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Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhre mit einer Drehanode.
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Die Belastbarkeit einer Röntgenröhre wird durch die maximale Temperatur bestimmt, die innerhalb des auf der Drehanode von den auftreffenden Elektronen erzeugten Brennflecks vorliegt. Diese Temperatur muss auch nach mehreren Umdrehungen der Drehanode deutlich unterhalb der Schmelzpunkttemperatur bleiben, um ein Verdampfen von Anodenmaterial und eine dadurch entstehende Lichtbogenentladung oder andere, die Drehanode schädigende Mechanismen zu vermeiden. Als Hubtemperatur wird dabei die Temperaturdifferenz bezeichnet, die zwischen der maximalen Temperatur im Brennfleck und der Temperatur des Brennrings herrscht, die dieser unmittelbar vor Eintreffen des Brennflecks aufweist. Aus der
WO 2008/044196 A2 ist es bekannt, dass diese Hubtemperatur bei gleicher Ausgangsleistung der Röntgenröhre durch eine geeignete Intensitätsverteilung des auf die Drehanode auftreffenden Elektronenstrahls reduziert werden kann, indem dessen Intensität oder Teilchenstromdichte an der Vorderseite deutlich höher als an der Rückseite eingestellt wird. Um ein solches asymmetrisches Intensitätsprofil zu erhalten, werden in der
WO 2008/044196 A2 entweder spezielle mechanische Anordnungen oder eine Formung des Elektronenstrahls durch ein Magnetfeld vorgeschlagen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Röntgenröhre anzugeben, mit der es auf einfache Weise möglich ist, eine Formung des Intensitätsprofils im Elektronenstrahl vorzunehmen.
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Die genannte Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst mit einer Röntgenröhre mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen weist die Röntgenröhre einen elektrisch beheizten Elektronenemitter auf, der wenigstens zwei in Drehrichtung der Anode nebeneinander angeordnete stromdurchflossene Emitterbereiche umfasst, die voneinander verschiedene Temperaturen aufweisen. Mit anderen Worten: Bei Betrieb der Röntgenröhre stellen sich in den Emitterbereichen im stationären Zustand voneinander verschiedene Temperaturen ein.
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Da die Elektronenemission abhängig von der Temperatur ist, treten aus dem Emitterbereich mit der höheren Temperatur mehr Elektronen pro Zeiteinheit aus als aus dem Emitterbereich mit der niedrigeren Temperatur, so dass die Intensitätsverteilung innerhalb des sich zur Drehanode hin beschleunigten Elektronenstrahls ortsabhängig variiert werden kann. Auf diese Weise kann durch mehrere solcher Emitterbereiche mit unterschiedlichen Temperaturen eine Optimierung der Verteilung der Elektronenstromdichte in Breitenrichtung vorgenommen werden, um auf diese Weise bei gleicher Ausgangsleistung der Röntgenröhre eine Verringerung der Hubtemperatur zu erzielen.
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Unter einer Röntgenröhre mit einer Drehanode ist im Sinne der Erfindung eine Röntgenröhre zu verstehen, bei der sich Anode und Brennfleck relativ zueinander drehen, beispielsweise eine konventionelle Röntgenröhre, bei der die Anode drehbar in einem ruhenden Vakuumgehäuse gelagert ist, oder eine sogenannte Drehkolben-Röntgenröhre, bei der die Anode Teil eines drehbar gelagerten Vakuumgehäuses ist, wie sie beispielsweise aus der
US 5,883,936 bekannt ist.
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Die verschiedenen Emitterbereiche können dabei parallel oder auch in Reihe zueinander geschaltet sein.
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Die unterschiedlichen Temperaturen der Emitterbereiche können dann, wenn die Emitterbereiche aus demselben Werkstoff bestehen, durch unterschiedliche Querschnitte und/oder unterschiedliche Länge der Emitterbereiche erzielt werden. Wesentlich dabei ist, dass sich die elektrischen Widerstände der Emitterbereiche und deren Geometrie derart voneinander unterscheiden, dass sich unter Berücksichtigung der durch Wärmestrahlung entstehenden Verluste für die einzelnen Emitterbereiche unterschiedliche Temperaturen ergeben.
