DE102011052243B4

DE102011052243B4 - Einrichtung und Verfahren zur magnetischen Steuerung eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE102011052243B4
Application number: DE102011052243.3A
Authority: DE
Inventors: Antonio Caiafa; Maja Harfman Todorovic; Joseph Leclaire Reynolds
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: US9504135B2; CN102347189B; DE102011052243A1; US20120027165A1; CN102347189A

Abstract

Steuerschaltkreis (68, 70) für eine Elektronenstrahlsteuerspule (62, 84) für ein Röntgenstrahlerzeugungssystem, zu dem gehören:eine erste Niederspannungsquelle (72);eine zweite Niederspannungsquelle (74);eine erste Schalteinrichtung (86), die mit der ersten Niederspannungsquelle (72) in Reihe geschaltet und dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle (72) einen ersten Strompfad (88) zu bilden, wenn sie in Schließstellung steht;eine zweite Schalteinrichtung (90), die mit der zweiten Niederspannungsquelle (74) in Reihe geschaltet und dazu eingerichtet ist, mit der zweiten Niederspannungsquelle (74) einen zweiten Strompfad (92) zu bilden, wenn sie in Schließstellung steht;ein Kondensator (82), der mit einer Elektronenstrahlsteuerspule (62, 84) parallel geschaltet und in oder an dem ersten und zweiten Strompfad (88, 92) angeordnet ist; undein Stromquellenschaltkreis (102, 120, 144, 160, 184, 240, 264), der mit der Elektronenstrahlsteuerspule (62, 84) elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ist, um in dem ersten und zweiten Strompfad (88, 92) einen Offset-Strom zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen allgemein die diagnostische Bildgebung und speziell eine Vorrichtung und ein Verfahren zur magnetischen Steuerung eines Elektronenstrahls.
Röntgensysteme enthalten gewöhnlich eine Röntgenröhre, einen Detektor und eine Trägerstruktur für die Röntgenröhre und den Detektor. Im Betrieb ist zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor ein Bildgebungstisch angeordnet, auf dem ein Objekt positioniert ist. Die Röntgenröhre emittiert gewöhnlich eine Strahlung, z.B. Röntgenstrahlen, in Richtung des Objekts. Die Strahlung durchstrahlt gewöhnlich das Objekt auf dem Bildgebungstisch und trifft auf den Detektor. Während die Strahlung das Objekt durchquert, rufen innere Strukturen des Objekts räumliche Änderungen der an dem Detektor empfangenen Strahlung hervor. Der Detektor gibt anschließend empfangene Daten aus und das System übersetzt die Strahlungsvarianzen in ein Bild, das verwendet werden kann, um die innere Struktur des Objekts auszuwerten. Der Fachmann wird erkennen, dass das Objekt, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Patient in einem medizinischen Bildgebungsverfahren oder ein Gegenstand, z.B. ein Paket in einem Röntgenscanner oder in einem Computertomographie-(CT)-Paketscanner, beinhalten kann.
Röntgenröhren enthalten eine rotierende Anodenkonstruktion, die dazu dient, die an einem Brennfleck erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird gewöhnlich mittels eines Induktionsmotors gedreht, der einen zylindrischen Rotor, der in eine freitragende Welle eingebaut ist, die ein scheibenförmiges Anodentarget trägt, und eine Eisenstatorkonstruktion mit Kupferwicklungen aufweist, die einen längliche Hals der Röntgenröhre umgibt. Der Rotor der rotierenden Anodenanordnung wird durch den Stator angetrieben.
Eine Röntgenkathode erzeugt einen Elektronenstrahl, der mittels einer Hochspannung beschleunigt wird, die über einen Vakuumspalt zwischen der Kathode und der Anode angelegt ist, um bei dem Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen zu erzeugen. Der Bereich, in dem der Elektronenstrahl auf die Anode auftrifft, wird häufig als der Brennfleck bezeichnet. Typischerweise enthält die Kathode eine oder mehrere zylindrische oder ebene Glühwendeln, die in einem Becher angeordnet sind, um es Elektronenstrahlen zu ermöglichen, beispielsweise einen großen Brennfleck mit hoher Leistung oder einen kleinen Brennfleck mit hoher Auflösung hervorzubringen. Bildgebungsanwendungen können entworfen sein, die in Abhängigkeit von der Anwendung ein Auswählen entweder eines kleinen oder eines gro-ßen Brennflecks mit einer speziellen Form beinhalten. Typischerweise ist ein Emitter oder eine Glühwendel mit ohmschen Widerstand in einem Kathodenbecher angeordnet, und ein elektrischer Strom wird durch diese hindurch geleitet, mit der Folge, dass der Emitter eine Temperatursteigerung erfährt und Elektronen emittiert, falls er sich in einem Vakuum befindet.
Die Gestalt des Emitters oder der Glühwendel beeinflusst den Brennfleck. Um eine gewünschte Brennfleckgestalt zu erreichen, kann bei der Konstruktion der Kathode die Gestalt der Glühwendel in Betracht gezogen werden. Allerdings ist die Gestalt der Glühwendel gewöhnlich nicht mit Blick auf die Bildqualität oder die Brennfleckbelastung optimiert. Herkömmliche Glühwendeln sind aus Gründen der Herstellung und der Zuverlässigkeit in erster Linie als gewickelte oder spiralförmige Wolframdrähte gestaltet. Abgewandelte Konstruktionsoptionen können abweichende Konstruktionsprofile, beispielsweise eine aufgewickelte D-förmige Glühwendel, beinhalten. Folglich kann der Bereich von Konstruktionsoptionen zum Formen des aus dem Emitter abgestrahlten Elektronenstrahls durch die Glühwendelgestalt beschränkt sein, wenn Materialien mit ohmschen Widerstand als Emitterquelle in Erwägung gezogen werden.
Zur Verbesserung der Bildqualität wird häufig das Elektronenstrahl-Wobbeln angewandt. Typischerweise wird Wobbein mittels elektrostatischer Elektronenstrahlablenkung erzielt. Allerdings lässt sich mittels magnetischer Ablenkung eine höhere Bildqualität verwirklichen. Wobbeln mittels magnetischer Ablenkung kann eine hohe Bildqualität erreichen, indem sichergestellt wird, dass sich der Elektronenstrahl gewöhnlich so rasch wie möglich von der einen Position zu der nächsten bewegt, während er in der gewünschten Position ohne Streuung verbleibt. Allerdings nutzen bekannte Systeme, die magnetisches Wobbeln durchführen, komplexe Topologien, die häufig sperrige und kostspielige Hochspannungskomponenten enthalten und das für eine verbesserte Bildqualität gewünschte rasche und stabile magnetische Wobbeln nicht erreichen. Da die Röntgenröhren herstellungsbedingt nicht identisch sind, kann sich das Wobbeln von Röhre zu Röhre unterscheiden. Darüber hinaus lassen sich Anpassungen an die Intensität des Wobbelns in solchen Systemen nur schwer steuern.
DE 103 01 068 A1 beschreibt eine Stromquelle zum Betrieb einer Ablenkspule für den Elektronenstrahl einer Röntgenröhre. Die Stromquelle weist eine Spannungsquelle und eine Brückenschaltung auf, die mit jedem Ende der Ablenkspule über jeweils einen Leistungsschalter in Serienschaltung zu jeweils entgegengesetzten Polen der Spannungsquelle verbunden ist. Ein Strom-Abgriff ist zum Abgriff eines dem Strom durch die Ablenkspule proportionalen Spulenstrom-Signals vorgesehen. Mit dem Strom-Abgriff sind ein Einschalt- und ein Ausschalt-Komparator verbunden, über die das Schließen und Öffnen der Leistungsschalter gesteuert wird.
US 7 439 682 B2 beschreibt einen Schaltkreis zur Steuerung des Stroms für induktive Lasten, wie beispielsweise eine Elektronenstrahlablenkspule für ein Röntgengeneratorsystem. Der Schaltkreis enthält zwei wählbare Spannungspegel, die von einer Hochspannungsquelle und einer Niederspannungsquelle oder alternativ von einer Niederspannungsquelle und einem Aufwärtswandler bereitgestellt werden. Es sind mehrere Schalter zum Auswählen der Spannungsquelle vorgesehn, um es zu ermöglichen, zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Spannungsquelle an die Last anzuschließen und um die Polarität des Stroms durch die Spule auszuwählen. Die Hochspannungsquelle wird ausgewählt, wenn die Last geladen oder entladen wird. Die Niederspannungsquelle wird ausgewählt, wenn die Last in einem Konstantstrommodus arbeitet, in dem eine Hochfrequenzschaltvorrichtung die Niederspannungsquelle verwendet, um ein pulsweitenmoduliertes Signal gemäß einem Referenzstrom-Tastverhältnis zu erzeugen, um die Spannung über der Last zu steuern. Eine Rückkopplungsschleife überwacht den Strom durch die Last, so dass das Tastverhältnis des Pulsweitenmodulationssignals angepasst werden kann, um den Strom durch die Last genauer zu steuern.
