-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft allgemein Röntgenröhren und
insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung
eines Hochspannungsisolators für
Röntgenröhren. Die
Erfindung ist in Bezug auf ein Röntgensystem
beschrieben, wobei jedoch ein Fachmann erkennen wird, dass die Erfindung
beispielsweise in Elektronenröhren
oder sonstigen Vorrichtungen eingesetzt werden kann, in denen eine Hochspannungsinstabilität auftritt.
-
Röntgensysteme
enthalten gewöhnlich
eine Röntgenröhre, einen
Detektor und eine Gantry zur Halterung der Röntgenröhre und des Detektors. Im Betrieb
ist ein Bildgebungstisch, auf dem ein Objekt positioniert ist, zwischen
der Röntgenröhre und
dem Detektor angeordnet. Die Röntgenröhre sendet
gewöhnlich
eine Strahlung, wie beispielsweise Röntgenstrahlen, in Richtung
des Objekts. Die Strahlung durchdringt gewöhnlich das Objekt auf dem Bildgebungstisch
und trifft auf den Detektor auf. Wenn die Strahlung durch das Objekt
hindurchtritt, bewirken innere Strukturen des Objektes räumliche
Veränderungen
in der Strahlung, die an dem Detektor empfangen wird. Der Detektor
sendet dann empfangene Daten, und das System setzt die Strahlungsänderungen in
ein Bild um, das verwendet werden kann, um die innere Struktur des
Objektes auszuwerten. Ein Fachmann wird erkennen, dass das Objekt
beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einen Patienten in einer
medizinischen Bildgebungsprozedur sowie ein lebloses Objekt beispielsweise
in einem Gepäckstück in einem
Computertomographie (CT)-Gepäckscanner
enthalten kann.
-
Röntgenröhren enthalten
eine Drehanodenstruktur für
den Zweck der Verteilung von in einem Brennfleck erzeugter Wärme. Die
Anode wird gewöhnlich
durch einen Induktionsmotor mit einem zylindrischen Rotor, der in
einer freitragenden Achse eingebaut ist, die ein scheibenförmiges Anodentarget trägt, und
einer Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklungen, die einen länglichen
Hals der Röntgenröhre umgibt,
in Drehung versetzt. Der Rotor der Drehanodenanordnung ist durch
den Stator angetrieben. Eine Röntgenröhrenkathode
liefert einen fokussierten Elektronenstrahl, der über dem
Vakuumspalt zwischen Kathode und Anode beschleunigt wird und beim
Zusammenprall mit der Anode Röntgenstrahlen erzeugt.
Aufgrund der hohen Temperaturen, die erzeugt werden, wenn der Elektronenstrahl
auf das Target aufprallt, ist es erforderlich, die Anodenanordnung
mit hoher Drehzahl rotieren zu lassen.
-
Röntgenröhren neuerer
Generation haben zunehmenden Bedarf nach Erteilung höherer Spitzenleistung
und höherer
Beschleunigungsspannungen. Beispielsweise arbeiten Röntgenröhren, die
in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden, gewöhnlich bei
140 kV oder mehr, während
für Röntgenröhren, die
in sicherheitsbezogenen Anwendungen eingesetzt werden, 200 kV oder
mehr üblich
ist. Jedoch wird ein Fachmann erkennen, dass die Erfindung nicht
auf diese Spannungen beschränkt
ist und dass Anwendungen, die mehr als 200 kV benötigen, in
gleicher Weise anwendbar sind. Bei diesen Spannungen sind Röntgenröhren für eine Hochspannungsinstabilität und einen Überschlag
an der Isolatoroberfläche
anfällig,
was die Lebenserwartung der Röntgenröhre reduzieren
oder den Betrieb des Bildgebungssystems störend beeinflussen kann.
-
In
einer typischen Röntgenröhre ist
ein scheibenförmiger
keramischer Isolator mit einer darin ausgebildeten Öffnung für elektrische
Einspeisungen vorhanden. Der Kathodenträger oder die Leitung für die elektrischen
Einspeisungen nimmt gewohnlich drei oder mehrere elektrische Leitungsadern
zur Zuführung
von Spannung zu der Kathode auf. Gewöhnlich ist der Isolator an
seiner Mittelöffnung
an dem Kathodenträger
befestigt, der die Kathode strukturell haltern kann. Die Kathode
enthält
gewöhnlich
ein oder mehrere Wolframfäden.
An seinem Umfang ist der Isolator gewöhnlich mit einem zylindrischen
Rahmen bzw. Gehäuse
hermetisch verbunden, in dem eine Vakuumkammer untergebracht ist,
in der gewöhnlich
die Anode und die Kathode angeordnet sind. In einem monopolaren
Aufbau kann die Spannung allein an die Kathode oder an die Anode
angelegt werden. Im Gegensatz hierzu kann die Spannung in einem
bipolaren Aufbau sowohl an die Anode als auch an die Kathode angelegt
werden.
-
In
jedem Fall enthalten Bereiche der Röntgenröhre, die für Fehler aufgrund von Hochspannungsbelastungen
anfällig
sind, die Verbindungen bzw. Übergänge zwischen
dem Isolator und der zentralen Kathodentragstruktur sowie zwischen
dem Isolator und dem zylindrischen Rahmen. Diese Bereiche sind übliche Quellen
für die
Hochspannungsinstabilität,
die die Lebenserwartung der Röntgenröhre reduzieren
und die Funktionsweise eines Bildgebungssystems störend beeinflussen
kann.
