DE19619630A1 - Röntgenröhre mit selbst-vorspannender Anordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Röntgenröhrentechnologie, und spezieller auf eine Vorspannungsversorgung zur Verbesserung der radiologischen bzw. Strahl-Qualität des Brennflecks der die Anode einer Röntgenröhre bombadierenden Elektronen.

Bei Röntgenstrahlen erzeugenden Röhren für medizinische Anwendungen trifft ein von einer Kathode emittierter und hochenergetisch beschleunigter Elektronenstrom in einem entleerten Mantel auf ein Anodentarget, um elektromagnetische Energie in Form von Röntgenstrahlen freizusetzen. Der Röhrenmantel umfaßt ein für Röntgenstrahlen durchlässiges Fenster, so daß die Strahlung durch das Fenster zu einem Patienten, der sich einer Untersuchung oder Behandlung unterzieht, gelangt.

Auf vielen Anwendungsgebieten ist es wünschenswert, einen Elektronenstrom eng gebündelt auf einen kleinen Bereich des Anodentargets, bekannt als "Brennfleck oder Brennpunkt", zu fokussieren. Nur ein kleiner Bruchteil der Elektronenenergie wird in Röntgenstrahlen umgewandelt, während die meiste Elektronenenergie direkt in Wärmeenergie umgewandelt wird. Einige Elektronen besitzen genügend kinetische Energie, um das Anodentarget zu verlassen und in willkürliche Richtungen zu fliegen. Diese noch immer dem Hochspannungsfeld ausgesetzten Elektronen neigen dazu wieder zurück an dem Anodentarget oder an irgendeiner anderen Oberfläche absorbiert zu werden, die deren Kurs hemmt. Diese Elektronen sind im Gegensatz zu den Elektronen des Primärstroms der Kathode als "Sekundär- oder Streuelektronen" bekannt. Sekundärelektronen rufen nicht nur eine unerwünschte Erwärmung des Röhrenmantels nahe des Brennfleckbereichs hervor, sondern erzeugen eine sogenannte "außerfokale Strahlung". Eine durch Sekundärelektronen hervorgerufene außerfokale Strahlung erzeugt eine Störstrahlungscharakteristik, die die Qualität eines Röntgenbildes durch die Vergrößerung des Brennflecks der Röntgenröhre beeinträchtigt und zu geometrischer Unschärfe führt.

Eine Möglichkeit, die Größe des Brennflecks des Elektronenstroms auf dem Anodentarget zu steuern, bestand darin, einen Kathoden(heiz-)faden an einem Fokussierträgerelement zu befestigen. Bei einem herkömmlichen Röhrentyp umfaßt eine Kathode gewöhnlicherweise einen oder einige elektrisch versorgte Heizfäden. Der Heizfaden wird in einer Schalen-förmigen Elektrode befestigt, die den Heizfaden auf seiner dem Anodentarget abgewandten Seite umgibt. Um die Größe des durch einen Elektronenstrom auf dem Anodentarget ausgebildeten Brennflecks zu steuern, wurde eine elektrische Vorspannung zwischen der Schalen-förmigen Elektrode und dem Heizfaden angelegt. Die Schalen-Elektrode arbeitete bei einer Kathodenspannung und wurde negativ vorgespannt, wenn ein Abschalten des Elektronenstroms erforderlich war.

Die Verbesserung dieser Konstruktion und der Versuch die Größe des Brennflecks zu minimieren, um hochauflösende Bilder zu erhalten, führten zu einer Anordnung, die eine zweite zwischen der Schalen-Elektrode und dem Anodentarget angeordnete Elektrode aufwies. Die zweite Elektrode wurde mit einer variablen, von der Kathode unabhängigen Spannungsversorgung verbunden. Obwohl diese Anordnung eine Verbesserung beim Einstellen des Brennflecks bereitstellte, führte der Einsatz der unabhängigen Quelle für die Elektrodenvorspannung zu unerwünschten und unvorhergesehenen Veränderungen bei der Brennfleckregelung, verbunden mit Netzschwankungen und anderen Übergangsvorgängen während der Röntgenbestrahlungen.

Ein Versuch, durch Entwerfen einer Vorspannungsschaltung für die Fokussierungselektrode zwischen der Kathode und der Erdung diesem Problem zu begegnen, so daß jede Veränderung in der Kathodenspannung die Vorspannung im selben Verhältnis variieren würde, führte zu keiner bedeutenden Verbesserung beim Minimieren der Brennfleckgröße, wohingegen die Röhre infolge eines transienten Hochspannungszustands störanfällig wurde.

