-
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem evakuierten, drehbaren Gehäuse, in welchem eine zur Emission eines Elektronenstrahls ausgebildete Kathode und eine mit dieser zusammenwirkende Anode angeordnet sind, wobei zur Beeinflussung des Elektronenstrahls außerhalb des Gehäuses ein Quadrupol-Magnetsystem angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Röntgenröhre.
-
Eine solche Drehkolben-Röntgenröhre ist beispielsweise aus der
DE 196 31 899 A1 bekannt. Einzelne Spulenelemente eines Quadrupol-Magnetsystems sind hierbei an einem gemeinsamen Träger angeordnet.
-
Eine weitere Röntgenröhre mit einem Quadrupol-Magnetsystem ist aus der
DE 198 10 346 C1 bekannt. In diesem Fall ist zusätzlich zum Quadrupol-Magnetsystem eine diesem räumlich nachgeschaltete Spule vorgehen, mit welcher der Brennfleck auf der Anode der Röntgenröhre beeinflussbar ist.
-
Generell tritt bei Elektronenquellen, insbesondere in Röntgenröhren, eine gegenseitige Beeinflussung der Elektronen auf, was besonders bei hohen Emissionsströmen zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Strahlqualität des Elektronenstrahls und gegebenenfalls dadurch auch des erzeugten Röntgenstrahls führen kann.
-
Eine bedeutsame Beeinträchtigung der Fokussierung eines Elektronenstrahls in einer Röntgenröhre durch Abstoßung zwischen den emittierten Elektronen ist beispielsweise bei einem hohen Röhrenstrom von mehr als 400 mA, insbesondere bei gleichzeitig relativ niedriger Röhrenspannung von weniger als 80 kV, beobachtbar.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehkolben-Röntgenstrahler gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der Strahlqualität weiterzuentwickeln.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Röntgenröhre mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die als Drehkolben-Röntgenstrahler aufgebaute Röntgenröhre weist ein evakuiertes, drehbares Gehäuse auf, in welchem eine zur Emission eines Elektronenstrahls ausgebildete Kathode und eine mit dieser zusammenwirkende Anode angeordnet sind. Die Drehachse des Gehäuses entspricht der Strahlrichtung, in welcher die Elektronen von der Kathode emittiert werden. Zur Beeinflussung des Elektronenstrahls sind zwischen Kathode und Anode, bevorzugt außerhalb des Gehäuses, zwei Quadrupol-Magnetsysteme axial hintereinander, bezogen auf die Drehachse, angeordnet.
-
Durch die zweifache Quadrupolanordnung ist eine gute Fokussierung des Elektronenstrahls selbst bei niedriger Röhrenspannung von beispielsweise 70 kV und gleichzeitig hohem Röhrenstrom von mehr als 550 mA erzielbar. Insbesondere bei medizintechnischen Röntgengeräten wirkt sich die Qualität des Elektronenstrahls maßgeblich auf die Qualität der Bildgebung aus.
-
Aufgrund der Fokussierung des Elektronenstrahls durch das Quadrupol-Dublett, das heißt die Anordnung aus zwei koaxialen, voneinander beabstandeten Quadrupol-Magnetsystemen, kann eine Gitterspannung an der Elektronenquelle weggelassen oder lediglich zur Feinoptimierung verwendet werden. Durch die vollständig oder nahezu fehlende Gitterspannung ist im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenröhren ein breiterer Elektronenstrahl gegeben, was zu einer relativ geringen gegenseitigen Beeinflussung der Elektronen führt. Selbst bei hohen Elektronenströmen, das heißt Röhrenströmen, treten somit nur geringe Raumladungen auf. Die Elektronen fliegen in einem breiten Strahl parallel zur Drehachse des Gehäuses und damit zu den Magnetachsen der Quadrupol-Magnetsysteme, was eine optimale Voraussetzung für eine effiziente Fokussierung durch die Quadrupol-Magnetsysteme ist. Letztlich treffen die Elektronen somit auf einen klar definierten Brennfleck auf der Anode, was für eine hohe geometrische Qualität der dort erzeugten Röntgenstrahlung sorgt.
