DE19710222A1

DE19710222A1 - Röntgenstrahlerzeuger

Info

Publication number: DE19710222A1
Application number: DE19710222A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Jahnke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 1998-09-17
Also published as: US5995586A

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Der sondenformende Teil des aus [1-4] bekannten Computerto mographen besteht im wesentlichen aus einer Elektronenquelle, einem evakuierten, mit Ionenfallen ausgestatteten Driftrohr und einem zeitabhängige magnetische Dipol- und Quadrupolfel der erzeugenden Linsensystem, das die Elektronen aus der ho rizontalen Strahlachse ablenkt und auf eine der den Patienten jeweils halbringförmig umschließenden Wolframanoden fokus siert. Ein ebenfalls halbringförmiger Detektor mißt die In tensität der im Bereich des etwa 2,5 × 5 mm² großen Elektro nenfokus austretenden, mit Hilfe eines Blendensystems fächer artig kollimierten und im Patienten entsprechend der Dichte des jeweils durchstrahlten Gewebesegments teilweise absor bierten Röntgenstrahlung. Durch Ablenkung der Elektronensonde auf den Anodenringen läßt sich die Lage der Röntgenquelle be züglich des Patienten sehr schnell ändern. Der nutzbare Win kelbereich beträgt konstruktionsbedingt allerdings maximal 210°.

Konventionelle Tomographen sind mit gepulst betriebenen Dreh anoden-Röntgenröhren (40 kW, 140 kV) und Ringdetektoren aus gestattet, wobei mechanische Antriebe sowohl die Röntgenröh ren als auch die Detektorelemente im Kreis um den Patienten bewegen. Die Stabilität und Belastbarkeit der starken Zentri fugalkräften ausgesetzten mechanischen Komponenten begrenzt die Umlauffrequenz der Röntgenröhren auf maximal 1/sec.

Der aus [5] bekannte Röntgenstrahlerzeuger besteht aus einer Elektronenquelle, einer die Elektronen auf einer kreisförmi gen Sollbahn ablenkenden Strahlführung, einer gegenüber der Strahlführung axial versetzt angeordneten Ringanode und elek tronenoptischen Komponenten, welche die innerhalb einer So lenoidspule umlaufenden Elektronen gesteuert auskoppeln und in Richtung der Ringanode ablenken.

2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines vergleichsweise einfach und kompakt aufgebauten Röntgenstrahlerzeugers, des sen Quelle sehr schnell, insbesondere mehrmals pro Sekunde auf einer kreisförmigen Bahn um das zu durchleuchtende Objekt geführt werden kann. Ein Röntgenstrahlerzeuger mit den in Pa tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigen schaften. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des Röntgenstrahlerzeugers.

Die Verwendung des Röntgenstrahlerzeugers in einem Computer tomographen erlaubt es, mehrere sogenannte 360°-Röntgenscans innerhalb eines nur Bruchteile einer Sekunde betragenden Zeitintervalls durchzuführen. Ein solches Gerät eignet sich daher insbesondere für zeitaufgelöste Untersuchungen der Herzfunktion.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau des vorgeschlagenen Röntgen strahlerzeugers in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 die Stromleiter einer Luftspule zur Erzeugung eines die Elektronen auf einer stabilen Kreisbahn führenden magnetischen Dipolfeldes;

Fig. 3 die torusförmige Solenoidspule im Querschnitt;

Fig. 4, 5 Schnitte durch den oberen Teil des Röntgen strahlerzeugers;

Fig. 6 den Aufbau der Vakuumkammer im Bereich des ein- und austretenden Elektronenstrahls;

Fig. 7 den inneren Teil einer aus einer Keramik gefertigen Vakuumkammer und

Fig. 8 die Vakuumkammer in perspektivischer Darstellung.

4. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels a) Die Strahlführung

Der in Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte Röntgen strahlerzeuger eines Computertomographen besteht im wesentli chen aus einer Elektronenquelle 1, einer ringförmigen Strahl führung 2, einer gegenüber der Strahlführung 2 axial versetzt angeordneten, den zu untersuchenden Patienten 3 umschließen den Ringanode 4 und individuell ansteuerbaren elektronenopti schen Komponenten, welche die auf einer kreisförmigen Soll bahn 5 umlaufenden Elektronen auskoppeln, sie in axialer Richtung 6 ablenken und auf die beispielsweise aus Wolf ram/Rhenium gefertigte, ggf. wassergekühlte Ringanode 4 fo kussieren. Die von der Ringanode 4 emittierte Röntgenstrah lung 7 durchläuft ein als Kollimator wirkendes Blendensystem, tritt als fächerförmiges Bündel aus dem die Strahlführung 2, die elektronenoptischen Komponenten und die Ringanode 4 auf nehmenden Gehäuse aus und dringt schließlich in den Körper des Patienten 3 ein. Ein nicht dargestelltes, vorzugsweise ebenfalls ringförmig ausgebildetes Detektorsystem mißt die Intensität der vom jeweils durchleuchteten Gewebesegment transmittierten Röntgenstrahlung. Die Speicherung und Weiter verarbeitung der Meßdaten übernimmt ein Rechner, der auch die elektronenoptischen Komponenten des Röntgenstrahlerzeugers ansteuert. Der Rechner bestimmt unter anderem den Zeitpunkt der Bestrahlung, deren Dauer und über die Position des Elek tronenfokus auf der Ringanode 4 auch die rage der Röntgen quelle bezüglich des Patienten 3.

b) Der magnetische Führungsdipol

Will man die Elektronen in einem rein magnetischen Feld auf einer Kreisbahn ablenken, gilt es zu berücksichtigen, daß je des beispielsweise durch Luftspulen oder Magnetlinsen er zeugte Führungsfeld immer Inhomogenitäten aufweist, die Elek tronen nicht alle mit derselben Energie, am selben Ort und unter demselben Winkel in die Strahlführung 2 eintreten und Raumladungskräfte die Energieverteilung der Elektronen beein flussen. Da alle genannten Effekte eine Ablenkung der Elek tronen von der Sollbahn 5 bewirken, muß die Strahlführung 2 kleinere Abweichungen der Elektronenparameter Energie, Ein trittsort und Eintrittswinkel von den die Sollbahn 5 definie renden Werten tolerieren.

Die Strahlführung 5 des Röntgenstrahlerzeugers enthält des halb die in Fig. 2 dargestellte, aus zwei koaxial angeordne ten Stromleitern 8/9 bestehende Luftspule 10, welche ein ei nen Gradienten aufweisendes magnetisches Dipolfeld mit der radialen Komponente B(r):= B₀.(1/rⁿ) (B₀:= Magnetfeld im Be reich der Sollbahn 5 mit Radius r_s; r:= Bahnradius; n: Feld index mit n = -r/B . δB/δr) erzeugt. Liegt der Wert des Feld indexes bei n = -0,5, sind die die Elektronen in Richtung der Sollbahn 5 zurücktreibenden radialen und vertikalen Kräfte gleich groß. Die sogenannte Betatronfrequenz beträgt dann 0,7 pro Umlauf, was einer Schwingungslänge der Elektronen um die kreisförmige Sollbahn 5 von 1,4 Umläufen entspricht ("schwache Fokussierung").

Die Fig. 2a zeigt die beiden Stromleiter 8/9 der Luftspule 10 im Querschnitt. Ein Leiter 8/9 besteht jeweils aus einer Vielzahl von Kupferdrähten, welche in einen Isolator einge bettet und zu einem Bündel mit der in Fig. 2a schwarz darge stellten Querschnittsfläche zusammengefaßt sind. Stromdurch flossen erzeugt das Leiterpaar 8/9 ein magnetisches Dipolfeld B, dessen Stärke in radialer Richtung mit wachsendem r konti nuierlich abnimmt.

Wie in Fig. 2c angedeutet, bilden die beiden Stromleiter 8/9 keinen geschlossenen Ring, sondern eine Spirale derart, daß die im unteren Teil der Strahlführung eingekoppelten Elektro nen sowie die nach einem Umlauf ausgekoppelten Elektronen in verschiedenen Ebenen laufen. Die Bestromung der Luftspule 10 erfolgt über einen den äußeren Leitern 9 kontaktierenden An schluß. Im äußeren Leiter 9 fließt der Strom zum Eingang der Strahlführung, gelangt über die metallische Lochblende 11 in den inneren Leiter 8, fließt dort wieder zum Ausgang der Strahlführung zurück und an einem Kontakt ab.