Eine weitere Möglichkeit diesen Problemen zu begegnen wurde von Furbee et al. im U.S. Patent 5.007.074 mit dem Titel "X- RAY TUBE ANODE FOCUSING BY LOW VOLTAGE BIAS" beschrieben. Gemäß dieser Erfindung wird die Kathodenschale batteriebetrieben mit niedriger Spannung vorgespannt, um die Dispersion des Elektronenstroms zu verringern, welche die Flügel an dem Brennfleck des Anodentargets erzeugt. Eine kleine, autarke Batterie wird in die Röhre zwischen dem Mantel und dem Gehäuse der Röntgenröhre eingesetzt und wird als Vorspannungsquelle verwendet. Obwohl in gewisser Hinsicht befriedigend, leidet ein solches System an Nachteilen. Die Batterie entleert sich mit der Zeit und verändert ihren Ausgangswert über einen für das Röhrengehäuse üblichen Temperaturbereich. Diese Veränderung verhält sich zum erwünschten Optimalwert umgekehrt proportional, während die Batterievorspannung trotz der Veränderungen der Röhrenleistung unverändert bleibt.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen den Brennfleck automatisch vorspannenden bzw. mit Vorspannung versorgenden Röntgenröhrentyp bereitzustellen, der die projizierte Form des Brennflecks zu optimieren erlaubt, um die Auflösung zu erhöhen und die Energiedichte im Brennfleck zu verstärken.

Die vorliegende Erfindung begegnet dem Problem mit Hilfe einer elektrischen Einrichtung, die die Kathodenschale der Röntgenröhre vorspannt, indem sie die Leistung aus dem Heizfadensignal erhält.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Röntgenröhre bereitgestellt die ein Gehäuse mit einem Vakuummantel innerhalb des Gehäuses umfaßt, und innerhalb des Vakuummantels ein Drehanodentarget sowie eine Kathodenanordnung aufweist. Die Kathodenanordnung besitzt wenigstens einen Heizfaden, der in einer Schalen-förmigen Elektrode befestigt ist, um einen Elektronenstrahl zu fokussieren, der von der Kathode erzeugt und durch eine zwischen dem Anodentarget und der Kathodenanordnung angelegte Hochspannung beschleunigt wird. Eine Wechselstromquelle ist enthalten, um eine Erwärmung des Heizfadens bis auf die für eine thermische Emission erforderliche Temperatur bereitzustellen. Eine automatisch bzw. selbst-vorspannende Anordnung ist außerhalb des Vakuummantels in der Nähe der Kathodenanordnung angebracht. Die automatisch vorspannende Anordnung umfaßt einen Spannungsvervielfacher der zwischen der Wechselstromquelle und der Schalen-förmigen Elektrode der Kathodenanordnung zum Anlegen einer Gleichstrom-Vorspannung elektrisch verbunden ist. Eine derartige Anordnung reguliert die Geometrie des Brennflecks an der Oberfläche des Anodentargets.

Die vorhergenannten und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung des speziellen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer ersichtlich werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt der Röntgenstrahlen erzeugenden Röhre, gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt einer selbst-vorspannenden Anordnung, welche eine Vorspannung von einer Wechselspannungsquelle an einen Einsatz der Röntgenröhre anlegt;

Fig. 3 eine Kathodenanordnung der Röntgenröhre, bei der die vorliegende Erfindung verwirklicht ist;

