DE102013110166A1 - Emissionsfläche für eine Röntgenvorrichtung - Google Patents

Abstract

Ausführungsformen der Offenbarung betreffen Elektronenstrahler zur Verwendung in Verbindung mit Röntgenvorrichtungen. In einer Ausführungsform weist der Strahler einen runden Emissionsbereich auf, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann, wobei der runde Emissionsbereich wenigstens einen Zwischenraum, einen Kanal oder eine Kombination davon aufweist, der/die einen ersten Teil des runden Emissionsbereichs von einem zweiten Teil des runden Emissionsbereichs trennt und eine Wärmeausdehnung des ersten Teils und des zweiten Teils innerhalb des wenigstens einen Zwischenraums oder Kanals zulässt, ohne zuzulassen, dass der erste Teil und der zweite Teil einander berühren. Zwei elektrisch leitfähige Beine sind an jeweiligen Stellen außerhalb des runden Emissionsbereichs mit der Oberfläche verbunden und können dem runden Emissionsbereich Strom zuführen.

Description

• HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
• Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Elektronenemissionsflächen, wie z.B. zur Verwendung in einer Elektronenkanone.
• Bei nichtinvasiven Bildgebungssystemen werden in verschiedenen Röntgensystemen und Computertomographie(CT)-Systemen Röntgenröhren als Röntgenstrahlungsquelle verwendet. Die Strahlung wird als Reaktion auf Steuersignale während einer Untersuchungs- oder Bildgebungssequenz emittiert. Im typischen Fall beinhaltet die Röntgenröhre eine Kathode und eine Anode. Ein Strahler (Emitter) in der Kathode kann als Reaktion auf Wärme infolge eines angelegten elektrischen Stroms und/oder ein elektrisches Feld infolge einer angelegten Spannung einen Elektronenstrom zu einer passend gestalteten metallischen Platte vor dem Strahler abstrahlen. Die Anode kann ein Target beinhalten, auf das der Elektronenstrom auftrifft. Infolge des Aufpralls des Elektronenstrahls kann das Target in Richtung auf ein abgebildetes Volumen abzustrahlende Röntgenstrahlung erzeugen.
• In derartigen Bildgebungssystemen geht die Strahlung durch einen Gegenstand von Interesse, wie z.B. einen Patienten, Gepäck oder einen Herstellungsartikel, hindurch, und ein Teil der Strahlung trifft auf einen digitalen Detektor oder eine fotografische Platte auf, wo die Bilddaten erfasst werden. Bei digitalen Röntgensystemen erzeugt ein Photodetektor Signale, die für die Menge oder Intensität der auf diskrete Elemente einer Detektorfläche 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 an verschiedenen Positionen ähnliche Signale.
• In anderen Systemen, wie z.B. Systemen für onkologische Strahlentherapie, kann eine Röntgenstrahlenquelle 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 Kollimationsmerkmale zum Fokussieren oder Eingrenzen emittierter Röntgenstrahlen zu einem Strahlenbündel gewünschter Größe oder Form beinhalten.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• In einer Ausführungsform ist ein Röntgenstrahler geschaffen. Der Röntgenstrahler beinhaltet einen runden Emissionsbereich, der in der Lage ist, bei Erwärmung Elektronen zu emittieren. Der runde Emissionsbereich beinhaltet eine Oberfläche, die einen runden Emissionsbereich aufweist, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann, wobei der runde Emissionsbereich wenigstens einen Zwischenraum bzw. Spalt, einen Kanal oder eine Kombination davon aufweist, der/die einen ersten Teil des runden Emissionsbereichs von einem zweiten Teil des runden Emissionsbereichs trennt und eine Wärmeausdehnung des ersten Teils und des zweiten Teils innerhalb des wenigstens einen Zwischenraums oder Kanals zulässt, ohne zuzulassen, dass der erste Teil und der zweite Teil einander berühren. Der runde Emissionsbereich beinhaltet auch zwei elektrisch leitfähige Beine oder Stifte, die an jeweiligen Stellen außerhalb des runden Emissionsbereichs mit einer Oberfläche des Strahlers verbunden sind und die in der Lage sind, dem runden Emissionsbereich Strom zuzuführen.
• In einer weiteren Ausführungsform ist ein Röntgenstrahler geschaffen. Der Röntgenstrahler beinhaltet einen scheibenförmigen Emissionsbereich, der bei Erwärmung mit einem Treibstrom von 10 A oder weniger Elektronen emittieren kann. Der scheibenförmige Emissionsbereich beinhaltet zwei elektrisch leitfähige Beine oder Stifte, die an jeweiligen Stellen außerhalb des scheibenförmigen Emissionsbereichs mit der Oberfläche verbunden sind und die dem kreisförmigen Emissionsbereich Strom zuführen können, so dass, wenn dem scheibenförmigen Emissionsbereich Strom zugeführt wird, der scheibenförmige Emissionsbereich sich auf eine Temperatur von wenigstens 2000 Grad Celsius erwärmt, wobei über der Emissionsfläche eine Temperaturschwankung von weniger als 6 % einer Höchsttemperatur erzielt wird.
