DE19502752C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines umlaufenden Röntgenstrahls zur schnellen Computertomographie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines umlaufenden Röntgenstrahls für die schnelle Computertomographie mit einem Strahlführungskanal, der in einer Ebene über einen Polarwinkel verläuft, mit Füh­ rungsfelderzeugungsmitteln, die im Strahlführungskanal ein senkrecht zu der Ebene verlaufendes, axiales Magnetfeld er­ zeugen, dessen Stärke entlang des Strahlführungskanals so zunimmt, daß ein Elektronenstrahl mit vorgegebener Energie im wesentlichen mittig im Strahlführungskanal geführt wird, Ejektionsfelderzeugungsmitteln, mit denen in einem auswähl­ baren Bereich in Φ-Richtung des Strahlführungskanales ein radiales, im wesentlichen in der Ebene verlaufendes Magnet­ feld derart erzeugbar ist, daß ein im Strahlführungskanal laufender Elektronenstrahl aus der Ebene abgelenkt und in Φ- Richtung fokussiert auf eine im wesentlichen ringförmige, zum Strahlführungskanal konzentrische Anodenanordnung ge­ richtet wird, an der am Auftreffort des Elektronenstrahls Röntgenstrahlen erzeugt werden, und mit Steuermitteln, die die Ejektionsfelderzeugungsmittel so steuern, daß der aus­ wählbare Bereich, in dem das radiale Magnetfeld erzeugt wird, in Φ-Richtung entlang des Strahlführungskanals um­ läuft.

In den ursprünglichen Computertomographie-Apparaten wurden bewegliche Röntgenquellen und -detektoren verwendet, welche verschwenkbar um das Untersuchungsgebiet angebracht waren, um sukzessive um das Untersuchungsgebiet zu schwenken und so eine Abtastung von aufeinanderfolgenden Beobachtungswinkeln im Polarwinkel in der Schwenkebene zu erhalten. Derartige Apparate waren wegen der mechanischen Verstellungen, die allein für einen Umlauf notwendig waren, relativ langsam. Dies ist einerseits nachteilig, da die Aufnahmezeit bei Patienten, bei denen eine größere Anzahl aufeinanderfolgen­ der Schnitte aufgenommen werden sollte, unangenehm lang wa­ ren.

Des weiteren besteht ein Bedürfnis nach schnelleren Abtast­ zeiten, da auch Bewegungsabläufe computertomographisch abge­ bildet werden sollen. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Abtastzeiten kleiner als die typische Zeiteinheit der Be­ wegung ist, die erfaßt werden soll.

Eine Beschleunigung der Aufnahme von tomographischen Bildern wurde bereits mit der sogenannten Elektronenstrahltomogra­ phie (Electron beam tomography) erreicht. Bei diesen Appara­ ten wird auf eine mechanische Verschwenkung von Strahlungs­ quellen und Detektoren verzichtet. Eine bekannte Vorrichtung weist eine Elektronenquelle, welche einen horizontal verlau­ fenden Elektronenstrahl vorgegebener Energie erzeugt, und eine steuerbare Ablenkeinrichtung auf, die den Elektronen­ strahl sukzessive auf aufeinanderfolgende Punkte auf eine halbringförmige Anode lenkt, die unterhalb des Unter­ suchungstisches angeordnet ist. Dem Anodenhalbring gegen­ überliegend ist ein Detektorhalbring angeordnet. Der Elek­ tronenstrahl wird durch die elektromagnetische Ablenkein­ richung über den Anodenhalbring geführt und so aufeinander­ folgende Aufnahmen über einen Polarwinkelbereich von Φ mit dem Detektorhalbring aufgenommen.

Aus der GB 2 044 985 A ist eine Röntgeneinrichtung zur Erzeu­ gung eines umlaufenden Röntgenstrahles bekannt, die einen Strahlführungskanal, Führungsfelderzeugungsmittel, Ejek­ tionsfelderzeugungsmittel und Steuerungsmittel aufweist, so daß ein im Strahlführungskanal laufender Elektronenstrahl auf eine zum Strahlführungskanal konzentrische Anodenanord­ nung auslenkbar ist. Da der Elektronenstrahl in Umfangsrich­ tung des Strahlführungskanales in den Strahlführungskanal eingelenkt wird, ist eine Strahlenerzeugung über einen Polarwinkel von 2π nicht möglich. Um eine Strahlenerzeugung über einen Polarwinkel von zumindest annähernd 2π zu ermög­ lichen, ist gemäß der nachveröffentlichten DE 44 09 365 C1 vorgeschlagen, den Elektronenstrahl in einer Richtung senk­ recht zum Umfang des Strahlführungskanals in diesen einzu­ lenken. Es ergibt sich somit ein größerer Abtastbereich gegenüber der GB 2 044 985 A.