c) Die torusförmige Solenoidspule

Wie oben erwähnt, führen die Elektronen in dem von den Strom leitern 8/9 aufgebauten magnetischen Dipolfeld Betratron schwingungen um die Sollbahn 5 aus. Die Amplitude dieser Schwingung darf hierbei nicht so groß werden, daß die Elek tronen während ihres einmaligen Umlaufs auf Elemente der Strahlführung 5 oder Teile des Gehäuses treffen und verloren gehen. Im vorgeschlagenen Röntgenstrahlerzeuger verhindert dies eine durchlaufende torusförmige Solenoidspule 12 (s. die Fig. 3-5), deren Magnetfeld alle Elektronen, welche auf grund einer Energie-, Orts- oder Winkelabweichung die Soll bahn 5 verlassen würden, schraubenförmig um die Sollbahn 5 führt. Die hierdurch erreichte Kopplung orthogonaler Phasen räume hat einen Austausch von Energie zwischen den von den Elektronen ausgeführten radialen und vertikalen Schwingungen um die Sollbahn 5 und damit eine Dämpfung der jeweiligen Schwingungsamplitude zur Folge ("Landau-Dämpfung"). Eine fo kussierende Wirkung entfaltet die Solenoidspule 12 im Bereich des Eingangs der Strahlführung 2, da hier die Elektronen den sich verdichteten Flußlinien folgen ("magnetische Flasche").

Wie die Fig. 3-5 zeigen, besitzt die Solenoidspule 12 einen eine Einschnürung aufweisenden, nicht kreisförmigen Querschnitt. Während die Anode 4 in dem ringförmigen äußeren Bereich 13 der Solenoidspule 12 angeordnet ist, laufen die Elektronen in dem vom Volumen her größeren und zwischen den Stromleitern 8/9 liegenden inneren Bereich 14 der Solenoid spule 12 um. Die rage der Sollbahn 5 innerhalb der Solenoid spule 12 kann man hierbei über die Stärke des in den Leitern 8/9 der Luftspule 10 fließenden Stromes vorgeben und korri gieren.

Um Wirbelströme in den Wandungen der die isolierten Al-Wick lungen der Solenoidspule 12 tragenden Vakuumkammer 15 weitge hend zu unterdrücken, ist diese dünnwandig ausgeführt und beispielsweise aus einem schlecht leitenden, unmagnetischen Edelstahl gefertigt. Außen an der Kammer 15 angebrachte Ver steifungsrippen gewährleisten deren mechanische Stabilität (Kammerdruck p = 10^-4-10^-7 Pa). Ein ringförmiger Ansatz der Vakuumkammer 15 nimmt die unter einem Winkel bezüglich der einlaufenden Elektronen montierte Anode 4 auf, so daß die er zeugte Röntgenstrahlung 7 bevorzugt in Pfeilrichtung aus tritt. Im Bereich der austretenden Röntgenstrahlung 7 sollte die Vakuumkammer 15 hierbei höchstens so schwach absorbierend wirken wie eine etwa 0,5 mm dicke Kupferschicht. Die Pumpen flanscht man vorteilhafterweise am ringförmigen Teil der Va kuumkammer 15 an, da die Desorption der Restgasmoleküle von der Kammerwand in der Nähe der Strahlungsquelle, also der An ode 4, am größten ist.

d) Die Ablenkelemente

Aufgrund des gewählten Querschnitts der Solenoidspule 12 wür den die in die Strahlführung 2 eingekoppelten Elektronen nicht auf der von den beiden Stromleitern 8/9 möglichst gleich weit entfernten Sollbahn 5 umlaufen, sondern eine Spi ralbewegung um das magnetische Zentrum, d. h. den Ort der ge ringsten magnetischen Flußdichte, ausführen. Um diese Bewe gung zu verhindern bzw. gezielt zu verstärken (Extraktion der Elektronen), sind auf der Innenseite der Vakuumkammer 15 eine Vielzahl, teilweise überlappender Ablenkelemente angebracht, wobei jedes der beispielsweise N = 6 oder N = 12 Ablenkele mente aus zwei schraubenförmig verdrehten Leiterschleifen 16/17 besteht (rechtsdrehend in Flugrichtung der Elektronen blickend, 90°-Schraubendrehung). Jedes Paar von Leiterschlei fen 16/17 erzeugt ein magnetisches Dipolfeld B1/B2, dessen Richtung sich entlang der Sollbahn 5 auf einer Strecke l ≈ 2 . π r_s . N^-1 insgesamt um den Winkel ϕ = 90° dreht. Durch die überlappende Anordnung und eine entsprechende Ausrichtung benachbarter Paare von Leiterschleifen 16/17 ist es so mög lich, im inneren Bereich 14 der Vakuumkammer 15 ein kontinu ierlich drehendes Dipolfeld aufzubauen. Stimmt die geometri sche Drehung der Leiterschleifen 16/17 mit der durch die Solenoidspule 12 hervorgerufenen magnetischen Drehung der Phasenraumellipsen überein (dies ist durch eine entsprechende Anpassung des in der Solenoidspule 12 fließenden Stromes im mer möglich), kann man die Elektronen auch auf einer außer halb des magnetischen Zentrums der Solenoidspule 12 liegenden Sollbahn 5 stabil führen.

