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Hintergrund der Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein die diagnostische Bildgebung und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren für verbessertes Übergangsverhalten in einer elektromagnetisch gesteuerten Röntgenröhre.
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Eine Röntgenröhre ist aus
DE 198 11 931 A1 bekannt, bei der ein Elektronenstrahl verlustarm und ohne nachteilige Auswirkungen auf den Bauraum durch ein elektromagnetisches System beeinflusst werden soll. Hierzu hat das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre einen elektrisch leitenden Abschnitt, der direkt mit einem keramischen Hochspannungsisolator verbunden ist. Der elektrisch leitende Abschnitt besteht aus einem glasartigen Kohlenstoff, der sich mit dem Hochspannungsisolator verlöten lässt.
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US 6 975 704 B2 beschreibt eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse. Die Kathode der Röntgenröhre ist in einem Fortsatz des Vakuumgehäuses angeordnet. Die Anode befindet sich im Innenraum des Vakuumgehäuses. Quer durch den Fortsatz erstrecken sich zwei Röhren zur Aufnahme einer Ablenkeinrichtung zur Ablenkung des Elektronenstrahls von der Kathode zur Anode.
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Röntgensysteme enthalten typischerweise eine Röntgenröhre, einen Detektor und eine Halterungsstruktur für die Röntgenröhre und den Detektor. Im Betrieb ist ein Bildgebungstisch, auf welchem ein Objekt positioniert ist, zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor angeordnet. Die Röntgenröhre emittiert typischerweise Strahlung, wie z. B. Röntgenstrahlung, auf das Objekt. Die Strahlung passiert typischerweise das Objekt auf dem Bildgebungstisch und trifft auf den Detektor. Während die Strahlung das Objekt passiert, bewirken interne Strukturen des Objektes räumliche Abweichungen in der bei dem Detektor empfangenen Strahlung. Der Detektor überträgt dann die empfangenen Daten und das System wandelt die Strahlungsabweichungen in ein Bild um, welches dazu genutzt werden kann, die interne Struktur des Objektes zu bewerten. Der Fachmann wird erkennen, dass das Objekt einen Patienten in einer medizinischen Bildgebungsprozedur und ein nicht lebendes Objekt, wie z. B. ein Paket, in einem Röntgenscanner oder einem Computertomographie-(CT)-Paketscanner umfassen kann, aber nicht darauf beschränkt ist.
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Röntgenröhren enthalten eine Drehanodenstruktur für den Zweck der Verteilung der an einem Brennpunkt erzeugten Wärme. Die Anode wird typischerweise durch einen Induktionsmotor gedreht, der einen zylindrischen Rotor, der in eine einseitig gelagerte Achse eingebaut ist, die eine scheibenförmige Anode lagert, und eine Eisenstatorstruktur mit Kupferwindungen hat, die einen länglichen Hals der Röntgenröhre umgeben. Der Rotor der Drehanodenanordnung wird durch den Stator angetrieben.
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Der Fachmann wird erkennen, dass der hierin beschriebene Betrieb nicht auf eine nur eine Röntgenröhrenausführung beschränkt sein muss, sondern auf jede Röntgenröhrenausführung anwendbar ist. Beispielsweise können in einer Ausführungsform die Anode und das Gehäuse der Röntgenröhre auf Erdpotential gehalten werden und die Kathode kann auf der gewünschten Potentialdifferenz gehalten werden, während in einer anderen Ausführungsform die Röntgenröhre in einer bipolaren Anordnung mit einer an eine Kathode angelegten negativen Spannung und einer an die Anode angelegten positiven Spannung arbeiten kann.
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Eine Röntgenröhrenkathode liefert einen Elektronenstrahl, der unter Nutzung einer über einem Kathoden/Anoden-Vakuumzwischenraum angelegten Hochspannung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen bei dem Aufprall auf der Anode beschleunigt wird. Der Bereich, in welchem der Elektronenstrahl auf die Anode auftrifft, wird oft als der Brennpunkt bezeichnet. Typischerweise enthält die Kathode einen oder mehrere zylinderspulenförmige oder ebene Heizdrähte, die in einem Becher zur Erzeugung von Elektronenstrahlen positioniert sind, um beispielsweise einen großen Brennpunkt mit hoher Leistung oder einen kleinen Brennpunkt mit hoher Auflösung zu erzeugen. Bildgebungsanwendungen können so ausgelegt sein, dass sie die Auswahl entweder eines kleinen oder eines großen Brennpunktes mit einer speziellen Form in Abhängigkeit von der Anwendung beinhalten. Typischerweise ist ein elektrisch resistiver Emitter oder ein Heizdraht in einem Anodenbecher positioniert und ein elektrischer Strom wird dadurch hindurchgeführt, um somit den Emitter zur Erhöhung der Temperatur und zur Emission von Elektronen zu veranlassen, wenn er sich in einem Vakuum befindet.
