DE102012108060A1

DE102012108060A1 - System und Verfahren zur Manipulation von Elektronenstrahlen in Röntgenquellen

Info

Publication number: DE102012108060A1
Application number: DE102012108060A
Authority: DE
Inventors: Antonio Caiafa
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2013-02-28
Also published as: US20130051532A1; CN103037608A; US8712015B2; JP2013055052A; JP6081739B2; CN103037608B

Abstract

Die hierin offenbarten Ausführungsformen beziehen sich auf die kontrollierte Erzeugung von Röntgenstrahlen und speziell auf die Steuerung von Elektronenstrahlen, die zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mithilfe einer oder mehrerer Elektronenstrahlmanipulationsspule(n) verwendet werden. Zum Beispiel sind Verfahren und Vorrichtungen zur Ansteuerung einer Elektronenstrahlmanipulationsspule sowie diese Systeme verwendenden Systeme vorgesehen. Die Systeme sind allgemein zur Erhaltung eines ersten Stroms durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) mithilfe einer ersten Spannungsquelle (242) und zum Umschalten des ersten Stroms mithilfe einer zweiten Spannungsquelle (244) auf einen zweiten Strom konfiguriert.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei nichtinvasiven bildgebenden Systemen werden in verschiedenen Röntgensystemen und Computertomografie-(CT)-Systemen Röntgenröhren als Röntgenstrahlungsquelle verwendet. Die Strahlung wird als Reaktion auf Steuersignale während einer Untersuchung oder Bildgebungssequenzen emittiert. Im typischen Fall beinhaltet eine Röntgenröhre eine Kathode und eine Anode. Ein Strahler in der Kathode kann als Reaktion auf Wärme infolge eines angelegten elektrischen Stroms durch den thermionischen Effekt einen Elektronenstrom und/oder ein elektrisches Feld infolge einer angelegten Spannung zu einer passend gestalteten metallischen Platte vor dem Strahler aussenden. Die Anode kann ein Target beinhalten, auf das der Elektronenstrom auftrifft. Infolge des Auftreffens des Elektronenstrahls kann das Target Röntgenstrahlung und Wärme erzeugen.
In derartigen bildgebenden Systemen verläuft die Strahlung durch einen Gegenstand von Interesse, wie z. B. einen Patienten, Gepäck oder einen Herstellungsartikel, und ein Teil der Strahlung trifft auf einen digitalen Detektor oder eine fotografische Platte auf, wo die Bilddaten erfasst werden. Bei einigen Röntgensystemen wird die fotografische Platte dann zum Erzeugen eines Bilds entwickelt, das von einem Qualitätskontrolleur, Sicherheitspersonal, einem Radiologen oder einem Oberarzt zu Diagnosezwecken verwendet werden kann. Bei digitalen Röntgensystemen erzeugt ein Photodetektor Signale, die für die Menge oder Intensität der auf separate Elemente einer Detektoroberfläche auftreffenden Strahlung repräsentativ sind. Die Signale können dann verarbeitet werden, um ein Bild zu generieren, das zur Betrachtung angezeigt werden kann. Bei CT-Systemen erzeugt eine Detektoranordnung mit einer Reihe von Detektorelementen beim Drehen einer Gantry um einen Patienten durch verschiedene Positionen ähnliche Signale. In gewissen Konfigurationen kann eine Reihe dieser Signale zum Erzeugen einer volumetrischen Darstellung verwendet werden. Im Allgemeinen hängt die Qualität der volumetrischen Darstellung von der Fähigkeit der Röntgenquelle und des Röntgendetektors ab, beim Drehen an der Gantry schnell Daten generieren zu können.
In anderen Systemen wie z. B. Systemen für onkologische Strahlentherapie kann eine Röntgenquelle dazu verwendet werden, ionisierende Strahlung auf ein Zielgewebe zu richten. In einigen Strahlentherapiekonfigurationen kann die Quelle auch eine Röntgenröhre beinhalten. Für Strahlentherapiezwecke verwendete Röntgenröhren können auch einen thermionischen Strahler und eine Targetanode, die Röntgenstrahlen erzeugt, wie oben beschrieben, beinhalten. Derartige Röntgenröhren oder -quellen können auch ein oder mehrere Kollimationsmerkmal(e) zum Fokussieren oder Eingrenzen emittierter Röntgenstrahlen zu einem Strahlenbündel gewünschter Größe oder Form beinhalten. Die Röntgenquelle kann um das Zielgewebe herum verlagert (z. B. um es gedreht) werden, während der Brennpunkt des Röntgenstrahlenbündels auf dem Gewebe von Interesse gehalten wird, so dass ein im Wesentlichen konstanter Röntgenstrahlenfluss zum Zielgewebe bereitgestellt werden kann, während die Röntgenstrahlenbelastung von außerhalb liegendem Gewebe minimiert wird.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform ist eine Steuerung vorgesehen, die eine Steuerschaltung hat. Die Steuerschaltung beinhaltet eine Schnittstelle zum Aufnehmen einer Elektronenstrahlmanipulationsspule eines Systems zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Die Schaltung beinhaltet auch ein erstes Schaltelement, das mit einer ersten Spannungsquelle gekoppelt ist und zur Herstellung eines ersten Stromwegs mit der ersten Spannungsquelle in Richtung auf die Elektronenstrahlmanipulationsspule konfiguriert ist, ein zweites Schaltelement, das mit einer zweiten Spannungsquelle gekoppelt und zur Herstellung eines zweiten Stromwegs mit der zweiten Spannungsquelle in Richtung auf die Elektronenstrahlmanipulationsspule konfiguriert ist, und ein drittes Schaltelement, das mit einer ersten Seite der Schnittstelle gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die Leitfähigkeit über den ersten Stromweg und den zweiten Stromweg zur Schnittstelle zu ermöglichen, wenn das dritte Schaltelement in einer geschlossenen Stellung ist. Das zweite und das dritte Schaltelement sind dafür konfiguriert, mit der zweiten Spannungsquelle einen dritten Stromweg herzustellen, wenn sie in jeweiligen offenen Stellungen sind, und der dritte Stromweg hat eine in Bezug auf den zweiten Stromweg entgegengesetzte Polarität.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Röntgensystem mit einer Röntgenquelle vorgesehen, die eine Kathodenanordnung, die zum Emittieren eines Elektronenstrahls eingerichtet ist und eine zum Empfang des Elektronenstrahls konfigurierte Anodenanordnung hat. Die Anode ist zum Erzeugen von Röntgenstrahlen als Reaktion auf den empfangenen Elektronenstrahl ausgeführt und die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Die Quelle beinhaltet auch eine Vielzahl von elektromagnetischen Spulen, die um das Gehäuse herum angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, um den Elektronenstrahl durch Variieren eines von der Vielzahl von Spulen erzeugten Dipol- oder Quadrupolmagnetfelds zu manipulieren, und eine Vielzahl von mit der Vielzahl von elektromagnetischen Spulen gekoppelten Steuerschaltungen. Zur unabhängigen Steuerung jeder Spule ist jede Steuerschaltung mit einer der Vielzahl von elektromagnetischen Spulen gekoppelt. Jede Steuerschaltung beinhaltet eine erste Spannungsquelle und eine zweite Spannungsquelle. Die Steuerschaltung ist so konfiguriert, dass die erste Spannungsquelle dazu verwendet wird, einen Strom durch jede Spule in einem gewünschten Bereich zu halten, um das Dipol- oder Quadrupolmagnetfeld aufrecht zu erhalten, und die zweite Spannungsquelle dazu verwendet wird, den Strom durch die Spule zu erhöhen oder zu verringern, um das Dipol- oder Quadrupolmagnetfeld zu ändern.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Ansteuern einer Elektronenstrahlmanipulationsspule vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Schließen eines ersten Schaltelements, um zu verursachen, dass ein erster Strom mit einer ersten Polarität an einem ersten Stromweg von einer ersten Spannungsquelle in Richtung auf die Elektronenstrahlmanipulationsspule entlang fließt, Schließen eines zweiten Schaltelements, um den ersten Strom zu der Elektronenstrahlmanipulationsspule fließen zu lassen, Öffnen des ersten Schaltelements nach dem Schließen des ersten und des zweiten Schaltelements, um den Fluss des ersten Stroms zu der Elektronenstrahlmanipulationsspule zu beenden und um eine Stromableitungsschleife zu bilden, die zum Reduzieren einer Größe eines Stroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule konfiguriert ist, und Öffnen des zweiten Schaltelements und eines dritten Schaltelements, um zu verursachen, dass ein zweiter Strom mit einer zweiten Polarität an einem zweiten Stromweg von einer zweiten Spannungsquelle zu der Elektronenstrahlmanipulationsspule entlang fließt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale und Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die folgende ausführliche Beschreibung mit Bezug auf die Begleitzeichungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen durchgehend gleiche Teile bezeichnen, wobei:
1 ein Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Systems veranschaulicht, das eine Röntgenquelle verwendet, die Röntgenstrahlen aus mehreren Perspektiven und/oder mit mehreren Energien abstrahlen kann,
2 ein Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Röntgenbildgebungssystems veranschaulicht, das eine Röntgenquelle verwendet, die Röntgenstrahlen aus mehreren Perspektiven und/oder mit mehreren Energien abstrahlen kann,
3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer zum Emittieren von Röntgenstrahlen aus mehreren Perspektiven konfigurierten Röntgenröhre ist,
4 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer zum Emittieren von Röntgenstrahlen mit diversen Energien konfigurierten Röntgenröhre ist,
5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Anordnung von Elektronenstrahlmanipulationsspulen ist, die um ein Gehäuse einer Röntgenröhre angeordnet sind,
6 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Anordnung von 5 ist, wobei der von den Strahlmanipulationsspulen manipulierte Elektronenstrahl eine zweite Energie aufweist,
7 eine Draufsicht entlang Linie 7-7 eines Teils der in 5 veranschaulichten Ausführungsform ist,
8 eine Draufsicht entlang Linie 8-8 eines Teils der in 5 veranschaulichten Ausführungsform ist,
9 ein Schaltplan ist, der eine Ausführungsform einer Steuerschaltung zum Ansteuern einer Elektronenstrahlmanipulationsspule veranschaulicht,
10 ein Diagramm, das eine Ausführungsform eines Stromprofils durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule im Verhältnis zur Zeit veranschaulicht, und eine erweiterte Ansicht eines Teils des Diagramms ist, der der Erhaltung eines Durchschnittsstroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule entspricht,
11 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Steuerschaltung von 9 in einer Konfiguration ist, die verursacht, dass ein erster Strom durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule hindurch geleitet wird,
12 ein Diagramm, das eine Ausführungsform eines Stromprofils durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule im Verhältnis zur Zeit veranschaulicht, und eine erweiterte Ansicht eines Teils des Diagramms ist, der der Erhaltung eines Durchschnittsstroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule entspricht,
13 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Steuerschaltung von 9 in einer Konfiguration ist, die verursacht, dass sich eine Stromableitungsschleife bildet, um zu verursachen, dass ein Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule langsam abgeleitet wird,
14 ein Diagramm ist, das eine Ausführungsform eines Stromprofils durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule im Verhältnis zur Zeit veranschaulicht und sich auf einen Übergang von einem globalen durchschnittlichen Höchststrom auf einen globalen durchschnittlichen Mindeststrom bezieht,
15 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Steuerschaltung von 9 in einer Konfiguration ist, die verursacht, dass ein zweiter Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule geleitet wird,
16 ein Diagramm ist, das eine Ausführungsform eines Stromprofils durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule im Verhältnis zur Zeit veranschaulicht und sich auf einen Übergang von einem globalen durchschnittlichen Höchststrom auf einen globalen durchschnittlichen Mindeststrom bezieht,
17 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Steuerschaltung von 9 in einer Konfiguration ist, die verursacht, dass ein dritter Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule geleitet wird,
18 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Steuerlogikbauteils ist, wobei das Bauteil zum Steuern des Betriebs von Schaltelementen innerhalb der Steuerschaltung von 9 konfiguriert ist,
19 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Diagramms von Steuerlogiksignalen während des Betriebs der Steuerschaltung von 9 ist,
20 ein Diagramm ist, das eine Ausführungsform eines Stromprofils durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule im Verhältnis zur Zeit veranschaulicht, wobei das Profil eine Vielzahl von Strompegeln zwischen einem Wert eines globalen durchschnittlichen Mindeststroms und einem globalen durchschnittlichen Höchststrom hat,
21 ein Schaltplan ist, der eine weitere Ausführungsform einer Steuerschaltung zum Ansteuern einer Elektronenstrahlmanipulationsspule veranschaulicht,
22 ein Schaltplan ist, der eine weitere Ausführungsform einer Steuerschaltung zum Ansteuern einer Elektronenstrahlmanipulationsspule veranschaulicht,
23 ein Schaltplan ist, der eine alternative Ausführungsform der Schaltung von 21 ist, und
24 ein Schaltplan ist, der eine alternative Ausführungsform der Schaltung von 22 ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bei Bildgebungs- und Behandlungsmodalitäten wie Computertomographie (CT), Röntgendurchleuchtung und/oder Projektionsbildgebung, Röntgenstrahlentherapien und dergleichen kann die Qualität der unter Verwendung von Röntgenstrahlen erzeugenden Quellen durchgeführten Untersuchungs-/Behandlungsverfahren mindestens von der Fähigkeit der Röntgenquelle, kontrolliert Röntgenstrahlen zu erzeugen, abhängen. In gewissen Röntgenquellen kann der Elektronenstrahl, der zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auf die Targetanode auftrifft, mithilfe eines um die Röntgenquelle angelegten Quadrupolmagnetfelds fokussiert werden. Eine derartige Fokussierung kann die Fokussierung der Emission von Röntgenstrahlen mit variabler Energie ermöglichen, die zur Abbildung verschiedener Gewebearten und zur Bereitstellung variierender Energiepegel (z. B. bei Strahlentherapieverfahren) nützlich sein kann. Des Weiteren kann es die Lenkung des Elektronenstrahls mithilfe eines Magnetfelds ermöglichen, dass die Röntgenquelle Röntgenstrahlen von im Wesentlichen konstanten oder variierenden Positionen der Anode abstrahlt, z. B. zum Erzeugen von stereoskopischen und/oder volumetrischen Darstellungen. In Konfigurationen, bei denen erwünscht ist, die Röntgenstrahlen von variierenden Positionen an der Anode abzustrahlen und/oder den Elektronenstrahl bei verschiedenen Energien zu fokussieren, kann die Totzeit zwischen Positionsänderungen oder Brennpunkterhaltung wenigstens teilweise von der Fähigkeit des den Elektronenstrahl lenkenden und/oder fokussierenden Magnetfelds zum Ändern seiner Größe (d. h. Ausrichtung) und zum Zusammenwirken mit dem Elektronenstrahl abhängen.
