-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre
mit einer Mehrzahl von Emittern zur Erzeugung von jeweils einem
Elektronenstrahl und mit einer Anode, auf die die Elektronenstrahlen
in einer Quellfläche zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
auftreffen. Sie betrifft weiter eine Röntgenröhre
mit einer Mehrzahl von Emittern und einer gemeinsamen Anode.
-
Eine
Röntgenröhre besteht in ihrer einfachsten Form
aus einer Kathode und einer Anode, die in einem Vakuum innerhalb
eines abgedichteten Glaskörpers sitzen. Bei Hochleistungsröhren,
wie sie in der Computertomografie (CT) und der Angiografie verwendet
werden, besteht der Vakuumbehälter aus Metall, welches
wesentlich größeren Wärmeeinflüssen
standhält. Im Laufe der Zeit wurden auch bei den Röntgenröhren
technische Verbesserungen vorgenommen, die allerdings am eigentlichen
Prinzip der Erzeugung von Röntgenstrahlen nichts ändern.
-
Zur
Erzeugung der Röntgenstrahlen werden von der Kathode (dem
Emitter) Elektronen emittiert und mittels einer angelegten Hochspannung
zur Anode beschleunigt. Dieser Elektronenstrahl dringt in das Anodenmaterial
ein und wird dabei abgebremst. Durch die Abbremsung der einzelnen
Elektronen werden prinzipiell drei verschiedene Strahlungsarten erzeugt.
Eine dieser Strahlungsarten ist die charakteristische Röntgenstrahlung,
die in Abhängigkeit des verwendeten Anodenmaterials und
damit der Strahlenstruktur ein charakteristisches bzw. diskretes Spektrum
besitzt und ihren Ursprung in einem Übergang von Elektronen
aus energiereichen Schalen der Atomhülle zu energieärmeren
Schalen hat. Diese charakteristische Röntgenstrahlung wird
jedoch mit Ausnahme der Mammografie und der Kris tallanalyse nicht
oder nur zum kleinen Teil für die Bilderzeugung bei einer
Röntgendurchleuchtung genutzt.
-
Der
wichtigere bzw. größere Teil der verwendeten Strahlungsarten
ist die Röntgenbremsstrahlung. Sie entsteht durch die Abbremsung
der Elektronen beim Durchlaufen des Materials der Anode. Dabei hängt
die Wellenlänge der Strahlung vom Wert der Beschleunigung
(bzw. Abbremsung) ab, so dass bei höherer Beschleunigungsspannung
bzw. Anodenspannung härtere, d. h. energiereichere Röntgenstrahlung
entsteht. Das Bremsstrahlspektrum besitzt dabei eine minimale Wellenlänge,
bei der die gesamte kinetische Energie des Elektrons an ein einzelnes
Photon abgegeben wird. Die dritte erzeugte Strahlungsart ist die Übergangstrahlung
bzw. Lilienfeldstrahlung, die allerdings kaum Anwendung in der medizinischen
Verwendung von Röntgenröhren findet.
-
Eine
Röntgenröhre mit zwei Emittern ist beispielsweise
aus der
DE 195 04
305 A1 bekannt. Dabei erzeugt der eine Emitter einen größeren
Brennfleck und der andere Emitter einen innerhalb des größeren
Brennflecks angeordneten kleineren Brennfleck auf der Anode, so
dass sich ein resultierender Brennfleck ergibt.
-
Anwendungsgebiete
von Röntgenröhren sind beispielsweise in der Medizin
bei der Durchleuchtung von Körpern zur Analyse von Krankheiten oder
Knochenbrüchen bzw. bei Gepäckkontrollen oder
auch zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, beispielsweise
bei der Qualitätskontrolle von Schweißnähten.
Dabei werden die Röntgenstrahlen durch das zu untersuchende
Medium geleitet und von einer Photoplatte oder einer ähnlichen
bilderzeugenden Einheit aufgefangen. Die Schwärzung der Photoplatte
ist dabei umgekehrt proportional zu der Dichte des durchlaufenden
Mediums. Dadurch lassen sich Knochenbrüche oder Materialschwächungen
auf einfache Art und Weise erkennen.
