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Die Erfindung befasst sich mit einer Röntgenröhre mit einem Gehäuse, einem Target, einem Austrittsfenster für am Target erzeugte Röntgenstrahlung, sowie mit einer Kollimatorvorrichtung für eine Röntgenröhre und darüber hinaus mit einer Verwendung einer solchen Kollimatorvorrichtung zur Reduzierung des Halbschattens bei der Abbildung eines Objekts.
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Die Erfindung betrifft allgemein geschlossene Röntgenröhren, aber sie ist besonders vorteilhaft bei bipolaren Röntgenröhren mit einem Austrittsfenster für Kegelstrahlen. Darunter versteht man Röntgenröhren, bei denen das Target und das Austrittsfenster auf unterschiedlichen Potenzialen liegen und dessen Austrittfenster die Bestrahlung einer größeren Fläche zulassen. Geschlossene Röntgenröhren haben in der Regel ein Austrittsfenster aus Beryllium. Beryllium wird aufgrund seiner geringen Ordnungszahl und Dichte verwendet, um möglichst wenig der erzeugten Strahlung zu absorbieren. Das Berylliumfester ist in seiner Größe dem nominellen Abstrahlwinkel der Röntgenröhre angepasst. Seine Dicke dient der Stabilität, um eine feste Trennung zwischen Normaldruck außen und Vakuum in der Röntgenröhre zu gewährleisten. Je höher die kV-Klasse der Röntgenröhre ist, desto weiter entfernt, größer und dicker ist das eingesetzte Berylliumfenster. Bis zu einer gewissen Energie wird Röntgenstrahlung durch ein Element absorbiert und gestreut. Ist die Energie der Photonen hoch, wird es nur noch gestreut. Für Beryllium liegt diese Grenze bei etwa 50 keV. Bereits ab einer Energie von etwa 15 keV überwiegt der Anteil der Streuung.
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Röntgenröhren wurden für die Belichtung von Film entwickelt. Die Objekte werden dafür nahe dem Film ohne nennenswerte Vergrößerung platziert. Mit der Verwendung von modernen digitalen Flachbild-Detektoren mit einem diskreten Pixelraster, wird im Normalfall mit einer Vergrößerung gearbeitet, die das Objekt näher zur Quelle bringt.
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Es zeigt sich, dass die gestreute Strahlung des Berylliumfensters einen diffusen vorgelagerten Leuchtpunkt (Leuchtfläche) erzeugt - diesen kann man auch als scheinbaren Brennfleck bezeichnen -, dessen Spektrum im genutzten Kegel nur gering unter dem vom primären Brennfleck der Röntgenröhre liegt. Diese Strahlung ist sowohl in der Lage, das Objekt zu durchstrahlen, als auch dieses teilweise zu hinterstrahlen, so dass ein Halbschatten entsteht. In der Projektion wird dies in Form des Halbschattens sichtbar, dessen Ausdehnung von der verwendeten Vergrößerung abhängig ist. Die zusätzliche Strahlung durch das Objekt, die aus anderen Winkeln als vom primären Brennfleck kommt, verfälscht zudem die Zählraten des Detektors hinter dem Objekt.
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Die allgemein übliche Methode, um die Bildqualität zu verbessern, ist es, von zwei oder vier Seiten Kollimatoren in Form von Stahl-, Wolfram- oder Bleiplatten an einem an der Außenfläche des Röhrengehäuses angeordneten Röhrenflansch zu befestigen. Diese Kollimatoren können ortsfest, wechselbar oder motorisiert sein. Allerdings wird dadurch der oben beschriebene Effekt der Erzeugung eines störenden Halbschattens nur geringfügig vermindert, da ein Großteil der Berylliumgestreuten Strahlung die Öffnung passieren kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, welche die Größe des Halbschattens bei einer Abbildung eines Objekts mittels von einer Röntgenröhre stammender Röntgenstrahlung verringert.