Zur Erzeugung und Änderung dieser Magnetfelder wird im typischen Fall ein Strom über eine Steuerschaltung durch Elektronenstrahlmanipulationsspulen geleitet. Die Steuerschaltung variiert den Strom, der durch die Spulen fließt, was wiederum das von jeder Spule erzeugte Magnetfeld beeinflusst. Leider weisen einige Steuerschaltungen langsame Übergänge zwischen Strömen auf, was zu Verzügen bei der Änderung der Magnetfeldgröße und daher zu einem Verzug bei der Fokussierstärke und/oder Richtungslenkungsfähigkeit führen kann. Darüber hinaus können typische Steuerschaltungen eine Vielzahl von Elektronenstrahlmanipulationsspulen in Reihe steuern, was die einzelne Ansteuerung jeder Spule nicht zulässt. Diese Nachteile können zu einer weniger als optimalen Lenkung des Elektronenstrahls führen, was die Röntgenstrahlenemission und daher die Qualität einer Strahlentherapie oder eines erzeugten Bilds beeinträchtigen kann.
Die hierin beschriebenen Ansätze sehen Ausführungsformen zur raschen Änderung einer Stromgröße durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule vor. Zum Beispiel ist gemäß gewissen vorliegenden Ausführungsformen eine Steuerschaltung vorgesehen, die eine Quelle relativ niedriger Spannung (z. B. 1 bis 20 Volt (V)) und eine Quelle relativ hoher Spannung (z. B. 100 bis 300 V) beinhaltet. Die Steuerschaltung beinhaltet verschiedene Merkmale zur Verwendung der Niederspannungsquelle zur Erhaltung eines Durchschnittsstroms durch die Spule und verschiedene Merkmale zur Verwendung der Hochspannungsquelle zum raschen Umschalten zwischen Strompegeln. Außerdem sehen gewisse der offenbarten Ausführungsformen Steuerlogik zur Regulierung des Betriebs der Steuerschaltungsanordnung vor. Die Steuerlogik kann Merkmale zur Regulierung der normalen Betriebsfrequenz der Steuerschaltung beinhalten, wobei der Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule von relativ niedrigen Strompegeln auf relativ hohe Strompegel und von hohen auf niedrige Strompegel geändert wird. Außerdem beinhaltet die Steuerlogik Merkmale zur Regulierung der Stromerhaltung durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule. Dementsprechend können die vorliegenden Ausführungsformen gegenüber typischen Ansätzen gewisse technische Vorteile verleihen, darunter eine größere Kontrolle über jede Elektronenstrahlmanipulationsspule, schnellere Umschaltzeiten, zuverlässige Röntgenstrahlenemission und weniger Bildgebungsartefakte.
Die hierin beschriebenen Ansätze können in den oben erwähnten Umfeldern verwendet werden, zu denen nichtinvasive Bildgebung, chirurgische Navigation, Strahlentherapie und so weiter zählen können. Dementsprechend bieten 1 und 2 nicht beschränkende Beispiele von Systemen, die Steuerschaltungen und Steuerlogik gemäß den vorliegenden Ansätzen beinhalten können. Speziell ist 1 ein Blockdiagramm, das ein allgemeines System 10 veranschaulicht, das eine Röntgenstrahlenquelle 12 zur Durchführung eines Qualitätskontroll-, Sicherheits-, medizinischen Bildgebungs-, chirurgischen und/oder Behandlungsverfahrens verwendet. Die Röntgenstrahlenquelle 12 kann eine oder mehrere Röntgenröhren beinhalten, die jeweils Merkmale zum kontrollierten Erzeugen von Röntgenstrahlen aus mehr als einer Perspektive und/oder mit mehr als einer Energie, wie oben angegeben, haben. Die Röntgenquelle 12 erzeugt daher einen Strom oder mehrere Ströme von Röntgenstrahlen 14, die auf einen Gegenstand von Interesse 16 gerichtet werden. Der Gegenstand von Interesse kann Gepäck, Fracht, ein Herstellungsartikel, ein Gewebe von Interesse und/oder ein Patient sein. Die Röntgenstrahlung 14 wird auf den Gegenstand von Interesse 16 gerichtet, wobei die Röntgenstrahlung gedämpft wird, um ein Bündel gedämpfter Röntgenstrahlen 18 zu erzeugen. Das Bündel gedämpfter Röntgenstrahlen 18 wird von einem Rückkopplungserzeugungssystem 20 erfasst, um für ein Bild repräsentative Signale oder andere Informationen, die für die Durchführung des Verfahrens nützlich sein können, zu erzeugen. Auch hier können die am Rückkopplungserzeugungssystem 20 erzeugten Daten Daten beinhalten, die durch das Empfangen von Röntgenstrahlen aus bzw. mit verschiedenen Positionen und/oder Energien von jeder Röntgenröhre der Quelle 12 erzeugt wurden.
Eine Systemsteuerung 22 steuert den Betrieb des Systems 10 zur Ausführung von Untersuchungs-, Therapie- und/oder Kalibrierungsprotokollen und zur Verarbeitung der Rückkopplung. Bezüglich der Röntgenquelle 12 stellt der Systemcontroller 22 Leistung, Lage des Brennflecks, Brennfleckgröße, Steuersignale und so weiter für die Röntgenuntersuchungssequenzen bereit. Die Systemsteuerung 22 kann zum Beispiel Brennfleckgrößen und/oder die Lage von Brennflecken für Röntgenemissionen durch die Röntgenquelle 12 bereitstellen. Außerdem ist das Rückkopplungserzeugungssystem 20 in einigen Ausführungsformen mit der Systemsteuerung 22 gekoppelt, welche die Erfassung der Rückkopplung befiehlt. Wie unten noch ausführlicher besprochen wird, kann die Systemsteuerung 22 auch den Betrieb eines Positionierungssystems 24 steuern, das zum Bewegen von Komponenten des Systems 10 und/oder des Gegenstands 16 verwendet wird. Die Systemsteuerung 22 kann eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und eine zugeordnete Speicherschaltungsanordnung beinhalten. In deartigen Ausführungsformen kann die Speicherschaltungsanordnung Programme, Routinen und/oder codierte Algorithmen speichern, die von der Systemsteuerung 22 zum Betreiben des Systems 10, einschließlich einem oder mehreren Merkmalen der Röntgenquelle 12, und zum Verarbeiten der von dem Erzeugungssystem 20 erfassten Rückkopplung abgearbeitet werden. In einer Ausführungsform kann die Systemsteuerung 22 als Ganzes oder als Teil eines prozessorgestützten Systems, wie z. B. eines Universal- oder eines anwendungsspezifischen Computersystems implementiert sein.
Die Quelle 12 kann von einer in der Systemsteuerung 22 enthaltenen oder anderweitig mit ihr verbundenen Röntgensteuerung 26 gesteuert werden. Die Röntgensteuerung 26 ist zum Anlegen von Leistungs- und Zeitsteuerungssignalen an die Quelle 12 konfiguriert. In einigen Ausführungsformen kann die Röntgenquellensteuerung 26 konfiguriert sein, um die Quelle 12 selektiv zu aktivieren, so dass Röhren oder Strahler an verschiedenen Stellen in dem System 10 in Übereinstimmung miteinander oder unabhängig voneinander betrieben werden können. Darüber hinaus kann die Röntgenquellensteuerung 26 in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Steuerschaltungen beinhalten, wobei jede Steuerschaltung mit einer jeweiligen Elektronenstrahlmanipulationsspule verbunden ist, um die Spulen nahe den Röntgenröhren in dem System 10 zu erregen. Die Steuerschaltungen, welche die Spulen erregen, können jede Röhre mithilfe eines Dipol- oder Quadrupolmagnetfelds zum Abstrahlen von Röntgenstrahlung aus mehreren Perspektiven und/oder mit mehreren Energien veranlassen. Wie unten noch ausführlich besprochen wird, können gewisse Ausführungsformen ein Dipolmagnetfeld verwenden, um die Perspektive zu ändern, aus der die Röntgenstrahlen abgestrahlt werden, während andere Ausführungsformen ein Quadrupolmagnetfeld verwenden können, um eine Brennfleckgröße von Elektronenstrahlen verschiedener Energien (z. B. zum Variieren der Energie abgestrahlter Röntgenstrahlen) zu regeln.
Wie oben angegeben, wird die Röntgenquelle 12, die von der Röntgenquellensteuerung 26 gesteuert wird, von dem Positionierungssystem 24 um den Gegenstand von Interesse 16 positioniert. Wie gezeigt, ist das Positionierungssystem 24 auch mit dem Rückkopplungserzeugungssystem 20 verbunden. In anderen Ausführungsformen ist das Positionierungssystem 24 möglicherweise aber nicht mit dem Rückkopplungserzeugungssystem 20 verbunden. Das Positionierungssystem 24 kann die Röntgenquelle 12 und/oder das Rückkopplungserzeugungssystem 20 verlagern, damit die Quelle 12 den Gegenstand von Interesse 16 aus verschiedenen Positionen abbilden oder behandeln kann. Beispielsweise kann das Positionierungssystem 24 in einem Strahlentherapieverfahren die Röntgenquelle 12 im Wesentlichen kontinuierlich um den Gegenstand von Interesse 12, der ein Gewebe von Interesse sein kann, verlagern, während die Energie der in Richtung auf das Gewebe von Interesse abgestrahlten Röntgenstrahlung 14 variiert wird. Darüber hinaus kann die Brennfläche der Röntgenstrahlung 14 mithilfe von Quadrupol- und/oder Dipolmagnetfeldern aufrecht erhalten werden. Auf diese Weise wird das Gewebe von Interesse mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen Röntgenstrahlungsfluss versehen, während die Röntgenbestrahlung außerhalb davon liegender Gewebe minimiert wird. Darüber hinaus produzieren einige Systeme zwar keine diagnostischen Bilder des Patienten, aber das Rückkopplungserzeugungssystem 20 kann Daten in Bezug auf die Position der Röntgenquelle 12 oder anderer Merkmale, wie z. B. eines chirurgischen Instruments, im Verhältnis zu dem Gewebe von Interesse produzieren, z. B. als Bild und/oder als Kennfeld. Derartige Daten können es einem Mediziner oder anderen Gesundheitsdienstleister ermöglichen zu gewährleisten, dass die Röntgenstrahlung 14 und/oder das chirurgische Instrument in Bezug auf das Gewebe von Interesse richtig positioniert ist. Das Rückkopplungserzeugungssystem 20 kann einen Detektor, wie z. B. eine Diodenzeile, oder ein System, das die Position der Quelle 12 und/oder des chirurgischen Instruments im Verhältnis zum Gegenstand von Interesse 16 überwacht, beinhalten. In gewissen Ausführungsformen kann das Rückkopplungserzeugungssystem 20 durchaus einen Detektor und positionsüberwachende Merkmale aufweisen, die direkt oder indirekt auch eine Rückkopplung an das Positionierungssystem 24 anlegen können.
Zur Rückkopplung zu Merkmalen des Systems 10, die nicht direkt mit dem Rückkopplungserzeugungssystem 20 verbunden oder assoziiert sind, legt das Rückkopplungserzeugungssystem 20 Datensignale an ein Rückkopplungserfassungs- und -verarbeitungssystem 28 an. Das Rückkopplungserfassungs- und -verarbeitungssystem 28 kann eine Schaltungsanordnung zum Empfangen der Rückkopplung von dem Rückkopplungserzeugungssystem 20 sowie eine Verarbeitungsschaltung zur Manipulation der empfangenen Daten beinhalten. Zum Beispiel kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung Signalwandler (z. B. A/D-Wandler), Gerätetreiber, Verarbeitungschips, Speicher und so weiter beinhalten. In einigen Ausführungsformen setzt das Rückkopplungserfassungs- und -verarbeitungssystem 28 vom Rückkopplungserzeugungssystem 20 erhaltene analoge Signale in digitale Signale um, die von einer oder mehreren Verarbeitungsschaltungen (z. B. einem rechnergestützten Prozessor) der Systemsteuerung 22 weiter verarbeitet werden können.
