DE102011081138A1

DE102011081138A1 - Röntgenvorrichtung mit einer Multistrahl-Röntgenröhre

Info

Publication number: DE102011081138A1
Application number: DE102011081138A
Authority: DE
Inventors: Josef Deuringer; Richard Eichhorn; Jens Fürst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Die Erfindung gibt eine Röntgenvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung an. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse (1), eine Multistrahl-Röntgenröhre (2) und einen Hochspannungsgenerator (3), wobei die Multistrahl-Röntgenröhre (2) und der Hochspannungsgenerator (3) in dem einzigen Gehäuse (1) angeordnet sind. Durch die kompakte Bauweise in Form eines Eintanks sind die Kosten der Röntgenvorrichtung gering. Es können Zeit sparend räumliche Röntgenbildaufnahmen eines Prüflings bei einer zerstörungsfreien Materialprüfung gemacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenvorrichtung mit einer Multistrahl-Röntgenröhre und einem Gehäuse.
Konventionelle Röntgenröhren bestehen im Wesentlichen aus einer Vakuumkammer mit Gehäuse, in der eine Kathode und eine Anode eingeschlossen sind. Die Kathode fungiert dabei als negative Elektrode, die Elektronen an die positive Anode abgibt. Durch ein elektrisches Feld zwischen Anode und Kathode werden die Elektronen von der Anode angezogen und stark beschleunigt. Die Anode besteht typischer Weise aus einem Metall, beispielsweise Wolfram, Molybdän oder Palladium. Wenn die Elektronen die Anode bombardieren, wird ihre Energie größtenteils in Wärme umgewandelt. Nur ein Bruchteil der Bewegungsenergie kann in Röntgen-Photonen umgewandelt werden, die von der Anode in Form von Röntgenstrahlung abgegeben werden. Der so erzeugte Röntgenstrahl verlässt durch ein strahlendurchlässiges Fenster aus einem Material mit niedriger Ordnungszahl die Vakuumkammer.
Röntgenröhren sind für Anwendungen in der industriellen und medizinischen Bildgebung sowie für therapeutische Behandlungen nicht mehr wegzudenken. Alle bildgebenden Verfahren mit Röntgenstrahlen machen sich die Tatsache zu Nutze, dass unterschiedliche Materialien Röntgenstrahlen unterschiedlich absorbieren. Konventionelle Röntgenbildverfahren erzeugen eine zweidimensionale Projektion eines dreidimensionalen Objekts. Dadurch geht die räumliche Auflösung entlang der Ausbreitungsrichtung des Röntgenstrahls verloren.
Obwohl auch auf den unterschiedlichen Röntgen-Absorptionseigenschaften von unterschiedlichen Materialien fußend, bietet die Computertomographie eine weitere Form der Bildgebung, bekannt als Schnittbildverfahren. Dabei werden viele Röntgenbilder eines Objekts aus unterschiedlichen Richtungen erstellt, und nachträglich werden aus diesen vielen Abbildungen durch ein mathematisches Rückprojektionsverfahren die verlorenen Volumeninformationen rekonstruiert. In der Regel setzen sich diese 3D-Rekonstruktionen aus Einzelschnitten, die quer durch das Untersuchungsobjekt verlaufen, zusammen. Auf diese Weise kann für jedes Volumenelement des Objekts, die sogenannten Voxel (entspricht dreidimensionalen Pixel), eine Dichte ermittelt werden. Aus allen Voxel kann damit ein 3D-Bild des Inneren des Objekts erzeugt werden.
Um die vielen unterschiedlichen Schnittbilder zu erzeugen, muss eine die Röntgenstrahlen abgebende Röntgenröhre und ein die Röntgenstrahlen nach Durchstrahlen des Objekts aufnehmender Röntgendetektor um das Objekt bewegt werden. Die mechanische Bewegung ist aufwendig und kostet Zeit. Daher wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um aus einer Röntgenröhre mehrere unterschiedliche Strahlenbündel aussenden zu können. Ziel ist es, viele Schnittbilder mit unterschiedlichen Betrachtungswinkeln zu erzeugen, ohne die Röntgenröhre und den Röntgendetektor mechanisch zu bewegen.
