DE102016215378A1

DE102016215378A1 - Thermionische Emissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016215378A1
Application number: DE102016215378.1A
Authority: DE
Inventors: Anja Fritzler
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2036-08-18
Also published as: US10546713B2; CN107768212A; CN107768212B; US20180053622A1; DE102016215378B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermionische Emissionsvorrichtung, umfassend folgende Merkmale: – ein indirekt beheizbarer Hauptemitter (1) mit einer Hauptemissionsfläche (11) und – ein zuschaltbarer Heizemitter (2) mit einer Heizemissionsfläche (21), – die Heizemissionsfläche (21) weist zu der Hauptemissionsfläche (11) einen vorgebbaren Abstand (4) auf, – im Betriebszustand liegt der Hauptemitter (1) auf einem konstanten Hauptpotenzial (U1) und der Heizemitter (2) ist zwischen mindestens zwei voneinander verschiedenen Heizpotenzialen (U21, U22) schaltbar, die die unterschiedlich zum Hauptpotenzial (U1) sind. Bei einer derartigen thermionischen Emissionsvorrichtung wird bei dosismodulierten Röntgenaufnahmen die Strahlenbelastung für den Patienten nochmals reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermionische Emissionsvorrichtung.
Eine derartige thermionische Emissionsvorrichtung ist z.B. aus der DE 10 2009 005 454 B4 bekannt und in einer Röntgenröhre als Kathode wirksam. Die bekannte thermionische Emissionsvorrichtung umfasst einen indirekt beheizten Hauptemitter, der als Flachemitter mit einer unstrukturierten Hauptemissionsfläche ausgebildet ist, und mit einem Heizemitter, der als Flachemitter mit einer strukturierten Heizemissionsfläche ausgebildet ist. Der Hauptemitter und der Heizemitter weisen jeweils mindestens zwei Anschlussfahnen auf, wobei die Hauptemissionsfläche und die Heizemissionsfläche im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Anschlussfahnen des Hauptemitters sind im Wesentlichen senkrecht zur Hauptemissionsfläche ausgerichtet und stehen in lateraler Richtung nicht über die Hauptemissionsfläche heraus. Bei der in der DE 10 2009 005 454 B4 beschriebenen thermionischen Emissionsvorrichtung wird mit konstruktiv einfach gehaltenen Mitteln eine möglichst hohe Qualität des Brennflecks erreicht und auch bei hohen thermischen Belastungen eine unerwünschte Aufweitung oder Defokussierung des Elektronenstrahls vermieden.
Unter einer unstrukturierten Emissionsfläche wird eine flache, im Wesentlichen homogene Emissionsfläche ohne Schlitze oder ähnliche Unterbrechungen verstanden. Eine Emissionsfläche, die beispielsweise durch Schlitze unterbrochen ist oder eine mäanderförmige Leiterbahn aufweist, wird als strukturiert bezeichnet.
Bei Anwendungen in der Computertomografie wird üblicherweise eine Dosismodulation der Röntgenstrahlung durchgeführt, d.h. abhängig von der Position der Röntgenquelle zum Patienten wird die applizierte Strahlendosis verändert. Da der menschliche Körper einen näherungsweise ovalen Querschnitt hat, ist die Strahlendosis – bezogen auf den liegenden Patienten – bei einer waagrechten Röntgeneinstrahlung höher als bei einer senkrechten Röntgeneinstrahlung. Für die Modulation der Röntgendosis wird im bekannten Fall der Heizstrom, der auch als Röhrenstrom bezeichnet wird und der den Emitter der Röntgenquelle beheizt, zweitweise abgeschaltet. Durch das Abschalten des Röhrenstroms wird die Elektronenemission aus dem Emitter und damit die Erzeugung von Röntgenstrahlung beendet. Unabhängig von der Art des Emitters, tritt dieser Effekt jedoch zeitverzögert ein.
Bei konventionellen Emittern, vor allem bei Flachemittern, wird der Heizstrom unterbrochen und die thermische Energie mittels Strahlungskühlung und Wärmeleitung über die Anschlussfahnen des Emitters selbst abgeführt. Die thermische Emission der Elektronen aus dem Emitter ist erst dann beendet, wenn die Temperatur des Emitters unter einen bestimmten (materialabhängigen) Schwellenwert (Schwellentemperatur) fällt. Die während der Abkühlung des Emitters noch erfolgende Elektronenemission ist im Hinblick auf die Strahlenbelastung für den Patienten unerwünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermionische Emissionsvorrichtung zu schaffen, die bei dosismodulierten Röntgenaufnahmen die Strahlenbelastung für den Patienten nochmals reduziert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermionische Emissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst einen indirekt beheizbaren Hauptemitter mit einer Hauptemissionsfläche und einen zuschaltbaren Heizemitter mit einer Heizemissionsfläche, wobei die Heizemissionsfläche zu der Hauptemissionsfläche einen vorgebbaren Abstand aufweist und im Betriebszustand der Hauptemitter auf einem konstanten Hauptpotenzial liegt und der Heizemitter zwischen mindestens zwei voneinander verschiedenen Heizpotenzialen schaltbar ist, die unterschiedlich zum Hauptpotenzial sind.
