DE19631899A1 - Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre, mit einem evakuier­ ten, mittels einer Antriebseinrichtung um eine Drehachse drehbaren Gehäuse, in dem mit diesem jeweils fest verbunden eine Elektronen emittierende Kathode und eine Anode, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektro­ nenstrahl trifft, angeordnet sind, und einem elektromagneti­ schen System zum Ablenken und Fokussieren des Elektronen­ strahls umfassend mehrere stromdurchflossene Spulenelemente.

Eine derartige Röntgenröhre ist aus der US-PS 4 993 055 zu entnehmen. Bei dieser Drehkolbenröhre sind die zur Erzeugung der Röntgenstrahlung erforderlichen Elemente, also die Katho­ de und die Anode, fest mit dem Gehäuse verbunden und rotieren während des Betriebs der Röntgenröhre mit diesem. Um den Strahl während der Rotation auf einer fest vorgegebenen Bahn führen zu können, so daß dieser quasi ortsfest verläuft und auf der rotierenden Anode stets im selben Brennfleck auf­ trifft, ist ein elektromagnetisches System vorgesehen, das sowohl zum Ablenken wie auch zum Fokussieren des Elektronen­ strahls ausgebildet ist. Dieses System umfaßt gemäß der US-PS 4 993 055 vier Spulen, sogenannte Quadrupol-Spulen, die um das Gehäuse der Röhre angeordnet sind, und die durch entspre­ chende Ansteuerung einen kombinierten Ablenk-Fokussier-Be­ trieb ermöglichen. Auf diese Weise ist es dann möglich, den Elektronenstrahl und den erzeugbaren Brennfleck auf der Anode in weiten Bereichen von außen steuern zu können.

Dabei stellt die Anordnung und Befestigung der einzelnen Spu­ lenelemente ein bedeutsames Problem dar, da die Spulenelemen­ te möglichst einfach bei gleichzeitig erzielbarer hoher Aus­ richtungsgenauigkeit im Bereich des Gehäuses vorzusehen sind. Eine befriedigende Lösung ist der US-PS 4 993 055, bei der groß dimensionierte rechteckige Spulen verwendet werden, nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine Röntgen­ röhre der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Spu­ lenelemente in einfacher Weise bezüglich des Gehäuses fixier­ bar sind bei gleichzeitig hinreichender Ausrichtungsgenauig­ keit.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Röntgenröhre mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Spulenelemente an einem gemeinsamen, das Gehäuse zumin­ dest teilweise umgreifenden Träger angeordnet sind.

Erfindungsgemäß sind also die Spulenelemente alle an einem gemeinsamen Träger angeordnet, das heißt, sie sind über ein einziges Trägerelement bezüglich des Gehäuses gehaltert. Eine individuelle Anordnung beziehungsweise Fixierung ist nicht erforderlich, da die Halterungsfunktion und natürlich auch die Ausrichtungsfunktion von dem gemeinsamen Träger ausgeübt wird. Dabei sind die Spulenelemente an dem Träger, der in weiterer Erfindungsausgestaltung als im wesentlichen zylin­ drischer, gegebenenfalls offener Ring ausgebildet sein kann, möglichst so angeordnet, daß sie so nah wie möglich an dem Gehäuse liegen, damit der Abstand zum Elektronenstrahl mög­ lichst gering ist. Vor allem dann, wenn der Träger als zylin­ drischer Ring ausgebildet ist, kann dieser vorteilhaft klein dimensioniert werden, sofern die Spulen entsprechend klein gehalten werden. Ein weiterer bedeutender Vorteil besteht darin, daß die Anbringung des Trägers extrem einfach ist. Da der Träger das Gehäuse umgreift, kann er mit besonderem Vor­ teil einfachst von der Kathodenseite auf das Gehäuse längs dessen zylindrischen Halses aufgeschoben werden, was dazu führt, daß mit wenigen Handgriffen sämtliche Spulen positio­ niert sind. Diese Vorgehensweise empfiehlt sich besonders dann, wenn der Träger erfindungsgemäß einstückig ausgebildet ist. Da in weiterer Erfindungsausgestaltung der Träger auch aus mehreren, insbesondere zwei lösbar aneinander befestigba­ ren Teilen bestehen kann, er also im Falle eines zylindri­ schen Ringes aus zwei quasi hufeisenförmigen Teilstücken be­ steht, ist es auch möglich, den Träger samt der jeweils an den Hälften befindlichen Spulen einfach um das Gehäuse herum entsprechend zusammenzusetzen, was die Anbringung noch weiter vereinfacht, als die Anordnung des Trägers zu jedem Zeit­ punkt, also auch dann, wenn die Röntgenröhre bereits fertig­ gestellt ist, erfolgen kann.

