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Die Erfindung befasst sich mit einem Blendenhalter für eine Objektivblende einer Röntgenröhre, einer Objektivblende für eine Röntgenröhre mit einem derartigen Blendenhalter und mit einer Röntgenröhre. Die Röntgenröhre ist insbesondere eine Mikrofokus-Röntgenröhre.
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Beim Betrieb von Röntgenröhren, dies gilt in ganz verstärktem Maße für Mikrofokus-Röntgenröhren, verändert sich die Form, Größe und Position des Brennflecks. Dies kommt teilweise von Temperaturänderungen in den Bestandteilen der Röntgenröhre. Solche Änderungen des Brennflecks wirken sich negativ auf die Abbildungsqualität bei der Verwendung der Röntgenröhre in bildgebenden Verfahren aus. Das trifft ganz besonders auf CT-Anwendungen zu.
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In der
DE 10 2010 032 338 A1 wird eine Lösung dieses Problems dahingehend vorgestellt, dass die Spulen der Röntgenröhre über eine ungeregelte Kühlung mittels einer Kühlflüssigkeit thermisch stabilisiert werden. Die Röntgenröhre wird dabei unabhängig von äußeren Einflüssen mit einem konstanten Volumenfluss des Kühlmittels gekühlt. Je nach Röhrenleistung, Umgebungstemperatur und Spulenströmen stellt sich ein nicht definiertes Temperaturgleichgewicht ein. Dadurch wird gegenüber einer ungekühlten Röntgenröhre ein Temperaturgleichgewicht mit niedrigerem Absolutwert erreicht. Daraus ergibt sich eine geringere Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur, wodurch ein Temperaturgleichgewicht schneller erreicht werden kann. Dieser Lösungsansatz ist aufwendig, da in die Spulen Kanäle für die Kühlflüssigkeit eingebracht werden müssen und der Kühlkreislauf in einem Hochvakuumumfeld organisiert werden muss oder die Kühlung außen auf die Röntgenröhre aufgebracht werden muss, wodurch die Röntgenröhre stark vergrö-ßert wird.
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Aus der
DE 42 39 443 A1 ist ein Elektronenstrahlgerät bekannt, das eine Absaugelektrode aufweist, mittels der Sekundärelektronen in Richtung einer Gegenfeldelektrode zu einer Detektorelektrode beschleunigt werden. Die Absaugelektrode weist eine große Öffnung auf, damit der Elektronenstrahl mittels einer Ablenkeinheit über ein Bauteil gescannt werden kann. Ein Kühlelement dient zur Kühlung des untersuchten Bauteils.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine zusätzliche Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, mittels der der Brennfleck möglichst konstant gehalten werden kann.
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Die Aufgabe wird durch einen Blendenhalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Blendenhalter weist eine Kühleinrichtung auf, mit der die in einer mit diesem im Betrieb der Röntgenröhre verbundenen Objektivblende aufgrund des Beschusses mit Elektronen entstehende Wärme abgeführt wird und somit ein Temperaturgleichgewicht über die gesamte Betriebsdauer der Röntgenröhre erreicht wird. Somit wird der Brennfleck am Target konstant gehalten. Zusätzlich dient der gekühlte Blendenhalter dazu, gegebenenfalls in diesem Bereich verwendete O-Ringe vor Zerstörung durch Temperatureinwirkung zu schützen. Die O-Ringe stellen hier einen leistungsbegrenzenden Faktor dar.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Blendenhalters sieht vor, dass die Kühleinrichtung einen im Blendenhalter verlaufenden Kühlring zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit aufweist. Dies ist eine besonders einfach herzustellende Form einer Kühleinrichtung, die trotzdem eine zuverlässige Kühlung gewährleistet und es wird für die zusätzliche Kühleinrichtung kein zusätzlicher Bauraum benötigt.