DE102009017649A1 - Emissionsstromregelung für Röntgenröhren - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Emissionsstromregelung für eine Röntgenröhre (110) mit Mitteln (150) zum Ermitteln der Spannung (U) zwischen einem Gitter (115) und einer Kathode (112) der Röntgenröhre, zumindest einen Spannungsregler (160), welcher die ermittelte Spannung (U) zwischen Gitter und Kathode mit einem Sollwert (U) vergleicht und ein Korrektursignal (K) ausgibt und mit einem der Kathode (112) zugeordneten Stellglied (140), welches ansprechend auf den Empfang eines Korrektursignals (K) vom Spannungsregler (160) die Spannung der Kathode gegenüber Masse verändert. Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass mit der Spannung zwischen Gitter und Kathode eine Größe überwacht und geregelt wird, die (anders als der über einen Shunt gemessene und mit parasitären Strömen behaftete Kathodenstrom I) direkt ohne zeitliche Verzögerung die Emission beeinflusst.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Emissionsstromregelung für Röntgenröhren.
- Es ist bekannt, in Röntgenröhren die klassischen thermischen Kathoden durch sogenannte Kohlenstoffnanoröhren, auch genannt Carbon Nanotubes (CNT), zu ersetzen. Kohlenstoffnanoröhren können so gestaltet werden, daß sie Elektronen durch Feldemission abgeben und als leistungsfähige Elektronenemitter für flache und selbstleuchtende Feldemissionsdisplays oder auch als Kathoden in Röntgenröhren dienen.
- Aus dem Artikel "Stationary scanning x-ray source based on carbon nanotube field emitters", erschienen im Jahr 2005 in Applied Physics Letters 86, 184104 ist eine besonders interessante Ausgestaltung einer Röntgenröhre bekannt. Bei dieser werden in einer Röhre mehrere CNT-Kathoden angeordnet. Eine solche Multikathodenröhre erlaubt eine räumliche Auflösung, was mit herkömmlichen Einkathodenröhren nur durch mechanische Verschiebung der Röntgenröhre erzielt werden kann.
- Bei Röntgenröhren besteht allgemein die Anforderung, den die Dosis bestimmenden Röhrenstrom möglichst schnell und genau auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. Dies erweist sich speziell bei Röntgenröhren mit CNT-Kathoden als problematisch. Zum einen liegt eine exponentielle Abhängigkeit des Stromes von der Gitter-zu-Kathodenspannung vor. Andererseits verringert sich die Elektronenemission der Kathode im Laufe der Zeit aufgrund von Schädigung und/oder Alterung der Kathode. Und schließlich weisen CNT-Röntgenröhren parasitäre Kapazitäten auf, die beim Zu- oder Abschalten einer Kathode umgeladen werden. Der dabei kurzzeitig fließende elektrische Strom beträgt ein Vielfaches des Kathodenstroms.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Emissionsstromregelung für Röntgenröhren, insbesondere für Röntgenröhren mit CNT-Kathoden, anzugeben, die ein schnelles Einregeln des Emissionsstromes erreicht.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Emissionsstromregelung für eine Röntgenröhre, die folgendes aufweist:
- – Mittel zum Ermitteln der Spannung UGK zwischen einem Gitter und einer Kathode der Röntgenröhre;
- – zumindest einen Spannungsregler, welcher die ermittelte Spannung zwischen Gitter und Kathode UGK mit einem Sollwert US vergleicht und ein Korrektursignal K ausgibt; und
- – ein der Kathode zugeordnetes Stellglied, welches ansprechend auf den Empfang eines Korrektursignals K vom Spannungsregler die Spannung der Kathode gegenüber Masse verändert.
- Vorzugsweise sind zusätzlich Mittel zum Ermitteln des Sollwerts US der Spannung zwischen Gitter und Kathode aus einem vorgegebenen Kathodenstromsollwert IS vorgesehen.
- Dabei kann der der tatsächliche Kathodenstrom I ermittelt und einem Stromregler zugeführt wird, welcher den tatsächlichen Kathodenstrom I mit dem Kathodenstromsollwert IS vergleicht und ein weiteres Korrektursignal K' ausgibt, welches den dem Spannungsregler zugeführten Sollwert US der Spannung zwischen Gitter und Kathode modifiziert.
