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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Emissionsstromregelung für Röntgenröhren.
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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.
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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.
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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.
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Die Patentschrift
DE 102 28 336 C1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Wechselrichterschaltung zur Erzeugung einer höochfrequenten Wechselspannung, mit einem Hochspannungserzeuger zur Umwandlung der hochfrequenten Wechselspannung in eine Hochspannung für die Röntgenröhre und mit einer Spannungsregelungsschaltung, die auf Basis der Abweichung einer Ist-Röntgenröhrenspannung von einer Soll-Röntgenröhrenspannung einen Stellgrößenwert für eine Stellgröße für die Wechselrichterschaltung für eine Anpassung der Ist-Röntgenröhrenspannung an die Soll-Röntgenröhrenspannung erzeugt.
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Die Patentschrift
US 4 449 227 A offenbart einen Brücken-Wechselrichter für eine Röntgenröhre, mit einer Rückkopplungsteuerung auf der Sekundärseite, die eine Rückkopplung auf die Steuerung der Hochfrequenzschalter des Wechselrichters erlaubt, wobei der Hochspannungsausgang der Sekundärseite des Hochspannungstransformators detektiert wird.
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Die Patentschrift
DE 196 31 143 C2 offenbart einen Hochfrequenz-Röntgengenerator mit einer Röntgenröhre mit Metallmittelteil, bei der für die Gesamtspannung an der Röntgenröhre und für die Kathodenspannung zwischen Metallmittelteil und Kathode jeweils ein gesonderter Hochspannungsgleichrichter mit vorgeschaltetem Wechselrichter vorhanden ist, und bei dem ein Regelkreis für die jeweilige Spannung vorhanden ist.
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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.
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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.
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Vorzugsweise sind zusätzlich Mittel zum Ermitteln des Sollwerts US der Spannung zwischen Gitter und Kathode aus einem vorgegebenen Kathodenstromsollwert IS vorgesehen.
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Dabei kann der tatsächliche Kathodenstrom I ermittelt und einem Stromregler zugeführt werden, 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.
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Dabei kann der Stromregler als abtastender digitaler Regler ausgeführt sein, welcher den ermittelten Kathodenstrom I abtastet, wenn bezüglich der Spannung ein eingeschwungener Zustand erreicht ist.
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Zusätzlich können Mittel zur Korrektur des tatsächlichen Kathodenstroms I bezüglich kapazitiver Ströme vorgesehen sein.
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Diese können beispielsweise durch einen Differenzierer mit dem Differentialquotienten
versorgt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Figur näher erläutert.
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In der einzigen Figur ist eine Röntgenröhre 110 mit einer Vielzahl n von CNT-Kathoden 1121 ... 112n im evakuierten Bereich 111 schematisch dargestellt. Jede der CNT-Kathoden 1121 ... 112n wird durch eine gesonderte Kathodenleitung 1131 ... 113n versorgt. Ferner sind im evakuierten Bereich 111 ein Gitter 115 und eine Anode 116 angeordnet. Außerhalb des evakuierten Bereichs 111 befinden sich weitere Komponenten des Systems, in welches die Röntgenröhre 110 eingebettet ist: eine mit dem Gitter 115 elektrisch verbundene Gitterspannungsversorgung 120, eine mit der Anode 116 elektrisch verbundene Anodenspannungsversorgung 130, und Kathodenspannungsstellglieder 1401 ... 140n. Typische Gitterspannungen betragen 5 kV; typische Anodenspannungen betragen zwischen 20 kV und 180 kV.
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Jede CNT-Kathode 1121 ... 112n weist eine parasitäre Kapazität 1191 ... 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 Shunt 180 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.
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Erfindungsgemäß wird daher die Spannung UGK zwischen Gitter 115 und jeweils aktiver Kathode 112 als Regelgröße ausgewählt. Diese wird beispielsweise durch Differenzbildung in Mitteln 150 zum Ermitteln von UGK ermittelt. Hierzu sind die Mittel 150 sowohl mit allen Kathoden 112 als auch mit dem Gitter 115 verbunden. Zusätzlich erhalten die Mittel 150 die Information, welche der Kathoden 112 gerade aktiv ist bzw. aktiv sind (nicht dargestellt).
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Die Mittel 150 geben den Wert der Spannung UGK zwischen Gitter 115 und jeweils aktiver Kathode 112 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung nur an einen Spannungsregler 160 aus. Dieser erhält als zweiten Eingabewert den aktuellen Sollwert US der Spannung zwischen Gitter und Kathode, beispielsweise von einem zentralen Steuerelement des Systems. Spannungsregler 160 vergleicht den Ist-Wert UGK mit dem Sollwert US und generiert ein Korrektursignal K, welches an ein der jeweils aktiven Kathode 112 zugeordnetes Stellglied 140 ausgegeben wird. Das jeweilige Stellglied 1401 ... 140n modifiziert 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.
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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.
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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 Spannungsregler 160 ausgibt. In der Einheit 175 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.
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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 Shunt 180 ermittelt und einem Stromregler 190 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.
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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 Spannungsregler 160 zugeführt wird, oder es wird in einer Ausgestaltung (nicht dargestellt) dem Spannungsregler 160 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 Element 175 gespeicherten Kennlinie kompensiert werden.
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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.
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Optional kann der Stromerfassung, die den Kathodenstrom I mittels Shunt
180 ermittelt, ein Korrekturglied
200 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 Korrekturglied
200 die Ausgabe eines Differenzierers
210, welcher einen dem Differentialquotienten
entsprechenden Wert liefert.
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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.
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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 Schalter 230) 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 Integrators 220 überwacht werden kann. Dem Integrator 220 werden hierfür Kathodenstrom I und Kathodenstromsollwert IS zugeführt.
