DE102014209539B3

DE102014209539B3 - Positioniervorrichtung für einen Elektronenstrahl

Info

Publication number: DE102014209539B3
Application number: DE102014209539.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Berk; Thomas Weidinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: CN105097392A; US20150340191A1; CN105097392B; US9748067B2

Abstract

Die Erfindung nennt Positioniervorrichtung (1) für einen Elektronenstrahl (6) einer Elektronenröhre, insbesondere einer Röntgenröhre (2), umfassend einen ersten Gleichspannungskreis (12) großer Potentialdifferenz (U1) und einen zweiten Gleichspannungskreis (18) kleinerer Potentialdifferenz (U2) mit je einer ersten Potentialebene (14, 20) und einer zweiten Potentialebene (16, 22), und ein Ablenkmodul (24), welches zwei Eingänge (37, 49) und wenigstens eine Ablenkspule (28) aufweist, wobei die wenigstens eine Ablenkspule (28) zwischen den beiden Eingängen (37, 49) des Ablenkmoduls (24) verschaltet ist, wobei die erste Potentialebene (14) des ersten Gleichspannungskreises (12) schaltbar mit einem Eingang (37) des Ablenkmoduls (24) verbunden ist und hierdurch ein erster Schaltweg (34) gebildet wird, und dabei die zweite Potentialebene (16) des ersten Gleichspannungskreises (12) mit dem verbleibenden Eingang (49) des Ablenkmoduls (24) verschaltet ist, und wobei die erste Potentialebene (20) des zweiten Gleichspannungskreises (18) schaltbar mit einem Eingang (37) des Ablenkmoduls (24) verbunden ist und hierdurch ein zweiter Schaltweg (38) gebildet wird, welcher getrennt vom ersten Schaltweg (34) schaltbar ist, und dabei die zweite Potentialebene (22) des zweiten Gleichspannungskreises (18) mit dem verbleibenden Eingang (49) des Ablenkmoduls (24) verschaltet ist. Die Erfindung nennt weiter ein Verfahren (60) zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer solchen Positioniervorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung für einen Elektronenstrahl einer Elektronenröhre, insbesondere einer Röntgenröhre, umfassend ein Ablenkmodul mit zwei Eingängen und wenigstens einer Ablenkspule, wobei die wenigstens eine Ablenkspule zwischen die beiden Eingänge des Ablenkmoduls geschaltet ist.
Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einer bildgebenden medizinischen Anlage, beispielsweise in einem Computertomographen, werden Röntgenröhren eingesetzt. In der Röntgenröhre emittiert eine beheizte Kathode Elektronen, welche durch eine Hochspannung von 20 kV–200 kV auf eine Anode beschleunigt werden. Beim Auftreffen auf die Anode dringen die Elektronen in das Anodenmaterial ein. Hierbei werden im Wesentlichen zwei Arten von Röntgenstrahlung erzeugt: Infolge der Energieerhaltung wird beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial die Bremsstrahlung als ein kontinuierliches Spektrum emittiert. Des Weiteren ionisiert der Elektronenstrahl Atome im Anodenmaterial, wodurch es zu Übergängen fester Energieniveaus und hiermit zur Emission der charakteristischen Röntgenstrahlung kommt. Diese weist ein Linienspektrum auf. In medizinischen Anwendungen wird weitgehend die Bremsstrahlung verwendet, so dass der effizienten Manipulation dieser Strahlung eine Schlüsselrolle zukommt.
Da der Röntgenstrahl mit üblichen optischen Komponenten infolge der kurzen Wellenlängen nicht optimal ausrichtbar ist, wird bevorzugt der Elektronenstrahl fokussiert und auf eine bestimmte Stelle der Anodenoberfläche gerichtet. Die Beschaffenheit und Ausrichtung der Anode sowie das verwendete Anodenmaterial haben dabei Auswirkung auf die Richtung und das Strahlprofil des erzeugten Röntgenstrahls. Insbesondere die Position des Brennflecks, also der Zone, in welcher der Elektronenstrahl auf der Anode auftrifft, ist hierbei als ein wichtiger Kontroll-Parameter zu nennen.
Zur Ablenkung des Elektronenstrahls, aber auch zu seiner Fokussierung können magnetische Felder eingesetzt werden, welche beispielsweise durch Ablenkspulen erzeugt werden, die zwischen Kathode und Anode um den Elektronenstrahl bzw. die Röntgenröhre herum angeordnet sind. Je nach Anoden-Geometrie sowie Anforderungen an die Schärfe der Fokussierung oder an die Brennfleck-Kontur können dabei eine oder mehrere Ablenkspulen vorgesehen sein.