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Die Aufgabe wird durch eine Röntgenröhre mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Kollimatorscheibe aufgrund ihrer Positionierung unterhalb der Oberfläche des Röhrengehäuses näher beim Austrittsfenster - und damit bei der Beryllium-Scheibe - ist als bei den bekannten Vorrichtungen, bei denen die Kollimatoren am Röhrenflansch - also außerhalb des Röhrengehäuses - angeordnet sind, ist es möglich, einen Großteil des Beryllium-Fensters zu überdecken (wenn Detektorgröße und Detektorentfernung vorgegeben sind). Dies bedeutet, dass damit auch die wirksame Größe des diffusen Brennflecks deutlich kleiner ist als dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kollimatoren, die am Röhrenflansch angeordnet sind, der Fall ist. Somit wird die Bildung von Halbschatten stark verringert. Je weiter der Detektor entfernt ist oder je kleiner er ist, desto kleiner kann die Kollimatoröffnung bei der Beryllium-Schreibe sein und der Halbschatten reduziert sich auf ein Minimum, so dass dieser annährend nicht mehr vorhanden ist; ebenso werden dunkle Stellen hinter dem Objekt nicht zusätzlich durch Streustrahlung aufgehellt. Für die Kollimatorscheibe wird wie üblich ein stark Röntgenstrahlen-absorbierendes Material verwendet; es handelt sich beispielsweise um Wolfram, Eisen oder Blei.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kollimatorscheibe und das Austrittsfenster parallel zueinander angeordnet sind und/oder der Abstand zwischen Kollimatorscheibe und Austrittsfenster zwischen 0,5 mm und 20 mm liegt, bevorzugt zwischen 1 mm und 10 mm und besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm. Wenn Kollimatorscheibe und Austrittsfenster parallel zueinander ausgerichtet sind, kann die Kollimatorscheibe im Mittel näher am Austrittsfenster sein. Je dichter die Kollimatorscheibe am Brennfleck ist, desto kleiner kann - wenn Detektorgröße und Detektorentfernung vorgegeben sind - die Kollimatoröffnung sein, wodurch sich die wirksame Größe des diffusen Brennflecks verringert und die Halbschattenbildung abnimmt. Je näher die Kollimatorscheibe am Austrittsfenster ist, desto größer ist diese Wirkung. Ganz sollte die Kollimatorscheibe allerdings nicht an dem Austrittsfenster anliegen, da ansonsten etwa bei Erschütterungen des Kollimators eine mechanische Zerstörung des Austrittsfensters erfolgen kann, was bei geschlossenen Röntgenröhren zur Folge hat, dass diese ausgetauscht werden muss.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kollimatorscheibe über eine kegelstumpfförmige Tragwand mit einer Befestigungsvorrichtung an der targetabgewandten Seite verbunden ist, die mit einem Röhrenflansch verbunden ist, der die Öffnung des Gehäuses an dessen Außenseite umschließt. Dadurch kann die Kollimatorscheibe mit einfachen Mitteln sehr nahe an das Austrittsfenster - das sich unterhalb der Oberfläche des Gehäuses befindet - herangebracht werden und dort auch sicher gehalten werden, ohne dass Teile der Befestigung/Halterung im Strahlengang liegen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kollimatorscheibe rund ausgebildet ist. Der Durchmesser ist dem Durchmesser des Austrittsfensters der jeweiligen Röhre angepasst und die Dicke ist bestimmt durch die Energie der Röntgenröhre und sollte je nach Material und kV-Klasse so stark sein, dass mehr als 99% der Röntgenstrahlung absorbiert wird. Eine runde Ausbildung der Kollimatorscheibe hat den Vorteil, dass sie ohne Modifikation in der Vertiefung gegenüber der Oberfläche des Röhrengehäuses, in der sich das Austrittsfenster befindet, nahe des Austrittsfensters einer gängigen Röntgenröhre angebracht werden kann. Bevorzugt hat die Kollimatorscheibe bei einer 450 kV- und 600 kV-Röntgenröhre der Firma Comet AG einen Durchmesser von 63mm.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kollimatorscheibe aus Wolfram oder einer Schicht Blei und einer Schicht Kupfer besteht, wobei das Dickenverhältnis der Schicht aus Blei zu derjenigen aus Kupfer bevorzugt 7:3 beträgt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kollimatoröffnung zentral in der Kollimatorscheibe angeordnet ist, insbesondere bei einer runden Kollimatorscheibe symmetrisch zu zwei zueinander senkrecht stehenden Durchmessern ausgebildet ist. Dadurch liegt die Hauptstrahlrichtung der nutzbaren Röntgenstrahlung bei einer geraden Einbaulage der Röntgenröhre mittig in der Kollimatoröffnung und die Röntgenstrahlung trifft den Detektor optimal.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kollimatoröffnung verschoben zum Zentrum der Kollimatorscheibe angeordnet ist, insbesondere bei einer runden Kollimatorscheibe symmetrisch zu einem Durchmesser und einer dazu senkrecht stehenden Sekante, die kein Durchmesser ist, ausgebildet ist. Eine solche, zur Seite versetzte Ausbildung der Kollimatoröffnung in der Kollimatorscheibe hat den Vorteil, dass ein möglichst großer Winkelbereich für die nutzbaren Röntgenstrahlung gegeben ist und sich die Hauptstrahlrichtung der nutzbaren Röntgenstrahlung bei einer Einbaulage der Röntgenröhre, die um einige Grad verdreht ist, mittig in der Kollimatoröffnung befindet und den Detektor optimal trifft.