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Objektiv mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Das erfindungsgemäße Objektiv weist einen Spulenkern, eine Objektivspule, eine Objektivblende und einen Blendenhalter auf, der am Spulenkern angeordnet ist, wobei die Objektivblende an dem Spulenkern angeordnet ist. Dadurch, dass ein erfindungsgemäßer Blendenhalter vorhanden ist, werden die oben zum Blendenhalter ausgeführten Vorteile erreicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Objektivs sieht vor, dass der Spulenkern einen Innenkern und einen Außenkern aufweist, zwischen denen die Objektivspule angeordnet ist, und der Blendenhalter an dem Innenkern anliegt. Dadurch kann der Blendenhalter in das durch den Innenkern gebildete Strahlrohr eingreifen und die Objektivblende in diesem Bereich angeordnet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Objektivs sieht vor, dass zwischen Blendenhalter und Innenkern ein O-Ring und zwischen Blendenhalter und Außenkern ein weiterer O-Ring zum luftdichten Abschluss angeordnet sind. Dadurch wird in einfacher Weise der Abschluss des Vakuums in dem Strahlrohr gegenüber der Atmosphäre ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Objektivs sieht vor, dass die O-Ringe jeweils in einer Nut im Blendenhalter und/oder im Außenkern und/oder im Innenkern angeordnet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass auch die O-Ringe, die zur Sicherung des Vakuums im Strahlrohr vorhanden sind, gekühlt werden und nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt werden, bei denen die Gefahr ihrer thermischen Beschädigung oder Zerstörung besteht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Objektivs sieht vor, dass der Spulenkern einen Innenkern und einen Außenkern aufweist, zwischen denen die Objektivspule angeordnet ist, und der Blendenhalter an dem Außenkern anliegt. Dadurch wird der Blendenhalter mechanisch sicher an seinem Platz gehalten, was dann auch für die in ihm angeordnete Objektivblende gilt.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Röntgenröhre, insbeondere eine Mikrofokus-Röntgenröhre, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Dadurch, dass anstatt in einer ansonsten gleich dem Stand der Technik aufgebauten Röntgenröhre ein erfindungsgemäßer Blendenhalter anstatt des üblichen Blendenhalters vorhanden ist, werden die oben zum erfindungsgemäßen Blendenhalter und zum erfindungsgemäßen Objektiv aufgeführten Vorteile erreicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sieht vor, dass sie einen Anschluss für die Zuführung einer Kühlflüssigkeit aufweist, der mit der Kühleinrichtung des Blendenhalters verbunden ist. Dadurch wird mit einfachen Mitteln die Zuführung von Kühlflüssigkeit in den erfindungsgemäßen Blendenhalter ermöglicht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Mikrofokus-Röntgenröhre,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Mikrofokus-Röntgenröhre der 1 im Bereich ihres Objektivs und
- 3 einen Schnitt durch die Mikrofokus-Röntgenröhre in der Ebene II-II in 2.
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In 1 ist ein schematischer Schnitt durch eine erfindungsgemäße Röntgenröhre dargestellt. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine spezielle Art einer Röntgenröhre, nämlich eine Mikrofokus-Röntgenröhre.
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Die Mikrofokus-Röntgenröhre ist prinzipiell gleich aufgebaut, wie eine aus dem Stand der Technik bekannte Mikrofokus-Röntgenröhre: Es gibt Mittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 4 (siehe 2) in der Form eines Filaments 13 und Mitteln zum Richten des Elektronenstrahles 4 auf ein Target 22 in der Form einer Zentrierspule 14, wobei die benötigte Hochspannung mittels eines Hochspannungskabels von einem Hochspannungsgenerator (beide nicht dargestellt) über eine Steckdose 12 zur Verfügung gestellt wird. Zwischen der Zentrierspule 14 und dem Target 22 (dieses befindet sich auf der dem Elektronenstrahl 4 abgewandten Seite einer Elektronenfanghülse 10, also in 2 links von dieser) sind ein Kondensor 11 zur parallelen Ausrichtung des Elektronenstrahls 4 und ein Objektiv 9 zur Bündelung des Elektronenstrahls 4 auf einen möglichst kleinen Brennfleck auf dem Target 22 vorhanden.