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Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich, wenn die Emitterbereiche dieselbe Querschnittsfläche aufweisen, jedoch unterschiedlich lang und parallel geschaltet sind. In diesem Fall wird die sich einstellende Oberflächentemperatur praktisch nur durch den elektrischen Widerstand des jeweiligen Emitterbereiches bestimmt. Bei einer Parallelschaltung der Emitterbereiche wird in dem kürzeren Emitterbereich mit dem geringeren elektrischen Widerstand eine höhere elektrische Leistung in Wärme umgesetzt, so dass sich in diesem Emitterbereich eine größere Temperatur einstellt als in dem längeren Emitterbereich mit dem höheren elektrischen Widerstand.
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Bei einer Serienschaltung der Emitterbereiche reicht ein solcher Längenunterschied alleine nicht aus. Da sich der Spannungsabfall an einem kürzeren Emitterbereich – gleiche Querschnittsfläche vorausgesetzt – sich entsprechend der Länge verringert, wäre auch die pro Längeneinheit in Wärme umgesetzte elektrische Leistung in beiden Emitterbereichen und damit deren Temperatur identisch. Bei einer Serienschaltung müssen sich dementsprechend die Emitterbereiche zusätzlich noch hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche bzw. Form unterscheiden, um durch die Geometrie ihrer Oberfläche unterschiedliche Wärmeverluste durch Abstrahlung aufzuweisen.
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Wenn die Temperatur eines in Bewegungsrichtung des Brennfleckes auf der Drehanode gesehen ersten, d.h. vorderen Emitterbereiches kleiner ist als die Temperatur eines in Bewegungsrichtung gesehen letzten, d.h. hinteren Emitterbereiches, kann ohne Verringerung der Ausgangsleistung der Röntgenröhre eine Verringerung der Hubtemperatur erzielt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Elektronenemitters einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 eine Röntgenröhre gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
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2 eine Draufsicht auf die Brennringfläche einer Drehanode sowie auf einen auf diese Brennringfläche projizierten Flachemitter,
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3 einen auf einer abgewickelten Anodenringbahn erzeugten Brennfleck,
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4 ein Diagramm, in dem für zwei unterschiedliche Intensitätsverteilungen im Elektronenstrahl die auf denselben Maximalwert normierte Teilchenstromdichte gegen die Breite in Umfangsrichtung aufgetragen ist,
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5 ein Diagramm, in dem die Brennringtemperatur für diese beiden unterschiedlichen Elektronenstrahlen ebenfalls gegen die Breite aufgetragen ist,
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6 ein Ersatzschaltbild für einen erfindungsgemäßen Elektronenemitter, bei dem zwei Emitterbereiche elektrisch parallel geschaltet sind,
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7 bis 9 unterschiedliche Ausgestaltungen eines als Elektronenemitter vorgesehenen Flachemitters jeweils in einer Draufsicht,
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10 einen Querschnitt durch den in 9 dargestellten Flachemitter,
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11 einen aus zwei parallel zueinander angeordneten Drahtwendeln aufgebauten Elektronenemitter in einer schematischen Draufsicht,
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12 und 13 einen aus mehreren parallel zueinander angeordneten Drähten mit unterschiedlichen Durchmessern aufgebauten Elektronenemitter in einer Draufsicht beziehungsweise in einem Querschnitt,
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14 ein Ersatzschaltbild für einen alternative Ausgestaltung eines Elektronenemitters gemäß der Erfindung, bei dem zwei Emitterbereiche elektrisch in Reihe geschaltet sind,
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15 eine Abwandlung des in 7 dargestellten Flachemitters mit elektrisch in Reihe geschalteten streifenförmigen Emitterbereichen.
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Gemäß 1 umfasst eine Röntgenröhre gemäß der Erfindung eine Drehanode 2 mit einer die Form eines Kegelringes aufweisenden Brennringfläche 4. Gegenüber der Brennringfläche 4 ist ein stromdurchflossener und dementsprechend elektrisch beheizter Elektronenemitter 6 angeordnet, der thermische Elektronen e– emittiert, die durch eine zwischen Drehanode 2 und Elektronenemitter 6 anliegende Hochspannung beschleunigt werden und auf der Brennringfläche 4 in einem Brennfleck F auftreffen und dort Röntgenstrahlen γ erzeugen, die aus der Röntgenröhre durch ein durch Blenden begrenztes Fenster 8 austreten.