Als Stellgröße für die Position und das Profil des Elektronenstrahls wird dabei ein Strom in den jeweiligen Ablenkspulen variiert. Nur das sogenannte Springfokus-Verfahren („Flying Focal Spot”), welches durch eine gezielte periodische Verschiebung des Brennflecks gekennzeichnet ist, benötigt hierfür bevorzugt einen rechteckförmigen Stromverlauf in der jeweiligen Ablenkspule, welcher in den Flanken eine hohe Steilheit und im Plateau möglichst geringe Schwankungen aufweist.
Üblicherweise wird hierfür eine Schaltung aus einer Voll- oder einer Halbbrücke verwendet, welche an ihren Eingangsklemmen an einem Gleichspannungskreis angeschlossen sind, wobei die jeweilige Ablenkspule beispielsweise zwischen die beiden Ausgangsklemmen der Vollbrücke oder von einer Ausgangsklemme der Halbbrücke zur Masse hin verschaltet ist. Zur Stromregelung kann eine Pulsweitenmodulation eingesetzt werden. Zu Erzeugung eines möglichst rechteckförmigen Strompulses in der Ablenkspule wird an diese zunächst die Gleichspannungsquelle angelegt, bis der gewünschte Strom erreicht ist, und die Spannung dann auf einen anderen Wert umgeschaltet.
Für die erwünschte Flankensteilheit des Stromes ist eine möglichst hohe Spannung im Gleichspannungskreis erforderlich. Beim Aufrechterhalten des Stromes erzeugt die pulsförmig angelegte hohe Spannung jedoch Schwankungen im Stromfluss, welche wiederum zu Schwankungen im magnetischen Fluss durch die Ablenkspule führen. Diese Schwankungen sind jedoch unerwünscht, da hierdurch die Qualität der Fokussierung bzw. der Positionierung des Elektronenstrahls und damit letztlich die Qualität des Röntgenstrahls nachlässt.
Die Patentschrift DE 103 01 068 B4 offenbart eine Röntgeneinrichtung mit einer Röntgenröhre, mit einer Ablenkspule für einen Elektronen-Strahl der Röntgenröhre, und mit einer Stromquelle zum Betrieb der Ablenkspule. Die Stromquelle weist eine Spannungsquelle und eine Brückenschaltung auf, die mit jedem Ende der Ablenkspule über jeweils einen Leistungsschalter in Serienschaltung zu jeweils entgegengesetzten Polen der Spannungsquelle verbunden ist.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 052 243 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur magnetischen Steuerung eines Elektronenstrahls einer Röntgenröhre. Der zugehörige Steuerschaltkreis weist eine erste und eine zweite Niederspannungsquelle auf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Brennfleck eines Elektronenstrahls in einer Elektronenröhre, insbesondere in einer Röntgenröhre, möglichst stabil positionieren zu können, und dabei dennoch eine hohe Dynamik der Positionierung zu erreichen.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Positioniervorrichtung für einen Elektronenstrahl in einer Elektronenröhre, insbesondere in einer Röntgenröhre, umfassend einen ersten Gleichspannungskreis großer Potentialdifferenz und einen zweiten Gleichspannungskreis kleinerer Potentialdifferenz mit je einer ersten Potentialebene und einer zweiten Potentialebene, und ein Ablenkmodul, welches zwei Eingänge und wenigstens eine Ablenkspule aufweist, wobei die wenigstens eine Ablenkspule zwischen den beiden Eingängen des Ablenkmoduls verschaltet ist, wobei die erste Potentialebene des ersten Gleichspannungskreises schaltbar mit einem Eingang des Ablenkmoduls verbunden ist und hierdurch ein erster Schaltweg gebildet wird, und dabei die zweite Potentialebene des ersten Gleichspannungskreises mit dem verbleibenden Eingang des Ablenkmoduls verschaltet ist, und wobei die erste Potentialebene des zweiten Gleichspannungskreises schaltbar mit einem Eingang des Ablenkmoduls verbunden ist und hierdurch ein zweiter Schaltweg gebildet wird, welcher getrennt vom ersten Schaltweg schaltbar ist, und dabei die zweite Potentialebene des zweiten Gleichspannungskreises mit dem verbleibenden Eingang des Ablenkmoduls verschaltet ist.