-
Insbesondere
bei der Anwendung von Röntgenröhren in der Computertomografie
wird häufig eine besonders hohe Intensität oder
auch eine besonders variable Einstellung der Intensität
der Röntgenstrahlen gewünscht. Dies ist meistens
aber durch bauliche und materialtechnische Einschränkungen
in der Röntgenröhre nicht umsetzbar. Insbesondere
bei der Erzeugung von sehr hohen Elektronenströmen bei
niedrigen Hochspannungswerten wird die Lebensdauer der Emitter stark
verkürzt. Weiterhin kann eine optimale Fokussierung des
in der Anode erzeugten Röntgenstrahls bei hohen Elektronenströmen nicht
erfolgen, da durch die Abstoßung der Elektronen untereinander
aufgrund von Raumladungseffekten eine Verbreiterung der Brennfleckgröße
auf der Anode erfolgt.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre
und ein Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre
der oben genannten Art anzugeben, welche bei langer Lebensdauer
eine hohe Röntgenstrahldosisleistung ermöglicht.
Weiterhin soll die Röntgenstrahldosisleistung schnell variiert
werden können.
-
Bezüglich
des Verfahrens zum Betrieb einer Röntgenröhre
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst,
indem eine überlagerte Intensitätsverteilung aus
mindestens zwei Röntgenstrahlen, welche mittels eines Detektors
gemessen wird, zur Optimierung der Quellfläche der Röntgenstrahlen
verwendet wird.
-
Die
Erfindung geht von der Überlegung aus, dass aufgrund von
Raumladungseffekten und der Lebensdauer der Emitter eine Erhöhung
der Intensität des resultierenden Röntgenstrahls
erreicht werden kann, wenn der resultierende Röntgenstrahl
durch Elektronenstrahlen in mehreren Emittern erzeugt wird. Bei
dem Betrieb von mehreren Emittern gleichzeitig ist es wichtig, dass
eine Fokussierung der beiden Elektronenstrahlen auf einen gemeinsamen
Fokus möglich ist. Um einen solchen gemeinsamen Fokus zu
erreichen, ist ein ortsauflösender Detektor vorgesehen,
der die überlagerte Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlen
misst und entsprechend auswertet. Diese Daten dienen bei der Ausrichtung
der Elektronenstrahlen zur Positionierung der Quellorte der Rontgenstrahlen
auf der Anode und damit zur Fokussierung der Röntgenstrahlen.
-
Für
eine besonders genaue Fokussierung der Röntgenstrahlen
wird in vorteilhafter Weise das zweite Moment der Verteilung, also
die Varianz oder abhängige Größen, wie
z. B. die Halbwertbreite der Verteilung, gemessen und diese durch
entsprechende Ausrichtung der Elektronenstrahlen minimiert. Dadurch
wird eine besonders punktgenaue Fokussierung der Röntgenstrahlen
erreicht.
-
Um
die Elektronenstrahlen entsprechend auszurichten bzw. die Elektronenstrahlen
zur Optimierung des Fokus des Elektronenstrahls entsprechend abzulenken,
geschieht dies in besonders vorteilhafter Ausführung über
jeweils eine einem Emitter zugeordnete Ablenkeinheit. Diese Ablenkeinheiten werden
einzeln angesteuert und können somit die Strahlrichtung
jedes Elektronenstrahls einzeln verändern. Dies kann beispielsweise
durch in der Ablenkeinheit befindliche Ablenkmagnete oder ähnliche kraftausübende
Systeme (z. B. elektrostatische Systeme, Plattenkondensatoren) geschehen.
-
Um
eine möglichst gute Abstimmung der einzelnen Ablenkeinheiten
untereinander zu erzielen, werden in besonders bevorzugter Ausführung
die einzelnen Ablenkeinheiten über eine gemeinsame Steuereinheit
angesteuert. Diese Steuereinheit umfasst in der Regel eine Auswerteeinheit
und wertet die Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlen
aus. Anschließend sendet sie die für jede einzelne
Ablenkeinheit optimierten Befehle zur Ablenkung der Elektronenstrahlen
an die Ablenkeinheiten. Dabei können in Echtzeit die jeweils
aktuellen Daten über die Verteilung der Röntgenstrahldosis
empfangen und ausgewertet werden. Somit ist eine bedarfsgerechte Steuerung
der Ablenkeinheiten und damit eine besonders gute Optimierung der
Quellfläche der Röntgenstrahlen möglich,
wodurch eine noch mals verbesserte Fokussierung des resultierenden
Röntgenstrahls aus mehreren Emittern ermöglicht
wird.
