, wenn die Kathode als
kreisförmiger
Ring ausgebildet ist.
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Es
ist besonders für
eine kompakte Bauweise vorteilhaft, wenn ein optisch transparentes
Fenster zum Durchtritt des Laserstrahls in das Vakuumgehäuse im Bereich
der Drehachse des Vakuumgehäuses
oder anodenseitig außerhalb
des Umfangs der Anode am Vakuumgehäuse vorgesehen ist. Es kann günstig sein,
wenn der Laserstrahl anodenseitig (also zumeist durch die Anode
hindurchlaufend) im Bereich der Drehachse in das Vakuumgehäuse einkoppelt.
Dann kann das Umlenkmittel im Vakuumbereich vorgesehen sein oder
bereits im Bereich der Anode vor dem Vakuum umgelenkt werden.
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Alternativ
kann der Laserstrahl kathodenseitig im Bereich der Drehachse in
das Vakuumgehäuse eingekoppelt
werden.
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Auch
kann der Laserstrahl zwischen Anode und Kathode geführt und
von dort aus in das Vakuumgehäuse
eingekoppelt werden.
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Es
ist zur einfachen Strahlführung
und Herstellung günstig,
wenn das Mittel zum Umlenken des Laserstrahls ein Reflexionselement
ist, das an der dem optisch transparenten Fenster gegenüberliegende
Elektrode angeordnet ist, also z. B. an der Anode, wenn der Laserstrahl
kathodenseitig eingekoppelt wird, und umgekehrt.
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Es
ist günstig,
wenn der Röntgenstrahler eine
Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls auf die Kathode
aufweist. Diese kann in das Mittel zum Umlenken des Laserstrahls
integriert sein.
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Es
ist aber auch möglich,
dass die Oberfläche
der Kathode auf einer Trägerschicht
aufgebracht ist, wobei der Laserstrahl durch die Trägerschicht
der Kathode hindurch auf die Oberflä che der Kathode umgelenkt wird,
z. B. ohne in das Vakuumgehäuse eintreten
zu müssen.
Es ist zur erhöhten
Einkopplungseffizienz und zum Schutz vor Bedampfung der Fenster
vorteilhaft, wenn die Kathode als kreisförmiger Ring ausgebildet ist,
insbesondere mit großem Durchmesser.
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Vorteilhaft
ist die Verwendung eines IR-Lasers.
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Der
Röntgenstrahler
wird nun anhand von Ausführungsbeispielen
genauer beschrieben der Erfindung sind in der beigefügten Zeichnung
dargestellt. Dabei sind funktional gleichwirkende Elemente mit gleichen
Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Vakuumgehäuses,
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2 einen
schematischen Teil-Längsschnitt
durch einen Teil einer weiteren Ausgestaltung des Vakuumgehäuses,
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3 bis 12 schematische Teil-Längsschnitte durch einen Teil
jeweils verschiedener Ausführungsformen
des Röntgenstrahlers.
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In 1 ist
eine dreidimensionale Darstellung eines Vakuumgehäuses 1 gezeigt.
Das Vakuumgehäuse 1 ist
dabei als Zylinder ausgebildet, bei dem der Zylindermantel aus einem
isolierenden Material besteht, und es ist rotationssymmetrisch um
eine Achse 3 gelagert. Eine Anode 5 bildet eine
Basis des Zylinders. Sie umfasst dabei eine Trägerschicht 7 und eine
ringförmig
ausgebildete Oberfläche 9,
von der aus Röntgenstrahlen 29 emittiert
werden. In der gegenüberliegenden
Basis des Vakuumgehäuses 1 (Zylinders)
befindet sich eine ringförmig
ausgebildete Kathode 11. Sie umfasst eine Trägerschicht 13,
die Teil der Außenseite
des Vakuumgehäuses 1 ist,
und eine Oberfläche 15,
die zur Innenseite des Vakuumgehäuses 1 zeigt.
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Die
hier dargestellte Anode 5 und Kathode 11 sind
achsensymmetrisch ausgebildet, so dass während der Drehung der Elektronenstrahl
bzw. der Laserstrahl stets auf die Oberfläche der Anode bzw. der Kathode
trifft. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Anode 5 und
die Kathode 11, insbesondere deren Trägerschichten 7, 13 so
auszubilden, dass sie lediglich eine diskrete Achsensymmetrie aufweisen.
