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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Steuerelektrodenanordnung zur Steuerung eines Elektronenstrahls.
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Bei einer Röntgenröhre werden mit einer beheizbaren Kathode, auch Emitter genannt, Elektronenstrahlen erzeugt, die zu einer als Target dienenden Anode beschleunigt werden und dort beim Auftreffen Röntgenstrahlen erzeugen. Die Intensität der erzeugten Röntgenstrahlung wird dabei durch den von den Elektronen transportierten Strom, d. h. die pro Zeiteinheit auf die Anode auftreffenden Elektronen bestimmt. Insbesondere bei der Computertomographie tritt die Anforderung auf, den durch den Elektronenstrahl gebildeten Strom innerhalb von wenigen Millisekunden oder sogar Mikrosekunden in seiner Stärke zu variieren.
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Üblicherweise kann dieser Strom mittels Temperaturänderungen des Emitters gesteuert werden. Zwar treten beim Erhöhen des Stromes nur Zeitkonstanten von einigen Millisekunden auf, beim Senken des Stromes betragen diese jedoch über 100 ms.
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Alternativ hierzu kann der Strom auch mit Hilfe eines sogenannten Wehnelt-Zylinders gesteuert werden. Bei einem solchen Wehnelt-Zylinder handelt es sich um eine zylinderförmige Steuerelektrode, die in unmittelbarer Nähe zum Emitter angebracht und mit einem negativen elektrischen Potenzial gegenüber dem Emitter versehen wird. Durch Einstellen dieses Potenzials verändert sich die Anzahl der Elektronen, die dieses Potenzial überwinden können und somit die Stärke des resultierenden Stromes. Mit dem Wehnelt-Zylinder können jedoch nur relativ kleine Ströme gesteuert werden und es tritt eine erhebliche Refokussierung des Elektronenstrahls durch den Zylinder auf.
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Weiterhin bekannt ist ein Röntgenstrahler mit einem Gittersegment, an das eine Spannung anlegbar ist, wie in der
DE 40 26 299 A1 offenbart. Aus der
US 6 259 765 B1 ist ein Röntgenstrahler bekannt, der einen Elektronenstrahlmittels eines Magnetfelds fokussiert.
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Ferner bieten gitterförmige Steuerelektrodenanordnungen eine weitere Alternative zur Steuerung des Stromes. Derartige Anordnungen sind bisher aus der Beschleunigertechnologie bekannt. Hierbei tritt das Problem auf, dass die aus dem Emitter austretenden und auf die Steuerelektroden treffenden Elektronen diese stark erwärmen können, was bis zur Zerstörung der Steuerelektroden führen kann. Es wird daher in einem Pulsbetrieb gearbeitet, wobei die Emissionszeiten des Emitters nur wenige Prozent eines Betriebszyklus betragen, Beispielsweise bei einem Pulsstrom von 1 A mit einer Emissionszeit von 1,5% und Pulsfrequenzen im kHz-Bereich reduziert sich der mittlere Strom auf 15 mA, was für die Anwendung beispielsweise in der Computertomographie jedoch zu wenig ist. Außerdem wird durch die an der Anode anliegende hohe Beschleunigungsspannung und das dadurch hervorgerufene elektrische Feld die Steuerwirkung der gitterförmigen Steuerelektrodenanordnung beeinflusst. Diese Einwirkung der Beschleunigungsspannung auf das durch die Steuerelektroden verursachte Feld wird als Felddurchgriff bezeichnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Röntgenröhre vorzuschlagen, bei der der durch einen aufheizbaren Emitter erzeugte Elektronenstrahl und der dadurch hervorgerufene Strom gesteuert werden kann und die oben aufgeführten Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Röntgenröhre mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Erfindungsgemäß umfasst diese eine Anode und einen mehrere voneinander beabstandete aufheizbare Emitterbereiche aufweisenden Emitter zur Erzeugung eines aus mehreren von den Emitterbereichen erzeugten Teilstrahlen zusammengesetzten Elektronenstrahls zwischen Emitter und Anode. Zwischen Emitter und Anode ist eine Steuerelektrodenanordnung angeordnet, die eine Mehrzahl von Durchlässen oder Durchtrittsfenster für die Teilstrahlen aufweist, die zwischen den einzelnen, die Steuerelektrodenanordnung bildenden Steuerelektroden liegen und mit deren Hilfe ein veränderbares elektrisches Feld zur Steuerung der Teilstrahlen erzeugt werden kann. Die Steuerelektrodenanordnung umfasst mehrere Steuerelektrodenlagen, die zwischen Emitter und Anode hintereinander angeordnet sind und jeweils eine unterschiedliche Spannung aufweisen können. Die einzelnen Emitterbereiche und die Steuerelektroden sind derart zueinander angeordnet und steuerbar, dass die von den einzelnen Emitterbereichen erzeugten Teilstrahlen durch einen diesen jeweils zugeordneten Durchlass wenigstens nahezu vollständig hindurch dringen.