Es ist erwünscht, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur magnetischen Ablenkung zu entwickeln, die die oben erwähnten Nachteile beseitigen und eine rasche, stabile und einstellbare magnetische Steuerung des Elektronenstrahls erzielen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Steuerschaltkreis für eine Elektronenstrahlsteuerspule für ein Röntgenstrahlerzeugungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 geschaffen. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Folglich enthält ein Steuerschaltkreis für eine Elektronenstrahlsteuerspule für ein Röntgenstrahlerzeugungssystem gemäß einem Aspekt der Erfindung eine erste Niederspannungsquelle und eine zweite Niederspannungsquelle. Der Steuerschaltkreis enthält ferner: eine erste Schalteinrichtung, die mit der ersten Niederspannungsquelle in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle einen ersten Strompfad zu bilden, wenn sie sich in Schließstellung befindet; und eine zweite Schalteinrichtung, die mit der zweiten Niederspannungsquelle in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Strompfad mit der zweiten Niederspannungsquelle zu bilden, wenn sie sich in Schließstellung befindet. Weiter gehören zu dem Steuerschaltkreis: ein Kondensator, der mit einer Elektronenstrahlsteuerspule parallel geschaltet ist, und der entlang des ersten und zweiten Strompfads angeordnet ist; und ein Stromquellenschaltkreis, der mit der Elektronenstrahlsteuerspule elektrisch verbunden ist, und der konstruiert ist, um in dem ersten und zweiten Strompfad einen Offset-Strom zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung gehören zu einem Verfahren zum Betrieb einer Elektronenstrahlsteuerspule die Schritte: (A) Schließen einer ersten Schalteinrichtung, um zu veranlassen, dass ein erster Strom mit einer ersten Polarität längs eines ersten Strompfads durch einen Resonanzschaltkreis und durch eine erste Energiespeichereinrichtung fließt, wobei der Resonanzschaltkreis eine Elektronenstrahlsteuerspule und einen Resonanzkondensator aufweist; und (B) Öffnen der ersten Schalteinrichtung nach dem Schließen der ersten Schalteinrichtung, um in dem Resonanzkreis einen ersten Resonanzzyklus zu initiieren. Zu dem Verfahren gehören außerdem die Schritte: (C) Schließen einer zweiten Schalteinrichtung, nachdem der erste Resonanzzyklus initiiert ist, um zu veranlassen, dass ein zweiter Strom mit einer zweiten Polarität längs eines zweiten Strompfads durch den Resonanzschaltkreis und durch eine zweite Energiespeichereinrichtung fließt; und (D) Steuern des Schaltens eines Stromquellenschaltkreises, um eine Verschiebung in dem ersten Strom und eine Verschiebung in dem zweiten Strom hervorzurufen, so dass ein Mittelwert des verschobenen ersten Stroms und des verschobenen zweiten Stroms von Null verschieden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung gehören zu einem CT-System: eine Gantry, die darin eine Öffnung aufweist, um ein zu scannendes Objekt aufzunehmen; ein Tisch, der sich in der Öffnung der drehbaren Gantry positionieren und durch die Öffnung bewegen lässt; und eine Röntgenröhre, die mit der drehbaren Gantry verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl in Richtung eines Targets abzustrahlen, wobei das Target positioniert ist, um ein Röntgenstrahlenbündel in Richtung eines Detektors zu lenken. Das CT-System enthält ferner eine Ablenkspule, die an der Röntgenröhre befestigt ist, und die angeordnet ist, um den Elektronenstrahl abzulenken. Ein Steuerschaltkreis ist mit der Ablenkspule elektrisch verbunden. Der Steuerschaltkreis enthält eine erste Niederspannungsquelle, die bemessen ist, um einen eingeschwungenen Strom mit einer ersten Polarität zuzuführen, und eine zweite Niederspannungsquelle, die bemessen ist, um einen eingeschwungenen Strom mit einer zweiten Polarität zuzuführen, die gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzt ist. Weiter gehören zu dem Steuerschaltkreis: ein erster Schalter, der mit der ersten Niederspannungsquelle verbunden ist, und der dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle einen ersten Strompfad zu bilden, wenn der erste Schalter geschlossen ist; und ein zweiter Schalter, der mit der zweiten Niederspannungsquelle verbunden ist, und der dazu eingerichtet ist, mit der zweiten Niederspannungsquelle einen zweiten Strompfad zu bilden, wenn der zweite Schalter geschlossen ist. Ein Resonanzkondensator ist mit der Ablenkspule parallel geschaltet und entlang des ersten und zweiten Strompfads angeordnet. Ein Stromverschiebungschaltkreis ist mit der Ablenkspule elektrisch verbunden und dazu eingerichtet, einen Strom-Offset in den ersten und zweiten Strompfad einzuspeisen. Eine Steuereinrichtung ist mit dem Steuerschaltkreis elektrisch verbunden und dazu programmiert, das Schalten des ersten und zweiten Schalters zu steuern.
Vielfältige weitere Merkmale und Vorteile werden nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste
Die Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsbeispiele, die gegenwärtig für eine Verwirklichung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
In den Zeichnungen zeigt:

1 eine anschauliche Ansicht eines Bildgebungssystems;
2 ein Blockschaltbild des in 1 veranschaulichten Systems;
3 eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhrenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in Verbindung mit dem in 1 veranschaulichten Bildgebungssystem verwendet werden kann;
4 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises, der einen Sollstromquellenschaltkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
5 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises, der einen Iststromquellenschaltkreis verwendet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 ein elektrisches Schaltschema des Iststromquellenschaltkreises von 5;
7 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises, der einen Iststromquellenschaltkreis verwendet, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 ein elektrisches Schaltschema des Iststromquellenschaltkreises von 7;
9 einen exemplarischen Graphen von Strom, der in einer Last mittels der Schaltkreise von 5-8 hervorgerufen ist;
10 ein elektrisches Schaltschema eines abgewandelten Iststromquellenschaltkreises, der in dem Resonanzkreis von 7 genutzt werden kann;
11 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises, der einen Iststromquellenschaltkreis verwendet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 ein elektrisches Schaltschema des Iststromquellenschaltkreises von 11;
13 einen exemplarischen Graphen von Strom, der mittels der Schaltkreise von 10-12 in einer Last hervorgerufen ist;
14 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises, der einen bidirektionalen Stromquellenschaltkreis verwendet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15 ein elektrisches Schaltschema des bidirektionalen Stromquellenschaltkreises von 14;
16 einen exemplarischen Graphen von Strom, der mittels der Schaltkreise von 14-15 in einer Last hervorgerufen ist;
17 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
18 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
19 eine anschauliche Ansicht eines Röntgensystems für den Einsatz in einem nicht invasiven Paket-/Gepäck-Inspizierungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
20 ein elektrisches Schaltschema eines Resonanzkreises gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Betriebsumgebung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird anhand eines Vierundsechzig-Schicht-Computertomographie-(CT)-Systems beschrieben. Allerdings wird dem Fachmann verständlich sein, dass Ausführungsbeispiele der Erfindung gleichermaßen für den Einsatz in Verbindung mit sonstigen Multischichtkonfigurationen anwendbar sind. Weiter werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Detektion und Umwandlung von Röntgenstrahlen beschrieben. Allerdings ist einem Fachmann auch klar, dass Ausführungsbeispiele der Erfindung ebenso auf die Detektion und Umwandlung sonstiger hochfrequenter elektromagnetischer Energie anwendbar sind. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit Bezug auf einen CT-Scanner der „dritten Generation“ beschrieben, sie sind jedoch gleichermaßen anwendbar auf sonstige CT-Systeme, chirurgische C-Arm-Systeme und andere Röntgentomographiesysteme sowie zahlreiche sonstige medizinische Bildgebungssysteme, die eine Röntgenröhre verwenden, z.B. Röntgen- oder Mammographiesysteme.