Aus der DE 42 10 339 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines umlaufenden Röntgenstrahles nach dem Gegenstand des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 bekannt.

Da beim Gegenstand des Standes der Technik ein Polarwinkel von wenigstens 2π nicht erreicht werden kann, ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines umlau­ fenden Röntgenstrahles zur schnellen Computertomographie so auszugestalten, daß dieser wenigstens erreicht wird, sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Ausführungs­ formen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Elektronen­ strahl vorgegebener Energie erzeugt, der durch eine Strahl­ führung mit einem axialen Magnetfeld auf einer Spiralbahn in einer Ebene geführt wird und dabei wenigstens einen Polar­ winkel von 2π durchlaufen kann. Entlang der spiralförmigen Strahlführung wird an einem auswählbaren Ort ein radiales, in der Ebene der Spiralbahn verlaufendes Magnetfeld erzeugt, das den in der Strahlführung laufenden Elektronenstrahl senkrecht aus der Ebene ablenkt und in Φ-Richtung fokussiert auf eine im wesentlichen ringförmige, zur Spiralbahn konzen­ trische Anodenanordnung richtet, die am Auftreffort des Elektronenstrahls Röntgenstrahlen erzeugt, wobei Blenden ein auf das Zentrum der im wesentlichen ringförmigen Anodenanordnung gerichtetes Strahlenbündel selektieren. An­ schließend wird der Ort, an dem das radiale Magnetfeld erzeugt wird entlang der Spiralbahn verschoben, so daß entsprechend der Ort, an dem der Elektronenstrahl aus der Spiralbahn abgelenkt wird, und entsprechend auch der Ort, an dem der abgelenkte Elek­ tronenstrahl auf die Anodenanordnung auftritt, variiert werden. Durch umlaufende Abtastung des Ablenkortes, d. h. durch umlau­ fende Abtastung des Ortes des radialen Magnetfelds entlang der Spiralbahn, wandert der Auftreffort des abgelenkten Elektronen­ strahls entsprechend abtastend über den Polarwinkel ϕ in der im wesentlichen ringförmigen Anodenanordnung. Dadurch wandert der Auftreffort des Elektronenstrahls über die im wesentlichen ring­ förmige Anodenanordnung, und das selektierte Strahlenbündel läuft somit entsprechend auf das Zentrum gerichtet über den Polarwinkel der Anodenanordnung kreisend um.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Strahlführungskanal auf, der spiralförmig in einer Ebene über einen Polarwinkel ϕ von wenigstens 2π verläuft. Es sind Führungsfelderzeugungsmit­ tel vorgesehen, die im Strahlführungskanal ein senkrecht zu der Ebene verlaufendes, axiales Magnetfeld erzeugen. Die Stärke des axialen Magnetfelds nimmt entlang des spiralförmigen Strahlfüh­ rungskanals so zu, daß ein Elektronenstrahl von vorgegebener Energie entlang der Spiralbahn, im wesentlichen mittig im Strahlführungskanal geführt wird. Ferner sind Ejektionsfelder­ zeugungsmittel vorhanden, mit denen in einem hinsichtlich der ϕ- Position auswählbarem Bereich des Strahlführungskanals ein ra­ diales, im wesentlichen in der Spiralebene verlaufendes Magnet­ feld erzeugbar ist, das einen im Strahlführungskanal laufenden Elektronenstrahl aus der Ebene ablenkt und in ϕ-Richtung fokus­ siert auf eine im wesentlichen ringförmige, zum Strahlführungs­ kanal konzentrische Anodenanordnung richtet, die am Auftreffort des Elektronenstrahls Röntgenstrahlen erzeugt. Die Ejektions­ felderzeugungsmittel werden von Steuermitteln so gesteuert, daß die ϕ-Position des vorgegebenen Bereichs, in dem das radiale Magnetfeld erzeugt wird, entlang der Spiralbahn abtastend ver­ schoben wird. Entsprechend der sich entlang der Spiralbahn ver­ schiebenden Ablenkung des Elektronenstrahls verschiebt sich der Auftreffort des abgelenkten Elektronenstrahls auf der im wesent­ lichen ringförmigen Anodenanordnung, so daß der Quellpunkt der Röntgenstrahlung umlaufend um die im wesentlichen ringförmige Anodenanordnung verschoben wird, so daß das ausgewählte Strah­ lenbündel das Zentrum der Anodenanordnung umlaufend von allen Seiten bestrahlt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind sehr schnelle Abtastungen mit einem Röntgen­ strahl über einen Polarwinkel von 2π möglich, wobei auf jegliche mechanische Verschiebungen verzichtet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Führungsfeld­ erzeugungsmittel zwei spiralförmig angeordnete Metallbleche, welche den Strahlführungskanal zwischen sich einschließen, und an den Metallblechen in ϕ-Richtung umlaufende Leiterwicklungen auf, wobei die an dem inneren spiralförmigen Metallblech und die an dem äußeren Metallblech angeordneten Leiterwicklungen mit entgegengesetzten elektrischen Strömen versorgbar sind, um so ein axiales Magnetfeld zwischen den Metallblechen im Strahlfüh­ rungskanal zu erzeugen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Stärke des Magnetfelds entlang der Spiralbahn von außen nach innen dadurch erhöht, daß die Höhe der Metallbleche entlang eines Umlaufs auf der Spirale von außen nach innen abnimmt, so daß das axiale Magnetfeld bei konstanten Strömen in den Leiterwicklungen von außen nach innen zunimmt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Leiter­ wicklungen so ausgelegt, daß an dem inneren Metallblech eine höhere Strombelegungsdichte als an dem äußeren vorliegt, wodurch das axiale Magnetfeld in radialer Richtung von innen nach außen abnimmt. Dieser radiale Feldgradient bewirkt, nach dem Prinzip der schwachen Fokussierung, eine Fokussierung des umlaufenden Elektronenstrahls.