Eine Ausführungsform von System 10 ist in 2 abgebildet, die ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Röntgen-Bildgebungssystems 30 wie z. B. eines CT- oder anderen radiographischen bildgebenden Systems ist. Das System 30 beinhaltet eine Bildgebungssystemsteuerung 32 zum Erfassen und Verarbeiten von Projektionsdaten. Die Bildgebungssystemsteuerung 32 beinhaltet auch die Röntgenquellensteuerung 26, die wie oben beschrieben funktioniert, oder ist anderweitig funktionell mit ihr verbunden. Die Röntgenquellensteuerung 26, wie oben angegeben, kann auch funktionell mit einer Vielzahl von Magnetspulen verbunden sein, die nahe einer Röntgenröhre der Quelle 12 angeordnet sind. Auch hier beinhaltet die Steuerung 26 eine Vielzahl von Steuerschaltungen, die jeweils eine Reihe von Spannungsimpulsen an eine Magnetspule anlegen, um einen in der Röntgenröhre erzeugten Elektronenstrahl zu lenken oder zu fokussieren, was die Erzeugung von Röntgenstrahlen mit verschiedenen Energien oder in verschiedenen Brennflächen an einer Targetanode der Röntgenröhre zulässt.
Im Allgemeinen positioniert das System 30 einen Patienten 34 so, dass das von der Quelle 12 erzeugte Röntgenstrahlenbündel 14 vom Patienten 34 (z. B. verschiedenen Anatomien von Interesse) gedämpft wird, um die gedämpften Röntgenstrahlen 18 zu erzeugen, die von einer fotografischen Platte oder einem digitalen Detektor 36 aufgenommen werden können. In gewissen Ausführungsformen kann der Patient 34 auf diese Weise mithilfe eines Patiententischs in Verbindung mit einem C-Arm oder einer Gantry 38, der/die steuerbar mit der Bildgebungssystemsteuerung 32 verbunden ist, positioniert werden. Im Allgemeinen kann die Bildgebungssystemsteuerung 32 gewisse Bildgebungssequenzparameter synchronisieren, wie z. B. Emissionen von der Quelle 12 mit Umdrehungsgeschwindigkeiten der Quelle 12 und des Detektors um die Gantry.
Die Daten, die bei Empfang der gedämpften Röntgenstrahlen 18 am Detektor 36 generiert werden, werden, wie oben, an Verarbeitungsmerkmale wie z. B. das gezeigte Datenerfassungssystem (DAS) 40 angelegt. Das DAS 40 setzt die vom Detektor 36 empfangenen Daten im Allgemeinen in ein Signal um, das an der Bildgebungssystemsteuerung 32 (oder einem anderen rechnergestützten Prozessor) verarbeitet werden kann. Zum Beispiel kann der Detektor 36 bei Empfang der gedämpften Röntgenstrahlen 18 analoge Datensignale generieren und das DAS 40 kann die analogen Datensignale in digitale Datensignale zur Verarbeitung an der Bildgebungssystemsteuerung 32 umsetzen. Die Daten können zum Generieren von einer oder mehreren volumetrischen Darstellung(en) verschiedener Anatomien innerhalb des Patienten 34 verwendet werden.
Wieder kann die Qualität der erzeugten volumetrischen Darstellungen zumindest teilweise von der Fähigkeit der Röntgenquelle 12, Röntgenstrahlen kontrolliert abzustrahlen, abhängen. Zum Beispiel kann die Fähigkeit der Röntgenquelle 12, schnell (z. B. innerhalb von Milli- oder Mikrosekunden) zwischen dem Abstrahlen von Röntgenstrahlen aus verschiedenen Perspektiven oder mit verschiedenen Energien zu wechseln, die Bildung volumetrischer Darstellungen mit weniger Artefakten und einer höheren Auflösung als Bilder, die erzeugt werden, wenn eine solche Funktionalität nicht vorhanden ist, ermöglichen. Zum Beispiel kann ein erstes Bild mithilfe von Röntgenstrahlen einer ersten Energie generiert werden und ein zweites Bild kann mithilfe von Röntgenstrahlen einer zweiten Energie generiert werden. Das erste und das zweite Bild, die bei verschiedenen Energien erfasst werden, können weiterverarbeitet werden, z. B. zum Erhalten von Weichgewebeinformationen, Knochengewebeinformationen oder dergleichen. In gewissen Ausführungsformen, wie z. B., wenn die Quelle 12 sich um den Patienten dreht, ist es möglicherweise erwünscht, die Röntgendämpfungsdaten mit der ersten und der zweiten Energie so schnell wie möglich zu erfassen, um einen genaueren Vergleich zwischen den zwei resultierenden Bildern oder Dämpfungsdatensätzen zu ergeben. Tatsächlich können die Bildgebungssystemsteuerung 32 und die Röntgenquellensteuerung 22 gemäß den vorliegenden Ausführungsformen zum Erzeugen mehrerer Sätze von Röntgenstrahlen (z. B. aus verschiedenen Perspektiven oder mit verschiedenen Energien) innerhalb von etwa 1 bis etwa 1000 Mikrosekunden voneinander konfiguriert sein. Die vorliegenden Ausführungsformen können durchaus die Röntgenstrahlenemission mit mehreren Energien innerhalb von etwa 1 bis etwa 750 Mikrosekunden, etwa 1 bis etwa 500 Mikrosekunden, etwa 10 bis etwa 250 Mikrosenkunden, etwa 10 bis etwa 100 Mikrosekunden oder etwa 20 bis etwa 50 Mikrosekunden voneinander ermöglichen.
Unter Berücksichtigung des Vorhergehenden zeigt 3 eine Ausführungsform einer Röntgenröhre 50, die Merkmale beinhaltet, die zum Bereitstellen einer Röntgenemission aus mehreren Perspektiven mithilfe eines Dipolmagnetfelds konfiguriert sind. Speziell zeigt 3 die Röntgenröhre 50 als Röntgenstrahlung aus einer ersten Perspektive abstrahlend, wobei sie die Fähigkeit hat, Röntgenstrahlung aus einer zweiten Perspektive abzustrahlen. Wie oben angegeben, sind die vorliegenden Ausführungsformen im Zusammenhang eines Quadrupolmagnetfelds anwendbar, das zur Änderung der Größe (z. B. Durchmesser) eines Elektronenstrahls konfiguriert ist, was in Bezug auf die 4 bis 8 beschrieben wird. Die Röntgenröhre 50, jetzt Bezug nehmend auf 3, beinhaltet eine Anodenanordnung 52 und eine Kathodenanordnung 54. Die Röntgenröhre 50 wird von der Anoden- und der Kathodenanordnung in einem leitenden oder nichtleitenden Gehäuse 56 getragen, das einen Bereich mit einem im Vergleich zur Umgebung relativ niedrigen Druck (z. B. einem Vakuum) definiert. Zum Beispiel kann das Gehäuse 56 Glas, Keramik oder Edelstahl oder andere geeignete Werkstoffe beinhalten.
Die Anodenanordnung 52 beinhaltet im Allgemeinen Rotationsmerkmale 58 zum Verursachen der Drehung einer Anode 60 während des Betriebs. Die Rotationsmerkmale 58 können einen Rotor und einen Stator 62 zum Antreiben der Drehung sowie ein Lager 64, das die Anode 60 drehend lagert, beinhalten. Das Lager 64 kann ein Kugellager, ein Spiralrillenlager oder ähnliches Lager sein. Im Allgemeinen beinhaltet das Lager 64 einen feststehenden Teil 66 und einen Rotationsteil 68, an dem die Anode 60 angebracht ist.
Der Vorderteil der Anode 60 ist als eine Targetscheibe mit einer daran ausgebildeten Target- oder Brennfläche 70 ausgebildet. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung trifft ein Elektronenstrahl 72 in verschiedenen Entfernungen von einem zentralen Bereich 74 der Anode 60 auf die Brennfläche 70 auf. In der in 3 gezeigten Ausführungsform kann erwogen werden, dass die Brennfläche 70 an einer ersten Position 76 getroffen wird, während sie bei Änderung des Dipolmagnetfelds, wie unten besprochen, in einer zweiten Position 78 getroffen wird.
Die Anode 60 kann aus einem beliebigen Metall oder Verbundwerkstoff hergestellt sein, wie z. B. Wolfram, Molybdän, Kupfer oder einem beliebigen Werkstoff, der zur Bremsstrahlung beiträgt, wenn er mit Elektronen beschossen wird. Das Oberflächenmaterial der Anode ist gewöhnlich so gewählt, dass es einen relativ hohen Feuerfestwert hat, um der Wärme standzuhalten, die von den auf die Anode 60 auftreffenden Elektronen erzeugt wird. Der Zwischenraum zwischen der Kathodenanordnung 54 und der Anode 60 kann evakuiert werden, um Kollisionen von Elektronen mit anderen Atomen zu minimieren und ein elektrisches Potential zwischen der Kathode und der Anode zu maximieren. Darüber hinaus kann eine derartige Evakuierung vorteilhaft zulassen, dass ein Magnetfluss schnell mit dem Elektronenstrahl 72 in Wechselwirkung treten (d. h. ihn lenken oder fokussieren) kann. In einigen Röntgenröhren werden zwischen der Kathodenanordnung 54 und der Anode 60 Spannungen von über 20 kV erzeugt, die verursachen, dass von der Kathodenanordnung 54 abgestrahlte Elektronen von der Anode 60 angezogen werden.
Steuersignale werden über Leitungen 81 von einer Steuerung 84, wie z. B. der Röntgensteuerung 26, zur Kathode 82 weitergeleitet. Die Steuersignale verursachen, dass ein thermionischer Draht der Kathode 82, der den Elektronenstrahl 72 erzeugt, erhitzt wird. Der Strahl 72 trifft auf die Brennfläche 70 an der ersten Position 76 auf, was zur Erzeugung eines ersten Röntgenstrahlungssatzes 86 führt, der aus einer Röntgenstrahlenöffnung 88 der Röntgenröhre 50 ausgelenkt wird. Beim ersten Röntgenstrahlungssatz 86 kann davon ausgegangen werden, dass er eine jeweilige erste Richtung oder, in anderen Zusammenhängen, eine jeweilige erste Energie hat, wie unten ausführlich besprochen wird. Die Richtung, Ausrichtung und/oder Energie des ersten Röntgenstrahlungssatzes 86 kann vom Winkel, von der Platzierung, dem Brennfleckdurchmesser und/oder der Energie, mit der der Elektronenstrahl 72 auf die Brennfläche 70 auftrifft, beeinflusst werden.
Einige oder alle dieser Parameter können von einem Magnetfeld 90 in dem Gehäuse 56, das außerhalb der Röntgenröhre 50 erzeugt wird, beeinflusst und/oder bestimmt werden. Zum Beispiel können erste und zweite Magneten 92, 94, die außerhalb des Röntgenröhrengehäuses 56 angeordnet sind, das Dipolmagnetfeld 90 erzeugen. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Magnete 92, 94 jeweils mit jeweiligen Steuerungen 96, 98 verbunden. Die Steuerungen 96, 98 speisen jeweils die ersten und zweiten Magneten 92, 94 mit einem elektrischen Strom und können die Systemsteuerung 22 oder die Röntgensteuerung 26, die oben in den 1 und 2 besprochen werden, beinhalten oder Teil davon sein. Wenn der elektrische Strom durch die ersten und zweiten Magnete 26 geleitet wird, werden jeweilige erste bzw. zweite Magnetfelder 100, 102 erzeugt. Die ersten und zweiten Magnetfelder 100, 102 tragen beide zum Dipolmagnetfeld 90 in dem Gehäuse 56 bei.
So verlässt der erste Röntgenstrahlungssatz 86, der das Röntgenstrahlenbündel 18 von 1 und 2 ganz oder teilweise bilden kann, die Röhre 50 und wird von der ersten Perspektive aus während Untersuchungs- und/oder Therapieverfahren allgemein in Richtung auf einen Gegenstand von Interesse gerichtet. Wie oben angegeben, kann das Wechseln der Größe (z. B. Stärke, Ausrichtung) des äußerlich erzeugten Magnetfelds 90, das über die Röhre 50 angelegt wird, die Richtung oder Fokussierstärke, mit welcher die Röntgenstrahlen von der Röntgenröhre 50 abgestrahlt werden, variieren. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform der Röntgenröhre 50, bei der die Kathodenanordnung 54 zum Erzeugen eines Elektronenstrahls 110 bei variierenden Energien konfiguriert ist. Bei einer ersten Energie hat der Elektronenstrahl einen Durchmesser 112. Der Durchmesser 112 des Elektronenstrahls 110 kann wenigstens teilweise eine Brennfläche 114 der Anode 60 bestimmen, die mit dem Elektronenstrahl 110 beschossen wird. Bei variierendem Durchmesser 112 des Elektronenstrahls 110 kann sich möglicherweise die Brennfläche 114 an der Targetanode 114 ändern. In einigen Ausführungsformen kann es aber erwünscht sein, den Durchmesser des Elektronenstrahls 110 aufrecht zu erhalten. Dementsprechend beinhaltet die veranschaulichte Ausführungsform der Röntgenröhre 50 Merkmale zur Erhaltung des Durchmessers 112 des Elektronenstrahls 110 zur Erhaltung der Brennfläche 114 an der Anode 60.
Speziell beinhaltet die Ausführungsform der in 4 gezeigten Röntgenröhre 50 die gleichen Röhrenmerkmale wie die Röntgenröhre 50 von 3. Die Röhre 50 ist aber von einem ersten und einem zweiten Magnet 118, 120 umgeben, die einen Teil einer Vielzahl von Magneten (z. B. vier oder mehr Magneten) bilden, die zum Erzeugen eines Quadrupolmagnetfelds 122 konfiguriert sind. Das Quadrupolmagnetfeld 122 122 kann dazu verwendet werden, den Durchmesser 112 des Elektronenstrahls 110 zu variieren oder den Durchmesser 112 des Elektronenstrahls 110 im Wesentlichen konstant zu halten, während sich die Energie des Elektronenstrahls 110 ändert. Die ersten und zweiten Magneten 118, 120 sind jeweils mit Steuerungen 122, 124 verbunden, die die Erzeugung jeweiliger Magnetfelder 126, 128 ermöglichen. Die Funktionsweise des Quadrupolmagnetfelds 122 wird mit Bezug auf die 5 bis 8 besprochen.
