DE19542438C1

DE19542438C1 - Röntgenröhre

Info

Publication number: DE19542438C1
Application number: DE19542438A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Rer Nat Schardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-11-14
Filing date: 1995-11-14
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2015-11-15
Also published as: US5689541A; JPH09167586A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Röntgenröhre ist in der US 3 500 097 beschrieben.

Bei dieser Röntgenröhre kann es im Falle eines zu großen Elektronenflusses von rückgestreuten Elektronen zum Strahlen austrittsfenster zur Zerstörung des Strahlenaustrittsfensters kommen. Zwar kann bei niedriger Leistung das elektrisch leitende, auf Massepotential liegende Strahlenaustrittsfen ster, welches gegenüber dem Vakuumgehäuse elektrisch nicht isoliert ist, die rückgestreuten Elektronen abführen. Grenzen sind jedoch durch die Leistungsdichten gegeben, die beim Ab bremsen der Elektronen entstehen. Die entsprechende Verlust wärme nämlich muß ebenfalls vom Strahlenaustrittsfenster ab geführt werden und kann zum Durchschmelzen des Strahlenaus trittsfensters führen.

Bei höheren Leistungen kann durch Ablenkung mit Magneten der Auftreffort der rückgestreuten Elektronen vom Strahlenaus trittsfenster auf andere Teile des Vakuumgehäuses verlagert werden. Dies bedingt jedoch, daß Magnete im Inneren des Vakuumgehäuses angebracht werden müssen, was an sich schon wegen der Gefahr der Beeinflussung der Primärelektronen unerwünscht ist, da die Magnete dicht beim Anodenteller ange bracht sein müssen.

Weiter besteht in aus der DE 31 07 949 A1 bekannter Weise die Möglichkeit, eine auf einem Potential zwischen Anoden- und Kathodenpotential liegende Blende aus Kupfer vorzusehen, die gegenüber dem auf einem gegenüber Kathodenpotential positivem Potential liegenden Vakuumgehäuse elektrisch isoliert ist, um rückgestreute Elektronen von dem Strahlenaustrittsfenster fernzuhalten.

Außerdem ist aus der DE 42 09 377 A1 eine Röntgenröhre bekannt, die ein eine Kathode und eine Anode aufnehmendes Vakuumgehäuse aufweist, welches mit einem auf Massepotential liegenden Strahlenaustrittsfenster versehen ist.

Besonders problematisch sind übrigens Röntgenröhren, bei denen zur Erhöhung der Röntgenleistung oder zur Reduzierung der Anodenbelastung der Elektronenstrahl flach (z. B. Winkel zwischen Anodenoberfläche und Elektronenstrahl 10°) auf die Anode geschossen wird, so wie die z. B. in der US 5 128 977 beschrieben ist, da dann der Anteil der von der Anode zurück gestreuten Elektronen sehr hoch ist (80%) und außerdem die erzeugten Röntgenstrahlen und die rückgestreuten Elektronen in dasselbe Raumwinkelelement emittiert werden. Die thermische Belastung des Strahlenaustrittsfensters ist somit besonders hoch, so daß die von der Anode rückgestreuten Elek tronen von einer separaten Fangelektrode aufgenommen werden müssen. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Verdrehung des Strahlenaustrittsfensters gegenüber der Hauptausbrei tungsrichtung der rückgestreuten Elektronen. Diese Ausnutzung eines anderen Raumwinkelelements für die Röntgenstrahlung hat jedoch zur Folge, daß größere Bereiche mit Röntgenstrahlung inhomogen ausgeleuchtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Gefahr von Schädigungen des Strahlenaustrittsfensters durch das Auftref fen rückgestreuter Elektronen zumindest verringert ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1.

Da das Strahlenaustrittsfenster auf Kathodenpotential liegt, wirkt es für die ankommenden rückgestreuten Elektronen ab stoßend und energieselektiv streuend. Dadurch werden die Elektronen um das Strahlenaustrittsfenster herum gestreut und treffen nicht auf das Strahlenaustrittsfenster, sondern auf die Wandung des Vakuumgehäuses. Das Strahlenaustrittsfenster ist also thermisch entlastet, so daß die Gefahr von Schädi gungen des Strahlenaustrittsfensters durch rückgestreute Elektronen, wenn nicht beseitigt, so doch verringert ist. Eine Gefährdung des Vakuumgehäuses ist nicht gegeben, da die ses thermisch und mechanisch wesentlich stärker als das Strahlenaustrittsfenster belastbar ist.