In einer alternativen Ausführungsform wird eine Aufweitung des Elektronenstrahls mittels einer Solenoidspule entgegengewirkt, die der Spiralform des Strahlführungskanals folgend und in die­ sen hineinreichend angeordnet ist, um ein Magnetfeld in ϕ-Rich­ tung zu erzeugen. Die Solenoidspule ragt über den Strahlfüh­ rungskanal hinaus und umschließt auch die Anodenanordnung. Da­ durch wird bewirkt, daß der abgelenkte Elektronenstrahl nicht die Solenoidspule durchdringen muß, um die Anodenanordnung zu erreichen, was eine erhebliche Störung des Strahls und eine nicht handhabbare Aufheizung der Solenoidspule zur Folge hätte. Statt dessen erreicht der abgelenkte Elektronenstrahl ungestört die Anode, und der an der Auftreffstelle an der Anode erzeugte Röntgenstrahl muß die Solenoidspule durchdringen, um auf das Zentrum der Anodenanordnung zu fallen. Da die Röntgenstrahlen jedoch nur noch einen Bruchteil der Energie des Elektronen­ strahls enthalten und aufgrund des kleineren Wirkungsquer­ schnitts von Röntgenstrahlen im Material der Solenoidspule, ist diese Anordnung zu bevorzugen.

Für die Anodenanordnung bestehen grundsätzlich zwei alternative Ausführungsformen. Die Anodenanordnung kann sich mit der Spiral­ form des Strahlführungskanals decken und oberhalb dessen und konzentrisch zu diesem angeordnet sein. In diesem Fall bildet die Anodenanordnung eine streifenförmige Metalloberfläche, die spiralförmig wie der Strahlführungskanal oberhalb davon angeord­ net ist. In diesem Fall muß der Elektronenstrahl nach oben abge­ lenkt werden, um auf den Metallstreifen der Anodenanordnung zu treffen. Die im wesentlichen ringförmige Anode ist in diesem Fall nicht geschlossen, sondern weist an einem Punkt ihres Um­ fangs einen Sprung auf. In einer alternativen Ausführungsform kann die Anodenanordnung als geschlossener Kreisring ausgebildet werden, wobei dann allerdings Korrekturfelder notwendig sind, um dafür zu sorgen, daß der von einem bestimmten Ort aus dem spi­ ralförmigen Strahlführungskanal abgelenkte Elektronenstrahl auf die kreisringförmige Anodenfläche trifft. Dies kann beispiels­ weise durch Korrekturfelder bewirkt werden, die zwischen Strahl­ führungskanal und Anodenanordnung erzeugt werden.