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Die erfinderische Weiterbildung findet sich zwischen Objektiv 9 und Target 22, also im linken Teil der Mikrofokus-Röntgenröhre in 1. Um die erfindungswesentlichen Merkmale besser erkennen zu können, ist deshalb in 2 eine Vergrößerung dieses Bereichs dargestellt.
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Das Objektiv 9 weist einen Spulenkern 6 mit einem Innenkern 16 und einem Außenkern 15 auf, wobei eine Objektivspule 7 auf dem Innenkern 16 angeordnet ist. Die innere Begrenzung des Innenkerns 16 bildet ein Strahlrohr 8 das evakuiert ist, in dem der Elektronenstrahl 4 geführt wird.
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Um den Brennfleck, also den Bereich, auf dem der Elektronenstrahl 4 auf das Target 22 trifft, möglichst klein zu machen, ist am linken Ende des Innenkerns 16, also dem Filament 13 (siehe 1) abgewandten Ende, eine Objektivblende 1 angebracht. Diese wird in einem Blendenhalter 5 in ihrer Position im Objektiv 9 gehalten. Der Blendenhalter 5 ist so ausgebildet, dass er am Innenkern 16 des Spulenkerns 6 des Objektivs 9 anliegt und mit einem Teil in das Strahlrohr 8 hineinragt. Links davon ist die Objektivblende 1 am Blendenhalter 5 angeordnet. Um den Druckunterschied zwischen dem Strahlrohr 8, in dem Vakuum herrscht, und dem Außenbereich der Mikrofokus-Röntgenröhre, wo Atmosphärendruck herrscht, zu ermöglichen, ist zu einen zwischen dem Blendenhalter 5 und dem Innenkern 16 ein dichtender O-Ring 2 in einer im Blendenhalter 5 ausgebildeten Nut 17 vorhanden. Zum anderen ist zwischen dem Blendenhalter 5 und dem Außenkern 15 ein weiterer dichtender O-Ring 2 in einer weiteren im Blendenhalter 5 ausgebildeten Nut 17 vorhanden. Der Blendenhalter 5 ist mit dem Außenkern 15 verschraubt.
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Die Objektivblende 1 wird von einem großen Teil der Elektronen des Elektronenstrahls 4 getroffen, was zu einer starken Erwärmung ihres Materials führt. Da die Objektivblende 1 thermisch leitend mit dem Blendenhalter 5 verbunden ist, wird auch dieser stark erwärmt. Wie in der Einleitung schon beschrieben, führt eine Wärmeänderung an Teilen der Mikrofokus-Röntgenröhre - für die Erfindung sind insbesondere die Objektivblende 1 und deren Blendenhalter 5 interessant - dazu, dass sich die Längenausdehnung verändert und es somit zu einer signifikanten Änderung des Brennflecks auf dem Target 22 kommt. Dies zu verhindern, ist Aufgabe der Erfindung. Zusätzlich dient der gekühlte Blendenhalter 5 dazu, die in diesem Bereich verwendeten O-Ringe 2 vor Zerstörung durch Temperatureinwirkung zu schützen. Die O-Ringe 2 stellen hier einen leistungsbegrenzenden Faktor dar.
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Erreicht wird dies dadurch, dass in dem Blendenhalter 5 eine Kühleinrichtung 3 in Form eines Kühlrings, der um die durch den Elektronenstrahl 4 gebildete Längsachse herum angeordnet ist und in dem ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, zirkulieren kann. Das Kühlmedium wird mittels einer nicht gezeigten Pumpe über einen Zulauf 18 und einen Ablauf 20 durch die Kühleinrichtung 3 gepumpt. In 2 ist eine Zulauföffnung 19 zu erkennen, über die der Zulauf 18 mit der Kühleinrichtung 3 verbunden ist.