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kollimatoröffnung an ihrem targetnahen Ende eine kleinere Fläche als an ihrem targetfernen Ende aufweist. Da die Röntgenstrahlung von dem kleinen Brennfleck die Oberfläche der Kollimatorscheibe schräg trifft, sind Begrenzungsflächen, die die Kollimatoröffnung bilden, vorteilhaft, die entlang der schräg verlaufenden Röntgenstrahlung verlaufen, um keine zusätzliche Streustrahlung an der ansonsten in die Randstrahlen hineinreichenden targetfernen Enden zu erzeugen. Dadurch wird die Bildung von Halbschatten weiter reduziert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an der targetnahen oder der targetfernen Oberfläche der Kollimatorscheibe ein Vorfilter zur Strahlaufhärtung angeordnet ist. Das Vorfilter kann direkt an der Kollimatorscheibe angebracht werden oder in eine dafür vorgesehenen Vorrichtung eingeschoben werden. Dadurch ist kein Zusatzteil an einer anderen Stelle als an derjenigen, an der der Kollimator angeordnet ist, nötig und auch die Streufläche des Vorfilters ist auf ein Minimum reduziert.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Kollimatorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Mittels einer solchen Kollimatorvorrichtung kann die Kollimatorscheibe mit der Kollimatoröffnung in einfacher Art und Weise in der oben beschriebenen Position, dem Austrittsfenster gegenüber in geringem Abstand angebracht werden. Durch Austausch der gesamten Kollimatorvorrichtung kann auf die geometrischen Verhältnisse im Einzelfall (Abstand und Größe des Detektors sowie Einbaulage der Röntgenröhre) mittels einer darauf abgestimmten Kollimatorscheibe mit dazu passender Kollimatoröffnung eingegangen werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung sieht vor, dass die Tragwand kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Diese Form der Tragwand entspricht der Form der Öffnung im Röhrengehäuse, in der das Austrittsfenster angeordnet ist und führt dazu, dass der Fensterträger im Bild nicht sichtbar ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung sieht vor, dass die Tragwand lösbar mit dem Grundrahmen, insbesondere über eine fest mit ihr verbundenen Trägerplatte, verbunden ist. Dadurch muss bei einem Wechsel der individuell auf die geometrischen Verhältnisse abgestimmten Kollimatorscheibe mit dazu passender Kollimatoröffnung nicht die gesamte Kollimatorvorrichtung ausgetauscht werden, sondern nur die Trägerplatte samt Tragwand mit daran angebrachter Kollimatorscheibe. Dies führt zu einer Reduzierung der Kosten und der benötigten Ressourcen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung sieht vor, dass die Befestigungsvorrichtung zwei an entgegengesetzten Enden des Grundrahmens angeordnete Adapter aufweist, die an ihren dem Grundrahmen abgewandten Enden kreisbogenförmig ausgebildet sind und der Radius des Kreisbogens demjenigen des Gehäuses der Röntgenröhre im Bereich der Öffnung entspricht. Dadurch kann die Kollimatorvorrichtung sehr einfach und sicher an dem Gehäuse der Röntgenröhre, das im Bereich der Öffnung für das Austrittsfenster zylindrisch ist, angebracht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung sieht vor, dass die Kollimatorscheibe so ausgebildet ist, wie sie oben zu den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Röntgenröhre beschrieben ist. Es ergeben sich dann die dort schon im Einzelnen aufgeführten Vorteile.
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Die Aufgabe wird auch durch die Verwendung gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Hierbei wird eine erfindungsgemäße Kollimatorvorrichtung an einer Röntgenröhre zur Reduzierung des Halbschattens bei der Abbildung eines Objekts mittels der von der Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlung auf einem Detektor verwendet. Es ergeben sich dabei die oben in Verbindung mit der Röntgenröhre sowie der Kollimatorvorrichtung samt jeweiligen Weiterbildungen angegebenen Vorteile. Dies gilt insbesondere für die Verwendung der Kollimatorvorrichtung an einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Aufbaus einer Röntgenröhre mit einem bekannten Kollimator und einem Detektor sowie einem abzubildenden Objekt,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung wie diejenige der 1 aber mit einer erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung,
- 3 eine detaillierte Vergrößerung des Bereichs des Targets und des Austrittsfensters der Röntgenröhre aus 2,
- 4 eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung von der Röhrenseite aus mit Teilen der Röntgenröhre,
- 5 einen Längsschnitt durch die 4,
- 6 eine Draufsicht auf die Kollimatorvorrichtung der 4,
- 7a Horizontalschnitte und Ansichten zweier erfindungsgemäßer Kollimatorscheiben für eine Kollimatorvorrichtung gemäß 3,
- 7b Alternative zu den in 7a dargestellten Kollimatorscheiben,
- 8 eine Schnittdarstellung wie in 3 aber mit gekippt eingebauter Röntgenröhre und anderer Kollimatorscheibe,
- 9a Horizontalschnitt und Ansicht einer erfindungsgemäßen Kollimatorscheibe für eine Kollimatorvorrichtung gemäß 8;
- 9b Alternative zu den in 9a dargestellten Kollimatorscheiben und
- 10 Tomogramme und Linienprofile eines Objekts aufgenommen mit einem Kollimator gemäß dem Stand der Technik und mit einer erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung.