In jedem Fall ist die streifenförmige Metalloberfläche der Ano­ denanordnung vorzugsweise leicht gegen die Ebene der im wesent­ lichen ringförmigen Anodenanordnung geneigt, so daß die Metall­ oberfläche aus Sicht des Zentrums der Anodenanordnung eine sehr kleine effektive Ausdehnung senkrecht zur Ebene der Anodenanord­ nung hat. Dadurch wird eine sehr kleine Quellengröße des Rönt­ genstrahls in dieser Ausdehnung erreicht. Durch Blenden wird ein auf das Zentrum der Anodenanordnung gerichteter Strahl selek­ tiert, der aber leicht gegen die Ebene der Anodenanordnung ge­ neigt ist, damit er einen benachbart dem Anodenring angeordneten Detektorring erreicht.

Die Ejektionsfelder zum Auslenken des Elektronenstrahls werden vorzugsweise dadurch erzeugt, daß zu beiden Seiten des Strahl­ führungskanals über dessen gesamte Länge eine Vielzahl von Lei­ terwindungen angeordnet sind, z. B. indem diese um die Metall­ bleche gewickelt sind, so daß die Flächennormale jeder Windung im wesentlichen in ϕ-Richtung verläuft. Die Leiterwindungen sind einzeln und selektiv mit Strom versorgbar, beispielsweise indem an jeder Leiterwindung ein Transistor angeschlossen ist. Auf einer Seite des Strahlführungskanals wird eine oder mehrere benachbarte Leiterwindung mit Strom versorgt, während die ent­ sprechenden Leiterwindungen gegenüberliegend, auf der anderen Seite des Strahlführungskanals mit einem Strom entgegengesetzer Richtung versorgt werden, wodurch ein radiales Magnetfeld im Strahlführungskanal erzeugt wird. Werden mehrere in ϕ-Richtung aufeinanderfolgende Leiterwindungen mit Strom versorgt, steigt das radiale Magnetfeld im Bereich dieser Leiterwindungen linear an. Die ϕ-Position des radialen Magnetfelds wird von Steuerungs­ mitteln entlang der Spiralbahn verschoben, indem die Einspei­ sungs- und Abnahmepunkte an den Leiterwindungen weitergeschaltet werden, so daß das radiale Magnetfeld entlang der Spiralbahn umläuft, und entsprechend der Punkt, an den der Elektronenstrahl aus der Spiralebene abgelenkt wird, umläuft.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Bahn eines Elektro­ nenstrahls im Strahlführungskanal ist;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des Strahlführungs­ kanals ist;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Strahlfüh­ rungskanals ist;

Fig. 4a eine schematische seitliche Ansicht innerhalb des Strahlführungskanals ist;

Fig. 4b ein Querschnitt in der R-Z-Ebene des Strahlführungs­ kanals aus Fig. 4a ist;

Fig. 5a eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Aus­ führungsform des Strahlführungskanals ist;

Fig. 5b eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausfüh­ rungsform von Strahlführungskanal und Anodenanordnung ist;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht des Strahlführungskanals in dem Bereich ist, wo Anfangs- und Endbereich des spiral­ förmigen Strahlführungskanals sich überlappen; und

Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Strahlführungskanals einer Ausführungsform ist, bei der der Elektronenstrahl durch ein longitudinales Solenoidfeld fokussiert wird.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Spiralbahn gezeigt, auf der ein Elektronenstrahl e durch den Strahlfüh­ rungskanal geführt wird. Am Eintrittspunkt in den Strahlfüh­ rungskanal beträgt der Anfangsradius der Spiralbahn R + W, der sich entlang der Bahn nach einem Umlauf auf R - W reduziert, wobei typische Werte für R 0,5 bis 1 m und für W etwa 2,5 cm sind. Die Energie der Elektronen kann z. B. 110 KeV betragen, und die Stromstärke des Strahls 1 A. Der Elektronenstrahl e wird durch das im Strahlführungskanal herrschende axiale Magnetfeld B_z auf der gezeigten Spiralbahn geführt.