i) Der Auskoppel-Dipolmagnet

Zur Ablenkung der Elektronen auf das einem Leiterschleifen paar 16/17 zugeordnete 2π/N-Segment der Ringanode 4 wird die Stromrichtung im betreffenden Leiterpaar 16/17 für eine Zeit spanne von etwa 10^-4 Sekunden invertiert, so daß das kurzzei tig wirkende magnetische "Kicker"-Dipolfeld B1/B2 die Elek tronen in Richtung Mitte der Vakuumkammer 15 treibt. Hier ge langen die Elektronen in das Ablenkfeld eines der insgesamt N Auskoppel-Dipolmagnete 18, welche jeweils aus einem lami nierten Eisenjoch 19 und einer stromdurchflossenen Spule 20 besteht (s. Fig. 4). Aufgrund des sich nach außen hin ver jüngenden Querschnitts der Solenoidspule 12, steigt auch die magnetische Flußdichte in Richtung der Ringanode 4 stetig an. Der dadurch erzeugte "magnetische Trichter" wirkt fokussie rend auf die ausgelenkten Elektronen, da die Wicklungen der Solenoidspule 12 in diesem Bereich annähernd senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor der Elektronen orientiert sind ("tangentiale"-Wicklung).

Wie oben bereits erwähnt, laufen die in die Strahlführung 2 ein- und austretenden Elektronen in verschiedenen Ebenen. Die Fig. 6 zeigt die Lage und die Anordnung der magnetfelderzeu genden Komponenten in diesem Bereich der Strahlführung 5.

f) Technische Daten Elektronenstrahl

Energie: 150 keV (β = v/c 0.63)
Stromstärke: 1 A
Durchmesser: 3.6 mm
cw-Leistung: 150 kW

Führungsdipol

Bahnradius: 0.65 m
Magnetfeld: 2.15 . 10^-3

T
Gradient: n = 0.5 (n = -r/B . δB/δr) Betatronfrequenz: 0.7 pro Umlauf
Radius innerer Stromleiter: 0.55 m
Radius äußerer Stromleiter: 0.75 m
Stromstärke: 540 A

torusförmige Solenoidspule

Apertur (∅): 0.04 m
Länge: 4.0 m
Stromstärke: 10 A
Windungen: 40 000
Magnetfeld: 100 mT
Leistung: 11 kW
Stromdichte: 10 A/mm²

magnetische Dipol-Schleifen

Apertur (∅): 0.04 m
Länge: 0.3 m
Drehung: 90°
Stromstärke. ±50 A
Windungen: 2 (parallel)
Magnetfeld: ±2 mT
Zeitkonstante: τ < 10^-4

s

Auskoppel-Dipolmagnet

Bahnradius: 0.014 m
Magnetfeld: 100 . 10^-3

T

5. Ausgestaltungen und Weiterbildungen

Die oben beschriebene Vakuumkammer 15 besteht vorzugsweise aus einem schlecht leitenden, unmagnetischen Edelstahl. Es ist selbstverständlich auch möglich, diese Kammer 15 aus ei nem keramischen Werkstoff, insbesondere aus einer Al₂O₃-Kera mik zu fertigen. Als Ausgangsmaterialien sollten hierbei nur Elemente mit einer niedrigen Ordnungszahl Verwendung finden, um die Absorption der in der Vakuumkammer 15 erzeugten Rönt genstrahlung 7 möglichst gering zu halten.