• In einer weiteren Ausführungsform ist eine Röntgenröhre geschaffen. Die Röntgenröhre beinhaltet eine Elektronenstrahlquelle. Die Elektronenstrahlquelle beinhaltet einen Elektronenstrahler, der zum Emittieren eines Elektronenstrahls konfiguriert ist. Der Elektronenstrahler beinhaltet einen scheibenförmigen Emissionsbereich, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann und einen gewundenen oder serpentinenförmigen radialen elektrischen Weg aufweist, wobei der gewundene elektrische Weg von einem Außendurchmesser des scheibenförmigen Emissionsbereichs zu einer Mitte des scheibenförmigen Emissionsbereichs und zurück verläuft. Der Elektronenstrahler beinhaltet auch mehrere elektrisch leitfähige Beine oder Stifte, die an jeweiligen Stellen außerhalb des scheibenförmigen Emissionsbereichs mit dem Elektronenstrahler verbunden sind und die dem scheibenförmigen Emissionsbereich Strom zuführen können. Die Röntgenröhre beinhaltet ferner eine Anodenanordnung, die zum Empfangen des Elektronenstrahls und zum Emittieren von Röntgenstrahlen, wenn der Elektronenstrahl auf sie auftrifft, konfiguriert ist, und ein Gehäuse, in dem die Elektronenstrahlquelle und die Anodenanordnung angeordnet sind.
• ASPEKTE UND VARIANTEN DER ERFINDUNG
• Ein Aspekt der Erfindung ist ein Elektronenstrahler, der Folgendes aufweist:
  eine Oberfläche, die einen runden Emissionsbereich aufweist, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann, wobei der runde Emissionsbereich wenigstens einen Spalt oder Zwischenraum, einen Kanal oder eine Kombination davon aufweist, der/die einen ersten Teil des runden Emissionsbereichs von einem zweiten Teil des runden Emissionsbereichs trennt und eine Wärmeausdehnung des ersten Teils und des zweiten Teils innerhalb des wenigstens einen Zwischenraums oder Kanals zulässt, ohne zuzulassen, dass der erste Teil und der zweite Teil einander berühren, und
  zwei elektrisch leitfähige Beine oder Stifte, die an jeweiligen Stellen außerhalb des runden Emissionsbereichs mit der Oberfläche verbunden sind und die dem runden Emissionsbereich Strom zuführen können.
• Der runde Emissionsbereich des Elektronenstrahlers kann einen Kreis umfassen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Kreises wenigstens 7 mm. Außerdem oder alternativ weist der runde Emissionsbereich wenigstens einen V-förmigen Spalt oder Zwischenraum auf, der sich zu einer Mitte des Kreises hin verschmälert. Der V-förmige Spalt oder Zwischenraum kann sich von einer weitesten Spaltbreite bzw. Zwischenraumbreite, die etwa das Zweifache einer schmalsten Spalt- bzw. Zwischenraumbreite beträgt, aus verschmälern. Die Oberfläche kann sowohl einen V-förmigen Spalt oder Zwischenraum als auch einen Kanal aufweisen.
• Der runde Emissionsbereich kann alternativ wenigstens zwei V-förmige Spalte oder Zwischenräume aufweisen.
• Jeder beliebige oben erwähnte Elektronenstrahler kann einen runden Emissionsbereich aufweisen, der einen radialen elektrischen Weg aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der runde Emissionsbereich ein Loch an einem Mittelpunkt des runden Emissionsbereichs aufweisen.
• Der Strahler kann Wolfram, Hafniumkarbid oder eine Kombination davon aufweisen.
• Nach einem Aspekt der Erfindung weist ein Elektronenstrahler Folgendes auf:
  eine Oberfläche, die einen scheibenförmigen Emissionsbereich aufweist, der bei Erwärmung mit einem Treibstrom von 10 A oder weniger Elektronen emittieren kann, und
  zwei elektrisch leitfähige Beine oder Stifte, die an jeweiligen Stellen außerhalb des scheibenförmigen Emissionsbereichs mit der Oberfläche verbunden sind und die dem scheibenförmigen Emissionsbereich Strom zuführen können, so dass, wenn dem scheibenförmigen Emissionsbereich Strom zugeführt wird, der scheibenförmige Emissionsbereich sich auf eine Temperatur von wenigstens 2000 Grad Celsius erwärmt, wobei bei Erwärmung des scheibenförmigen Emissionsbereichs eine Temperaturschwankung über der Emissionsfläche von weniger als 6 % einer Höchsttemperatur erreicht wird.
• Der scheibenförmige Emissionsbereich kann einen Kreis umfassen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Kreises wenigstens 7 mm. Des Weiteren beträgt der Durchmesser des Kreises vorzugsweise zwischen etwa 7 mm und etwa 11 mm.
• Jeder beliebige oben erwähnte Strahler kann einen die Emissionsfläche umgebenden ringförmigen Bereich aufweisen, der nicht Teil der Emissionsfläche ist.
• Der scheibenförmige Emissionsbereich eines oben erwähnten Strahlers kann eine Ellipse umfassen.
• Jeder beliebige oben erwähnte scheibenförmige Emissionsbereich kann sich auf eine Temperatur von wenigstens 2000 Grad Celsius erwärmen, wobei bei einem Treibstrom zwischen etwa 7,5 A und etwa 9,5 A über der Emissionsfläche eine Temperaturschwankung von weniger als 6 % einer Höchsttemperatur erzielt wird.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Röntgenröhre, die Folgendes aufweist:
  eine Elektronenstrahlquelle, die einen Elektronenstrahler aufweist, der zum Emittieren eines Elektronenstrahls konfiguriert ist, wobei der Elektronenstrahler Folgendes aufweist:
  einen scheibenförmigen Emissionsbereich, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann und einen gewundenen bzw. serpentinenförmigen elektrischen Weg aufweist, wobei der gewundene elektrische Weg von einem Außendurchmesser des scheibenförmigen Emissionsbereichs zu einer Mitte des scheibenförmigen Emissionsbereichs und zurück verläuft, und
  mehrere elektrisch leitfähige Beine oder Stifte, die an jeweiligen Stellen außerhalb des scheibenförmigen Emissionsbereichs mit dem Elektronenstrahler verbunden sind und die dem kreisförmigen Emissionsbereich Strom zuführen können,