Die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst einen Heizemitter, dessen Heizemissionsfläche Elektronen emittiert und damit den darüberlegenden Hauptemitter aufheizt. Der Heizemitter dient also als Heizquelle für den Hauptemitter. Der Hauptemitter emittiert dann über seine Hauptemissionsfläche Elektronen, die dem tatsächlichen Röhrenstrom entsprechen und die für die Brennfleckform auf der Anode und somit für die Bildgebung verantwortlich sind.
Im bekannten Fall wird bei einer dosismodulierten Röntgenaufnahme der Heizstrom zum Heizemitter unterbrochen, wodurch sich die Heizemissionsfläche entsprechend abkühlt. Die Elektronenemission aus dem Heizemitter wird beim Unterschreiten der materialabhängigen Schwellentemperatur zeitverzögert beendet. Aufgrund der fehlenden Elektronenemission aus dem Heizemitter kühlt der Hauptemitter (Bildemitter) ebenfalls zeitverzögert ab. Beim Unterschreiten der materialabhängigen Schwellentemperatur wird beim Hauptemitter dann ebenfalls die Elektronenemission zeitverzögert beendet.
Bei einer dosismodulierten Aufnahme wird bisher also zunächst der Heizstrom zum Heizemitter unterbrochen und damit beim Bildemitter die Heizquelle zeitverzögert ausgeschaltet. Bis die Elektronenemission beim Hauptemitter (Bildemitter) beendet ist, der Röhrenstrom also auf null heruntergefahren ist, ist also sowohl die erste Zeitverzögerung beim Abschalten des Heizemitters als auch die zweite Zeitverzögerung beim anschließenden Abkühlen des Hauptemitters kumulativ zu berücksichtigen.
Um die Abkühlung des Hauptemitters zu beschleunigen, liegt erfindungsgemäß der Heizemitter auf einem Heizpotenzial, das gegenüber dem Hauptpotenzial positiver ist. Dadurch erreicht man, dass das direkte Nachheizen des Hauptemitters durch den Heizemitter unterbunden wird, da keine weiteren Elektronen in Richtung Hauptemitter (Bildemitter) emittiert werden. Stattdessen werden vom Hauptemitter Elektronen in Richtung Heizemitter emittiert. Dies führt im Vergleich zu den bisher bekannten thermionischen Emissionsvorrichtungen zu einer schnelleren Abkühlung des Hauptemitters. Die Dosismodulation wird dadurch verbessert.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Effekt des Nachheizens eingeschränkt, wodurch sich die Abkühlung des Hauptemitters beschleunigt.
Abhängig vom Anwendungsfall bzw. dem Einsatzgebiet der thermionischen Emissionsvorrichtung sind im Rahmen der Erfindung folgende vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 bis 7 einzeln oder in Kombination realisierbar.
So kann der Hauptemitter als Flachemitter ausgeführt sein und eine zumindest teilweise strukturierte Hauptemissionsfläche (Anspruch 2) und/oder eine zumindest teilweise unstrukturierte Hauptemissionsfläche (Anspruch 3) aufweisen.
Alternativ kann der Heizemitter als Flachemitter ausgeführt sein und eine zumindest teilweise strukturierte Heizemissionsfläche (Anspruch 4) und/oder eine zumindest teilweise unstrukturierte Heizemissionsfläche (Anspruch 5) aufweisen.
Gemäß einer weiteren Variante kann der Hauptemitter und/oder der Heizemitter als Wendelemitter (auch als Glühwendel bezeichnet) ausgeführt sein (Anspruch 6 bzw. 7).
Für spezielle Anwendungen kann es vorteilhaft sein. den Heizemitter als zuschaltbare Anode auszubilden (Anspruch 8).
Die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß der Erfindung bzw. deren vorteilhaften Ausgestaltungen (Ansprüche 2 bis 8) sind für den Einbau in einen Fokuskopf geeignet (Anspruch 9).