- Dabei kann der Stromregler als abtastender digitaler Regler ausgeführt ist, welcher den ermittelten Kathodenstrom I abtastet, wenn bezüglich der Spannung ein eingeschwungener Zustand erreicht ist.
- Zusätzlich können Mittel zur Korrektur des tatsächlichen Kathodenstroms I bezüglich kapazitiver Ströme vorgesehen sein.
-
- Die Ermittlung des tatsächlichen Kathodenstroms I kann durch Messung des Spannungsabfalls über einem Shunt im Kathodenstromkreis und anschließende Berechnung anhand des ohmschen Widerstandswertes des Shunts erfolgen. Alternativ ist die Ermittlung des Kathodenstroms I an beliebiger anderer Stelle im Stromkreis und mit beliebigen anderen Meßmethoden möglich.
- Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Emissionsstromregelung weist zusätzlich Mittel zum Integrieren des tatsächlichen Kathodenstroms I über der Zeit auf, welche das Stellglied bei Erreichen eines vorgegebenen Kathodenstrom-Zeit-Produkts deaktiviert. Dadurch ist es möglich, die Dosis auf einen bestimmten Wert zu begrenzen.
- Die Erfindung betrifft ferner ein Röntgensystem mit einer Röntgenröhre und einer erfindungsgemäßen Emissionsstromregelung. In einem solchen Röntgensystem können vorteilhaft Röntgenröhren mit mehreren Kathoden eingesetzt werden. Dabei kann jede Kathode über ein eigenes Stellglied verfügen.
- Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß mit der Spannung zwischen Gitter und Kathode eine Größe überwacht und geregelt wird, die (anders als der über einen Shunt gemessene und mit parasitären Strömen behaftete Kathodenstrom I) direkt ohne zeitliche Verzögerung die Emission beeinflußt.
- Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Figur näher erläutert.
- Inder einzigen Figur ist eine Röntgenröhre
110 mit einer Vielzahl n von CNT-Kathoden1121 ..112n im evakuierten Bereich111 schematisch dargestellt. Jede der CNT-Kathoden1121 ..112n wird durch eine gesonderte Kathodenleitung1131 ..113n ver sorgt. Ferner sind im evakuierten Bereich111 ein Gitter115 und eine Anode116 angeordnet. Außerhalb des evakuierten Bereichs111 befinden sich weitere Komponenten des Systems, in welches die Röntgenröhre110 eingebettet ist: eine mit dem Gitter115 elektrisch verbundene Gitterspannungsversorgung120 , eine mit der Anode116 elektrisch verbundene Anodenspannungsversorgung130 , und Kathodenspannungsstellglieder1401 ...140n . Typische Gitterspannungen betragen 5 kV; typische Anodenspannungen betragen zwischen 20 kV und 180 kV. - Jede CNT-Kathode
1121 ..112n weist eine parasitäre Kapazität1191 ..119n auf, deren Ladezustand sich bei einer Änderung der Anodenspannung ebenfalls ändert. Diese Umladung ist mit einem entsprechenden Stromfluß verbunden, welcher die Kathodenstrommessung über einen Shunt180 verfälscht. Wie bereits erläutert, kann der parasitäre Stromfluß ein Vielfaches des eigentlichen Kathodenstromes betragen, so daß die Messung und Regelung des Kathodenstromes auf direktem Wege ungünstig ist. - Erfindungsgemäß wird daher die Spannung UGK zwischen Gitter
115 und jeweils aktiver Kathode112 als Regelgröße ausgewählt. Diese wird beispielsweise durch Differenzbildung in Mitteln150 zum Ermitteln von UGK ermittelt. Hierzu sind die Mittel150 sowohl mit allen Kathoden112 als auch mit dem Gitter115 verbunden. Zusätzlich erhalten die Mittel150 die Information, welche der Kathoden112 gerade aktiv ist bzw. aktiv sind (nicht dargestellt). - Die Mittel