Das axiale Magnetfeld B_z wird in dem Strahlführungskanal, der von auf beiden Seiten der Spiralbahn folgenden Eisenblechen 2, 4 eingeschlossen wird, durch in ϕ-Richtung umlaufende Leiterwick­ lungen 1, 3 erzeugt. Die jeweils an der Innenseite der Eisen­ bleche 2, 4 umlaufenden Leiterwicklungen 1 bzw. 3 werden mit entgegengesetzt gerichteten Strömen versorgt, so daß zwischen den Eisenblechen 2, 4 ein axiales Magnetfeld B_z erzeugt wird, dessen Verlauf in Fig. 2 unten schematisch dargestellt ist. Durch unterschiedliche Strombelegungsdichten an dem innenliegen­ den Eisenblech 4 und dem außenliegenden Eisenblech 2 ist das erzeugte Magnetfeld nicht konstant, sondern nimmt, wie in Fig. 2 unten angedeutet, in radialer Richtung ab. Dieser Feldgradient wirkt nach dem Prinzip der schwachen Fokussierung einer Aufwei­ tung des Elektronenstrahls e entgegen. Die erwähnten unter­ schiedlichen Strombelegungsdichten auf dem Innen- und Außenblech können z. B. dadurch erzeugt werden, daß, wie in der Darstellung von Fig. 2, das äußere Eisenblech 2 eine größere Höhe hat, so daß bei gleicher Leiterwindungsanzahl eine geringere Stromdichte resultiert.

Um den Elektronenstrahl e auf der Spiralbahn zu führen, muß das axiale Führungsfeld B_z entlang der Spiralbahn zunehmen. Dies kann z. B. dadurch bewirkt werden, daß sich die Höhe der Metallbleche 2, 4 entlang der Spiralbahn allmählich verringert, so daß eine entsprechende Erhöhung der Strombelegungsdichte und eine ent­ sprechende Erhöhung des axialen Führungsfeldes B_z resultiert.

Um den Elektronenstrahl e an beliebigem Ort in ϕ-Richtung aus der Spiral­ ebene nach oben auslenken zu können, sind Ejektionsfelderzeu­ gungsmittel vorhanden, die schematisch in Fig. 3 dargestellt sind. Gezeigt ist ein Ausschnitt des Strahlführungskanals, bei dem die Eisenbleche 2, 4 zu beiden Seiten des Strahlführungs­ kanals mit Stromwindungen 10, 12 versehen sind. Die Ebenen der Stromwindungen 10, 12 stehen im wesentlichen senkrecht auf der Spiralebene. Die Stromwindungen 10, 12 sind lokal betreibbar, so daß ein in ϕ-Richtung sehr kleiner Bereich von Stromwindungen 10, 12, im Extremfall eine einzelne Stromwindung, selektiv mit Strom versorgt werden kann. In dem dargestellten Beispiel wird bei einer bestimmten ϕ-Position in die Stromwindungen 10 bzw. 12 ein Strom i bzw. -i eingespeist, und einige Stromwindungen wei­ ter in ϕ-Richtungen ein entgegengesetzer Strom -i bzw. i einge­ speist, so daß nur über diese eingeschlossenen Stromwindungen ein Strom fließt und in den anderen Stromwindungen außerhalb nicht. Diese gegenüberliegenden Stromwindungen 10, 12 mit ent­ gegengesetzten Stromflüssen erzeugen ein Magnetfeld B_r, das im wesentlichen in radialer Richtung zur Spiralebene verläuft und dessen Amplitudenverlauf schematisch unten in Fig. 3 darge­ stellt ist. Das radiale Magnetfeld B_r steigt im Bereich der mit Strom versorgten Stromwindungen linear an. Zur Vermeidung eines größeren Magnetflusses in den Eisenblechen in ϕ-Richtung ist es bevorzugt, daß an einer entfernten Stelle auf dem Umfang ein radiales Magnetfeld B_r mit entgegengesetzter Polarität erzeugt wird, das in Fig. 3 durch eine entgegengesetzte Stromeinspei­ sung an entfernter Position auf dem Umfang erzeugt wird.

Die Wirkungsweise des wie in Fig. 3 dargestellt erzeugten Ejek­ tionsfeldes ist in Fig. 4a illustriert. Am Ort des radialen Feldes B_r wird der Elektronenstrahl e aus der Spiralebene, auf einer sehr kurzen Strecke in ϕ-Richtung, in Z-Richtung abge­ lenkt. Um eine solche Ablenkung zu erreichen, ist die Amplitude des radialen Magnetfelds typischerweise deutlich größer als die des axialen Magnetfelds, z. B. beträgt das axiale Magnetfeld B_z 30 G, während das radiale Ejektionsfeld B_r 110 G beträgt. Beim Austritt aus dem B_r-Feld wird der Strahl e' in ϕ-Richtung fokus­ siert (Kantenfokussierung) und auf die Anode gelenkt. Die Me­ talloberfläche der Anodenanordnung 30, auf die der Elektronen­ strahl e' gelenkt wird, ist leicht gegen die Ebene der Anode geneigt, so daß die Metalloberfläche 30 aus Sicht vom Zentrum der im wesentlichen ringförmigen Anodenanordnung aus eine sehr kleine Z-Ausdehnung hat. Auf diese Weise ist die Quellgröße der Röntgenstrahlung durch einerseits geringe Ausdehnung in Z-Rich­ tung und andererseits durch gute Fokussierung des Elektronen­ strahls e' in ϕ-Richtung sehr gut definiert.