Speziell veranschaulicht 5 eine Ausführungsform einer Magnetanordnung 140, die eine erste Vielzahl von Magneten 142 und eine zweite Vielzahl von Magneten 144 hat, die in einer ringförmigen Anordnung um das Gehäuse 56 angeordnet sind. Dementsprechend kann in einigen Ausführungsformen die erste und/oder zweite Vielzahl von Magneten 142, 144 in einem Voll- oder Teilkreis um das Gehäuse 56 angeordnet sein. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die erste und die zweite Vielzahl von Magneten 142, 144 konzentrisch um das Gehäuse 56 angeordnet. Eine derartige Anordnung kann die Manipulation des Durchmessers 112 des Elektronenstrahls 110 ermöglichen. Gemäß gewissen der vorliegenden Ausführungsformen kann jeder der Magnete mit einer Steuerschaltung verbunden sein, was die unabhängige Steuerung jeder elektromagnetischen Spule jedes Magnets zulässt. Eine derartige Konfiguration kann zur Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen erwünscht sein, wie z. B. magnetischen Inhomogenitäten und Pol-Fehlausrichtung. Beispielsweise ist der erste Magnet 118 in der ersten Vielzahl von Magneten 142 eingeschlossen und beinhaltet eine erste Magnetspule 146, die funktionell mit der ersten Steuerung 122 verbunden ist, die, wie unten ausführlicher besprochen, wenigstens eine Steuerschaltung und Steuerlogik beinhaltet, die den Betrieb der Steuerschaltung steuert. Desgleichen ist der zweite Magnet 120 als einer der zweiten Vielzahl von Magneten 144 abgebildet und hat eine zweite Magnetspule 148, die funktionell mit der zweiten Steuerung 124 verbunden ist. Wie oben mit Bezug auf 4 angegeben, funktioniert das (die) von der ersten und der zweiten Vielzahl von Magneten 142, 144 erzeugte(n) Quadrupolmagnetfeld (oder -felder) zum Einstellen des Durchmessers 112 des Elektronenstrahls 110.
In 5 ist der Elektronenstrahl 110 als mit einer ersten Energie abgestrahlt dargestellt, was einen ersten Durchmesser 150 zur Folge hat. Wenn der Elektronenstrahl dem von der ersten Vielzahl von Magneten 142 erzeugten Quadrupolmagnetfeld begegnet, wird der Strahl 110 in einer ersten Richtung komprimiert. Das heißt, der Elektronenstrahl 110 wird entlang beispielsweise einer x- oder z-Achse komprimiert, wobei die y-Achse des Strahls 110 an dem Gehäuse 56 entlang liegt. Das Ausmaß der Komprimierung des Elektronenstrahls 110 hängt mindestens von der ersten Energie des Elektronenstrahls 110, der Intensität des Elektronenstrahls 110 und der Stärke des Quadrupolfelds ab. Desgleichen wird der Elektronenstrahl 110 in einer zweiten Richtung auf den gewünschten Durchmesser 112 komprimiert, während das Quadrupolfeld der zweiten Vielzahl von Magneten 144 auf den Strahl 110 wirkt.
In 6 wird der Elektronenstrahl 110 mit einer zweiten Energie abgestrahlt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die zweite Energie des Elektronenstrahls 110 größer als die erste Energie des Elektronenstrahls 110, was einen zweiten Durchmesser 162 zur Folge hat. Weil die zweite Energie größer als die erste Energie ist, unterscheidet sich der zweite Durchmesser 162 vom ersten Durchmesser 150. Dementsprechend werden die von der ersten und der zweiten Vielzahl von Magneten 142, 144 erzeugten Quadrupolmagnetfelder variiert, um die Energievariation zum Erzeugen des gewünschten Durchmessers 112 mit der zweiten Energie auszugleichen. Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen wird die Größe der Quadrupolfelder mithilfe jeder Steuerschaltung, die mit jeder Magnetspule verbunden ist, variiert. Dementsprechend wird der zweite Durchmesser 162 in der ersten Richtung von der ersten Vielzahl von Magneten 142 komprimiert, indem der zu jeder der Spulen geleitete Strom mithilfe ihrer jeweiligen Steuerschaltungen variiert wird. Zum Beispiel kann ein höherer Strom durch jede der Magnetspulen geleitet werden, um eine größere Kraft zum Komprimieren eines Elektronenstrahls höherer Energie bereitzustellen. Der Elektronenstrahl 110 wird dann in der zweiten Richtung komprimiert, um den gewünschten Durchmesser 112 bei der zweiten Energie zu erzeugen.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Ausführungsform zwar im Zusammenhang der Erhöhung der Magnetfeldstärke zum Komprimieren des Elektronenstrahls 110, während seine Energie gesteigert wird, beschrieben wird, dass aber die zum Erzeugen des gewünschten Durchmessers des Elektronenstrahls verwendete Stärke des Magnetfelds auch von der Intensität des Elektronenstrahls und der Entfernung abhängen kann, welche der Elektronenstrahl zwischen dem Strahler und der Targetanode zurücklegt. In gewissen Ausführungsformen, wie z. B. für gewisse Fokussierentfernungen und gewisse Elektronenstrahlintensitäten, ist das zum Komprimieren eines Elektronenstrahls mit höherer Energie geeignete Magnetfeld daher möglicherweise kleiner als das zum Komprimieren desselben Elektronenstrahls mit einer niedrigeren Energie geeignete. Eine derartige Manipulation des Elektronenstrahls kann das Abstrahlen von Röntgenstrahlen verschiedener Energien auf ein Objekt von Interesse bei einer im Wesentlichen konstanten Brennfleckgröße ermöglichen, beispielsweise, um die Erzeugung von Bildern mit unterschiedlichem Kontrast und/oder unterschiedlicher Dämpfung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die erste Vielzahl von Magneten 142 und die zweite Vielzahl von Magneten 144 um die Röhre im Vorliegenden zwar im Zusammenhang der Komprimierung des Elektronenstrahls 110 in nur einer Richtung besprochen werden, der Elektronenstrahl 110 in einigen Ausführungsformen aber aus beiden Richtungen mit beiden Vielzahlen von Magneten 142, 144 komprimiert werden kann.
Die richtungsgebundene Komprimierung des Elektronenstrahls 110 kann mit Bezug auf 7 und 8, die Draufsichten an Linie 7-7 bzw. 8-8 in 5 sind, weiter erkannt werden. Eine Ausführungsform der ersten Vielzahl von Magneten 142 von 5 und 6, jetzt Bezug nehmend auf 7, ist bei Erregung zum Erzeugen eines ersten Quadrupolfelds veranschaulicht. Das erste von der ersten Vielzahl von Magneten 142, wie oben angegeben, erzeugte Quadrupolfeld ist für die Komprimierung des Elektronenstrahls 110 in einer ersten Richtung (z. B. der x-Richtung) ausgelegt. Wie abgebildet, beinhaltet die erste Vielzahl von Magneten 142 die Spulen 170, 172, 174, 176, 178, 180 und 182, die einen zentralen Teil 184 der Anordnung 140 umgeben. Jede Spule 146, 170–182 ist funktionell mit einer jeweiligen Steuerung 122, 184, 186, 188, 190, 192 und 194 gekoppelt. Jede Steuerung 122, 184–194 beinhaltet wenigstens eine jeweilige Steuerschaltung, die funktionell mit einem Steuerlogikbauteil gekoppelt ist.
Zum Beispiel ist die erste Spule 146 als mit der Steuerung 122 gekoppelt dargestellt, die eine Steuerschaltung 198 zum Zuführen eines Stroms zur und zum Anlegen von Spannungsimpulsen an die Spule 146 zur Erzeugung eines gewünschten Magnetfelds beinhaltet. Der Betrieb gewisser Merkmale in der Steuerschaltung 198 (z. B. Schaltelemente) wird von einer Steuerlogik 200 gesteuert. Die Steuerlogik 200 erzeugt eine Reihe von Logikausgängen zum Einstellen des Betriebs der Steuerschaltung 198 und daher der von der Spule 146 erzeugten Größe des Magnetfelds. Es ist zu beachten, dass die Steuerung 122 zwar mit einer einzelnen Verbindung zur ersten Spule 146 dargestellt ist, die Steuerschaltung 198 der Steuerung 122 aber eine Schnittstelle haben kann, die mit beiden Enden der Spule 146 gekoppelt ist. Eine derartige Konfiguration wird unten in Bezug auf die 11, 13, 15 und 17 besprochen.
In 8 ist die zweite Vielzahl von Magneten 144 als ein zweites Quadrupolfeld zur Komprimierung des Elektronenstrahls 110 in einer zweiten Richtung (z. B. der z-Richtung) erzeugend abgebildet. Wie gezeigt, beinhaltet die Vielzahl die zweite Spule 148 sowie die Spulen 210, 212, 214, 216, 218, 220 und 222. Wie oben in Bezug auf die erste Vielzahl von Magneten 142 besprochen, ist jede Spule funktionell mit einer jeweiligen Steuerung gekoppelt, die jeweils wenigstens eine Steuerschaltung beinhaltet, die funktionell mit einem Steuerlogikbauteil gekoppelt ist. Wie oben besprochen, ist jede Steuerung allgemein zur Erregung der Spulen zum Erzeugen eines Magnetfelds konfiguriert. Den vorliegenden Ausführungsformen gemäß können die Steuerschaltungen zum Variieren des Stroms durch die Spulen, um das von ihnen jeweils erzeugte Magnetfeld zu variieren, ausgeführt sein.
9 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform einer Steuerschaltung 240, die zur Aufnahme einer Elektronenstrahlmanipulationsspule ausgeführt ist. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung 240 die Steuerschaltung 198 in 7 oder eine beliebige Steuerschaltung zum Treiben des Stroms durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule sein. Die Steuerschaltung 240 ist in allgemeiner Hinsicht dafür ausgelegt, eine erste Spannungsquelle 242 zur Erhaltung eines Stroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule zu verwenden. Die Steuerschaltung 240 ist auch dafür ausgelegt, eine zweite Spannungsquelle 244 zu verwenden, um an dem durch die Spule fließenden Strom Einstellungen vorzunehmen, zum Beispiel zum Induzieren einer Änderung in dem von der Spule erzeugten Magnetfeld (d. h. zum Ändern ihrer Größe).
Die Steuerschaltung 240 beinhaltet eine Schnittstelle 246 zur elektrischen Kopplung an eine Elektronenstrahlmanipulationsspule und beinhaltet auch eine Reihe von Schaltelementen, die zum Manipulieren des Stroms durch die Spule zwischen den Spannungsquellen 242, 244 und der Schnittstelle 246 angeordnet sind. Speziell beinhaltet die Steuerschaltung 240 ein erstes Schaltelement 248, das mit der ersten Spannungsquelle 242 gekoppelt und ihr elektrisch nachgeschaltet ist. In allgemeiner Hinsicht bildet das erste Schaltelement 248, wenn es sich in einer geschlossenen Stellung befindet, einen ersten Stromweg, der einen ersten Strom zur Schnittstelle 246 hin fließen lässt. Dem ersten Schaltelement 248 ist eine erste Diode 250 nachgeschaltet, um einen Rückstrom während des Betriebs der Schaltung 240 zu verhindern. Speziell verhindert die erste Diode 250 einen Stromfluss von der zweiten Spannungsquelle 244 zur ersten Spannungsquelle 242, der die Steuerschaltung 240 beschädigen kann.
Desgleichen ist ein zweites Schaltelement 252 mit der zweiten Spannungsquelle 244 gekoppelt und ihr elektrisch nachgeschaltet. Wie das erste Schaltelement 248 bildet das zweite Schaltelement 252, wenn es in einer geschlossenen Stellung ist, einen zweiten Stromweg, der einen zweiten Strom in Richtung auf die Schnittstelle 246 fließen lässt. Wie unten noch ausführlicher besprochen wird, ist eine zweite Diode 254 parallel zu dem zweiten Schaltelement 252 bereitgestellt, um einen Stromfluss gleichbleibender Richtung an einem Stromweg entlang zu ermöglichen, der verglichen mit dem zweiten Strom eine entgegengesetzte Polarität hat.
Die Schaltung 240 beinhaltet auch ein drittes und ein viertes Schaltelement 256, 258, die an entgegengesetzten Seiten der Schnittstelle 246 parallel bereitgestellt sind. Speziell ist das dritte Schaltelement 256 an einer ersten Seite 260 der Schnittstelle 246 angeordnet und das vierte Schaltelement 258 ist an einer zweiten Seite 262 der Schnittstelle 246 angeordnet. Das dritte Schaltelement 256, wenn es sich in einer geschlossenen Stellung befindet, ermöglicht die Leitfähigkeit von einer ersten Spannungsquelle 242 durch den ersten Schalter 248 (wenn in einer geschlossenen Stellung) und zur Schnittstelle 246. Außerdem ermöglicht das dritte Schaltelement 256, wenn es sich in der geschlossenen Stellung befindet, die Leitfähigkeit von der zweiten Spannungsquelle 244 durch das zweite Schaltelement 252 (wenn in einer geschlossenen Stellung) und zur Schnittstelle 246. In einigen Ausführungsformen ist die zeitliche Steuerung, von der das erste Schaltelement 248 und das zweite Schaltelement 252 gesteuert werden, dergestalt, dass, wenn ein Schaltelement in der geschlossenen Stellung ist, das andere nicht in der geschlossenen Stellung ist. Eine derartige Konfiguration ist in anderen Ausführungsformen allerdings möglicherweise nicht vorhanden.