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In 2 ist die Projektion der Emitterfläche eines als Flachemitter gestalteten Elektronenemitters 6 auf die konische Brennringfläche 4 dargestellt. Im Beispiel dreht sich die Brennringfläche 4 entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 10 (Drehrichtung), so dass sich der auf der Brennringfläche 4 entstehende Brennfleck relativ zur Drehanode 2 nach links im Uhrzeigersinn (Pfeil 11) bewegt.
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Dies ist in 3 schematisch dargestellt. Dementsprechend weist der Brennfleck F eine Vorderseite 12 und eine Rückseite 14 auf. An der Vorderseite 12 erfolgt ein rascher Anstieg der Temperatur der Brennringfläche 4, die je nach Intensitätsprofil der im Brennfleck F auftreffenden Elektronen weiter ansteigt und spätestens nach erfolgtem Durchgang des Brennflecks F durch Dissipation auf einen Gleichgewichtswert, der sogenannten Brennringtemperatur sinkt. Die Temperaturerhöhung im Bereich des Brennflecks F wird auch als Hubtemperatur bezeichnet. An der Vorderseite 12 des Brennflecks F treffen dabei die Elektronen auf, die aus einem Emitterbereich des Elektronenemitters austreten, der sich in Bewegungsrichtung des Brennfleckes F auf der Drehanode gesehen an vorderster Stelle befindet. Dementsprechend treffen an der Rückseite 14 diejenigen Elektronen auf, die aus einem Emitterbereich des Elektronenemitters austreten, der sich in Bewegungsrichtung des Brennfleckes F auf der Drehanode gesehen an hinterster oder letzter Stelle befindet.
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Aus der
WO 2008/044196 A2 ist es nun bekannt, dass diese Hubtemperatur wesentlich durch die Intensitätsverteilung bzw. die Teilchenstromdichte der im Brennfleck F auftreffenden Elektronen in Richtung der Breite w beeinflusst ist. Wie bereits vorstehend erwähnt, darf die Hubtemperatur vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten, um eine thermische Emission von Kationen aus der Brennringfläche
4 zu vermeiden.
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Im Diagramm gemäß 4 ist die Teilchenstromdichte j exemplarisch für zwei unterschiedliche Intensitätsprofile a und b gegen die Breite w aufgetragen. Die Intensitätsprofile a, b sind auf den jeweiligen Maximalwert normiert und über die jeweilige Ausdehnung quer zur Breitenrichtung integriert. Beide Intensitätsprofile a, b sind deutlich asymmetrisch, so dass an der Vorderseite des Brennflecks eine höhere Intensität vorliegt als an der Rückseite, wobei der Intensitätsabfall zur Rückseite für das Intensitätsprofil a steiler verläuft ist als für das Intensitätsprofil b.
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In 5 ist die mit diesen beiden unterschiedlichen Intensitätsprofilen a, b erzeugte Temperatur T im Brennfleck gegen die Breite w aufgetragen. Die gestrichelt eingezeichnete Kurve c gehört zur Intensitätsverteilung a der in 3 dargestellten Intensitätsprofile. Dementsprechend gehört die durchgezogen eingezeichnete Kurve d zur in 4 ebenfalls durchgezogen eingezeichneten Intensitätsverteilung b. Der 5 ist zu entnehmen, dass die Temperaturüberhöhung (Hubtemperatur) signifikant reduziert werden kann, wenn das Intensitätsprofil des im Brennfleck auftreffenden Elektronenstrahls zur Rückseite hin einen flacheren Verlauf aufweist. Mit anderen Worten: Durch Gestaltung und Formung des Intensitätsprofils des im Brennfleck auftreffenden Elektronenstrahls kann die Hubtemperatur entscheidend beeinflusst werden.