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Die Form des Emitters oder des Heizdrahts und die Form des Kathodenbechers, in dem der Heizdraht positioniert ist, beeinflusst den Brennpunkt. Um eine gewünschte Brennpunktform zu erreichen, kann die Kathode unter Berücksichtigung der Form des Heizdrahts und des Kathodenbechers entworfen werden. Jedoch ist die Form des Heizdrahts typischerweise nicht für die Bildqualität oder für die thermische Brennpunktbelastung optimiert. Herkömmliche Heizdrähte sind hauptsächlich als gewendelte oder spiralförmige Wolframdrähte aus Gründen der Fertigung und Zuverlässigkeit geformt. Alternative Auslegungsoptionen können alternative Auslegungsprofile, wie z. B. einen gewendelten D-förmigen Heizdraht enthalten. Daher kann der Bereich von Auslegungsoptionen für die Erzeugung des Elektronenstrahls aus dem Emitter durch die Heizdrahtform beschränkt sein, wenn elektrisch resistive Materialien als Emitterquelle in Betracht gezogen werden.
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Elektronenstrahl-Wobbelung wird oft zur Bildqualitätsverbesserung verwendet. Wobbeln kann durch Anwendung einer elektrostatischen Elektronenstrahlablenkung oder durch eine magnetische Ablenkung (d. h. räumliche Modulation) erreicht werden, welche ein sich rasch änderndes magnetisches Feld verwendet, um den Elektronenstrahl zu steuern. Ebenso kann ein sich rasch veränderndes magnetisches Feld verwendet werden, um die Fokussierung des Elektronenstrahls rasch zu verändern (d. h. die Querschnittsform des Elektronenstrahls in Breiten- und Längenrichtung zu verändern). Typischerweise wird ein Paar von Quadrupolmagneten verwendet, um eine Elektronenstrahlfokussierung sowohl in Breiten- als auch Längsrichtung zu erzielen. Für bestimmte Scan-Modi, wie z. B. rasche kV-Modulation, oder sogenanntes Doppelenergiescannen, ist die Fähigkeit, das fokussierende magnetische Feld rasch zu verändern, vorteilhaft, um die Brennpunktgröße zwischen den kV-Pegeln konstant zu halten. Eine derartige elektromagnetische Elektronenstrahlsteuerung kann eine hohe Bildqualität erzielen, indem sie sichergestellt, dass sich der Elektronenstrahl von einer Position zur nächsten bewegt oder sich so schnell wie möglich refokussiert, während er in der gewünschten Position oder an dem gewünschten Fokus ohne Streuung stehen bleibt. Jedoch werden, wenn der Strom in dem Elektromagneten rasch zum Erzeugen des sich ändernden Magnetfeldes verändert wird, Wirbelströme in der Vakuumbehälterwand erzeugt, die der Magnetfeldeindringung in das Innere der Röntgenröhre entgegenwirken. Die Wirbelströme verlängern die Anstiegszeit des Magnetfeldes in dem Hals der Röntgenröhre, was die Auslenkungs- oder Refokussierungszeit des Elektronenstrahls verlangsamt. Demzufolge wäre es wünschenswert, eine Röntgenröhre mit einem Halsabschnitt zu konstruieren, der Wirbelstromverluste minimiert, um das an dem Elektronenstrahl entwickelte transiente Magnetfeld zu optimieren.
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Die Ausgestaltung des Röntgenröhrenhalses unterliegt einer Anzahl von Auslegungsbeschränkungen. Während des Betriebs unterliegt der Hals signifikanten Wärmeflüssen in der Röntgenröhrenumgebung beispielsweise aufgrund von der Anode rückgestrahler Elektronen. Ferner sollte der Hals auch leicht zu fertigen und leicht mit Schnittstellenkomponenten verbindbar sein, während er gleichzeitig in der Lage ist, ein hermetisch dichtes Vakuum aufrechtzuerhalten und dem atmosphärischen Druck zu widerstehen.