Hierunter wird ein segmentweiser Aufbau der Kathode 11 bzw.
der Anode 5 verstanden, wobei eine Rotation der Kathode 11 bzw.
der Anode 5 um einen ganzzahligen Teiler von 360° zu einem
identischen Bild der Kathode 11 bzw. der Anode 5 führt; dabei
können Materialien
hoher mechanischer Festigkeit, die als Speichen in der Kathode bzw.
in der Anode angeordnet sind, Segmente von Materialien mit hoher
Emissionseffizienz tragen.
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Die
Oberfläche 15 der
Kathode 11 besteht vorzugsweise aus einem Material mit
einem niederen Dampfdruck und einem hohen Schmelzpunkt, wie z. B.
aus üblicherweise
bei Röntgenkathoden
eingesetztem Wolfram. Die Trägerschicht 13 ist
hinsichtlich ihrer Wärmekapazität, ihrer
Wärmeleitfähigkeit
und ihrer Dichte derart optimiert, dass die Temperatur der Oberfläche 15 nahe
an der für
die thermoionische Emission von Elektronen erforderliche Temperatur gehalten
wird. Dadurch wird eine geringere Leistung des Laserstrahls 19 benötigt. In
einer möglichen
Ausgestaltung ist die Trägerschicht 13 aus
dem gleichen Material wie die Oberfläche 15, wobei das
Material nicht in Reinform, sondern in einer versinterten Hohlkugelstruktur
verwendet wird. Dadurch sind die Dichte, die Wärmekapazität und/oder die Wärmeleitfähigkeit
der Trägerschicht 13 im
Vergleich zur Oberfläche 15 reduziert.
Dadurch kann die Temperatur der Oberfläche 15 nahe der Emissionstemperatur
für Elektronen
gehalten werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Laserstrahl asymmetrisch verformt (nicht dargestellt),
wodurch ein asymmetrischer Laserbrennfleck mit unterschiedlicher
Laserleistung innerhalb des Laserbrennflecks erzeugt werden kann.
Dadurch kann einerseits Laserleistung eingespart werden, andererseits
können am
Ein- und Austrittspunkt
der Kathode in den Laserbrennfleck annähernd gleich steile an- und
abfallende Temperaturflanken erzeugt werden, was zu einer effizienten
Elektronenemission auf konstantem Niveau über den Laserbrennfleck führt.
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Von
einer räumlich
stationären
Laserquelle 17 wird ein Laserstrahl 19 auf die
Kathode 11 gerichtet. Üblicherweise
ist die Laserquelle 17 als ein Dioden- oder ein Festkörperlaser
ausgestaltet. Der Laserstrahl 19 trifft dabei durch die
Trägerschicht 13 hindurch
in einem Laserbrennfleck 21 auf die Oberfläche 15 der
Kathode 11. Der Laserstrahl 19 wird durch optische
Mittel 18 in seiner Form, Intensität und/oder Zeitstruktur variiert,
wodurch über
die eingekoppelte Laserleistung die Elektronenstromstärke entsprechend
variiert werden kann. Dabei kann der Laserstrahl auch in Teillaserstrahlen
aufgespaltet werden. Jeder der Teillaserstrahlen erzeugt in diesem
Fall einen Teillaserbrennfleck, aus denen sich der Laserbrennfleck 21 zusammensetzt,
wodurch sich ein asymmetrischer Laserbrennfleck auf einfache Weise
realisieren lässt
und so eine Erhitzung und Abkühlung
durch einen zusammengesetzten Laserbrennfleck besser steuern lässt.
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Wenn
der Laserbrennfleck, wie in diesem Fall, von außerhalb des Vakuumgehäuses 1 durch die
Trägerschicht 13 hindurch
auf die Oberfläche 15 der
Kathode 11 trifft, sind die optischen Mittel 18,
die den Laserstrahl 19 in seinen Eigenschaften variieren, außerhalb
des Vakuumgehäuses 1 angeordnet. Falls,
wie später
in 2 gezeigt, der Laserstrahl über ein optisch transparentes
Fenster 63 in das Innere des Vakuumgehäuses 1 einfällt, können sich
die optischen Mittel 18 auch innerhalb des Vakuumgehäuses 1 befinden.