  eine Anodenanordnung, die zum Empfangen des Elektronenstrahls und zum Emittieren von Röntgenstrahlen, wenn der Elektronenstrahl auf sie auftrifft, konfiguriert ist, und
  ein Gehäuse, in dem die Elektronenstrahlquelle und die Anodenanordnung angeordnet sind.
• Der scheibenförmige Emissionsbereich des Röntgenstrahlers kann einen Kreis umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der scheibenförmige Emissionsbereich wenigstens einen V-förmigen Spalt bzw. Zwischenraum aufweisen, der sich zu einer Mitte des Kreises hin verschmälert. Optional kann der scheibenförmige Emissionsbereich in einer Mitte des Kreises ein Loch aufweisen. Der scheibenförmige Emissionsbereich kann mehrere Flügel aufweisen.
• Wenigstens ein Teil der mehreren Flügel kann durch einen oder mehrere V-förmige Spalte bzw. Zwischenräume getrennt sein, wobei der scheibenförmige Emissionsbereich so konfiguriert sein kann, dass er sich bei Erwärmung innerhalb des einen Spalts bzw. Zwischenraums oder der mehreren V-förmigen Spalte bzw. Zwischenräume ausdehnen kann, so dass der eine oder die mehreren V-förmigen Spalte bzw. Zwischenräume kleiner wird/werden, ohne zuzulassen, dass benachbarte Flügel einander berühren.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die Begleitzeichungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen durchgehend gleiche Teile bezeichnen, wobei:
• 1 eine bildhafte Ansicht eines CT-Bildgebungssystems ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet,
• 2 ein schematisches Blockdiagramm des in 1 veranschaulichten Systems ist,
• 3 eine schematische Ansicht einer Röntgenstrahlenquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist,
• 4 eine Draufsicht eines Strahlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist,
• 5 eine perspektivische Ansicht des Strahlers von 5 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist,
• 6 eine Draufsicht des Strahlers von 5 ist, in der eine Emissionsfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung markiert ist, und
• 7 eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer Emissionsfläche mit einem axialen Stromweg ist.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Es sind hierin Elektronenstrahler zur Verwendung in Verbindung mit einer Kathodenanordnung einer Röntgenröhre vorgesehen. Die Elektronenstrahler beinhalten strukturelle Merkmale, die im Vergleich zu bestehenden Elektronenstrahlern, die zur Verwendung in Elektronenkanonenkonfigurationen geeignet sind, eine Elektronenemissionsfläche mit einem relativ größeren Durchmesser (z.B. in einer Ausführungsform mit einem Durchmesser von etwa 7 mm bis etwa 11 mm) ergeben. Größere Strahler, wie die hierin offenbarten, führen zu höheren Elektronenemissionen bei dem gewünschten Treibstrom. Treibstrom bezieht sich auf den Strom, der durch den Strahler fließt, um ihn zu erwärmen. In einem Beispiel ist die Emission größer als 1250 mA. Des Weiteren sind die Elektronenstrahler in der Lage, über die gesamte Elektronenemissionsfläche eine relativ gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten, was einen robusten Brennfleck für Bildgebungszwecke ergibt. Außerdem kann ein Mangel an heißen Stellen (Hotspots) auf der Emissionsfläche, der ein Vorteil der Aufrechterhaltung relativ gleichmäßiger Temperaturen während der Elektronenemission ist, zu einer längeren nutzbaren Lebensdauer für den Strahler führen, was wiederum für die Wartung der Röntgenvorrichtung kostengünstig ist. Dementsprechend können die geschaffenen Strahler Strahler mit größerem Durchmesser sein, die eine hohe Emission und eine lange Lebensdauer ergeben.
• Zu diesem Zweck können die hierin offenbarten Elektronenstrahler in Verbindung mit jeder beliebigen geeigneten Röntgenvorrichtung verwendet werden. Die Betriebsumgebung der Offenbarung ist in Bezug auf ein 64-Schichten-Computertomographiesystem(CT)-System beschrieben. Obwohl sie in Bezug auf eine Ausführungsform eines CT-Scanners beschrieben sind, lassen sich die vorliegenden Techniken gleichermaßen auf andere Systeme auf Röntgenstrahlenbasis, einschließlich Fluoroskopie-, Mammographie-, Angiographie- und übliche radiographische Bildgebungssysteme sowie Behandlungssysteme für die Strahlentherapie, anwenden. Außerdem erkennt der Fachmann, dass die offenbarten Ausführungsformen zur Verwendung mit anderen Anwendungen, in denen eine Elektronenkanone und/oder ein Elektronenstrahler implementiert ist, sei es für die Emission von Röntgenstrahlen oder anderweitig, geeignet sind.
• In 1, auf die Bezug genommen wird, ist ein Computertomographie(CT)-Bildgebungssystem 10 mit einer Gantry 12 gezeigt. Die Gantry 12 hat eine Röntgenstrahlenquelle 14, die ein Röntgenstrahlenbündel 16 auf eine Detektoranordnung auf der gegenüberliegenden Seite der Gantry 12 projiziert. Eine Detektoranordnung 18 wird von einem Kollimator 18, mehreren Detektoren 20 und einem Datenerfassungssystem 32 gebildet. Die mehreren Detektoren 20 (siehe 2) erfassen die projizierten Röntgenstrahlen, die durch einen medizinischen Patienten 22 hindurchtreten, und das Datenerfassungssystem 32 wandelt die Daten in digitale Signale zur anschließenden Bearbeitung um. Jeder Detektor 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahlenbündels und somit des beim Hindurchtreten durch den Patienten 22 abgeschwächten Strahlbündels repräsentiert. Während eines Scans zur Erfassung von Röntgenstrahlenprojektionsdaten drehen sich die Gantry 12 und die an ihr montierten Bauteile um einen Drehmittelpunkt 24.