1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Bildgebungssystems 10, das dazu entworfen ist, gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung sowohl ursprüngliche Bilddaten zu erfassen als auch die Bilddaten für eine Wiedergabe und/oder Analyse zu verarbeiten. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die Ausführungsbeispiele der Erfindung auf zahlreiche medizinische Bildgebungssysteme anwendbar sind, die eine Röntgenröhre verwenden, z.B. Röntgenstrahl- oder Mammographiesysteme. Andere Bildgebungssysteme beispielsweise Computertomographiesysteme und digitale Radiographiesysteme, die dreidimensionale Bilddaten für ein Volumen akquirieren, ziehen ebenfalls Vorteile aus den Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die folgende Erörterung des Röntgensystems 10 ist lediglich ein Beispiel einer solchen Verwirklichung und soll mit Blick auf die Ausführungsart nicht beschränken.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem 10 als eine Gantry 12 enthaltend gezeigt, die einen CT-Scanner der „dritten Generation“ repräsentiert. Die Gantry 12 weist eine Röntgenröhrenvorrichtung oder Röntgenquellenvorrichtung 14 auf, die ein konusförmige Röntgenstrahlenbündel in Richtung einer Detektoranordnung oder eines Kollimators 16 an der gegenüberliegenden Flanke der Gantry 12 projiziert. Mit Bezugnahme auf 2 wird die Detektoranordnung 16 durch mehrere Detektoren 18 und Datenakquisitionssysteme (DAS) 20 gebildet. Die mehreren Detektoren 18 erfassen die projizierten Röntgenstrahlen 22, die einen Patienten 24 durchqueren, und das DAS 20 wandelt die Daten in digitale Signale um, um diese anschließend zu verarbeiten. Jeder Detektor 18 erzeugt ein analoges elektrisches Signal, das die Intensität eines einfallenden Röntgenstrahls, und folglich den auf dem Weg durch den Patienten geschwächten Strahl 24 kennzeichnet. Während eines Scandurchgangs zum Akquirieren von Röntgenstrahlprojektionsdaten drehen sich die Gantry 12 und die daran angebrachten Komponenten um eine Rotationsachse 26.
Die Rotation der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenstrahlquellenanordnung 14 werden durch eine Steuervorrichtung 28 des CT-Systems 10 gesteuert. Die Steuervorrichtung 28 enthält einen Röntgenstrahlcontroller 30, der Leistungs- und Zeittaktsignale an eine Röntgenquellenvorrichtung 14 ausgibt, und einen Gantryantriebscontroller 32, der die Drehgeschwindigkeit und Position der Gantry 12 steuert. Ein Bildrekonstruktor 34 nimmt abgetastete und digitalisierte Röntgenstrahldaten von dem DAS 20 auf und führt eine Hochgeschwindigkeitsrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird einem Computer 36 als Eingabe zugeführt, der das Bild in einem Massenspeichergerät 38 speichert. Auf dem Computer 36 ist außerdem Software gespeichert, die der Elektronenstrahlpositionierung und der Magnetfeldsteuerung zugeordnet ist, wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben.
Der Computer 36 nimmt außerdem Steuerbefehle und Scanparameter von einem Anwender über eine Konsole 40 entgegen, die auf einer beliebigen Bedienerschnittstelle basieren kann, beispielsweise auf einer Tastatur, einer Maus, einer sprachgesteuerten Steuereinrichtung oder einer beliebigen sonstigen Eingabevorrichtung. Ein zugeordnetes Display 42 ermöglicht es der Bedienperson, das rekonstruierte Bild und andere von dem Computer 36 ausgegebene Daten zu beobachten. Die von der Bedienperson eingegebenen Steuerbefehle und Parameter werden von dem Computer 36 verwendet, um Steuersignale und Daten an das DAS 20, den Röntgenstrahlcontroller 30 und den Gantryantriebscontroller 32 auszugeben. Darüber hinaus steuert der Computer 36 einen Tischantriebscontroller 44, der einen motorisch angetriebenen Tisch 46 steuert, um den Patienten 24 und die Gantry 12 zu positionieren. Speziell bewegt der Tisch 46 den Patienten 24 ganz oder teilweise durch einen Gantrytunnel 48 von 1.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Röntgenröhrenvorrichtung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Röntgenröhrenvorrichtung 14 enthält eine Röntgenröhre 50, die eine Vakuumkammer bzw. ein Gehäuse 52 aufweist, in dem eine Kathodenanordnung 54 und ein Target bzw. eine rotierende Anode 56 angeordnet ist. Die Kathodenanordnung 54 enthält mehrere voneinander unabhängige Elemente, darunter einen (nicht gezeigten) Kathodenbecher, der die (nicht gezeigte) Glühwendel trägt und als eine elektrostatische Linse dient, die einen Elektronenstrahl 58 fokussiert, der von der erwärmten Glühwendel in Richtung einer Fläche 60 des Targets 56 abgestrahlt ist.
Eine Ablenkspule 62 ist in der Röntgenröhrenvorrichtung 14 an einer Stelle in der Nähe des Pfades des Elektronenstrahls 58 angebracht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ablenkspule 62 als eine Magnetspule über und um die Vakuumkammer 52 so gewickelt und angeordnet, dass sich das erzeugte Magnetfeld auf dem Pfad des Elektronenstrahls 58 befindet. Die Ablenkspule 62 erzeugt ein Magnetfeld, das auf den Elektronenstrahl 58 wirkt, was bewirkt, dass der Elektronenstrahl 58 abgelenkt wird und sich zwischen einem Paar Brennflecken oder Positionen 64, 66 bewegt. Die Richtung der Bewegung des Elektronenstrahls 58 wird durch die Richtung des durch die Ablenkspule 62 fließenden Stromflusses bestimmt, der über einen Steuerschaltkreis 68 geregelt/gesteuert wird, der mit der Ablenkspule 62 verbunden ist, wie mit Bezug auf 3-4 näher erläutert.
4 veranschaulicht einen Steuerschaltkreis 70 für eine Röntgenröhrenvorrichtung, z.B. den in der Röntgenröhrenvorrichtung 14 von 3 vorgesehenen Steuerschaltkreis 68. Der Steuerschaltkreis 70 enthält eine erste Niederspannungsquelle oder Speisespannungsquelle 72 und eine zweite Niederspannungsquelle 74. Der Steuerschaltkreis 70 enthält ferner ein Paar Dioden 76, 78, einen Resonanzschaltkreis 80, der einen Resonanzkondensator 82 aufweist, der mit einer Last 84, beispielsweise mit der Ablenkspule 62 von 3, parallel geschaltet ist. Ein erster Schalter 86, der sich schließen lässt, um einen ersten Strompfad 88 zu bilden, und ein zweiter Schalter 90, der sich schließen lässt, um einen zweiten Strompfad 92 zu bilden, sind ebenfalls in dem Steuerschaltkreis 70 vorgesehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Niederspannungsquelle 72, 74 dazu eingerichtet, eine Spannung von etwa R*I Volt zu liefern, wobei R einen parasitären Gesamtwiderstand des Steuerschaltkreises und der Last 84 repräsentiert, und I einen gewünschten eingeschwungenen Strom repräsentiert, der der Last 84 zugeführt wird. Ein Fachmann wird allerdings erkennen, das die Spannungsquellen 72, 74 basierend auf einer gewünschten verwendeten Stromstärke ausgewählt werden können. Gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen kann die Stärke der Spannungsquellen 72, 74 in Abhängigkeit von der gewünschten Stromverschiebung voneinander unabhängig eingestellt werden.
Im Betrieb werden die Schalter 86, 90 selektiv geöffnet und geschlossen, um in der Spule 84 ein Magnetfeld zu erzeugen, um die Ablenkung eines Elektronenstrahls zu steuern. Zu Beginn ist der erste Schalter 86 geschlossen, während der zweite Schalter 90 offen gehalten wird, was zu einem ersten Strom I_hoch durch die Last 84 führt. Wenn der erste Schalter 86 geöffnet wird, beginnt die in dem Resonanzkondensator 82 gespeicherte Energie sich zu entladen. Während sich der Resonanzkondensator 82 entlädt, nimmt die Spannung und der Strom ab, und es entsteht zwischen dem Resonanzkondensator 82 und der Last 84 eine Resonanz. Während des Resonanzzyklus lädt sich der Resonanzkondensator 82 bis zu einem gewissen Grad wieder auf. Der zweite Schalter 90 wird basierend auf einer gewünschten Spannungsbedingung geschlossen, z.B. wenn die Spannung an dem Resonanzkondensator 82 negativ wird. Nachdem der zweite Schalter 90 geschlossen ist und die Spannung an dem Resonanzkondensator 82 gleich der Speisespannungsquelle 74 ist, endet der Resonanzzyklus, was zu einem zweiten Strom I_nied _rig durch die Last 84 führt. Wenn der zweite Schalter 88 wieder geöffnet ist, beginnt die in dem Resonanzkondensator 82 gespeicherte Energie sich zu entladen, was einen zweiten Resonanzzyklus auslöst. Nachdem die Spannung positiv wird, wird der erste Schalter 86 geschlossen und der Schaltzyklus wiederholt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltzeit bei etwa 10 Mikrosekunden festgelegt. Die Schaltzeit steht in Beziehung zu dem Wert des Resonanzkondensators 82 und der Induktivität der Last 84.