Um die Anbringung der Spulenelemente am Träger einfach zu ge­ stalten, kann auf Basis der Erfindung ferner vorgesehen sein, daß am Träger zum Gehäuse weisende Polvorsprünge ausgebildet sind, an denen die Spulenelemente angeordnet sind. Da, wie bereits beschrieben, die Spulen möglichst nahe zum Gehäuse liegen sollen, erweisen sich diese radial nach innen vor­ springenden Polvorsprünge als besonders vorteilhaft. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Spulenelemente erfindungsge­ mäß um die Polvorsprünge, vorzugsweise um deren äußeren En­ den, gewickelt sind. Da bereits sehr wenige, minimal eine Spulenwindung ausreicht, ist folglich die Anbringung der Spu­ lenelemente an den Polvorsprüngen ebenfalls einfach möglich. Die Polvorsprünge können dabei jede Form aufweisen, jedoch hat es sich insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen als zweckmäßig erwiesen, wenn die Polvorsprünge querschnitt­ lich im wesentlichen rechteckig sind.

Um den eingangs geschilderten, für die kombinierte Ablenk- und Fokussierfunktion erforderlichen Quadrupol-Betrieb mög­ lichst effizient und unter hinreichender Ausbildung der sich überlagernden Felder zu bewirken, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, daß die Spulenelemente am Träger und gegebe­ nenfalls die die Spulenelemente tragenden Polvorsprünge im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind, das heißt im Falle von vier Spulen jeweils um einen Winkel von 90° zueinander versetzt sind.

Um die Anordnung des Trägers am Gehäuse noch weiter zu ver­ einfachen, kann als erfindungsgemäße Weiterbildung ferner vorgesehen sein, daß der Träger in seinem Durchmesser oder gegebenenfalls die Polvorsprünge in ihrem Abstand derart be­ messen sind, daß der Träger am Gehäuse selbst halternd an­ bringbar ist. Der Träger wird in diesem Fall vorteilhaft ein­ fach auf das Gehäuse aufgeschoben oder entsprechend am Gehäu­ se zusammengesetzt, und haltert sich dann von selbst, so daß hierfür keine zusätzlichen Mittel vorzusehen sind. Als Träger hat sich hierbei insbesondere ein Eisenjoch als äußerst zweckmäßig erwiesen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus dem im folgenden beschriebenen Beispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer drehbaren Rönt­ genröhre,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Trägers mit daran angeordneten Spulenelementen,

Fig. 3 den Dipolanteil des Magnetfeldes,

Fig. 4 den Quadrupolanteil des Magnetfeldes, und

Fig. 5 den Feldverlauf bei Überlagerung der beiden Feldan­ teile der Fig. 3 und 4.