• Bezug nehmend auf 2 werden die Rotation der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenstrahlenquelle 14 von einem Steuermechanismus 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Der Steuermechanismus 26 beinhaltet eine Röntgensteuerung 28, die Leistungs- und Zeitsteuerungssignale an eine Röntgenstrahlenquelle 14 liefert, und eine Gantrymotorsteuerung 30, die die Drehgeschwindigkeit und -position der Gantry 12 steuert. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgendaten von dem Datenerfassungssystem 32 und führt eine Hochgeschwindigkeits-Rekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als eine Eingabe bei einem Computer 36 angewandt, der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 speichert.
• Der Computer 36 empfängt ferner Befehle und Scanparameter von einem Bediener über eine Konsole 40, die eine Form einer Benutzerschnittstelle, wie einer Tastatur, Maus, sprachaktivierte Steuerung oder eine anderen geeignete Eingabevorrichtung aufweist. Eine zugeordnete Anzeige 42 ermöglicht es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten aus dem Computer 36 zu betrachten. Die vom Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 benutzt, um das Datenerfassungssystem 32, die Röntgensteuerung 28 und die Gantrymotorsteuerung 30 mit Steuersignalen und Informationen zu versorgen. Außerdem betreibt der Computer 36 eine Tischmotorsteuerung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zum Positionieren des Patienten 22 und der Gantry 12 steuert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 den Patienten 22 entweder ganz oder teilweise durch eine Gantryöffnung 48 nach 1 hindurch.
• In 3, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist die in dem CT-System 10 enthaltene Röntgenstrahlenquelle 14 im Detail gezeigt. Die Röntgenstrahlenquelle 14 beinhaltet eine Röntgenstrahlen erzeugende Röhre 14, die eine Elektronenkanone 50, die als eine Pierce-Elektronenkanone konfiguriert sein kann, und eine in einem Gehäuse 54 eingeschlossene Anodenanordnung 52 beinhaltet. Die Anodenanordnung 52 beinhaltet einen Rotor 56, der zum Drehen einer rotierenden Anodenscheibe 58 (d.h. das Target) konfiguriert ist. Wenn ein Elektronenstrom 60 von der Elektronenkanone 50 auf sie auftrifft, emittiert die Anode 58 ein Röntgenstrahlenbündel 62.
• Die Röntgenröhre 50 wird von der Anoden- und Kathodenanordnung in einem Gehäuse 54 gehalten, das einen Bereich relativ niedrigen Drucks (z.B. ein Vakuum) definiert. Zum Beispiel kann das Gehäuse 54 Glas, Keramik oder Edelstahl oder andere geeignete Werkstoffe aufweisen. Die Anode 60 kann aus einem beliebigen Metall oder Verbundwerkstoff, wie z.B. Wolfram, Molybdän, Kupfer oder einem beliebigen Werkstoff, der zur Bremsstrahlung beiträgt, wenn er mit Elektronen beschossen wird, hergestellt sein. Das Oberflächenmaterial der Anode ist gewöhnlich so gewählt, dass es eine relative Temperaturleitfähigkeit hat, um der Wärme standzuhalten, die von auf die Anode 58 auftreffenden Elektronen erzeugt wird. Der Zwischenraum zwischen der Kathodenanordnung 66 und der Anode 58 kann evakuiert werden, um Zusammenstöße von Elektronen mit anderen Atomen zu minimieren und die Hochspannungsstabilität zu erhöhen. Darüber hinaus kann eine derartige Evakuierung vorteilhafterweise ermöglichen, dass ein Magnetfluss schnell mit dem Elektronenstrahl 62 in Wechselwirkung tritt (d.h. ihn lenkt oder fokussiert). In einigen Röntgenröhren werden zwischen der Kathodenanordnung 66 und der Anode 58 elektrostatische Potentialdifferenzen von über 20 kV erzeugt, die verursachen, dass von der Kathodenanordnung 66 abgestrahlte Elektronen sich zur Anode 58 hin beschleunigen. 4 zeigt eine Draufsicht von oben auf einen Strahler 100, der zur Elektronenemission als Teil der Kathodenanordnung 66 integriert sein kann. Der Strahler 100 beinhaltet eine Oberseitenfläche 106, auf der eine Elektronenemissionsfläche 110 ausgebildet ist und die bei Erwärmung Elektronen abstrahlt. Joulesche Erwärmung erhöht die Temperatur des Strahlers 100, wenn an die Emissionsfläche 110 eine Spannung angelegt wird, was verursacht, dass ein Strom durch den gewundenen bzw. serpentinenförmigen radialen Weg jedes der vier Quadranten fließt. Durch Bereitstellen eines Strahlers 100 mit mehreren separaten Bereichen (z.B. vier Quadranten) kann ein größerer Strahler gebildet werden. Zum Beispiel können die zusätzlichen Windungen in dem abgebildeten Vier-Quadranten-Muster auf einer gewünschten Breite gehalten werden und trotzdem den Treibstrom aufrechterhalten.