Um die erforderliche elektrische Isolierung zwischen Vakuum gehäuse und Strahlenaustrittsfenster auf einfache Weise sicherstellen zu können, ist gemäß einer Variante der Erfin dung vorgesehen, daß das Strahlenaustrittsfenster mit dem Vakuumgehäuse über einen Isolierstoffkörper verbunden ist. Dieser kann gemäß einer Variante der Erfindung, vorzugsweise auf seiner Innenseite, mit einer hochohmigen Beschichtung versehen sein. Hierdurch wird eine statische Aufladung des Isolierstoffkörpers vermieden.

Gemäß einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß das Vakuumgehäuse in seinem das Strahlenaustrittsfenster umgeben den Bereich mit einer Kühleinrichtung versehen ist. Hierdurch ist selbst bei Röntgenröhren extremer Leistung sicherge stellt, daß die thermische Belastung des von den Elektronen getroffenen Bereichs des Vakuumgehäuses nicht zu hoch ist.

Die Vorteile der Erfindung kommen dann besonders zum Tragen, wenn der von der Kathode ausgehende Elektronenstrahl unter einem solchen Winkel auf die Anode auftrifft, daß es sich bei dem zwischen der Oberfläche der Anode und dem Elektronen strahl vorliegenden Winkel um einen spitzen Winkel handelt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre in schematischer Darstellung im Längsschnitt,

Fig. 2 den Brennfleck der Röntgenröhre gemäß den Fig. 1 und 2 in vergrößerter perspektivischer Darstellung, und

Fig. 3 in Form einer grob schematisierten Prinzipdarstellung eine weitere erfindungsgemäße Röntgenröhre.

In der Fig. 1 ist mit 1 das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre bezeichnet, das im Falle des beschriebenen Ausführungsbei spieles in bekannter Weise unter Verwendung von Metall und Keramik oder Glas - andere Materialien sind möglich - herge stellt ist. Innerhalb des Vakuumgehäuses 1 ist in einem rohr förmigen Gehäuseansatz 2 eine Kathodenanordnung 3 angebracht, die einen innerhalb einer rotationssymmetrischen Weh neltelektrode 4 aufgenommenen Elektronenemitter aufweist, der im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels als Flach emitter in Form einer kreisscheibenförmigen Glühkathode 5 ausgeführt und mittels einer Keramikscheibe 6 an der Wehnelt elektrode 4 angebracht ist. Der Glühkathode 5 gegenüberlie gend ist eine insgesamt mit 7 bezeichnete Drehanode vorge sehen, die einen über eine Welle 8 mit einem Rotor 9 verbun denen Anodenteller 10 aufweist. Der Rotor 9 ist auf einer mit dem Vakuumge häuse 1 verbundenen Achse 11 drehbar gelagert. Im Bereich des Rotors 9 ist auf die Außenwand des Vakuumgehäuses 1 ein Sta tor 12 aufgesetzt, der mit dem Rotor 9 zur Bildung eines zum Antrieb der Drehanode dienenden Elektromotors zusammenwirkt.

Beim Betrieb der Röntgenröhre wird dem Stator 12 über Leitun gen 13 und 14 ein Wechselstrom zugeführt, so daß der über die Achse 11 mit dem Rotor 9 verbundene Anodenteller 10 rotiert.

Zwischen dem einen Anschluß der Glühkathode 5 und der Wehnelt elektrode 4 liegt gemäß Fig. 1 die Wehneltspannung U_W an. Die Röhrenspannung U_R wird über Leitungen 15 und 16 angelegt. Die Leitung 15 ist mit der Achse 11 verbunden, die ihrerseits mit dem Vakuumgehäuse 1 elektrisch leitend verbunden ist. Die Leitung 16 ist mit einem Anschluß der Glühkathode 5 verbun den. Der andere Anschluß der Glühkathode 5 ist mit einer Lei tung 17 verbunden. Zwischen dieser und der Leitung 16 liegt die Heizspannung U_H der Glühkathode 5, so daß von der Glühkathode 5 ein Elektronenstrahl ES kreisförmigen Quer schnitts ausgeht. Während in Fig. 1 nur die Mittelachse des Elektronenstrahls ES eingetragen ist, sind in Fig. 2 auch dessen Konturen bzw. Begrenzungslinien angedeutet.

Der Elektronenstrahl ES tritt durch eine unter Zwischenfügung eines Isolators 21 an dem Vakuumgehäuse 1 angebrachte Fokus sierungselektrode 19. Zwischen dieser und dem einen Anschluß der Glühkathode 5 liegt gemäß Fig. 1 eine Fokussierungsspan nung U_F an. Der Elektronenstrahl ES trifft dann wie in Fig. 1 angedeutet in einem mit BF bezeichneten Brennfleck auf eine Auftrefffläche 22 des Anodentellers 10 auf. Von dem Brenn fleck BF geht Röntgenstrahlung aus. Das Nutzröntgenstrahlen bündel, dessen Zentralstrahl und Randstrahlen in den Fig. 1 und 2 strichpunktiert angedeutet und mit ZS bzw. RS bezeichnet sind, tritt durch ein Strahlenaustrittsfenster 23 aus.