Wie unten mit Bezug auf den Betrieb der Schaltung 240 ausführlicher besprochen wird, beinhaltet die Schaltung 240 auch eine dritte Diode 264, um einen Stromfluss gleichbleibender Richtung von der zweiten Spannungsquelle 244 zur Schnittstelle 246 zu ermöglichen. Die Schaltung 240 beinhaltet ferner eine vierte Diode 266, die den Fluss in gleichbleibender Richtung von der Schnittstelle 246 und zur zweiten Spannungsquelle 244 ermöglicht, z. B. während eines Stromreduzierungsverfahrens.
10 zeigt eine Ausführungsform eines Profils 280 von durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule fließendem Strom im Verhältnis zur Zeit. Das Profil 280 beinhaltet einen niedrigen Strompegel, als I₁ angedeutet, und einen hohen Strompegel, als I₂ angedeutet. Im Profil beginnt der Strom mit I₂ und wird mithilfe eines Stromerhaltungsverfahrens auf einem globalen durchschnittlichen Höchststrom gehalten, wobei, wie unten besprochen, das erste Schaltelement 248 zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung oszilliert. Dies macht es möglich, dass der durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule fließende Strom niedriger ist als der, den man erhalten würde, wenn das erste Schaltelement 248 in der geschlossenen Stellung bleiben würde. Der Strom wird dann mithilfe eines Stromreduzierungsverfahrens auf einen globalen durchschnittlichen Mindeststrom I₁ reduziert und mithilfe eines Stromerhöhungsverfahrens wieder auf I₂ erhöht. Wie unten ausführlich besprochen wird, werden die Stromreduzierungs- und -erhöhungsverfahren mithilfe des zweiten, dritten und vierten Schaltelements 252, 256, 258 durchgeführt. Die Funktionsweise der Steuerschaltung 240 wird unten mit Bezug auf die 11 bis 17 und mit Bezug auf das Profil 280 besprochen.
In 10 wird auch eine erweiterte Ansicht 282 des Kästchens 284 veranschaulicht. Speziell hebt die erweiterte Ansicht das Stromprofil während des Stromerhaltungsverfahrens hervor, das von dem ersten Schaltelement 248 durchgeführt wird. Wie von einem Pfeil 286 gezeigt, beinhaltet das Stromerhaltungsverfahren eine Periode, bei der der durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule fließende Strom mit einer ersten Geschwindigkeit erhöht wird. Die Konfiguration der Steuerschaltung 240 während dieses Zeitabschnitts ist in 11 veranschaulicht.
Speziell ist in 11 eine Steuerschaltungs-Spule-Anordnung 288 mit dem ersten Schaltelement 248, dem dritte Schaltelement 256 und dem vierten Schaltelement 258 in einer jeweiligen geschlossenen Position abgebildet. Wie oben angegeben, schafft das erste Schaltelement 248 in seiner geschlossenen Stellung einen ersten Stromweg, der einen ersten Strom 292 in Richtung auf eine mit der Schnittstelle 246 gekoppelte Elektronenstrahlmanipulationsspule leitet. Die geschlossene Stellung des dritten und vierten Schaltelements 256, 258 macht es möglich, dass der erste Strom 292 zur Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 fließt. So wird die Leitfähigkeit zwischen der ersten Spannungsquelle 242 und der Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 durch Bildung einer ersten Stromschleife ermöglicht. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die erste Stromschleife als Pfeile abgebildet, die den ersten Strom 292 darstellen. Es ist aber zu beachten, dass der Strom in die Elektronenstrahlmanipulationsspule aufgrund des parasitären Widerstands der Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 und anderer verlustbehafteter Mechanismen, darunter Spannungsabfälle an den Schaltelementen, aber nicht darauf beschränkt, im Vergleich zu dem gewünschten Wert reduziert sein kann. Daher kann eine Spannung der ersten Spannungsquelle 242 so sein, dass die Spannung wenigstens R·I ist, was das Produkt des gewünschten Stroms durch die Spule 294, I, und des parasitären Widerstands der Spule 294, R, ist. Gewissen Ausführungsformen gemäß kann die Spannung der ersten Spannungsquelle zwischen etwa 1 und 20 V betragen, wie z. B. zwischen etwa 5 und 20 V oder zwischen etwa 8 und 18 V. Die Geschwindigkeit, mit der der Strom während der in 10 mit Pfeil 286 dargestellten Stromerhaltungsperiode ansteigt, hängt ja von der Spannung der ersten Spannungsquelle 242 ab. Beispielsweise führt in einer Ausführungsform eine höhere Spannung zu einem schnelleren Stromanstieg und eine niedrigere Spannung zu einem langsameren Stromanstieg. In der Tat wird diese Beziehung, wie unten mit Bezug auf die 14 bis 17 besprochen, mit Bezug auf die zweite Spannungsquelle 244 genutzt, um den Strom durch die Spule 294 rasch zu ändern.
In der erweiterten Ansicht 282, wobei jetzt auf 12 Bezug genommen wird, ist eine Stromreduzierungsperiode, als Pfeil 300 gezeigt, während des Stromerhaltungsverfahrens abgebildet. Die Konfiguration der Schaltung 240 während dieser Periode wird in 13 veranschaulicht. Speziell zeigt 13 das erste Schaltelement 248 in seiner offenen Stellung. Dementsprechend kann kein Strom von der ersten Spannungsquelle 242 zur Spule 294 fließen. Außerdem ist das zweite Schaltelement 252 in der offenen Stellung 244, was die Stromleitung von der zweiten Spannungsquelle 244 über das zweite Schaltelement 252 zur Spule 294 verhindert. Anstatt die Leitfähigkeit von den Spannungsquellen 242, 244 zur Spule 294 zuzulassen, wenn sie in ihrer geschlossenen Stellung sind, bilden das dritte und vierte Schaltelement 256, 258 in der in 13 veranschaulichten Konfiguration eine Stromableitungsschleife 302, so dass Strom durch die Spule 294 fließen darf, ohne einer Leistungsquelle zu begegnen. Dementsprechend wird der durch die Spule fließende Strom, zumindest aufgrund des parasitären Widerstands der Spule 294 und des dritten und vierten Schaltelements 256, 258, mit der Zeit reduziert und führt zu einer Stromreduzierung mit einer zweiten Geschwindigkeit, die von dem Pfeil 300 in 12 veranschaulicht wird. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Geschwindigkeit wenigstens von der Größe dieser parasitären Widerstände abhängen.
Das Profil 280, wobei jetzt zu dem in 14 veranschaulichten Stromprofil 280 übergegangen wird, zeigt nach der Stromerhaltungsperiode von Kästchen 284 eine Verringerung 310 von I₂, dem durchschnittlichen globalen Höchststrom, auf I₁, den durchschnittlichen globalen Mindeststrom, in einem Zeitraum 312. Wie mit Bezug auf 14 erkennbar ist, erfolgt die Verringerung 310 mit einer Geschwindigkeit, die verursacht, dass die Verringerung von I₂ auf I₁ viel schneller stattfindet, als mithilfe der in 13 veranschaulichten Stromableitungsschleife 302 erreicht würde. Die Konfiguration der Schaltung 240 entsprechend der Verringerung 310 ist in 15 veranschaulicht.
Speziell sind in 15 alle der aktiven Schaltelemente, d. h. die Elemente 248, 252, 256 und 258, in ihrer jeweiligen offenen Stellung abgebildet. Aufgrund der Positionierung der zweiten, dritten und vierten Diode 254, 264 und 266 ist die Leitfähigkeit nur auf eine Weise ermöglicht, die dazu führt, dass ein zweiter Strom 320 über einen zweiten Stromweg 322 von der zweiten Spannungsquelle 244 zur Spule 294 fließt. In dem zweiten Stromweg 322 strömt der zweite Strom 320 von der Anode der zweiten Spannungsquelle 244 durch die Spule 294 und zur Kathode der zweiten Spannungsquelle 244, was verursacht, dass der durch die Spule 294 fließende Strom seine Polarität umzukehren beginnt. Diese Umkehrung wird als die Stromverringerung 310 in 14 dargestellt. Tatsächlich hängt die Geschwindigkeit der Verringerung 310 wenigstens von der Größe des der Schaltung 240 von der zweiten Spannungsquelle 244 auferlegten Potentials ab, das direkt von der Spannung der zweiten Spannungsquelle 244 abhängt. Auf diese Weise kann die Spannung der zweiten Spannungsquelle 244 die Geschwindigkeit der Verringerung 310 (14) beeinflussen. Dementsprechend kann es in Ausführungsformen, in denen es erwünscht sein sollte, den Strompegel so schnell wie möglich zu reduzieren, erwünscht sein, die höchstmögliche Spannung an der zweiten Spannungsquelle 244 zu haben. Gemäß gewissen Ausführungsformen wie z. B. Ausführungsformen, in denen die Elektronenstrahlmanipulationsspule 298 eine relativ kleine Induktanz hat, kann die Spannung der zweiten Spannungsquelle 244 zwischen etwa 50 und 200 V, wie z. B. zwischen etwa 100 und 175 V oder zwischen etwa 120 und 160 V, betragen. Alternativ kann die Spannung der zweiten Spannungsquelle 244 in Ausführungsformen, in denen die Elektronenstrahlmanipulationsspule 298 eine relativ große Induktanz hat, zwischen etwa 200 und 500 V. wie z. B. zwischen etwa 250 und 450 V, 275 und 400 V oder zwischen etwa 300 und 375 V, betragen.
Die Geschwindigkeit, mit welcher der Strom von I₂ auf I₁ reduziert wird, kann durchaus von einer Anzahl von Faktoren beeinflusst werden, was auch beeinflussen kann, welche Spannung für die zweite Spannungsquelle 244 erwünscht ist. Zum Beispiel können der parasitäre Widerstand der Spule 294 und die Dioden 254, 264 und 266 die Geschwindigkeit und/oder erwünschte Spannung an der zweiten Spannungsquelle 244 beeinflussen. Der parasitäre Widerstand der in 15 veranschaulichten Konfiguration kann sich auf die Gesamtzeit des Wechselns des Stroms durch die Spule 294 von I₂ auf I₁ beziehen. Zum Beispiel kann der parasitäre Widerstand der in 15 veranschaulichten Konfiguration in einer Ausführungsform über die folgende Gleichung mit den Spannungsabfällen in Beziehung gesetzt werden, die der Strom 320 beim Fließen von der zweiten Spannungsquelle 244 zur Spule 294 erfährt:
wobei Δt1_Fall der Zeitraum 312 ist, L die Induktanz der Spule 294 ist, I_H der zweite Strom ist, V_Average die Durchschnittsspannung der Konfiguration in 15 ist und Δ_Fall die Spannungsänderung in der Konfiguration beim Umschalten des Stroms durch die Spule 294 von I₂ auf I₁ ist. In einer Ausführungsform wird V_Average mithilfe der folgenden Gleichung (2) berechnet: V_Average = V_H + 3 / 2·(V_Diode – V_Switch) (2) wobei V_Diode die von dem zweiten Strom 320 an jeder Diode erfahrene Spannungsänderung ist und V_Switch die von dem zweiten Strom 320 an jedem Schaltelement erfahrene Spannungsänderung ist. Außerdem wird Δ_Fall mithilfe der folgenden Gleichung (3) berechnet: Δ_Fall = V_Delta + R_p2· 2 / 3·I_H (3) wobei V_Delta die Spannungsänderung von I₂ auf I₁ ist und R_p2 der parasitäre Widerstand der Schaltung 240 in ihrer Konfiguration nach 15 ist. In einer Ausführungsform wird R_p2 mithilfe der folgenden Gleichung (4) berechnet: R_p2 = R_L + 3·Rd_Diode (4) wobei R_L der parasitäre Widerstand der Spule 294 ist und 3·Rd_Diode der gesamte parasitäre Widerstand ist, den der zweite Strom 320 beim Fließen durch die drei Dioden 254, 264 und 266 erfährt. Unter Verwendung der vorangehenden Gleichungen 1 bis 4 stellen die vorliegenden Ausführungsformen den Zeitraum 312 bereit, in dem die Steuerschaltung 240 in der in 15 veranschaulichten Konfiguration gehalten wird. Die Ermittlung unter Verwendung der Gleichungen oben kann einen Hinweis auf eine angemessene Spannung für die zweite Spannungsquelle 244 für einen bestimmten Zeitraum 312 geben oder einen Hinweis auf den Zeitraum 312 geben, der sich aus einer bestimmten Spannung der zweiten Spannungsquelle 244 ergibt. So kann entweder die Spannung oder die Zeit festgelegt werden.
Wie in 16 veranschaulicht, führt die Steuerschaltung 240, nachdem der Strom durch die Spule 294 mithilfe der zweiten Spannungsquelle 244 von I₂ auf I₁ reduziert worden ist, eine Stromerhaltungsroutine durch, wie sie in Bezug auf die 10 bis 13 beschrieben wird. Die Stromerhaltungsroutine ist aber eine zweite Stromerhaltungsroutine 330, die für einen niedrigeren Strompegel, z. B. bei I₁, durchgeführt wird. Es ist daher zu beachten, dass sich der Arbeitszyklus oder die Zeit, die das erste Schaltelement 248 bei I₁ in seiner jeweiligen offenen bzw. geschlossenen Stellung verbringt, von dem Arbeitszyklus bei I₂ unterscheiden kann. Zum Beispiel kann die Dauer, in der das erste Schaltelement 248 geschlossen ist, in der veranschaulichten Ausführungsform kürzer sein als die Dauer in der geschlossenen Stellung für I₂, weil I₁ auf einem niedrigeren Pegel ist als I₂.
