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Die
Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer
Kathode, die bei Bestrahlung durch wenigstens einen Laserstrahl
in einem Fokus Elektronen thermoionisch emittiert, und mit einer
Anode, die beim Auftreffen der Elektronen in einem Brennfleck Röntgenstrahlen
emittiert.
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Eine
derartige Röntgenröhre ist beispielsweise jeweils
für sich durch die
DE 10 2005 043 372 A1 (korrespondierende
US 2007/0064872 A1 )
und durch die
DE
10 2006 024 437 A1 (korrespondierende
US 2007/0274454 A1 )
sowie durch die
DE
10 2006 024 436 A1 (korrespondierende
US 2007/0274452 A1 ) und
durch die
DE 10
2006 024 435 A1 (korrespondierende
US 2007/0274453 A1 )
bekannt. Die bekannten Röntgenröhren weisen ein
Vakuumgehäuse auf, das um eine Achse drehbar ist und in
dem eine Anode und eine Kathode angeordnet sind. Von der rotierenden
Kathode werden bei Bestrahlung durch einen Laserstrahl thermoionisch
Elektronen emittiert. Die Elektronen treffen auf die rotierende
Anode auf, wobei die Anode Röntgenstrahlen emittiert. Der
Laserstrahl wird von einer stationären Quelle, die außerhalb
des Vakuumgehäuses angeordnet ist, auf einen räumlich
stationären Laserbrennfleck auf der Kathode umgelenkt.
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Weiterhin
ist durch die
DE 199
03 872 C2 (korrespondierende
US 6,292,538 B1 ) eine Röntgenröhre
mit einer Springfokussierung bei einem Elektronenstrahl bekannt.
Die Springfokussierung des Elektronenstrahls auf der Anode kann
hierbei entweder nur in z-Richtung oder nur in phi-Richtung oder gleichzeitig
sowohl in z-Richtung als auch in phi-Richtung erfolgen.
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Ferner
ist durch die
US 4,821,305 eine
Röntgenröhre bekannt, bei der sowohl die Anode
als auch die Kathode axialsymmetrisch in einem Vakuumgehäuse
angeordnet sind. Die rotierende Kathode besteht aus einem Material,
das unter Lichteinfall fotoelektrisch Elektronen emittiert. Die
Elektronenemission wird durch einen räumlich stationären
Lichtstrahl ausgelöst, der von außerhalb des Vakuumgehäuses durch
ein transparentes Fenster auf die Kathode fokussiert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre
mit einer hohen und homogenen laserinduzierten Elektronenemission
zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre
gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die
Röntgenröhre gemäß Anspruch
1 umfasst eine Kathode, die bei Bestrahlung durch wenigstens einen
Laserstrahl in einem Fokus Elektronen thermoionisch emittiert, und
eine Anode, die beim Auftreffen der Elektronen in einem Brennfleck Röntgenstrahlen
emittiert. Erfindungsgemäß ist der Fokus wenigstens
eines Laserstahls als Springfokus mit einem vorgebbaren Intensitätsprofil
ausgebildet.
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Bei
der Röntgenröhre nach Anspruch 1 wird durch den
Laserstrahl die Kathode lokal erhitzt, wodurch eine höhere
thermische Elektronenemission erzielt wird als bei einer Widerstandsheizung.
Da der Fokus wenigstens eines Laserstrahls als Springfokus ausgebildet
ist, also abwechselnd eine erste Fokusposition und eine zweite Fokusposition
einnimmt, wird die Kathode an unterschiedlichen Stellen lokal erhitzt,
so dass sowohl eine übermäßige lokale
Erhitzung als auch eine zu starke Abkühlung der Kathode zuverlässig
verhindert wird. Die Elektronenemission ist dadurch wesentlich homogener
als bei einer ausschließlich stationären thermoionischen
Elektronenemission. Das wesentlich homogenere Elektronenemissionsverhalten
gewährleistet eine deutlich verbesserte Brennfleckqualität
der Elektronen auf der Anode, die wiederum zu einer verbesserten
Abbildungsqualität bei den Röntgenaufnahmen führt.
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Im
Rahmen der Erfindung sind vielfältige vorteilhafte bzw.
bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre möglich.
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So
kann z. B. der Springfokus in z-Richtung (Anspruch 2), in phi-Richtung
(Anspruch 3) oder in z-Richtung und in phi-Richtung (Anspruch 4)
bewegbar sein.