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Durch den Einsatz der Steuerelektrodenanordnung wird ermöglicht, dass der durch den Elektrodenstrahl verursachte Strom steuerbar, also in seiner Stärke variierbar ist, indem eine an die Steuerelektroden angelegte Spannung verändert wird und damit ebenfalls eine Veränderung des durch diese verursachte elektrische Feld bewirkt wird, welches sowohl die Geometrie des Elektronenstrahls als auch die mit ihm pro Zeiteinheit zur Anode transportierte Anzahl von Elektronen, also die Stromstärke, beeinflusst. Als Spannung wird jeweils die Potenzialdifferenz zwischen Emitter und der entsprechenden Steuerelektrode betrachtet. Durch die besondere Anordnung von Emitterbereichen und Steuerelektroden wird ferner erreicht, dass eine Erwärmung der Steuerelektroden, was schließlich zu deren Zerstörung führen könnte, vermieden wird, da die Elektronen nahezu vollständig durch die jeweiligen Durchlässe dringen und daher nicht die Steuerelektroden treffen. Somit ist im Gegensatz zu dem aus der oben genannten Beschleunigertechnologie bekannten Ansatz ein Dauerbetrieb der Röntgenröhre möglich.
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Da die Steuerelektrodenanordnung mehrere hintereinander angeordnete Steuerelektrodenanlagen aufweist, ist eine besonders gute Fokussierung des Elektronenstrahls und zugleich eine genaue Steuerung des Stromes möglich. Außerdem wird der Felddurchgriff der Anodenspannung reduziert.
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Vorzugsweise wird als Emitter ein Flachemitter verwendet, da dieser besonders zur Erzeugung von hohen Stromstärken geeignet ist.
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Wenn eine zusätzliche Steuerelektrodenlage zumindest annähernd in einer von den Emitterbereichen aufgespannten Ebene angeordnet ist, wird eine besonders günstige Ausgestaltung des durch die Steuerelektroden hervorgerufenen elektrischen Feldes zur Steuerung des Stromes erreicht.
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Wenn die innerhalb der am nächsten zur Elektrode liegende Steuerelektrodenlage eine Mehrzahl von unabhängig voneinander steuerbaren Steuerelektroden aufweist, die jeweils eine unterschiedliche Spannung aufweisen können, können Teilstrahlen einzeln abgelenkt werden und somit eine Fokussierung der einzelnen Teilstrahlen erreicht werden, so dass insbesondere der Einsatz von großflächigen Emittern mit einer besonders hohen Zahl an Emitterbereichen und durch diese erzeugte Teilstrahlen ermöglicht wird. Es kann somit ein fokussierter Elektronenstrahl mit hoher Stromstärke erzeugt werden.
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Um eine Beeinflussung der Steuerung der Teilstrahlen durch das durch die Anode hervorgerufene elektrische Feld zu vermeiden, also den sogenannten Felddurchgriff zu minimieren, wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Verhältnis der Weite eines Durchlasses zum Abstand einer Steuerelektrodenlage vom Emitter kleiner als 1:3 gewählt. Die Weite eines Durchlasses bemisst sich dabei als der Abstand zweier Steuerelektroden senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahls innerhalb einer Steuerelektrodenlage.
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Wenn der Zentralstrahl eines Teilstrahles weitestgehend parallel zu der Mittelsenkrechten des diesem zugeordneten Durchlasses gerichtet ist, wird erreicht, dass die von dem Emitter emittierten Elektronen die Steuerelektroden nicht treffen und somit nahezu vollständig durch die entsprechenden Durchlässe hindurch dringen. Dies wird außerdem gewährleistet, wenn der Emitterbereich kleiner als die Projektionsfläche eines Durchlasses entgegen der Elektrodenstrahlrichtung auf den Emitter ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Röntgenröhre in einer schematischen Prinzipdarstellung,
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2 ein Diagramm, bei dem der durch den Elektronenstrahl erzeugte Strom gegenüber der an einer Steuerelektrodenlage angelegten Spannung aufgetragen ist,
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3 einen zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Röntgenröhre geeigneten Flachemitter,
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4 eine Draufsicht auf eine Steuerelektrodenlage in Richtung auf den Flachemitter,
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5 eine auf eine am nächsten zur Anode liegende Steuerelektrodenlage, ebenfalls in Richtung des Flachemitters gesehen
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6 eine Röntgenröhre mit einer Steuerelektrodenanordnung, bei der die Teilstrahlen unterschiedlich abgelenkt werden.
