DE102007042108A1

DE102007042108A1 - Elektronenquelle

Info

Publication number: DE102007042108A1
Application number: DE102007042108A
Authority: DE
Inventors: Jan Berk; Josef Dr. Deuringer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: US8026674B2; DE102007042108B4; US20090058319A1

Abstract

Eine Elektronenquelle umfasst einen eine Elektronenemissionskathode (9, 10) aufweisenden Elektronenemitter (8, 9), eine zur Energieversorgung der Elektronenemissionskathode (9, 10) vorgesehene Hochspannungseinheit (2) sowie eine zur Ansteuerung der Hochspannungseinheit (2) vorgesehene Niederspannungseinheit (3). Zwischen der Hochspannungseinheit (2) und der Niederspannungseinheit (3) werden nicht elektrisch, insbesondere optisch, Daten übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenquelle.
Eine Elektronenquelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung ist beispielsweise aus der DE 30 39 283 C2 bekannt. Es handelt sich dabei um eine insbesondere zum Einsatz in wissenschaftlichen Geräten vorgesehene Elektronenquelle.
Elektronenquellen finden auch Einsatz in mit Röntgenstrahlung arbeitenden medizintechnischen Geräten, beispielsweise Computertomographiegeräten. Eine elektrisch beheizte Kathode der Elektronenquelle wird hierbei auf Hochspannungspotential betrieben, während eine Ansteuerschaltung, deren elektrisches Potential sich im Vergleich zur Kathode kaum von Masse unterscheidet, Größen wie den zum Betrieb der Kathode vorgesehenen Heizstrom bereitstellt. Aufgrund des großen Potentialunterschiedes zwischen der die Kathode umfassenden Hochspannungsseite der Elektronenquelle und der die Ansteuerschaltung aufweisenden Niederspannungsseite sind entsprechende Maßnahmen zur elektrischen Isolation zu treffen. Über den damit verbundenen apparativen Aufwand hinaus kann es nachteilig sein, dass eine übertragene Größe aufgrund der zu überwindenden Spannungsdifferenz einer nicht vernachlässigbaren Verfälschung unterliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenquelle hinsichtlich deren Ansteuerbarkeit gegenüber dem Stand der Technik weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektronenquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Nachfolgend im Zusammenhang mit der Vorrichtung genannte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
Die Elektronenquelle umfasst einen eine Elektronenemissionskathode aufweisenden Elektronenemitter, eine zur Energieversorgung der Elektronenemissionskathode vorgesehene Hochspannungseinheit, sowie eine zur Ansteuerung der Hochspannungseinheit vorgesehene Niederspannungseinheit, wobei zwischen der Hochspannungseinheit und der Niederspannungseinheit eine elektrisch isolierende, insbesondere optische, Datenübertragungsstrecke ausgebildet ist.
Die elektrisch isolierende Datenübertragungsstrecke ermöglicht einen von störenden elektrischen Einflüssen freien, vorzugsweise bidirektionalen, Datentransfer zwischen der Nieder- und der Hochspannungsseite der Elektronenquelle. Die Elektronenquelle kann somit mit einem einzigen die Hochspannungsseite mit der Niederspannungsseite koppelnden Transformator betrieben werden, während die zur Ansteuerung der Elektronenemissionskathode erforderlichen Größen, insbesondere der Heizstrom, auf nicht elektrischem Weg übermittelt werden. In entsprechender Weise ist auch die Übertragung von Messwerten, welche die Elektronenemissionskathode betreffen, von der Hochspannungsseite zur Niederspannungsseite der Elektronenquelle auf nicht elektrischem Weg realisierbar. Durch die Einsparung induktiver Koppler ist die Elektronenquelle insgesamt kompakt und gewichtssparend aufgebaut sowie rationell herstellbar.
Der Elektronenemitter weist in bevorzugter Ausgestaltung zusätzlich zur Elektronenemissionskathode eine Steuerelektrode auf. Die Steuerelektrode kann insbesondere auch ausgebildet sein. Der Wert der zur Ansteuerung der Steuerelektrode verwendeten Steuerspannung oder ein Parameter, aus welchem dieser Wert ermittelbar ist, ist mit hoher Genauigkeit über die elektrisch isolierende Datenübertragungsstrecke übertragbar.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist in die Hochspannungseinheit eine Signalverarbeitungseinheit integriert, welche zur Verarbeitung sowohl von der Niederspannungseinheit aus übertragenen Signalen als auch von den Elektronenemitter, gegebenenfalls auch die Steuerelektrode, betreffenden Messwerten ausgebildet ist. Derartige Messwerte lassen über die Erfassung des elektrischen Widerstands der Elektronenemissionskathode Rückschlüsse auf deren Verschleiß und/oder Temperatur zu. Ebenso ist es möglich, auf andere Weise gewonnene und/oder andere Bauteile betreffende Ergebnisse von insbesondere auf der Hochspannungsseite der Elektronenquelle vorgenommenen Temperaturmessungen zu verarbeiten.
