DE10212934A1

DE10212934A1 - Hochleistungsröntgenröhre, insbesondere für den Einsatz in CT-Geräten

Info

Publication number: DE10212934A1
Application number: DE10212934A
Authority: DE
Inventors: Herbert Bittl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2022-03-23
Also published as: DE10212934B4

Abstract

Es wird eine Hochleistungsröntgenröhre mit folgenden Merkmalen vorgestellt. An einem feststehenden Vakuumgehäuse (1) zur Aufnahme einer Elektronen emittierenden Kathode (2) ist eine Anode (3) mit einem konisch ausgebildeten Anodentopf (4) allseitig kippbar angeordnet. Zwischen Vakuumgehäuse (1) und Anodentopf (4) befindet sich ein Federbalg (7), der die Kippbewegung erlaubt. Es sind ferner Antriebsmittel zur Erzielung einer oszillierenden Bewegung des Anodentopfes (4) in Relation zur feststehenden Kathode (2) sowie ein Kühlsystem zur Zufuhr eines Kühlmittels an den Anodenboden (9) des Anodentopfes (4) mit mindestens einer auf den Anodenboden (9) gerichteten Kühlmittelaustrittsdüse (18) vorhanden. Erfindungsgemäß ist das Kühlmittel gleichsam als Antrieb für den Anodentopf (4) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochleistungsröntgenröhre entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Hochleistungsröntgenröhren, wie sie beispielsweise in CT- Anlagen eingesetzt werden, sind häufig als Drehkolbenröhren, meist aber als Drehanodenröhren, ausgebildet. Bei Drehkolbenröhren, wie beispielsweise in DE 198 43 649 A1 beschrieben, ist die Anode fest mit dem drehbar gelagerten Röhrenkolben verbunden. Der Anodenboden kann direkt mit Kühlmittel beaufschlagt werden. Bei Drehanodenröhren befinden sich eine feststehende Kathode und eine drehbar angeordnete Anode in einem Vakuumgehäuse. Die Anode ist als Drehanode ausgebildet, d. h. sie ist mit einer mit dem Gehäuse verbundenen Achse mit Hilfe von Lagern drehbar angeordnet. Der Anodenteller weist üblicherweise eine mit Wolfram beschichtete Fläche auf, auf der der von der Kathode ausgehende Elektronenstrahl auftrifft und dort ein Röntgenstrahlbündel erzeugt, welches an einem Austrittsfenster im Vakuumgehäuse austritt. Der Anodenteller wird mittels eines geeigneten Kühlmittels, in der Regel ein Kühlöl, gekühlt. Eine derartige Drehanodenröhre ist beispielsweise aus DE 100 17 777 A1 bekannt.
Eine andere Art einer Hochleistungsröntgenröhre ist aus US 6 154 521 A bekannt geworden. Bei dieser Hochleistungsröntgenröhre enthält die Anode einen konisch ausgebildeten Anodentopf der kippbar am Vakuumgehäuse angeordnet ist. Der Anodentopf enthält am einen Ende einen Ring, welcher über einen Federbalg mit dem Vakuumgehäuse verbunden ist. An dem Ring befinden sich mehrere mechanische Antriebe die den Anodentopf in eine oszillierende Bewegung versetzen. Durch eine solche Taumelbewegung erzeugt der Kathodenstrahl ständig neue Brennflecke entlang einer kreisförmigen oder elliptischen Bahn. Der Anodentopf weist am anderen Ende eine sphärische Oberfläche auf, welche die eigentliche Anodenfläche bildet auf der der Elektronenstrahl auftreffen kann. Der Anodentopf, bzw. die Anodenfläche, kann auch hier direkt gekühlt werden, wozu ein separates Kühlsystem vorgesehen ist. Das Kühlsystem enthält eine Pumpe mit der ein Kühlmittel in den rückwärtigen Teil des Anodentopfes geleitet wird. Das Kühlmittel wird entlang der Innenwandungen des Anodentopfes zur Rückseite der Anodenfläche geführt und von dort zurück in einen Wärmetauscher geleitet.