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Unter ”z-Richtung” ist
hierbei eine radiale Richtung zu verstehen, die parallel zur Längsachse der
Röntgenröhre verläuft, in einem Computertomografiegerät
somit in einem 90°-Winkel zur Patientenlängsachse.
Die ”phi-Richtung” erstreckt sich parallel zur
Umfangsrichtung des Tellerrandes der Anode.
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Bei
der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ist
eine Elektronenemission realisiert, bei der in den Bereichen zwischen
den Fokuspositionen keine Temperaturüberhöhung
auftritt. Dies kann gemäß den nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispielen durch Maßnahmen bei der
Kathode und/oder durch Maßnahmen beim Laserstrahl erreicht
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Kathode in Elektronen emittierende
Segmente unterteilt, die unterschiedliche Elektronenemissionseigenschaften
aufweisen (Anspruch 5). Die Anordnung der Segmente auf der Kathode
ist hierbei abhängig von der Bewegung (z-Richtung und/oder phi-Richtung)
des Springfokus. Benachbarte Segmente weisen hierbei vorzugsweise
einen Übergangsbereich auf (Anspruch 6).
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Ein
nochmals verbesserte Homogenität bei der Elektronenemission
wird dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Segment das Produkt aus
Dichte ρ, gemessen in kg/m3, Wärmekapazität
Cp, gemessen in J/(kg·K), und Wärmeleitfähigkeit λ,
gemessen in W/m·K, so angepasst ist, dass die benachbarten Segmente
eine homogene Elektronenemission aufweisen (Anspruch 7).
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein
Laserstrahl ein Intensitätsprofil auf, das an die jeweilige
Lage des Springfokus anpassbar ist (Anspruch 8). Eine besonders vorteilhafte
Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Laserstrahl
im Übergangsbereich eine geringere Intensität
aufweist als im Randbereich. Um dies zu realisieren, ändert
sich das Intensitätsprofil des Laserstrahls bei einem Wechsel der
Fokuslage.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre ist der Springfokus durch einzelne
Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, und damit
unterschiedlichen Intensitäten, realisiert (Anspruch 10).
Die Laserstrahlen sind hierbei durch einzelne Laserquellen (Anspruch
11) oder durch eine Laserquelle und eine zwischen der Laserquelle
und der Kathode angeordnete Optik realisiert (Anspruch 12).
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Im
Rahmen der Erfindung müssen die Elektronen emittierenden
Segmente nicht notwendigerweise in einem Winkel von 180° zueinander,
also in einer Ebene liegend, angeordnet sein (plane Kathode). Vielmehr
ist es auch möglich, dass die Kathode zwei Elektronen emittierende
Segmente umfasst, die in einem Winkel kleiner 180° angeordnet
sind (Anspruch 13).
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden
anhand von vier schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch
auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt
zu sein. Es zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung einer thermoionischen Elektronenemission
mittels eines Laserstrahls mit Springfokus,
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2 eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre,
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3 eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre.
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4 eine
dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre,
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5 eine
vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre.
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In
den 1 bis 5 wird jeweils eine mit 1 bezeichnete
Kathode von einem Laserstrahl 2 bestrahlt, die hierbei
Elektronen thermoionisch emittiert (lokal laserstimulierte Elektronenemission).
Der Laserstrahl 2 weist einen Springfokus auf, nimmt also abwechselnd
eine erste Fokusposition 3a und eine zweite Fokusposition 3b ein.
Abhängig von seinen Fokuspositionen 3a und 3b bestrahlt
der Laserstrahl 2 somit zwei voneinander beabstandete Segmente 4a und 4b,
die jeweils Elektronen emittieren. Die von der Kathode 1 aus
dem Segment 4a emittierten Elektronen bilden einen Elektronenstrahl 5a,
die von der Kathode 1 aus dem Segment 4b emittierten
Elektronen bilden einen Elektronenstrahl 5b.
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Der
permanente Wechsel zwischen den beiden Fokuspositionen 3a und 3b (so
genannter Springfokus) wird beispielsweise im μs-Bereich
geschaltet.
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Weiterhin
umfasst die Röntgenröhre gemäß den 1 bis 5 jeweils
eine Anode 6, die beim Auftreffen der Elektronenstrahlen 5a und 5b in
einem Brennfleck 7a bzw. 7b Röntgenstrahlen 8a und 8b emittiert.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die von
der Anode 6 emittierten Röntgenstrahlen 8a und 8b in
den 2 bis 5 nicht dargestellt.