Dementsprechend erreicht der Steuerschaltkreis 70 unter Verwendung einer Niederspannungsquelle eine rasche Strominversion, indem er vorteilhaft den Resonanzzyklus nutzt, der ausgelöst wird, wenn ein Kondensator in Parallelschaltung mit einer Ablenkspule verbunden ist, und wenn ein Paar Schalter gesteuert wird, um an spezifizierten Punkten auf Spannungs- und Stromdiagrammen geöffnet und geschlossen zu werden. Darüber hinaus ist der Steuerschaltkreis 70 in der Lage, die rasche Strominversion mit begrenzten oder auf ein Minimum reduzierten ohmschen Verlusten zu erreichen. Schaltverluste sind während der Strominversion aufgrund der resonanten Kommutation beschränkt, und Gesamtleitungsverluste sind begrenzt, da in dem Steuerschaltkreis lediglich zwei Schalter werden verwendet. Darüber hinaus ist die in der Last 84 entwickelte Spannung weitgehend sinusförmig, was zu einer geringen elektromagnetischen Interferenz (EMI) führt. Weiter weist der Spulenerregerstrom eine sehr geringe Varianz (von beispielsweise weniger als ein Prozent) auf, was während des Sammelns von Daten ein sehr stabiles Wobbeln und eine konstante Elektronenstrahlposition ermöglicht.
Der Steuerschaltkreis 70 enthält außerdem eine Sollstromquelle 94, die über der Last 84 von Punkt N 96 zu Punkt 0 98 angeschlossen ist. Die Sollstromquelle 94 kann eine positive oder negative Verschiebung in den Stromfluss einführen, wobei auf diese Weise der Mittelwert des Spulen-(Last)-Stroms gesteigert oder verringert wird. Somit verleiht das Hinzufügen der Sollstromquelle 94 dem Laststrom während des Betriebs einen Offset-Strom I_Verschiebung. Wenn beispielsweise angenommen ist, dass die erste Niederspannungsquelle 72 geeignet ausgewählt ist, so dass der Laststrom einen Wert von I_hoch aufweist, wenn der Schalter 86 geschlossen ist, und die zweite Niederspannungsquelle 74 geeignet ausgewählt ist, so dass der Laststrom eine Wert von I_niedrig aufweist, wenn der Schalter 90 geschlossen ist, speist die Sollstromquelle 94 während des Zeitraums, in dem der Schalter 86 geschlossen ist, einen Offset-Strom in den Schaltkreis ein, der den Laststrom von I_hoch zu I_hoch + I_Verschiebung verändert, und während des Zeitraums, in dem der Schalter 90 geschlossen ist, von I_niedrig zu I_niedrig + I_Verschie _bung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Absolutbetrag einer Stromverschiebung I_Verschiebung größer sein als der Absolutbetrag von I_hoch oder I_niedrig, was zu einem rein positiven oder rein negativen Strom in der Spule 84 führt. Beispielsweise würde in einem Ausführungsbeispiel, in dem die Spannungsquellen 72, 74 geeignet ausgewählt sind, so dass I_hoch 4 Ampere ist, und I_niedrig -4 Ampere ist, eine Stromverschiebung I_Verschiebung von 2 Ampere einen Strom von 6 Ampere und -2 Ampere in dem ersten bzw. zweiten Strompfad 88, 92 ergeben.
Das Hinzufügen der Sollstromquelle 94 zu dem Steuerschaltkreis 70 weist eine Anzahl von Vorteilen auf. Erstens kann die Sollstromquelle 94 während eines anfänglichen Einbaus oder bei der Wartung einer Röntgenröhre für Kalibrierungszwecke verwendet werden. Beispielsweise kann die Sollstromquelle 94 dazu eingerichtet sein, den Strom zu verschieben, um eine Abweichung in der vorliegenden Röntgenröhre zu korrigieren. Darüber hinaus fügt die Einbeziehung der Sollstromquelle 94 ein Element der Anpassbarkeit an das gesamte Bildgebungssystem hinzu, indem es rasche und problemlose Einstellungen an den Scanparametern ermöglicht. Beispielsweise kann in zwei aufeinanderfolgenden Scanprotokollen, die unterschiedliche Größenordnungen von Beugungs- oder Fokusänderungen beinhalten, ein und dieselbe Röntgenröhre betrieben werden, indem einfach die Stromstärkeverschiebung zwischen den Scandurchläufen verändert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Betrieb des Steuerschaltkreises 70 basierend auf einer Eingabe in eine Bedienungskonsole, z.B. in die Bedienungskonsole 40 von 2, bestimmt. Basierend auf der Art der durchgeführten Untersuchung, ermittelt Software, die auf einen Computer, z.B. Rechner 36 von 2, geladen ist, für den Elektronenstrahl gewünschte Brennfleckpositionen und berechnet das Magnetfeld, das anzuwenden ist, um den Elektronenstrahl zu den gewünschten Brennfleckpositionen zu lenken. Eine Steuereinrichtung, z.B. die Steuereinrichtung 32 von 2, ist dafür programmiert, Schaltsteuerbefehle an den Steuerschaltkreis 70 zu übertragen, um das gewünschte Magnetfeld zu erzeugen.
Mit Bezugnahme auf 5 ist ein Steuerschaltkreis 100 gezeigt, der einen Iststromquellenschaltkreis 102 verwendet, gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel. Mit Ausnahme des Iststromquellenschaltkreises 102, ist der Steuerschaltkreis 100 ähnlich konstruiert wie der Schaltkreis 70. Somit enthält der Steuerschaltkreis 100 zusätzlich zu dem Iststromquellenschaltkreis 102 ein Paar Spannungsquellen 72, 74, ein Paar Schalter 86, 90, ein Paar Dioden 76, 78 und einen Resonanzkondensator 82, der mit einer Last 84 parallel geschaltet ist. Wie gezeigt, ist der Iststromquellenschaltkreis 102 über der Last 84 von Punkt N 96 zu Punkt O 98 und über der Niederspannungsquelle 72 von Punkt P1 104 zu Punkt N 96 verbunden. Der Iststromquellenschaltkreis 102 wird, wie im Einzelnen mit Bezug auf 6 beschrieben, durch die Niederspannungsquelle 72 mit Strom versorgt.
Der Iststromquellenschaltkreis 102 ist im Einzelnen in 6 veranschaulicht. Der Schaltkreis 102 ist ein unidirektionaler Schaltkreis und erzeugt daher eine Stromverschiebung lediglich in eine positive Richtung (von Punkt O 98 zu Punkt N 96), wenn er in der gezeigten Weise in 5 angeschlossen ist. Wie gezeigt, enthält der Schaltkreis 102 eine Diode 106, einen Induktor 108 und eine Stromüberwachungsvorrichtung 110, beispielsweise einen Widerstand R_Sensor, die mit einer Steuerung 112 parallel geschaltet ist. Die Steuerung 112 öffnet und schließt einen Schalter 114 in Abhängigkeit von einem Stromfluss durch den Widerstand 110. Dem Fachmann wird einleuchten, dass 6 lediglich eine einzige von vielen möglichen Durchführungen eines unidirektionalen Schaltkreises veranschaulicht.