• Der elektrische Weg ist mittels eines Pfeils 114 gezeigt. Der Weg ist insofern radial, als der Pfeil 114 an dem Außendurchmesser in den Kreis eintritt und einem Pfadweg zu der Mitte des Kreises folgt, bevor er in einen anderen Quadranten des Kreises eintritt und einem Weg wieder zu dem Außendurchmesser folgt. Die Oberseitenfläche 106 beinhaltet Schlitze 116, die Ligamente (Bänder) oder Segmente 120 voneinander trennt, wodurch ein einzelner gewundener radialer elektrischer Weg definiert wird. Die Schlitze sind so bemessen, dass sie den elektrischen Weg definieren und eine Wärmeausdehnung in der radialen Richtung ohne Kurzschlüsse zwischen benachbarten Ligamenten oder Segmenten 120 ermöglichen. In einer Ausführungsform sind die Schlitze etwa 60 µm breit und die Segmente 120 sind etwa 320 µm breit. Die Größe und Anzahl der Segmente 120 können zum Beeinflussen der Charakteristik der Emissionsfläche 110 gewählt werden. Zum Beispiel stellen die Segmente 120 einen radialen Weg bereit, der an jeder Windung 122, die von den Schlitzen 116 und irgendeiner anderen physischen Trennung von den benachbarten Segmenten 120 definiert wird, seine Richtung wechselt. Der elektrische Weg windet sich an den Segmenten 120 entlang um die Emissionsfläche 110, wobei er an den Windungen 122 die Richtung ändert. Ein elektrischer Weg mit mehreren Windungen 122 (und mehreren Segmenten 120) kann eine bessere Temperaturgleichmäßigkeit und einen kleineren Treibstrom zur Folge haben. Ein Strahler 100 mit mehreren Windungen 122 kann aber komplizierter herzustellen sein. Des Weiteren kann die Breite der Windungen 122 zum Ausgleichen von eventuellen heißen Stellen angepasst werden, wodurch die Temperaturgleichmäßigkeit der Emissionsfläche im Betrieb verbessert wird.
• Der Elektrizitätsfluss über die Oberseitenfläche 106 und in der Emissionsfläche 110 führt zur Erwärmung der Emissionsfläche 110 und schließlichen Elektronenemission, wenn der Strahler 100 ausreichend hohe Temperaturen erreicht. In gewissen Ausführungsformen kann der Strahler 100 geeignete Materialien zum Ermöglichen der Elektronenemission, einschließlich Wolfram, Hafniumkarbid (HfC) oder andere Werkstoffe, beinhalten. Des Weiteren ist zu verstehen, dass der Strahler 100 zwar mit einer flachen Oberseitenfläche 106 (und Emissionsfläche 110) dargestellt ist, der Strahler 100 aber in gewissen Ausführungsformen gekrümmt oder anderweitig nichteben sein kann.
• Der Strahler 100 kann ferner zusätzliche Merkmale beinhalten, die den elektrischen Weg definieren, einschließlich Durchgänge 124, die einen Anschluss 112a von anderen Anschlüssen (z.B. einen Anschluss 112b) elektrisch trennen. Ein Kanal 130 trennt eine obere Hälfte 132 der Emissionsfläche 110 von einer unteren Hälfte 134, wodurch die Segmente 120 weiter daran gehindert werden, mehrere Wege innerhalb der Emissionsfläche zu haben. Wie veranschaulicht, durchschneidet der Kanal 130 die Emissionsfläche 110. Der Kanal 130 kann die Emissionsfläche in im Wesentlichen gleiche Teile trennen, je nach der Form der Emissionsfläche. Der Kanal kann sich auch über die Emissionsfläche 110 hinaus in eine weitere Aussparung 136 hinein erstrecken, die an einem Ende 138 einer längsten Dimension des Strahlers 100 endet.
• Der Strahler 100 kann auch einen oder mehrere V-förmige Spalte bzw. Zwischenräume 138 aufweisen, die Teile der Emissionsfläche 110 teilweise voneinander trennen. Zum Beispiel zeigen die abgebildeten Ausführungsformen zwei V-förmige, d.h. sich verjüngende Spalte bzw. Zwischenräume 138, die linke Quadranten (140a und 140b) von rechten Quadranten (142a und 142b) der Emissionsfläche 110 trennen. Wie veranschaulicht, lassen die V-förmigen Zwischenräume 138 einen einzelnen elektrischen Weg zwischen den linken Quadranten 140 und den rechten Quadranten 142 bestehen. In einer Ausführungsform sind die V-förmigen Zwischenräume 138 entlang einer Achse (z.B. einer Durchmesserachse) fluchtend ausgerichtet. In einer weiteren Ausführungsform sind die V-förmigen Zwischenräume 138 zu dem Kanal 130 orthogonal ausgerichtet.
• Der Strahler 100 kann auch Temperaturgleichmäßigkeitsmerkmale beinhalten, die eine Kühlung oder Wärmeverteilung über die Emissionsfläche ermöglichen. Zm Beispiel kann die Größe und Gestalt der Durchgänge 124 für eine Wärmeverteilung gewählt werden. Zu diesem Zweck können Durchgänge 146 auch in dem Strahler 100 ausgebildet sein. Die Durchgänge 146 können auch als Ausrichtungslöcher zur Positionierung des Strahlers 100 in der Kathodenanordnung 66 verwendet werden. Außerdem kann der Kanal 130 Wärmeverteilungsmerkmale, wie bspw. ein in der Mitte der Emissionsfläche 110 ausgebildetes Loch 148, haben. Das Loch 148 kann eine beliebige geeignete Gestalt haben, die das Regulieren oder Glätten der Temperatur ermöglicht. In einer Ausführungsform hat das Loch 148 einen Durchmesser von etwa 550 µm.
• 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Strahlers 100, die die Stifte 160 zeigt. Der Stift 160a ist elektrisch mit dem Anschluss 112a verbunden und führt elektrischen Strom zu. Ähnlich ist der Stift 160b mit dem Anschluss 112b verbunden. Der Stift 160c ist nicht elektrisch leitfähig und ist an der Verbindungsstelle 164 mit dem Strahler 100 verbunden. Diese Verbindung, ob fest oder verschiebbar, sorgt für strukturellen Halt, um den Strahler in der Ebene zu halten. Es ist zu verstehen, dass die Positionen der Stifte 160 und der Anschlüsse 112 vertauscht werden können. Des Weiteren kann der Strahler 110 mit einer Zwei-Stift-Anordnung anstelle einer Drei-Stift-Anordnung ausgestaltet sein. Die Stifte können auf jede beliebige geeignete Weise an dem Strahler 100 befestigt werden. In einer Ausführungsform sind die Stifte 160 durch Laserschweißen an den Strahler 100 angefügt. In einer Ausführungsform sind die Stifte 160 an Positionen außerhalb der Emissionsfläche 110 mit dem Strahler 100 verbunden.
