-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft allgemein Röntgenröhren und insbesondere eine modulare Isolatoreinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Röntgenröhre. 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 Umdrehung 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 der Erzielung 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 gewöhnlich 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 Stärke des elektrischen Feldes an der Isolatoroberfläche eine elektrische Lichtbogenbildung entlang der Isolatoroberfläche zwischen beispielsweise dem Kathodenträger und dem zylindrischen Rahmen bewirkt. Die Stärke des elektrischen Feldes entlang der Isolatoroberfläche und in ähnlicher Weise die Wahrscheinlichkeit für einen Oberflächenüberschlag sind 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 mit 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.
-
Aus der
EP 0 063 840 A1 ist eine Hochspannungs-Vakuumröhre, insbesondere Röntgenröhre mit einer in ihrem Vakuumraum befindlichen Elektrode bekannt, die im Betriebszustand gegenüber einem sie wenigstens teilweise umschließenden elektrisch leitenden Teil positive Hochspannung führt. Die Elektrode ist mit dem leitfähigen Teil über einen Isolator verbunden, wobei im Bereich der Verbindung zwischen dem Isolator und dem leitenden Teil eine das Potential des leitenden Teils führende Abschirmelektrode in geringem Abstand vom Isolator vorgesehen ist, die so geformt ist, dass die elektrische Feldstärke in dem Verbindungsbereich herabgesetzt wird. Im Prinzip ähnlich ist auch eine aus der
DE 23 00 630 A bekannte Hochspannungs-Vakuumröhre mit einer modularen Isolatoranordnung ausgerüstet, die einen ringförmigen Isolator aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer zylindrischen Umfangswand aufweist. An der zylindrischen Umfangswand ist ein Wandelement fest angebracht, das sich über diese hinaus erstreckt und mit dem eine benachbart zu dem Wandelement angeordnete Abschirmung elektrisch gekoppelt ist. In der
DE 42 41 572 A1 schließlich ist eine Hochspannungsröhre beschrieben, bei der innerhalb eines Scheibenisolators ein Rohr angeordnet ist, das zur Homogenisierung der elektrischen Verhältnisse dient und einen ringförmigen Fortsatz zur Abschirmung gegen Sekundärelektronen aufweist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Gefahr von Überschlägen an der Isolatoroberfläche zu verringern.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die modulare Isolatoranordnung für eine Röntgenröhre die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf, während ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Röntgenröhre, bei der ein Röntgenröhrenrahmen einen Vakuumbereich einschließt und ein elektrischer Isolator eine Umfangswand aufweist, Gegenstand des Patentanspruchs 6 ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung ergibt eine modulare Isolatoreinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Röntgenröhre mit einem kompakten Isolator mit verbesserter Spannungsstabilität. Die neue Isolatoreinrichtung ist gegenüber Hochspannungsinstabilität und Überschlag an der Isolatoroberfläche beständig, für fortschrittliche Anwendungen kompakt und hinsichtlich des Aufbaus modular, um eine leichte Reparatur und Durchführung zusätzlicher elektrischer Zuleitungen und eines Kühlmittels in diesem zu ermöglichen.
-
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, wobei die erste Abschirmung und das Wandelement elektrisch gekoppelt sind. Das Wandelement ist ein ein zylindrisches Wandelement mit einer Mittelachse ist, wobei die modulare Isolatoranordnung ferner eine zweite Abschirmung aufweist, 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 näher an der Mittelachse als der konische Abschnitt positioniert ist und die zweite Abschirmung mit der ersten Abschirmung elektrisch gekoppelt ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Herstellen einer Röntgenröhre, bei der ein Röntgenröhrenrahmen einen Vakuumbereich einschließt und ein elektrischer Isolator eine Umfangswand aufweist, folgende Schritte:
Anbringen eines Wandelementes an der Umfangswand, wobei das Wandelement ein zylindrisches Wandelement ist, das eine Mittelachse und eine dem Vakuumbereich ausgesetzte Oberfläche aufweist, wobei eine Konfluenz zwischen dem Isolator, der Wandoberfläche und dem Vakuumbereich eine Verbindung bildet;
Positionieren eines Endes einer ersten Abschirmung in der Nähe der Verbindung und elektrisches Koppeln des Wandelementes und der ersten Abschirmung; und
Positionieren einer zweiten Abschirmung, die einen konischen Abschnitt und einen torischen Abschnitt aufweist, so dass eine Basis des konischen Abschnitts an dem Wandelement befestigt wird, wobei der torische Abschnitt näher an der Mittelachse als der konische Abschnitt positioniert ist und die zweite Abschirmung mit der ersten Abschirmung elektrisch gekoppelt ist.
-
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung enthält ein Bildgebungssystem mit einem Röntgendetektor und einer Röntgenröhre. Die Röntgenröhre enthält eine modulare Isolatoranordnung der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Art.
-
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 vorgesehen 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 enthält. 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 Tripelpunktverbindung 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 reduzieren, 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 Wandelement 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 ringsum 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.