-
Der
Elektronenstrahl in dem Vakuumspalt der Röntgenröhre erzeugt darin ein elektrisches
Feld. Es liegt die Gefahr eines Überschlags
an der Isolatoroberfläche
in einer Röntgenröhre vor,
wenn die Intensität
des elektrischen Feldes an der Isolatoroberfläche eine elektrische Lichtbogenbildung
entlang der Isolatoroberfläche
zwischen beispielsweise dem Kathodenträger und dem zylindrischen Rahmen
bewirkt. Die Intensität
des elektrischen Feldes entlang der Isolatoroberfläche und
in ähnlicher
Weise die Wahrscheinlichkeit für
einen Oberflächenüber schlag ist
am höchsten,
wenn die Kraftlinien des elektrischen Feldes senkrecht zu der Isolatoroberfläche ausgerichtet
sind.
-
Zusätzlich zu
ihrem Hochspannungsbetrieb arbeiten Röntgenröhren gewöhnlich bei einer hohen Temperatur,
was die elektrischen Belastungen an den Röntgenröhrenisolatoren vergrößern kann.
Außerdem
werden die Spitzenspannungen und Temperaturen, denen diese Komponenten
ausgesetzt sind, in zukünftigen
Röntgenröhrenkonstruktionen
wahrscheinlich steigen. Wärmebelastungen
an den Röntgenröhrenkomponenten
spielen auch eine Rolle bei der Verringerung der Lebenserwartung
der Röntgenröhre. In
einigen fortgeschrittenen Anwendungen können Röntgenröhren externe Kühlsysteme
verwenden, um kritische Komponenten (z. B. die Anode) zu kühlen. Derartige
fortschrittliche Anwendungen würden
von einem Isolator, der den Zufluss eines Kühlmittels zu wärmebeanspruchten
Komponenten in der Röntgenröhre ermöglicht,
profitieren.
-
Computertomographiesysteme
(CT-Systeme) repräsentieren
eine fortschrittliche Anwendung der Röntgenröhrentechnologie. Einige CT-Systeme neuerer
Generation drehen die CT-Gantry, die die Röntgenröhre enthält, rings um den Patienten
bei drei Umdrehungen pro Sekunde oder mehr. Ein derartiger Betrieb
setzt die Röntgenröhrenkomponenten Beschleunigungen
von 20 g oder mehr aus, und zukünftige
Anwendungen können
60 g überschreiten. Außerdem versuchen
CT-Systeme neuerer Generation, bei abnehmender Größe und abnehmendem Gewicht
der Röntgenröhren die
Leistung zu verbessern. Durch Reduktion der Größe und des Gewichts der Vorrichtungen,
die an der CT-Gantry befestigt sind, werden dadurch die mechanischen
Belastungen an der Gantry und ihren Komponenten reduziert.
-
Außerdem können künftige Röntgenröhrenanwendungen
eine höhere
Anzahl von elektrischen Speiseleitungen zu der Kathode enthalten,
um zusätzliche
Funktionalitäten
an der Kathode, wie bei Anwendungen mit abgelenktem Strahl, zu erzielen.
-
Deshalb
wäre es
wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Isolators
für Röntgen- oder
Elektronenröhren
zu haben, der gegenüber
Hochspannungsinstabilität
und Überschlag
an der Isolatoroberfläche
beständig,
für fortschrittliche
Anwendungen kompakt und hinsichtlich des Aufbaus modular ist, um
eine leichte Reparatur und Durchführung zusätzlicher elektrischer Zuleitungen
und eines Kühlmittels
in diesem zu ermöglichen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung ergibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zusammenbau
eines kompakten Isolators mit verbesserter Spannungsstabilität.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung enthält eine
modulare Isolatoranordnung für
eine Röntgenröhre einen
ringförmigen
Isolator mit einer zylindrischen Umfangswand, wobei der Isolator
aus einem elektrisch isolierenden Material konstruiert ist. Ein Wandelement
ist an der zylindrischen Umfangswand fest angebracht und erstreckt
sich über
diese hinaus, und eine erste Abschirmung ist neben dem Wandelement
positioniert und weist ein Ende auf, das sich in der Nähe einer
Ecke erstreckt, die durch das Wandelement und den Isolator gebildet
ist.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zur Herstellung
einer Röntgenröhre ein
Bereitstellen eines Röntgenröhrenrahmens,
der konfiguriert ist, um einen Vakuumbereich zu umschließen, und
ein Bereitstellen eines elektrischen Isolators, der eine Umfangswand
aufweist. Das Verfahren enthält
ferner ein Anbringen eines Wandelementes an der Umfangswand, wobei das
Wandelement eine Fläche
aufweist, die gegenüber
dem Vakuumbereich ausgesetzt ist, wobei eine Konfluenz bzw. ein
Zusammenfluss des Isolators, der Wandoberfläche und des Vakuumbereichs
eine Verbindung bilden, und ein Positionieren eines Endes einer
ersten Abschirmung in der Nähe
der Verbindung.
-
Ein
noch weiterer Aspekt der Erfindung enthält ein Bildgebungssystem mit
einem Röntgendetektor
und einer Röntgenröhre. Die
Röntgenröhre enthält einen
kreisringförmigen
Isolator, der eine Außenumfangswand
und eine Innenumfangswand aufweist, ein zylindrisches Wandelement,
das an der Außenumfangswand
angebracht ist, wobei das Wandelement eine Mittelachse aufweist
und konfiguriert ist, um einen Vakuumbereich rings um die Mittelachse
zu umgeben, und wobei eine Konfluenz des Isolators, des Wandelementes
und des Vakuumbereiches eine erste Verbindung bilden, und eine erste
Abschirmung, die einen konischen Abschnitt und einen torischen Abschnitt
aufweist, wobei eine Basis des konischen Abschnitts an dem Wandelement
angebracht ist und wobei der torische Abschnitt in dem Vakuumbereich
zwischen dem Wandelement und der Mittelachse positioniert ist.