• Die Stifte 160 sind außerhalb eines die Emissionsfläche 110 definierenden Bereichs mit dem Strahler 100 verbunden. 6 veranschaulicht die Emissionsfläche 110 als innerhalb des Kreises befindlich, der von einer gestrichelten Linie 170 definiert wird. In der abgebildeten Ausführungsform kann der Durchmesser d₁ der Emissionsfläche wenigstens etwa 7 mm oder wenigstens etwa 10 mm betragen. Der Strahler 100 bildet einen Kreis mit einem Durchmesser d₂, der sich außerhalb der Emissionsfläche 110 erstreckt, so dass sich das längste Segment 120 wenigstens teilweise außerhalb der Emissionsfläche 110 befindet. In gewissen Ausführungsformen beträgt der Durchmesser d₁ etwa 10 mm, und der Durchmesser d₂ beträgt etwa 11,5 mm.
• Wie erwähnt, kann der Strahler ein oder mehrere Merkmale beinhalten, die den im Wesentlichen runden Strahler 100 in verschiedene Abschnitte oder Quadranten unterteilen. Zum Beispiel können derartige Merkmale einen oder mehrere V-förmige Zwischenräume bzw. Spalte 138 beinhalten. Die Größe und Gestalt der V-förmigen Zwischenräume 138 kann gewählt werden, um eine Wärmeausdehnung der Segmente 120 zuzulassen. Der Strahler 100 ist so konfiguriert, dass er sich bei Erwärmung innerhalb des einen oder der mehreren V-förmigen Zwischenräume ausdehnen kann, so dass der eine oder die mehreren V-förmigen Zwischenräume 138 in ihrer Größe kleiner wird/werden, ohne zuzulassen, dass benachbarte Flügel oder Abschnitte einander berühren. Speziell können die V-förmigen Zwischenräume mit zunehmender radialer Entfernung von der Mitte des Strahlers 100 weg allgemein breiter werden. Dies ermöglicht längeren, zum Außenumfang des Strahlers 100 hin befindlichen Segmenten 120, sich mehr ausdehnen als relativ kürzere Segmente 120. Kürzere Segmente 120 können sich weniger ausdehnen, was einen relativ schmäleren Zwischenraum ermöglicht. Die Größe der V-förmigen Zwischenräume 138 kann gewählt werden, um die Ausdehnung zuzulassen, aber auch um einen Verlust der Emissionsfläche zu minimieren.
• Die V-förmigen Spalte bzw. Zwischenräume 138 verjüngen sich zu der Mitte der Emissonsfläche 110 hin, so dass sich die Zwischenraum- bzw. Spaltbreite verändert und zum Loch 148 hin am schmälsten ist. Am breitesten Punkt kann die Zwischenraumbreite l₁ 260 µm betragen oder kleiner sein. In einer Ausführungsform kann der V-förmige Zwischenraum 138 eine Zwischenraumbreite haben, die zwischen etwa 120 µm und etwa 240 µm variiert. Des Weiteren kann der V-förmige Zwischenraum 138 durch ein Verhältnis einer breitesten Zwischenraumbreite l₁ zu einer schmälsten Zwischenraumbreite von etwa 2 oder mehr gekennzeichnet sein. Das heißt, die breiteste Stelle des V-förmigen Zwischenraums 138 kann doppelt so breit oder breiter sein als seine schmälste Stelle. Der Kanal 130 kann eine Zwischenraumbreite l₂ haben, die eine im Wesentlichen konstante Größe hat. In einer Ausführungsform ist die Zwischenraumbreite l₂ des Kanals 130 kleiner als etwa 240 µm. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Zwischenraumbreite l₂ des Kanals 130 zwischen etwa 120 µm und etwa 240 µm.
• Die Größe und Gestalt des Strahlers 100 können auf der Basis geeigneter Dimensionen zur Verwendung in Verbindung mit der Kathodenanordnung 66 gewählt werden. In einer speziellen Ausführungsform kann die längere Dimension l₃ des Strahlers 100 etwa das Zweifache des Durchmessers der Emissonsfläche 110 betragen. In einer Ausführungsform kann die längere Dimension l₃ innerhalb von 1–2 mm länger oder kürzer als das Zweifache des Durchmessers der Emissonsfläche 110 sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die kürzere Dimension l₄ des Strahlers 100 etwa dem Durchmesser der Emissionsfläche 110 entsprechen.
• 7 zeigt eine alternative Ausführungsform des Strahlers 100, bei dem die Emissionsfläche 110 so konfiguriert ist, dass der elektrische Weg im Wesentlichen axial ist, was in der dargestellten Ausführungsform zu einer im Wesentlichen elliptischen Emissionsfläche 110 führt. Die Segmente 120 beinhalten Windungen 122, die einen elektrischen Weg definieren, der an jeder Windung 122 die Richtung um etwa 180 Grad ändert.
• Der Strahler 100 ist in der Lage, mit Treibströmen von etwa 7 bis 9,5 A Emissionstemperaturen mit relativ größeren Oberflächendurchmessern (z.B. wenigstens 7 mm) zu erreichen. Diese Anordnung stellt eine Vergrößerung des Emissionsflächendurchmessers und eine verbesserte Elektronenemissionscharakteristik bereit, ohne den zugeordneten Treibstrom unerwünscht zu vergrößern. In einer Ausführungsform kann die Emissionsfläche 110 eine beliebige geeignete Gestalt oder Konfiguration haben, die diese Wirkung erzielt. Zum Beispiel kann die Emissionsfläche 110 allgemein rund, scheibenförmig, kreisförmig, ringförmig, elliptisch oder rechteckig sein.
• Ungeachtet des zur Bildung des Strahlers 100 verwendeten Musters ist die Temperaturverteilung über der Emissionsfläche 100 bei Betriebstreibströmen relativ gleichmäßig. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse erwarteter Temperaturprofile für die radiale (Durchmesser von 10 mm) und axiale Gestaltung, wie sie mithilfe von Software zur thermischen Modellbildung modelliert wurden.