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Gemäß 1 enthält eine Röntgenröhre eine Anode 2 sowie einen Emitter 4, der wiederum in diesem Fall drei voneinander beabstandete Emitterbereiche 4a–c umfasst. Zwischen Emitter 4 und Anode 2 befindet sich eine Steuerelektrodenanordnung 6, die im Beispiel von drei Steuerelektrodenlagen 6a–c gebildet wird, die vom Emitter 4 aus gesehen mit zunehmendem Abstand hintereinander angeordnet sind. Zusätzlich ist in der durch die die Emitterbereiche 4a–c aufgespannten Ebene 5 eine weitere Steuerelektrodenlage 6d vorhanden. Jede Steuerelektrodenlage 6a–d wird aus mehreren einzelnen Steuerelektroden 8, 10, 12, 14 gebildet, die in diesem einfachen Ausführungsbeispiel, durch gestrichelt eingezeichnete Verbindungslinien veranschaulicht, innerhalb der Steuerelektrodenlage 6a–d elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so dass die Steuerelektroden 8, 10, 12, 14 einer Steuerelektrodenlage 6a–d jeweils dieselbe Spannung U aufweisen. Jeweils zwischen zwei Steuerelektroden 8, 10, 12, 14 befindet sich ein Durchtrittsfenster oder Durchlass 16 mit einer Weite w und einer Mittensenkrechten M, wie es beispielhaft in 1 zwischen zwei Steuerelektroden 8 der Steuerelektrodenlage 6a dargestellt ist. Diese Weite w beträgt im Ausführungsbeispiel 0,6 mm und ist im Ausführungsbeispiel für alle vorhandenen Durchlässe 16 gleich. Ferner ist exemplarisch der Abstand a zwischen einer Steuerelektrode 12 und dem Emitter 4 aufgezeigt, der beispielsweise 3 mm beträgt. Somit ergibt sich ein Verhältnis der Weite der Durchlässe zum Abstand der Steuerelektrodenlage 6c w:a von 1:5. Durch ein derartiges geringes Verhältnis wird der Felddurchgriff der Anodenspannung minimiert.
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Im Betrieb der Röntgenröhre werden der Emitter 4 und damit die einzelnen Emitterbereiche 4a–c aufgeheizt, so dass diese jeweils einen Teilstrahl 18a–c von Elektronen emittieren, die sich zu einem Elektronenstrahl 18 zusammensetzen. Dieser Elektronenstrahl 18 bzw. die einzelnen Teilstrahlen 18a–c mit dem jeweiligen Zentralstrahl Z erstrecken sich von den entsprechenden Emitterbereichen 4a–c durch die Steuerelektrodenanordnung 6 zur Anode 2. Die einzelnen Steuerelektroden 8 bis 14 sowie die Emitterbereiche 4a–c sind nun derart zueinander angeordnet, dass die von den einzelnen Emitterbereichen 4a–c erzeugten Teilstrahlen 18a–c durch einen diesen zugeordneten Durchlass 16 nahezu vollständig hindurch dringen, also nicht auf die Steuerelektroden 8, 10, 12, 14 auftreffen. Dies wird in diesem Fall auch dadurch erreicht, dass die jeweiligen Zentralstahlen Z mit den Mittelsenkrechten M der Durchlässe 16 zusammenfallen.
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Die jeweilige Spannung U der Steuerelektroden 8, 10, 12, 14 kann unabhängig verändert werden, so dass hierdurch ein veränderbares elektrisches Feld erzeugt wird. Auch dieses Feld hat Einfluss auf die Geometrie der einzelnen Teilstrahlen 18a–c. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die jeweiligen Steuerelektroden 8, 10, 12, 14 innerhalb einer Steuerelektrodenlage 6a–d jeweils die gleiche Spannung U auf, während die Spannungen U der einzelnen Steuerelektrodenlagen 6a–d in Strahlrichtung gesehen vom Emitter 4 zur Anode 2 zunehmen. Beispielsweise werden an die Steuerelektroden 14 eine Spannung U von –1 V, an die Steuerelektroden 8 von 30 V, an die Steuerelektroden 10 von 1000 V und an die Steuerelektroden 12 von 10000 V angelegt, während der Emitter 4 das Bezugspotenzial von 0 V aufweist. Zur Steuerung des durch den Elektronenstrahl 18 hervorgerufenen Stroms I können die an die Steuerelektroden 8, 10, 12, 14 angelegten Spannungen U variiert werden, so dass diese ein unterschiedliches elektrisches Feld erzeugen und man hierüber die Stärke des Stromes I erhöhen oder senken kann.