Unter einer Ablenkspule ist hierbei eine Magnetspule zu verstehen, welche zur Ablenkung eines Elektronenstrahls ausgelegt und eingerichtet ist. Unter einer schaltbaren Verbindung ist eine Verbindung zu verstehen, in welcher ein Strom- bzw.
Elektronenfluss in Richtung der Gleichspannung gezielt schaltbar hergestellt bzw. unterbunden werden kann. Ein Elektronenrückfluss entgegen der Gleichspannung des entsprechenden Gleichspannungskreises kann dabei gegebenenfalls dauerhaft möglich sein. Der Begriff der Verschaltung soll hierbei eine Verbindung bezeichnen, welche dauerhaft oder schaltbar in obigem Sinn sein kann. Insbesondere kann im Ablenkmodul entsprechend eine direkte Verbindung der beiden Eingänge über die wenigstens eine Ablenkspule bestehen, oder es kann ein Stromfluss durch die wenigstens eine Ablenkspule in Richtung einer an den Eingängen angelegten Gleichspannung durch Schalten hergestellt werden. Bevorzugt ist hierbei das Ablenkmodul derart gestaltet, dass die Richtung des Stromflusses, welchen eine an den Eingängen angelegte Gleichspannung in der wenigstens einen Ablenkspule des Ablenkmoduls hervorruft, durch Schalten frei wählbar ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso gelöst durch ein Verfahren zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer vorbeschriebenen Positioniervorrichtung für einen Elektronenstrahl in einer Elektronenröhre, insbesondere in einer Röntgenröhre, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Zyklus durch Schalten die erste Potentialebene des ersten Gleichspannungskreises so lange mit wenigstens einer Ablenkspule verbunden wird, bis in dieser ein erster Schwellwert für den Strom überschritten ist, und wobei in einer Mehrzahl von weiteren Zyklen durch Schalten die erste Potentialebene des zweiten Gleichspannungskreises so lange mit der wenigstens einen Ablenkspule verbunden wird, bis in dieser jeweils ein zweiter Schwellwert für den Strom überschritten ist. Insbesondere ist die Ablenkspule vom jeweiligen Gleichspannungskreis zu trennen, wenn der entsprechende Schwellwert überschritten ist. Insbesondere können der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert auch identisch sein. Aber auch eine Durchführung des Verfahrens mit zwei unterschiedlichen Schwellwerten ist explizit vorgesehen.
Der Erfindung liegen hierbei folgende Überlegungen zugrunde:
Um für eine stabile Springfokussierung eines Elektronenstrahls in einer Elektronenröhre mittels Pulsweitenmodulation (PWM) einen möglichst rechteckförmigen Stromverlauf in der oder jeder Ablenkspule zu erzeugen, ist einerseits eine möglichst hohe Spannung in einem Gleichspannungskreis von Vorteil. Für eine hinreichend große Induktivität einer Ablenkspule und einem vergleichsweise geringen ohmschen Widerstand lässt sich der Stromverlauf in der Ablenkspule während des angelegten Spannungspulses mittels der linearisierten Gleichung für den Einschaltvorgang einer Spule beschreiben: i_L = U·t/L, wobei i_L den Strom in der Ablenkspule, L deren Induktivität, U die angelegte Spannung und t die Zeit ab dem Anlegen der Spannung bezeichnet. Hieraus wird ersichtlich, dass in einer Ablenkspule gegebener Induktivität ein durch einen entsprechend hohen Spannungspuls U erzeugter Strom schnell einen erwünschten Wert erreicht. Es kann im entsprechenden Puls daher ein geringer Tastgrad gewählt werden, der Strom in der Spule weist dann eine hohe Flankensteilheit auf.
Nach Erreichen des gewünschten Stromes kann nun die an der Ablenkspule angelegte Spannung derart abgeschaltet werden, dass der Strom exponentiell relaxiert. Unter den oben genannten Voraussetzungen lässt sich die Relaxation durch die linearisierte Gleichung für den Ausschaltvorgang einer Spule beschreiben: i_L = I₀.(1 – R_L·t/L), wobei R_L den ohmschen Widerstand der Ablenkspule, t die Zeit ab dem Abschalten der Spannung und I₀ den zum Zeitpunkt des Abschaltens in der Spule fließenden Strom (welcher durch die vorher angelegte Spannung aufgebaut wurde) bezeichnet. Alternativ kann die Spannung zur Reduktion des Stromes durch die Ablenkspule auch in umgekehrter Richtung an diese angelegt werden, wobei hier die Abnahme des Stromes noch schneller erfolgt. Die beschriebenen Effekte lassen sich auch aus den exakten, exponentiellen Gleichungen herleiten.