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Aus
dem Laserbrennfleck 21 treten Elektronen in Form einer
Elektronenwolke aus und werden durch die zwischen Kathode 11 und
Anode 5 angelegte Hochspannung in einem Elektronenstrahl 23 auf
die Anode 5 gerichtet. Der Elektronenstrahl 23 trifft dabei
die Oberfläche 9 der
Anode 5 in einem räumlich
stationären
Brennfleck 25. Durch die Rotation des Vakuumgehäuses 1 verteilt
sich die entstehende wärme
entlang des auf der Oberfläche 9 der Anode 5 gelegenen
Brennringes 27. Über
die Trägerschicht 7 der
Anode 5 wird die entstehende Wärme zur Außenseite des Vakuumgehäuses 1 geleitet.
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Vom
Brennfleck 25 tritt Röntgenstrahlung 29 aus,
wobei das Material an der Stelle des Vakuumgehäuses 1, aus dem die
Röntgenstrahlung 29 austritt, für Röntgenstrahlung 29 transparent
ist. Außerhalb des
Vakuumgehäuses 1 befindet
sich ein Magnetsystem 31, sodass der Elektronenstrahl 23 form-
und lenkbar ist. Alternativ können
statt des Magnetsystems 31 auch elektrostatische Mittel,
beispielsweise Kondensatoren, angebracht werden, anhand derer der
Elektronenstrahl form- und
lenkbar ist. Ein Motor 35, der über eine Antriebswelle 33 mit
dem Vakuumgehäuse 1 verbunden
ist, rotiert das Vakuumgehäuse 1 um
seine Achse 3. Die Längsachse
der Antriebswelle 33 stimmt dabei mit der Achse 3 des
Vakuumgehäuses 1 überein.
In der Antriebswelle 33 befinden sich Mittel, um eine Hochspannung
zwischen Anode 5 und Kathode 11 anzulegen.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
einer weiteren zylinderförmigen
Ausbildung des Vakuumgehäuses 1.
Die Kathode 11 besteht aus einer Oberfläche 15 und einer Trägerschicht 13 und
befindet sich gänzlich
im Inneren des Vakuumgehäuses 1.
Der Laserstrahl 19 fällt
durch ein optisch transparentes Fenster 63, das sich in
der gegenüberliegenden
Basis der Vakuumhülle 1 befindet,
auf die Oberfläche 15 der
Kathode 11. Damit das optische Fenster im Laufe des Gebrauchs
des Röntgenstrahlers
nicht zu sehr an Transparenz verliert, kann es vor einem Beschlagen
mit Material, das während
des Betriebes des Röntgenstrahlers
ausdampft, durch Schutzbleche geschützt werden.
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Die
Oberfläche 15 der
Kathode 11 ist dabei, wie auch bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
durch elektrische Mittel 61 heizbar. Dadurch erhöht sich
die Grundtemperatur der Ober fläche 15 der Kathode 11,
sodass weniger Laserleistung benötigt wird,
um die entsprechende Emissionstemperatur zu erreichen. Die Oberfläche 15 kann
aber auch optisch – beispielsweise
durch einen weiteren Laserstrahl – oder induktiv – durch
weitere Magnetfelder – vorgeheizt
werden.
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Der
Elektronenstrahl 23 trifft auf die Oberfläche 9 der
Anode 5, die sich auf einer Trägerschicht 7 befindet,
die die Wärme
von der Oberfläche
der Anode 9 zur Außenseite
des Vakuumgehäuses
transportiert. Aus der Oberfläche
der Anode 9 treten Röntgenstrahlen
durch einen für
Röntgenstrahlen
transparenten Bereich 65 des Vakuumgehäuses aus. Das gesamte Vakuumgehäuse 1 ist
von einem Strahlergehäuse 67 umgeben,
das mit einem Kühlmittel 69 gefüllt ist,
sodass eine effektive Kühlung
des gesamten Systems gewährleistet
wird.
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3 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer kathodenseitigen zentrischen Einkopplung des Laserstrahls 19 in
ein Vakuumgehäuse 1.
Das Vakuumgehäuse 1 nimmt
auch hier die Anode 5 und die Kathode 11 auf.
