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Die Erfindung betrifft einen einpoligen Röntgenstrahler.
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Ein derartiger Röntgenstrahler ist beispielsweise aus der Patentanmeldung
US 2012/0 114 104 A1 bekannt. Der bekannte Röntgenstrahler umfasst ein Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse und einem Antriebsmotor angeordnet sind. Im Vakuumgehäuse sind eine Kathode, die einen Elektronenstrahl erzeugt, und eine Drehanode, auf die der Elektronenstrahl in einer Brennbahn auftrifft, angeordnet. Das Vakuumgehäuse weist eine antriebsseitige Gehäusewand und eine anodenseitige Gehäusewand auf. Die Drehanode ist verdrehfest auf einem Anodenrohr gehalten, das drehbar auf einem stehenden Teil einer mit dem Antriebsmotor gekoppelten Rotorwelle gelagert ist.
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Im bekannten Fall sind die Lagerung, die Rotorwelle und die Drehanode radial übereinander angeordnet und geometrisch nicht voneinander getrennt. Die Rotorwelle ist als Hohlzylinder ausgeführt und umschließt einen feststehenden Teil einer Achse. Die Kathodenansteuerung (Hochspannung und Strom) ist achsparallel angeordnet. Die Drehanode ist hierbei relativ weit von der anodenseitigen Gehäusewand des Vakuumgehäuses entfernt, wodurch die Röntgenröhre und damit der Röntgenstrahler einen entsprechend großen Bauraum aufweisen.
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Aus der
DE 10 2005 013 718 A1 ist eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse bekannt. Hinweise über eine elektrisch isolierte Anordnung der Röntgenröhre in einem Strahlergehäuse sind nicht zu entnehmen.
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Bei der in der
US 5 978 447 A beschriebenen Röntgenröhre enthält das Anodenrohr zwar ein Temperaturkompensationselement. Es ist jedoch unklar, wie das Kugellager zur Temperaturkompensation beiträgt, d. h. welches der beiden Lager das Festlager bzw. das Loslager ist.
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In der
DE 103 53 964 B4 ist ein Röntgenstrahler beschrieben, der jedoch kein Temperaturkompensationselement und keine Kühlstruktur auf der anodenseitigen Gehäusewand aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten Röntgenstrahler mit verbesserten Abbildungseigenschaften zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen einpoligen Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Der einpolige Röntgenstrahler nach Anspruch 1 umfasst ein Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse und einem Antriebsmotor angeordnet ist, wobei im Vakuumgehäuse eine Kathode, die einen Elektronenstrahl erzeugt, und eine Drehanode, auf die der Elektronenstrahl in einer Brennbahn auftrifft, angeordnet sind, und wobei das Vakuumgehäuse eine antriebsseitige Gehäusewand und eine anodenseitige Gehäusewand aufweist und die Drehanode verdrehfest auf einem Anodenrohr gehalten ist, das drehbar auf einem stehenden Teil einer mit dem Antriebsmotor gekoppelten Rotorwelle gelagert ist. Erfindungsgemäß ist der stehende Teil der Rotorwelle über eine ringförmige Befestigung mit der anodenseitigen Gehäusewand des Vakuumgehäuses verbunden, wobei das Anodenrohr ein Temperaturkompensationselement enthält und die Lagerung eines rotierenden Teils der Rotorwelle innerhalb des Anodenrohrs angeordnet ist, und wobei das Vakuumgehäuse gegenüber dem Strahlergehäuse elektrisch isoliert angeordnet ist und die Brennbahn auf der Seite der Drehanode angeordnet ist, die der anodenseitigen Gehäusewand des Vakuumgehäuses abgewandt ist, wobei auf einer Außenseite der anodenseitigen Gehäusewand eine Kühlstruktur angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Röntgenstrahler handelt es sich um einen einpoligen Röntgenstrahler, d. h. das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre und die Anode liegen auf gleichem Potenzial. Im Gegensatz dazu ist bei einem zweipoligen Aufbau das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre gegenüber der Anode und der Kathode isoliert (Anode liegt z. B. auf einem höheren Potenzial als das auf erdnahem Potenzial liegende Vakuumgehäuse).
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Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung der stehende Teil der Rotorwelle über eine ringförmige Befestigung an der anodenseitigen Gehäusewand des Vakuumgehäuses verbunden ist, kann die Drehanode, die verdrehfest auf einem drehbar gelagertem Anodenrohr gehalten ist, nahe am Vakuumgehäuse angeordnet sein. Damit ergibt sich ein geringer Abstand zwischen dem Aufenthaltsbereich des Brennflecks, der eine Brennbahn auf der Drehanode bildet, und der Außenseite des Vakuumgehäuses. Darüber hinaus ist durch die ringförmige Befestigung des stehenden Teils der Rotorwelle mit der anodenseitigen Gehäusewand des Vakuumgehäuses die für die Einpoligkeit notwendige sichere Potentialverbindung zwischen der Drehanode und dem Vakuumgehäuse gewährleistet.
