DE19639920C2 - Röntgenröhre mit variablem Fokus - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhre mit einem evakuierten Gehäuse, in dem fest damit verbunden eine Elek­ tronen emittierende Kathode und eine über eine Antriebsvor­ richtung drehbare Drehanode mit einem Anodenteller, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektro­ nenstrahl trifft, angeordnet sind, und mit einem elektroma­ gnetischen System zum Ablenken und Fokussieren des Elektro­ nenstrahls mit mehreren stromdurchflossenen Spulenelementen.

Leistungsfähige Röntgenröhren für die medizinische Diagnostik werden seit vielen Jahren entweder als Drehkolbenröhren ge­ baut, bei denen die Kathode und die Anode fest mit dem Gehäu­ se verbunden sind und während des Betriebs der Röntgenröhre mit diesem rotieren, oder aber auch nach dem Drehanodenprin­ zip, bei dem das Gehäuse und die Kathode feststehen und nur die Drehanode im Gehäuse rotierend angetrieben ist (siehe z. B. DE 28 50 583 A1). Im wesentlichen bestimmt die Ausfüh­ rung der Anode die Belastbarkeit der Röhre. An die Anode wer­ den dabei zwei gegensätzliche Anforderungen gestellt, da zum einen mit einem kleinen Brennfleck der Grundstock für eine hohe, die Ortsauflösung und den Bildkontrast bestimmende MTF (modulation-transfer-function) gelegt werden soll, während zum anderen ein hoher Röntgenfluß zur Minimierung der Aufnahmezeiten angestrebt wird. Beide Forderungen können jedoch nicht simultan erfüllt werden, so daß der behandelnde Arzt je nach Anwendung den bestmöglichen Kompromiß zwischen Auflösung und Röntgenlei­ stung einstellen muß. Dazu stehen ihm in modernen Röntgenan­ lagen mehrere Brennfleckgrößen zur Auswahl, wobei üblicher­ weise heute zwei oder drei Größen vorgesehen sind. Das tech­ nische Problem liegt in der Art und Weise, wie die verschiede­ nen Brennfleckgrößen realisiert werden.

Einige moderne Röntgenröhren besitzen spezielle Fokusköpfe, in denen für jede Brennfleckgröße eine eigene Wolframwendel eingebaut ist. Verschiedene Brennflecke werden dann durch Um­ schalten der Wendel realisiert. Die Berechnung und Fertigung dieser Fokusköpfe ist jedoch sehr aufwendig und die Typen­ vielfalt sehr groß. Darüber hinaus müssen enge Toleranzen sehr genau eingehalten werden, da es bei einer fertiggestell­ ten Röhre keine Korrekturmöglichkeit für die Brennfleckgröße mehr gibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Röntgen­ röhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei relativ einfachem Aufbau während des Betriebs ein in weitem Umfang in seiner Größe und Form veränderbarer Strichfokus auf der Anode erzeugt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kathode einen als rotationssymmetrischen Rundstrahl aus­ gebildeten Elektronenstrahl erzeugt, daß die Drehachse des Anodentellers parallel gegenüber der Achse des Elektronen­ strahls um den mittleren Radius des Anodentellerrandes ver­ setzt ist, und daß das elektromagnetische System ein den Strahlquerschnitt des Elektronenstrahls verformendes, Dipol­ freies Quadrupolfeld erzeugt.

Durch die besondere Art und Weise der Versetzung der Elektro­ nenstrahlachse gegenüber der Drehachse der Drehanode derart, daß der Strahl von der Kathode kommend in gerader Flugrich­ tung auf den geneigten Rand der Drehanode auftrifft, bedarf es überhaupt keines ablenkenden Dipolfeldes mehr, so daß das erfindungsgemäße, Dipol-freie Quadrupolfeld ausschließlich da­ zu dient, den zunächst runden Elektronenstrahl in einer Rich­ tung zu fokussieren und in der dazu senkrechten Richtung zu defokussieren. Aus einem runden, parallelen Strahl der Ausdeh­ nung x = y = r wird nach dem Durchlaufen eines Quadrupolfel­ des mit der Fokussierstärke 1/f und einer Driftstrecke der Länge L ein flacher Strahl mit den Abmessungen x = r . (1 - L/f) und y = r . (1 + L/f).