Unabhängig vom angewandten Messprinzip ist die Temperatur der Elektronenemissionskathode als Regelgröße zum Betrieb des Elektronenemitters verwendbar. Ebenso ist auf einfache und zuverlässige Weise eine Begrenzung der Temperatur der Elektronenemissionskathode möglich, was insbesondere deren Lebensdauer zugute kommt. Generell lassen sich aus den gemessenen Eigenschaften der Elektronenemissionskathode automatisiert, unter Nutzung der einen Teil der Elektronenquelle bildenden Signalverarbeitungseinheit, Schlüsse auf den Verschleißzustand der Elektronenemissionskathode ziehen.
Die datentechnisch mit der nicht elektrischen Datenübertragungsstrecke verbundene Signalverarbeitungseinheit ist vorzugsweise auch zur Bestimmung des tatsächlichen Emissionsstromes nahe der Elektronenemissionskathode vorgesehen. Der Messvorgang wird durch Kapazitäten in Leitungen praktisch nicht beeinflusst. Damit ist zum Einen eine im Vergleich zum Stand der Technik relativ genaue Röhrenstromregelung selbst beim Einschalten der Hochspannung und zum anderen eine Messung der Nachemission während des Ausschaltens möglich.
Die am Elektronenemitter anstehende Gitterspannung ist messtechnisch genau erfassbar und regelbar, wobei sich die Messeinrichtungen im Hochspannungsteil der Elektronenquelle befinden. Entsprechendes gilt für die Messung des Gitterstro mes. Damit wird ein Betrieb der Elektronenquelle mit exakt reproduzierbar eingestellten Parametern erleichtert. Die Messung des Gitterstromes erlaubt darüber hinaus eine quantitative Bewertung der Qualität des Vakuums, welches in der Kathodeneinheit existiert. Schon vor Anlegen der Hochspannung kann die für den gewünschten Emissionsstrom erforderliche Temperatur an der Elektronenemissionskathode mit dem Heizstrom als Stellgröße eingeregelt werden.
Zur Spannungsversorgung des Elektronenemitters ist in besonders vorteilhafter Ausführungsform lediglich eine einpolige Hochspannungsleitung vorgesehen. Über diese Hochspannungsleitung brauchen weder Heizleistung noch Steuerspannung geführt zu werden. Damit entfallen ansonsten bei einer mehrpoligen Hochspannungsleitung zwangsläufig auftretende parasitäre Elemente wie Kapazitätsbelag und Widerstandsbelag, welche einen negativen Einfluss auf die genannten Größen (Heizleistung, Steuerspannung hätten. Vorzugsweise weist die einpolige Hochspannungsleitung eine Widerstandsbedämpfung auf. Diese kann in Form eines gesonderten elektrischen Widerstandes oder als Widerstands-Leitung realisiert sein. Aufgrund des kompakten Aufbaus der Elektronenquelle kann die Widerstandsbedämpfung nahe an der mindestens eine Elektronenemissionskathode sowie gegebenenfalls eine Anzahl Steuerelektroden umfassenden Kathodeneinheit angeordnet werden, so dass besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) sowie Eigenschutz bei Überschlägen im Vakuum erzielt werden.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Bereitstellung nicht elektrischer, insbesondere optischer, Mittel zur Datenübertragung zwischen der Niederspannungs- und der Hochspannungsseite einer Elektronenquelle eine sehr schnelle, hochpräzise, bidirektionale, für Ansteuerungs-, Mess-, Überwachungs-, Regelungs- und Auswertungszwecke nutzbare Signalübertragung ermöglicht wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, in welcher die einzige Figur einen vereinfachten Schaltplan einer Elektronenquelle zeigt.
Eine für ein nicht weiter dargestelltes medizintechnisches, Röntgenstrahlung emittierendes Gerät geeignete Elektronenquelle 1 umfasst eine Hochspannungseinheit 2, eine Niederspannungseinheit 3, sowie einen induktiven Koppler 4 als Verbindungsglied zwischen der Hochspannungseinheit 2 und der Niederspannungseinheit 3. Die Hochspannungseinheit 2 sowie der gesamte induktive Koppler 4, nämlich ein Transformator, befinden sich in einem Röntgenstrahlergehäuse 5. Die Grenze des Hochspannungsbereichs ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Diese ist nicht geschlossen, womit angedeutet werden soll, dass sich innerhalb des Röntgenstrahlergehäuses 5 weitere, nicht dargestellte Komponenten innerhalb des Hochspannungsbereichs befinden.