  	Treibstrom (A)	Tmax (ºC)	∆T (ºC)
  Radiales Muster	9,5	2601	124
  Axiales Muster	7,5	2641	150

  Tabelle 1
• Wie gezeigt, blieb die Temperaturgleichmäßigkeit für das radiale Muster selbst bei maximalen Treibströmen beständig. In einer Ausführungsform erhält der Strahler 100 eine Temperaturgleichmäßigkeit über der Emissionsfläche 110 mit einer Temperaturdifferenz zu der Höchsttemperatur von weniger als etwa 10 % oder weniger als etwa 6 % aufrecht.
• Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um dem Fachmann die Ausführung der Techniken, einschließlich der Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen bzw. Systeme und der Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die fachkundigen Personen einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele in dem Umfang der Ansprüche liegen sollen, wenn sie strukturelle Elemente beinhalten, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von dem Wortsinn der Ansprüche beinhalten.
• Ausführungsformen der Offenbarung betreffen Elektronenstrahler zur Verwendung in Verbindung mit Röntgenvorrichtungen. In einer Ausführungsform weist der Strahler einen runden Emissionsbereich auf, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann, wobei der runde Emissionsbereich wenigstens einen Zwischenraum, einen Kanal oder eine Kombination davon aufweist, der/die einen ersten Teil des runden Emissionsbereichs von einem zweiten Teil des runden Emissionsbereichs trennt und eine Wärmeausdehnung des ersten Teils und des zweiten Teils innerhalb des wenigstens einen Zwischenraums oder Kanals zulässt, ohne zuzulassen, dass der erste Teil und der zweite Teil einander berühren. Zwei elektrisch leitfähige Beine sind an jeweiligen Stellen außerhalb des runden Emissionsbereichs mit der Oberfläche verbunden und können dem runden Emissionsbereich Strom zuführen.
• Bezugszeichenliste