-
Verschiedene
weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich
aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Zeichnungen veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform,
die momentan zur Ausführung
der Erfindung in Erwägung
gezogen wird.
-
In
den Zeichnungen:
-
1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Bildgebungssystems, das von der Aufnahme
einer Ausführungsform
der Erfindung profitieren kann.
-
2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, die mit dem in 1 veranschaulichten
System einsetzbar ist.
-
3 zeigt
eine Querschnittsansicht unter Veranschaulichung der Kraftlinien
des elektrischen Feldes in einer Röntgenröhre, die einen kompakten Isolator,
jedoch keine Abschirmkomponenten enthält.
-
4 zeigt
eine Darstellung eines kompakten Isolators gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, der mit der in 2 veranschaulichten
Röntgenröhre verwendbar
ist.
-
5 zeigt
eine Darstellung einer Explosionsansicht eines kompakten Isolators
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, der bei der in 2 veranschaulichten
Röntgenröhre einsetzbar
ist.
-
6 zeigt
eine Querschnittsansicht unter Veranschaulichung der Kraftlinien
des elektrischen Feldes in einer Röntgenröhre, die einen kompakten Isolator
und sowohl eine erste als auch eine zweite Abschirmkomponente enthält.
-
7 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
unter Veranschaulichung der Abschirmung in der Nähe des kompakten Isolators
und der Keramikbeschichtung an der Tripelverbindung.
-
8 zeigt
eine anschauliche Ansicht eines CT-Systems zur Verwendung mit einem
nicht invasiven Gepäckkontrollsystem.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines Bildgebungssystems 10, das sowohl zur Akquisition
von Originalbilddaten als auch zur Verarbeitung der Bilddaten zur
Anzeige und/oder Analyse gemäß der Erfindung
bestimmt ist. Es ist für Fachleute
verständlich,
dass die Erfindung auf zahlreiche medizinische oder industrielle
Bildgebungssysteme, die eine Röntgenröhre verwenden,
wie beispielsweise Projektions-Röntgen- oder
Mammographie-Systeme, anwendbar ist. Andere Bildgebungssysteme,
wie beispielsweise Computertomographiesysteme und digitale Radiographiesysteme,
die dreidimensionale Bilddaten für
ein Volumen akquirieren, profitieren ebenfalls von der Erfindung.
Die folgende Beschreibung des Projektions-Röntgensystems 10 bildet
lediglich ein Beispiel für
eine derartige Realisierung und soll hinsichtlich der Modalität keineswegs beschränkend sein.
-
Wie
in 1 veranschaulicht, enthält das Röntgensystem 10 eine
Röntgenröhre oder
-quelle 12, die konfiguriert Ist, um ein Röntgenstrahlbündel 14 durch
ein Objekt 16 hindurch zu projizieren. Das Objekt 16 kann
ein menschliches Objekt, ein Gepäckstück oder
sonstige Objekte umfassen, die wunschgemäß gescannt werden sollen. Die
Röntgenquelle 12 kann
eine herkömmliche
Röntgenröhre sein,
die Röntgenstrahlen
mit einem Energiespektrum in einem Bereich typischerweise von 30
kV bis 200 kV erzeugt. Die Röntgenstrahlen 14 durchdringen
das Objekt 16 und treffen, nachdem sie durch das Objekt 16 abgeschwächt worden
sind, auf einen Detektor 18 auf. Jede Zelle in dem Detektor 18 erzeugt
ein analoges elektrisches Signal, das die Intensität eines
aufprallenden Röntgenstrahls
und somit den abgeschwächten
Strahl, nachdem er das Objekt 16 durchdrungen hat, repräsentiert.
In einer Ausführungsform
ist der Detektor 18 ein szintillationsbasierter Detektor,
wobei jedoch vorgese hen ist, dass auch Direktumwandlungsdetektoren
(z. B. CZT-Detektoren, etc.) eingebaut werden können.
-
Ein
Prozessor 20 empfängt
die analogen elektrischen Signale von dem Detektor 18 und
erzeugt ein Bild, das dem gerade gescannten Objekt 16 entspricht.
Ein Computer 22 kommuniziert mit dem Prozessor 20,
um einem Bediener zu ermöglichen, unter
Verwendung einer Bedienerkonsole 24 die Scannparameter
zu steuern und das erzeugte Bild zu sichten. Das heißt, die
Bedienerkonsole 24 enthält eine
Bedienerschnittstelle irgendeiner Art, wie beispielsweise eine Tastatur,
eine Maus, eine sprachaktivierte Steuerung oder irgendeine sonstige
geeignete Eingabevorrichtung, die einem Bediener ermöglicht,
das Röntgensystem 10 zu
steuern und das rekonstruierte Bild oder sonstige Daten von dem
Computer 22 auf einer Anzeigeeinheit 26 zu sehen.
Außerdem
ermöglicht
die Konsole 24 einem Bediener, das erzeugte Bild in einer
Speichervorrichtung 28 zu speichern, die Festplattenlaufwerke,
Disketten, Kompakt-Disks, etc. enthalten kann. Der Bediener kann ferner
die Konsole 24 einsetzen, um Befehle und Anweisungen zu
dem Computer 22 zur Steuerung einer Quellensteuerungseinrichtung 30 zu
liefern, die Leistungs- und Zeitsteuerungssignale für die Röntgenquelle 12 liefert.