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In 1 ist ein schematischer Aufbau einer Röntgenröhre 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Es handelt sich um eine geschlossene Minifokus-Röntgenröhre mit einem Brennfleckdurchmesser im Bereich von 0,4 mm. In einem Gehäuse 2 ist ein Target 3 vorhanden, das mit einem Elektronenstrahl 15 (siehe 3) beschossen wird und an dem Ort, an dem dieser das Target 3 trifft - der Brennfleck 7 -, Röntgenstrahlung 5 emittiert. Diese tritt durch ein Austrittsfenster 4 aus Beryllium aus dem Gehäuse 2 aus. Das Austrittsfenster ist in einer Öffnung 14 des Gehäuses angebracht, um möglichst nahe an den Brennfleck 7 heranzurücken. Es ist über einen Fensterträger 13 und einen damit verbundenen Röhrenflansch 9 luftdicht mit dem Gehäuse 2 verbunden. Durch einen Detektor 6, der in einem vorgegebenen Abstand vom Brennfleck 7 angeordnet ist, wird mittels der Röntgenstrahlung 5 ein radiographisches Bild eines Objekts 8 aufgenommen. Der Brennfleck ist so klein, dass er aufgrund seines Abstands zum Objekt 8 und zum Detektor 6 als näherungsweise punktförmig angenommen werden kann. Wenn das Austrittsfenster 4 nicht vorhanden wäre, würde am Detektor 6 vom Objekt 8 nur ein Bild im Bereich des Primärschattens 11, der von der Primärstrahlung des (quasi) punktförmigen Brennflecks 7 stammt, erhalten. Man würde dann an den Rändern ein scharfes Bild erhalten. Allerdings erfolgt eine Streuung der Röntgenstrahlung 5 an dem Austrittsfenster 4, so dass die gesamte, vom Primärstrahl ausgeleuchtete Fläche als Leuchtfleck für eine Sekundärstrahlung fungiert. Dies bedeutet, dass aufgrund einfacher geometrischer Gegebenheiten im Randbereich des Primärschattens 11 ein Halbschatten 12 entsteht. Dieser erstreckt sich auch in den Primärschatten 11 hinein; hinterstrahlt somit das Objekt 8 in gewissem Umfang. Um diesen Effekt zu begrenzen, ist auf den Röhrenflansch 9 ein Kollimator 10 aus einem stark Röntgenstrahlen-absorbierenden Material aufgesetzt. Der Kollimator 10 besteht aus vier Platten, die aus Stahl, Wolfram oder Blei sind und einen rechteckigen Durchlass frei lassen. Diese Platten können ortsfest, wechselbar oder motorisiert sein. Trotz der Verbesserung durch den Kollimator 10 gegenüber einer Anordnung ohne Kollimator 10 bleibt immer noch ein signifikanter Bereich eines Halbschattens 12, wie aus 1 ersichtlich, vorhanden. Das so schon unbefriedigende Ergebnis wird noch verschlechtert, wenn noch ein Vorfilter (nicht dargestellt) für die Aufhärtung der Röntgenstrahlung 5 nahe dem Röhrenflansch 9 eingesetzt wird, da dieses großflächig angestrahlt wird und wiederum als Quelle von Streustrahlung dient. Somit wird je nach verwendetem Filtermaterial ein ähnlich störender Effekt erzeugt, wie durch das Austrittsfenster 4.
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Die Erfindung reduziert den Effekt der Bildung eines Halbschattens 12, wie dies anhand einer in 2 schematisch dargestellten Röntgenröhre 1 gut zu erkennen ist. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind in 2 gleich bezeichnet wie in 1. Der Unterschied zu 1 besteht im Wesentlichen darin, dass der Kollimator 10 nicht mehr im Bereich des Röhrenflansches 9, sondern als Kollimatorvorrichtung 18 (siehe 3) im Bereich des Austrittsfensters 4 innerhalb der Öffnung 14 im Gehäuse 2 angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein Leuchtfleck für die Sekundärstrahlung aufgrund gestreuter primärer Röntgenstrahlung 5 vom Brennfleck 7, der nur so groß ist, wie die von dem Kollimator 10 freigelassene Fläche. Diese Fläche kann bedeutend kleiner sein als die Fläche des Austrittsfensters 4, da nur solche Primärstrahlung durch den Kollimator 10 kommen muss, dass der Detektor 6 gerade noch vollständig ausgeleuchtet ist. Bei ansonsten gleichen geometrischen Verhätnissen wie in 1 - also gleichem Abstand des Detektors 6 zum Leuchtfleck 7 und gleicher Fläche des Detektors 6 - ergibt sich dies direkt. Aufgrund der bedeutend kleineren Fläche, von der Sekundärstrahlung kommen kann, wird der Halbschatten 12 stark reduziert und die Bildqualität deutlich erhöht. Ein Vergleich zwischen einem Tomogramm mit einer Vorrichtung gemäß 1 und einer gemäß 2 ist in 10 dargestellt und wird weiter unten noch näher erläutert.