Infolge des kreisförmigen Querschnittes des Elektronenstrah les ES ist übrigens die Voraussetzung dafür gegeben, daß sich im Brennfleck BF eine gaußkurvenähnliche Intensitätsvertei lung der Röntgenstrahlung für beliebige Richtungen ergeben kann.

Um zu vermeiden, daß die thermische Belastung der Auftreff fläche die zulässigen Grenzen übersteigt, trifft der Elektro nenstrahl ES unter einem spitzen Winkel zur Auftrefffläche 22 bzw. einem Winkel α<45° zur Flächennormalen N der Auftrefffläche 22 im Brennfleck BF auf, so daß sich ein strichförmiger, genauer gesagt elliptischer, Brennfleck BF ergibt (siehe Fig. 2). Die Breite B des Brennfleckes BF entspricht dem Durchmesser des Elektronenstrahles ES in unmittelbarer Nähe der Auftrefffläche 22, der bei gegebener Geometrie der Glühkathode 5, der Wehneltelektrode 4 und der Fokussierungselektrode 19 sowie bei gegebenem Heizstrom und gegebener Röhrenspannung von der Wehneltspannung U_W und der Fokussierungsspannung U_F abhängt.

Im Hinblick auf die üblicherweise angestrebten Brennfleckab messungen ist der Winkel α so gewählt, daß sich bei einem Durchmesser D des Elektronenstrahles ES von 0,1 bis 2,0 mm eine Länge L des Brennfleckes zwischen 1 und 15 mm ergibt. Der angegebene Durchmesserbereich gilt für den Durchmesser des Elektronenstrahles in unmittelbarer Nähe der Auftreff fläche 22 des Anodentellers 10.

Die Lage des Strahlenaustrittsfensters 23 ist so gewählt, daß der Winkel β zwischen dem Zentralstrahl ZS des Nutzröntgen strahlenbündels und der Flächennormalen N der Auftrefffläche 22 wenigstens im wesentlichen gleich dem Winkel α ist. In Richtung des Zentralstrahles ZS des Nutzröntgenstrahlenbün dels gesehen, ergibt sich ein für eine hohe Abbildungsqualität günstiger wenigstens im wesentlichen kreisförmiger Fokus.

Das Strahlenaustrittsfenster 23 ist aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material (z. B. Aluminium oder Beryllium) gebildet und über einen beispielsweise aus Keramik gebildeten Isolierstoffkörper 20 mit dem Vakuumgehäuse 1 verbunden.

Das Strahlenaustrittsfenster 23 ist, so wie dies in Fig. 1 durch eine entsprechende Leitung 24 angedeutet ist, auf Kathodenpotential gelegt. Dadurch werden die rückgestreuten Elektronen, die sich auf das Strahlenaustrittsfenster 23 zu bewegen, abgestoßen und energieselektiv gestreut. Im Falle eines kreisförmigen Strahlenaustrittsfensters 23 werden sie rotationssymmetrisch um das Strahlenaustrittsfenster 23 herum gestreut. Die Elektronen treffen somit nicht auf das Strah lenaustrittsfenster 23, sondern auf den das Strahlen austrittsfenster 23 umgebenden Bereich der Wandung des Vaku umgehäuses 1 auf.

Der genannte Bereich der Wandung des Vakuumgehäuses 1 ist im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels mittels einer in nicht dargestellter Weise an ein geeignetes Kühlaggregat an geschlossenen Rohrspirale 25 gekühlt, so daß thermische Über lastungen des von den Elektronen beaufschlagten Bereichs des Vakuumgehäuses 1 ausgeschlossen sind.

Außerdem wirkt sich hinsichtlich der thermischen Belastung der Wandung des Vakuumgehäuses 1 günstig aus, daß sich in folge der Aufstreuung der Elektronen auf der ohnehin höher als das Strahlenaustrittsfenster 23 belastbaren Wand des Vakuumgehäuses 1 eine gegenüber dem Strahlenaustrittsfenster herkömmlicher Röntgenröhren nochmals verringerte Leistungs dichte ergibt.