Nach der zweiten Stromerhaltungsperiode 330 wird der Strom durch die Spule 924 dann in einer Stromerhöhung 332 von I₁ auf I₂ zurück geschaltet. Speziell wird der Strom während eines zweiten Zeitraums 334 von I₁ auf I₂ erhöht. Während des zweiten Zeitraums 334 leitet die zweite Spannungsquelle 244 Strom über das zweite Schaltelement 252 zur Spule 294. Diese Konfiguration der Schaltung 240 wird in 17 veranschaulicht. In der Anordnung 288 von 17 ist das zweite Schaltelement 252 in seiner geschlossenen Stellung, was einen dritten Stromweg 340 herstellt. Darüber hinaus wird zwischen der Spule 294 und der zweiten Spannungsquelle 244 eine Stromschleife gebildet, weil das dritte Schaltelement 265 und das vierte Schaltelement 258 in ihrer jeweiligen geschlossenen Stellung sind. Der dritte Stromweg 340 macht es möglich, dass ein dritter Strom 342 von der zweiten Spannungsquelle 244 in Richtung auf die Spule 294 fließt. Die in 17 mit den Pfeilen angedeutete Stromschleife macht es möglich, dass der dritte Strom 342 durch das dritte Schaltelement 256 und zu der Spule 294 fließt. In der in 17 veranschaulichten Ausführungsform fließt der dritte Strom 342 von der Anode der zweiten Spannungsquelle 244 durch ihre Kathode und zur Spule 294. Daher hat der dritte Strom 342 eine Polarität, die der des in Bezug auf 15 beschriebenen zweiten Stroms 320 entgegengesetzt ist. Auf diese Weise erfüllt die Polarität des dritten Stroms 342 in Bezug auf den zweiten Strom 320 in 15 die entgegengesetzte Funktion.
Der zweite Zeitraum 334, während dessen die Schaltung 240 den Strom durch die Spule 294 erhöht, z. B. um die Größe des von der Spule 294 erzeugten Magnetfelds zu erhöhen, kann von einer Anzahl von Faktoren abhängen, die den oben mit Bezug auf den Zeitraum 312 beschriebenen ähnlich sind. Zum Beispiel fließt in der Konfiguration der Schaltung 240 in 17 der dritte Strom 342 durch das zweite, dritte und vierte Schaltelement 252, 256 und 258 sowie die Spule 294. Der Widerstand dieser Merkmale kann zwar zur Verkürzung des Zeitraums 312 beitragen, weil sie die Ableitung von Strom während der Stromreduzierungsphase ermöglichen, dieselbe Ableitung kann aber die Verringerung der Geschwindigkeit bewirken, mit der der Strom während der Stromerhöhungsphase erhöht wird.
Tatsächlich kann der parasitäre Widerstand der Spule 294 und der Schalter 252, 256 und 258 sich auf eine Weise, die der oben für den Zeitraum 312 beschriebenen ähnelt, auf die Geschwindigkeit und/oder die erwünschte Spannung an der zweiten Spannungsquelle 244 auswirken. Der gesamte parasitäre Widerstand der in 17 veranschaulichten Konfiguration kann sich daher auf die Gesamtzeit zum Ändern des Stroms durch die Spule 294 von I₁ auf I₂ beziehen (z. B. sie erhöhen). Beispielsweise kann der parasitäre Widerstand der in 7 veranschaulichten Konfiguration in einer Ausführungsform mit den Spannungsabfällen, die der Strom 342 in seinem Verlauf von der zweiten Spannungsquelle 244 zur Spule 294 erfährt, über die folgende Gleichung in Beziehung gesetzt werden:
wobei Δt1_Rise der zweite Zeitraum 334 ist, L die Induktanz der Spule 294 ist, I_H der dritte Strom ist, der von der zweiten Spannungsquelle 244 erzeugt wird, V_Average die durchschnittliche Spannung der Konfiguration in 17 ist und Δ_Rise die Spannungsänderung in der Konfiguration beim Umschalten des Stroms durch die Spule 294 von I₁ auf I₂ ist. In einer Ausführungsform wird V_Average mithilfe der folgenden Gleichung (6) berechnet: V_Average = V_H + 3 / 2·(V_Diode – V_Switch) (6) wobei V_Diode die von dem dritten Strom 342 an jeder Diode erfahrene Spannungsänderung ist und V_Switch die von dem dritten Strom 342 an jedem Schaltelement erfahrene Spannungsänderung ist. Außerdem wird Δ_Rise mithilfe der folgenden Gleichung (7) berechnet: Δ_Rise = V_Delta + Rp1· 2 / 3·I_H (7) wobei V_Delta die Spannungsänderung von I₁ auf I₂ ist und R_p1 der parasitäre Widerstand der Schaltung 240 in ihrer Konfiguration von 17 ist. In einer Ausführungsform wird R_p1 mithilfe der folgenden Gleichung (8) berechnet: R_p1 = R_L + 3·Rd_Switch (8) wobei R_L der parasitäre Widerstand der Spule 294 ist und 3·Rd_Switch der gesamte parasitäre Widerstand ist, den der dritte Strom 342 beim Fließen durch die drei Schaltelemente 252, 256 und 258 erfährt. Unter Verwendung der vorangehenden Gleichungen 5 bis 8 stellen die vorliegenden Ausführungsformen den zweiten Zeitraum 334 bereit, in dem die Steuerschaltung 240 in der in 17 illustrierten Konfiguration erhalten wird. Die Ermittlung mithilfe der Gleichungen oben kann einen Hinweis auf eine angemessene Spannung für die zweite Spannungsquelle 244 für einen bestimmten zweiten Zeitraum 334 geben oder einen Hinweis auf den zweiten Zeitraum 334 geben, der sich aus einer bestimmten Spannung der zweiten Spannungsquelle 244 ergibt. So kann entweder die Spannung oder die Zeit festgelegt werden. Es ist zu beachten, dass der erste Zeitraum 312 aufgrund der verschiedenen parasitären Widerstände in der Schaltung 240 kürzer als der zweite Zeitraum 334 sein wird. Speziell fördern die parasitären Widerstände die Stromreduzierung und schwächen die Stromerhöhung, zumindest in einem gewissen Grad, ab.
Die Berechnung dieser Zeiträume, d. h. der Verzögerung zwischen Strompegeln, kann die Steuerung der Steuerschaltung 240 mithilfe von Steuerlogik ermöglichen. Zum Beispiel können diese Verzögerungen in ein Steuerlogikbauteil integriert werden, um Zeitsteuerungs- und Steuersignale an die Schaltelemente der Steuerschaltung 240 anzulegen. Derartige Zeitsteuerungs- und Steuersignale können zum Variieren des durch die Spule 294 fließenden Stroms und – beim Umschalten zwischen Strompegeln – von Spannungsimpulsen zum Variieren der Größe des Magnetfelds verwendet werden. Eine Ausführungsform eines derartigen Steuerlogikbauteils 350 wird in 18 veranschaulicht.
Das Steuerlogikbauteil 350 beinhaltet eine Reihe von Logikausgängen 352, die von einer Reihe von Logik-Taktgebern 354 und Logikgattern 356 angesteuert werden. Es ist zu beachten, dass die Logikgatter 356 zwar als spezifische Logikgattertypen dargestellt sind, das Steuerlogikbauteil 350 aber andere Logikgatter beinhalten kann, welche die von den offenbarten Gattern durchgeführten Operationen gemeinsam durchführen. Zum Beispiel können NAND- und NOR-Gatter, die als Universal-Gatter gelten, zum Durchführen der nativen Operationen der veranschaulichten Logikgatter kombiniert werden. In der Tat wird gegenwärtig jede beliebige Kombination der Logikgatter, welche die hierin beschriebenen Funktionen erfüllen kann, in Betracht gezogen. Darüber hinaus können die hierin beschriebenen Logikgatter aus jedem geeigneten Bauteil aufgebaut sein, wie z. B. einem unter Verwendung der Fertigung von komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) aufgebauten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-Bauteil (MOSFET). Darüber hinaus können die Logikgatter n-Typ-MOS-Logik (NMOS-Logik), p-Typ-MOS-Logik (PMOS-Logik) oder eine beliebige Kombination davon beinhalten. In einigen Ausführungsformen können die hierin beschriebenen Logikgatter ganz oder teilweise auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert sein.
Die Logikausgänge 352 legen jeweils ein binäres Signal (d. h. eine 1 oder eine 0) an ihre jeweiligen Schaltelemente der Schaltung 240 an, um die Elemente zwischen ihrer offenen und ihrer geschlossenen Stellung umzuschalten. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein „1”- oder „High”-Signal eine geschlossene Stellung ergeben und ein „0”- oder „Low”-Signal kann eine offene Stellung ergeben. Die Logikausgänge 352 beinhalten einen ersten Logikausgang 358, der die Steuerlogik für das erste Schaltelement 248 bereitstellt, einen zweiten Logikausgang 360, der die Steuerlogik für das zweite Schaltelement 252 bereitstellt, und einen dritten Logikausgang 362, der die Steuerlogik für das dritte und vierte Schaltelement 256, 258 bereitstellt, die im Gleichtakt arbeiten. Die Logik-Taktgeber 354 steuern jeweils die Zeitsteuerung der über die Logikausgänge 352 an die Schaltelemente angelegten Signale.
Die Logik-Taktgeber 354 beinhalten einen ersten Taktgeber 364, einen zweiten Taktgeber 366 und einen dritten Taktgeber 368. Der erste Taktgeber 364 steuert die normale Betriebsfrequenz der Schaltung 240, d. h. die Frequenz, bei der die Steuerschaltung 240 von I₂ auf I₁ und von I₁ auf I₂ umschaltet. Weil der erste Taktgeber 364 die normale Betriebsfrequenz bestimmt, legt er an jeden der Logikausgänge 352 einen Eingang an. Der zweite und dritte Taktgeber 366, 368 bestimmen den Arbeitszyklus für das erste Schaltelement 248, wie z. B. wenn die oben beschriebenen Stromerhaltungsroutinen durchgeführt werden. Speziell bestimmt der zweite Taktgeber 366 den Arbeitszyklus bei I₂ und der dritte Taktgeber 368 bestimmt den Arbeitszyklus bei I₁. Weil der zweite und der dritte Taktgeber 366, 368 die Arbeitszyklen bestimmen, legen nur sie einen Eingang an den ersten Steuerlogikausgang 358 an, der das erste Schaltelement 248 steuert.
In der veranschaulichten Ausführungsform wird das erste Schaltelement 248 von allen dreien der Taktgeber 354 gesteuert. Zum Beispiel wird der erste Logikausgang 358 von einem ersten UND-Gatter 370 ermittelt, das Logikausgänge von dem ersten Taktgeber 364 und einer Kombination des zweiten und des dritten Taktgebers 366, 368 kombiniert. Speziell arbeitet das erste UND-Gatter 370 bei Eingängen von einem ersten ODER-Gatter 372 und einem XOR-Gatter 374. Dementsprechend kann bei Ausführungsformen, in denen ein High-Signal zu einer geschlossenen Stellung des ersten Schaltelements 248 führt, der Ausgang des ersten ODER-Gattes 372 und des XOR-Gatters 374 jeweils High sein.
Das erste ODER-Gatter 372 beinhaltet zwei Eingänge, von denen einer von dem zweiten Taktgeber 366 erzeugt wird und der andere von dem dritten Taktgeber 368 erzeugt wird. Das erste ODER-Gatter 372 empfängt einen Logikausgang von einem zweiten UND-Gatter 376, das bei einem Eingang von dem ersten und dem zweiten Taktgeber 364, 366 arbeitet. Desgleichen empfängt das erste ODER-Gatter 372 einen weiteren Logikausgang von einem dritten UND-Gatter 378. Das dritte UND-Gatter 378 arbeitet bei einem Eingang von dem dritten Taktgeber 368 und einem Eingang von dem ersten Taktgeber 364, der mithilfe eines ersten NICHT-Gatters 380 invertiert wurde. Diese Logik-Gatter sind ja so konfiguriert, dass sich die Eingänge in das erste ODER-Gatter 372 gegenseitig ausschließen. Das heißt, dass in Ausführungsformen, in denen das erste Schaltelement 284 nach dem zweiten Taktgeber 366 arbeitet, es zumindest aufgrund der Anwesenheit des ersten NICHT-Gatters 380 nicht nach dem zweiten Taktgeber 368 arbeitet.
Das XOR-Gatter 374 beinhaltet auch zwei Eingänge, von denen einer von einem zweiten ODER-Gatter 382 ist und der andere von ihnen von einem vierten UND-Gatter 384 ist. Wie mit Bezug auf 18 zu erkennen ist, bildet das vierte UND-Gatter 384 den zweiten Logikausgang 360, der das zweite Schaltelement 252 steuert, und das zweite ODER-Gatter 382 bildet den dritten Logikausgang 362, der das dritte und das vierte Schaltelement 256, 258 steuert. Das zweite ODER-Gatter 382 erhält ein Paar Eingänge, einen direkt von dem ersten Taktgeber 354 und den anderen als Eingang von dem ersten Taktgeber 354, der von einem zweiten NICHT-Gatter 386 invertiert wurde. Wie unten ausführlich besprochen wird, wird der invertierte Eingang von dem zweiten NICHT-Gatter 386 zum zweiten ODER-Gatter 382 entsprechend einer ersten Verzögerung 388 verzögert, die als ein Zähler implementiert sein kann, z. B. als ein Staggered Grid Pin Array (SPGA). In einer Ausführungsform entspricht die erste Verzögerung 388 dem oben besprochenen ersten Zeitraum 312.