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Daher wäre es wünschenswert, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Verbesserung des Übergangsverhaltens in einer elektromagnetisch gesteuerten Röntgenröhre zu entwerfen, das den vorstehend beschriebenen Auslegungseinschränkungen genügt und die vorgenannten Nachteile überwindet.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine Röntgenröhrenanordnung ein Vakuumgefäß, das einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Halsabschnitt besitzt. Der Halsabschnitt enthält einen Magnetfeldbereich mit einem strahlaufwärts liegenden Ende und einem strahlabwärts liegenden Ende. Der Magnetfeldbereich hat eine erste Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen einer Magnetfeldintensität. Der Halsabschnitt hat auch einen strahlaufwärts liegenden Bereich mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Das erste Ende des Halsabschnittes ist mit dem Kathodenabschnitt verbunden und das zweite Ende des Halsabschnittes ist mit dem strahlaufwärts liegenden Ende des Magnetfeldbereichs verbunden. Der strahlaufwärts liegende Bereich hat eine zweite Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen der Magnetfeldintensität. Der Halsabschnitt hat auch einen strahlabwärts liegenden Bereich, der ein erstes Ende und ein zweites Ende besitzt. Das erste Ende des strahlabwärts liegenden Bereiches ist mit dem strahlabwärts liegenden Ende des Magnetfeldbereichs verbunden. Der strahlabwärts liegende Bereich hat eine dritte Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen der Magnetfeldintensität. Die erste Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen ist geringer als die zweite und die dritte Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen. Die Röntgenröhrenanordnung enthält auch eine in dem Anodenabschnitt des Vakuumgefäßes positionierte Anode und eine in dem Kathodenabschnitt des Vakuumgefäßes positionierte Kathode, wobei die Kathode dafür eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl zu der Anode hin zu emittieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Röntgenröhrenanordnung ein Gehäuse mit einem darin ausgebildeten Vakuum. Das Gehäuse enthält einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Halsabschnitt. Der Halsabschnitt enthält einen ersten Bereich mit einer ersten Wanddicke, einen zweiten Bereich mit einer zweiten Wanddicke und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich positionierten ersten Magnetfeldabschnitt. Der erste Magnetfeldbereich hat eine dritte Wanddicke, die dünner als die erste und die zweite Wanddicke ist. Die Röntgenröhrenanordnung enthält auch eine in dem Anodenabschnitt des Vakuumgehäuses positionierte Anode und eine in dem Kathodenabschnitt des Vakuumgehäuses positionierte Kathode, um einen Elektronenstrom auf die Anode zu lenken.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Bildgebungssystem ein drehbares Portal mit einer Öffnung für die Aufnahme eines abzubildenden Objektes, einen in der Öffnung des drehbaren Portals positionierten und durch die Öffnung beweglichen Tisch und eine mit dem drehbaren Portal verbundene Röntgenröhre. Die Röntgenröhre enthält eine Vakuumkammer mit einem eine Anode beherbergenden Anodenabschnitt, einem eine Kathode beherbergenden Kathodenabschnitt und einem Halsabschnitt. Der Halsabschnitt hat einen ersten Bereich mit einer ersten Wanddicke, einen zweiten Bereich mit einer zweiten Wanddicke und einen mit dem ersten und dem zweiten Bereich verbundenen ersten Magnetfeldbereich. Der erste Magnetfeldbereich hat eine dritte Wanddicke, die dünner als der erste und der zweite Wandbereich ist. Das Bildgebungssystem enthält auch eine erste Elektronenbeeinflussungsspule, die auf der Röntgenröhre montiert und dafür eingerichtet ist, ein erstes Magnetfeld zum Beeinflussen eines von der Kathode emittierten Elektronenstrahls zu erzeugen. Die erste Elektronenbeeinflussungsspule ist auf der Röntgenröhre montiert und zu dem ersten Magnetfeld des Halsabschnittes der Vakuumkammer so ausgerichtet, dass eine Anstiegszeit des ersten Magnetfeldes in dem ersten Magnetfeldbereich schneller als in dem ersten und dem zweiten Bereich ist.
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Verschiedene weitere Merkmale und Vorteile werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Zeichnungen stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, die derzeit für die Ausführung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
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In den Figuren ist:
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1 eine Prinzipansicht des Bildgebungssystems,
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2 eine schematische Blockdarstellung des in 1 dargestellten Systems,
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3 eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhrenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und die bei dem in 1 dargestellten Bildgebungssystem einsetzbar ist,
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4 ein vergrößerter Abschnitt des Halses der Röntgenröhrenanordnung von 3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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5 ein vergrößerter Abschnitt des Halses der Röntgenröhrenanordnung von 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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6 ein vergrößerter Abschnitt des Halses der Röntgenröhrenanordnung von 3 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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7 eine Querschnittsansicht des vergrößerten Abschnittes von 6 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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8 eine Prinzipansicht eines Röntgensystems zur Anwendung mit einem nicht invasiven Paketinspektionssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Betriebsumgebung von Ausführungsformen der Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein Computertomographie-(CT)-System beschrieben. Für den Fachmann ist erkennbar, dass Ausführungsformen der Erfindung gleichermaßen zur Verwendung mit jeder Mehrscheiben-Konfiguration anwendbar sind. Ferner werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Detektion und Umwandlung von Röntgenstrahlen beschrieben. Jedoch wird der Fachmann weiter erkennen, dass Ausführungsformen der Erfindung gleichermaßen für die Detektion und Umwandlung anderer elektromagnetischer Hochfrequenzenergie anwendbar sind. Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf einen CT-Scanner der ”dritten Generation” beschrieben, sind aber gleichermaßen bei anderen CT-Systemen, chirurgischen C-Armsystemen und anderen Röntgentomographiesystemen sowie zahlreichen anderen medizinischen Bildgebungssystemen anwendbar, welche eine Röntgenröhre implementieren, wie z. B. auf Röntgen- oder Mammographiesysteme.