Fig. 4 eine Brennfleckaufzeichnung einer Röntgenstrahlen erzeugenden Röhre, bei der die vorliegende Erfindung verwirklicht ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch eine Röntgenstrahlen erzeugende Röhre, bei der die vorliegende Erfindung verkörpert ist. Ein Vakuummantel 10 umschließt den inneren Aufbau der Röhre. Eine stationäre Kathodenanordnung 12 zum Emittieren eines Elektronenstroms ist in der Nähe eines Drehanodentargets 14 angeordnet. Die Elektronen werden durch fokussierende bzw. Brennschalen der Kathodenanordnung 12 in einem engbündigen, gleichmäßigen Strom, wie aus der Aufzeichnung der Fig. 4 zu erkennen, ausgebildet. Der Elektronenstrom wird durch die Spannungsdifferenz zwischen dem Anodentarget und der Kathode hochenergetisch beschleunigt. Die zwischen der Kathodenanordnung und dem Anodentarget angelegte Hochspannung wird von einer Gleichstromnetzversorgung über Netzanschlüsse abgeleitet. Während einer Röntgenbestrahlung wird das Anodentarget auf oder über dem Potential der Masse gehalten, wohingegen die Kathodenanordnung unter dem Potential der Masse gehalten wird. Die Kathodenanordnung 12 umfaßt, bezogen auf Fig. 3, zwei Heizfäden 18 und 20, die jeweils an einer Brennschale 22 bzw. 24 über jeweilige Keramikisolatoren 26 bzw. 28 befestigt sind. Eine Wechselstromquelle (nicht dargestellt) ist auf herkömmliche Weise mit den Heizfäden 18 und 20 gekoppelt, so daß für die Heizfäden ungefähr 4 bis 10 Volt bereitgestellt werden, um die Heizfadenwicklung auf die für eine thermische Emission erforderliche Temperatur zu erwärmen. Die Heizfäden werden von einem Heizfadenleistungsübertrager erwärmt, der die Heizfadenspannung von 75 kV unter dem Potential der Masse bereitstellt. Eine automatisch vorspannende Schaltung 30 ist zwischen der Heizfadenleistungsquelle und der Brennschale der Kathodenanordnung verbunden und ist auf der Anordnung 32 angeordnet, als Aufsicht bei Fig. 2 dargestellt. Das Eingangssignal zum Steuern der Vorspannungsschaltung 30 wird aus dem Heizfadenleistungsübertrager gewonnen. Die Eingangsleistung liegt in der Größenordnung von 0,05 Milliwatt. Die Eingangswechselspannung ist an einen Spannungsvervielfacher der Vorspannungsschaltung 30 angelegt. Der Spannungsvervielfacher ist aus Dioden und Kondensatoren aufgebaut und beruft sich auf den als Cockroff-Walton bekannten Typ, um eine geringe Gleichspannung im Bereich von ungefähr 24 bis 40 Volt aus einer Wechselstromquelle zu erzeugen. In Fig. 3 ist ein acht-stufiger Vervielfacher dargestellt. Die Anzahl der Stufen ist freigestellt. Der Vervielfacher erzeugt eine Spannung, die ungefähr acht mal höher ist als die Spannung des Heizfadensignals. Bei der bevorzugten Ausführungsform wurden jeweils acht Kondensatoren mit 10µF und acht Dioden des Typs 1N914 eingesetzt.

Die Vorspannungsschaltung 30 erzeugt einen Vorspannungspegel der proportional zu der Amplitude des Heizfadensignals ist. Wenn mehr Anodentargetstrom erforderlich ist wird ein höherer Vorspannungspegel erzeugt, weil ein höherer Targetstrom ein Anheben der Heizfadenspannung erfordert. Durch Aufbringen einer negativen Ladung, bezogen auf den gemeinsamen Leitungszweig des Heizfadens an der elektrisch isolierten Brennschale, wirkt diese Vorspannungsladung abstoßend und wirkt zurück in die Mitte des Streu- oder Sekundärelektronenstrahls, der die die Qualität des Bildes beeinträchtigenden Schatten oder Flügel an der Breite des Brennflecks erzeugt. Durch Auswählen eines geeigneten Vorspannungspegels werden die Flügel unterdrückt ohne den Strahl bis zu dem Punkt abzuschnüren, an dem der Heizfaden stärker gespeist werden muß. Die Aufnahme der den Brennfleck automatisch oder selbst-vorspannenden Anordnung in die Röntgenröhrenkonstruktion berücksichtigt Korrekturen der Brennfleckgeometrie und -dichte, und diese Korrekturen können außerhalb der Röhre vorgenommen werden, ohne den Leistungsverbrauch der Heizfadenleistungsversorgung zu vergrößern oder ein Spannungsproblem bei der Hochspannungsversorgung der Röhre darzustellen.

Die Erfindung umfaßt somit auch eine automatisch bzw. selbst vorspannende, fokussierte Röntgenstrahlen erzeugende Röhre, weiche eine Kathodenanordnung (12) besitzt, die an ihrem Einsetzende mit einem außerhalb eines Vakuummantels (10) angeordneten Vervielfacher (30) verbunden ist. Der Vervielfacher (30) richtet die Wechselstromleistung der Heizfadensteuerung gleich und vervielfacht diese, um eine Gleichspannung bereitzustellen, die an die Kathodenanordnung (12) angelegt wird, so daß der zwischen der Kathode (12) und dem Anodentarget (14) der Röntgenröhre verlaufende Elektronenstrahl eingeschnürt wird und, als Folge die Qualität des Brennflecks verbessert wird.