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Ein solcher Verlauf des Stromes I in Abhängigkeit der an die am nächsten zur Anode liegende Steuerelektrodenlage 6c angelegten Spannung U ist in 2 dargestellt. Hierbei ist zu sehen, dass der durch den Elektronenstrahl 18 hervorgerufene Strom I im wesentlichen linear mit der Spannung U der Steuerelektrodenlage 6c ansteigt, bis es zu einem Sättigungswert kommt, der im gezeigten Beispiel bei knapp über 500 mA liegt und bei Anlegen einer Spannung U von etwa 7000 V an die Steuerelektrodenlage 6c erreicht wird, während eine weitere Erhöhung der Spannung U zu keinem weiteren Anstieg des Stromes I führt.
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In 3 ist der Aufbau eines aus einem Flachemitter gebildeten Emitters 4 dargestellt. Dieser weist eine mäanderförmige Leiterbahn 20 auf, die Bereiche unterschiedlicher Breite umfasst. Bei Stromfluss durch die Leiterbahn 20 heizen sich die relativ schmalen Bereiche aufgrund des dort herrschenden höheren Widerstandes auf und können daher Elektronen emittieren. Diese in 3 schraffierten schmalen Bereiche stellen daher die einzelnen Emitterbereiche 4a–c dar. Gefertigt werden kann ein derartiger Emitter 4 beispielsweise durch bekannte Laserschneidverfahren aus einem Blech.
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In 4 ist eine Steuerelektrodenlage 6a von der hier nicht dargestellten Anode 2 aus gesehen auf den in 3 dargestellten Emitter 4 projiziert. Die die Steuerelektrodenlage 6a bildenden Steuerelektroden 8 sind an ihren jeweils beiden Enden über einen Steg 30, 32 leitend miteinander verbunden, so dass diese stets die gleiche Spannung U aufweisen. Die einzelnen Emitterbereiche 4a–c sind jeweils kleiner als die Projektionsfläche eines Durchlasses 16 entgegen der Elektronenstrahlrichtung auf den Emitter 4. Im Zusammenhang mit der entsprechenden Spannung U der Steuerelektrodenlage 6a wird sichergestellt, dass die von den einzelnen Emitterbereichen 4a–c erzeugten Teilstrahlen 18a–c durch einen diesen zugeordneten Durchlass 16 nahezu vollständig hindurch dringen.
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In 5 ist nun die am nächsten zur Anode liegende Steuerelektrodenlage 6c entgegen der Elektronenstrahlrichtung auf den Emitter 4 projiziert, wie sie bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eingesetzt wird. Bei einer derartigen Steuerelektrodenlage 6c sind jedoch nicht alle, wie im vorhergehenden Beispiel, sondern lediglich zwei Steuerelektroden 12 leitend miteinander verbunden. Somit kann an die in 5 dargestellten beiden inneren Steuerelektroden 12a gegenüber den beiden äußeren Steuerelektroden 12b eine unterschiedliche Spannung U angelegt werden. Es können dadurch die Teilstrahlen 18a und 18c in einem anderen Ausmaß abgelenkt werden als der Elektrodenteilstrahl 18b, wodurch die einzelnen Elektronenteilstrahlen 18a–c zu einem Elektronenstrahl fokussiert werden können. Dies ist insbesondere bei sehr großflächigen Emitteranordnungen notwendig.
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Eine derartige Röntgenröhre, bei der innerhalb der am nächsten zur Anode 2 liegenden Steuerelektrodenlage 6c eine Mehrzahl von unabhängig voneinander steuerbaren Steuerelektroden 12 aufweist, ist in 6 wiedergegeben. Beispielsweise wird an die inneren Steuerelektroden 12a eine Spannung U von 2500 V angelegt, während an die äußeren Steuerelektroden 12b eine Spannung U von 2400 V angelegt wird. Dies führt dazu, dass die Teilstrahlen 18a sowie 18c zur durch die stärkere positive Aufladung der inneren Steuerelektroden 12a zu diesen hin abgelenkt werden. Teilstrahl 18b wird durch ein symmetrisches elektrisches Feld geführt und erfährt keine Ablenkung quer zur Strahlrichtung. Somit werden die einzelnen Teilstrahlen 18a–c zu einem resultierenden Elektronenstrahl 18 fokussiert.