Fig. 1 zeigt eine Röntgenröhre 1, die ein kolbenartiges, iso­ lierendes Gehäuse 2 besitzt mit einem im wesentlichen zylin­ drischen Bereich 3 und einem daran anschließenden, sich ke­ gelstumpfförmig erweiternden Abschnitt 4. Am hinteren Ende des Gehäuses 2 ist eine Kathode 5 angeordnet, die über Schleifringe 6 mit einer geeigneten Energiequelle verbunden ist, um auf negatives Potential gelegt zu werden. Der Kathode 5 ist eine Fokussierungselektrode 7 zugeordnet, die zum Ein­ stellen der flächenmäßigen Größe des Elektronenstrahls dient, der von der Kathode im Betrieb emittiert wird. Ein solcher Elektronenstrahl ist in Fig. 1 mit 8 gekennzeichnet. Am der Kathode gegenüberliegenden Ende des Gehäuses ist eine Anode 9 vorgesehen, die den Abschluß des im Inneren evakuierten Ge­ häuses 2 bildet. Die Anode 9 weist einen Anodenteller 10 auf, an dessen Endabschnitt abgeschrägte Auftreffbereiche 11, die mit Wolfram belegt sind, ausgebildet sind, auf welche - wie nachfolgend noch beschrieben wird - der Elektronenstrahl zur Erzeugung der Röntgenstrahlung trifft. Die Anode 9 ist in ih­ rem Inneren mit geeigneten Kanälen 12 versehen, um den Ein- und Austritt von Kühlflüssigkeit, die zur Abfuhr der bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entstehenden thermischen Ener­ gie erforderlich ist, zu ermöglichen. Die Anode selbst liegt auf Massepotential, so daß sich zwischen der Kathode und der Anode ein elektrisches Feld einstellt, welches zur Beschleu­ nigung der emittierten Elektronen in Richtung auf die Anode dient. Die Kathode 5 und die Anode 9 sind längs der selben Drehachse 13 angeordnet. Um die Drehbarkeit der Röntgenröhre 1 zu ermöglichen, sind die Kathode 5 und die Anode 13 mit La­ gerelementen 14, 15 drehbar gelagert, wobei die Röhrenrotati­ on mit einem nicht gezeigten Antriebsmittel bewerkstelligt wird.

Soll nun Röntgenstrahlung erzeugt werden, wird die Glühwendel der Kathode betrieben und auf ihre entsprechende Emission­ stemperatur aufgeheizt, was dazu führt, daß von dieser Elek­ tronen emittiert werden. Infolge des zwischen der Kathode 5 und der Anode 9 herrschenden elektrischen Feldes werden die emittierten Elektronen in Form des gezeigten Elektronen­ strahls 8 in Richtung der Anode 9 beschleunigt. Da der Elek­ tronenstrahl auf dem kürzesten Wege in Richtung der Anode verläuft, ist zum Ablenken des Elektronenstrahls 8 auf die Auftreffbereiche 11, an denen allein Röntgenstrahlung erzeug­ bar ist, ein der Fokussierung und Ablenkung dienendes System 16 vorgesehen, das nachfolgend noch näher beschrieben werden wird. Mittels dieses Systems ist es möglich, den Elektronen­ strahl 8 sowohl abzulenken, wie die gekrümmte Kurve des Strahls 8 zeigt, so daß dieser exakt auf den Auftreffbereich 11 trifft und dort die Erzeugung von Röntgenstrahlung 17 be­ wirkt. Da das System 16 bezüglich des rotierenden Gehäuses feststehend ist, wird der Elektronenstrahl 8 immer in die gleiche Richtung, im gezeigten Beispiel nach unten, abge­ lenkt, und trifft stets auf den Auftreffbereich 11 der rotie­ renden Anode 9. Das System 16 dient aber infolge seiner kon­ kreten Ausgestaltung als Quadrupol-System gleichzeitig auch zur Fokussierung des Elektronenstrahls, um auf diese Weise einen strichförmigen Brennfleck einstellen zu können.