Mit gemeinsamer Bezugnahme auf 5 und 6 bewirkt die erste Niederspannungsquelle 72, wenn der Schalter 114 geschlossen ist, dass Strom durch den Induktor 108 bzw. die Last 84 fließt und diese/n erregt. Wenn der Schalter 114 geöffnet wird, fließt weiter Strom durch den Induktor 108 und die Last 84, mit der Folge, dass Strom durch den Widerstand 110 und die Diode 106 fließt. Die Steuerung 112 überwacht oder erfasst den Stromfluss durch den Widerstand 110, und wenn der Strom durch den Induktor 108 und den Widerstand 110 die gewünschte Stromverschiebung unterschreitet, so dass die Spannung an dem Widerstand 110 unterhalb eines Schwellwerts sinkt, sendet die Steuerung 112 einen Schaltsteuerbefehl, um den Schalter 114 zu schließen, so dass der Induktor 108 wieder erregt wird. In einem Ausführungsbeispiel schließt die Steuerung 112 den Schalter 114 für eine vorgegebene Zeitspanne, beispielsweise 5 Mikrosekunden. Nach dieser Zeitspanne wird der Schalter 114 geöffnet, und die Steuerung 112 überprüft erneut die Spannung an dem Widerstand 110. Falls die Spannung den gewünschten Pegel nicht erreicht hat, wird der Schalter 114 wieder für die vorbestimmte Zeitspanne geschlossen. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis der Stromfluss durch den Widerstand 110 bewirkt, dass die Spannung an dem Widerstand 110 den gewünschten Pegel erreicht. Somit betätigt die Steuerung 112 den Schalter 114, um eine in etwa stationäre Verschiebung in dem Spulenstrom aufrecht zu erhalten. In einer Abwandlung kann die Steuerung 112 dazu eingerichtet sein, eine Spannung an einem optionalen zweiten Widerstand 116 (gezeigt in Phantomdarstellung) zu erfassen, der zwischen Punkt P-1 104 und dem Schalter 114 angeordnet ist, um zu bestimmen, wann der Schalter 114 zu öffnen und somit die Aufladung des Induktors 108 abzubrechen ist. Die Verwendung des Iststromquellenschaltkreises 102 fügt dem durch die Spule 84 fließenden Strom einen positiven Strom-Offset hinzu. Der gewünschte Pegel des Strom-Offsets oder der Schwellwert kann durch einen Computer, z.B. den Rechner 36 (1), oder durch einen Anwender, beispielsweise über eine Benutzerschnittstelle der Konsole 40, eingestellt werden.
20 veranschaulicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Iststromquellenschaltkreises 102, der als Stromüberwachungsvorrichtung anstelle eines Widerstands eine Strommesssonde 117 aufweist. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die Strommesssonde 117 auf beliebigen Stromüberwachungsvorrichtungen basieren kann, beispielsweise auf einer magnetischen Sonde oder einer Hall-Effekt-Sonde.
7 veranschaulicht einen Steuerschaltkreis 118, der einen Iststromquellenschaltkreis 120 verwendet, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie gezeigt, ist der Iststromquellenschaltkreis 120 über der Last 84 von Punkt N 96 zu Punkt O 98 verbunden. Abgesehen von den Komponenten des Iststromquellenschaltkreises 120 enthält der Steuerschaltkreis 118 dieselben Komponenten wie der Steuerschaltkreis 70.
Mit Bezugnahme auf 8 wird nun der Iststromquellenschaltkreis 120 im Einzelnen erläutert. Ähnlich wie im Falle des Iststromquellenschaltkreises 102, enthält der Iststromquellenschaltkreis 120 eine Sperrdiode 122, einen Induktor 124 und eine Regelung/Steuerung 126, die in Parallelschaltung mit einem Widerstand R_Sensor 128 verbunden ist und dazu eingerichtet ist, einen Schalter 130 zu steuern. Der Iststromquellenschaltkreis 120 enthält außerdem eine unabhängige Niederspannungsquelle 132. Somit wird der Iststromquellenschaltkreis 120 durch die unabhängige Speisespannungsquelle 132 mit Strom versorgt. Die Steuerung 126 arbeitet ähnlich wie die Steuerung 112 (6), indem sie in Abhängigkeit von dem durch den Widerstand 128 fließenden Strom Schaltsteuerbefehle an den Schalter 130 überträgt. Der Betrieb des Iststromquellenschaltkreises 102 speist in den über die Spule 84 fließenden Strom eine positive Verschiebung ein. Dem Fachmann wird einleuchten, dass das Stromsensorwiderstandselement durch eine beliebige Strommesssonde ersetzt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die unabhängige Speisespannungsquelle 132 eine Niederspannungsquelle, die eine Stärke aufweist, die nicht mit der Stärke der Spannungsquellen 72, 74 in Beziehung steht. Die Verwendung der unabhängigen Speisespannungsquelle 132 in dem Schaltkreis 120 steigert den Grad einer möglichen Stromverschiebung, die in den Spulenstrom eingespeist werden kann, der den Grad überschreitet, der unter alleiniger Verwendung der Speisespannungsquelle 72 eingespeist werden kann, wie es im Vorausgehenden mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben ist. Somit kann die unabhängige Speisespannungsquelle 132 auf der Grundlage von Konstruktionsspezifikationen bemessen werden, um einen beliebigen gewünschten Grad einer Stromverschiebung bereitzustellen.
9 zeigt in einem exemplarischen Graphen 134 mögliche Ströme in der Last 84 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Ein Spulenerregerstrom, der keinen die Last 84 durchströmenden Offset-Strom aufweist, ist in 9 als Kurve 136 veranschaulicht. Wie gezeigt, ist der Spulenerregerwechselstrom um Null symmetrisch. Somit beträgt der gemittelte Strom in einer vorgegebenen Periode 138 der Kurve 136 etwa Null. Der Spulenerregerstrom, der einen positiven Offset-Strom aufweist, der die Last 84 durchströmt, der geringer ist als der Betrag der Kurve 136 in Relation zu Null, ist in 9 als Kurve 140 veranschaulicht. Wie gezeigt, hat der positive Strom-Offset die Wirkung einer Verschiebung der Kurve 136 nach oben, so dass die Periode 138 der Kurve 140 einen von Null verschiedenen Mittelwert aufweist. Der durch die Kurve 140 veranschaulichte Strom-Offset kann durch den Schaltkreis 102 (6) oder durch den Schaltkreis 120 (8) erzeugt werden. Der Spulenerregerstrom, der einen positiven Offset-Strom aufweist, der die Last 84 durchströmt, der größer ist als der Betrag der Kurve 136 in Relation zu Null, ist in 9 als Kurve 142 veranschaulicht. Wie gezeigt, bringt der Strom-Offset, der der Kurve 142 zugrunde liegt, während jedes alternierenden Zyklus für den durch die Last 84 fließenden Strom lediglich positive Ströme hervor, so dass der minimale Strom und der maximale Strom dieselbe Polarität aufweisen. Der durch die Kurve 142 veranschaulichte Strom-Offset kann durch den Schaltkreis 120 erzeugt werden.
10 veranschaulicht einen Iststromquellenschaltkreis 144, der in dem Steuerschaltkreis 118 von 7 als eine Alternative gegenüber dem Iststromquellenschaltkreis 120 (7 und 8) genutzt werden kann. Der Iststromquellenschaltkreis 144 ist mit ähnlichen Komponenten konstruiert wie der Schaltkreis 120 und enthält eine Sperrdiode 146, einen Induktor 148, und einen Widerstand 150, der in Parallelschaltung mit einer Regelung/Steuerung 152 verbunden ist, die Signale an einen Schalter 154 ausgibt. Der Iststromquellenschaltkreis 144 enthält ebenfalls eine unabhängige Niederspannungsquelle 156. Somit wird der Iststromquellenschaltkreis 144 durch die unabhängige Spannungsquelle 156 mit Strom versorgt. Die Diode 146 ist gegenüber der Diode 122 (8) entgegengesetzt angeordnet, und die Polarität der unabhängigen Spannungsquelle 156 ist gegenüber der Polarität der unabhängigen Speisespannungsquelle 132 (8) entgegengesetzt, da der Stromfluss in dem Schaltkreis 120 (8) (d.h. von Punkt N 96 zu Punkt O 98) entgegengesetzt zu dem Stromfluss in dem Schaltkreis 144 (d.h. von Punkt O 98 zu Punkt N 96) ist. Folglich speist der Iststromquellenschaltkreis 144 eine negative Stromverschiebung in den Steuerschaltkreis 118 (7) ein.
Mit Bezugnahme auf 11 ist gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel ein Steuerschaltkreis 158, der einen unidirektionalen Iststromquellenschaltkreis 160 verwendet, der eine negative Stromverschiebung einspeist, gezeigt. Der Steuerschaltkreis 158 enthält ähnlich wie der Steuerschaltkreis 70 (4) einen Resonanzkondensator 82, die Last 84, die Spannungsquellen 72, 74, die Dioden 76, 78 und die Schalter 86, 90. Der Iststromquellenschaltkreis 160 ist über der Last 84 von Punkt N 96 zu Punkt O 98 angeschlossen und über der zweiten Niederspannungsquelle 74 von Punkt N 96 zu Punkt P2 162 angeschlossen.