-
Außerdem ist
die Erfindung in Bezug auf die Verwendung in einer Röntgenröhre beschrieben.
Jedoch wird ein Fachmann ferner verstehen, dass die Erfindung in
gleicher Weise für
andere Systeme (z. B. Elektronenröhren) anwendbar ist, die den
Einbau eines elektrischen Isolators erfordern, der unter Hochspannung
funktioniert, und die die Neigung haben, einen Oberflächenüberschlag
oder eine Spannungsinstabilität
zu erfahren.
-
2 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre 12,
die eine Ausführungsform
der Erfindung ent hält.
Die Röntgenröhre 12 enthält einen
Rahmen bzw. ein Gehäuse 50 mit
einem darin ausgebildeten Strahlungsemissionsdurchgang 52.
Der Rahmen bzw. das Gehäuse 50 umgibt
einen eingeschlossenen Raum oder Vakuumbereich 54 und nimmt
eine Anode 56, eine Lagereinsatzbuchse 58, eine
Kathode 60 und einen Rotor 62 auf. Die Anode 56 enthält ein Target 57 mit
einem Targetmaterial 86 und weist eine an dieser angebrachte
Targetwelle 59 auf.
-
Die
Kathode 60 enthält
gewöhnlich
einen oder mehrere Fäden 55.
Die Kathodenfäden 55 werden über elektrische
Leitungen 71 mit Strom versorgt, die durch einen Mittelträger 68 hindurch
in den Vakuumbereich 54 führen. Zusätzlich zu den elektrischen
Leitungen 71 enthält
der Mittelträger 68 in
einer Ausführungsform
der Erfindung Kühlmittelleitungen 185 (4),
durch die ein Kühlmittel
zu der Anode 56 geliefert werden kann. Der Mittelträger 68 ist gewöhnlich in
der Mitte eines Isolators 73 positioniert und an diesem
befestigt. Die elektrischen Leitungen 71 sind mit elektrischen
Kontakten 77 auf der Außenseite der Röntgenröhre 12 verbunden.
Der Isolator 73 ist gewöhnlich
aus Aluminiumoxid oder anderen keramischen Materialien, wie beispielsweise
Steatit oder Aluminiumnitrid, gefertigt.
-
Im
Betrieb wird elektrischer Strom an die gewünschten Fäden 55 über die
elektrischen Kontakte 77 angelegt, um den Faden zu erhitzen,
so dass Elektronen aus dem Faden 55 emittiert werden können. Zwischen
der Anode 56 und der Kathode 60 ist eine elektrische
Hochspannung angelegt, und die Potentialdifferenz dazwischen hat
einen Elektronenstrahl oder einen elektrischen Strom zur Folge,
der durch den Vakuumbereich 54 von der Kathode 60 zu der
Anode 56 strömt.
Die Potentialdifferenz zwischen der Anode 56 und der Kathode 60 kann
entweder mit einer monopolaren oder mit einer bipolaren Röntgenröhrenkonstruktion
aufrechterhalten werden. Bei dem monopolaren Fall wird die Spannung
entweder an die Anode 56 oder an die Kathode 60 angelegt. Für den bipolaren
Fall wird die Spannung sowohl an die Anode 56 als auch
an die Kathode 60 angelegt. In Abhängigkeit von der Konstruktion
kann entweder an der Anode 56 oder an der Kathode 60 oder
an beiden Stellen 56, 60 eine Hochspannungsisolierung
erforderlich sein.
-
Die
Elektronen treffen auf das Targetbahnmaterial 86 in einem
Fokus 61 auf, und Röntgenstrahlen 15 treten
von diesem aus. Die Röntgenstrahlen 15 verlaufen
durch den Strahlungsemissionsdurchgang 52 in Richtung auf
ein Detektorarray, beispielsweise den Detektor 18 nach 1.
Wenn Elektronen in dem Fokuspunkt 61 auftreffen und Röntgenstrahlen 15 erzeugen,
ruft die darin erzeugte Wärme
eine Steigerung der Temperatur des Targets 57 hervor, so
dass folglich bewirkt wird, dass Wärme über Strahlungswärmeübertragung
auf umgebende Komponenten, wie beispielsweise den Rahmen 50, übertragen
wird. Um eine Überhitzung
des Targetbahnmaterials 86 durch die Elektronen zu vermeiden,
wird die Anode 56 mit einer hohen Drehzahl rings um eine
Mittellinie 64 beispielsweise mit 90–250 Hz gedreht.
-
Obwohl
die offenbarten Ausführungsformen einen
Isolator 73 zeigen, wie er auf der Seite der Kathode 60 der
Röntgenröhre 12 montiert
ist, wird ein Fachmann in der Lage sein, Ausführungsformen vorzusehen, in
denen die Anode 56 unter irgendein elektrisches Potential
gesetzt ist, wodurch erforderlich wird, dass ein Isolator 73 auf
der Seite der Anode 56 der Röntgenröhre 12 montiert wird.