Durch Verschieben des Gebiets von Stromwindungen, in die wie in Fig. 3 dargestellt Strom eingespeist wird, entlang der Spiral­ bahn wird der Punkt der Ablenkung des Elektronenstrahls e in ϕ- Richtung variiert. Entsprechend variiert der Auftreffort des abgelenkten Elektronenstrahl e' auf der Metalloberfläche der Anode und entsprechend auch der Ursprungsort der Röntgenstrah­ lung in ϕ-Richtung. Der Windungsabstand der Stromwindungen 10, 12 kann weniger als 1 mm betragen, so daß der Brennfleck auf der Anode mit einer entsprechenden Genauigkeit in ϕ-Richtung ver­ schoben werden kann. Zur lokalen Stromversorgung der Stromwin­ dungen 10, 12 muß grundsätzlich jede Stromwindung 10, 12 mit einer steuerbaren Einrichtung zur Einspeisung von Strom versehen sein, was z. B. durch Transistoren bewerkstelligt werden kann.

Für die Gestaltung der Anodenanordnung ergeben sich grundsätz­ lich zwei Möglichkeiten. Einerseits kann die streifenförmige Metalloberfläche der Anode 30 der Spiralform des Strahlführungs­ kanals folgen. Die streifenförmige Metalloberfläche 30 hat dann Spiralform und springt an dem entsprechend an einem Punkt ihres Umfangs um den Betrag 2 W, was aber bei typischen Abmessungen weniger als 10% des Radius ausmacht.

In einer alternativen Ausführungsform wird eine Anode 30 mit kreisringförmiger Metalloberfläche verwendet. Um in diesem Fall für jeden Auslenkungsort des Elektronenstrahls e entlang der spiralförmigen Elektronenbahn sicherzustellen, daß der abgelenk­ te Elektronenstrahl e' auf den Anodenring trifft, ist eine abhängige radiale Strahlablenkung notwendig. Dies kann z. B. durch Korrekturfelder erreicht werden, die durch speziell ge­ staltete Stromwindungen 11, 13 entlang der Spiralbahn vorgesehen werden können, wie in Fig. 5b dargestellt ist. Alternativ kann die Neigung der in Fig. 3 gezeigten Stromwindungen 10, 12 ϕ- abhängig variiert werden, um die notwendige Korrektur zu errei­ chen, wie in Fig. 5a dargestellt. Das Ergebnis solcher Korrek­ turen ist schematisch in Fig. 6 gezeigt, wo der Strahlführungs­ kanal im Querschnitt im Überlappungsbereich von Anfangs- und Endbereich dargestellt ist, wobei der Anfangsbereich des Strahl­ führungskanal bei einem Radius R + W und der Endbereich bei einem Radius R - W liegt und die ringförmige Anode einen Radius von R hat. Die Korrekturfelderzeugungsmittel 10', 12' oder 11, 13 sorgen dafür, daß der abgelenkte Elektronenstrahl e' in jedem Fall auf den Anodenring fällt.

Bei einem nichtrelativistischen Teilchenstrahl entstehen bei hohem Strahlstrom axial und radial defokussierende Raumladungs­ effekte. Diese werden umso größer, je kleiner der Strahlquer­ schnitt ist. Die hier zunächst beschriebene schwache Fokussie­ rung kompensiert die Raumladungseffekte bei einem Strahlstrom von 1 A, einer Strahlenergie von 140 KeV und einem runden Strahlquerschnitt mit einem Radius von 1 cm. Bei kleinerer Ener­ gie oder kleinerem Strahlquerschnitt müßte der Strom reduziert werden.

Die soeben beschriebenen Raumladungseffekte treten in voller Stärke nur bei perfektem Vakuum oder bei künstlicher Ionenabsau­ gung auf. In der hier beschriebenen Vorrichtung wird es aufgrund der elektrischen Raumladungsfelder des Strahls zusammen mit dem magnetischen Führungsfeld keine signifikanten Ioneneffekte ge­ ben. Falls das doch der Fall sein sollte, wäre eine Ionenakkumu­ lation leicht durch zusätzliche radiale elektrische Felder ver­ meidbar.