Fig. 2 zeigt im Detail in perspektivischer Ansicht das zur Ablenkung und Fokussierung dienende System 16. Dieses besteht auf einem Träger 18, der im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Eisenjoch ist. An diesem Träger 18, der zylindrisch und kreisförmig ausgebildet ist, sind an seiner Innenseite radial vorspringende Polvorsprünge 19 vorgesehen, insgesamt vier Stück. Diese Polvorsprünge 19 sind gleichmäßig zueinander um jeweils einen Winkel von 90° beabstandet. Die Querschnitts­ form der Polvorsprünge 19 ist im wesentlichen rechteckig. Der Abstand der einander gegenüberliegenden Polvorsprünge 19 ist aber derart bemessen, daß er gerade dem Außendurchmesser des zylindrischen Bereichs 3 der Röntgenröhre 1 entspricht, da der Träger 18 um diesen Bereich 3 herum anzuordnen ist. An den Enden der Polvorsprünge 19 sind jeweils Spulenelemente 20 vorgesehen, die in Fig. 2 nur exemplarisch dargestellt sind. Diese Spulenelemente 20, die aus einer einzelnen Wicklung be­ stehen können, sind stromdurchflossen und dienen zur Erzeu­ gung des der Ablenkung und Fokussierung dienenden Magnetfel­ des. Das System 16 stellt folglich ein einfach aufgebautes und äußerst einfach handzuhabendes Quadrupol-Magnetsystem dar, das am Gehäuse 2 der Röntgenröhre 1 mühelos dadurch an­ gebracht und befestigt werden kann, daß der komplett konfigu­ rierte Träger 18 von der Kathodenseite her auf den zylindri­ schen Abschnitt 3 geschoben wird. Da die einander gegenüber­ stehenden Polelemente 19 in ihrem Abstand entsprechend bemes­ sen sind, ist eine geeignete Halterung am Gehäuse 2 direkt möglich, andererseits können aber auch problemlos entspre­ chende Halterungsmittel vorgesehen sein, die an einem nicht dargestellten, die gesamte Röntgenröhre 3 in sich aufnehmen­ den Halterungsgehäuse angeordnet sind. Alternativ zu der in Fig. 2 gezeigten einstückigen Ausführungsform des Trägers kann dieser natürlich auch beispielsweise aus zwei Teilen be­ stehen, die aneinander lösbar befestigbar sind, so daß der kreisförmige Träger geöffnet werden kann und die beiden Halb­ schalen um den Bereich 3 einfach herumgelegt werden können.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen schließlich die sich aus dem Quadru­ pol-Betrieb ergebenden einzelnen Feldanteile des Magnetfelds und deren Überlagerung. Fig. 3 zeigt den Dipolanteil des sich mittels des System 16 erzeugbaren Magnetfeldes. Wie der Figur zu entnehmen, sind vier Magnetpole I, II, III und IV ausge­ bildet, wie sich bereits aus Fig. 2 ergibt. Für den Dipolan­ teil des Magnetfeldes stellen die Pole I und II jeweils den Nordpol, die Pole III und IV jeweils den Südpol dar. Dies spiegelt sich in dem skizziert angegebenen Feldverlauf wie­ der. Der Dipolanteil des Magnetfeldes dient zum Ablenken des Elektronenstrahls. Gemäß der in Fig. 3 gezeigten Konstellati­ on würde der Elektronenstrahl in Richtung des Pfeils A abge­ lenkt werden.