Auf ähnliche Weise wie das zweite ODER-Gatter 382 erhält auch das vierte UND-Gatter 384 einen Eingang direkt von dem ersten Taktgeber 364. Der Eingang, der von dem ersten Taktgeber 364 invertiert wird, ist zweifach verzögert. Das heißt, der andere Eingang für das vierte UND-Gatter ist ein Eingang, der die erste Verzögerung 388, das zweite NICHT-Gatter 386 und eine zweite Verzögerung 390, die auch ein Zähler sein kann, durchlaufen hat. Wie unten noch ausführlicher besprochen wird, kann die Kombination der ersten und zweiten Verzögerung 388, 390 in einer Ausführungsform dem oben besprochenen zweiten Zeitraum 334 entsprechen.
Unter Berücksichtigung der Konfiguration der Steuerschaltung 240 und des oben beschriebenen Steuerlogikbauteils 350 wird der Betrieb des Steuerlogikbauteils 350 unten mit Bezug auf 19 beschrieben, die ein kombiniertes Diagramm 400 logischer Signale ist, die von dem ersten, zweiten und dritten Taktgeber 364, 366 und 368 erzeugt werden. Das Diagramm 400 beinhaltet einen Taktausgang der normalen Betriebsfrequenz 402, ein an das erste Schaltelement 404 angelegtes erstes Logik-Signal, ein an das zweite Schaltelement 406 angelegtes zweites Logik-Signal und ein an das dritte und das vierte Schaltelement 408 angelegtes drittes Logik-Signal. Wie in dem Diagramm 400 veranschaulicht, werden die an die aktiven Schalter der Schaltung 240 (17) angelegten Signale im Gleichtakt angelegt, was auf der vom ersten Taktgeber 364 bereitgestellten normalen Betriebsfrequenz und der ersten und der zweiten Verzögerung 386, 388 in 18 beruht. Im Rahmen der mit der Spule 294 verbundenen Schaltung 240 bestimmt der erste Taktgeber 364 die Geschwindigkeit, mit der die Spule 294 ein Magnetfeld relativ niedriger Größe und ein Magnetfeld relativ hoher Größe erzeugt.
Bezug nehmend auf den Ausgang des ersten Taktgebers 364 veranschaulicht der Ausgang 402 eine Stufenfunktion von Perioden eines High-Signals (z. B. einer hohen Spannung) 410 oder einer „1” und Low-Perioden (z. B. einer niedrigen Spannung) oder einer „0”. Dieser binäre Ausgang wird zum Ansteuern von mehreren der Logik-Gatter 356 des Steuerlogikbauteils 350 verwendet. Zum Beispiel erhalten beim Erzeugen eines ersten High-Signals 414 durch den Ausgang 402 die mit dem ersten Taktgeber 364 verbundenen Logik-Gatter eine „1”. Wie im damit einhergehenden Teil der Ausgänge 406 und 408 veranschaulicht, ist der Ausgang für das zweite Schaltelement 406 auf einem Low-Pegel, was das zweite Schaltelement 252 in einer offenen Stellung hält. Umgekehrt ist der Ausgang für das dritte und das vierte Schaltelement 408 auf einem High-Pegel, was dazu führt, dass das dritte und das vierte Schaltelement 256, 258 in der jeweiligen geschlossenen Stellung ist. Das heißt, dass diese Signale im Allgemeinen, je nach dem Arbeitszyklus des ersten Schaltelements 248, zur Konfiguration der in einer der 11 oder 13 veranschaulichten Schaltung 240 führen. Während der Periode des ersten High-Signals 141 arbeitet das erste Schaltelement 248 mit einem Arbeitszyklus für den hohen Strom 416, d. h. I₂.
Wenn das Signal 402 auf ein erstes Low-Signal 418 heruntergesetzt wird, erhalten die mit dem ersten Taktgeber 364 verbundenen Logik-Gatter eine „0”. Infolge der Anwesenheit der ersten Verzögerung 388, die sich zwischen dem ersten Taktgeber und dem zweiten ODER-Gatter 382 befindet, das die Logiksteuerung für das dritte und das vierte Schaltelement 256, 258 ausgibt, führt das erste Low-Signal 418 anfänglich zur Erzeugung eines Low-Signals 420 (d. h. einer „0”) durch das zweite ODER-Gatter 382. Das Low-Signal 420 veranlasst das dritte und das vierte Schaltelement 256, 258, sich für eine der ersten Verzögerung 388 gleiche Zeit zu öffnen. Die damit einhergehende Konfiguration der Schaltung 240 wird in 15 veranschaulicht, wo alle aktiven Schaltelemente offen sind.
Nach der ersten Verzögerung 388, die, wie oben angegeben, dem Zeitraum 312 der Umschaltung von I₂ auf I₁ gleich ist, wird die „0”, die von der ersten Verzögerung 388 verzögert wurde, vom zweiten NICHT-Gatter 386 invertiert. Das resultierende High-Signal wird an das zweite ODER-Gatter 382 angelegt, das ein Steuersignal an das erste und vierte Schaltelement 256, 258 sendet, um sie zu schließen. Zusätzlich dazu beginnt das erste Schaltelement 248 nach der ersten Verzögerung 388 die Durchführung eines Arbeitszyklus für den niedrigen Strom 422, d. h. I₁. In dieser Konfiguration steuert der dritte Taktgeber 368 den Betrieb des ersten Schaltelements 248.
Nach dem ersten Low-Signal 418 erzeugt der erste Taktgeber 364 ein zweites High-Signal 424. Weil der erste Taktgeber 364 direkt mit dem zweiten ODER-Gatter 382 verbunden ist, bleiben das dritte und vierte Schaltelement 256, 258 in ihrer geschlossenen Stellung. Außerdem beendet das zweite High-Signal 424 die Steuerung des ersten Schaltelements 248 durch den dritten Taktgeber 368. Die Steuerung des ersten Schaltelements 248 durch den zweiten Taktgeber 366 wird wenigstens um die erste und zweite Verzögerung 388, 390 verzögert. Der Betrieb des zweiten Schaltelements 252 wird vom Ausgang des vierten UND-Gatters 384 gesteuert, das einen Eingang direkt vom ersten Taktgeber 364 und einen weiteren Eingang von der zweiten Verzögerung 390 erhält. Es ist zu beachten, dass die erste und die zweite Verzögerung 390 die Verzögerung des invertierten High-Signals bewirken (d. h. den Ausgang eines Low-Signals verzögern), das von dem zweiten NICHT-Gatter 386 erzeugt wird. Dementsprechend erhält das vierte UND-Gatter 384 während der von der ersten und zweiten Verzögerung 388, 390 verursachten Zeitverzögerung, die gleich dem zweiten Zeitraum 332 ist, zwei High-Eingänge, die das Schließen des zweiten Schaltelements 252 aufgrund eines High-Eingangs, der im Diagramm 406 als ein High-Signal 426 dargestellt ist, verursachen. Die diesen Signalen entsprechende Konfiguration der Schaltung 240, die zur Erhöhung des Stroms durch die Spule 294 konfiguriert ist, ist in 17 veranschaulicht. Das vorangehende Verfahren kann wiederholt werden, um einen Elektronenstrahl in einer Röntgenquelle schnell zu manipulieren, z. B. mithilfe einer oder mehrerer Spulen, die in die Steuerschaltungsanordnung und die Steuerlogik integriert sind, wie oben beschrieben wird.
In einer Ausführungsform der Logik 350 werden die Werte der Arbeitszyklen 366 und 368 und die Verzögerungen D1 und D2 von einem Mainframe-Computer auf der Basis der parasitären Elemente des Systems und der erwünschten Stromwerte berechnet. Die erwünschten Stromwerte werden angefangen mit den erwünschten Magnetfeldern und der Größe/Geometrie der Elektronenstrahlmanipulationsspulen berechnet. Die erwünschten Magnetfelder werden auf der Basis der jeweiligen durchzuführenden Untersuchung/Analyse und der für die Untersuchung/Analyse verwendeten Geometrie, Energie und Intensität des Elektronenstrahls berechnet. Die Frequenz/Periode des Taktgebers 364 wird auf der Basis der Untersuchung/Analyse und der Geometrie, Energie und Intensität des Elektronenstrahls berechnet.
Die vorangehende Beschreibung stellt zwar den von der Elektronenstrahlmanipulationsspule bereitgestellten Strom als zwischen zwei Stromwerten, wie I₁ und I₂, variierend dar, die hierin beschriebenen Ausführungsformen können aber auch auf mehrere Stromwerte ausgedehnt werden. Speziell können die hierin beschriebenen Ausführungsformen zum Variieren des Stroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule über verschiedene Strompegel, wie in 20 abgebildet, die ein Stromprofil 430 veranschaulicht, verwendet werden. Wie dargestellt, beinhaltet das Stromprofil 430 eine Vielzahl von Strompegeln, wie z. B. einen globalen Mindeststrompegel 432, einen globalen Höchststrompegel 434 und einen ersten, einen zweiten und einen dritten Strompegel 436, 438 und 440. Der erste, zweite und dritte Strompegel 436, 438 und 440 haben jeweils eine Stromgröße zwischen dem globalen Minimum 432 und dem globalen Maximum 434. Während des Betriebs kann beispielsweise die Steuerschaltung 240 von 9 zum Einstellen des zur Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 geleiteten Stroms von einem niedrigeren Strom auf einen höheren Strom (z. B. vom globalen Minimum 432 auf das globale Maximum 434) unter Verwendung der in 17 veranschaulichten Konfiguration der Topologie genutzt werden. Umgekehrt kann der Strom unter Verwendung der in 15 veranschaulichten Konfiguration der Topologie von einem höheren Strom auf einen niedrigeren Strom (z. B. von dem ersten Strompegel 436 auf den zweiten Strompegel 438) geändert werden. Der Strom an jedem der dargestellten Pegel kann von einem entsprechenden Arbeitszykluswert auf dem gewünschten Durchschnittspegel gehalten werden. Der Arbeitszykluswert ist allgemein betrachtet für größere Ströme größer und für kleinere Ströme kleiner (d. h. größer für den ersten Strompegel 436 als für den zweiten Strompegel 438).
Gewissen oben beschriebenen Ausführungsformen gemäß kann die Steuerschaltung 240 von 9 zur Durchführung von Stromerhaltungsroutinen (z. B. durch Durchführen von Arbeitszyklen mit dem ersten Schaltelement 248), schnellen Stromerhöhungsroutinen (z. B. unter Verwendung der zweiten Spannungsquelle 244 und des zweiten Schaltelements 252) und schnellen Stromreduzierungsroutinen (z. B. unter Verwendung der zweiten Spannungsquelle 244 und des dritten und vierten Schaltelements 256, 258) konfiguriert sein. In gewissen Ausführungsformen ist es aber möglicherweise passend, den Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 (11) zu reduzieren, indem der Strom unter Verwendung einer ähnlichen Topologie wie der in 13 veranschaulichten heruntergefahren wird, anstatt ein schnelles Stromreduzierungsverfahren, wie oben beschrieben, durchzuführen. In gewissen Ausführungsformen kann so das vierte Schaltelement 258 aus der Schaltung entfernt werden. Eine Ausführungsform einer derartigen Schaltung 450 wird in 21 dargestellt. Speziell ist die Schaltung 450 in der Lage, die oben beschriebenen Stromerhöhungs- und -erhaltungsroutinen durchführen, und ist auch in der Lage, den Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 (11) mithilfe des parasitären Widerstands und anderer verlustbehafteter Mechanismen der Spule 450 zu reduzieren.
Bei einem alternativen Ansatz zur Schaltung 450 von 21 kann die Schaltung 240 von 9 modifiziert werden, indem das dritte Schaltelement 256 anstelle des vierten Schaltelements 258 entfernt wird, wobei eine Ausführungsform hiervon in 22 dargestellt ist. Speziell ist 22 ein Schaltplan einer Ausführungsform einer Schaltung 460 mit drei Schaltelementen: dem ersten, zweiten und vierten Schaltelement 248, 252, 258. Wie oben beschrieben, ist die Schaltung 460 in der Lage, eine Anzahl von Strommodifizierungsroutinen einschließlich Stromerhaltungs- und schnelle Stromerhöhungsroutinen durchzuführen. Des Weiteren reduziert die Schaltung 460 den Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 durch Herunterfahren des Stroms anstatt durch Verwenden der ersten oder zweiten Spannungsquelle 242, 244.
Die Schaltung 450 von 21 und die Schaltung 460 von 22 sind allgemein zur raschen Erhöhung von Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule 294, Erhaltung des Stroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 und Herunterfahren des Stroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 (im Gegensatz zur raschen Verringerung des Stroms) konfiguriert. In gewissen Ausführungsformen kann es erwünscht sein, die verlustbehafteten Mechanismen zu vergrößern, die von einer der Schaltungen 450, 460, erfahren werden, um die Stromreduzierungsgeschwindigkeiten zu verbessern. Dementsprechend können in derartigen Ausführungsformen eine oder mehrere der in den 21 und 22 dargestellten Dioden entfernt werden. Zum Beispiel kann die vierte Diode 266 der Schaltung 450 (21) entfernt werden, um die von der Schaltung 450 erfahrenen Verluste zu verbessern, während der Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 heruntergefahren wird. Eine derartige Auführungsform ist in 23 als eine Schaltung 470 veranschaulicht. Desgleichen kann die dritte Diode 264 von 22 entfernt werden, um die von der Schaltung 460, die in 24 als eine Schaltung 480 dargestellt ist, erfahrenen Verluste auf ähnliche Weise zu verbessern. Weitere Modifikationen können das Entfernen gewisser Schaltelemente aus einer der Schaltungen 470, 480 beinhalten. Zum Beispiel kann das dritte Schaltelement 256 der Schaltung 470 von 23 durch einen Kurzschluss ersetzt werden. Desgleichen kann das vierte Schaltelement 258 der Schaltung 470 von 24 durch einen Kurzschluss ersetzt werden.