Die bisher beschriebene Vorrichtung ist wegen der Raumladungs­ effekte des umlaufenden Elektronenstrahls und der in ihrer Wir­ kung begrenzten schwachen Fokussierung strombegrenzt, wie oben angedeutet.

Diese Begrenzung fällt weitgehend weg, wenn für die Strahlfokus­ sierung des Elektronenstrahls nicht ein schwaches Gradientenfeld (siehe Fig. 2) sondern ein longitudinales Solenoidfeld verwen­ det wird. Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung, bei der der Elektronenstrahl e durch ein longitudinales Solenoidfeld fokussiert wird, ist in Fig. 7 gezeigt. Zwischen den Eisenblechen 2, 4 des Strahlführungskanals ist ein der Spi­ ralbahn folgender Solenoid 40 angeordnet, in dessen Querschnitt sowohl der Elektronenstrahl e als auch die Anode angeordnet sind. Dadurch, daß die Anode ebenfalls innerhalb des Solenoids 40 liegt, entfällt das Problem, den Elektronenstrahl e' durch die Windungen des Solenoids zu extrahieren. Statt dessen muß die auf der Metalloberfläche der Anode erzeugte Röntgenstrahlung die sehr dünnen Drähte des Solenoids passieren, was zu einer akzep­ tablen thermischen Belastung der Drähte führt.