Wie die Fig. 7 und 8 zeigen, besteht die entsprechende Kammer vorzugsweise aus einem torusförmigen inneren Teil 21 (Wandstärke d = 5-8 mm) und einem segmentiert aufgebauten äußeren Teil 22, wobei die insgesamt sechs Segmente 23-25 mit Hilfe unmagnetischer Metallflansche 26 am inneren Teil 21 be festigt sind. Die montierten Teile 21/22 bilden einen gegen den äußeren Druck von einer Atmosphäre mechanisch stabilen Torus, der sich durch Entfernen eines der Segmente 23-25 ab schnittsweise öffnen und warten läßt.

Trotz der in der Kammer von den gepulst betriebenen Dipol schleifen 16, 17 erzeugten hochfrequenten Magnetfeldern (10 kHz) entstehen keine Wirbelströme, da ein unmagnetischer Iso lator die Kammerwand bildet. Der bei der Injektion des Elek tronenstrahls in die Strahlführung 2 auftretende Spiegelstrom kann in dem umlaufenden metallischen Flansch 27 fließen. Sollten dennoch defokussierend wirkende Aufladungen der Kam mer beobachtet werden, schaffen etwa 0,1 µm dicke, leitende Längsschleifen auf der Innenseite der Vakuumkammer Abhilfe.

6. Literatur

[1] US-A-4,352,021
[2] Appl. Optics 24 (Nr. 23), Dezember 1985, S. 4052-4060
[3] US-A-4,521,900
[4] US-A-4,625,150
[5] DE 195 15 415 A1

Claims

1. Röntgenstrahlerzeuger mit

- einer Elektronenquelle (1),
- einer eine Solenoidspule (12) aufweisenden Strahlführung (2), welche eingekoppelte Elektronen auf einer innerhalb der Solenoidspule (12) liegenden Sollbahn (5) ablenkt,
- einer das zu beleuchtende Objekt (3) ringförmig umschlie ßenden, gegenüber der Strahlführung (2) axial versetzt an geordneten Anode (4) und
- Mitteln (16-18) zur Ablenkung der umlaufenden Elektronen aus der Sollbahn (5) in Richtung der Anode (4),

gekennzeichnet durch eine im Innern der Solenoidspule (12) angeordnete Anode (4).

2. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfeld der Solenoidspule (12) das einen Gradien ten aufweisende, den Radius der Sollbahn (5) und deren Lage definierendes erstes magnetisches Dipolfeld überlagert ist.

3. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus zwei koaxial angeordneten Leiterelementen (8, 9) bestehende Luftspule (10) das erste magnetische Dipolfeld er zeugt.

4. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Solenoidspule (12) eine sich in Rich tung der Anode (4) verjüngende Einschnürung aufweist, welche die Solenoidspule (12) in einen außen liegenden ersten Be reich (13) und einen innen liegenden zweiten Bereich (14) un terteilt, wobei die Anode (4) im ersten Bereich (13) angeord net ist und die Elektronen im zweiten Bereich (14) der So lenoidspule (12) auf der Sollbahn (5) umlaufen.

5. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfeld der Solenoidspule (12) im Bereich der Sollbahn (5) ein in Umlaufrichtung der Elektronen links- oder rechtsdrehendes zweites magnetisches Dipolfeld überlagert ist.

6. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine das zweite magnetische Dipolfeld erzeugende Einheit eine Vielzahl von Ablenkelementen umfaßt, wobei die Ablenk elemente jeweils zwei schraubenförmig verdrehte, im zweiten Bereich (14) der Solenoidspule (12) angeordnete Leiterpaare (16, 17) aufweist.

7. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfeld der Solenoidspule (12) im Bereich der Ein schnürung ein drittes magnetisches Dipolfeld überlagert ist.

8. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte magnetische Dipolfeld zwischen den Schenkeln eines mit Wicklungen (20) versehenen laminierten Eisenjochs (19) wirkt.

9. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) in einer torusförmigen Vakuumkammer (15) angeordnet ist.

10. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer aus einem torusförmigen inneren Teil (21) und einem segmentiert aufgebauten äußeren Teil (22) be steht, wobei die Segmente (23-25) des äußeren Teils (22) mit Hilfe von Flanschen (26) am inneren Teil (21) befestigt sind.

11. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (21, 22) der Vakuumkammer sowie die Flansche (26) aus einem unmagnetischen Material bestehen.

12. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (21, 22) der Vakuumkammer aus Edelstrahl oder einem keramischen Werkstoff bestehen.