-
Während eines
Betriebs der Röntgenröhre 12 wird
innerhalb des Vakuumbereichs 54 der Röntgenröhre 12 durch das elektrische
Potential zwischen der Kathode 60 und der Anode 56 ein
elektrisches Feld erzeugt. Wie in 3 veranschaulicht,
ist dieses elektrische Feld durch die Feld- bzw. Kraftlinien 220 des
elektrischen Feldes gekennzeichnet. Das elektrische Feld weist an
einer Oberfläche 180 des Isolators 73 eine
bestimmte Intensität
bzw. Stärke auf,
und die elektrische Feldstärke
an der Isolatoroberfläche 180 ist
an zwei Tripelpunktverbindungen 160, 161 erhöht. Das
elektrische Feld induziert eine Polarisationsladung auf der Isolatoroberfläche 180. An
sich wird, wenn die Polarisationsladung auf der Isolatoroberfläche 180 größer ist
als eine Schwelle, die Isolatoroberfläche 80 leitend, was
einen Zustand darstellt, der als dielektrischer Durchschlag bezeichnet
wird und der zu einem Isolatoroberflächenüberschlag führen kann, der durch einen
elektrischen Lichtbogen oder Funken entlang der Oberfläche 180 gekennzeichnet
ist. Die Polarisationsladung und die Wahrscheinlichkeit eines dielektrischen
Durchschlags sind vergrößert, wenn
die elektrischen Feldlinien 220 im Wesentlichen senkrecht zu der
Isolatoroberfläche 180 stehen,
wie in 3 veranschaulicht. Der Schnitt zwischen den Feldlinien 220 und
der Isolatoroberfläche 180 unter
etwa 90° repräsentiert
den ungünstigsten
Fall hinsichtlich des Beitrags der Feldlinien 220 zu einem Überschlag
an der Isolatoroberfläche.
-
Ein
weiterer Faktor bei der Auslösung
des Isolatoroberflächenüberschlags
enthält
gewöhnlich Elektronen,
die aus den Tripelpunktverbindungen 160, 161 emittiert
werden. Diese Elektronen gewinnen kinetische Energie von dem elektrischen
Feld an der Isolatoroberfläche 180 und
bewirken eine Kaskadenbildung von Elektronen entlang der Isolatoroberfläche 180.
Elektronen mit hoher kinetischer Energie können die Isolatoroberfläche 180 streifen
und durch eine Emissionslawine von Sekundärelektronen mehr Elektronen
erzeugen. Eine Fortsetzung dieses Prozesses kann zum elektrischen
Durchschlag des Isolators 73 an der Oberfläche 180 führen.
-
Wie
vorstehend erläutert,
ist das elektrische Feld in dem Vakuumbereich 54 an den
Tripelpunktverbindungen 160, 161 verstärkt. Eine
derartige Verstärkung
kann zum durch elektrische Belastung herbeigeführten Versagen des Isolators 73 an
den Tripelpunktverbindungen 160, 161 und zur Spannungsinstabilität aufgrund
eines Überschlags
an der Isolatoroberfläche
während
eines Betriebs der Röntgenröhre 12 führen. Die
Gefahr eines Oberflächenüberschlags
kann gemäß Ausführungsformen
der Erfindung durch Reduktion der Elektronenemission an der Tripelpunktverbindung
und durch Reduktion des tangentialen elektrischen Feldes entlang
der Isolatoroberfläche 180 reduziert
werden, so dass die feldemittierten Elektronen von der Tripelpunktverbindung 160, 161 keine
ausreichende kinetische Energie erhalten, um einen Überschlag
an der Isolatoroberfläche
auszulösen.
-
Dementsprechend
veranschaulichen 4 und 5 eine Isolatorbaugruppe 120,
die in der Röntgenröhre 12 nach 2 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung für
die Reduktion sowohl der Elektronenemission an der Tripelpunktverbindung
als auch des tangentialen elektrischen Feldes entlang der Isolatoroberfläche verwendet
werden kann. Der Isolator 73 weist eine äußere Umfangswand 87 und eine
innere Umfangswand 85 auf. Der Isolator 73 ist an
einem Mittelträger 68,
der gewöhnlich
aus einem leitfähigen
Metall ausgebildet ist, an der Innenumfangswand 85 sowie
an einem Wandelement 170, der einen Teil eines Flansches 176 bilden
kann, an der Außenumfangswand 87 befestigt.
Der Flansch 176, der das Wandelement 170 enthält, ist
gewöhnlich
aus einem Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder Kovar,
hergestellt. Im an die Röntgenröhre 12 nach 2 befestigten
und dem Vakuumbereich 54 innerhalb der Röntgenröhre 12 ausgesetzten
Zustand bildet eine Verbindung zwischen dem Wandelement 170 und
dem keramischen Isolator 73 eine erste Tripelpunktverbindung 160.
Eine Verbindungsstelle zwischen dem Mittelträger 68 und dem keramischen
Isolator 73 bildet eine zweite Tripelpunktverbindung 161 in
dem Vakuumbereich 54.
-
Eine
Abschirmung 174, die eine Lippe 193 und einen
zylindrischen Abschnitt 191 aufweist, ist an dem Flansch 176 befestigt.
Der Flansch 176 weist einen kleinen gestuften Abschnitt 194 auf,
der aus der Flanschfläche
maschinell entfernt worden ist. Die Lippe 193 der Abschirmung 174 passt
bei der Montage in den gestuften Abschnitt 194 hinein,
was dazu dient, die Abschirmung 174 mit dem Flansch 176 elektrisch
zu koppeln. Wenn der Metallflansch 176 an dem metallenen
Röntgenröhrenrahmen 50 befestigt ist,
sind die Abschirmung 174, der Flansch 176 und der
Rahmen 50 alle elektrisch miteinander gekoppelt. In Ausführungsformen,
in denen die Kathode 60 unter einem Potential steht, wird
der Röntgenröhrenrahmen 50 gewöhnlich geerdet,
wobei in diesem Fall die Abschirmung 174 ebenfalls geerdet
ist. Der zylindrische Abschnitt 191 der Abschirmung 174 erstreckt sich
entlang des Wandelementes 170. In dem Isolator 73 ist
in der Nähe
der äußeren Umfangswand 87 ein
grob U-förmiger
Hohlraum oder eine grob U-förmige
Nut 215 derart geformt, dass der Hohlraum 215 zwischen
dem Wandelement 170 und dem Isolator 73 ausgebildet
ist. Die Abschirmung 174 weist ein Ende 190 auf,
das vorzugsweise derart positioniert ist, dass sich das Ende 190 in
den Hohlraum 215 hinein und in die Nähe der Tripelpunktverbindung 160 erstreckt,
wodurch die elektrische Feldstärke
an der Tripelpunktverbindung 160 reduziert und die Hochspannungsstabilität der Röntgenröhre 12 verbessert wird.