Die bekannte Anordnung ist insbesondere hinsichtlich der Erzeugung der oszillierenden Bewegung der Anode vergleichsweise aufwendig da zur Erzielung der gewünschten Bewegung mehrere Antriebe notwendig sind die folgerichtig gesteuert werden müssen. Des weiteren kann mit den dargestellten Ausführungen kein Einfluss auf die Fliehkräfte der Röhre im eingebauten Zustand einer Anlage genommen werden. So kann die beispielsweise in einer CT-Anlage, in der die Röhre bei Betrieb mit etwa 2 Umdrehungen pro Sekunde rotiert, die durch die Rotation hervorgerufene Relativbewegung, auch als Gantryrotation bezeichnet, nicht, bzw. nur mit sehr aufwendigen Mitteln kompensiert werden. Zusätzlich wird ein separates, aufwendiges Kühlsystem benötigt.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochleistungsröntgenröhre der eingangs genannten Gattung anzugeben, der die angegebenen Nachteile nicht anhaften, die also insbesondere einen vereinfachten Antrieb zur Erzielung der Taumelbewegung aufweist.
Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel gleichsam als Antrieb für den Anodentopf eingesetzt. Durch das Zusammenfassen von Antrieb und Kühlmittelzufuhr wird ein einfacherer mechanischer Aufbau der Röhre erzielt. Die beim Stand der Technik vorhandenen zusätzlichen Antriebe für den Anodentopf entfallen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind am Anodenboden ein oder mehrere Leitkörper angeordnet auf die zumindest eine Kühlmittelaustrittsdüse gerichtet ist, wobei die Anordnung und/oder Steuerung des Kühlmittelflusses für diese Kühlmittelaustrittsdüse so getroffen ist, dass die gewünschte oszillierende Bewegung des Anodentopfes erzielt wird.
Die Leitkörper können vorteilhafterweise aus einzelnen Leitelementen bestehen, die entsprechend einer den Bewegungsablauf definierenden Ausbildung am Anodenboden angeordnet sind.
Die Leitelemente können durch Ausprägungen aus dem Anodentopf oder auch durch Aufschweißen oder Auflöten von Leitblechen auf den Anodentopf gebildet werden.
Die Zufuhr des Kühlmittels kann durch ein oder mehrere Düsen erfolgen, wobei der Kühlmittelstrom über eine Steuereinheit alternierend gesteuert wird.
Um Einfluss auf den Bewegungsablauf des Anodentopfes nehmen und diesen gezielt steuern zu können sind an der Peripherie des Anodentopfes und korrespondierend dazu am Vakuumgehäuse Abstandssensoren angeordnet sind, welche die jeweilige Position der Anode in Relation zum Vakuumgehäuse erfassen und einer Steuereinheit zuführen, in der die Signale mit vorgegebenen, dem Bewegungsablauf definierenden Werten verglichen werden und welche danach den Sprühdruck und/oder die Sprühzeit des auf die Leitkörper wirkenden Kühlmittels bestimmen. Die Abstandssensoren ermöglichen so einen gezielten Eingriff bei evtl. Abweichungen der Bewegungen von berechneten Sollwerten.
Nachdem alle Parameter für eine Auslenkung des Anodentopfes berechnet und auch gut eingestellt werden können, können auch auftretende Fliehkräfte im eingebauten Zustand der Röhre berücksichtigt werden.
Anhand der Zeichnung werden nachfolgend mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Hochleistungsröntgenröhre, mit einer ersten Version einer Kühlmittelzufuhr an die Anode,
Fig. 2 eine zweite Version einer Kühlmittelzufuhr an die Anode,
Fig. 3 den vorderen Teil des Anodentopfes in einer Ausgangsstellung,
Fig. 4 den in Fig. 3 dargestellten Teil des Anodentopfes in einer Kippstellung.
Fig. 5 eine Draufsicht auf den Boden des Anodentopfes mit Darstellung der Anordnung der Leitkörper,
Fig. 6 eine andere Version einer Anordnung der Leitkörper,
Fig. 7 ein Vektor-Diagramm mit Darstellung der die Taumelbewegung des Anodentopfes bewirkenden Kraftkomponenten.