-
Um
auch neben der hohen Röntgenstrahldosis, die durch die
Fokussierung von mehreren Röntgenstrahlen möglich
ist, eine möglichst variable Röntgenstrahldosis
zu erhalten, sind in vorteilhafter Ausführung die Emitter
dazu ausgelegt, Elektronenstrahlen unterschiedlicher Intensität
zu erzeugen. Dadurch ist es möglich, durch geeignete Ansteuerung
der Emitter bzw. Inbetriebsetzung der Emitter die Elektronenstrahldosis
zügig an die gewünschten Werte anzupassen. Ein
erneutes Fokussieren des resultierenden Röntgenstrahls
ist in der Regel nicht nötig bzw. wird durch die Steuereinheit
automatisch vorgenommen.
-
Bezüglich
der Röntgenröhre wird die genannte Aufgabe gelöst,
indem jedem Emitter eine eigene Ablenkeinheit zugeordnet ist. Durch
eine derartige Anordnung ist es möglich, die einzelnen
vom Emitter ausgesandten Elektronenstrahlen für sich getrennt
so abzulenken, dass der gemeinsam überlagerte Röntgenstrahl
bestmöglich fokussiert ist.
-
Zur
Verbesserung der Fokussierung der Röntgenstrahlen sind
in besonders bevorzugter Ausführungsform die einzelnen
Ablenkeinheiten mit einer gemeinsamen Steuereinheit verbunden. Diese
Steuereinheit ist vorteilhafterweise mit einem ortsauflösenden
und die Intensitätsverteilung messenden Detektor verbunden,
der die Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlen
misst und diese entsprechend an die Steuereinheit bzw. an die die
Steuereinheit umfassende Auswerteeinheit weiterleitet. Die Steuereinheit
sendet dann Steuerbefehle an die einzelnen Ablenkeinheiten um somit
eine Fokussierung der einzelnen Röntgenstrahlen auf einen
gemeinsamen Brennpunkt zu erreichen.
-
Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch die Verwendung der Intensitätsverteilung der überlagerten
Röntgenstrahlen eine Fokussierung möglich ist,
auch wenn der resultierende Röntgenstrahl durch ursprünglich
mehrere Elektronenstrahlen erzeugt wurde. Dabei ist sowohl eine
hohe Röntgenstrahldosisleistung als auch ein schnelles
Variieren der Röntgenstrahldosis möglich.
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Dabei ist in einer einzigen Figur
eine Röntgenröhre mit zwei Emittern in jeweils
einer einem Emitter zugeordnete Ablenkeinheit dargestellt.
-
Die
Röntgenröhre 1 gemäß der
Figur umfasst zwei Emitter 2, 4. Diese Emitter 2, 4 verfügen
jeweils über eine Heizwendel 6, 8 und über
einen Fokuskopf 10, 12 zur Erzeugung von Elektronenstrahlen 14, 16.
Diese Elektronenstrahlen 14, 16 werden auf eine
Anode 18 gelenkt. Die Elektronenstrahlen 14, 16 werden
dabei in der Anode 18 abgebremst und erzeugen neben der
charakteristischen Röntgenstrahlung und der Übergangsstrahlung
insbesondere die Röntgenbremsstrahlung. Die durch diesen Abbremsvorgang
in der Anode 18 erzeugten Röntgenstrahlen 20, 22 werden
durch eine Schlitzblende 42 auf einen ortsauflösenden
Detektor 24 abgebildet. Dieser Detektor 24 misst
die örtliche Verteilung der Röntgenstrahldosisleistung
bzw. die Intensität der beiden überlagerten Röntgenstrahlen 20, 22.
Die so gemessenen Daten werden vom Detektor 24 über eine
Datenleitung 26 an die Auswerteeinheit 28 einer Steuereinheit 30 gesendet.
Die Auswerteeinheit 28 wertet die Daten des Detektors 24 hinsichtlich
der unterschiedlichen Momente der Verteilung aus und übergibt
das Ergebnis an die Steuereinheit 30. Diese Steuereinheit 30 kann über
Steuerleitungen 32 und 34, Emittern 2, 4 zugeordnete
Ablenkeinheiten 36, 38 einzeln ansteuern und damit
die Elektronenstrahlen 14, 16 einzeln und unabhängig
voneinander steuern.