Unter Berücksichtigung des Vorangehenden ist zu beachten, dass die hierin veranschaulichten und beschriebenen Steuerschaltungsausführungsformen Beispiele sind. Daher werden auch andere Konfigurationen, die zum Bilden der hierin beschriebenen Stromschleifen zum Manipulieren des Stroms durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule in der Lage sind, gegenwärtig ebenfalls in Betracht gezogen. Die anderen Konfigurationen können daher die gleiche Anzahl von elektronischen Bauteilen (z. B. Schaltelemente, Dioden), weniger elektronische Bauteile oder mehr elektronische Bauteile beinhalten als die im Vorliegenden beschriebenen Ausführungen.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung, einschließlich der besten Art der Ausführung, und auch, um einer Fachperson die Ausübung der Erfindung zu ermöglichen, einschließlich der Herstellung und Benutzung jedweder Vorrichtungen oder Systeme und der Durchführung eingebundener Verfahren. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann weitere Beispiele beinhalten, die sichfachkundigen Personen erschließen. Es ist vorgesehen, dass derartige weitere Beispiele innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Sprachen der Ansprüche beinhalten.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen beziehen sich auf die kontrollierte Erzeugung von Röntgenstrahlen und speziell auf die Steuerung von Elektronenstrahlen, die zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mithilfe einer oder mehrerer Elektronenstrahlmanipulationsspule(n) verwendet werden. Zum Beispiel sind Verfahren und Vorrichtungen zur Ansteuerung einer Elektronenstrahlmanipulationsspule sowie diese Systeme verwendenden Systeme vorgesehen. Die Systeme sind allgemein zur Erhaltung eines ersten Stroms durch eine Elektronenstrahlmanipulationsspule 294 mithilfe einer ersten Spannungsquelle 242 und zum Umschalten des ersten Stroms mithilfe einer zweiten Spannungsquelle 244 auf einen zweiten Strom konfiguriert.
Bezugszeichenliste

10: Allgemeines System
12: Röntgenstrahlungsquelle
14: Röntgenstrahlung
16: Interesse
18: Gedämpfte Röntgenstrahlen
20: Rückkopplungserzeugungssystem
22: Systemsteuerung
24: Positionierungssystem
26: Röntgenquellensteuerung
28: Verarbeitungssystem
30: Röntgenbildgebungssystem
32: Bildgebungssystemsteuerung
34: Patient
36: Digitaler Detektor
38: Gantry
40: DAS
50: Röntgenröhre
52: Anodenanordnung
54: Kathodenanordnung
56: Nichtleitendes Gehäuse
58: Rotationsmerkmale
60: Anode
62: Stator
64: Lager
66: Feststehender Teil
68: Rotationsteil
70: Brennfläche
72: Elektronenstrahl
74: Zentraler Bereich
76: Erste Position
78: Zweite Position
82: Kathode
81: Leitungen
84: Steuerung
86: Röntgenstrahlung
88: Röntgenstrahlenöffnung
90: Magnetfeld
92: Zweite Magneten
94: Zweite Magneten
96: Jeweilige Steuerungen
98: Jeweilige Steuerungen
100: Zweite Magnetfelder
102: Zweite Magnetfelder
110: Elektronenstrahl
112: Durchmesser
114: Brennfläche
118: Zweiter Magnet
120: Zweiter Magnet
122: Quadrupolmagnetfeld
124: Steuerungen
126: Jeweilige Magnetfelder
128: Jeweilige Magnetfelder
140: Magnetanordnung
142: Magnete
144: Magnete
146: Erste Magnetspule
148: Zweite Magnetspule
150: Erster Durchmesser
162: Zweiter Durchmesser
170: Spulen
172: Spulen
174: Spulen
176: Spulen
178: Spulen
180: Spulen
182: Spulen
184: Zentraler Teil
186: Jeweilige Steuerung
188: Jeweilige Steuerung
190: Jeweilige Steuerung
192: Jeweilige Steuerung
194: Jeweilige Steuerung
198: Steuerschaltung
200: Steuerlogik
210: Spulen
212: Spulen
214: Spulen
216: Spulen
218: Spulen
220: Spulen
222: Spulen
240: Steuerschaltung
242: Erste Spannungsquelle
244: Zweite Spannungsquelle
246: Schnittstelle
248: Erstes Schaltelement
250: Erste Diode
252: Zweites Schaltelement
254: Zweite Diode
256: Vierte Schaltelemente
258: Vierte Schaltelemente
260: Erste Seite
262: Zweite Seite
264: Dritte Diode
266: Vierte Diode
280: Profil
282: Erweiterte Ansicht
284: Kästchen
286: Pfeil
288: Schaltung-Spule-Anordnung
290: Erster Stromweg
292: Erster Strom
294: Elektronenstrahlmanipulationsspule
300: Pfeil
302: Stromableitungsschleife
310: Verringerung
312: Zeitraum
320: Zweiter Strom
322: Zweiter Stromweg
298: Elektronenstrahlmanipulationsspule
1: Vorangehende Gleichungen
4: Vorangehende Gleichungen
330: Zweite Stromerhaltungsroutine
332: Stromerhöhung
334: Zweiter Zeitraum
340: Dritter Stromweg
342: Dritter Strom
5: Vorangehende Gleichungen
350: Steuerlogikbauteil
352: Logikausgänge
354: Logik-Taktgeber
356: Logikgatter
358: Erster Logikausgang
360: Zweiter Logikausgang
362: Dritter Logikausgang
364: Erster Taktgeber
366: Zweiter Taktgeber
368: Dritter Taktgeber
370: Erstes UND-Gatter
372: Erstes ODER-Gatter
374: XOR-Gatter
376: Zweites UND-Gatter
378: Drittes UND-Gatter
380: Erstes NICHT-Gatter
382: Zweites ODER-Gatter
384: Viertes UND-Gatter
386: Zweites NICHT-Gatter
388: Erste Verzögerung
390: Zweite Verzögerung
400: Kombiniertes Diagramm
402: Frequenztaktausgang
404: Erstes Schaltelement
406: Zweites Schaltelement
408: Vierte Schaltelemente
414: Erstes High-Signal
416: Hoher Strom
418: Erstes Low-Signal
420: Low-Signal
422: Niedriger Strom
424: Zweites High-Signal
426: High-Signal
430: Stromprofil
432: Globaler Mindeststrompegel
434: Globaler Höchststrompegel
436: Dritte Strompegel
438: Dritte Strompegel
440: Dritte Strompegel
450: Schaltung
460: Schaltung
470: Schaltung
480: Schaltung

Claims

Steuerung, umfassend: eine Steuerschaltung, aufweisend: eine Schnittstelle (246) zum Aufnehmen einer Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) eines Systems zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, ein erstes Schaltelement (248), das mit einer ersten Spannungsquelle (242) gekoppelt ist und zur Herstellung eines ersten Stromwegs (290) mit der ersten Spannungsquelle (242) in Richtung auf die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) eingerichtet ist, ein zweites Schaltelement (252), das mit einer zweiten Spannungsquelle (244) gekoppelt und zur Herstellung eines zweiten Stromwegs (340) mit der zweiten Spannungsquelle (244) in Richtung auf die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) eingerichtet ist, und ein drittes Schaltelement (256), das mit einer ersten Seite der Schnittstelle (246) gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, um die Leitfähigkeit über den ersten Stromweg (290) und den zweiten Stromweg (340) zur Schnittstelle (246) zu ermöglichen, wenn das dritte Schaltelement (256) in einer geschlossenen Stellung ist, wobei das zweite (252) und das dritte Schaltelement (256) dafür konfiguriert sind, mit der zweiten Spannungsquelle (244) einen dritten Stromweg (322) herzustellen, wenn sie in jeweiligen offenen Stellungen sind, wobei der dritte Stromweg (322) eine in Bezug auf den zweiten Stromweg (340) entgegengesetzte Polarität hat.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (240) ein viertes Schaltelement (258) aufweist, das parallel mit dem dritten Schaltelement (256) an eine zweite Seite der Schnittstelle gekoppelt ist.
Steuerung nach Anspruch 2, wobei, wenn das erste Schaltelement (248), das dritte Schaltelement (256) und das vierte Schaltelement (258) in einer jeweiligen geschlossenen Stellung sind und das zweite Schaltelement (252) in einer offenen Stellung ist, zwischen der ersten Spannungsquelle (242) und der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) eine erste Stromschleife (292) hergestellt ist.
Steuerung nach Anspruch 3, wobei das erste Schaltelement (248) ausgeführt ist, um einen Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) mithilfe eines Arbeitszyklus innerhalb eines gewünschten Bereichs zu erhalten, wobei der Arbeitszyklus Perioden, in denen das erste Schaltelement (248) in der geschlossenen Stellung ist, und Perioden aufweist, in denen das erste Schaltelement (248) in einer offenen Stellung ist.
Steuerung nach Anspruch 4, wobei das dritte (256) und das vierte Schaltelement (258) während des Arbeitszyklus durchgehend in einer jeweiligen geschlossenen Stellung sind.
Steuerung nach Anspruch 3, wobei die erste Stromschleife (292) einen Strom in der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) mit einer ersten Geschwindigkeit auf einen ersten Höchststrom erhöht, die erste Geschwindigkeit und der erste Höchststrom wenigstens teilweise von einer Spannung der ersten Spannungsquelle (242) abhängig sind, der Arbeitszyklus zum Einstellen des Stroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) über eine Vielzahl von Strompegeln bis zu dem ersten Höchststrom variabel ist und wobei der Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) zumindest von einer Dauer der Perioden des Arbeitszyklus, in denen das erste Schaltelement (248) geschlossen ist, gegenüber einer Dauer der Perioden des Arbeitszyklus abhängt, in denen das erste Schaltelement (248) offen ist.
Steuerung nach Anspruch 6, wobei, wenn das zweite Schaltelement (252), das dritte Schaltelement (256) und das vierte Schaltelement (258) in jeweiligen geschlossenen Stellungen sind und das erste Schaltelement (248) in einer offenen Stellung ist, zwischen der zweiten Spannungsquelle (244) und der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) eine zweite Stromschleife (342) hergestellt ist.
Steuerung nach Anspruch 7, wobei die zweite Stromschleife (342) den Strom in der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) mit einer zweiten Geschwindigkeit bis auf den ersten Höchststrom erhöht und die zweite Geschwindigkeit wenigstens teilweise von einer Spannung der zweiten Spannungsquelle (244) abhängt und die Spannung der zweiten Spannungsquelle (244) größer als die Spannung der ersten Spannungsquelle (242) ist.
Steuerung nach Anspruch 7, wobei, wenn das erste (248) und das zweite Schaltelement (252) in einer jeweiligen offenen Stellung sind und das dritte (256) und vierte Schaltelement (258) in einer jeweiligen geschlossenen Stellung sind, zwischen dem dritten Schaltelement (256) und der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) bzw. dem vierten Schaltelement (258) und der Elektronenstrahlmanipulationsspule eine dritte Stromschleife und eine vierte Stromschleife (302) hergestellt sind.
Steuerung nach Anspruch 9, wobei die dritte und vierte Stromschleife (302) keine Spannungsquelle aufweisen, so dass der Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) mit einer dritten Geschwindigkeit verringert wird.
Verfahren zum Ansteuern einer Elektronenstrahlmanipulationsspule, das die folgenden Schritte umfasst: Schließen eines ersten Schaltelements (248), um zu verursachen, dass ein erster Strom mit einer ersten Polarität in einem ersten Stromweg (290) von einer ersten Spannungsquelle (242) in Richtung auf die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) fließt, Schließen eines zweiten Schaltelements (256), um den ersten Strom zu der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) fließen zu lassen, Öffnen des ersten Schaltelements (248) nach dem Schließen des ersten (248) und des zweiten Schaltelements (256), um den Fluss des ersten Stroms zu der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) zu beenden und um eine Stromableitungsschleife (302) zu bilden, die zum Reduzieren einer Größe eines Stroms durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) eingerichtet ist, und Öffnen des zweiten Schaltelements (256) und eines dritten Schaltelements (258), um zu verursachen, dass ein zweiter Strom mit einer zweiten Polarität in einem zweiten Stromweg (320) von einer zweiten Spannungsquelle (244) zu der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) fließt.
Verfahren nach Anspruch 11, das das wiederholte Durchführen der Schritte des Schließens des ersten Schaltelements (248) und des Öffnens des ersten Schaltelements (248) umfasst, um den Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) auf einer durchschnittlichen Größe zu halten, die niedriger als ein von der ersten Spannungsquelle (242) verfügbarer Höchststrom ist.
Verfahren nach Anspruch 11, das einen Schritt des Schließens eines vierten Schaltelements (252) und des zweiten (256) und des dritten Schaltelements (258) beinhaltet, um zu verursachen, dass ein dritter Strom mit einer dritten Polarität in einem dritten Stromweg von der zweiten Spannungsquelle (244) zu der Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) fließt, wobei der erste und der dritte Strom den Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) erhöhen und der zweite Strom den Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) verringert.
Verfahren nach Anspruch 13, das das Durchführen des Schritts des Öffnens des zweiten Schaltelements (256) beinhaltet, um in einer kürzeren Zeitspanne von einem durchschnittlichen globalen Höchststrom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) auf einen durchschnittlichen globalen Mindeststrom überzugehen, als erreicht würde, wenn der Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) über die Stromableitungsschleife (302) abgeleitet werden dürfte.
Verfahren nach Anspruch 13, das das Durchführen des Schritts des Schließens des vierten Schaltelements (252) aufweist, um in einer kürzeren Zeitspanne von einem durchschnittlichen globalen Mindeststrom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) auf einen durchschnittlichen globalen Höchststrom überzugehen, als erreicht würde, wenn der Strom durch die Elektronenstrahlmanipulationsspule (294) über den ersten Strom erhöht würde.