Eine Drehanodenröntgenröhre, deren Kathode einen Elektronen­ strahl mit einer Achse erzeugt, gegenüber welcher die Dreh­ achse des Anodentellers parallel um den mittleren Radius des Anodentellerrandes versetzt ist und zur Ablenkung des Elek­ tronenstrahls ein elektromagnetisches System vorgesehen ist, ist aus der DE 41 24 294 A1 bekannt. Allerdings erzeugt die Kathode keinen Elektronenstrahl kreisförmigen Querschnitts und das elektromagnetische System bewirkt lediglich eine Ab­ lenkung des Elektronenstrahls, wobei Angaben über die Art des Magnetfeldes fehlen.

In der EP 0 127 983 A2 ist ein spezieller Computertomograph beschrieben, bei dem mittels eines Quadrupolfeldes ein Elek­ tronenstrahl zunächst kreisförmigen Querschnittes in einen Elektronenstrahl elliptischen Querschnittes überführt wird. Über die Verwendung dieser Maßnahme im Zusammenhang mit übli­ chen Drehanodenröntgenröhren ist nichts ausgesagt.

Aus der US 3 732 426 ist eine Festanodenröntgenröhre bekannt, bei der ein elektromagnetisches System mit vier Elektromagne­ ten vorgesehen ist, um die Querschnittsgestalt des von der Kathode der Röntgenröhre zu deren Anode verlaufenden Elek­ tronenstrahls beeinflussen zu können. Über die Geometrie des Elektronenstrahls und über die Art des mittels der Elektroma­ gnete erzeugten Feldes ist nichts ausgesagt.

Das Magnetsystem kann auf Massepotential liegen und von einer Stromquelle angesteuert werden. Gegebenenfalls kann es auch die bei CT-Röhren angewandte Wobbelung des Brennflecks über­ nehmen, wenn dem Gleichstrom zur Erzeugung des Quadrupolfel­ des ein Wechselstrom in geeigneter Weise überlagert wird.

In Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß das Gehäuse einen zur Drehanodenachse parallel versetzten Ansatz zur Aufnahme der Kathode mit einer Einschnürung für die Spulenelemente aufweist. Durch diese Ausbildung läßt sich erreichen, daß die Spulenelemente zur Erzeugung des Quadru­ polfeldes sehr nahe an der Elektronenstrahlachse angeordnet sein können, so daß mit verhältnismäßig geringen Stromstärken und auch mit nicht allzu großen Spulen ein starkes Quadrupol­ feld erzielt werden kann. Wegen der fehlenden Notwendigkeit einer Ablenkung des Elektronenstrahls, um ihn auf den Rand des Drehtellers der Drehanode auftreffen zu lassen, bedarf es ja nur eines geringen Innendurchmessers des Gehäuses im Be­ reich der Elektronenstrahlführung.

Die Spulenelemente für das Quadrupolfeld können mit Vorteil an einem gemeinsamen, das Gehäuse zumindest teilweise umge­ benden, im bevorzugten Fall als im wesentlichen zylindri­ scher, ggf. offener, Ring ausgebildeten Träger angeordnet sein.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, daß der Träger, insbesondere in Form eines Eisenjochs, zum Gehäu­ se weisende Polvorsprünge aufweist, an denen die Spulenele­ mente befestigt sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä­ ßen Drehanoden-Röntgenröhre mit variablem Fokus,

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

Fig. 3 das von den Spulenelementen erzeugte Quadrupolfeld.

Fig. 1 zeigt eine Drehanoden-Röntgenröhre 1 mit einem fest­ stehenden Gehäuse 2, in dem um eine Drehachse 3 der Anoden­ teller 4 rotierend gelagert ist. 5 und 6 zeigen Kugellager zur Drehlagerung der Welle 7 des Anodentellers 4 und bei 8 erkennt man den Rotor des Antriebssystems. Versetzt zur Dreh­ achse 3 ist am Gehäuse 2 ein Gehäuseansatz 9 angeordnet, der die im Kathodenisolator 10 sitzende Kathode 11 und ihre Fo­ kussierungselektrode 12 aufnimmt. Dieses Elektronenstrahler­ zeugungssystem aus der Kathode 11 und der Fokussierungselek­ trode 12 erzeugt einen rotationssymmetrischen Rundstrahl 13, der durch die genannte Versetzung des Gehäuseansatzes 9 ge­ genüber der Drehachse 3 auf den schrägen Tellerrand 14 der Drehanode 4 auftrifft und dort die aus dem Sichtfenster 15 der Seitenwand 16 des Gehäuses 2 austretende Röntgenstrahlung 17 erzeugt. Der Gehäuseansatz 9 ist mit einer Einschnürung 18 versehen, um die herum ein elektromagnetisches System 19 zur Erzeugung eines Dipol-freien Quadrupolfeldes angeordnet ist, um den zunächst runden Elektronenstrahl 13 in einer Richtung zu fokussieren und in der anderen zu defokussieren, so daß durch einfache von außen steuerbare Parameter der Brennfleck der Röntgenröhre kontinuierlich in weiten Grenzen eingestellt werden kann. Durch die Variation der Fokussierungsspannung (absolute Größe) und des Quadrupolstroms (Längenverhältnis) läßt sich für jede Anwendung ein Brennfleck gemäß IEC-Norm 336 erzeugen.