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6 zeigt in einem Prinzipschaltbild einen Elektronenemitter gemäß der vorliegenden Erfindung. Der durch den Elektronenemitter zum Beheizen fließende elektrische Strom I wird in einer Parallelschaltung auf zwei in Drehrichtung 10 der Drehanode nebeneinander angeordnete Emitterbereiche 20-1, 20-2 aufgeteilt, deren geometrisch Gestaltung – Querschnittsform, Länge – derart voneinander verschieden sind, dass sich diese unterschiedlich stark aufheizen, so dass die sich in diesen Emitterbereichen 20-1, 20-2 einstellenden (mittleren) Temperaturen T1, T2 voneinander verschieden sind und diese Emitterbereiche 20-1, 20-2 dementsprechend in unterschiedlichem Ausmaß thermische Elektronen emittieren. Im Prinzipschaltbild gemäß 6 sind beispielhaft nur zwei parallel geschaltete Emitterbereiche 20-1 und 20-2 vorgesehen. Grundsätzlich sind jedoch mehrere parallel zueinander geschaltete Emitterbereiche mit voneinander verschiedenen thermischen und elektrischen Eigenschaften möglich, wie dies anhand der in den nächsten Figuren dargestellten Beispiele erläutert ist.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist als Elektronenemitter 6 ein sogenannter Flachemitter vorgesehen, bei dem es sich um einen Blechstreifen handelt, der mit drei in Längsrichtung, d.h. in Richtung des fließenden Stromes I verlaufenden Einschnitten 24 versehen ist, so dass vier parallel zueinander orientierte streifenförmige Emitterbereiche 20-1, 20-2, 20-3 und 20-4 entstehen, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind. Die streifenförmigen Emitterbereiche 20-1 bis 20-4 weisen in diesem Ausführungsbeispiel dieselbe Breite auf. Zusätzlich sind diese streifenförmigen Emitterbereiche 20-1 bis 20-4 mit quer zur Längsrichtung verlaufenden seitlichen Einschnitten 26 versehen, die jeweils eine mäandrierende Strombahn 28 festlegen, wobei die Anzahl und Tiefe dieser Einschnitte den elektrischen Widerstand der einzelnen Emitterbereiche 20-1 bis 20-4 beeinflusst. Da die Verteilung der Teilchenstromdichte oder Intensität der im Brennfleck auftreffenden Elektronen zumindest annähernd ein Abbild der Verteilung der Teilchenstromdichte ist, mit der die Elektronen aus dem Elektronenemitter 6 austreten, kann durch Auslegung des elektrischen Widerstandes der einzelnen Emitterbereiche 20-1 bis 20-4 eine Formung des im Brennfleck auftreffenden Intensitätsprofils vorgenommen werden.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist als Elektronenemitter 6 ebenfalls ein Flachemitter vorgesehen, der ebenfalls in einer Mehrzahl von in Längsrichtung verlaufenden Einschnitten 24 versehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier Einschnitte 24 vorgesehen, die den Blechstreifen in 5 elektrisch parallel geschaltete Emitterbereiche 20-1 bis 20-5 gleicher Höhe aufteilen, die in diesem Ausführungsbeispiel eine unterschiedliche Breite b1 bis b5 aufweisen, so dass deren elektrischer Widerstand ebenso variiert. Dabei weisen schmälere Emitterbereiche zwar einen größeren elektrischen Widerstand auf als breitere Emitterbereiche. In beiden Fällen ist jedoch die pro Volumenelement erzeugte elektrische Leistung gleich, so dass aufgrund der mit größerer Breite einhergehenden Verringerung der Oberfläche pro Länge bei den breiteren Emitterbereichen eine höhere Temperatur zu erwarten ist. Dieser Effekt ist umso größer zu erwarten, je dicker die einzelnen Emitterbereiche sind. Entsprechend der unterschiedlichen Temperaturen variiert auch die Intensität der thermischen Elektronenemission in Breitenrichtung. Je nach Gestaltung der einzelnen Emitterbereiche 20-1 bis 20-5 kann dementsprechend dieses Intensitätsprofil und damit das Intensitätsprofil der auf die Brennringfläche auftreffenden Elektronen zur Optimierung der Temperaturverteilung im Brennfleck variiert werden.