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1 ist eine Blockdarstellung einer Ausführungsform eines Bildgebungssystems, das dafür ausgelegt ist, sowohl Originalbilddaten zu erfassen als auch die Bilddaten zur Darstellung und/oder Analyse gemäß der vorliegenden Erfindung zu verarbeiten. Der Fachmann wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf zahlreiche eine Röntgenröhre implementierende medizinische Bildgebungssysteme, wie z. B. Röntgen- und Mammographiesysteme, anwendbar ist. Weitere Bildgebungssysteme, wie z. B. Computer-Tomographiesysteme und digitale Radiographiesysteme, welche dreidimensional Daten für ein Volumen erfassen, profitieren ebenfalls von der der vorliegenden Erfindung. Die nachstehende Diskussion des Röntgensystems 10 ist lediglich ein Beispiel einer derartigen Implementation soll keine Einschränkung hinsichtlich der Modalität darstellen.
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In 1 ist ein Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem 10 mit einem Portal 12 dargestellt, das einen CT-Scanner der ”dritten Generation” repräsentiert. Das Portal 12 besitzt eine Röntgenröhrenanordnung Röntgenquellenanordnung 14, die ein Konusbündel von Röntgenstrahlen auf eine Detektoranordnung oder Kollimator 16 auf der gegenüberliegenden Seite des Portals 12 strahlt. Gemäß 2 wird die Detektoranordnung 16 von mehreren Detektoren 18 und Datenerfassungssystemen (DAS) 20 gebildet. Die mehreren Detektoren 18 erfassen die projizierten Röntgenstrahlen, die durch einen Patienten 24 hindurchtreten und das DAS 20 wandelt die Daten in digitale Signale zur anschließenden Verarbeitung um. Jeder Detektor 18 erzeugt ein analoges elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahlbündels repräsentiert und somit den abgeschwächten Strahl, wenn er den Patienten 24 passiert. Während eines Scans rotieren, um die Röntgenprojektionsdaten zu erfassen, das Portal 12 und die darauf montierten Komponenten um einen Rotationsmittelpunkt 224.
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Die Rotation des Portals 12 und der Betrieb der Röntgenquellenanordnung 14 werden von einem Steuermechanismus 28 des CT-Systems 10 gesteuert. Ein Steuermechanismus 28 enthält eine Röntgensteuerung 30, die Energie-, Steuer- und Zeittaktsignale an eine Röntgenquellenanordnung 14 liefert, und eine Portalmotorsteuerung 32, die die Rotationsgeschwindigkeit und Position des Portals 12 steuert. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgendaten aus dem DAS 20 und führt eine schnelle Rekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als ein Eingangssignal an einen Computer 36 geliefert, welcher das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert. Der Computer hat auch darauf gespeicherte Software, die einer Elektronenstrahlpositionierungs- und Magnetfeldsteuerung wie nachstehend im Detail beschrieben, entspricht.
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Der Computer 236 empfängt auch Befehle und Scanparameter von einem Bediener über eine Konsole 40, die eine gewisse Form einer Bedienerschnittstelle, wie z. B. eine Tastatur, Maus, sprachaktivierte Steuerung oder irgendeine andere geeignete Eingabevorrichtung aufweist. Eine zugeordnete Anzeigeeinrichtung 42 ermöglicht dem Bediener, das rekonstruierte Bild und weitere Daten aus dem Computer 36 zu beobachten. Die vom Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 zum Erzeugen von Steuersignalen und Information für das DAS 20, die Röntgensteuerung 30 und die Portalmotorsteuerung 32 genutzt. Zusätzlich betreibt der Computer 36 eine Tischmotorsteuerung 44, welche einen motorisierten Tisch 46 steuert, um den Patienten 24 in dem Portal 12 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 46 den Patienten 24 insgesamt oder teilweise durch eine Portalöffnung 48 von 1.
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3 stellt eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhrenanordnung 14 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Die Röntgenröhrenanordnung 14 enthält eine Röntgenröhre 50, die eine Vakuumkammer oder ein Gehäuse 52 mit einer in einem Kathodenabschnitt 56 davon positionierten Kathodenanordnung 54 enthält. Eine Drehanode 58 ist in einem Anodenabschnitt 60 des Vakuumgefäßes oder Gehäuse 52 positioniert. Die Kathodenanordnung 54 enthält eine Anzahl getrennter Elemente einschließlich eines (nicht dargestellten) Kathodenbechers, der einen Heizdraht 62 unterstützt und als eine elektrostatische Linse dient, die einen Strahl aus dem erhitzten Heizdraht 62 emittierte Elektronen 64 auf eine Oberfläche 66 des Targets 58 fokussiert. Ein Strom von Röntgenstrahlen 68 wird von einer Oberfläche 66 des Targets 58 emittiert und durch ein Fenster 70 des Vakuumgefäßes 52 geleitet. Eine Anzahl von Elektronen 72 wird von der Anode 58 zurückgestreut und trifft auf eine Innenoberfläche 74 des Vakuumgefäßes 52 auf und erwärmt dieses. Ein Kühlmittel wird entlang einer Außenoberfläche 76 des Vakuumgefäßes 52 gemäß Darstellung durch Pfeile 78, 80 geführt, um die in dem Gehäuse 52 durch rückgestreute Elektronen 72 erzeugte Hitze abzusenken.