Hieraus wird ersichtlich, dass zur Aufrechterhaltung eines Stromes in der Spule mit einem möglichst konstanten Wert um I₀ aufgrund der Relaxation die Spannung U immer wieder kurzzeitig zuzuschalten ist. Je höher jedoch die angelegte Gleichspannung U ist, desto steiler ist der Anstieg des Stromes, welcher durch die Spannung in der Spule aufrecht erhalten werden soll. Da für eine möglichst geringe Bewegung der Brennfleckposition der Strom in der jeweiligen Ablenkspule möglichst konstant zu halten ist, sind bei einer hohen angelegten Spannung entsprechend kurze Zuschaltphasen und somit hohe Schaltfrequenzen erforderlich. Die hohe Anzahl von Schaltvorgängen führt jedoch zu Schaltverlusten, welche unerwünscht sind.
Demgegenüber schlägt die Erfindung vor, einen ersten Gleichspannungskreis großer Potentialdifferenz und einen zweiten Gleichspannungskreis kleinerer Potentialdifferenz vorzusehen, welche jeweils getrennt voneinander schaltbar mit einem Eingang des Ablenkmoduls verbunden sind, zwischen dessen Eingängen die wenigstens eine Ablenkspule verschaltet ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, in einer Ansteuerung der wenigstens einen Ablenkspule über ein PWM-Verfahren die Flankensteilheit im Stromverlauf dadurch zu erreichen, dass an das Ablenkmodul der erste Gleichspannungskreis geschaltet wird, und somit im Ablenkmodul an eine Ablenkspule ein hoher Spannungspuls angelegt werden kann. Des Weiteren ist jedoch die Möglichkeit gegeben, bei einem Erreichen des gewünschten Stromes diesen dadurch aufrecht zu erhalten, dass an das Ablenkmodul der zweite Gleichspannungskreis geschaltet wird, und somit im Ablenkmodul an eine Ablenkspule ein niedrigerer Spannungspuls angelegt werden kann, wodurch die Schwankungen im Stromfluss durch die Ablenkspule vergleichsweise verringert werden können.
Bevorzugt weist das Ablenkmodul eine Vollbrücke mit einer ersten Eingangsklemme und einer zweiten Eingangsklemme sowie einer ersten Ausgangsklemme und einer zweiten Ausgangsklemme auf, wobei sowohl die erste Eingangsklemme als auch die zweite Eingangsklemme mit je einem Eingang des Ablenkmoduls verschaltet sind, und wobei die wenigstens eine Ablenkspule zwischen die erste Ausgangsklemme und die zweite Ausgangsklemme geschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Richtung des Stromflusses durch die wenigstens eine Ablenkspule, welcher durch eine an die Eingangsklemmen angelegte Gleichspannung und entsprechendes Schalten in der Vollbrücke hervorgerufen soll, frei durch Schaltvorgänge gewählt werden kann, welche innerhalb der Vollbrücke durchgeführt werden können. Somit kann, wenn die Richtung des Stromflusses in einer Ablenkspule veränderbar sein soll, auf eine aufwändige Beschaltung über die Schaltwege hinaus verzichtet werden.
Günstigerweise enden der erste Schaltweg und der zweite Schaltweg am selben Eingang des Ablenkmoduls. Dies bedeutet insbesondere, dass die jeweils erste Potentialebene des ersten und des zweiten Gleichspannungskreises mit demselben Eingang des Ablenkmoduls schaltbar verbunden sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, den verbleibenden Eingang direkt mit der jeweils zweiten Potentialebene beider Gleichspannungskreise zu verschalten. Hierdurch werden die beiden zweiten Potentialebenen der beiden Gleichspannungskreise auf das gleiche Potential gebracht, wodurch im Betrieb ein Driften eines Potentials erschwert wird, und hierdurch der Betrieb stabiler wird.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der erste Schaltweg einen ersten Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter aufweist, und wobei der zweite Schaltweg einen zweiten Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter aufweist. Durch genannte Schalter, insbesondere durch Halbleiterschalter, lassen sich die auftretenden Spannungen besonders schnell und kontrolliert schalten.