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Im Folgenden wird anhand von 3 - und nachfolgend auch noch der 4 bis 6 - näher der Aufbau einer erfindungegemäßen Kollimatorvorrichtung 18 beschrieben. 3 ist dabei eine vergrößerte und detaillierte Darstellung eines Ausschnitts der 2 im Bereich des Targets 3 und des Austrittsfensters 4.
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Der Elektronestrahl 15 trifft das Target 3 im Brennfleck 7 und erzeugt dort die primäre Röntgenstrahlung 5 deren Ränder durch die Kollimatorvorrichtunng 18 vorgegeben sind. Allerdings kann aufgrund des sogenannten Targetschattens nur Röntgenstrahlung in vertikaler Richtung von -10° bis +20° (Ersteres ist der Winkel unterhalb der Hauptstrahlrichtung 16 und Letzteres derjenige oberhalb dieser) genutzt werden. Falls allerdings eine zur Hauptstrahlrichtung 16 symmetrische primäre Röntgenstrahlung 5 genuzt werden soll, ergibt sich somit, dass nur ein Röntgenstrahl 5 von ±10° genutzt werden kann. Die Röntgenstrahlung 5 hat somit einen vertikalen Öffnungswinkel β von ca. 20°.
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In Verbindung mit 3 wird zuerst nur der grobe Aufbau der Kollimatorvorrichtung 18 beschrieben; danach wird anhand der 4 bis 6 die konkrete Ausgestaltung eines leicht abgewandelten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Eine Trägerplatte 26 ist an einen Grundrahmen 25 angeordnet, der wiederum mit einer Befestigungsvorrichtung 24 verbunden ist, die zur Verbindung der Kollimatorvorrichtung 18 mit dem Röhrenflansch 9 und somit dem Gehäuse 2 der Röntgenröhre 1 dient. In die innerhalb der Grenzen des Röhrenflansches 9 ausgebildete Öffnung 4 in dem Gehäuse 2 ragt eine Tragwand 23, die mit der Trägerplatte 26 fest verbunden ist, hinein. Am linken Ende der Tragwand 23 ist eine mit dieser fest verbundene Kollimatorscheibe 19 mit einer Kollimatoröffnung 20 angebracht. Die Kollimatorscheibe 19 ist - wie diejenige aus dem Stand der Technik - aus stark Röntgenstrahlen-absorbierendem Material, wie Stahl, Wolfram oder Blei. Die Begrenzungsflächen 22 der Kollimatoröffnung 20 sind schräg zur Haupstrahlrichtung 16 ausgerichtet. Dadurch weist die Kollimatoröffnung 20 an ihrem targetnahen Ende eine kleinere Fläche, als an ihrem targetfernen Ende auf. Da die Röntgenstrahlung 5 von dem kleinen Brennfleck 7 ausgehend die Oberfläche der Kollimatorscheibe 19 schräg trifft, kann an den Begrenzungsflächen 22, die entlang der schräg verlaufenden Röntgenstrahlung 5 verlaufen, keine zusätzliche Streustrahlung entstehen. Anders als bei einer Ausgestaltung mit parallel zur Hauptstrahlrichtung 16 verlaufenden Begrenzungsflächen 22, wo diese an dem targetfernen Ende in die Randstrahlen hineinreichen würden und dort Streustrahlung erzeugen würden. Dadurch wird die Bildung von Halbschatten 12 weiter reduziert.
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An der targetnahen Fläche der Kollimatorscheibe 19 ist ein Vorfilter 17 zur Strahlaufhärtung angebracht. Alternativ kann das Vorfilter 17 auch auf der targetfernen Seite der Kollimatorscheibe 19 angeordnet sein; entweder direkt an dieser oder in einem Abstand, der bevorzugt in einem Bereich von 0 bis 10 mm liegt. Die an diesem Vorfilter 17 entstehende Streustrahlung kann den Effekt der Bildung von Halbschatten 12 nicht erhöhen, da die - in der Ausbreitungsrichtung der Röntgenstrahlung 5 dahinter liegende Kollimatorscheibe 19 dies bis auf den Bereich der Kollimatoröffnung 20 verhindert. Alternativ kann der Vorfilter 17 in einer Tasche auf der targetfernen Fläche der Kollimatorscheibe 19 angeordnet sein, damit die Kollimatorscheibe 19 noch näher am Austrittsfenster 4 ist. Erfindungswesentlich ist, dass der Vorfilter 17 nur auf einer kleinen Fläche angestrahlt wird, um nur eine möglichst kleine Streuwirkung zu haben.