Mit der thermionischen Emissionsvorrichtung (Ansprüche 1 bis 8) bzw. mit einem damit ausgestatteten Fokuskopf (Anspruch 9) ist auf einfache Weise eine Röntgenröhre mit einer deutlich verbesserten Dosismodulation herstellbar (Ansprüche 10 bis 13). Durch die kurzen Abkühlzeiten beim Abschalten des Heizemitters sowie die deutlich kürzeren Abkühlzeiten des Hauptemitters bei abgeschaltetem Heizemitter, werden die Strahlenbelastungen entsprechend reduziert und die Aufnahmezeiten bei der Bildgebung verkürzt.
Die Erfindung sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen sind unabhängig von der Art der in der Röntgenröhre angeordneten Anoden einsetzbar. So kann die Anode als Festanode (Stehanode) oder als Drehanode ausgebildet sein. Die Anode kann auch Teil einer Drehkolbenröhre (Ansprüche 14 bis 16).
Die vorstehend beschriebenen Röntgenröhren (Ansprüche 10 bis 16) können ohne Modifikationen in das Strahlergehäuse eines Röntgenstrahlers eingebaut werden (Anspruch 17).
Nachfolgend werden zwei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung im Normalbetrieb,
2 die thermionische Emissionsvorrichtung gemäß 1 im Dosismodulationsbetrieb und
3 eine zweite Ausführungsform einer thermionischen Emissionsvorrichtung im Dosismodulationsbetrieb.
Die in 1 und 2 dargestellte thermionische Emissionsvorrichtung umfasst erfindungsgemäß einen indirekt beheizbaren Hauptemitter 1 mit einer Hauptemissionsfläche 11 und einen zuschaltbaren Heizemitter 2 mit einer Heizemissionsfläche 21.
Der Hauptemitter 1 und der Heizemitter 2 sind gemeinsam in einem Fokuskopf 3 angeordnet. Der Hauptemitter 1 ist hierbei im Fokuskopf 3 mechanisch gehalten und elektrisch leitend mit diesem verbunden.
Demgegenüber ist der Heizemitter 2 im Fokuskopf 3 mechanisch gehalten, jedoch gegenüber dem Fokuskopf 3 elektrisch isoliert. Der Heizemitter 2 ist damit unabhängig vom Hauptemitter 1 schaltbar.
Weiterhin sind der Hauptemitter 1 sowie der Heizemitter 2 zueinander derart beabstandet, dass die Heizemissionsfläche 21 und die Hauptemissionsfläche 11 in einem vorgebbaren Abstand 4 und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Im Betriebszustand liegt der Hauptemitter 1 auf einem konstanten Hauptpotenzial U₁ und der Heizemitter 2 ist zwischen mindestens zwei voneinander verschiedenen Heizpotenzialen U₂₁ und U₂₂ schaltbar, die unterschiedlich zum Hauptpotenzial U₁ sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Heizemitter 2 zwischen genau zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen U₂₁ und U₂₂ schaltbar, und zwar zwischen einem ersten Heizpotenzial U₂₁ und einem zweiten Heizpotenzial U₂₂.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Hauptemitter 1 auf einem Hauptpotential U₁ = –70 kV, wohingegen der Heizemitter 2 zwischen dem ersten Heizpotenzial U₂₁ = –71 kV (1) und einem zweiten Heizpotenzial U₂₂ = –69 kV (2) schaltbar ist.
Im Normalbetrieb (1) ist das erste Heizpotenzial U₂₁ damit negativer als das Hauptpotential U₁ (U₂₁ < U₁). Im Normalbetrieb werden somit vom Heizemitter 2 Elektronen emittiert, die durch den Fokuskopf 3 zu einem Elektronenstrahl 5 fokussiert sind. Der Elektronenstrahl 5 trifft auf den Hauptemitter 1 auf und heizt diesen auf. Der Hauptemitter 1 emittiert aus der Hauptemissionsfläche 11 Elektronen, die zu einem Elektronenstrahl 6 fokussiert sind und in Richtung einer Anode 8 beschleunigt werden. Beim Auftreffen des Elektronenstahls 6 wird im Material der Anode 8 in bekannter Weise Röntgenstrahlung erzeugt.