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Der
Springfokus, der abwechselnd die Fokuspositionen 3a und 3b einnimmt,
ist in z-Richtung und/oder in φ-Richtung bewegbar. Die
z-Richtung ist hierbei eine radiale Richtung, die parallel zur Längsachse
der Röntgenröhre verläuft, in einem Computertomografiegerät
somit in einem 90°-Winkel zur Patien tenlängsachse.
Die φ-Richtung erstreckt sich parallel zur Umfangsrichtung
des Tellerrandes der Anode 6.
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Die
Röntgenstrahlen 8a und 8b werden nach Durchstrahlung
eines Untersuchungsobjektes (in der Zeichnung nicht dargestellt)
von einem Detektor 9 mit einer Vielzahl von Detektorzeilen 10 erfasst
(in den 2 bis 5 nicht
dargestellt).
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Durch
die Größe der einzelnen Detektorzeilen 10 (einige
100 μm) und durch die Abmessungen der Elektronenstrahlen 5a und 5b (in
z-Richtung etwa 10 mm) überlappen sich zwangsläufig
die einzelnen Fokuspositionen 3a und 3b des eine
Intensität I aufweisenden Laserstrahls 2 auf der
Kathode 1. Diese Überlappung der Fokuspositionen 3a und 3b ist
aus den Intensitätsprofilen 11a und 11b in 1 ersichtlich.
Damit wird ein zwischen den beiden Segmenten 4a und 4b liegendes
mittleres Segment 4c permanent durch den Laserstrahl 2 aufgeheizt,
so dass – wie aus dem Temperaturprofil 12 in 1 ersichtlich ist – die
Temperatur T im mittleren Segment 4c zu hoch wird. Die
Temperaturüberhöhung im mittleren Segment 4c führt
zu einer stark erhöhten Elektronenemission in diesem Segment 4c.
Aus diesem Grund ist es nicht möglich, durch einfaches
Schwenken des Laserstrahls 2 eine separate Elektronenemission
für den Elektronenstrahl 5a und eine separate
Elektronenemission für den Elektronenstrahl 5b zu
erzielen.
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Um
eine separate Elektronenemission für die Elektronenstrahlen 5a und 5b zu
realisieren, muss der Laserstrahl 2 erfindungsgemäß in
seinem Springfokus eine vorgebbare Intensitätsverteilung 11a bzw. 11b aufweisen.
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Im
Rahmen der Erfindung kann dies dadurch erreicht werden, dass die
Eigenschaften der Kathode 1 auf die Eigenschaften des Laserstrahls 2 abgestimmt
werden und/oder dass die Eigenschaften des Laserstrahls 2 auf
die Eigenschaften der Kathode 1 abgestimmt werden. Die 2 bis 5 beschreiben
hierzu vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre ist die Kathode 1 in Elektronen
emittierende Segmente 4a und 4b unterteilt. Die
Segmente 4a und 4b weisen vorgebbare Elektronenemissionseigenschaften
sowie einen gemeinsamen Übergangsbereich 4c (mittleres
Segment) auf. Der Übergangsbereich 4c ist zwischen
den beiden Segmenten 4a und 4b angeordnet.
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Um
ein effizientes Aufheizen der Kathode 1 durch den Laserstrahl 2 zu
gewährleisten, ist in jedem Segment 4a, 4b, 4c das
Produkt aus Dichte ρ, gemessen in kg/m3,
Wärmekapazität C, gemessen in J/(kg·K),
und Wärmeleitfähigkeit λ, gemessen in W/m·K,
so angepasst, dass die benachbarten Segmente 4a und 4b eine
homogene Elektronenemission aufweisen und durch den Übergangsbereich 4c ein
homogener Übergang in der Elektronenemission vorliegt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Segmente 4a und 4b die
gleichen Elektronenemissionseigenschaften auf, erzeugen also gleich
homogene Elektronenstrahlen 5a und 5b. Demgegenüber
erhitzt sich das mittlere Segment 4c bei vorgegebener Intensität
I des Laserstrahls 2 geringer, so dass auch bei überlappenden
Fokuspositionen 3a und 3b und damit einer längeren
Bestrahlung durch den Laserstrahl 2 keine Temperaturüberhöhung
im mittleren Segment 4c (Übergangsbereich) und
somit auch keine höhere Elektronenemission auftritt.
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Wie
in 2 aus den Intensitätsprofilen 11a und 11b für
den Laserstrahl 2 und aus dem Temperaturprofil 12 für
die Kathode 1 ersichtlich ist, werden durch eine Unterteilung
der Kathode 1 in Segmente 4a, 4b, 4c homogene
Elektronenstrahlen 5a und 5b erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre,
die in 3 dargestellt ist, weist der Laserstrahl 2 für
seine Fokusposition 3a ein Intensitätsprofil 11a und
für seine Fokusposition 3b ein Intensitätsprofil 11b auf,
das an die jeweilige Fokusposition 3a bzw. 3b des
Springfokus anpassbar ist.