150 geben den Wert der Spannung UGK zwischen Gitter115 und jeweils aktiver Kathode112 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung nur an einen Spannungsregler160 aus. Dieser erhält als zweiten Eingabewert den aktuellen Sollwert US der Spannung zwischen Gitter und Kathode, beispielsweise von einem zentralen Steuerelement des Systems. Spannungsregler160 vergleicht den Ist-Wert UGK mit dem Sollwert US und generiert ein Korrektursignal K, welches an ein der jeweils aktiven Kathode112 zugeordnetes Stellglied140 ausgegeben wird. Das jeweilige Stellglied1401 ..140n modifi ziert ansprechend auf das Korrektursignal die Kathodenspannung. Mit diesem modifizierten Wert beginnt der Ablauf von neuem und wird kontinuierlich fortgesetzt, bis der Wert von UGK dem Sollwert US entspricht. - Natürlich kann der beschriebene Regelkreis bestehend aus den Elementen
150 ,160 ,140 sowohl analog als auch digital ausgeführt werden. Dieser Regelkreis kann sehr schnell ausgelegt werden, und es wird schnell ein stationärer Zustand erreicht. - In einer Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels kann eine Einheit
175 vorgesehen werden, die als Eingabe einen Kathodenstromsollwert IS erhält und daraus einen Gitter-Kathoden-Spannungssollwert US ermittelt und an den Spannungsregler160 ausgibt. In der Einheit175 ist hierzu der (exponentielle) Zusammenhang zwischen Kathodenstrom und Gitter-Kathoden-Spannung hinterlegt. Dabei wird ausgenutzt, daß CNT-Kathoden nicht beheizt werden müssen, sondern bei im wesentlichen konstanten Temperaturen betrieben werden und daher eine feste Kennlinie haben. - In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Spannungsregelung aus den Elementen
150 ,160 ,140 eine Stromregelung gewissermaßen überlagert. Durch Alterungserscheinungen ist es nämlich möglich, daß sich die an sich feste Kennlinie im Laufe der Zeit langsam verschiebt oder anderweitig verändert. Um dies zu korrigieren, wird im stationären Zustand, d. h. nachdem die Ladevorgänge der parasitären Kapazitäten beendet sind, der Kathodenstrom I mittels Shunt180 ermittelt und einem Stromregler190 zugeführt, welcher als zweiten Eingabewert den aktuellen Kathodenstromsollwert IS erhält. Sind beide Werte (im Rahmen der Toleranzen) identisch, dann funktioniert das zweite Ausführungsbeispiel weiterhin wie das erste Ausführungsbeispiel. - Weichen I und IS hingegen voneinander ab, wird vom Stromregler
190 ein weiteres Korrektursignal K' erzeugt, welches entweder zunächst mit dem Spannungssollwert US verknüpft wird und gemeinsam mit diesem dem Spannungsregler160 zugeführt wird, oder es wird in einer Ausgestaltung (nicht dargestellt) dem Spannungsregler160 separat zugeführt. In beiden Fällen wird das weitere Korrektursignal K' so gewählt, daß eine Annäherung von I und IS erreicht wird. Hierfür kann beispielsweise ein iteratives Verfahren angewendet werden, wobei die Regelung langsam erfolgen kann, da die Veränderung der Kennlinie i. d. R. sehr langsam geschieht. Auf diese Weise kann die durch Alterung der Kathode entstandene Abweichung der in Element175 gespeicherten Kennlinie kompensiert werden. - Vorteilhaft kann der der Spannungsregelung überlagerte Stromregler als abtastender digitaler Regler ausgeführt werden, wobei die Abtastung erst erfolgt, wenn die Spannung UGK den eingeschwungenen Zustand erreicht hat. Die Ausgabe eines neuen Korrekturwertes K' an die Spannungsregelung kann noch während eines Strahlungsimpulses erfolgen oder, bei kurzen Strahlungsimpulsen, im folgenden Strahlungsimpuls.