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Die Ausgestaltung der Kühleinrichtung 3 innerhalb des Blendenhalters 5 ist gut anhand der Schnittdarstellung gemäß 3 zu erkennen. Es handelt sich hierbei um einen Schnitt, der den Blendenhalter 5 enthält, wie dies in 2 angegeben ist. Im inneren Bereich verläuft die Schnittebene weiter links als im äußeren Bereich; dies ist in 2 mittels der gestrichelten Linie knapp rechts des Außenkerns 15 verdeutlicht.
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Durch den Zulauf 18 einströmendes Wasser gelangt durch die Zulauföffnung 19 in die ringförmige Kühleinrichtung 3 - den Kühlring -, die in dem sie umgebenden Blendenhalter 5 ausgebildet ist. Das Wasser strömt über eine Ablauföffnung 21 in den Ablauf 20 und von dort aus der Mikrofokus-Röntgenröhre heraus. Zulauf 18 und Ablauf 20 sind durch den Außenkern 15 der Objektivspule 7 geführt. Der Kühlkreislauf wird über eine dem Fachmann bekannte Vorrichtung realisiert, zu der die oben schon erwähnte Pumpe gehört. Die Kühleinrichtung 3 ist in unmittelbarer Nähe sowohl zu der Objektivblende 1 als auch zu den O-Ringen 2 im Blendenhalter 5 ausgebildet. Die O-Ringe 2 sind in den dargestellten Nuten 17, die im Blendenhalter 5 ausgebildet sind, angeordnet und umschließen in der Darstellung der 3 (dort ist nur die Nut 17 gezeigt, die zum Außenkern 15 gerichtet ist) die Objektivblende 1, hinter der im Zentrum das Target 22 zu erkennen ist.
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Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Kühleinrichtung 3 führt dazu, dass das im Kühlring zirkulierende Wasser die Temperatur des Blendenhalters 5 konstant hält. Aufgrund der thermischen Verbindung des Blendenhalters 5 mit der Objektivblende 1 gilt dies ebenfalls für diese. Da die Objektivblende 1 ein thermisch stark belastetes Bauteil ist - es ist einem ständigen Elektronenbombardement ausgesetzt -, handelt es sich hierbei - ebenso wie bei den oben beschriebenen O-Ringen 2 - um ein leistungsbegrenzendes Bauteil. Durch die aktive Kühlung wird verhindert, dass der Blendenhalter 5 und die Objektivblende 1 aufgrund einer Erwärmung eine Längenänderung erfahren, wodurch der Brennfleck in Größe und/oder Platzierung auf dem Target 22 verändert würde. Außerdem werden die Leistungsgrenzen nach oben verschoben und es wird verhindert, dass eine Beschädigung oder gar Zerstörung der O-Ringe 2 stattfindet, da auch diese thermisch mit dem Blendenhalter 5 verbunden sind. Die kritische Temperatur für die O-Ringe 2 liegt bei ungefähr 300 °C, die durch die Kühlung deutlich unterschritten bleibt. Durch die Erfindung kann die Leistung an der Objektivblende 1 bei der Mikrofokus-Röntgenröhre mindestens verdoppelt werden, ohne dass eine Qualitätseinbuße aufgrund thermischer Effekte eintritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objektivblende
- 2
- O-Ring
- 3
- Kühleinrichtung
- 4
- Elektronenstrahl
- 5
- Blendenhalter
- 6
- Spulenkern
- 7
- Objektivspule
- 8
- Strahlrohr
- 9
- Objektiv
- 10
- Elektronenfanghülse
- 11
- Kondensor
- 12
- Steckdose für Hochspannungskabel
- 13
- Filament
- 14
- Zentrierspule
- 15
- Außenkern
- 16
- Innenkern
- 17
- Nut
- 18
- Zulauf
- 19
- Zulauföffnung
- 20
- Ablauf
- 21
- Ablauföffnung
- 22
- Target