Infolgedessen werden elektrische Belastungen des Isolators 73 an
der Tripelpunktverbindung 160 ebenfalls reduziert.
-
Wie
in den 4 und 5 veranschaulicht, ist an dem
Wandelement 170 des Flansches 176 eine zweite
Abschirmung 175 angebracht, die eine kreisringförmige Basis
oder Lippe 195, einen konischen Abschnitt 201 und
einen torischen Abschnitt 202 aufweist. Von der Basis 195 aus
verjüngt
sich der konische Abschnitt 201 der Abschirmung 175 in
Richtung auf eine (nicht veranschaulichte) Spitze. Bevor die Spitze
erreicht wird, krümmt
sich die Abschirmung 175 nach außen, um den torischen Abschnitt 202 zu bilden.
Der torische Abschnitt 202 der Abschirmung 175 ist
in dem Vakuumbereich 54 zwischen der Mitte der Röntgenröhre 12 und
dem Wandelement 170 positioniert.
-
Der
Flansch 176 weist einen kleinen gestuften Abschnitt 194 auf,
der aus der Flanschoberfläche maschinell
herausgearbeitet ist. Die Lippe 195 der Abschirmung 175 passt
in den gestuften Abschnitt 194 des Flansches 176 hinein über der
Lippe 193 der Abschirmung 174. Ein Dichtungsring 188,
der gewöhnlich
aus einem verformbaren Metall, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt
ist, wird verwendet, um die Abschirmungen 174, 175 an
dem Flansch 176 zu befestigen. Der Dichtungsring 188 passt über die Lippen 193, 195 der
beiden Abschirmungen 174, 175 und in einen zweiten
gestuften Abschnitt 196 hinein, der maschinell aus der
Oberfläche
des Flansches 176 entfernt worden ist. Eine Montage auf
diese Weise dient dazu, die zweite Abschirmung 175 mit
der Abschirmung 174, mit dem Flansch 176 und mit
dem Röntgenröhrenrahmen 50 elektrisch
zu koppeln. Beide Abschirmkomponenten 174, 175 sind
aus einem elektrisch leitfähigen
Material hergestellt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Abschirmungen 174, 175 aus
Metallen hergestellt, die ein Hochglanzpolieren zulassen, wie beispielsweise
aus rostfreiem Stahl, Kovar, Invar oder sauerstofffreiem hochreinen Kupfer.
-
Weiterhin
bezugnehmend auf 4 und 5 kann gemäß Ausführungsformen
der Erfindung an dem Mittelträger 68 eine
Abschirmung 177, die ein Ende 192 aufweist, derart
angebracht werden, dass das Ende 192 in der Nähe der Tripelpunktverbin dung 161 positioniert
ist. Eine Montage der Abschirmung 177 enthält ein elektrisches
Koppeln der Abschirmung 177 mit dem Mittelträger 68.
In Ausführungsformen,
in denen die Kathode 60 ein Potential aufweist, sind der
Mittelträger 68 und
die Abschirmung 177 unter das gleiche Potential wie die
Kathode 60 gesetzt. In dem Isolator 73 kann in
der Nähe der
inneren Umfangswand 85 ein grob U-förmiger Hohlraum oder eine grob
U-förmige Nut 210 derart geformt
werden, dass der Hohlraum 210 zwischen dem Mittelträger 68 und
dem Isolator 73 ausgebildet ist. Das Ende 192 der
Abschirmung 177 ist vorzugsweise derart positioniert, dass
es sich in den Hohlraum 210 hinein erstreckt. Eine Positionierung
der Abschirmung 177 in der Nähe der Tripelpunktverbindung 161 reduziert
die elektrische Feldstärke
an der Tripelpunktverbindung 161, so dass folglich die Hochspannungsstabilität der Röntgenröhre 12 verbessert
wird. Infolge dieser Positionierung werden auch elektrische Belastungen
des Isolators 73 an der Tripelpunktverbindung 161 reduziert.
-
Gewöhnlich ist
in einer Ausführungsform,
in der die Kathode 60 an ein Potential angeschlossen ist,
die Abschirmung 177 an dem Mittelträger 68 vorgesehen,
um die Tripelpunktverbindung 161 zu schützen. Eine Ausführungsform,
in der die Anode 56 an ein Potential angeschlossen ist,
wird im Allgemeinen die Abschirmung 174 an dem äußeren Wandelement 170 aufweisen,
um die Tripelpunktverbindung 160 zu schützen. Jedoch ist vorgesehen,
dass die Isolatoranordnung 120 eine der beiden oder beide Abschirmungen 177, 174 enthalten
kann, um die Hochspannungsstabilität der Röntgenröhre 12 zu verbessern.