Im in der Figur rechten Bereich des Röntgenstrahlergehäuses 5 befindet sich, vollständig innerhalb des Hochspannungsbereichs, eine Kathodeneinheit 6, welche in der schematischen Darstellung durch eine strichpunktierte Umrahmung kenntlich gemacht ist. Die Kathodeneinheit 6 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Elektronenemitter 7, 8, die jeweils eine Elektronenemissionskathode 9, 10 sowie eine Steuerelektrode 11, 12 aufweisen. Die Energieversorgung der Elektronenemissionskathoden 9, 10 erfolgt über die insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnete, Zwischenkreise 13, 14 umfassende Hochspannungseinheit, auf deren Aufbau im Folgenden noch näher eingegangen wird.
Auf der Niederspannungsseite umfasst die mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnete, zur Ansteuerung der Hochspannungseinheit 2 vorgesehene Niederspannungseinheit einen an den induktiven Koppler 4 angeschlossenen Signalumformer 15 sowie ein zur nicht elektrischen, nämlich optischen, Datenübertragung geeignetes Koppelelement 16. Dieses optische Koppelelement 16 wirkt über eine optische Signalleitung 17 zusammen mit einem zweiten, in der Hochspannungseinheit 2 angeordneten Koppelelement 18 zusammen, so dass eine elektrisch isolierende, bidirektional nutzbare Datenübertragungsstrecke gebildet ist.
Das auf der Hochspannungsseite der Elektronenquelle 1 angeordnete Koppelelement 18 ist datentechnisch verbunden mit einer Signalverarbeitungseinheit 19, welche ebenfalls in der Hochspannungseinheit 2 angeordnet ist. Die Signalverarbeitungseinheit 19 wirkt zusammen mit Signalumformern 20, welche über Gleichrichterschaltungen 21 an die Hochspannungsseite des Transformators 4 angeschlossen sind.
Von der Niederspannungseinheit 3 aus können Größen, die den Heizstrom der Elektronenemissionskathoden 9, 10 und/oder die Steuerspannung der Steuerelektroden 11, 12 betreffen, über die Datenübertragungsstrecke 16, 17, 18 an die Signalverarbeitungseinheit 19 geleitet werden, welche entsprechende elektrische Signale an die Signalumformer 20 leitet. Wie aus der Figur weiter hervorgeht, ist jeder der Signalumformer 20 zur Ansteuerung einer Elektronenemissionskathode 9, 10 oder einer Steuerelektrode 11, 12 mittels Leitungen 22, 23 vorgesehen.
Die auf Hochspannungspotential von typischerweise einigen kV betriebene Signalverarbeitungseinheit 19 ist jedoch nicht nur dazu ausgebildet, zur Ansteuerung der Elektronenemitter 7, 8 benötigte Größen wie Steuerspannungen und Heizströme an die Kathodeneinheit 6 zu übertragen, sondern ermöglicht auch die Aufnahme und Verarbeitung von die Elektronenemitter 7, 8 betreffenden Messwerten. Insbesondere ist die Möglichkeit gegeben, innerhalb der Hochspannungseinheit 2 den tatsächlichen Emissionsstrom eines jeden Elektronenemitters 7, 8 sowie den Spannungsabfall über den Emitterwiderstand präzise zu bestimmen und die entsprechenden Daten über die Signalverarbeitungseinheit 19 und die Datenübertragungsstrecke 16, 17, 18 zur Niederspannungsseite zu übertragen. Auf diese Weise ist der Emitterwiderstand eines jeden Elektronenemitters 7, 8 exakt berechenbar. Die Genauigkeit der Bestimmung des Emitterwiderstandes ist maßgeblich darauf zurückzuführen, dass auf grund der optischen Datenübertragung kein Genauigkeitsverlust zwischen der Hochspannungsseite und der Niederspannungsseite der Elektronenquelle 1 auftritt. In vorteilhafter Weise werden die gewonnenen Messwerte in einem Regelkreis verwendet, der einen stabilen reproduzierbaren Betrieb der Elektronenquelle 1 ermöglicht.
Zur Hochspannungsversorgung der Elektronenemitter 7, 8 ist eine einpolige Hochspannungsleitung 24 vorgesehen, die nahe des Eintritts in das Röntgenstrahlergehäuse 5 einen Dämpfungswiderstand 25 aufweist. Statt der Zwischenschaltung eines Dämpfungswiderstandes ist auch die Ausbildung der kompletten Hochspannungsleitung 24 als Widerstandsleitung möglich. In beiden Fällen hat, da für Steuerspannungen und Heizströme separate Leitungen 22, 23 vorgesehen sind, ein etwaiger Kapazitätsbelag oder Widerstandsbelag, wie er bei einer mehrpoligen Hochspannungsleitung zu verzeichnen wäre, keinen nachteiligen Einfluss auf die genannten Größen, das heißt Steuerspannung und Heizstrom, welche unabhängig von der Hochspannungsleitung 24, basierend auf mittels der optischen Signalleitung 17 übertragenen Daten, in der Hochspannungseinheit 2 umgeformt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3039283 C2 [0002]