Das Vakuumgehäuse 1 ist
von einem Schutzgehäuse 73 umgeben,
wobei beide Gehäuse 1, 73 durch
Drehlager 75 gegenseitig frei verdrehbar sind. Die Drehung
des Vakuumgehäuses 1 geschieht wie
bereits in den obigen Ausführungsbeispielen durch
eine Antriebswelle 33.
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Der
Laserstrahl 19 wird zunächst
vom Laser 17 erzeugt und durch eine Fokussieroptik 18,
die sich außerhalb
des Vakuumgehäuses 1 und
ebenfalls auf der Rotationsachse 3 befindet, parallel zur
Drehachse 3 auf ein im Zentralbereich des Vakuumgehäuses 1 um
die Drehachse 3 angeordnetes Fenster 71 eingestrahlt,
das z. B. im Aufbau dem Fenster aus 2 ähnlich ist.
Der Durchmesser des Vakuumgehäuses 1 um
die Drehachse 3 beträgt
hier ca. 115 cm und der Durchmesser des Fensters 71 beträgt 20–40 mm. Wie
durch die Gruppe von Pfeilen angedeutet, kann der Laserstrahl 19 ebenfalls
eine signifikante Breite aufweisen, z. B. im Bereich des Fensterdurchmessers von
ca. 20–40
mm. Der Laserstrahl kann aber auch enger ausgebildet sein, z. B.
mit der Hälfte
des Fensterdurchmessers, um eine nichtsymmetrische Einstrahlung
zu erleichtern. Im Extremfall kann der Laserstrahl eng (z. B. mit
einem Durchmesser von 1 mm oder sogar weniger) fokussiert sein.
Vorteilhafterweise ist der Laser ein Infrarotlaser.
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Nach
Durchtritt durch das Fenster 71 läuft der Laserstrahl 19 auf
einen auf der Anode 5 angeordneten teilweise angeschrägten, kathodenseitig ausgerichteten
Spiegel 77. Dieser Spiegel 77 dient als Mittel
zum im Wesentlichen senkrechten Umlenken des Laserstrahls auf die
ringförmige
Kathode 11, die von einem Träger 7 gehalten wird.
Durch den Laserstrahl 19 werden an der Kathode 11 Elektronen emittiert,
die aufgrund einer zwischen Kathode 11 und Anode 5 anliegenden
Hochspannung zur Anode hin beschleunigt werden, wo sie bei Auftreffen
Röntgenstrahlung
erzeugen. Die (Dreh-)Kathode 11 weist einen großen Durchmesser
auf, durch den das optisch transparente Fenster 71 aufgrund
des großen Abstands
zur Kathode 11 vor Verschmutzung/Verdampfung geschützt wird.
Ein weiterer Vorteil ist die flache und daher effektive Einkopplung
des Laserstrahls 19 in das Material der Kathode 11.
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4 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer kathodenseitigen zentrischen Einkopplung des Laserstrahls 19.
Im Gegensatz zum Vakuumgehäuse
aus 3 weit der Zentralbereich kathodenseitig einen Glaskolben
bzw. ein umlaufendes Fenster 78 als Trennung zum Vakuumbereich.
Der letzte, kegelförmig
gewölbte
Spiegel 12 befindet sich innerhalb dieses Glaskolbens/umlaufenden
Fensters. Die Kegelform des Spiegels 12 bewirkt, dass auch
ein breiten Laserstrahl 19 fast vollständig auf die Kathode 11 umgelenkt
wird und so die Wirkung erhöht
und eine schädliche
Rückstrahlung
verringert wird. Verschieben dieses Spiegels 12 kann bedampfte
Gebiete auf dem Glaskoben 78 ausgleichen. Vorteilhaft ist,
dass keine Optiken im Vakuumbereich angeordnet sind.
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Auch
hier ist ein weiterer Vorteil die steile Einkopplung des Laserstrahls 19,
was dessen Einkopplungswirkungsgrad in die Kathode 11 erhöht.