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Wie
aus den Intensitätsprofilen 11a und 11b in 3 ersichtlich
ist, weist der Laserstrahl 2 im Überlappungsbereich 4c (mittleres
Segment der Kathode 1) eine geringere Intensität
I auf als im Randbereich.
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Im
Rahmen der Erfindung kann der Springfokus durch einzelne Laserstrahlen
mit unterschiedlichen Wellenlängen realisiert werden. Die
Laserstrahlen werden bei der gezeigten Ausführungsform
durch eine gemeinsame Laserquelle und durch eine zwischen der Laserquelle
und der Kathode 1 angeordnete Optik, z. B. ein Prisma,
erzeugt. Die Laserquelle und das Prisma sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit in 4 nicht
dargestellt.
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Die
von der Laserquelle erzeugten unterschiedlichen Laserwellenlängen
werden im Prisma unterschiedlich gebrochen (abgelenkt), so dass
ein erster Laserstrahl 2a, ein zweiter Laserstrahl (nicht dargestellt)
und ein dritter Laserstrahl (nicht dargestellt) entstehen, die jeweils
verschieden Wellenlängen aufweisen. Der erste Laserstrahl 2a bestrahlt
in seiner Fokusposition 3a das erste Segment 4a,
der zweite Laserstrahl bestrahlt in seiner Fokusposition 3b das
zweite Segment 4b und der dritte Laserstrahl bestrahlt
in seiner Fokusposition 3c das dritte Segment 4c.
Die Segmente 4a und 4b werden abwechselnd bestrahlt,
wohingegen das dritte Segment 4c (mittleres Segment, das
den Übergangsbereich bildet) permanent vom dritten Laserstrahl
bestrahlt wird.
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Wie
in 3 aus den Intensitätsverläufen 11a und 11b für
den Laserstrahl 2 ersichtlich ist, ist die Intensität 11c des
dritten Laserstrahls, der auf das mittlere Segment 4c auftrifft,
geringer als die Intensitäten 11a und 11b des
ersten Laserstrahls 2a und des zweiten Laserstrahls. Man
erhält dadurch ein Temperaturprofil 12, das wiederum
keine unerwünschte Temperaturüberhöhung
aufweist, so dass durch die Untertei lung der Kathode 1 in
Segmente 4a, 4b, 4c homogene Elektronenstrahlen 5a und 5b erzeugt
werden.
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Bei
den in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Röntgenröhre
sind die Elektronen emittierenden Segmente 4a und 4b in
einem Winkel von 180° zueinander, also in einer Ebene liegend,
angeordnet.
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Im
Rahmen der Erfindung muss die Kathode 1 nicht notwendigerweise
als plane Kathode ausgeführt sein. Vielmehr ist es nach
einer in 5 gezeigten Ausführungsform
auch möglich, dass die Kathode zwei Elektronen emittierende
Segmente 4a und 4b umfasst, die in einem Winkel
kleiner 180° angeordnet sind. Die Kathode 1 ist
also abgewinkelt. Auch bei dieser Variante der erfindungsgemäßen
Röntgenröhre werden die Elektronenstrahlen 5a und 5b in
ihren Fokuspositionen 3a und 3b in den Segmenten 4a und 4b der
Kathode 1 separat erzeugt und auf der Anode 6 zusammengeführt.
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Im
Rahmen der Erfindung ergeben sich für den angesprochenen
Fachmann weitere Möglichkeiten zu vorteilhaften Ausgestaltungen
der erfindungsgemäßen Röntgenröhre.
So sind z. B. die für einen in z-Richtung bewegbaren Springfokus
beschriebenen Maßnahmen gleichermaßen auch für
einen in phi-Richtung oder in z- und phi-Richtung bewegbaren Springfokus
realisierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005043372
A1 [0002]
- - US 2007/0064872 A1 [0002]
- - DE 102006024437 A1 [0002]
- - US 2007/0274454 A1 [0002]
- - DE 102006024436 A1 [0002]
- - US 2007/0274452 A1 [0002]
- - DE 102006024435 A1 [0002]
- - US 2007/0274453 A1 [0002]
- - DE 19903872 C2 [0003]
- - US 6292538 B1 [0003]
- - US 4821305 [0004]