10

System

12

Gantry

14

Röntgenstrahlenquelle

16

Röntgenstrahlen

18

Kollimator 18

20

Detektor

22

Medizinischer Patient

26

Steuermechanismus

28

Röntgensteuerung

30

Gantrymotorsteuerung

32

Datenerfassungssystem

34

Bildrekonstruktionseinrichtung

36

Computer

38

Massenspeichervorrichtung

40

Konsole

42

Anzeige

44

Tischmotorsteuerung

46

Tisch

48

Gantryöffnung

50

Elektronenkanone

52

Anodenanordnung

54

Gehäuse

56

Rotor

58

Anode

60

Elektrodenstrom

62

Röntgenstrahlenbündel

66

Kathodenanordnung

100

Strahler

106

Oberseitenfläche

110

Emissionsfläche

112

Anschluss

114

Pfeil

116

Schlitze

120

Segmente

122

Windung

124

Durchgänge

130

Kanal

132

Obere Hälfte

134

Untere Hälfte

136

Aussparung

138

Zwischenräume, Spalte

140

Linke Quadranten

142

Rechte Quadranten

146

Durchgänge

148

Loch

160

Stifte

170

Gestrichelte Linie

Claims (10)

1. Elektronenstrahler, der aufweist: eine Oberfläche, die einen runden Emissionsbereich aufweist, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann, wobei der runde Emissionsbereich wenigstens entweder einen Zwischenraum oder einen Kanal oder eine Kombination davon aufweist, der/die einen ersten Teil des runden Emissionsbereichs von einem zweiten Teil des runden Emissionsbereichs trennt und eine Wärmeausdehnung des ersten Teils und des zweiten Teils innerhalb des wenigstens einen Zwischenraums oder Kanals zulässt, ohne zuzulassen, dass der erste Teil und der zweite Teil einander berühren, und zwei elektrisch leitfähige Beine, die an jeweiligen Stellen außerhalb des runden Emissionsbereichs mit der Oberfläche verbunden und in der Lage sind, dem runden Emissionsbereich Strom zuzuführen.
2. Elektronenstrahler, der aufweist: eine Oberfläche, die einen scheibenförmigen Emissionsbereich aufweist, der bei Erwärmung mit einem Treibstrom von 10 A oder weniger Elektronen emittieren kann, und zwei elektrisch leitfähige Beine, die an jeweiligen Stellen außerhalb des scheibenförmigen Emissionsbereichs mit der Oberfläche verbunden und in der Lage sind, dem scheibenförmigen Emissionsbereich Strom zuzuführen, so dass, wenn dem scheibenförmigen Emissionsbereich Strom zugeführt wird, der scheibenförmige Emissionsbereich sich auf eine Temperatur von wenigstens 2000 Grad Celsius erwärmt, wobei über der Emissionsfläche eine Temperaturschwankung von weniger als 6 % einer Höchsttemperatur erreicht wird, wenn der scheibenförmige Emissionsbereich erwärmt wird.
3. Elektronenstrahler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der runde Emissionsbereich einen Kreis aufweist.
4. Elektronenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der runde Emissionsbereich wenigstens einen V-förmigen Zwischenraum aufweist, der sich zu einer Mitte des Kreises hin verschmälert, wobei sich der V-förmige Zwischenraum vorzugsweise von einer breitesten Zwischenraumbreite aus verschmälert, die etwa das Zweifache einer schmalsten Zwischenraumbreite beträgt.
5. Elektronenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der runde Emissionsbereich wenigstens zwei V-förmige Zwischenräume und/oder einen radialen elektrischen Weg aufweist.
6. Elektronenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der runde Emissionsbereich ein Loch an einem Mittelpunkt des runden Emissionsbereichs aufweist.
7. Elektronenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahler Wolfram, Hafniumkarbid oder eine Kombination davon aufweist.
8. Elektronenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahler einen die Emissionsfläche umgebenden ringförmigen Bereich aufweist, der nicht Teil der Emissionsfläche ist.
9. Elektronenstrahler nach einem der Ansprüche 2–8, wobei der scheibenförmige Emissionsbereich eine Ellipse aufweist.
10. Röntgenröhre, die aufweist: eine Elektronenstrahlquelle, die einen Elektronenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, der zum Emittieren eines Elektronenstrahls konfiguriert ist, wobei der Elektronenstrahler aufweist: einen scheibenförmigen Emissionsbereich, der bei Erwärmung Elektronen emittieren kann und einen gewundenen elektrischen Weg aufweist, wobei der gewundene elektrische Weg von einem Außendurchmesser des scheibenförmigen Emissionsbereichs zu einer Mitte des scheibenförmigen Emissionsbereichs und zurück verläuft, und mehrere elektrisch leitfähige Beine, die an jeweiligen Stellen außerhalb des scheibenförmigen Emissionsbereichs mit dem Elektronenstrahler verbunden und in der Lage sind, dem kreisförmigen Emissionsbereich Strom zuzuführen, eine Anodenanordnung, die zum Empfangen des Elektronenstrahls und zum Emittieren von Röntgenstrahlen, wenn der Elektronenstrahl auf sie auftrifft, konfiguriert ist, und ein Gehäuse, in dem die Elektronenstrahlquelle und die Anodenanordnung angeordnet sind.

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