Die Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungsröntgenröhre. Die Röhre enthält ein Vakuumgehäuse 1 mit einer Kathode 2 die Teil einer Kathodenanordnung zur Erzeugung von Elektronen ist. Da eine solche Kathodenanordnung an sich bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird davon abgesehen, diese näher darzustellen und zu erläutern.
Mit 3 ist allgemein eine am Vakuumgehäuse 1 beweglich gelagerte Anode bezeichnet. Die Anode 3 besteht aus einem konisch gestalteten Anodentopf 4, dessen der Kathode 2 zugewandtes Ende eine sphärische Anodenfläche 5 aufweist, die der Kathode zugewandt in bekannter Weise z. B. eine Wolframbeschichtung aufweist. Der Anodentopf 4 ist allseitig kippbar am Vakuumgehäuse 1 angeordnet, in dem an einem Ring 6 ein Federbalg 7 befestigt ist, der mit einem Endteil 8 des Vakuumgehäuses 1 verbunden ist. Durch eine solche Aufhängung kann der Anodentopf 4 bei entsprechendem Antrieb eine oszillierende Taumelbewegung ausführen.
Der Antrieb zur Erzielung der Taumelbewegung wird gemäß der Erfindung gleichsam mit dem Kühlmittel zur Kühlung der Anode erzielt. In einer bevorzugten Ausführung ist hierzu die Rückseite der Anodenfläche 5, im folgenden mit Anodenboden 9 bezeichnet, mit Leitkörpern 10 versehen gegen die zwei Düsen 11 und 12 gerichtet sind. Die Düsen sind Teil des Kühlsystems zur Kühlung der Anode und über eine gemeinsame Zuleitung 13 mit einer Pumpe 14 verbunden, die das und über einen Wärmetauscher 15 zurückgeleitete Kühlmittel (in der Regel ein Kühlöl) abwechselnd über die eine oder andere Düse auf die Leitkörper 10 gerichtet pumpt. An der Verteilerstelle ist eine Ventilanordnung 16 mit einem Umschaltventil vorgesehen, das von einer Steuereinheit 17 aus gesteuert wird und das Kühlmittel je nach Vorgabe an die eine oder andere Düse leitet. Die Steuereinheit 17 steuert auch die Pumpe 14.
Anstelle der gemeinsamen Zuleitung 13 können auch, wie in Fig. 2 gezeigt, getrennte Zuleitungen 13a, 13b vorgesehen sein. Zusätzlich kann auch noch eine dritte Leitung 13c mit einer Kühlmittelaustrittsdüse 18 vorhanden sein, die ausschließlich der Zufuhr von Kühlöl an den Anodenboden 9 dient. Diese Leitung ist zweckmäßigerweise im Zentrum des Anodentopfes 4 angeordnet.
Die Leitkörper 10 sind, wie in der Darstellung der Fig. 5 gezeigt, jeweils unter einem bestimmten Winkel α (α1. . .αn) am Anodenboden 9 befestigt, und zwar entsprechend einer bestimmten Kurvenform (Fig. 5) die durch strömungstechnische Berechnungen ermittelt wird. Die Gestaltung der Kurvenform ist dabei so getroffen, dass der über die Düse durch Kühlmittel bewegte Leitkörper nach Ablauf der vorgegebenen Bahn wieder den Ausgangspunkt erreicht wodurch die Bewegung erneut nach diesem Muster ablaufen kann.
Die Leitkörper 10 können vorteilhafterweise bei der Herstellung des Anodentopfes 4 direkt aus dem Anodentopfmaterial heraus gearbeitet werden, z. B., in dem aus dem Anodenboden 9 unter bestimmten Winkeln einzelne Leitkörper ausgeprägt werden.
Alternativ können die Leitkörper 10 auch am Anodenboden 9 angeschweißt oder angelötet sein.
Die prinzipielle Funktionsweise des Antriebes zur Erzielung der angesprochenen Bewegung wird anhand der Fig. 3 bis 6 erläutert.
Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt vom vorderen Teil des Anodentopfes 4 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die einzelnen Leitkörper 10 sind hier mit L1. . .Ln bezeichnet.