-
Für
die Fokussierung der beiden Röntgenstrahlen 20, 22 wird
auf dem Detektor die Ortsverteilung der Röntgenstrahlung
erfasst. Dabei kann über die Steuereinheit 30 zunächst
ein E lektronenstrahl eines Emitters durch einen ihm zugeordneten
Ablenkmagneten variiert und an einer gewünschten Position
fixiert werden, bevor der zweite Elektronenstrahl in Abhängigkeit
der Position des ersten Röntgenstrahls variiert wird. Bei
fester Position des ersten Röntgenstrahls wird daher die
Position des zweiten Röntgenstrahls so lange variiert,
bis die Breite der Gesamtverteilung minimal ist. Dazu wird beispielsweise
das zweite Moment der Verteilung oder von ihr abhängige
Größen, wie eben die Halbwertbreite der Verteilung,
durch die Auswerteeinheit 28 bestimmt. Wenn die Breite
der Gesamtverteilung minimal wird, besitzt auch die Dosisleistungsverteilung
ein Maximum an der gewünschten Position.
-
Eine
solche Variation der Elektronenstrahlen ist möglich, da
gezielt die Verteilung der Röntgendosisleistung auf dem
Detektor gemessen wird, und jeder Elektronenstrahl 14, 16 einzeln
durch eine ihm zugeordnete Ablenkeinheit 36, 38 variiert
werden kann. Ebenfalls denkbar und möglich, in der Figur aber
aus Übersichtsgründen nicht dargestellt, ist die Verwendung
von weiteren Emittern, denen jeweils eine weitere eigene Ablenkeinheit
zugeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass jeweils die neu hinzukommenden
Elektronenstrahlen variiert werden, wobei die bereits eingestellten
Röntgenstrahlen 20, 22 bei konstanter
Ablenkung betrieben werden. Ist eine Fokussierung mehrerer Röntgenstrahlen
erfolgt, kann die Ablenkung aller Elektronenstrahlen 14, 16 über
eine weitere Ablenkeinheit 40 erfolgen. Die Ablenkung der
Elektronenstrahlen 14, 16 über die Ablenkeinheiten 36, 38, 40 erfolgt
im Ausführungsbeispiel nach der Figur über Elektromagnete.
Jede andere Form der Ablenkung ist allerdings auch denkbar.
-
Aufgrund
der Aufteilung der Elektronenstrahlen 14, 16 auf
mehrere Emitter 2, 4 kann eine höhere Röntgenstrahldosis
erzielt werden, ohne dass die Lebensdauer der Emitter 2, 4 beeinträchtigt
wird. Dadurch, dass die Elektronenstrahlen 14, 16 einen Summenelektronenstrahl
bilden, ist es nun besonders einfach, die Elektronenstrahlintensität
und damit die Rönt gendosisleistung schnell zu variieren.
So kann nun durch Ausschalten eines der Elektronenstrahlen, beispielsweise
mittels den üblichen Methoden wie Variation der Gitterspannung
am Fokuskopf oder Änderung der Heizleistung, die Dosisleistung schnell
geändert werden, ohne dass dabei Fehlzeiten auftreten,
in welchen der Elektronenstrahl 14, 16 bzw. der
Fokus des Röntgenstrahls 20, 22 nicht
an der gewünschten Position liegt. Insbesondere sind die
Emitter 2, 4 des Ausführungsbeispiels
dazu ausgelegt, Elektronenstrahlen unterschiedlicher Intensität
zu erzeugen.
-
Solche Änderungen
der Elektronenstrahlintensität ist beispielsweise bei Cardioanwendungen wichtig,
bei welchen durchgehend 25% der Dosisleistung bereitgestellt werden
sollen und in der Ruhephase des Herzens sogar 100% anliegen müssen.
Hierbei wäre es beispielsweise möglich, einen
ersten Elektronenstrahl auf 25% und einen zweiten Elektronenstrahl
auf 75% laufen zu lassen und letzteren entsprechend der Ruhephasen
des Herzens ein- bzw. abzuschalten. Weiterhin ist es bei dem Ausführungsbeispiel
nach der Figur möglich, die Hochspannung am Röntgenstrahler
schnell umzuschalten. Dabei würde ein Emitter für
den Röhrenstrom auf eine niedrigere Spannung eingestellt
und der zweite auf eine höhere Spannung. Synchron zur Umschaltung
der Hochspannung werden nun die beiden Emitter 6, 8 mit
Gitterspannung entsprechend geregelt. Hierdurch geht praktisch keine
Zeit verloren, wohingegen bei gängigen Röntgenstrahlern
eine Variation des Röhrenstroms um etwa 50% Umschaltzeiten
von ca. 30 ms erfordern.
-
Die
Röntgenröhre ermöglicht somit sowohl einen
Betrieb bei hohen Röntgenstrahldosisleistungen als auch
eine schnellere Variation der Intensität.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-