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Zwischen der Kollimatorvorrichtung 18 (hier: zwischen dem mit der Kollimatorscheibe 19 fest verbundenen Vorfilter 17) und dem Austrittsfenster 4 ist noch ein kleiner Abstand vorhanden, damit das Austrittsfenster 4 nicht versehentlich beim Einsetzen oder bei Erschütterungen der Kollimatorvorrichtung 8 mechanisch beschädigt werden kann, was zur Notwendigkeit des Austauschs der gesamten (geschlossenen) Röntgenröhre 1 führen würde.
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Das Austrittsfenster 4 ist mit einem Stahlring 21 luftdicht verlötet, der wiederum mit einem Teil des Gehäuses 2 luftdicht verbunden ist. Vom Gehäuse 2 erstreckt sich in der Nähe des Stahlrings 21 ein Kegelstumpf 29, der mit dem äußeren Teil des Röhrenflansches 9 fest verbunden ist.
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In den 4 bis 6 ist eine gegenüber 3 leicht abgewandelte Kollimatorvorrichtung 18 dargestellt. Die Schrägansicht der 4 zeigt die Kollimatorvorrichtung 18 von der Röhrenseite aus; die 5 ist ein Länggschnitt durch die Kollimatorvorrichtung 18 der 4; die 6 ist eine Draufsicht - also von der dem Gehäuse 2 der Röntgenröhre 1 abgewandten Seite - auf die Kollimatorvorrichtung 18. Im Folgenden wird die Kollimatorvorrichtung 18 anhand der genannten drei Figuren näher beschrieben. Sie ist zusammen mit dem Röhrenflansch 9 dargestellt.
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Der Röhrenflansch 9 weist an seiner Unterseite die Form eines Zylindermantels auf (um ihn gut an dem Gehäuse 2 der Röntgenröhre 1 festlegen zu können) und hat zentral eine Öffnung. Diese Öffnung durchdringend ist ein Kegelstumpf 29 als Teil des Röhrenflansches 9 vorhanden.
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Durch die Öffnung im Röhrenflansch 2, innerhalb des Kegelstumpfes 29, erstreckt sich die ebenfalls kegelstumpförmige Tragwand 23. Am targetnahnen Ende der Tragwand 23 ist die Kollimatorscheibe 19 mit der Kollimatoröffnung 20 - die schräge Begrenzungsflächen 22 aufweist - angeordnet. Die Tragwand 23 ist an ihrem targetfernen Ende fest mit der Trägerplatte 26 verbunden.
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Der Grundrahmen 25 ist fest mit dem Röhrenflansch 9 an seiner Außenseite über Befestigungsvorrichtungen 24 - hier in Form von vier Schrauben - verbunden. Die Trägerplatte 26 ist hingegen lösbar über zwei Verschlusselemente 28, die gegen Federkraft jeweils zur Außenseite des Grundrahmens 25 auslenkbar sind und die Trägerplatte 26 gegen entsprechende, an dem Grundrahmen 25 ausgebildete Anschläge 27 drücken, mit dem Grundrahmen 25 verbunden. Durch die Auswechselbarkeit der Trägerplatte 26 samt Tragwand 23 und Kollimatorscheibe 19 kann dieses Bauteil leicht auf die geometrischen Gegebenheiten abgestimmt werden, indem das für den jeweiligen Aufbau benötigte Kollimatorfenster 20 eingesetzt wird.
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In 7a sind zwei Kollimatorscheiben 19 mit unterschiedlichen Kollimatoröffnungen 20 dargestellt, die jeweils schräge Begrenzungsflächen 22 aufweisen. Diese Kolimatoren werden bei Einbaulagen der Röntgenröhre 1 verwendet, bei der der Elektronenstrahl 15 senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung 16 steht, wie dies in 3 der Fall ist.
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Die obere Kollimatorscheibe 19 weist eine quadratische Kollimatoröffnung 20 auf; die untere Kollimatorscheibe 19 eine rechteckige Kollimatoröffnung 20. In den jeweiligen rechten Darstellungen sind Draufsichten auf die Kollimatorscheiben 19 dargestellt und in den jeweiligen linken Darstellungen Längsschnitte in horizontaler Richtung in den rechten Darstellungen.