Bei einer Dosismodulation (2) ist das zweite Heizpotenzial U₂₂ positiver als das Hauptpotenzial U₁ und das Hauptpotenzial U₁ wiederum positiver als das erste Heizpotenzial U₂₁ (U₂₂ > U₁ > U₂₁). Im Dosismodulationsbetrieb werden aufgrund einer gegenüber dem Normalbetrieb geänderten Potentialbelegung keine Elektronen mehr aus der Heizemissionsfläche 21 des Heizemitters 2 emittiert. Vielmehr werden Elektronen aus dem Hauptemitter 1, die zu einem Elektronenstrahl 7 fokussiert sind, zusätzlich in Richtung des Heizemitters 2 emittiert und treffen dort auf der Heizemissionsfläche 21 auf. Der Hauptemitter 1 emittiert über seine Hauptemissionsfläche 11 damit deutlich weniger Elektronen, so dass der Elektronenstrahl 6 entsprechend schwächer ist und die Anode 8 somit nicht erreicht. Im Material der Anode 8 wird deshalb keine Röntgenstrahlung erzeugt. Die Potentialbelegung im Dosismodulationsbetrieb, wirkt damit zuverlässig einem Nachheizen des Hauptemitters 1 durch den Heizemitter 2 entgegen.
Die erfindungsgemäße Maßnahme lässt sich auch auf konventionelle Emittertechnologien übertragen (3). Hierzu ist zusätzlich zum Hauptemitter 1 lediglich eine zuschaltbare Anode 9 vorzusehen, die beispielsweise auf einem Anodenpotenzial von U₉ = –69 kV liegt, das dem zweiten Heizpotenzial U₂₂ entspricht (2). Im Dosismodulationsbetrieb wird die Abkühlung des Hauptemitters 1 damit auf die in 2 beschriebene Weise vorgenommen.
Dies erfolgt dadurch, dass die Elektronen aus dem Hauptemitter 1, die zu einem Elektronenstrahl 7 fokussiert sind, zusätzlich in Richtung der zuschaltbaren Anode 9 emittiert werden und dort auftreffen. Der Hauptemitter 1 emittiert über seine Hauptemissionsfläche 11 damit deutlich weniger Elektronen, so dass der Elektronenstrahl 6 entsprechend schwächer ist und die Anode 8 somit nicht erreicht. Im Material der Anode 8 wird deshalb keine Röntgenstrahlung erzeugt. Die Potentialbelegung im Dosismodulationsbetrieb, verkürzt bei einer konventionellen thermionischen Emissionsvorrichtung damit zuverlässig Abkühlphase des Hauptemitters 1.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt und andere Varianten können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009005454 B4 [0002, 0002]

Claims

Thermionische Emissionsvorrichtung, umfassend folgende Merkmale: – ein indirekt beheizbarer Hauptemitter (1) mit einer Hauptemissionsfläche (11) und – ein zuschaltbarer Heizemitter (2) mit einer Heizemissionsfläche (21), – die Heizemissionsfläche (21) weist zu der Hauptemissionsfläche (11) einen vorgebbaren Abstand (4) auf, – im Betriebszustand liegt der Hauptemitter (1) auf einem konstanten Hauptpotenzial (U₁) und der Heizemitter (2) ist zwischen mindestens zwei voneinander verschiedenen Heizpotenzialen (U₂₁, U₂₂) schaltbar, die die unterschiedlich zum Hauptpotenzial (U₁) sind.
Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Hauptemitter (1) als Flachemitter ausgeführt ist und eine zumindest teilweise strukturierte Hauptemissionsfläche (11) aufweist.
Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Hauptemitter (1) als Flachemitter ausgeführt ist und eine zumindest teilweise unstrukturierte Hauptemissionsfläche (11) aufweist.
Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Heizemitter (2) als Flachemitter ausgeführt ist und zumindest teilweise eine strukturierte Heizemissionsfläche (21) aufweist.
Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Heizemitter (2) als Flachemitter ausgeführt ist und eine zumindest teilweise unstrukturierte Heizemissionsfläche (21) aufweist.
Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Hauptemitter (1) als Wendelemitter ausgeführt ist.
Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Heizemitter (2) als Wendelemitter ausgeführt ist.
Thermionische Emissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Heizemitter (2) als zuschaltbare Anode (9) ausgeführt ist.
Fokuskopf mit einer thermionischen Emissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Röntgenröhre, die eine Anode (8) und eine thermionische Emissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
Röntgenröhre, die eine Anode (8) und einen Fokuskopf (3) nach Anspruch 9 umfasst.
Röntgenröhre nach Anspruch 10, wobei die thermionische Emissionsvorrichtung eine zuschaltbare Anode (9) umfasst.
Röntgenröhre nach Anspruch 10, wobei der Fokuskopf eine zuschaltbare Anode (9) umfasst.
Röntgenröhre nach Anspruch 10, wobei die Anode (8) als Drehanode ausgebildet ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 10, wobei die Anode (8) Teil einer Drehkolbenröhre ist.
Röntgenröhre nach Anspruch 10, wobei die Anode (8) als Stehanode ausgebildet ist.
Röntgenstrahler mit einem Strahlergehäuse, in dem eine Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 10 bis 16 angeordnet ist.