Eine vielversprechende Lösung gibt die PCT-Anmeldung WO 2004/110111 A2 an. Darin wird eine Multistrahl-Röntgenröhre mit einer ortsfesten Feldemissionskathode und einer gegenüberliegenden Anode offenbart. Die Kathode umfasst eine Vielzahl von ortsfesten, einzeln ansteuerbaren, Elektronen emittierenden Pixel, die in einem vorgegebenen Raster auf der Kathode verteilt sind. Die Anode umfasst eine Vielzahl von Brennpunkten, die in einem vorgegebenen Raster angeordnet sind, das korrespondierend zum Raster der Pixel ausgeführt ist. Eine Vakuumkammer schließt die Anode und Kathode ein. In einer Weiterbildung umfasst die Kathode Kohlenstoff-Nanoröhren.
Die in der WO 2004/110111 A2 offenbarte Lösung bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen thermo-ionischen Röntgenstrahlungsquellen. Sie eliminiert das Heizelement der Anode, arbeitet bei Raumtemperatur, erzeugt gepulste Röntgenstrahlung mit einer hohen Wiederholrate und eine Vielzahl von Strahlen mit unterschiedlichen Brennpunkten.
Für den Anwendungsbereich des „Non Destructive Testing (NDT)“ sind Mikrofokusröhren mit einem Brennfleck von etwa 100 nm bekannt. Übliche Röntgenspannungen liegen bei etwa 100–250 kV. Das zu untersuchende Objekt wird auf einem Drehteller montiert. Mit einem Detektor werden die Durchleuchtungsbilder des rotierenden Objekts aufgenommen.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum NDT anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Röntgenvorrichtung des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Die Erfindung beansprucht eine Röntgenvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung, mit einem Gehäuse, das einen Eintank bildet, mit einer Multistrahl-Röntgenröhre und mit einem Hochspannungsgenerator, wobei die Multistrahl-Röntgenröhre und der Hochspannungsgenerator in dem Gehäuse angeordnet sind. Durch die kompakte Bauform sind die Kosten der Röntgenvorrichtung geringer und es können rasch räumliche Röntgenbildaufnahmen eines Prüflings der zerstörungsfreien Materialprüfung gemacht werden.
In einer Weiterbildung kann der Hochspannungsgenerator einen Hochspannungstransformator, einen Gleichrichter und einen Wechselrichter umfassen.
In einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung ist in dem Gehäuse auch eine Kathodenheizung- und Gittersteuerungseinheit angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Hochspannungsgenerator mit einer elektrischen Hochspannungsleitung in Isolieröl oder Feststoffisolation mit der Multistrahl-Röntgenröhre verbunden sein.
Des Weiteren kann die Röntgenvorrichtung eine Netzanschlussleitung, die durch das Gehäuse geführt wird, umfassen.
Außerdem kann die Röntgenvorrichtung eine Datenleitung, die durch das Gehäuse geführt ist, umfassen.
Bevorzugt kann das Gehäuse zumindest teilweise aus Blei ausgestattet sein, um Streustrahlung zu unterdrücken.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand einer schematischen Zeichnung ersichtlich.
Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Röntgenvorrichtung mit einem Gehäuse 1, in dem alle Komponenten zur Erzeugung einer Multifokus-Röntgenstrahlung 16 untergebracht sind. Das Gehäuse 1 wird auch als „Eintank“ bezeichnet. Das Gehäuse 1 besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus Blei, um die Umgebung vor ungewollter Röntgenleckstrahlung zu schützen. Durch ein Austrittsfenster 15 im Gehäuse verlassen die von einer Multistrahl-Röntgenröhre 2 erzeugten Röntgenstrahlen 16 das Gehäuse 1. Die Multistrahl-Röntgenröhre 2 umfasst eine Anode 