Wie einschlägige Untersuchungen gezeigt haben, (siehe L. Reimer, Scanning Electron Microscopy, Springer-Verlag, Ber lin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1985, Seite 138) werden ohne weitere Maßnahmen die Elektronen von der Auftrefffläche 22 des Anodentellers 10 bei einem Winkel α von 10° in einen Winkelbereich von ca. 30° reflektiert, der in Fig. 1 strichliert angedeutet ist. Bei einem Abstand des Brennflecks BF vom Strahlenaustrittsfenster 23 von ca. 3 cm muß die ent sprechende Verlustleistung dann über eine ca. 2 cm² große Fläche abgeführt werden. Wird dagegen durch die Aufstreuung ein mittlerer Ablenkwinkel von 40° erreicht, so wie dies in Fig. 1 punktiert angedeutet ist, so steht eine Fläche von ca. 20 cm² zur Verfügung, und zwar in einem Bereich, nämlich der Wandung des Vakuumgehäuses 1, der mechanisch und thermisch stabiler als das Strahlenaustrittsfenster 23 ist und zudem aktiv gekühlt werden kann.

Wegen der also um einen Faktor 10 geringeren Wärmebelastung pro Flächenelement kann in bestimmten Anwendungsfällen sogar auf eine aktive Kühlung verzichtet werden, d. h. die Verlust leistung kann ohne besondere Maßnahmen über das Isolier- und Kühlmedium, z. B. Isolieröl, das sich gewöhnlich in dem die Röntgenröhre aufnehmenden Schutzgehäuse befindet, abgeführt werden.

Der mittlere Ablenkwinkel, um den die rückgestreuten Elek tronen abgelenkt werden, hängt bei einpoligen Röntgenröhren, bei denen die Anode und das Vakuumgehäuse wie in Fig. 1 dar gestellt auf Massepotential und die Kathode auf einem gegen über Masse negativen Potential liegen, von der Röhrenspannung UR, d. h. der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode, ab.

Im Falle zweipoliger Röntgenröhren, bei denen, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet ist, das Vakuumgehäuse 1 auf Massepo tential, die Kathode 3 auf einer gegenüber Masse negativen Kathodenspannung U_K und die Anode auf einer gegenüber Masse positiven Anodenspannung U_A liegen, hängt der mittlere Ab lenkwinkel von dem Verhältnis γ von Kathodenspannung U_K zur Röhrenspannung U_R = U_K+U_A ab, und ist um so größer, je größer γ ist. Bei zweipoligen Röntgenröhren besteht also grundsätz lich die Möglichkeit, den mittleren Ablenkwinkel zu beein flussen.

Um eine statische Aufladung des Isolierstoffkörpers 20 zu vermeiden, ist dieser auf seiner Innenseite mit einer hochohmigen Beschichtung versehen, was in Fig. 1 durch die Bezugsziffer 26 angedeutet ist, über die er mit der Wandung des Vakuumgehäuses 1 verbunden ist. Bei der Beschichtung 26 kann es sich beispielsweise um eine aufgesputterte Schicht eines Widerstandsmaterials, z. B. Konstantan, handeln.

Die Erfindung eignet sich auch für Röntgenröhren, bei denen kein Elektronenstrahl kreisförmigen Querschnitts verwendet wird. Alternativ zu der beschriebenen Ausbildung der Glüh kathode 5 besteht dann auch die Möglichkeit, eine herkömm liche, als Glühwendel ausgeführte Glühkathode zu verwenden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Drehanoden-Röntgenröhre. Die Erfindung kann aber auch bei Röntgenröhren mit Festanode Verwendung finden.

Claims

1. Röntgenröhre,

a) aufweisend ein eine Kathode (5) und eine Anode (10) aufnehmendes Vakuumgehäuse (1),
b) welches mit einem elektrisch leitenden Strahlenaustrittsfenster (23) versehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) das Strahlenaustrittsfenster (23) auf Kathodenpotential liegt und
d) gegenüber dem auf einem gegenüber dem Kathodenpotential positiven Potential liegenden Vakuumgehäuse (1) elektrisch isoliert ist.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, deren Strahlenaustritts fenster (23) mit dem Vakuumgehäuse (1) über einen Isolier stoffkörper (20) verbunden ist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, deren Isolierstoffkörper (20) vorzugsweise auf seiner Innenseite mit einer hochohmigen Beschichtung (26) versehen ist.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Vakuumgehäuse (1) in seinem das Strahlenaustrittsfenster (23) umgebenden Bereich mit einer Kühleinrichtung (25) versehen ist.

5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, von deren Kathode (5) ein Elektronenstrahl (ES) ausgeht, der unter einem Winkel (α) auf die Anode (10) auftrifft, bei dem es sich um einen spitzen Winkel handelt.