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Dadurch, dass bei dem Röntgenstrahler nach Anspruch 1 das Anodenrohr ein Temperaturkompensationselement enthält und die Rotorwelle mit der anodenseitigen Gehäusewand verbunden ist, werden thermisch bedingte Längenausdehnungen der Rotorwelle durch das Temperaturkompensationselement des Anodenrohrs kompensiert. Damit besitzt die Drehanode während des Betriebs eine nahezu konstante axiale Position und somit einen nahezu konstanten Abstand zur Kathode. Die unvermeidbare thermische Drift des Elektronenstrahls wird entsprechend stark reduziert, so dass eine nahezu konstante Position des Brennflecks sichergestellt ist. Aufgrund der nahezu konstanten Brennflecklage erhält man während der gesamten Betriebsdauer des Röntgenstrahlers gleichbleibend hochwertige Röntgenaufnahmen.
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Der Röntgenstrahler gemäß Anspruch 1 ist besonders kompakt ausgeführt. Dadurch, dass auf einer Außenseite der anodenseitigen Gehäusewand eine Kühlstruktur angeordnet ist, kann der Abstand zwischen der anodenseitigen Gehäusewand des Vakuumgehäuses und der benachbarten Wand des Strahlergehäuses verringert werden, wodurch sich eine nochmals verringerte Baugröße des Röntgenstrahlers ergibt.
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Die elektrisch isolierte Anordnung des Vakuumgehäuses gegenüber dem Strahlergehäuse ist durch das im Strahlergehäuse zirkulierende Kühl-Isoliermedium (Isolieröl) sichergestellt.
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Der erfindungsgemäße Röntgenstrahler ist aufgrund seiner kompakten Bauweise optimal für eine Brust-CT-Anlage geeignet. Eine derartige Brust-CT-Anlage ist beispielsweise in der Veröffentlichung ”High-resolution spiral CT of the breast at very low dose: concept and feasibility considerations” [W. Kalender et al., in Eur Radiol (2012) 22: Seiten 1 bis 8] beschrieben.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Röntgenstrahlers gemäß Anspruch 2 umfasst die Kathode eine erste Achse, die eine Emissionsrichtung der Elektronen definiert, und eine zweite Achse, die eine Hochspannungszuführung definiert, wobei die erste Achse und die zweite Achse senkrecht zueinander angeordnet sind. Man erhält dadurch eine kompakte Kathodenbaugruppe, die entsprechend wenig Bauvolumen beansprucht, so dass die Baugröße der Röntgenstrahler nochmals verringert werden kann.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Röntgenstrahlers gemäß Anspruch 3 umfasst die Kathode eine erste Achse, die eine Emissionsrichtung der Elektronen definiert, und eine zweite Achse, die eine Hochspannungszuführung definiert, wobei die erste Achse und die zweite Achse windschief zueinander angeordnet sind. Die beiden Achsen schneiden sich also nicht und sind auch nicht zueinander parallel. Der minimale Abstand beider Achsen ist hierbei größer als die Summe der Radien des Anodenrohrs und des Fokuskopfes. Durch diese Maßnahme erhält man eine nochmals reduzierte Baugröße des Röntgenstrahlers.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist für alle Arten von einpoligen Röntgenstrahlern geeignet, beispielsweise für einen Röntgenstrahler gemäß Anspruch 4 oder für einen Röntgenstrahler gemäß Anspruch 5. Bei einem Röntgenstrahler nach Anspruch 4 ist der Antriebsmotor im Strahlergehäuse angeordnet und weist eine außerhalb des Strahlergehäuses angeordnete Hochspannungs-Erzeugungseinheit auf. Bei einem Röntgenstrahler nach Anspruch 5 ist der Antriebsmotor zusammen mit einer Hochspannungs-Erzeugungseinheit im Strahlergehäuse angeordnet (sogenannter Eintank).
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Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines einpoligen Röntgenstrahlers gemäß der Erfindung im Längsschnitt und
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2 eine erste Ausführungsform einer Kathodenbaugruppe mit einem Hochspannungsisolator in einer perspektivischen Ansicht, die zum Einbau in einen Röntgenstrahler gemäß 1 geeignet ist und
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3 eine zweite Ausführungsform einer Kathodenbaugruppe mit einem Hochspannungsisolator in einer perspektivischen Ansicht, die ebenfalls zum Einbau in einen Röntgenstrahler gemäß 1 geeignet ist.