14, eine Kathode 13 und ein Gitter 12. Die Anode 14 kann wahlweise als Reflexions- oder Transmissionsanode ausgeführt sein. Die Multistrahl-Röntgenröhre 2 ist mit einer Kathodenheizung- und Gittersteuerungseinheit 4 elektrisch verbunden. Sind die Kathoden Feldemissionskathoden, so entfällt die Kathodenheizung. Über eine durch Isolieröl 9 gelegte elektrische Hochspannungsleitung 8 ist ein Hochspannungsgenerator 3 mit der Multistrahl-Röntgenröhre 2 verbunden. Der Hochspannungsgenerator 3 umfasst einen Hochspannungstransformator 5 und einen Gleichrichter 6. Ein Wechselrichter 7 für die Hochspannung ist ebenfalls im Gehäuse 1 untergebracht. Dem Gehäuse 1 wird eine Versorgungsspannung über eine Netzanschlussleitung 10 zugeführt. Falls die Leistung der Röntgenvorrichtung gering ist (< 200 W), genügt ein Standard-Netzanschluss. Über eine Datenleitung 11 kann die Röntgenvorrichtung mittels eines PC gesteuert werden.
Dadurch, dass alle Komponenten der Röntgenvorrichtung in einem einzigen Gehäuse 1 untergebracht sind, werden Kosten eingespart. Auf eine teure Hochspannungsversorgungsleitung und eine keramische Steckverbindung am Hochspannungsgenerator 3 und der Multistrahl-Röntgenröhre 2 kann verzichtet werden.
Außerdem ist die Bauform sehr kompakt und dadurch können die im Gehäuse 1 benötigten Verbindungskabel sehr kurz sein. Infolge der kurzen Verbindungsleitungen sind die Kabelkapazitäten klein, wodurch ein schnelles und verlustarmes Schalten der Röntgenvorrichtung möglich ist.
Aufgrund der kompakten Bauform ist im Falle eines Ausfalls des Systems ein schneller Ersatz möglich, um somit speziell bei inline Prüfprozessen die Standzeit der Anlage zu minimieren.
Infolge der Multistrahl-Röntgenröhre ist beim NDT eine Tomosyntheseaufname eines Prüflings möglich, ohne die Röntgenvorrichtung oder den Prüfling bewegen zu müssen. Räumliche Aufnahmen eines Prüflings können so in kurzer Zeit durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Multistrahl-Röntgenröhre
3: Hochspannungsgenerator
4: Kathodenheizung- und Gittersteuerungseinheit
5: Hochspannungstransformator
6: Gleichrichter
7: Wechselrichter
8: elektrische Hochspannungsleitung
9: Isolieröl
10: Netzanschlussleitung
11: Datenleitung
12: Gitter
13: Kathode
14: Anode
15: Röntgenstrahlaustrittsfenster
16: Röntgenstrahlung

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

WO 2004/110111 A2 [0006, 0007]

Claims

Röntgenvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung, gekennzeichnet durch: – ein Gehäuse (1), – eine Multistrahl-Röntgenröhre (2) und – einen Hochspannungsgenerator (3), wobei die Multistrahl-Röntgenröhre (2) und der Hochspannungsgenerator (3) in dem Gehäuse (1) angeordnet sind.
Röntgenvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: – eine Kathodenheizung- und Gittersteuerungseinheit (4), die in dem Gehäuse (1) angeordnet ist.
Röntgenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsgenerator (3) einen Hochspannungstransformator (5), einen Gleichrichter (6) und einen Wechselrichter (7) umfasst.
Röntgenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsgenerator (3) mit einer elektrischen Hochspannungsleitung (8) in Isolieröl oder Feststoffisolation (9) mit der Multistrahl-Röntgenröhre (2) verbunden ist.
Röntgenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine Netzanschlussleitung (10), die durch das Gehäuse (1) geführt ist.
Röntgenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine Datenleitung (11), die durch das Gehäuse (1) geführt ist.
Röntgenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) Blei und ein Röntgenstrahlung (16) durchlässiges Austrittsfenster (15) umfasst.