-
Vorzugsweise sind die beiden Quadrupol-Magnetsysteme bezogen auf die Rotationsachse des Gehäuses zueinander drehversetzt angeordnet, d.h. ihre Spulen sind zueinander drehversetzt angeordnet beziehungsweise die Polungen von unter dem gleichen Drehwinkel angeordneten Spulen der beiden Systeme sind vertauscht. Dadurch wird durch die zwei Systeme gezielt eine Beeinflussung des Elektronenstrahle in unterschiedlichen Richtungen ermöglicht.
-
Insbesondere ist dabei eine um 90° drehversetzte Anordnung vorgesehen. Durch die um 90° relativ zueinander verdrehte Anordnung, bezogen auf die Rotationsachse des Gehäuses, der beiden hintereinander geschalteten, voneinander beabstandeten Quadrupol-Magnetsysteme sind Breite und Höhe des Elektronenstrahl gezielt beeinflussbar. Die Begriffe „Breite“ und „Höhe“ des Elektronenstrahls beziehen sich, unabhängig von der räumlichen Anordnung der Röntgenröhre, auf zwei geometrische Achsen, die zur Drehachse des Gehäuses sowie zueinander orthogonal sind.
-
Die beiden Quadrupol-Magnetsysteme weisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform identische Abmessungen auf. Es sind jedoch auch Ausführungsformen realisierbar, bei denen die Quadrupol-Magnetsysteme unterschiedlich dimensioniert sind, beispielsweise das näher an der Anode angeordnete Quadrupol-Magnetsystem größer als das näher an der Kathode angeordnete Quadrupol-Magnetsystem ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung weist zumindest eines der Quadrupol-Magnetsysteme zusätzlich zu vier Quadrupolspulen zwei Dipolspulen auf. Bei dem zusätzliche Dipolspulen aufweisenden Magnetsystem kann es sich also entweder um das näher an der Anode angeordnete Quadrupol-Magnetsystem oder um das näher an der Kathode angeordnete Quadrupol-Magnetsystem handeln. Ebenso können beide Magnetsysteme zusätzlich zu den stets vorhandenen Quadrupolspulen jeweils zwei Dipolspulen aufweisen.
-
Die Quadrupolspulen sind vorzugsweise jeweils in einem Eck eines vorzugsweise quadratischen Jochs angeordnet. Zusätzliche Dipolspulen sind gegebenenfalls an gegenüberliegenden Seiten des Jochs, jeweils zwischen zwei Quadrupolspulen, angeordnet.
-
Als Emissionsquelle der Kathode ist zweckdienlicherweise ein thermischer Emitter vorgesehen. Die Elektronen werden daher durch Beheizung der Kathode mit einer entsprechenden Heizspannung emittiert. Der emittierte Elektronenstrom ist hierbei abhängig sowohl von der Heizspannung als auch von der Fläche des Emitters. Durch die Anordnung der beiden Quadrupolmagnetsysteme mit ihren fokussierenden Eigenschaften wird der besondere Vorteil erzielt, dass im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen der Emitter, also die Emitterfläche, größer gewählt werden kann. Vorzugsweise ist der Radius der kreisförmigen Fläche des Emitters größer gleich 4mm. Übliche Radien liegen bei 3mm, was bei den kreisförmigen Emittern zu einer Vergrößerung der Emitterfläche um nahezu das Doppelte führt. Dadurch kann im Betrieb eine geringere Heizleistung bei gleich hohem Emissionsstrom angelegt werden, wodurch die Lebensdauer des Emitters deutlich verlängert werden kann. Umgekehrt können zugleich auch höhere Emissionsströme bei vergleichbaren oder geringeren Heiztemperaturen als üblich erreicht werden.
-
Ein weiterer besonderer Vorteil der Fokussierung über das Quadrupol-Dublett besteht darin, dass über dieses Quadrupol-Dublett die Fokussierung des Elektronenstrahls ausschließlich vorgenommen werden kann und vorzugsweise auch vorgenommen wird. Es ist daher an der Kathode keine zusätzliche Fokussierelektrode vorgesehen, an die eine sogenannte Gitter- oder Gatespannung angelegt werden muss. Bei heute eingesetzten Röntgenröhren liegt diese Gitterspannung – je nach Betriebszustand – bei bis zu 1000V (bezogen auf das Kathodenpotential). Dies bedeutet, dass eine entsprechend aufwändig gestaltete Steuerelektronik vorgesehen sein muss. Bei diesen vergleichsweise hohen Gitterspannungen treten aber immer wieder Artefakte oder Überschläge auf, die letztendlich die Qualität der erzeugten Röntgenstrahlung und damit am Ende die Qualität der medizinischen Bilderzeugung negativ beeinflusst. Vorliegend wird daher in vorteilhafter Weise auf eine derartige Fokussierelektrode verzichtet. Dadurch wird darüber hinaus der Vorteil eines möglichst parallelen Elektronenstrahls erzielt, der in das Quadrupol-Dublett eintritt. Durch die hohe Parallelität ist ein sehr effektives Fokussieren und Umlenken über die Quadrupol-Systeme gewährleistet.
