DE19731982C1 - Röntgenröhre mit Mitteln zur magnetischen Ablenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Kathode und einer Anode, welche in einem Vakuumgehäuse angeordnet sind, sowie mit Mitteln zur magnetischen Ablenkung des Elek­ tronenstrahls.

Die Möglichkeit der Ablenkung des Elektronenstrahls und damit des Brennfleckes ist insbesondere im Zusammenhang mit der Computertomographie von Bedeutung, da hier durch die an sich bekannte Maßnahme, den Brennfleck zwischen zwei Endpositionen zu verlagern, über die so erreichte Vervielfachung der zur Berechnung des Bildes einer Körperschicht zur Verfügung stehenden Daten eine Verbesserung der Bildqualität erzielbar ist.

Aus der DE 41 25 926 C1 und der EP 0 460 421 A1 sind Röntgenröh­ ren der eingangs genannten Art bekannt.

Im Falle beider bekannter Röntgenröhren sind die Mittel zur Ablenkung des Elektronenstrahls durch eine außerhalb des Va­ kuumgehäuses angeordnete, eine Ablenkspule aufweisende Ablenkeinheit gebildet. Durch die Anordnung der Ablenkeinheit außerhalb des Vakuumgehäuses wird der Vorteil erreicht, daß nachteilige Auswirkungen der Anwesenheit einer Spule im Inneren des Vakuumgehäuse auf das im Inneren des Vakuumgehäuses vorhandene Vakuum, z. B. dadurch, daß die Isolation des Spulendrahtes Gase abgibt (sogen. Ausgasen), ausgeschlossen sind. Den außerhalb des Vakuumgehäuses befindlichen Ablenkeinheiten muß zur Bewirkung einer bestimm­ ten Ablenkung des Elektronenstrahls eine erhebliche elektri­ sche Leistung zugeführt werden, so daß im Zusammenhang mit der Ablenkung des Elektronenstrahls unerwünscht viel Ver­ lustwärme frei wird, was in Anbetracht der beim Betrieb von Röntgenröhren ohnehin auftretenden thermischen Probleme einen Nachteil darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die bei der Ablenkung des Elektronenstrahls anfallende Verlustwärme ver­ mindert ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Rönt­ genröhre mit einer Kathode und einer Anode, welche in einem Vakuumgehäuse angeordnet sind, wobei zur Ablenkung des von der Kathode ausgehenden und zu der Anode verlaufenden Elek­ tronenstrahles ein Elektromagnet vorgesehen ist, welcher ein mit zwei durch einen Basisabschnitt miteinander verbundenen Schenkeln und eine den Basisabschnitt umgebende Wicklung auf­ weist, wobei sich der Basisabschnitt mit der Wicklung außer­ halb des Vakuumgehäuses befindet, und wobei sich die Schenkel derart in das Vakuumgehäuse erstrecken, daß der Elektronen­ strahl zwischen den beiden Schenkeln verläuft.

Im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind also die Mittel zur magnetischen Ablenkung des Elektronenstrahls durch einen Elektromagneten gebildet, von dem nur die Schenkel des Joches im Inneren des Vakuumgehäuses aufgenommen sind, wäh­ rend sich die Wicklung außerhalb des Vakuumgehäuses befindet. Auf diese Weise sind nachteilige Auswirkungen auf die Qualität des im Inneren des Vakuumgehäuses vorhandene Vakuum ausgeschlossen. Da der Elektronenstrahl zwischen den Schenkeln des Joches des Elektromagneten verläuft, steht ein hoher magnetischer Fluß zur Ablenkung des Elektronenstrahls zur Verfügung. Die zur Bewirkung einer bestimmten Ablenkung des Elektronenstrahls erforderliche elektrische Leistung ist daher nur gering. Dies hat zur Folge, daß im Zusammenhang mit der Ablenkung des Elektronenstrahls nur wenig Verlustwärme anfällt.

Die Gefahr, daß unerwünschte Defokussierungserscheinungen des Elektronenstrahls auftreten, ist gering, wenn der Elektronen­ strahl gemäß einer Variante der Erfindung im Abstand von den Enden der Schenkel zwischen den Schenkeln hindurchtritt, da in diesem Bereich das von dem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld eine hohe Homogenität aufweist.