Fig. 4 zeigt schließlich den Quadrupolanteil des Magnetfel­ des, der sich aufgrund des unsymmetrischen Betriebs der Spu­ lenelemente ergibt. Die Spulenelemente können zu diesem Zweck mittels zweier getrennter Stromquellen betrieben werden, so daß das Dipolfeld und das Quadrupolfeld unabhängig voneinan­ der eingestellt werden können, was zu einer größeren Flexibi­ lität führt. Aufgrund des unsymmetrischen Betriebes sind in diesem Fall die Pole I und III der jeweilige Nordpol, die Po­ le II und IV hingegen der Südpol. Dies spiegelt sich auch hier in dem spezifischen Feldverlauf wieder. Das Quadrupol­ feld hat hierbei die Eigenschaft - und hieraus resultiert der Fokussiereffekt - den Elektronenstrahl in Ablenkrichtung zu defokussieren, das heißt, der Elektronenstrahl wird in Rich­ tung des Pfeils A aus Fig. 3a auseinandergezogen. In dazu senkrechter Richtung dagegen wird der Elektronenstrahl zusam­ mengeführt, seine Breite verringert sich also. Auf diese Wei­ se ist die Einstellung eines Strichfokus möglich. Die Fläche des Elektronenstrahls ändert sich hierbei nicht, lediglich das Verhältnis von Länge zu Breite. Die Größe selbst ist al­ lein mittels der Fokussierelektrode 7 einstellbar.

Die Aufteilung des Magnetfeldes in einen Dipolanteil und ei­ nen Quadrupolanteil ist durch die unsymmetrische Ansteuerung der Spulenelemente möglich, das heißt, die jeweiligen Spulen­ ströme sind in ihrer Größe entsprechend einzustellen. Im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel würde folgendes gelten:

I_D = a
I_Q = b, wobei
| a | » | b |

mit

I_D = Erregerstrom des Dipolanteils,
I_Q Erregerstrom des Quadrupolanteils,
a, b = fiktive Stromgrößen.

Für die jeweiligen Ansteuerströme der einzelnen Spulenelemen­ te gilt dann:

I_I = a + b
I_II = a - b
I_III = -a +b
I_IV = -a -b, wobei
I_I, . . . _Iv = spulenindividuelle Erregerströme.

Auf diese Weise wird ein Magnetfeld generiert, das sich aus den beiden unterschiedlichen Dipol- und Quadrupolanteilen zu­ sammensetzt. Durch Überlagerung der beiden Feldanteile gemäß Fig. 3 und Fig. 4 erhält man schließlich das in Fig. 5 ge­ zeigte Magnetfeld.

Claims (10)

1. Röntgenröhre, mit einem evakuierten, mittels einer An­ triebseinrichtung um eine Drehachse drehbaren Gehäuse, in dem mit diesem jeweils fest verbunden eine Elektronen emittieren­ de Kathode und eine Anode, auf die der mittels eines elektri­ schen Feldes beschleunigte Elektronenstrahl trifft, angeord­ net sind, und einem elektromagnetischen System zum Ablenken und Fokussieren des Elektronenstrahls umfassend mehrere stromdurchflossene Spulenelemente, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenelemente (20) an einem gemeinsamen, das Gehäuse (2) zumindest teilweise um­ greifenden Träger (18) angeordnet sind.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger (18) als im we­ sentlichen zylindrischer, gegebenenfalls offener Ring ausge­ bildet ist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Träger (18) zum Gehäu­ se (2) weisende Polvorsprünge (19) ausgebildet sind, an denen die Spulenelemente (20) angeordnet sind.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spulenelemente (20) um die Polvorsprünge (19), vorzugsweise um deren äußere Enden, gewickelt sind.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polvorsprünge (19) querschnittlich im wesentlichen rechteckig sind.

6. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spu­ lenelemente (20) am Träger (18) und gegebenenfalls die die Spulenelemente (20) tragenden Polvorsprünge (19) im wesentli­ che gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind.

7. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä­ ger (18) einstückig ausgebildet ist.

8. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger aus mehreren, insbesondere zwei lösbar aneinander befestigba­ ren Teilen besteht.

9. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä­ ger (18) in seinem Durchmesser oder gegebenenfalls die Pol­ vorsprünge (19) in ihrem Abstand derart bemessen sind, daß der Träger (18) am Gehäuse (2) selbsthalternd anbringbar ist.

10. Röntgenröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä­ ger (18) ein Eisenjoch ist.