Claims (8)

1. Röntgenröhre mit folgenden Merkmalen:
ein Vakuummantel (10);
ein in diesem Mantel (10) angeordnetes Drehanodentarget (14);
eine in diesem Mantel (10) angeordnete Kathodenanordnung (12) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, der auf eine zu der Kathodenanordnung (12) gerichteten Oberfläche des Anodentargets (14) auftrifft, wobei die Kathodenanordnung (12) wenigstens einen Heizfaden (18, 20) besitzt, der in einer Schalen-förmigen Elektrode (22, 24) angeordnet ist, um den Elektronenstrahl zu fokussieren und einen Brennfleck an der Oberfläche des Anodentargets (14) auszubilden;
eine Hochspannungsquelle zur Aufrechterhaltung eines Potentials zwischen dem Anodentarget (14) und der Kathodenanordnung (12), damit der Elektronenstrahl auf das Anodentarget (14) mit ausreichender Energie auftrifft, um Röntgenstrahlen zu erzeugen;
eine mit den Heizfäden (18, 20) gekoppelte Wechselstromquelle, um ein Erwärmen des Heizfadens (18, 20) auf die für eine thermische Emission erforderliche Temperatur bereitzustellen;
eine selbst-vorspannende Anordnung (32) mit einem Spannungsvervielfacher (30), wobei diese Anordnung außerhalb des Vakuummantels (10) in der Nähe des Anodentargets (12) befestigt ist und der Spannungsvervielfacher (30) zum Anlegen einer Gleich- Vorspannung zwischen der Wechselstromquelle und den Schalen-förmigen Elektroden (22, 24) elektrisch angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um eine Geometrie des Brennflecks an der Oberfläche des Anodentargets (14) zu steuern.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der die Wechselstromquelle aus einem Heizfaden- Trennübertrager besteht, wobei der Übertrager die Spannung von ungefähr 75 kV unter dem Potential der Masse bereitstellt.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, bei der der Spannungsvervielfacher (30) ein Cockroff-Walton-Typ ist.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, bei der der Spannungsvervielfacher (30) vorzugsweise acht Stufen umfaßt.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, bei der der Spannungsvervielfacher (30) an der vorspannenden Anordnung (32) angeordnet ist.

6. Selbst-vorspannende, fokussierte Röntgenstrahlung erzeugende Röhre mit den folgenden Merkmalen:
ein Gehäuse;
ein in dieses Gehäuse eingebauter Vakuummantel (10), wobei der Mantel (10) eine Kathodenanordnung (12) mit einem Heizfaden (18) umfaßt, der in einer Schalen­ förmigen Elektrode (22) angeordnet ist, um Elektronen zu emittieren und einen Elektronenstrahl auszubilden, und ein Anodentarget (14) umfaßt, um den Elektronenstrahl aufzunehmen, einen Brennfleck an einer zur Kathodenanordnung (12) gerichten Oberfläche auszubilden und von dort einen Röntgenstrahl zu emittieren;
eine Wechselstromquelle, um den Heizfaden (18) mit Heizstrom zu versorgen;
eine Vorspannungsversorgung, die zwischen dem Gehäuse und dem Mantel (10) angeordnet ist und an einem Einsatz des Mantels (10) in der Nähe der Kathodenanordnung (12) befestigt ist, um die Schalen-förmige Elektrode (22) mit einer niedrigen Gleichstrom-Vorspannung aus der Wechselstromquelle zu versorgen, wobei die Vorspannungsversorgung einen Spannungsvervielfacher (30) vom Cockroff-Walton-Typ umfaßt.

7. Selbst-vorspannende, fokussierte Röntgenstrahlung erzeugende Röhre nach Anspruch 6, bei der die niedrige Gleichstrom-Vorspannung in der Größenordnung von ungefähr 24-40 Volt liegt.

8. Selbst-vorspannende, fokussierte Röntgenstrahlung erzeugende Röhre nach Anspruch 6, bei der der Spannungsvervielfacher (30) vorzugsweise acht Kondensatoren und acht Dioden umfaßt.