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In 1 ist einpoliger Röntgenstrahler dargestellt, der ein Strahlergehäuse 1 umfasst. Im Strahlergehäuse 1 ist eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse 2 und einem Antriebsmotor 3 angeordnet.
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Das Vakuumgehäuse 2 weist eine antriebsseitige Gehäusewand 21 und eine anodenseitige Gehäusewand 22 auf und ist erfindungsgemäß gegenüber dem Strahlergehäuse 1 elektrisch isoliert angeordnet.
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Der Antriebsmotor 3 umfasst einen Stator 31, der außerhalb des Vakuumgehäuses 2 und innerhalb des Strahlergehäuses 1 angeordnet ist, sowie einen innerhalb des Vakuumgehäuses 2 liegenden Rotor 32.
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Im Vakuumgehäuse 2 ist eine Kathode 4 angeordnet, die einen Fokuskopf 41 umfasst und aus dem ein Elektronenstrahl (in 1 nicht dargestellt) austritt.
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Die Kathode 4 ist als Kathodenbaugruppe ausgebildet und über einen Hochspannungsisolator 42 gegenüber dem Vakuumgehäuse 2 isoliert angeordnet. In den 2 und 3 ist jeweils eine Ausführungsform einer Kathodenbaugruppe dargestellt.
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Weiterhin ist im Vakuumgehäuse 2 eine Drehanode 5 angeordnet, die einen Anodenkörper 51 sowie, eine auf den Anodenkörper 51 aufgebrachte Anodenschicht 52 umfasst. In der Anodenschicht 52 wird beim Auftreffen des Elektronenstrahls Röntgenstrahlung (in 1 nicht dargestellt) erzeugt, die durch ein Austrittsfenster im Vakuumgehäuse und durch ein Austrittsfenster im Strahlergehäuse aus dem Röntgenstrahler austritt und für Untersuchungszwecke zur Verfügung steht. Die Austrittsfenster sind in 1 nicht sichtbar.
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Der Elektronenstrahl trifft in einem Brennfleck auf die Anodenschicht 52 auf, wobei der Aufenthaltsbereich des Brennflecks eine Brennbahn auf der Anodenschicht 52 der Drehanode 5 bildet. Die Brennbahn ist hierbei erfindungsgemäß auf der Seite der Drehanode 5 angeordnet, die der anodenseitigen Gehäusewand 22 des Vakuumgehäuses 2 abgewandt ist.
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Die Drehanode 5 ist verdrehfest auf einem Anodenrohr 6 gehalten, das mit einem rotierenden Teil 82 einer Rotorwelle 8 starr verbunden ist. Der rotierende Teil 82 der Rotorwelle 8 ragt teilweise in einen stehenden Teil 81 der Rotorwelle 8 hinein und ist über eine Lagerung 7, vorzugsweise mittels Kugellager, drehbar auf dem stehenden Teil 81 gelagert. Damit ist das Anodenrohr 6 drehbar angeordnet.
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Die einseitig gelagerte Rotorwelle 8 ist über ein Kopplungselement 23 mit dem Rotor 32 des Antriebsmotors 3 gekoppelt.
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Erfindungsgemäß ist der stehende Teil 81 der Rotorwelle 8 über eine ringförmige Befestigung 9 mit der anodenseitigen Gehäusewand 22 des Vakuumgehäuses 2 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Schweißung realisiert ist.
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Weiterhin enthält das Anodenrohr 6 ein Temperaturkompensationselement 10, das bei der in 1 dargestellten Ausgestaltung des einpoligen Röntgenstrahlers durch eine verringerte Wandstärke in einem radial äußeren Bereich des Anodenrohrs 6 realisiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Temperaturkompensationselement 10 im Rahmen der Erfindung auch aus einem anderen Material als das Anodenrohr 6 gefertigt sein.
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Dadurch, dass der stehende Teil 81 der Rotorwelle 8 über eine ringförmige Befestigung 9 mit der anodenseitigen Gehäusewand 22 des Vakuumgehäuses 2 verbunden ist, kann die Drehanode 5, die verdrehfest auf dem drehbar gelagertem Anodenrohr 6 gehalten ist, nahe am Vakuumgehäuse 2 angeordnet sein. Damit ergibt sich ein geringer Abstand zwischen dem Aufenthaltsbereich des Brennflecks, der eine Brennbahn auf der Drehanode 5 bildet, und der Außenseite des Vakuumgehäuses 2. Darüber hinaus ist durch die ringförmige Befestigung 9 des stehenden Teils 81 der Rotorwelle 8 an der anodenseitigen Gehäusewand 22 des Vakuumgehäuses 2 die für die Einpoligkeit notwendige Potentialverbindung zwischen der Drehanode 5 und dem Vakuumgehäuse 2 sichergestellt.