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In 8 ist außerdem die Bewegungsrichtung des Elektronenemitters und dementsprechend des von den aus ihm aus der Zeichenebene heraus austretenden Elektronen erzeugten Brennfleckes relativ zur Drehanode durch den Pfeil 11 veranschaulicht (die Drehanode bewegt sich dementsprechend entgegen dem Uhrzeigersinn). In diesem Ausführungsbeispiel ist dementsprechend die Temperatur des in Bewegungsrichtung des Brennfleckes auf der Drehanode gesehen ersten Emitterbereiches 20-1 höher als die Temperatur des in Bewegungsrichtung gesehen letzten Emitterbereiches 20-1.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist als Elektronenemitter 6 ebenfalls ein Flachemitter vorgesehen, der aus einzelnen elektrisch parallel zueinander geschalteten Emitterbereichen 20-1 bis 20-5 aufgebaut ist, die zwar dieselbe Breite, aber eine unterschiedliche Dicke d1 bis d5 aufweisen, wie dies im Schnittbild der 10 grob schematisch veranschaulicht ist.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 11 sind die die elektrisch parallel zueinander geschalteten Emitterbereiche 20-1, 20-2 des Elektronenemitters 6 jeweils durch Drahtwendeln 30-1, 30-2 gebildet, die bei gleichem Drahtdurchmesser eine unterschiedliche Windungszahl bzw. Steigung und damit Drahtlänge aufweisen, so dass der Emitterbereich 20-1 mit der längere Drahtwendel 30-1 einen höheren elektrischen Widerstand und aufgrund der gleichen Querschnittsfläche auch eine niedrigere Temperatur aufweist als der Emitterbereich 20-2 mit der kürzeren Drahtwendel 30-2.
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Anstelle von Drahtwendeln sind im Ausführungsbeispiel gemäß 12 mehrere parallel zueinander geschaltete Drähte 32-1 bis 32-5 vorgesehen, die gemäß 13 unterschiedliche Durchmesser D1 bis D5 aufweisen. Auch hier ist die Temperatur um so höher, je größer der Durchmesser des Drahtes ist, da die wärmeabstrahlende Oberfläche nur linear, das Volumen und damit die deponierte elektrische Leistung jedoch quadratisch mit dem Radius anwächst.
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14 zeigt in einem Prinzipschaltbild einen alternativen Aufbau eines Elektronenemitters gemäß der vorliegenden Erfindung. Der durch den Elektronenemitter zum Beheizen fließende elektrische Strom I fließt in diesem Ausführungsbeispiel durch zwei elektrisch in Reihe geschaltete Emitterbereiche 20-1, 20-2, deren geometrische Formen derart voneinander verschieden sind, dass sich diese durch den durch sie hindurch fließenden Strom I unterschiedlich stark aufheizen und dementsprechend in unterschiedlichem Ausmaß thermische Elektronen emittieren. Im Prinzipschaltbild gemäß 14 sind beispielhaft ebenfalls nur zwei Emitterbereiche 20-1 und 20-2 vorgesehen. Grundsätzlich sind jedoch auch in diesem Ausführungsbeispiel mehrere in Reihe zueinander geschaltete Emitterbereiche mit voneinander verschiedenen elektrischen Widerständen R1, R2 möglich.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 15 ist als Elektronenemitter 6 ein sogenannter Flachemitter vorgesehen, bei dem es sich wie im Ausführungsbeispiel der 7 um einen Blechstreifen handelt, der mit drei in Längsrichtung, d.h. in Richtung des fließenden Stromes I verlaufenden Einschnitten 24 versehen ist, die jeweils abwechselnd von einer Querkante ausgehen, ohne sich bis zur gegenüberliegenden Querkante zu erstrecken, so dass abweichend zu dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel die auf diese Weise entstehenden vier parallel zueinander orientierten streifenförmigen Emitterbereiche 20-1, 20-2, 20-3 und 20-4, nicht elektrisch parallel zueinander sondern in Reihe zueinander geschaltet sind und einen mäandrierenden Strompfad festlegen, der aufgrund der seitlichen Einschnitte innerhalb eines jeden Emitterbereiches 20-1, 20-2, 20-3 und 20-4 ebenfalls mäandriert.
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Grundsätzlich können auch die in den Ausführungsbeispielen der 8 bis 13 dargestellten Emitterbereiche in Reihe geschaltet sein. Ebenso ist es prinzipiell möglich, dass in einem Emitter sowohl zueinander parallel geschaltete als auch zueinander in Reihe geschaltete Emitterbereiche vorhanden sind.
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In allen dargestellten Ausführungsbeispielen hängen die sich real einstellenden Temperaturverhältnisse nicht nur von der Geometrie eines einzelnen Emitterbereiches sondern auch von den Eigenschaften der benachbarten Emitterbereiche ab. Die Anordnung und geometrische Dimensionierung sowie der elektrische Widerstand der einzelnen Emitterbereiche müssen deshalb abgestimmt auf die gewünschte Temperaturverteilung im Brennfleck experimentell ermittelt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/044196 A2 [0002, 0002, 0029]
- US 5883936 [0006]