- Optional kann der Stromerfassung, die den Kathodenstrom I mittels Shunt
180 ermittelt, ein Korrekturglied200 hinzugefügt werden, welches der Korrektur des tatsächlichen Kathodenstroms I bezüglich kapazitiver Ströme dient, welche entstehen können, wenn der Spannungsregler nicht in der Lage ist, die Spannung absolut konstant zu halten. Als Eingabe erhält das Korrekturglied200 die Ausgabe eines Differenzierers210 , welcher einen dem Differentialquotientenentsprechenden Wert liefert. - Natürlich kann die Erfassung des Kathodenstromes I nicht nur mittels Shunt
180 , sondern auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise mittels Stromwandler oder mittels Stromsensoren auf Hallelementbasis. Die Strommessung kann auch an beliebiger Stelle im Kathodenstromkreis erfolgen. - Schließlich kann die erfindungsgemäße Schaltung optional um einen Integrator
220 erweitert werden, welcher den Istwert des Kathodenstrom-Zeit-Integrals ermittelt und bei Erreichen eines vorgebbaren Wertes die Spannungszufuhr zu den Kathoden über Schaltmittel (schematisch dargestellt als Schalter230 ) unterbricht. Der Vorteil dieser Erweiterung besteht darin, daß in aller Regel nicht der absolute Wert des Kathodenstromes (welcher die Dosisleistung bestimmt), sondern das zeitliche Integral des Kathodenstromes (welches der Dosis entspricht) die einzuhaltende Größe ist, die mittels des Integrators220 überwacht werden kann. Dem Integrator220 werden hierfür Kathodenstrom I und Kathodenstromsollwert IS zugeführt. - 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 Nicht-Patentliteratur
-
- - ”Stationary scanning x-ray source based on carbon nanotube field emitters”, erschienen im Jahr 2005 in Applied Physics Letters 86, 184104 [0003]
Claims (11)
- Emissionsstromregelung für eine Röntgenröhre (
110 ), die folgendes aufweist: – Mittel (150 ) zum Ermitteln der Spannung (UGK) zwischen einem Gitter (115 ) und einer Kathode (112 ) der Röntgenröhre; – zumindest einen Spannungsregler (160 ), welcher die ermittelte Spannung (UGK) zwischen Gitter und Kathode mit einem Sollwert (US) vergleicht und ein Korrektursignal (K) ausgibt; und – ein der Kathode (112 ) zugeordnetes Stellglied (140 ), welches ansprechend auf den Empfang eines Korrektursignals (K) vom Spannungsregler (160 ) die Spannung der Kathode gegenüber Masse verändert. - Emissionsstromregelung nach Anspruch 1, die zusätzlich Mittel (
175 ) zum Ermitteln des Sollwerts (US) der Spannung zwischen Gitter und Kathode aus einem vorgegebenen Kathodenstromsollwert (IS) aufweist. - Emissionsstromregelung nach Anspruch 2, bei der der tatsächliche Kathodenstrom (I) ermittelt und einem Stromregler (
190 ) zugeführt wird, welcher den tatsächlichen Kathodenstrom (I) mit dem Kathodenstromsollwert (IS) vergleicht und ein weiteres Korrektursignal (K') ausgibt, welches den dem Spannungsregler (160 ) zugeführten Sollwert (US) der Spannung zwischen Gitter und Kathode modifiziert. - Emissionsstromregelung nach Anspruch 3, deren Stromregler (
190 ) als abtastender digitaler Regler ausgeführt ist, welcher den ermittelten Kathodenstrom (I) abtastet, wenn bezüglich der Spannung ein eingeschwungener Zustand erreicht ist. - Emissionsstromregelung nach Anspruch 3 oder 4, welche zusätzlich Mittel (
200 ) zur Korrektur des tatsächlichen Kathodenstroms (I) bezüglich kapazitiver Ströme aufweist. - Emissionsstromregelung nach Anspruch 5, welche zusätzlich einen Differenzierer (
210 ) aufweist, welcher die ermittelte Spannung (UGK) zwischen Gitter und Kathode bezüglich der Zeit differenziert und den dabei ermittelten Differentialquotientenan die Mittel (200 ) zur Korrektur des tatsächlichen Kathodenstroms (I) bezüglich kapazitiver Ströme sendet. - Emissionsstromregelung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Ermittlung des tatsächlichen Kathodenstroms (I) durch Messung des Spannungsabfalls über einem Shunt (
180 ) in einem Kathodenstromkreis und anschließende Berechnung anhand des ohmschen Widerstandswertes des Shunts erfolgt. - Emissionsstromregelung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, welche zusätzlich Mittel (
220 ) zum Integrieren des tatsächlichen Kathodenstroms (I) über der Zeit aufweist, welche das Stellglied (140 ) bei Erreichen eines vorgegebenen Kathodenstrom-Zeit-Produkts deaktiviert. - Röntgensystem mit einer Röntgenröhre (
110 ) und einer Emissionsstromregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 8. - Röntgensystem nach Anspruch 9, dessen Röntgenröhre mehrere Kathoden (
112 ) aufweist. - Röntgensystem nach Anspruch 10, dessen Emissionsstromregelung mehrere Stellglieder (
140 ) aufweist.
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