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Eine Magnetanordnung 62 ist in der Röntgenröhrenanordnung 14 an einer Stelle in der Nähe des Pfades des Elektronenstrahls 64 in einem Halsabschnitt 64 des Vakuumgefäßes 52, welcher strahlabwärts von dem Kathodenabschnitt 56 und strahlaufwärts von dem Anodenabschnitt 60 angeordnet ist, montiert. Die Magnetanordnung 82 enthält eine erste Spulenanordnung 86. Gemäß einer Ausführungsform ist die Spule 86 als eine Quadrupol- und/oder Dipol-Magnetanordnung gewickelt und ist über dem und um den Halsabschnitt 84 der Vakuumkammer 52 dergestalt positioniert, dass ein durch die Spule 86 erzeugtes Magnetfeld auf den Elektronenstrahl 64 einwirkt und dabei eine Ablenkung und Bewegung des Elektronenstrahls 64 entlang einer der X- und/oder Y-Richtungen bewirkt. Die Bewegungsrichtung des Elektronenstrahls 64 wird durch die Richtung des Stromflusses durch die Spule 86 bestimmt, welcher durch eine mit der Spule 86 verbundene Steuerschaltung 92 gesteuert wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Spule 86 dafür eingerichtet, eine Brennpunktgröße oder Geometrie zu steuern. Optional kann eine (in Strichlinien dargestellte) zweite Spulenanordnung 94 ebenfalls in der Magnetanordnung 82 gemäß Darstellung in 3 enthalten sein. Die Spulenanordnungen 86, 94 können Dipol- und/oder Quadrupol-Auslegungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen und auf der Basis einer gewünschten Elektronenstrahlsteuerung haben.
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Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung verringern die Erzeugung von Wirbelströmen in dem Bereich des Halses 84 der Röntgenröhre, der zu den Spulenanordnungen 86, 94 ausgerichtet ist, was es ermöglicht, dass sich das gewünschte Magnetfeld rascher bildet. Wirbelströme werden in dem Halsabschnitt 84 immer dann erzeugt, wenn sich das Magnetfeld in der Größe, räumlich oder zeitlich verändert. Keine Wirbelströme sind vorhanden, wenn das Magnetfeld unverändert bleibt. Demzufolge sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen auf die Verringerung der Wirbelstromerzeugung gerichtet, die in einem Basismetallhalsabschnitt, der von gleichmäßiger Querschnittsdicke und Volumen ist, erzeugt würde, während gleichzeitig die gewünschten Auslegungsspezifikationen des Halsbereiches 84 beibehalten bleiben. Solche Auslegungsspezifikationen können beispielsweise sein, dass der Halsabschnitt 84 hermetisch dicht ist, strukturell stabil ist, um dem Atmosphärendruck und anderen aufgebrachten Kräften zu widerstehen, thermisch robust gegenüber Aufheizung primär aufgrund rückgestreuter Elektronen, elektrisch auf einer Innenoberfläche leitend ist, um einen Leitungspfad für gesammelte Ladung bereitzustellen und mit dem Kathodenbereich 56 und dem Anodenbereich 60 des Vakuumgefäßes 52 verbindbar ist.
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4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teilabschnittes 96 von 3, der die Spulenanordnung 86 (3) und eine Halswand 98 enthält, die ein Teil des Halses 84 des Vakuumgefäßes 52 (3) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist. Die Vakuumwand 98 enthält einen Magnetfeldbereich 100, welcher ein strahlaufwärts liegendes Ende 102 und ein strahlabwärts liegendes Ende 104 besitzt. Der Magnetfeldbereich 100 ist als eine Fläche des Halsabschnittes 84 zwischen der Spulenanordnung 86 und einem Strahl von Elektronen 64 definiert, der dem von der Spulenanordnung 86 erzeugten primären Magnetfeld unterliegt. Mit anderen Worten, der Magnetfeldbereich 100 unterliegt der in dem Halsabschnitt 84 durch die Spulenanordnung 86 erzeugten maximalen Magnetflussdichte. Gemäß Darstellung in 4 hat der Magnetfeldabschnitt 100 eine Wanddicke 106, die kleiner als eine Wanddicke 108 eines strahlaufwärts liegenden Bereiches 110 der Wand 98, welche sich strahlaufwärts von der Spulenanordnung 86 befindet, ist. Ein erstes Ende 112 des strahlaufwärts liegenden Bereiches 110 ist mit einem strahlaufwärts liegenden Ende 102 des Magnetfeldabschnittes 100 verbunden, und ein zweites Ende 114 des strahlaufwärts liegenden Bereiches 110 ist mit dem Kathodenabschnitt 56 (3) verbunden. Ebenso ist die Wanddicke 106 des Magnetfeldbereiches 100 kleiner als eine Wanddicke 116 eines strahlabwärts liegenden Bereiches 118 der Wand 98. Der strahlabwärts liegende Bereich 118 enthält ein erstes Ende 120 und ein zweites Ende 122. Gemäß Darstellung in 4 ist das erste Ende 120 mit dem strahlabwärts liegenden Ende 104 des Magnetfeldbereiches 100 verbunden.