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5 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer nun anodenseitigen zentrischen Einkopplung des Laserstrahls 19 in
das Vakuumgehäuse 1 mittels
(i) eines Spiegelsystems (nicht dargestellt) oder (ii) einer Vielzahl
von Lichtleitern 83. In dieser Ausführung wird die Röntgenröhre durch
eine Hohlwelle 81 anodenseitig angetrieben, in deren Innenraum
der Laserstrahl 19 geführt
wird. Das vakuumseitige Ende der Hohlwelle 81 wird durch
ein optisch transparentes Fenster 79 abgedichtet, z. B.
durch Auflötet.
In beiden Fällen wird
eine Fokussieroptik 85 beim Fenster 79 benötigt, um
den (die) Laserstrahl(en) 19 direkt und ohne weiteren Spiegel
im Vakuumbereich auf die Kathode 11 zu fokussieren. Wenn
der HV-Generator und der Antrieb (beide nicht dargestellt) auf der
gleichen Seite liegen kann der Röntgenbrennfleck
nahe am Röntgenröhrenende
liegen.
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6 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer kathodenseitigen zentrischen Einkopplung des Laserstrahls 19.
In dieser Ausführungsform
ist die Kathode 11 dünn,
wodurch der Laserstrahl 19 flacher in die Kathode eingekoppelt
wird, so dass ein kleinerer Brennfleck erzielt werden kann. Auf
der Anode 5 ist ein kegelförmig gewölbter Spiegel 87 befestigt.
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Prinzipiell
kann, wie auch in allen anderen Ausführungen, eine elektrostatische
Sperrspannung zum Schutz der Optiken angelegt werden, die verhindert,
dass das Fenster 71 durch von der Kathode 11 und/oder
der Anode 5 abgedampfte Teilchen auf das Fenster gelangen.
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7 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer anodenseitigen zentrischen Einkopplung des Lasers. In dieser
Ausführung
wird der Laserstrahl 19 wiederum durch eine Hohlwelle 81 als
Antriebswelle zu einem optisch transparenten Fenster 91 geführt, das
tief in der Anode 5 eingelagert ist, was einen effektiven
Bedampfungsschutz darstellen kann. In dieser Ausführung befindet
sich der letzte, hier kegelförmige
Spiegel 93 auf der Kathode 11 und lenkt den Laserstrahl 19 im
Wesentlichen senkrecht nach außen
zur Kathode 11.
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8 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer kathodenseitigen zentrischen Einkopplung des Laserstrahls 19 mittels
einer Vielzahl gekrümmter
Lichtleiter 83, welche die, dann ausreichend dünne, Kathode 11 rückseitig
beleuchten. Das Umlenkmittel sind also die Lichtleiter 83.
In dieser Ausführung
befinden sich keine Optiken im Vakuumbereich, so dass ein optimaler
Schutz für
sie besteht, da der Emitter/die Kathode 11 von den dem
Vakuum abgewandten Seiten geheizt wird.
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9 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers,
nun mit einer anodenseitigen und nichtzentrischen Einkopplung des
Laserstrahls 19. In dieser Ausführung wird der Laserstrahl 19 von
der Seite der Anode 5 an deren Umfang vorbei mittels einer
Fokussieroptik 95 durch ein seitlich von der Anode beabstandetes
optisch transparentes Fenster 97 auf die Kathode 11 fokussiert.
Auch hier kann das Fenster 97 weit hinter der Anode 5 liegen,
um einen optimalen Schutz vor Bedampfungen zu haben. In dieser Ausführung wird deutlich,
dass die Kathodenscheibe 99 (z. B. aus SIGRADUR) nicht
auch gleichzeitig Teil der Vakuumhülle 1 sein muss, sondern
z. B. ebenfalls drehbar um die Drehachse 3 gelagert sein
kann. In diesem Ausführungsbeispiel
liegt die kathodenseitige Achse 101 auf einer Hochspannung
von z. B. +150 KV, während die
an die Anode 5 angelenkte Antriebswelle an Masse anliegt.
Zur Isolation von Kathode 11 und Anode 5 wird
die Achse 101 durch eine Keramikscheibe geführt. In
dieser Ausführungsform
ist die Kathode 11 mit Aussparungen (Einschnitten) als
Wärmebremsen ausgerüstet sowie
mit Überständen, die
als Elektronenfokussierung dienen. Das optisch transparente Fenster
ist bei Verwendung eines IR-Lasers ein IR-Fenster, wie dann auch
in den anderen Ausführungsformen,
günstigerweise
aus Quarzglas.