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Dadurch, dass das Anodenrohr 6 ein Temperaturkompensationselement 10 enthält und die Rotorwelle 8 mit der anodenseitigen Gehäusewand 22 verbunden ist, werden thermisch bedingte Längenausdehnungen der Rotorwelle 8 durch das Temperaturkompensationselement 10 des Anodenrohrs 6 kompensiert. Damit besitzt die Drehanode 5 während des Betriebs eine nahezu konstante axiale Position und somit einen nahezu konstanten Abstand zur Kathode 4. Die unvermeidbare thermische Drift des Auftreffpunktes des Elektronenstrahls auf der Anodenschicht 52 (Aufenthaltsbereich des Brennflecks) wird entsprechend stark reduziert, so dass eine nahezu konstante Position des Brennflecks sichergestellt ist. Aufgrund der nahezu konstanten Brennflecklage erhält man während der gesamten Betriebsdauer des Röntgenstrahlers gleichbleibend hochwertige Röntgenaufnahmen.
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Weiterhin ist bei dem in 1 dargestellten einpoligen Röntgenstrahler auf einer Außenseite der anodenseitigen Gehäusewand 22 eine Kühlstruktur 24 angeordnet. Damit ist trotz des geringen Abstands zwischen der anodenseitigen Gehäusewand 22 und der Innenseite des Strahlergehäuses 1 eine gute Zirkulation des Kühl-Isoliermediums (Isolieröl) sichergestellt. Somit ist eine gute elektrische Isolierung des Vakuumgehäuses 2 gegenüber dem Strahlergehäuse 1 gewährleistet.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Bleiummantelung des Strahlergehäuses 1 sowie die Spannungsversorgung für den Antriebsmotor 3 und die Heizstromzuführung für Kathode 4 nicht dargestellt.
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In 2 ist eine Kathodenbaugruppe dargestellt, die eine Kathode 4 mit einem Fokuskopf 41 umfasst. Der Fokuskopf 41 weist eine kreiszylindrische Grundform auf. Auch andere Grundformen des Fokuskopfes 41 sind im Rahmen der Erfindung realisierbar.
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Der Fokuskopf 41 ist über eine Hochspannungszuführung 43 in einem Hochspannungsisolator 42 gehalten (siehe 1).
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Im Fokuskopf 41 ist an einer Stirnseite ein Emitter 44 angeordnet, der bei der dargestellten Ausgestaltung als Flachemitter ausgeführt ist und auf dem gleichen Potenzial wie der Fokuskopf 41 liegt.
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Der Fokuskopf 41 weist zu beiden Seiten des Emitters 44 jeweils eine Ablenkelektrode 45 und 46 auf.
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Die zwei Ablenkelektroden 45 und 46, mit denen die vom Emitter 44 emittierten Elektronen abgelenkt und fokussiert werden, sind gegenüber dem Fokuskopf 41 elektrisch isoliert.
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Die in 2 dargestellte Kathode 4 umfasst eine erste Achse A1, die eine Emissionsrichtung der von dem Emitter 44 emittierten Elektronen definiert, und eine zweite Achse A2, die die Hochspannungszuführung 43 für die Kathode 4 definiert.
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Aufgrund der Anordnung des Fokuskopfes 41 und der Hochspannungszuführung 43 sind die erste Achse A1 und die zweite Achse A2 senkrecht zueinander angeordnet.
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In 3 ist eine Kathodenbaugruppe dargestellt, die wiederum eine Kathode 4 mit einem Fokuskopf 41 umfasst. Der Fokuskopf 41 ist identisch wie der Fokuskopf gemäß 2 aufgebaut.
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Der Fokuskopf 41 ist über eine Hochspannungszuführung 47 in einem Hochspannungsisolator 42 gehalten (siehe 1).
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Die in 3 dargestellte Kathode 4 umfasst ebenfalls eine erste Achse A1, die eine Emissionsrichtung der von dem Emitter 44 emittierten Elektronen definiert, und eine zweite Achse A2, die die Hochspannungszuführung 47 für die Kathode 4 definiert.
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Aufgrund der Anordnung des Fokuskopfes 41 und der Hochspannungszuführung 47 sind die erste Achse A1 und die zweite Achse A2 windschief zueinander angeordnet. Der minimale Abstand der Achsen A1 und A2 ist hierbei größer als die Summe der Radien des Anodenrohrs 6 und des Fokuskopfes 41.
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Die in
2 und
3 dargestellten Kathodenbaugruppen sind in der am 29.06.2012 eingereichten
deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2012 211 281.2 im Detail beschrieben. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Ausführungen des Fokuskopfes
41 möglich. So kann beispielsweise der Emitter
44 alternativ auch als Glühwendel ausgeführt sein.