12 veranschaulicht den Iststromquellenschaltkreis 160 im Einzelnen. Ähnlich wie im Falle des Schaltkreises 102 (6) ist der Iststromquellenschaltkreis 160 ein unidirektionaler Schaltkreis, der eine Diode 164, einen Induktor 166 und einen Widerstand 168 aufweist, der mit einer Steuerung 170 verbunden ist, die, ähnliche wie mit Bezug auf den Schaltkreis 102 beschrieben, Signale an einen Schalter 172 übermittelt. Im Gegensatz zu dem Schaltkreis 102, der Strom in eine positive Richtung verschiebt, ruft der Iststromquellenschaltkreis 160 allerdings eine Stromverschiebung in eine negative Richtung hervor. Daher ist die Diode 164 gegenüber der Diode 106 von 6 entgegengesetzt angeordnet, um es dem Strom zu erlauben, von Punkt O 98 zu Punkt N 96 zu fließen, und um einen Stromfluss in der entgegengesetzten Richtung zu sperren.
Unter Bezugnahme auf 13 ist ein exemplarischer Graph 174 gezeigt, der mögliche Ströme in der Last 84 veranschaulicht, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Ein Spulenerregerstrom, der keinen die Last durchströmenden Offset-Strom aufweist, ist als Kurve 176 veranschaulicht. Wie gezeigt, ist der alternierende Spulenerregerstrom um Null symmetrisch. Der Spulenerregerstrom, der einen negativen Offset-Strom aufweist, der die Last 84 durchströmt, der geringer ist als der Betrag der Kurve 176 in Relation zu Null, ist als Kurve 178 veranschaulicht. Der durch die Kurve 176 veranschaulichte Strom-Offset kann durch den Schaltkreis 144 (10) oder durch den Schaltkreis 160 (12) erzeugt werden. Der Spulenerregerstrom, der einen negativen Offset-Strom aufweist, der die Last 84 durchströmt, der größer ist als der Betrag der Kurve 176 in Relation zu Null, ist als Kurve 180 veranschaulicht. Wie gezeigt, bringt der Strom-Offset, der der Kurve 180 zugrunde liegt, während jedes alternierenden Zyklus für den durch die Last 84 fließenden Strom lediglich negative Ströme hervor, so dass der minimale Strom und der maximale Strom dieselbe Polarität aufweisen. Der durch die Kurve 180 veranschaulichte Strom-Offset kann durch den Schaltkreis 144 erzeugt werden.
Unter Bezugnahme auf 14 ist gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Steuerschaltkreis 182 gezeigt. Der Steuerschaltkreis 182 enthält ein Paar Spannungsquellen 72, 74, ein Paar Schalter 86, 90, ein Paar Dioden 76, 78 und einen Resonanzkondensator 82, der, ähnlich wie in 4 gezeigt, mit einer Last 84 parallel geschaltet ist. Weiter ist ein bidirektionaler Stromquellenschaltkreis 184 in dem Steuerschaltkreis 182 vorhanden, um in dem durch die Last 84 fließenden Strom positive und negative Stromverschiebungen hervorzurufen. Der Stromquellenschaltkreis 184 ist mit Punkt O 98 verbunden und an den Spannungsquellen 72, 74 bei Punkt P1 104 und Punkt P2 162 angeschlossen.
Ein Schaltschema des bidirektionalen Stromquellenschaltkreises 184 ist in 15 unterbreitet. Wie gezeigt, enthält der Iststromquellenschaltkreis 184 eine erste Diode 186, die mit einem ersten Schalter 188 parallel geschaltet ist, eine zweite Diode 190, die mit einem zweiten Schalter 192 parallel geschaltet ist, einen Widerstand 194, einen Induktor 196 und eine Steuerung 198, die über dem Widerstand 194 angeschlossen ist und dazu eingerichtet ist, das Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Schalters 188, 192 zu steuern. Im Betrieb erzeugt die Steuerung 198 ein Signal, das in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der gewünschten Stromverschiebung einen der Schalter 188, 192 einschaltet. Beispielsweise betätigt die Steuerung 198 im Falle einer Anwendung, in der eine positive Stromverschiebung gewünscht ist, den Schalter 188 in einer ähnlichen Weise, wie es mit Bezug auf den Stromsteuerschaltkreis 102 (6) beschrieben ist. Im Falle einer Anwendung, in der eine negative Stromverschiebung gewünscht ist, überwacht die Steuerung 198 hingegen den Widerstand 194 und öffnet und schließt selektiv den Schalter 192, um eine gewünschte Erregung des Induktors 196 aufrecht zu erhalten.
16 zeigt einen exemplarischen Graphen 200 möglicher Ströme in einer Last, z.B. der Last 84 von 14, die sich anhand eines Betriebs eines bidirektionalen Stromquellenschaltkreises, z.B. des Schaltkreises 184 (14) ergeben. Ein Spulenerregerstrom, der keinen die Last durchströmenden Offset-Strom aufweist, ist in Kurve 202 veranschaulicht. Ein bidirektionaler Schaltkreis kann geregelt/gesteuert werden, um den Spulenerregerstrom in eine positive Richtung oder in eine negative Richtung zu verschieben. Folglich kann ein bidirektionaler Schaltkreis geregelt/gesteuert werden, um einen positiven Strom-Offset hervorzubringen, der, wie anhand von Kurve 204 gezeigt, den Betrag der Kurve 202 in Relation zu Null unterschreitet, oder er kann einen positiven Strom hervorbringen, der eine Stärke aufweist, die in etwa gleich der Amplitude der Kurve 204 in Relation zu Null ist, so dass der Spulenerregerstrom vollständig positiv ist, wie der Kurve 206 zu entnehmen. Desgleichen kann ein bidirektionaler Schaltkreis geregelt/gesteuert werden, um einen negativen Strom-Offset hervorzubringen, der die Amplitude der Kurve 202, wie in Kurve 208 gezeigt, unterschreitet, oder er kann einen Offset-Strom hervorbringen, der den Spulenerregerstrom in eine negative Richtung verschiebt, so dass der Spulenerregerstrom, wie der Kurve 210 zu entnehmen, vollständig negativ ist.
17 veranschaulicht einen Steuerschaltkreis 212 für eine Röntgenröhrenvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Steuerschaltkreis 212 enthält eine Spannungsquelle 214, die eine Versorgungsspannung an einen ersten Kondensator bzw. eine Niederspannungsquelle 216 und an einen zweiten Kondensator bzw. eine Niederspannungsquelle 218 anlegt. zwischen der Spannungsquelle 214 und der ersten Niederspannungsquelle 216 ist eine Sperrdiode 220 angeordnet, um das Zurückfließen des Stroms in die Spannungsquelle 214 zu verhindern. Weiter enthält der Steuerschaltkreis 212 eine erste und zweite Diode 222, 224 und einen Resonanzschaltkreis 226, der einen Resonanzkondensator 228 aufweist, der parallel zu einer Last 230 geschaltet ist. Ein erster Schalter 232, der sich schließen lässt, um einen ersten Strompfad 234 zu bilden und ein zweiter Schalter 236, der sich schließen lässt, um einen zweiten Strompfad 238 zu bilden, sind ebenfalls in dem Steuerschaltkreis 212 vorgesehen. Der Steuerschaltkreis 212 enthält außerdem einen unidirektionalen Iststromquellenschaltkreis 240, der, ähnlich wie der anhand von 5 und 6 beschriebene Iststromquellenschaltkreis 102, dazu eingerichtet ist, einen positiven Strom-Offset einzuspeisen.
Mit Bezugnahme auf 18 ist gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Steuerschaltkreis 242 veranschaulicht. Der Steuerschaltkreis 242 enthält eine erste Speisespannung 244, eine Sperrdiode 246, eine zweite Speisespannung 248, einen Kondensator 250, einen Resonanzkondensator 252, der mit einer Spule 254 parallel geschaltet ist, ein Paar Dioden 256, 258 und ein Paar Schalter 260, 262. Somit unterscheidet sich der Steuerschaltkreis 242 von dem Steuerschaltkreis 212 von 17 insofern, als einer der beiden in Reihe liegenden Kondensatoren 216, 218 von 17 durch die Niederspannungsquelle 248 ausgetauscht ist. Der Steuerschaltkreis 242 enthält außerdem einen unidirektionalen Iststromquellenschaltkreis 264, der, ähnlich wie der anhand von 5 und 6 beschriebene Iststromquellenschaltkreis 102, dazu eingerichtet ist, einen positiven Strom-Offset einzuspeisen.