-
Aus den Randbereichen des Emitters können Elektronen austreten, die stark von der ansonsten parallelen Strahlrichtung abweichen. Im Sinne einer Feinoptimierung ist daher in zweckdienlicher Ausgestaltung lediglich eine Feinfokussierung vorgesehen. Hierzu wird an einem sogenannten Fokuskopf, welcher unmittelbar dem Emitter zugeordnet ist, eine geringe Spannung von vorzugsweise lediglich 50V bezogen auf das Kathodenpotential angelegt. Diese Spannung ist mit vergleichsweise einfachen Mitteln erzeugbar, so dass insgesamt die Ansteuerelektronik einfacher ausgestaltet ist.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 zum Betrieb der Röntgenröhre. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Insgesamt ist durch den hier beschriebenen Aufbau, insbesondere die Kombination der beiden Quadrupol-Systeme, zusammen mit einem im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerten thermischen Emitter der Betrieb der Röntgenröhre bei vergleichsweise geringen Röhrenspannungen von beispielsweise etwa 70 kV bei gleichzeitig hohem Röhrenstrom von beispielsweise 1500 mA erreicht. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist insgesamt die Steuereinrichtung geeignet ausgebildet.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 Einen Drehkolben-Röntgenstrahler in schematisierter Seitenansicht,
-
2 eine erste Variante eines Quadrupol-Magnetsystems des Röntgenstrahlers nach 1, und
-
3 eine zweite Variante eines Quadrupol-Magnetsystems des Röntgenstrahlers nach 1.
-
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Drehkolben-Röntgenstrahler, kurz auch als Röntgenröhre bezeichnet, weist ein evakuiertes Gehäuse 2 auf, welches auch als Drehkolben bezeichnet wird. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Röntgenröhre 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
-
In dem Gehäuse 2 sind einerseits eine Elektronenquelle 3 und andererseits eine scheibenförmige Anode 4 angeordnet. Die Elektronenquelle 3 weist eine Kathode 5 als Emitter sowie einen Fokuskopf 6 auf. Die Richtung des von der Kathode 5 ausgehenden Elektronenstrahls ist zunächst mit der Lage der Drehachse des Gehäuses 2 identisch. Eine Antriebsvorrichtung, mit der das Gehäuse 2 in Rotation versetzt wird, ist in 1 nicht dargestellt.
-
Zur Anode 4 hin, welche im Vergleich zur Elektronenquelle 3 eine wesentlich größere radiale Ausdehnung – bezogen auf die Drehachse des Gehäuses 2 – hat, weist das Gehäuse 2 eine trichterförmige Aufweitung 7 auf. Im Bereich zwischen der Elektronenquelle 3 und der Aufweitung 7 ist das Gehäuse 2 von einem ersten Quadrupol-Magnetsystem 8 und von einem zweiten Quadrupol-Magnetsystem 9 umgeben. Die Symmetrieachse eines jeden Quadrupol-Magnetsystems 8, 9 stimmt mit der Drehachse des Gehäuses 2 überein. Im Gegensatz zum Gehäuse 2 rotieren die Quadrupol-Magnetsysteme 8, 9 nicht.
-
Während das erste Quadrupol-Magnetsystem 9 den Elektronenstrahl zum Beispiel hauptsächlich in horizontaler Richtung beeinflusst, dient das zweite Quadrupol-Magnetsystem 9 nach diesem Beispiel hauptsächlich der Beeinflussung des Elektronenstrahls in vertikaler Richtung. Ein vom Emitter 5 ausgehender, auf die Anode 4 treffender Elektronenstrahl ist in 1 durch einen Pfeil angedeutet.