-
Die
Abschirmungen 177 und 174 dienen dazu, die Elektronenemission
an den Tripelpunktverbindungen 160, 161 zu reduzieren,
während
die Abschirmung 175 dazu dient, das tangentiale elektrische
Feld an der Isolatoroberfläche 180 dadurch
zu re duzieren, dass eine Verdichtung des elektrischen Feldes in
dem Vakuumbereich 54 bewirkt wird, um die Richtung der
Kraftlinien 220 des elektrischen Feldes derart zu verändern, dass
die Kraftlinien weniger senkrecht in Bezug auf die Isolatoroberfläche 180 ausgerichtet
sind. Die Krümmung
des torischen Abschnitts 202 verdichtet die elektrischen
Feldlinien 220 an dem torischen Abschnitt 202.
Weil der Abstand zwischen den Feldlinien 202 mit dem Abstand zu
dem torischen Abschnitt 202 steigt, werden elektrische
Feldlinien 220 veranlasst, zunehmend spitzwinklig auf die
Isolatoroberfläche
aufzutreffen, wie dies durch 6 veranschaulicht
ist. Elektrische Feldlinien 220, die die Isolatoroberfläche 180 unter einem
spitzen Winkel schneiden, erzeugen ein kleineres tangentiales elektrisches
Feld als Feldlinien 220, die eine Isolatoroberfläche unter
rechten Winkeln kreuzen, so dass auf diese Weise die Möglichkeit
eines dielektrischen Durchschlags oder eines Isolatoroberflächenüberschlags
reduziert wird.
-
Erneut
bezugnehmend auf 5 ist auf dem Wandelement 170 an
der Tripelpunktverbindung 160 rings um den Außenumfang 87 des
Isolators 73 eine keramische Beschichtung 150 aufgebracht,
und eine zweite keramische Beschichtung 151 ist an dem
Mittelträger 68 an
der Tripelpunktverbindung 161 aufgebracht. Die Keramikbeschichtungen 150, 151 werden rings
um den Umfang des Wandelementes 170 bzw. des Mittelträgers 68 von
den Tripelpunkten 160, 161 aus aufgetragen und
erstrecken sich nach oben entlang der Oberflächen des Wandelementes 170 und des
Mittelträgers 68.
In einer Ausführungsform
der Erfindung erstrecken sich die Beschichtungen 150, 151 von
den Tripelpunkten 160, 161 aus vorzugsweise über zwei
Millimeter hinweg oder mehr. Demgemäß sind die Abschirmungen 177, 174 vorzugsweise vertikal
bis zu einem Abstand innerhalb von zwei Millimetern zu den Tripelpunktverbindungen 160, 161 angeordnet.
-
7 zeigt
einen Querschnitt durch einen Abschnitt der Isolatoranordnung 120 an
der Tripelpunktverbindung 160. Wie veranschaulicht, wirkt
die keramische Beschichtung 150, um durch Veränderung
der Lage der Metall-Dielektrikum-Vakuum-Verbindung von der Verbindung zwischen
dem Isolator 73 und dem Wandelement 170 zu der
Stelle 162, die Stärke
des elektrischen Feldes an der Verbindung zwischen dem Isolator 73 und
dem Wandelement 170 zu reduzieren. Die neue Tripelpunktverbindung 162 ist
hinter der Abschirmung 174 angeordnet, damit das Ausmaß der Elektronenemission
von der Tripelpunktverbindung 162 reduziert wird, wodurch
der Kaskade- bzw. Ketteneffekt und die Gefahr eines Überschlags
an der Isolatoroberfläche
reduziert werden. Während
sich die in 7 veranschaulichte Ausführungsform
auf die Beschichtung 150 bezieht, wird ein Fachmann verstehen,
dass die Beschichtung 151 und ihre Wirkung in Bezug auf
den Mittelträger 68 und
die Abschirmung 177 in ähnlicher
Weise gezeigt werden können.
-
Die
keramischen Beschichtungen 150, 151 enthalten
einfache Oxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid,
ferroelektrische dünne
Filme, wie beispielsweise aus Bariumtitanat, Gläser, Wärmeschutzbeschichtungen und
dielektrische Schichten, wie beispielsweise aus Tantalpentoxid und
Siliziumoxinitrid. Die Keramikbeschichtungen 150, 151 können durch
verschiedene Techniken, einschließlich Tauchverfahren, dielektrischem
Pastendruck, Aerosolsprühen,
Plasmasprühen
und Auftragen einer Keramikpaste auf Wasserbasis, aufgebracht werden.
Die aufgebrachten Beschichtungen erfordern im Allgemeinen ein Trocknen
oder Aushärten
bei Temperaturen von 100°C
bis 600°C
in Abhängigkeit
von dem verwendeten Härteprozess.
-
Die
Kombination aus den beiden Abschirmkomponenten 174, 175 (wie
sie in den 4 und 5 veranschaulicht
sind) und der keramischen Beschichtung 150 machen die Herstellung
eines kompakteren oder ein kleineres Profil aufweisenden Isolators 73 möglich. Somit
kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung der Durchmesser des Isolators 73 minimiert
werden, während
gleichzeitig die Hochspannungsstabilität verbessert wird. Die Reduktion
der Größe des Isolators 73 kann
den Isolator 73 kostengünstiger
bei der Herstellung und die Röntgenröhre oder
-quelle kompakter machen, so dass auf diese Weise fortschrittliche
Bildgebungsanwendungen, wie beispielsweise CT-Scannen, ermöglicht werden.
Momentan kann ein typischer Röntgenröhrenisolator 73 einen
Durchmesser von 8 Zoll aufweisen. Jedoch ermöglichen Ausführungsformen
der Erfindung Isolatordurchmesser von etwa 6 Zoll. Es wird auch
in Erwägung
gezogen, dass Durchmesser von 3 bis 4 Zoll möglich sein können.