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Die Größe des in dem Halsbereich 84 erzeugten Wirbelstroms ist proportional zu der Dicke des Halses. Daher erzeugt ein dünnerer Halsbereich dort, wo die Magnetflussdichte am höchsten ist, weniger Wirbelströme und daher wird die Magnetfeldanstiegsgeschwindigkeit schneller. Demzufolge hat, da die Wanddicke 106 geringer als die Dicke 108 ist, ein von der Magnetfeldanordnung 86 erzeugtes Magnetfeld eine schnellere Anstiegszeit im Magnetfeldbereich 100 als im strahlaufwärts liegenden Bereich 110. Ebenso hat, da die Wanddicke 106 des Magnetfeldbereiches 100 kleiner als die Wanddicke 116 ist, das von der Magnetfeldanordnung 86 erzeugte Magnetfeld im Magnetfeldbereich 100 eine schnellere Anstiegszeit als im strahlabwärts liegenden Bereich 118. Gemäß einer Ausführungsform kann die verringerte Dicke des Bereiches 100 zu einer Verbesserung von 50 Prozent in der Magnetfeldanstiegszeit im Magnetfeldbereich 100 im Vergleich zu einer metallischen Halswand mit einer gleichmäßigen Dicke führen. Die größere Dicke 116 der Bereiche 110 und 118 ermöglicht einen thermisch und strukturell stabilen Vakuumhals.
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Ferner sorgt der dickere Wandabschnitt 108 der Nicht-Magnetfeldbereiche 110, 118 für eine strukturelle Integrität an dem Hals 84 und stellt eine größere Metallmasse zur Absorption der Wärme von rückgestreuten Elektronen 124 bereit. Gemäß einer Ausführungsform hat der Magnetfeldbereich 100 eine Wanddicke 106 von angenähert 0,5 mm und eine Wandlänge 126 von angenähert 1 cm. Ein Außendurchmesser 128 der Wand 98 ist derselbe über den gesamten Magnetfeldbereich 110 und die strahlaufwärts und die strahlabwärts liegenden Bereiche 110, 118. Der verdünnte Fensterbereich 106 ist durch ein von der Vakuumseite 111 des Halses 84 entferntes Material dargestellt. Dieses unterstützt die Halskühlmittelströmung auf der Außenseite des Vakuumhalses, indem eine glatte Außenoberfläche 113 beibehalten wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der verdünnte Bereich in der umgekehrten Weise erzeugt werden, d. h., mit einer glatten Innenoberfläche 115 und von der Außenoberfläche 113 entferntem Material. Die Wand 98 ist gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein nicht-ferromagnetisches Material mit einem hohen elektrischen Widerstand, um die Entstehung von Wirbelstrom zu verhindern, wie beispielsweise eine Molybdänlegierung, rostfreier Stahl oder Titanlegierung. Der Fachmann wird erkennen, dass weitere Materialien mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit und struktureller Stabilität ebenfalls verwendet werden können.
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In 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Teilabschnittes 96 von 3 gemäß einer Ausführungsform dargestellt, in welcher die Magnetanordnung 82 (3) zwei Spulenanordnungen 86, 94 enthält. Die Wand 130 des Halsabschnittes 84 ist in einer ähnlichen Weise wie die Wand 98 von 4 dergestalt aufgebaut, dass ein der Spulenanordnung 86 entsprechender erster Magnetfeldbereich 132 eine Wanddicke 134 hat, die kleiner als eine Wanddicke 136 eines ersten Bereiches 138 und kleiner als eine Wanddicke 140 des zweiten Wandbereiches 142 ist, welche an den ersten Magnetfeldbereich 132 angrenzen. Ebenso hat der zweite Magnetfeldbereich 144 eine Wanddicke 146, die kleiner als die Wanddicke 140 des zweiten Bereiches 142 und kleiner als eine Wanddicke 148 eines dritten Bereiches 150 ist, welche gemäß Darstellung in 5 an den zweiten Magnetfeldbereich 144 angrenzen.