Während 17 und 18 als unidirektionale Iststromquellenschaltkreise enthaltend beschrieben sind, die einen positiven Strom-Offset einspeisen, wird ein Fachmann erkennen, dass der Steuerschaltkreis 212 und der Steuerschaltkreis 242 ohne weiteres konstruiert sein könnten, um einen unidirektionalen Schaltkreis zu enthalten, der in ähnlicher Weise wie der Iststromquellenschaltkreis 120 (7 und 8), der Iststromquellenschaltkreis 160 (11 und 12) oder der Iststromquellenschaltkreis 144 (10) einen negativen Strom-Offset einspeist. In einer Abwandlung können die Steuerschaltkreise 212, 242 modifiziert werden, um einen bidirektionalen Iststromquellenschaltkreis zu enthalten, der, wie z.B. der Iststromquellenschaltkreis 184 (14 und 15), in der Lage ist positive und negative Strom-Offsets einzuspeisen.
Ausführungsbeispiele der oben beschriebenen Erfindung benutzen eine einzelne Ablenkspule und einen entsprechenden Steuerschaltkreis, um einen Elektronenstrahl zwischen zwei Brennflecken abzulenken. Wie für den Fachmann offenkundig, kann eine derartige Konfiguration verwendet werden, um einen Elektronenstrahl zwischen zwei Brennflecken abzulenken, die mit einem gewünschten Abstand getrennt in einer gewünschten Richtung in Relation zu der Anode angeordnet sind. Beispielsweise kann ein mit der Ablenkspule verbundener Steuerschaltkreis dazu eingerichtet sein, einen Elektronenstrahl zwischen zwei Punkten längs einer x-Achse (d.h. in eine x-Richtung) abzulenken.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Röntgenröhrenvorrichtung Mehrfachablenkspulen enthalten, die jeweils ihren eigenen Steuerschaltkreis aufweisen. In einem derartigen Ausführungsbeispiel einer Mehrfachablenkspule können zwei oder mehr Ablenkspulen und deren entsprechende Steuerschaltkreise dazu eingerichtet sein, den Elektronenstrahl in mehrere Richtungen abzulenken. Beispielsweise kann eine erste Ablenkspulen/Steuerschaltungsanordnung veranlassen, dass der Elektronenstrahl zwischen zwei Punkten in einer ersten Richtung (z.B. längs einer x-Achse) abgelenkt wird, und eine zweite Ablenkspulen/Steuerschaltungsanordnung kann veranlassen, dass der Elektronenstrahl zwischen zwei Punkten in einer zweiten Richtung (z.B. längs einer z-Achse) abgelenkt wird.
Ausführungsbeispiele der hierin beschriebenen Erfindung können darüber hinaus auch in einem Steuerschaltkreis verwendet werden, um einen Elektronenstrahl mittels einer Fokussierspule dynamisch magnetisch zu fokussieren. Dynamische magnetische Fokussierung wird genutzt, wenn die Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode und dem Target, wie z.B. bei einer Dualenergie-Bildgebung, rasch zwischen zwei Werten geändert wird. Wenn die Beschleunigungsspannung rasch geändert wird, behält der Elektronenstrahl im Idealfall seinen Fokus auf dem Target bei, ohne die geometrischen Merkmale des Brennflecks zu verändern. Um die Geometrie des Brennflecks aufrechtzuerhalten, wird das fokussierende Magnetfeld, und im Gegenzug der Strom durch die Fokussierspule, zwischen zwei Werten eingestellt: dem Wert für die Niederspannung und dem Wert für die Hochspannung.
Mit Bezugnahme auf 19 enthält ein Paket/Gepäck-Inspizierungssystem 266 eine drehbare Gantry 268, die darin eine Öffnung 270 aufweist, durch die Pakete oder Gepäckstücke befördert werden können. Die drehbare Gantry 268 beherbergt eine hochfrequente elektromagnetische Energiequelle 272 sowie eine Detektoranordnung 274, die Detektoren aufweist, die jenen ähneln, die in 2 gezeigt sind. Außerdem ist ein Förderbandsystem 276 vorgesehen, das ein Förderband 278 enthält, das durch eine Konstruktion 280 gestützt ist, um zu scannende Pakete oder Gepäckstücke 282 automatisch und fortlaufend durch die Öffnung 270 zu befördern. Die Objekte 282 werden mittels des Förderbands 278 durch die Öffnung 270 eingespeist, sodann werden Bildgebungsdaten gewonnen, und das Förderband 278 entfernt die Pakete 282 gesteuert und kontinuierlich aus der Öffnung 270. Auf diese Weise sind Postkontrolleure, Gepäckabfertigungspersonal und sonstiges Sicherheitspersonal in der Lage, den Inhalt von Paketen 282 mit Blick auf Explosivstoffe, Messer, Waffen, Schmuggelware und dergleichen zerstörungsfrei zu inspizieren.
Ein technischer Beitrag für das offenbarte Verfahren und die Vorrichtung basiert darauf, dass es ein computergestütztes Gerät und Verfahren zur magnetischen Steuerung eines Elektronenstrahls schafft.
Daher enthält ein Steuerschaltkreis für eine Elektronenstrahlsteuerspule für ein Röntgenstrahlerzeugungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel eine erste Niederspannungsquelle und eine zweite Niederspannungsquelle. Der Steuerschaltkreis enthält außerdem: eine erste Schalteinrichtung, die mit der ersten Niederspannungsquelle in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle einen ersten Strompfad zu bilden, wenn sie sich in Schließstellung befindet; und eine zweite Schalteinrichtung, die mit der zweiten Niederspannungsquelle in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Strompfad mit der zweiten Niederspannungsquelle zu bilden, wenn sie sich in Schließstellung befindet. Weiter gehören zu dem Steuerschaltkreis: ein Kondensator, der mit einer Elektronenstrahlsteuerspule parallel geschaltet ist, und der entlang des ersten und zweiten Strompfads angeordnet ist; und ein Stromquellenschaltkreis, der mit der Elektronenstrahlsteuerspule elektrisch verbunden ist, und der konstruiert ist, um in dem ersten und zweiten Strompfad einen Offset-Strom zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gehören zu einem Verfahren zum Betrieb einer Elektronenstrahlsteuerspule die Schritte: (A) Schließen einer ersten Schalteinrichtung, um zu veranlassen, dass ein erster Strom mit einer ersten Polarität längs eines ersten Strompfads durch einen Resonanzschaltkreis und durch eine erste Energiespeichereinrichtung fließt, wobei der Resonanzschaltkreis eine Elektronenstrahlsteuerspule und einen Resonanzkondensator aufweist; und (B) Öffnen der ersten Schalteinrichtung nach dem Schließen der ersten Schalteinrichtung, um in dem Resonanzkreis einen ersten Resonanzzyklus zu initiieren. Zu dem Verfahren gehören außerdem die Schritte: (C) Schließen einer zweiten Schalteinrichtung, nachdem der erste Resonanzzyklus initiiert ist, um zu veranlassen, dass ein zweiter Strom mit einer zweiten Polarität längs eines zweiten Strompfads durch den Resonanzschaltkreis und durch eine zweite Energiespeichereinrichtung fließt; und (D) Steuern des Schaltens eines Stromquellenschaltkreises, um eine Verschiebung in dem ersten Strom und eine Verschiebung in dem zweiten Strom hervorzurufen, so dass ein Mittelwert des verschobenen ersten Stroms und des verschobenen zweiten Stroms von Null verschieden ist.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel gehören zu einem CT-System: eine Gantry, die darin eine Öffnung aufweist, um ein zu scannendes Objekt aufzunehmen; ein Tisch, der sich in der Öffnung der drehbaren Gantry positionieren und durch die Öffnung bewegen lässt; und eine Röntgenröhre, die mit der drehbaren Gantry verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl in Richtung eines Targets abzustrahlen, wobei das Target positioniert ist, um ein Röntgenstrahlenbündel in Richtung eines Detektors zu lenken. Das CT-System enthält außerdem eine Ablenkspule, die an der Röntgenröhre befestigt ist, und die angeordnet ist, um den Elektronenstrahl abzulenken. Mit der Ablenkspule ist ein Steuerschaltkreis elektrisch verbunden. Der Steuerschaltkreis enthält eine erste Niederspannungsquelle, die bemessen ist, um einen eingeschwungenen Strom mit einer ersten Polarität zuzuführen, und eine zweite Niederspannungsquelle, die bemessen ist, um einen eingeschwungenen Strom mit einer zweiten Polarität zuzuführen, die gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzt ist. Weiter gehören zu dem Steuerschaltkreis: ein erster Schalter, der mit der ersten Niederspannungsquelle verbunden ist, und der dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle einen ersten Strompfad zu bilden, wenn der erste Schalter geschlossen ist; und ein zweiter Schalter, der mit der zweiten Niederspannungsquelle verbunden ist, und der dazu eingerichtet ist, mit der zweiten Niederspannungsquelle einen zweiten Strompfad zu bilden, wenn der zweite Schalter geschlossen ist. Ein Resonanzkondensator ist mit der Ablenkspule parallel geschaltet und entlang des ersten und zweiten Strompfads angeordnet. Ein Stromverschiebungschaltkreis ist mit der Ablenkspule elektrisch verbunden und dazu eingerichtet, in den ersten und zweiten Strompfad einen Strom-Offset einzuspeisen. Eine Steuereinrichtung ist mit dem Steuerschaltkreis elektrisch verbunden und dazu programmiert, das Schalten des ersten und zweiten Schalters zu steuern.