Der Kathodenteil kann sehr einfach aufgebaut werden, wobei eventuelle Ungenauigkeiten beim Herstellungsprozeß nachträg­ lich korrigierbar sind und nicht mehr zum Ausfall der Rönt­ genröhre führen.

Das elektromagnetische System 19 zur Erzeugung des Dipol­ freien Quadrupolfeldes besteht aus einem Träger 20 in Form eines zylindrisch- und kreisförmig ausgebildeten Eisenjochs mit vier an seiner Innenseite angeordneten, radial vorsprin­ genden Polvorsprüngen 21. Diese Polvorsprünge 21 sind gleich­ mäßig zueinander um jeweils einen Winkel von 90° beabstandet und weisen im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Abstand der einander gegenüberliegenden Polvorsprün­ ge 21 ist derart bemessen, daß er gerade dem Außendurchmesser des zylindrischen, eingeengten Bereichs 18 des Gehäusevor­ sprungs 9 entspricht, da der Träger 20 um diesen Bereich her­ um anzuordnen ist. Dies erfordert natürlich, daß der Träger 20 zunächst geteilt und durch geeignete Mittel anschließend wieder zusammengehalten wird. An den Enden der Polvorsprünge 21 sind jeweils Spulenelemente 22 vorgesehen, die in Fig. 2 nur sehr schematisch dargestellt sind. Diese Spulenelemente 22, die auch aus einer einzigen Wicklung bestehen können, sind stromdurchflossen und dienen zur Erzeugung des zur Fo­ kussierung und Defokussierung, also zur Veränderung des Strahlquerschnitts, dienenden Quadrupolfeldes.

Dieses Quadrupolfeld ist in Fig. 3 dargestellt. Dort sind die Pole I und III jeweils Nordpole und die Pole II und IV Südpo­ le. Das erzeugte Quadrupolfeld hat die Eigenschaft, den Elek­ tronenstrahl in einer Richtung zu defokussieren, d. h. der Elektronenstrahl wird in eine Richtung auseinandergezogen und in der dazu senkrechten Richtung zusammengeführt, so daß sich seine Breite verringert. Auf diese Weise 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 allerdings mit der Fokussie­ rungselektrode 12 einstellbar.

Claims (8)

1. Röntgenröhre mit einem evakuierten Gehäuse, in dem fest damit verbunden eine Elektronen emittierende Kathode und eine über eine Antriebsvorrichtung drehbare Drehanode mit einem Anodenteller, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektronenstrahl trifft, angeordnet sind, und mit einem elektromagnetischen System zum Ablenken und Fokus­ sieren des Elektronenstrahls mit mehreren stromdurchflossenen Spulenelementen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kathode (11) einen als rotationssymmetri­ schen Rundstrahl (13) ausgebildeten Elektronenstrahl erzeugt, daß die Drehachse (3) des Anodentellers (4) parallel gegen­ über der Achse des Elektronenstrahls (13) um den mittleren Radius des Anodentellerrandes (14) versetzt ist, und daß das elektromagnetische System (19) ein den Strahlquerschnitt des Elektronenstrahls (13) verformendes, Dipol-freies Quadrupol­ feld erzeugt.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einen zur Drehanodenachse (3) parallel versetzten Ansatz (9) zur Auf­ nahme der Kathode (11) und ihrer Fokussierungselektrode (12) mit einer Einschnürung für das elektromagnetische System (19) aufweist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenelemente (22) des elektromagnetischen Systems (19) an einem gemeinsamen, den Gehäuseansatz (9) zumindest teilweise umgebenden Träger (20) angeordnet sind.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger (20) als im we­ sentlichen zylindrischer, ggf. offener, Ring ausgebildet ist.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) zum Ge­ häuseansatz (9) weisende Polvorsprünge (21) aufweist, an de­ nen die Spulenelemente (22) befestigt sind.

6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger (20) und die Polvorsprünge (21) aus laminiertem oder massivem Eisen sind.

7. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger (20) und die Polvorsprünge (21) aus Ferrit bestehen.

8. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß den Spu­ lenelementen (22) zur Erzeugung des Quadrupolfeldes ein Wech­ selstrom zur Wobbelung des Brennflecks überlagert ist.