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Die spezifischen Größen für die hier dargestellten Ausführungsbeispiele sind nur exemplarisch. Der Durchmesser der beiden Kollimatorscheiben 19 ist dem Austrittsfenster 4, sowie der Passung angepasst - er beträgt bei einer 450 kV-Röntgenröhre der Firma Comet AG 63 mm - und ihr Abstand A zum Brennfleck 7 beträgt jeweils 63 mm; die Kollimatoröffnung 20 im oberen Beispiel hat an ihrer dem Brennfleck 7 zugewandten Seite eine Größe von 18,45 mm und an ihre dem Brennfleck 7 abgewandgten Seite 21,38 mm. Daraus ergibt sich ein horizontaler Öffnungswinkel γ für den Röntgenstrahl von ± 8,33°. Mit dem unteren Ausführungsbeispiel wird ein doppelt so breiter Strahlenkegel 5 ausgeleuchtet wie mit dem oberen Ausführungsbeispiel - bei ansonsten gleicher Geometrie, wie es bei Messkreiserweiterungen mit zusammengesetzten Detektorbildern benötigt wird. Im unteren Beispiel betragen die entsprechenden Größen für die Kollimatoröffnung 20 somit 36,9 mm und 42,76 mm, was zu einem horizontalen Öffnungswinkel γ von ± 16,32° führt. Die Kollimatorscheibe 19 besteht wie oben beschrieben aus Wolfram oder ähnlichem Material, dessen Stärke der gewünschten Absorption angepasst ist. Beispielsweise kann es sich um eine 10 mm dicke Schicht aus reinem Wolfram oder um eine 7 mm dicke Bleischicht mit einer zusätzlichen 3 mm dicken Kupferschicht handeln. Für Röntgenröhren 1 mit anderen Spannungen oder anderer Hersteller ist eine entsprechende Anpassung der oben genannten Abmessungen nötig, die der Fachmann ausgehend von den Ausführungen zur obigen 450 kV-Röntgenröhre der Firma Comet AG vornehmen kann.
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In 7b sind alternative Ausführungsformen der in 7a dargestellten Kollimatorscheiben 19 dargestellt. Ihr einziger Unterschied besteht darin, dass die jeweiligen Begrenzungsflächen 22 nicht schräg ausgeführt sind, sondern senkrecht zur Oberfläche verlaufen. Solche Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass sie einfacher herzustellen sind als die Ausführungsformen mit schräg verlaufenden Begrenzungsflächen 22. Nachteilig der Ausführungsbeispiele gemäß 7b gegenüber denjenigen der 7a ist, dass die schräg verlaufenden Randstrahlen der Röntgenstrahlung 5 eine Teil der Kollimatorscheibe 19 durchdringen und dort in geringem Umfang Streustrahlung produzieren. Bei einer 450 kV-Röntgenröhre ist dieser Effekt bei Verwendung von Wolfram als Material für die Kollimatorscheibe 19 allerdings so klein, dass er nicht signifikant ins Gewicht fällt.
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8 ist ein Schnitt vergleichbar demjenigen der 3, wobei die Röntgenröhre 1 in einer anderen Einbaulage verbaut ist und eine andere Kollimatorscheibe 19 verwendet wird. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zu 3 eingegangen.
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Im Unterschied zur Einbaulage der Röntgenröhre 1 in 3, bei der der Elektronenstrahl 15 senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung 16 der primären Röntgestrahlung 5 steht, ist die Röntgenröhre 1 in 8 um einen Einbauwinkel α von 5° eingebaut. Dies bedeutet, dass der Elektronenstrahl 15 nicht senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung 16 - die senkrecht auf den nicht dargestellten Detektor 6 steht - steht, sondern der Winkel zwischen diesen beiden nur 85° beträgt.
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Dadurch ist die Oberfläche des Targets 3 weiter nach rechts geneigt - was den Targetschatten auch nach rechts unten wegdreht - und es kann somit ein größerer symmetrischer Winkelbereich um die Hauptstrahlachse 16 genutzt werden, da das Target den Winkelbereich unterhalb der Hauptstrahlachse 16 nicht so stark ausblendet. Man erzielt dadurch einen vertikalen Öffnungswinkel β des Röntgenstrahls 5 von ± 15° (anstatt der ± 10° in 3). Um den gesamten vergrößerten vertikalen Öffnungswinkel β nutzen zu können, muss allerdings die Kollimatoröffnung 20 in der Kollimatorscheibe 19 von deren Zentrum weg nach oben verschoben sein; bei ansonsten gleichen Maßen für die Kollimatoröffnung 20.
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In 9a ist - vergleichbar mit 7a - eine Draufsicht auf die im Ausführungsbeispiel der 8 verbaute Kollimatorscheibe 19 sowie ein Querschnitt durch dieselbe dargestellt. Die Abmessungen der Kolimatoröffnung 20 sind gleich wie diejenigen im oberen Teil der 7a, sie ist gegenüber dieser einzig aus dem Zentrum heraus nach rechts gerückt. Das Material der Kollimatorscheibe 19 ist ebenfalls gleich demjenigen in 7a und es ist derselbe horizontale Öffnungswinkel γ vorhanden wie in 7a, nur dass dieser hier schräg auf der Oberfläche der Kollimatorscheibe 19 steht. Die Begrenzungsflächen 22 haben unterschiedliche Winkel zur Oberfläche der Kollimatorscheibe 19, da die Hauptstrahlrichtung 16 bei der verdrehten Einbaulage nicht senkrecht auf dieser Oberfläche steht, um zu gewährleisten, dass die Randstrahlen Röntgenstrahlung 5 parallel zu diesen Begrenzungsflächen 22 verlaufen und somit keine Streustrahlung daran erzeugt wird.