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur magnetischen Steuerung eines Elektronenstrahls beinhalten einen Steuerschaltkreis 68, der eine erste Niederspannungsquelle 72 und eine zweite Niederspannungsquelle 74 aufweist. Der Steuerschaltkreis 68 enthält außerdem: eine erste Schalteinrichtung 86 die mit der ersten Niederspannungsquelle 72 in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle 72 einen ersten Strompfad zu bilden 88, wenn sie sich in Schließstellung befindet; und eine zweite Schalteinrichtung 92, die mit der zweiten Niederspannungsquelle 74 in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, mit der zweiten Niederspannungsquelle 74 einen zweiten Strompfad 90 zu bilden, wenn sie sich in Schließstellung befindet. Weiter enthält der Steuerschaltkreis 68 einen Kondensator 82, der mit einer Elektronenstrahlsteuerspule 62 parallel geschaltet ist, und der entlang des ersten und zweiten Strompfads 88, 90 angeordnet ist, und einen Stromquellenschaltkreis 70, der mit der Elektronenstrahlsteuerspule 62 elektrisch verbunden ist, und der konstruiert ist, um in dem ersten und zweiten Strompfad 88, 90 einen Offset-Strom hervorzubringen.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur magnetischen Steuerung eines Elektronenstrahls beinhalten einen Steuerschaltkreis 68, der eine erste Niederspannungsquelle 72 und eine zweite Niederspannungsquelle 74 aufweist. Der Steuerschaltkreis 68 enthält außerdem eine erste Schalteinrichtung 86 die mit der ersten Niederspannungsquelle 72 in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle 72 einen ersten Strompfad zu bilden 88, wenn sie sich in Schließstellung befindet, und eine zweite Schalteinrichtung 92, die mit der zweiten Niederspannungsquelle 74 in Reihe geschaltet ist, und die dazu eingerichtet ist, mit der zweiten Niederspannungsquelle 74 einen zweiten Strompfad 90 zu bilden, wenn sie sich in Schließstellung befindet. Weiter enthält der Steuerschaltkreis 68 einen Kondensator 82, der mit einer Elektronenstrahlsteuerspule 62 parallel geschaltet ist, und der entlang des ersten und zweiten Strompfads 88, 90 angeordnet ist, und einen Stromquellenschaltkreis 70, der mit der Elektronenstrahlsteuerspule 62 elektrisch verbunden ist, und der konstruiert ist, um in dem ersten und zweiten Strompfad 88, 90 einen Offset-Strom hervorzubringen.

Claims

Steuerschaltkreis (68, 70) für eine Elektronenstrahlsteuerspule (62, 84) für ein Röntgenstrahlerzeugungssystem, zu dem gehören: eine erste Niederspannungsquelle (72); eine zweite Niederspannungsquelle (74); eine erste Schalteinrichtung (86), die mit der ersten Niederspannungsquelle (72) in Reihe geschaltet und dazu eingerichtet ist, mit der ersten Niederspannungsquelle (72) einen ersten Strompfad (88) zu bilden, wenn sie in Schließstellung steht; eine zweite Schalteinrichtung (90), die mit der zweiten Niederspannungsquelle (74) in Reihe geschaltet und dazu eingerichtet ist, mit der zweiten Niederspannungsquelle (74) einen zweiten Strompfad (92) zu bilden, wenn sie in Schließstellung steht; ein Kondensator (82), der mit einer Elektronenstrahlsteuerspule (62, 84) parallel geschaltet und in oder an dem ersten und zweiten Strompfad (88, 92) angeordnet ist; und ein Stromquellenschaltkreis (102, 120, 144, 160, 184, 240, 264), der mit der Elektronenstrahlsteuerspule (62, 84) elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ist, um in dem ersten und zweiten Strompfad (88, 92) einen Offset-Strom zu erzeugen.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 1, wobei der Stromquellenschaltkreis (102, 120, 144, 160, 184, 240, 264) einen bidirektionalen Schaltkreis (184) aufweist, der konfigurierbar ist, um einen positiven Strom-Offset oder einen negativen Strom-Offset in den ersten und zweiten Strompfad (88, 902) einzuspeisen.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 1, wobei der Stromquellenschaltkreis (102, 120, 144, 160, 184, 240, 264) einen unidirektionalen Schaltkreis (160, 240, 264) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen positiven Strom-Offset oder einen negativen Strom-Offset in dem ersten und zweiten Strompfad (88, 92) einzuspeisen.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 3, wobei der Stromquellenschaltkreis (102, 120, 144, 160, 184) aufweist: einen ersten Offset-Schalter (114, 130, 154, 168, 188); einen Induktor (108, 124, 148, 166, 196), der mit dem ersten Offset-Schalter (114, 130, 154, 168, 188) in Reihe geschaltet ist; eine Stromüberwachungsvorrichtung (110, 128, 150, 168, 194), die mit dem Induktor (108, 124, 148, 166, 196) elektrisch verbunden ist; und eine Steuerung (112, 126, 152, 170, 198), die mit der Stromüberwachungsvorrichtung (110, 128, 150, 168, 194) elektrisch verbunden ist, wobei die Steuerung (112, 126, 152, 170, 198) dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss in dem Stromquellenschaltkreis (102, 120, 144, 160, 184) zu überwachen und Schaltsignale zu dem ersten Offset-Schalter (114, 130, 154, 168, 188) zu übertragen, die auf dem überwachten Strom basieren.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 4, wobei die Steuerung (112, 126, 152, 170, 198) dazu eingerichtet ist, den ersten Offset-Schalter (114, 130, 154, 168, 188) zu schließen, wenn der überwachte Stromfluss einen Schwellwert unterschreitet.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 4, wobei die Steuerung (112, 126, 152, 170, 198) dazu eingerichtet ist, den ersten Offset-Schalter (114, 130, 154, 168, 188) nach einer vorbestimmten Zeitspanne zu öffnen.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 4, wobei die Steuerung (112, 126, 152, 170, 198) dazu eingerichtet ist, den ersten Offset-Schalter (114, 130, 154, 168, 188) zu öffnen, wenn der überwachte Stromfluss einen Schwellwert überschreitet.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 4, wobei der Stromquellenschaltkreis (120, 144) außerdem eine unabhängige Speisespannungsquelle (132, 156) enthält, die dazu eingerichtet ist, den Induktor (124, 148) zu erregen.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 4, wobei der Stromquellenschaltkreis (184) zusätzlich einen zweiten Offset-Schalter (192) enthält; und wobei die Steuerung (198) dazu eingerichtet ist: Schaltsignale zu dem ersten Offset-Schalter (188) zu übertragen, um den positiven Strom-Offset einzuspeisen; und Schaltsignale zu dem zweiten Offset-Schalter (192) zu übertragen, um den negativen Strom-Offset einzuspeisen.
Steuerschaltkreis (68, 70) nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Niederspannungsquelle (72, 74) entworfen sind, um eine Spannung von etwa R*I Volt zu liefern, wobei R einen parasitären Gesamtwiderstand des Steuerschaltkreises (68, 70) repräsentiert, und I einen gewünschten eingeschwungenen Strom repräsentiert, der der Elektronenstrahlsteuerspule (62, 84) zugeführt wird.