Zweckmäßigerweise ist antiparallel zum ersten Schalter eine Diode und/oder parallel zum zweiten Schalter eine Diode geschaltet. Die Begriffe antiparallel bzw. parallel sind hierbei und im Folgenden bzgl. der im jeweiligen Schaltweg durch die Spannung des Gleichspannungskreises gegebenen Vorzugsrichtung zu verstehen. Eine derartige Diode kann einen Stromrückfluss aus einer Ablenkspule in Richtung eines Gleichspannungskreises abführen und so eine mögliche Überspannung an einem Halbleiterschalter abbauen, bevor dieser beschädigt zu werden droht.
Bevorzugt sind im ersten Schaltweg eine Spule und eine dazu antiparallele Diode geschaltet. Diese Maßnahme verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit.
Als weiter vorteilhat erweist es sich, wenn das Verhältnis der über dem zweiten Gleichspannungskreis abfallenden Spannung zur über dem ersten Gleichspannungskreis abfallenden Spannung bis zu 1:4, insbesondere bis zu 1:8 beträgt. Ein derart niedriges Verhältnis ermöglicht es in einem PWM-Verfahren, einen Stromverlauf in einer Ablenkspule, welcher eine hohe Flankensteilheit aufweist, durch eine hinreichend hohe Spannung im ersten Gleichspannungskreis zu erzeugen, und dabei dennoch die Schwankungen im Plateau, welche durch Pulse der niedrigeren Spannung des zweiten Gleichspannungskreises hervorgerufen werden, hinreichend gering zu halten.
Günstigerweise ist ein- und/oder ausgangsseitig der oder jeder Ablenkspule ein Strommessgerät geschaltet. Dies ermöglicht eine effiziente Kontrolle des Stromes durch die Ablenkspule, was insbesondere in einem PWM-Verfahren von Vorteil ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Bestimmung des jeweiligen Tastgrades der Schaltzeit zum Überschreiten des ersten Schwellwertes im ersten Zyklus und zum Überschreiten des zweiten Schwellwertes in der Mehrzahl von weiteren Zyklen eine Anzahl charakteristischer Parameter der wenigstens einen Ablenkspule herangezogen. Insbesondere können dabei der Tastgrad der Schaltzeit im ersten Zyklus und in der Mehrzahl von weiteren Zyklen aus der Induktivität und dem ohmsche Widerstand der Ablenkspule in Verbindung mit der Spannung des jeweiligen Gleichspannungskreises ermittelt werden. Ein derartiges Vorgehen hat den Vorteil, ohne eine externe Regelung des Stromes auszukommen, was den Systemaufwand vermindert.
In einer weiter vorteilhaften, hierzu alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird ein durch die wenigstens eine Ablenkspule fließender Strom gemessen, der gemessene Strom im ersten Zyklus mit dem ersten Schwellwert und in einer Mehrzahl von weiteren Zyklen mit dem zweiten Schwellwert verglichen, und dabei zur Bestimmung des jeweiligen Tastgrades der Schaltzeit herangezogen. Indem der jeweilige Tastgrad für die jeweils anzulegende Spannung aus einem in einer Ablenkspule gemessenen Strom ermittelt wird, ist eine hohe Kontrolle über den Strom und somit auch über den magnetischen Fluss in der Ablenkspule gewährleistet.
Die Erfindung gibt weiter eine Röntgenröhre an, welche eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine vorbeschriebene Positioniervorrichtung zur Positionierung des Elektronenstrahls, sowie eine Steuervorrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, das vorbeschriebene Verfahren durchzuführen. Die für die Positioniervorrichtung und ihre Weiterbildungen sowie die für das Verfahren und seine Weiterbildungen angegebenen Vorteile können dabei sinngemäß auf die Röntgenröhre übertragen werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
1 eine Positioniervorrichtung für einen Elektronenstrahl einer Röntgenröhre, und
2 ein Stromprofil, welches durch ein Verfahren zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Positioniervorrichtung nach 1 erzeugt wird.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine Positioniervorrichtung 1 dargestellt. Eine Röntgenröhre 2 weist eine Elektronenquelle 4 auf, welche einen Elektronenstrahl 6 erzeugt. Der Elektronenstrahl 6 wird auf die Anode 8 beschleunigt, wobei die Brenn fleckposition über die Positioniervorrichtung 1 mittels eines noch näher darzustellenden Verfahrens geregelt werden, welches von der Steuervorrichtung 10 gesteuert wird.