Während einer Zeit T1 in der die Düse 11 den Leitkörper L1 mit Kühlmittel beaufschlagt, übt das Kühlmittel eine Druckkraft F1 auf den Leitkörper aus. Der Anodentopf 4 wird dabei um eine Strecke S1 ausgelenkt wodurch der Anodentopf um einen Winkel β gekippt wird. In dieser Ablenkposition die in Fig. 4 skizziert ist wird die Düse 11 abgeschaltet und gleichzeitig die Düse 12 aktiviert. Analog wirkt während einer Zeit T2 eine Kraft F2 auf den Leitkörper L3 der in dieser Position der Düse 12 gegenüber steht. Aus dieser Kraft F2 resultiert wiederum eine Auslenkung S2 die den Anodentopf 4 entsprechend der Anordnung des Leitkörpers L3, in eine andere Richtung bewegt.
Durch eine Schrägstellung der Leitkörper L1. . .Ln um einen Winkel α1. . .αn lässt sich in der Koordinatenebene x, y über die Kraft F1 und der Zeit T1 (bei bekannter Federkraft des Federbalges 7) ein Vektor V1 einer ersten Ablenkung errechnen. (siehe Vektor-Diagramm in Fig. 6). Analog gilt dies auch für die anderen Leitkörper L2. . .Ln aus denen weitere Vektoren einer Ablenkung resultieren.
Über die einstellbaren Parameter F1. . .Fn (wirksame Kraft des aus den Düsen auf die Leitkörper strömenden Kühlmittels), T1. . . Tn, (Zeit während der das Kühlmittel auf die Leitkörper wirkt) und α1. . .αn (Anstellwinkel für die Leitkörper gegenüber Düsen) lässt sich über die Vektoren V1. . .Vn eine Ablenkkurve ermitteln bzw. gestalten, deren Endpunkt letztlich wieder der Leitkörper L1 ist (siehe Vektoren-Diagramm in Fig. 7).
Auftretende Fliehkräfte, wie sie beispielsweise bei CT- Anlagen durch die bereits genannte Gantryrotation auftreten und den Anodentopf um eine berechenbare Kraft ablenken, können rechnerisch ermittelt und in die Parameter einbezogen werden.
Die Kühlung des Brennfleckes erfolgt zwangsweise durch das von den Leitkörpern L1. . .Ln abgeleitete Kühlmittel. Das Ableiten kann vorteilhafterweise durch eine zusätzliche Absaugdüse (Pos. 21 in Fig. 1) unterstützt werden, wobei damit ein geschlossener Kreislauf erzielt werden kann.
Anstelle der zwei Düsen 11, 12 ist es auch möglich, nur eine einzige Düse zentral anzuordnen die einen unter einem bestimmten Neigungswinkel gepulst umlaufenden Kühlstrahl erzeugt. Bei einer solchen Anordnung ist ein beispielsweise spiralförmig ausgebildeter Leitkörper 19 in Form eines Prall- Leitbleches denkbar auf den der Kühlmittelstrahl auftrifft. Bei einer solchen Anordnung wird eine spiralförmige Bewegung des Anodentopfes erzeugt, die nach Ablauf der Spirale zum Ausgangspunkt wieder zurückspringt. Eine solche Variante ist in Fig. 6 skizziert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwischen dem Anodentopf 4 und dem Vakuumgehäuse 1 am Umfang mehrere Abstandssensoren 20 vorgesehen (Fig. 1) welche den Abstand zwischen Anodentopf und Vakuumgehäuse messen und damit auch Abweichungen von den vorgegebenen Ablenkstrecken der Taumelbewegung des Anodentopfes 4 erfassen. Die von den Abstandssensoren abgegebenen Signale werden an die Steuereinheit 17 geben, die durch Änderung eines der Parameter F und/oder T gegebenenfalls eine Berichtigung durchführt. Auf diese Weise ist ein gezielter Eingriff auf die Bewegung bei evtl. Abweichungen, z. B. durch die bereits erwähnte Gantrybewegung möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante kann der Anodentopf 4 zum Anodenboden 9 hin konisch erweiternd ausgebildet sein wie dies bei der in Fig. 2 skizzierten Variante zu erkennen ist. Eine solche Variante hat den Vorteil, dass sich die Taumelbewegungen leichter steuern lassen als bei einer umgekehrten Ausbildung wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt.