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6 stellt eine vergrößerte Ansicht eines Teilabschnittes 96 von 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar. Der Teilabschnitt 96 enthält eine Halswand 152, die einen zu der Spulenanordnung 86 ausgerichteten Magnetfeldbereich 154 besitzt. Anders als die Wand 98 (4) ist die Wand 152 von 6 in zwei Teilen aufgebaut: einem metallischen Teil 156 und einem nicht-metallischen Teil 158. Der metallische Teil 156 beinhaltet einen Magnetfeldbereich 160 und erste und zweite Bereiche 162 und 164, welche benachbart zu und strahlaufwärts bzw. strahlabwärts von dem Metallmagnetfeldbereich 160 ähnlich wie die Wand 98 von 4 liegen. Der metallische Teil 158 enthält einen im Wesentlichen gleichmäßigen Innendurchmesser 166. Ein Außendurchmesser 168 in den ersten und den zweiten Bereichen 162, 164 ist größer als ein Außendurchmesser 170 der Halswand 152 im Metallmagnetfeldbereich 160. Somit ist die Wand 152 im Magnetfeldbereich 160 dünner als in den ersten und den zweiten Bereichen 162, 164. In einer Ausführungsform ist der metallische Teil 156 ein nicht-ferromagnetisches Material mit einem hohen elektrischen spezifischen Widerstand ähnlich den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
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Der nicht-metallische Teil 158 der Wand 152 weist einen Isolator oder ein elektrisch nicht-leitendes Material auf, das auf die Außenseitenoberfläche 172 verdünnter Bereiche des Metallmagnetfeldbereiches 160 hartgelötet oder anderweitig eng damit verbunden ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der nicht-metallische Teil 158 beispielsweise Graphit, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid sein. Da der nicht-metallische Teil 158 eine strukturelle Unterstützung und eine zusätzliche Wärmespeicherkapazität für den verdünnten Magnetfeldabschnitt 174 der Wand 152 bereitstellt, kann der Magnetfeldbereich 174 dünner als der Magnetfeldabschnitt 100 von 4 ausgelegt werden. Beispielsweise hat gemäß einer Ausführungsform der Metallmagnetfeldbereich 160 eine Wanddicke 174 von angenähert 0,1 bis 0,2 mm. Durch eine Verdünnung der Halswand 152 im Metallmagnetfeldbereich 160 wird die Wirbelstromerzeugung im Halsbereich 84 minimiert. Ferner minimiert die verdünnte Wand des Metallmagnetfeldbereichs 160 die Anstiegsrampengeschwindigkeit des Magnetfeldes in dem Hals 84, um dadurch die Ablenkung und/oder Fokussierungszeit des Elektronenstrahls zu verbessern.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der nichtmetallische Anteil 158 ein zusammenhängender Ring oder Ringkörper eines den Nicht-Magnetfeldabschnitt 154 des metallischen Teils 156 umgebenden Materials. Alternativ kann gemäß Darstellung in 7 der nicht-metallische Teil 158 aus einer Anzahl individueller Bereiche eines Nicht-Metallmaterials bestehen, das an Stellen auf der Halswand 152 unmittelbar zu einzelnen Polen 176 einer Spulenanordnung, wie z. B. der Spulenanordnung 86, eingesetzt ist.
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Obwohl Ausführungsformen eines Teilabschnittes 96 von 3 in den 6 und 7 als nur eine Spulenanordnung enthaltend beschrieben werden, wird der Fachmann erkennen, dass derartige Ausführungsformen für eine Röntgenröhrenanordnung mit einem Paar von einer oder mehreren Spulenanordnungen in einer ähnlichen Weise wie unter Bezugnahme auf die 4 und 5 für die Fokussierung des Elektronenstrahls in Längen- und Breitenrichtung und Ablenkung des Elektronenstrahls entlang zwei Achsen modifiziert werden kann.
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Gemäß 8 enthält ein Paket/Gepäck-Inspektionssystem 242 ein drehbares Portal 244 mit einer Öffnung 246 darin, welche Pakete oder Teile von Gepäck passieren können. Das drehbare Portal 244 beherbergt eine Quelle 248 für elektromagnetische Hochfrequenzenergie sowie eine Detektoranordnung 250 mit Detektoren ähnlich den in 2. Ein Förderbandsystem 252 ist ebenfalls vorgesehen und enthält ein von einer Struktur 256 unterstütztes Förderband 254, um automatisch und kontinuierlich Pakete oder Paketstücke 258 zum Scannen durch die Öffnung 246 passieren zu lassen. Objekte 258 werden durch das Förderband 254 durch die Öffnung 246 transportiert, dann Bilddaten erfasst und das Förderband 254 entfernt die Pakete 258 aus der Öffnung 246 in einer kontrollierten und kontinuierlichen Weise. Demzufolge können Postinspektoren, Gepäckabfertiger und anderes Sicherheitspersonal die Inhalte von Paketen 258 auf Sprengstoffe, Messer, Pistolen, Schmuggelware, usw. nicht-invasiv untersuchen.