Die Positioniervorrichtung 1 weist einen ersten Gleichspannungskreis 12 mit einer ersten Potentialebene 14 und einer zweiten Potentialebene 16 sowie einen zweiten Gleichspannungskreis 18 mit einer ersten Potentialebene 20 und einer zweiten Potentialebene 22 auf. Weiter weist die Positioniervorrichtung 1 ein Ablenkmodul 24 auf, welches im Wesentlichen durch eine Vollbrücke 26 und eine Ablenkspule 28 gebildet wird. Die Ablenkspule 28 ist dabei zwischen die erste Ausgangsklemme 30 und die zweite Ausgangsklemme 32 der Vollbrücke 26 mit einem Strommessgerät 33 in Reihe geschaltet. Von der ersten Potentialebene 14 des ersten Gleichspannungskreises 12 führt ein erster Schaltweg 34 zur ersten Eingangsklemme 36 der Vollbrücke 26. Von der ersten Potentialebene 20 des zweiten Gleichspannungskreises 18 führt ein zweiter Schaltweg 38 zum durch die erste Eingangsklemme 36 der Vollbrücke 26 gebildeten Eingang 37 des Ablenkmoduls.
Der erste Schaltweg 34 weist dabei einen ersten Schalter 40 und eine hierzu antiparallele Diode 42 auf. Der zweite Schaltweg 38 weist einen zweiten Schalter 44 und eine hierzu parallele Diode 46 auf. Die zweite Potentialebene 16 des ersten Gleichspannungskreises 12 und die zweite Potentialebene 22 des zweiten Gleichspannungskreises 18 sind gemeinsam mit dem durch die zweite Eingangsklemme 48 der Vollbrücke 26 gebildeten Eingang 49 des Ablenkmoduls 24 verbunden. Weiter umfasst der erste Schaltweg 34 eine Spule 50 und eine hierzu antiparallele Diode 51, zu welcher ein Widerstand 52 in Reihe geschaltet ist.
Um nun mittels einer PWM in der Ablenkspule 28 des Ablenkmoduls 24 einen möglichst flankensteilen Strom zu erzeugen, kann zunächst der erste Schalter 40 im ersten Schaltweg 34 geschlossen und der zweite Schalter 44 im zweiten Schaltweg 38 geöffnet werden. Hierdurch liegt das ganze Ablenkmodul 24 am ersten Gleichspannungskreis 12, und die Feineinstellung für den Tastgrad kann beispielsweise durch entsprechendes Schalten der Vollbrücke 26 vorgenommen werden. Um mittels einer PWM den Strom in der Ablenkspule 28 möglichst schwankungsfrei stabil zu halten, kann entsprechend der zweite Schalter 44 geschlossen und der erste Schalter 40 geöffnet werden. Hierdurch liegt das Ablenkmodul 24 nur am zweiten Gleichspannungskreis 18 an, und ist vom ersten Gleichspannungskreis 12 getrennt. Die Feineinstellung des jeweiligen Tastgrades kann ebenfalls durch Schalten in der Vollbrücke 28 vorgenommen werden.
In 2 ist ein Stromprofil I_L dargestellt, welches durch ein Verfahren 60 zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Positioniervorrichtung nach 1 erzeugt wird. Das Verfahren 60 sieht vor, in einem ersten Zyklus Z₁ die Ablenkspule 28 in nicht näher dargestellter Weise an den ersten Gleichspannungskreis 12 anzulegen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der erste Schalter im ersten Schaltweg geschlossen wird, und somit beide Eingänge des Ablenkmoduls zunächst an den ersten Gleichspannungskreis 12 angelegt sind. Anschließend kann durch entsprechendes Schalten innerhalb der Vollbrücke die an den Eingängen des Ablenkmoduls anliegende Spannung auch an die Ablenkspule angelegt werden.