-
Die beiden Quadrupol-Magnetsysteme 8, 9 sind identisch aufgebaut und dimensioniert und koaxial, jedoch um 90° zueinander verdreht, montiert. Der Abstand zwischen den beiden Quadrupol-Magnetsystemen 8, 9 entspricht mindestens der in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Drehachse des Gehäuses 2, gemessenen Dicke eines jeden Quadrupol-Magnetsystems 8, 9. Die gesamte Dicke, das heißt in axialer Richtung gemessene Erstreckung, der Anordnung aus den Quadrupol-Magnetsystemen 8, 9 ist geringer als die größte radiale Ausdehnung der Quadrupol-Magnetsysteme 8, 9.
-
Mögliche Ausführungsformen der Quadrupol-Magnetsysteme 8, 9 sind in den 2 und 3 dargestellt, wobei jede der Ausführungsformen sowohl als erstes, näher an der Kathode 5 angeordnetes Magnetsystem 8, als auch als zweites, näher an der Anode 4 angeordnetes Magnetsystem 9 verwendbar ist.
-
In 2 ist im Ausführungsbeispiel ein rahmenförmiges, quadratisches Joch 10 erkennbar, welches in seinen Ecken jeweils einen diagonal nach innen gerichteten Jochzapfen 11 aufweist. Auf jedem dieser Jochzapfen 11 befindet sich eine Quadrupolspule 12, 13, wobei die dargestellten Polungen als beispielhaft zu betrachten sind. Während etwa das erste Quadrupol-Magnetsystem 8 die Polung gemäß 2 aufweist, sind beim zweiten Quadrupol-Magnetsystem 9 die Polungen vertauscht, was mit der bereits erwähnten Verdrehung der beiden Quadrupol-Magnetsysteme 8, 9 um 90° zueinander gleichbedeutend ist.
-
In der Anordnung nach 3 sind zusätzlich zu den Quadrupolspulen 12, 13 zwei Dipolspulen 14, 15 auf dem Joch 10, nämlich jeweils auf einem von vier Seitenstücken 16 des rahmenförmigen Jochs 10, angeordnet. Alternativ zur dargestellten Variante können die Seitenstücke 16 auch gebogen ausgeführt sein. Durch die Anordnung der Quadrupolspulen 12, 13 innerhalb des durch die Seitenstücke 16 gebildeten Rahmens und die Anordnung der Dipolspulen 14, 15 auf diesem Rahmen sind die Quadrupolspulen 12, 13 geringer von der Drehachse des Gehäuses 2 beabstandet als die Dipolspulen 14, 15.
-
Der Betrieb der Röntgenröhre wird über eine in 1 schematisch dargestellte Steuereinrichtung 18 gesteuert. Die mit den Quadrupol-Magnetsystemen 8, 9 arbeitende Röntgenröhre 1 ist für sehr hohe Röhrenströme von beispielsweise 1500 mA bei einer niedrigen Röhrenspannung, das heißt Spannung zwischen Kathode 5 und Anode 4, von zum Beispiel 70 kV, ausgelegt. Damit ist die Röntgenröhre 1 prädestiniert für medizintechnische Anwendungen mit niedriger Dosisbelastung für den Patienten. Zugleich ist durch die mit Hilfe des doppelten Quadrupol-Magnetsystems 8, 9 erzielte Schärfe des Brennflecks auf der Anode 4 eine sehr hohe Bildqualität erreichbar. Für die Haltbarkeit der Elektronenquelle 3 ist es von besonderem Vorteil, dass zum Betrieb der Röntgenröhre 1 keine sogenannte Gitterspannung an der Elektronenquelle 3 zu Fokussierungszwecken benötigt wird und auch nicht vorgesehen ist. Insbesondere ist die Emissionsfläche der Kathode vergleichsweise groß dimensioniert. Während im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenröhren somit ein Elektronenstrahl mit relativ großem Querschnitt emittiert wird, erfolgt eine besonders präzise Fokussierung der Elektronen erst nach deren Austreten aus dem Fokuskopf 6 mittels der hintereinander geschalteten, aufeinander abgestimmten Quadrupol-Magnetsysteme 8, 9, wobei diese ohne zusätzlichen Platzbedarf – im Vergleich mit einer herkömmlichen Röntgenröhre mit einfachem Quadrupolsystem – einen zylindrischen Abschnitt 17 des Gehäuses 2 umschließen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19631899 A1 [0002]
- DE 19810346 C1 [0003]