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Daher enthält gemäß einer Ausführungsform eine Röntgenröhrenanordnung ein Vakuumgefäß, das einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Halsabschnitt hat. Der Halsabschnitt enthält einen Magnetfeldbereich mit einem strahlaufwärts liegenden Ende und einem strahlabwärts liegenden Ende. Der Magnetfeldbereich hat eine erste Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen einer Magnetfeldintensität. Der Halsabschnitt hat auch einen strahlaufwärts liegenden Bereich mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Das erste Ende des Halsabschnittes ist mit dem Kathodenbereich verbunden und das zweite Ende des Halsabschnittes ist mit dem strahlaufwärts liegenden Ende des Magnetfeldbereiches verbunden. Der strahlaufwärts liegende Bereich hat eine zweite Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen der Magnetfeldintensität. Der Halsabschnitt hat auch einen strahlabwärts liegenden Bereich, der ein erstes Ende und ein zweites Ende besitzt. Das erste Ende des strahlabwärts liegenden Bereiches ist mit dem strahlabwärts liegenden Ende des Magnetfeldbereichs verbunden. Der strahlabwärts liegende Bereich hat eine dritte Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen der Magnetfeldintensität. Die erste Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen ist geringer als die zweite und die dritte Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen. Die Röntgenröhrenanordnung enthält auch eine in dem Anodenabschnitt des Vakuumgefäßes positionierte Anode und eine in dem Kathodenabschnitt des Vakuumgefäßes positionierte Kathode, wobei die Kathode dafür eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl zu der Anode hin zu emittieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Röntgenröhrenanordnung ein Gehäuse mit einem darin ausgebildeten Vakuum. Das Gehäuse enthält einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Halsabschnitt. Der Halsabschnitt enthält einen ersten Bereich mit einer ersten Wanddicke, einen zweiten Bereich mit einer zweiten Wanddicke und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich positionierten ersten Magnetfeldabschnitt. Der erste Magnetfeldbereich hat eine dritte Wanddicke, die dünner als die erste und die zweite Wanddicke ist. Die Röntgenröhrenanordnung enthält auch eine in dem Anodenabschnitt des Vakuumgehäuses positionierte Anode und eine in dem Kathodenabschnitt des Vakuumgehäuses positionierte Kathode, um einen Elektronenstrom auf die Anode zu lenken.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Bildgebungssystem ein drehbares Portal mit einer Öffnung für die Aufnahme eines abzubildenden Objektes, einen in der Öffnung des drehbaren Portals positionierten und durch die Öffnung beweglichen Tisch und eine mit dem drehbaren Portal verbundene Röntgenröhre. Die Röntgenröhre enthält eine Vakuumkammer mit einem eine Anode beherbergenden Anodenabschnitt, einem eine Kathode beherbergenden Kathodenabschnitt und einem Halsabschnitt. Der Halsabschnitt hat einen ersten Bereich mit einer ersten Wanddicke, einen zweiten Bereich mit einer zweiten Wanddicke und einen mit dem ersten und dem zweiten Bereich verbundenen ersten Magnetfeldbereich. Der erste Magnetfeldbereich hat eine dritte Wanddicke, die dünner als der erste und der zweite Wandbereich ist. Das Bildgebungssystem enthält auch eine erste Elektronenbeeinflussungsspule, die auf der Röntgenröhre montiert und dafür eingerichtet ist, ein erstes Magnetfeld zum Beeinflussen eines von der Kathode emittierten Elektronenstrahls zu erzeugen. Die erste Elektronenbeeinflussungsspule ist auf der Röntgenröhre montiert und zu dem ersten Magnetfeld des Halsabschnittes der Vakuumkammer so ausgerichtet, dass eine Anstiegszeit des ersten Magnetfeldes in dem ersten Magnetfeldbereich schneller als in dem ersten und dem zweiten Bereich ist.
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Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
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Eine Röntgenröhrenanordnung 14 enthält ein Vakuumgefäß 52, das einen Kathodenabschnitt 56, einen Anodenabschnitt 60 und einen Halsabschnitt 84 enthält. Der Halsabschnitt 84 enthält einen Magnetfeldbereich 100, einen strahlaufwärts liegenden Bereich 110 und einem strahlabwärts liegenden Bereich 118. Der Magnetfeldbereich 100 hat eine erste Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen einer Magnetfeldintensität. Der strahlaufwärts liegende Bereich 110 ist mit dem Kathodenabschnitt 56 und dem Magnetfeldbereich 100 verbunden und hat eine zweite Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen der Magnetfeldintensität. Der strahlabwärts liegende Bereich 118 ist mit dem Magnetfeldbereich 100 verbunden und hat eine dritte Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen bei Vorliegen der Magnetfeldintensität. Die erste Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen ist geringer als die zweite und die dritte Anfälligkeit zur Erzeugung von Wirbelströmen. Die Anordnung 14 enthält eine Anode 58 in dem Anodenabschnitt 60 und eine Kathode 54 in dem Kathodenabschnitt 56.