Im ersten Zyklus Z₁ liegt nun an der Ablenkspule 28 die Spannung U₁ des ersten Gleichspannungskreises 12 an, wodurch in der Ablenkspule 28 der Strom ansteigt, bis dieser einen ersten Schwellwert S₁ erreicht. Die Spannung U₁ wird nun wieder von der Ablenkspule 28 abgeklemmt, und die Ablenkspule 28 über zwei Schalter der Vollbrücke kurzgeschlossen. Der Tastgrad T₁, wie lange hierfür die Spannung U₁ anzulegen ist, kann hierbei beispielsweise aus der Induktivität und dem ohmschen Widerstand der Ablenkspule 28 errechnet werden, oder der Strom I_L kann hierfür explizit gemessen werden. Nach dem Abklemmen der Spannung U₁ und dem Kurzschließen der Ablenkspule 28 sinkt der Strom I_L in der Ablenkspule 28 ab. Zu Beginn des nächsten Zyklus Z₂ wird die Ablenkspule 28 an den zweiten Gleichspannungskreis 18 angelegt, so dass die dort abfallende Spannung U₂ den Strom I_L in der Ablenkspule 28 erneut erhöhen kann, bis nach einem Tastgrad T₂ ein zweiter Schwellwert S₂ erreicht ist. Anschließend wird die Ablenkspule 28 bis zum Ende des Zyklus Z₂ von der Spannung U₂ abgeklemmt und die Ablenkspule 28 kurzgeschlossen, so dass der Strom I_L erneut abnimmt, und zu Beginn des dritten Zyklus Z₃ wieder an U₂ angelegt, bis der Strom I_L den zweiten Schwellwert S₂ erneut erreicht. Schematisch lässt sich diese Vorgehensweise auf vergleichbare Weise in weiteren Zyklen Z₄, ... fortsetzen.
Während der Strom I_L beim Anstieg im ersten Zyklus Z₁ infolge der hohen angelegten Spannung U₁ eine vergleichsweise steile Flanke F aufweist, ist in den weiteren Zyklen Z₂, Z₃, Z₄ das Profil des Stromes I_L durch ein Plateau P mit relativ geringen Schwankungen gekennzeichnet. Der stabile Verlauf im Plateau P ist zurückzuführen auf die geringe, für verhältnismäßig lange Tastgrade T₂, T₃, T₄ anliegende Spannung U₂ in den entsprechenden Zyklen Z₂, Z₃, Z₄. Soll nun der Strom I_L in der Ablenkspule 28 auf einen radikal anderen Wert eingestellt werden, kann dies erneut geschehen, indem die Ablenkspule 28 mit entsprechendem Tastgrad erneut an den ersten Gleichspannungskreis 12 angelegt wird. Die anschließende Stabilisierung des Stromes I_L beim neuen Wert erfolgt dann wiederum auf die vorbeschriebene Weise mittels der Spannung U₂ des zweiten Gleichspannungskreises 18.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Positioniervorrichtung
2: Röntgenröhre
4: Elektronenquelle
6: Elektronenstrahl
8: Anode
10: Steuervorrichtung
12: erster Gleichspannungskreis
14: erste Potentialebene des 1. Gl.Sp.Kr.
16: zweite Potentialebene des 1. Gl.Sp.Kr.
18: zweiter Gleichspannungskreis
20: erste Potentialebene des 2. Gl.Sp.Kr.
22: zweite Potentialebene des 2. Gl.Sp.Kr.
24: Ablenkmodul
26: Vollbrücke
28: Ablenkspule
30: erste Ausgangsklemme
32: zweite Ausgangsklemme
33: Strommessgerät
34: erster Schaltpfad
36: ersten Eingangsklemme
37: Eingang
38: zweiter Schaltpfad
40: erster Schalter
42: Diode
44: zweiter Schalter
46: Diode
48: zweite Eingangsklemme
49: Eingang
50: Spule
51: Diode
52: Widerstand
60: Verfahren
I_L: Strom
F: Flanke
P: Plateau
S₁, S₂: Schwellwert
T₁–T₄: Tastgrad
U: Spannung
U₁: Spannung des ersten Gleichspannungskreises
U₂: Spannung des zweiten Gleichspannungskreises
Z₁–Z₄: Zyklus

Claims

Positioniervorrichtung (1) für einen Elektronenstrahl (6) einer Elektronenröhre, insbesondere einer Röntgenröhre (2), umfassend einen ersten Gleichspannungskreis (12) großer Potentialdifferenz (U₁) und einen zweiten Gleichspannungskreis (18) kleinerer Potentialdifferenz (U₂) mit je einer ersten Potentialebene (14, 20) und einer zweiten Potentialebene (16, 22), und ein Ablenkmodul (24), welches zwei Eingänge (37, 49) und wenigstens eine Ablenkspule (28) aufweist, wobei die wenigstens eine Ablenkspule (28) zwischen den beiden Eingängen (37, 49) des Ablenkmoduls (24) verschaltet ist, wobei die erste Potentialebene (14) des ersten Gleichspannungskreises (12) schaltbar mit einem Eingang (37) des Ablenkmoduls (24) verbunden ist und hierdurch ein erster Schaltweg (34) gebildet wird, und dabei die zweite Potentialebene (16) des ersten Gleichspannungskreises (12) mit dem verbleibenden Eingang (49) des Ablenkmoduls (24) verschaltet ist, und wobei die erste Potentialebene (20) des zweiten Gleichspannungskreises (18) schaltbar mit einem Eingang (37) des Ablenkmoduls (24) verbunden ist und hierdurch ein zweiter Schaltweg (38) gebildet wird, welcher getrennt vom ersten Schaltweg (34) schaltbar ist, und dabei die zweite Potentialebene (22) des zweiten Gleichspannungskreises (18) mit dem verbleibenden Eingang (49) des Ablenkmoduls (24) verschaltet ist.
Positioniervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Ablenkmodul (24) eine Vollbrücke (28) mit einer ersten Eingangsklemme (36) und einer zweiten Eingangsklemme (48) sowie einer ersten Ausgangsklemme (30) und einer zweiten Ausgangsklemme (32) aufweist, wobei sowohl die erste Eingangsklemme (36) als auch die zweite Eingangsklemme (48) mit je einem Eingang (37, 49) des Ablenkmoduls (24) verschaltet sind, und wobei die wenigstens eine Ablenkspule (28) zwischen die erste Ausgangsklemme (30) und die zweite Ausgangsklemme (32) geschaltet ist.
Positioniervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der erste Schaltweg (34) und der zweite Schaltweg (38) am selben Eingang (37) des Ablenkmoduls (24) enden.
Positioniervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schaltweg (34) einen ersten Schalter (40), insbesondere einen Halbleiterschalter aufweist, und wobei der zweite Schaltweg (38) einen zweiten Schalter (44), insbesondere einen Halbleiterschalter aufweist.
Positioniervorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei antiparallel zum ersten Schalter (40) eine Diode (42) und/oder parallel zum zweiten Schalter (44) eine Diode (46) geschaltet ist.
Positioniervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im ersten Schaltweg (34) eine Spule (50) und eine dazu antiparallele Diode (51) geschaltet sind.
Positioniervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der über dem zweiten Gleichspannungskreis (18) abfallenden Spannung zur über dem ersten Gleichspannungskreis (12) abfallenden Spannung bis zu 1:4, insbesondere bis zu 1:8 beträgt.
Positioniervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein- und/oder ausgangsseitig der oder jeder Ablenkspule (28) ein Strommessgerät (33) geschaltet ist.
Verfahren (60) zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Positioniervorrichtung (1) für einen Elektronenstrahl (6) in einer Elektronenröhre, insbesondere in einer Röntgenröhre (2), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Zyklus (Z₁) durch Schalten die erste Potentialebene (14) des ersten Gleichspannungskreises (12) so lange mit wenigstens einer Ablenkspule (28) verbunden wird, bis in dieser ein erster Schwellwert (S₁) für den Strom überschritten ist, und wobei in einer Mehrzahl von weiteren Zyklen (Z₂, Z₃, Z₄) durch Schalten die erste Potentialebene (20) der zweiten Gleichspannungskreises (18) so lange mit der wenigstens einen Ablenkspule (28) verbunden wird, bis in dieser jeweils ein zweiter Schwellwert (S₂) für den Strom überschritten ist.
Verfahren (60) nach Anspruch 9, wobei zur Bestimmung des jeweiligen Tastgrades (T₁, ..., T₄) der Schaltzeit zum Überschreiten des ersten Schwellwertes (S₁) im ersten Zyklus (Z₁) und zum Überschreiten des zweiten Schwellwertes (S₂) in der Mehrzahl von weiteren Zyklen (Z₂, Z₃, Z₄) eine Anzahl charakteristischer Parameter der wenigstens einen Ablenkspule (28) herangezogen werden.
Verfahren (60) nach Anspruch 9 zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Positioniervorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei ein durch die wenigstens eine Ablenkspule (28) fließender Strom (I_L) gemessen wird, und wobei der gemessene Strom (I_L) im ersten Zyklus (Z₁) mit dem ersten Schwellwert (S₁) und in einer Mehrzahl von weiteren Zyklen (Z₂, Z₃, Z₄) mit dem zweiten Schwellwert (S₂) verglichen wird und dabei zur Bestimmung des jeweiligen Tastgrades (T₁, ..., T₄) der Schaltzeit herangezogen wird.
Röntgenröhre (2), umfassend eine Elektronenquelle (4) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (6), eine Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Fokussierung des Elektronenstrahls (6), sowie eine Steuervorrichtung (10), die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 durchzuführen.