Claims

1. Hochleistungsröntgenröhre, insbesondere für den Einsatz in CT-Geräten, enthaltend ein feststehendes Vakuumgehäuse (1) zur Aufnahme einer Elektronen emittierenden Kathode(2) und Mittel zur Fokussierung des Elektronenstrahles, eine am Vakuumgehäuse (1) allseitig kippbar angeordnete Anode (3) mit einem konisch ausgebildeten Anodentopf (4) und einer stirnseitig sphärisch geformten Anodenfläche (5), einen zwischen Vakuumgehäuse (1) und Anodentopf (4) angeordneten, die Kippbewegung erlaubenden Federbalg (7), Antriebsmittel zur Erzielung einer oszillierenden Bewegung des Anodentopfes (4) in Relation zur feststehenden Kathode (2), sowie ein Kühlsystem zur Zufuhr eines Kühlmittels an den Anodenboden (9) des Anodentopfes (4) mit mindestens einer auf den Anodenboden (9) gerichteten Kühlmittelaustrittsdüse (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel gleichsam als Antrieb für den Anodentopf (4) verwendet ist.

2. Hochleistungsröntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Anodenboden (9) ein oder mehrere Leitkörper (10) angeordnet sind auf die zumindest eine Kühlmittelaustrittsdüse (11, 12) gerichtet ist, wobei die Anordnung und/oder Steuerung des Kühlmittelflusses für diese Kühlmittelaustrittsdüse (11, 12) so getroffen ist, dass die oszillierende Bewegung des Anodentopfes (4) erzielt wird.

3. Hochleistungsröntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitkörper (10) aus einzelnen Leitelementen (L1. . .Ln) bestehen, die entsprechend einer den Bewegungsablauf definierenden Ausbildung am Anodenboden (4) angeordnet sind.

4. Hochleistungsröntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (L1. . .Ln) durch Ausprägungen im Anodentopf (4) gebildet sind.

5. Hochleistungsröntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (L1. . .Ln) auf den Anodenboden (4) aufgeschweißt sind.

6. Hochleistungsröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (11, 12) vorgesehen sind, deren Kühlmittelstrom über eine Steuereinheit (17) alternierend gesteuert wird.

7. Hochleistungsröntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Leitkörper (10) eine durchgehende, vorzugsweise spiralförmig ausgebildete Kurvenbahn (19) vorgesehen ist.

8. Hochleistungsröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Peripherie des Anodentopfes (4) und korrespondierend dazu am Vakuumgehäuse (1) Abstandssensoren (20) angeordnet sind, welche die jeweilige Position der Anode (3) in Relation zum Vakuumgehäuse (1) erfassen und einer Steuereinheit (17) zuführen, in der die Signale mit vorgegebenen, dem Bewegungsablauf definierenden Werten verglichen werden und welche danach den Sprühdruck und/oder die Sprühzeit des auf die Leitkörper (10) wirkenden Kühlmittels bestimmen.

9. Hochleistungsröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodentopf (4) zum Anodenboden (9) hin konisch erweiternd ausgebildet ist.

10. Hochleistungsröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Antriebsdüsen (11, 12) eine auf das Zentrum des Anodenbodens (9) gerichtete weitere Düse (18) vorgesehen ist, die ausschließlich der Zufuhr des Kühlmittels auf den Anodenboden (9) oder der Ableitung des Kühlmittels vom Anodenboden dient.