Claims

Elektronenquelle, mit einem eine Elektronenemissionskathode (9, 10) aufweisenden Elektronenemitter (7, 8), einer zur Energieversorgung der Elektronenemissionskathode (9, 10) vorgesehenen Hochspannungseinheit (2), sowie einer zur Ansteuerung der Hochspannungseinheit (2) vorgesehenen Niederspannungseinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hochspannungseinheit (2) und der Niederspannungseinheit (3) eine elektrisch isolierende Datenübertragungsstrecke (16, 17, 18) ausgebildet ist.
Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsstrecke (16, 17, 18) als optische Datenübertragungsstrecke ausgebildet ist.
Elektronenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsstrecke (16, 17, 18) zur bidirektionalen Datenübertragung ausgebildet ist.
Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenemitter (5) eine Steuerelektrode (11, 12) aufweist.
Elektronenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (11, 12) als Gitter ausgebildet ist.
Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungseinheit (2) eine Signalverarbeitungseinheit (19) umfasst.
Elektronenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (19) zur Verarbeitung mindestens eines den Elektronenemitter (7, 8) betreffenden Messwerts ausgebildet ist.
Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieversorgung des Elektronenemitters (7, 8) eine einpolige Hochspannungsleitung (24) vorgesehen ist.
Elektronenquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsleitung (24) widerstandsbedämpft ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektronenquelle (1), mit folgenden Merkmalen: – Es wird ein eine Elektronenemissionskathode (9, 10) aufweisender Elektronenemitter (7, 8), eine zur Energieversorgung der Elektronenemissionskathode (9, 10) vorgesehene Hochspannungseinheit (2), sowie eine zur Ansteuerung der Hochspannungseinheit (2) vorgesehene Niederspannungseinheit (3) bereitgestellt, – zwischen der Hochspannungseinheit (2) und der Niederspannungseinheit (3) werden auf nicht elektrischem Weg den Elektronenemitter (7, 8) betreffende Daten transferiert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Elektronenemissionskathode (9, 10) fließende Strom gemessen wird und der entsprechende Messwert nicht elektrisch von der Hochspannungseinheit (2) zur Niederspannungseinheit (3) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der Elektronenemissionskathode (9, 10) messtechnisch bestimmt wird und die entsprechenden Daten nicht elektrisch von der Hochspannungseinheit (2) zur Niederspannungseinheit (3) übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Elektronenemissionskathode (9, 10) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Elektronenemissionskathode (9, 10) als Regelgröße zum Betrieb des Elektronenemitters (7, 8) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf nicht elektrischem Weg Daten von der Niederspannungseinheit (3) zur Hochspannungseinheit (2) übertragen werden, welche eine mit der Elektronenemissionskathode (9, 10) zusammenwirkende Steuerelektrode (11, 12) betreffen.