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10 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer anodenseitigen und zentrischen Einkopplung des Laserstrahls 19.
In dieser Ausführung
ist der Bereich um die Rotationsachse 3 zentrisch hohl
und durchgehend ausgeführt.
In dem durchgehenden Hohlraum befindet sich ein Umlenkspiegel 103,
durch den der Laserstrahl 19 seitlich abgelenkt und durch
ein den Hohlraum vom Vakuum trennendes Fenster 105 zur Kathode 11 abgelenkt
wird. In einem Segment befindet sich eine Keramik 107,
damit eine Hochspannung zwischen Kathode 11 und Anode 5 angelegt
werden kann. Diese Ausführung
erhöht
die mechanische Stabilität
der Röntgenröhre. Der
Umlenkspiegel 103 kann beispielsweise auch kegelförmig, z.
B. ähnlich zu 6 ausgeführt sein.
Andererseits können
in den anderen Ausführungsformen
die Spiegel auch ähnlich
dem in 10 dargestellten Spiegel 103 ausgeführt sein.
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11 zeigt
als Längsschnitt
eine weitere Ausführungsform
des Röntgenstrahlers
mit einer kathodenseitigen und zentrischen Einkopplung des Laserstrahls 19.
In dieser Ausführungsform
kann eine mechanische Bedampfungsscheibe 109 einen effektiven
Schutz des Einkopplungsfensters 111 vor einer Verschmutzung
darstellen. Dabei wird ein Laserstrahl 19 von außen auf
die Bedampfungsscheibe 109 gerichtet und von einem dort
aufsitzenden achsensymmetrischen Spiegel 113 durch das
Fenster 111 zur Kathode 11 umgelenkt. Es kann
auch – zusätzlich oder
alternativ, und zwar auch in anderen Ausführungsbeispielen – ein zweiter
Laserstrahl 19a zur Vorheizung der Brennbahn eingesetzt
werden. Der zweite Laserstrahl 19a kann beispielsweise
um einen Winkel von 5° in
Laufrichtung versetzt sein. In diesem Beispiel ist eine Linse 115 vorgesehen,
um den ersten Laserstrahl 19 zu fokussieren.
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Die
Vorheizung kann allgemein auf verschiedenen Wegen geschehen, z.
B. entweder über
ein Spiegelsystem, das einen einfallenden Laserstrahl auf mindestens
zwei getrennte Brennpunkte auf der Kathode umlenkt oder durch den
Einsatz von nichtparallel zueinander laufenden Laserstrahlen, die
auf die gleiche Spiegelfläche
treffen, aber aufgrund ihres unterschiedlichen Einstrahlwinkels
die Brennbahn an unterschiedlichen Stellen treffen oder durch parallel zueinander
laufende Strahlen, die an unterschiedlichen Stellen auf das Spiegelsystem
auftreffen. In dem hier gezeigten Fall werden die zwei getrennten Laserstrahlen 19, 19a oder
ein einzelner breiter Laserstrahl (nicht gezeigt) auf unterschiedliche
Stellen des Spiegels 113 treffen, so dass die gezeigten Strahlen
um 180° versetzt
auf der Kathode 11 auftreffen werden.
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Der
potenzielle Strahltransport mit Lichtleitern reduziert sich nicht
nur auf die oben angegebenen Varianten, sondern kann auch bei einem "non-mechanical CT" eingesetzt werden.
In dieser besonderen Ausführung
kann der Laser separat vom CT aufgebaut werden, und eine Vielzahl
von Lichtleitern, die der Anzahl der Projektionen bei der Untersuchung
entspricht, transportiert den Laserstrahl umlaufend auf die stationäre Kathode
in der Gantry.
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Allgemein
sind der Ausgestaltung der Fenster und Umlenkelemente (Spiegel,
total reflektierende Oberflächen
usw.) Spiegel keine Grenzen gesetzt, um den Laserstrahl erfindungsgemäß umzulenken. So
können
die Fenster und Umlenkelemente oder die den Laserstrahl umlaufend
durchlassen bzw. umlenken, oder nur in einem bestimmten Winkelbereich
um die Drehachse. Auch können
Form, Richtung und Zahl der Teilstrahlen des Lasers an den Röntgenstrahler
angepasst werden.