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In 9b ist - entsprechend 7b - ein Ausführungsbeispiel einer Kollimatorscheibe 19 mit senkrecht zur Oberfläche der Kollimatorscheibe 19 verlaufenden Begrenzungsflächen 22 dargestellt. Bezüglich der Vor- und Nachteile gegenüber dem in 9a dargestellten Ausführungsbeispiel gilt das oben zu 7b Ausgeführte analog.
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Allgemein kann gesagt werden, dass je weiter der Detektor 6 von der Röntgenröhre 1 und somit dem Brennfleck 7 entfernt wird oder je kleiner der Detektor 6 ist, desto kleiner kann die Kollimatoröffnung 20 werden und der Halbschatten 12 reduziert sich auf ein Minimum, so dass annährend die Situation eines punktförmigen Brennflecks 7 erreicht wird. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird der Halbschatten 12 am Rand des projizierten Objekts 8 stark verkleinert und dunkle Stellen hinter dem Objekt 8 nicht zusätzlich zur Objektstreustrahlung aufgehellt.
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Ein einfaches Beispiel ist der in 10 dargestellte CT-Scan eines Aluminiumzylinders. In dem dargestellten Beispiel hat er einen Durchmesser von 75 mm bei einer Röhrenspannung von 450 kV, wie es beispielsweise bei einem Test nach ASTM E 1695 verwendet wird.
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10 (a) und (b) zeigen jeweils oben ein Tomogramm und unten ein Linienprofil des Aluminiumzylinders. Die Aufnahmeparameter sind in beiden Fällen identisch: Röntgenröhre MXR-451HP/11 I Y.TU450-D11, 1.5mA, 1,5 mm Sn + 0,5 mm Cu Vorfilter, Perkin Elmer XRD1621 AN18 mit Detektorabstand 1.700 mm, Vergrößerung 3,8.
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Im linken Beispiel (10 (a)) wurde die Kollimator-Lösung gemäß dem Stand der Technik aus 1 am Röhrenflansch 9 genutzt und im rechten Beispiel (10 (b)) wurde eine erfindungsgemäße Kollimatorvorrichtung 18 verwendet - bei der die Kollimatorscheibe 19 direkt am Austrittfenster 4 angeordnet ist. Das ideale Ergebnis wäre ein gleichbleibendes Plateau im Material, also einer horizontalen Linie im mittleren Bereich des jeweiligen Linienprofils im jeweils unteren Teil der 10. Durch Effekte wie Strahlaufhärtung ist im Normalfall ein leichtes Tal mittig nach unten zu beobachten. 10 (a) zeigt in der Mitte jedoch ein ungewöhnliches Maximum. Dies wird oft mit Streustrahlung vom Objekt 8 erklärt, was jedoch nicht zutrifft. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kollimatorvorrichtung 18 wird das Maximum stark reduziert und das Linienprofil (unterer Teil der 10 (b)) gleicht fast dem erwarteten Bild.
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Besonders bei 3D-Rekonstruktionen eines CT-Scans zeigen sich deutliche Verbesserungen in Form reduzierter Scheindichte in innen liegenden Hohlräumen, die beim CT-Scan nie ohne verdeckendes Material gesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röntgenröhre
- 2
- Gehäuse
- 3
- Target
- 4
- Austrittsfenster
- 5
- Röntgenstrahlung
- 6
- Detektor
- 7
- Brennfleck
- 8
- Objekt
- 8'
- Abbildung des Objekts
- 9
- Röhrenflansch
- 10
- Kollimator
- 11
- Primärschatten
- 12
- Halbschatten
- 13
- Fensterträger
- 14
- Öffnung
- 15
- Elektronenstrahl
- 16
- Hauptstrahlrichtung
- 17
- Vorfilter
- 18
- Kollimatorvorrichtung
- 19
- Kollimatorscheibe
- 20
- Kollimatoröffnung
- 21
- Stahlring
- 22
- Begrenzungsfläche
- 23
- Tragwand
- 24
- Befestigungsvorrichtung, Schraube
- 25
- Grundrahmen
- 26
- Trägerplatte
- 27
- Anschlag
- 28
- Verschlusselement
- 29
- Kegelstumpf
- A
- Abstand Brennfleck - Kollimatorscheibe
- α
- Einbauwinkel
- β
- vertikaler Öffnungswinkel des Röntgenstrahls
- γ
- horizontaler Öffnungswinkel des Röntgenstrahls