-
Ein
modularer Aufbau für
die Isolatoranordnung 120 kann es ermöglichen, dass einige Komponenten
sowohl für
die Isolatoranordnungen, die für die
Anode 56 geschaffen werden, als auch für diejenigen, die für die Kathode 60 geschaffen
werden, gemeinsam benutzt werden können, während andere Komponenten zur
Verwendung entweder bei der Anode 56 oder bei der Kathode 60 speziell
angepasst werden müssen.
Diese Flexibilität,
die den Einsatz der gleichen Komponente in unterschiedlichen Bereichen
der Röntgenröhre 12 ermöglicht,
kann durch den modularen Aufbau ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung
von Isolatoranordnungen erzielen. Ferner werden Reparaturen bei
einem modularen Aufbau insofern einfacher und kostengünstiger durchgeführt, als
eine Beschädigung
an irgendeinem einzelnen Teil der Isolatoranordnung den Austausch lediglich
der beschädigten
Komponente erfordern kann, während
die nicht beschädigten
Teile der Isolatoranordnung unberührt belassen werden.
-
8 zeigt
eine anschauliche Ansicht eines CT-Systems zur Verwendung mit einem
nicht invasiven Gepäckkontrollsystem.
Das Paket/Gepäck-Kontrollsystem 500 enthält eine
drehbare Gantry 502, in der eine Öffnung 504 vorgesehen
ist, durch die Pakete oder Versandstücke oder Gepäckstücke hindurchtreten
können.
In der drehbaren Gantry 502 sind eine hochfrequente elektromagnetische
Energiequelle 506 sowie eine Detektoranordnung 508 mit
Szintillatorarrays, die Szintillatorzellen aufweisen, untergebracht.
Es ist ferner ein Fördersystem 510 vorgesehen,
das ein Förderband 512 enthält, das
durch eine Struktur 514 gelagert ist, um die Versandstücke oder Gepäckstücke 516 automatisch
und kontinuierlich durch die Öffnung 504 hindurchtreten
zu lassen, damit diese gescannt werden. Die Objekte 516 werden durch
das Förderband 512 durch
die Öffnung 504 hindurch
befördert.
Anschließend
werden Bildgebungsdaten akquiriert, und das Förderband 512 führt die
Gepäckstücke 516 von
der Öffnung 504 in
einer gesteuerten und kontinuierlichen Weise ab. Infolgedessen können Postkontrolleure,
Beschäftige
im Gepäckdienst
oder sonstiges Sicherheitspersonal den Inhalt der Versand- bzw.
Gepäckstücke 516 in
nicht invasiver Weise hinsichtlich Sprengstoffe, Messer, Waffen,
Schmuggelware, etc. überprüfen.
-
Während der
Elektronenröhrenaufbau
verschiedene strukturelle Verkörperungen
umfassen kann, sind die zugrundeliegenden Wirkungsprinzipien im
Wesentlichen dieselben, so dass ein Fachmann verstehen wird, dass
der Umfang der Erfindung eine Anwendung sowohl auf Elektronenröhren allgemein
als auch auf die hier beschriebenen Röntgenröhren enthält.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Modulare Isolatoranordnung für eine Röntgenröhre einen ringförmigen Isolator
mit einer zylindrischen Umfangswand, wobei der Isolator aus einem
elektrisch isolierenden Material konstruiert ist. Ein Wandelement
ist an der zylindrischen Umfangswand fest angebracht und erstreckt
sich über diese
hinaus, und eine erste Abschirmung ist benachbart zu dem Wandele ment
positioniert und weist ein Ende auf, das sich bis in die Nähe einer
Ecke erstreckt, die durch das Wandelement und den Isolator gebildet
ist.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung enthält
ein Verfahren zum Herstellen einer Röntgenröhre ein Bereitstellen eines
Röntgenröhrenrahmens,
der konfiguriert ist, um einen Vakuumbereich zu umschließen, und
ein Bereitstellen eines elektrischen Isolators, der eine Umfangswand
aufweist. Das Verfahren enthält
ferner ein Anbringen eines Wandelementes an der Umfangswand, wobei das
Wandelement eine Fläche
aufweist, die dem Vakuumbereich ausgesetzt ist, wobei eine Konfluenz bzw.
ein Zusammentreffen zwischen dem Isolator, dem Wandelement und dem
Vakuumbereich eine erste Verbindung bildet, und ein Positionieren
eines Endes einer ersten Abschirmung in der Nähe der Verbindung.
-
Eine
noch weitere Ausführungsform
der Erfindung enthält
ein Bildgebungssystem, das einen Röntgenstrahldetektor und eine
Röntgenröhre aufweist.
Die Röntgenröhre enthält einen
ringförmigen Isolator,
der eine Außenumfangswand
und eine Innenumfangswand aufweist, ein zylindrisches Wandelement,
das an der Außenumfangswand
angebracht ist, wobei das Wandelement eine Mittelachse aufweist
und konfiguriert ist, um einen Vakuumbereich rings um die Mittelachse
zu umgeben, und wobei eine Konfluenz zwischen dem Isolator, dem
Wandelement und dem Vakuumbereich eine erste Verbindung bildet,
und eine erste Abschirmung, die einen konischen Abschnitt und einen
torischen Abschnitt aufweist, wobei eine Basis des konischen Abschnitts an
dem Wandelement befestigt ist und wobei der torische Abschnitt in
dem Vakuumbereich zwischen dem Wandelement und der Mittelachse positioniert ist.
-
Die
Erfindung ist anhand der bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden,
und es wird verstanden, dass abgesehen von den hier ausdrücklich angegebenen
weitere Äquivalente,
Alternativen und Modifikationen möglich und in dem Schutzumfang
der beigefügten
Ansprüche
umfasst sind.