Bei der in Fig. 7 vorgesehenen Ausführungsform kann das Ejek­ tionsfeld wiederum wie in den Fig. 3, 4a und 4b dargestellt erzeugt werden. Andererseits kann anstelle des in Fig. 2 gezeig­ ten radial veränderlichen Führungsfeldes B_z ein konstantes Ma­ gnetfeld verwendet werden, da die schwache Fokussierung nicht mehr erforderlich ist.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines umlaufenden Röntgen­ strahls zur schnellen Computertomographie, mit:
einem Strahlführungskanal, der in einer Ebene über einen Polarwinkel verläuft,
Führungsfelderzeugungsmitteln (1, 2, 3, 4), die im Strahlfüh­ rungskanal ein senkrecht zu der Ebene verlaufendes, axiales Magnetfeld (B_z) erzeugen, dessen Stärke entlang des Strahl­ führungskanals so zunimmt, daß ein Elektronenstrahl (e) mit vorgegebener Energie im wesentlichen mittig im Strahlfüh­ rungskanal geführt wird,
Ejektionsfelderzeugungsmitteln (10, 12), mit denen in einem auswählbaren Bereich in Φ-Richtung des Strahlführungskanals ein radiales, im wesentlichen in der Ebene verlaufendes Magnetfeld (B_r) derart erzeugbar ist, daß der im Strahlfüh­ rungskanal laufende Elektronenstrahl (e) aus der Ebene abge­ lenkt und in Φ-Richtung fokussiert auf eine im wesentlichen ringförmige, zum Strahlführungskanal konzentrische Anodenan­ ordnung (30) gerichtet wird, an der am Auftreffort des abgelenkten Elek­ tronenstrahls (e') Röntgenstrahlen erzeugt werden, und Steuerungsmitteln, die die Ejektionsfelderzeugungsmittel so steuern, daß der auswählbare Bereich, in dem das radiale Magnetfeld erzeugt wird, in Φ-Richtung entlang des Strahl­ führungskanals umläuft, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlführungskanal spiralförmig in der Ebene über einen Polarwinkel von wenig­ stens 2π verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Führungsfelderzeu­ gungsmittel zwei senkrecht zur Spiralebene stehende, in ϕ- Richtung spiralförmig verlaufende Metallbleche (2, 4), wel­ che den Strahlführungskanal zwischen sich einschließen, und an den Metallblechen (2, 4) in ϕ-Richtung verlaufende Lei­ terwicklungen (1, 3) aufweisen, wobei die an dem inneren spiralförmigen Metallblech (4) und die an dem äußeren Me­ tallblech (2) angeordneten Leiterwicklungen mit entgegen­ gesetzten elektrischen Strömen versorgbar sind, um so daß axiale Magnetfeld (B_z) im Strahlführungskanal zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Höhe der Metallbleche (2, 4) entlang eines Umlaufs auf der Spirale von außen nach innen abnimmt, so daß die Stärke des axialen Magnetfelds (B_z) bei konstanten Strömen in den Leiterwicklungen (1, 3) von außen nach innen entlang der Spirale zunimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die in ϕ-Richtung verlaufenden Leiterwicklungen (1, 3) so ausgelegt sind, daß an dem inneren Metallblech (4) eine höhere Strombelegungs­ dichte als an dem äußeren Metallblech (2) vorliegt, wodurch das axiale Magnetfeld (B_z) in radialer Richtung von innen nach außen im Strahlführungskanal abnimmt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine in den Strahlführungskanal hineinreichende Solenoidspule (40) vorgesehen ist, die in ϕ-Richtung spiralförmig dem Strahl­ führungskanal folgt, um einen Elektronenstrahl (e) im Inne­ ren der Solenoidspule (40) im Strahlführungskanal zu fokus­ sieren, wobei die Anodenanordnung (30) innerhalb der Soleno­ idspule (40) liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anodenanordnung (30) eine streifenförmige Metallober­ fläche aufweist, die der Spiralform des Strahlführungskanals folgend oberhalb des und konzentrisch mit dem Strahlfüh­ rungskanals angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anodenanordnung (30) eine kreisringförmige Metalloberfläche aufweist, deren Durchmesser etwa dem mittleren Durchmesser des spiralförmigen Strahlführungskanals entspricht und die zu diesem konzentrisch und oberhalb angeordnet ist, wobei Korrekturfelderzeugungsmittel (11, 13) vorgesehen sind, um den axial aus dem Strahlführungskanal ausgelenkten Elek­ tronenstrahl (e') auf die Metalloberfläche der Anodenanordnung (30) zu richten.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Metalloberfläche der Anodenanordnung (30) gegen die Ebene der Anodenanordnung 30 ge­ neigt ist, so daß die Metalloberfläche vom Zentrum der Ano­ denanordnung (30) aussichtbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ejektionsfelderzeugungsmittel beidseitig des Strahlfüh­ rungskanals über dessen ganze Länge eine Vielzahl von Lei­ terwindungen (10, 12), welche jeweils so angeordnet sind, daß ihre Flächennormale im wesentlichen in ϕ-Richtung ver­ läuft, und Mittel aufweisen, um Leiterwindungen (10, 12) in ϕ-Richtung selektiv mit Strom zu versorgen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Leiterwindungen (10, 12) der Ejektionsfelderzeugungsmittel um die Metallbleche (2, 4) gewickelt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei an jede Leiter­ windung (10, 12) ein Transistor angeschlossen ist, um jede Leiterwindung selektiv mit Strom versorgbar zu machen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Ejektionsfelderzeu­ gungsmittel beidseitig des Strahlführungskanals über dessen ganze Länge eine Vielzahl von Leiterwindungen (10, 12), welche jeweils so angeordnet sind, daß ihre Flächennormale gegen die Spiralebene so geneigt ist, um gleichzeitig als Korrekturfelderzeugungsmittel zu dienen, um den axial aus dem Strahlführungskanal ausgelenkten Elektronenstrahl (e') auf die Metalloberfläche der Anodenanord­ nung (30) zu richten, und Mittel aufweisen, um die Leiter­ windungen (10, 12) in ϕ-Richtung selektiv mit Strom zu ver­ sorgen.

13. Verfahren zur Erzeugung eines auf ein Zentrum gerichteten und über einen Polarwinkel von 2π umlaufenden Röntgen­ strahls für die Computertomographie, mit den Schritten:
Erzeugen eines Elektronenstrahls (e) mit vorgegebener Ener­ gie,
Injizieren des Elektronenstrahls (e) in eine Strahlführung, die den Elektronenstrahl mittels eines axialen Magnetfeldes (B_z) auf einer Spiralbahn führt,
Ablenken des Elektronenstrahls (e) aus der Ebene an einem in ϕ- Richtung ausgewählten Ort auf eine oberhalb der Strahlfüh­ rung angeordnete, im wesentlichen ringförmige Anodenanord­ nung (30), so daß vom Auftreffort des abgelenkten Elektronenstrahls (e') aus auf das Zentrum der Anoden­ anordnung (30) gerichtete Röntgenstrahlen erzeugt werden,
Variieren des ausgewählten Ortes, an dem der Elektronen­ strahl (e) aus der Ebene abgelenkt wird, entlang der Spiralbahn, so daß der Auftreffort des abgelenkten Elektronenstrahls (e') auf der Anodenanordnung (30) entsprechend variiert.