Auch wenn gemäß einer Variante der Erfindung die Schenkel an ihren Enden Polschuhe miteinander gegenüberliegenden Polflä­ chen aufweisen, zwischen denen der Elektronenstrahl hindurch­ tritt, ist infolge der hohen Homogenität des zwischen den Polschuhen vorhandenen Magnetfeldes die Gefahr unerwünschter Defokussierungserscheinungen des Elektronenstrahls gering. Außerdem ist die im Zusammenhang mit der Ablenkung des Elek­ tronenstrahls auftretende Verlustwärme besonders gering, da zwischen den Polschuhen der größte magnetische Fluß vorliegt.

Um eine ungestörte Ausbildung des Magnetfeldes zu gewährlei­ sten ist gemäß einer weiteren Variante der Erfindung vorgese­ hen, daß das Vakuumgehäuse zumindest in demjenigen Bereich, in dem sich die Schenkel durch die Wandung des Vakuumgehäuses in dessen Inneres erstrecken, aus einem unmagnetischen Mate­ rial gebildet ist.

Um im Hinblick auf die im Inneren der Röntgenröhre vorliegen­ den, unter Umständen erheblichen Temperaturen zu verhindern, daß das Material des Joches seine ferromagnetischen Eigen­ schaften verliert, ist gemäß einer Variante der Erfindung zwischen der Anode und dem Elektromagneten als Wärmeschutz­ wand eine Blende mit einer Durchtrittsöffnung für den Elek­ tronenstrahl vorgesehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

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

Fig. 2 in teilweiser Darstellung einen Schnitt gemäß der Li­ nie II-II in Fig. 3, und

Fig. 3 in teilweiser Darstellung einen Schnitt gemäß der Li­ nie III-III in Fig. 2.

Die Röntgenröhre gemäß Fig. 1 weist eine feststehende Kathode 1 und eine insgesamt mit 2 bezeichnete Drehanode auf, die in einem vakuumdichten, evakuierten Vakuumgehäuse 3 angeordnet sind, das seinerseits in einem mit einem elektrisch isolie­ renden, flüssigen Kühlmedium, z. B. Isolieröl, gefüllten Schutzgehäuse 4 aufgenommen ist. Die Drehanode 2 ist mittels zweier Wälzlager 6, 7 und einer Lagerhülse 8 auf einer fest­ stehenden Achse 5 in dem Vakuumgehäuse 3 drehbar gelagert.

Die zu der Mittelachse M der Achse 5 rotationssymmetrisch ausgebildete Drehanode 2 weist eine beispielsweise mit einer Schicht einer Wolfram-Rhenium-Legierung versehene Auftreff­ fläche 9 auf, auf die ein von der Kathode 1 ausgehender Elek­ tronenstrahl 10 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in dem so­ genannten Brennfleck auftrifft. (In den Fig. 1 und 3 ist nur die Mittelachse des Elektronenstrahls 10 strichliert darge­ stellt.) Das entsprechende Nutzstrahlenbündel, von dem in Fig. 1 nur der Zentralstrahl Z dargestellt ist, tritt durch in dem Vakuumgehäuse 3 und dem Schutzgehäuse 4 vorgesehene, miteinander fluchtend angeordnete Strahlenaustrittsfenster 11 und 12 aus.

Zum Antrieb der Drehanode 2 ist ein insgesamt mit 13 bezeich­ neter, als Kurzschlußläufermotor ausgebildeter Elektromotor vorgesehen, der einen auf das Vakuumgehäuse 3 aufgesetzten Stator 15 und einen innerhalb des Vakuumgehäuses 3 befindli­ chen, drehfest mit der Drehanode 2 verbundenen Rotor 16 auf­ weist.

An das Erdpotential 17 führende, abgesehen von einem die Ka­ thode 1 tragenden Isolator 20 und zwei die Achse 5 aufnehmen­ den Isolatoren 22 und 24 aus metallischem Werkstoff gebildete Vakuumgehäuse 3 ist ein trichterförmiger Gehäuseabschnitt 18 angesetzt, der über ein schachtförmiges Gehäuseteil 18a mit dem übrigen Vakuumgehäuse 3 verbunden ist. Die Kathode 1 ist an dem trichterförmigen Gehäuseabschnitt 18 mittels des Iso­ lators 20 angebracht. Die Kathode 1 befindet sich somit sozu­ sagen in einer besonderen Kammer des Vakuumgehäuses 3, die mit diesem über das schachtförmige Gehäuseteil 18a verbunden ist.

Die positive Hochspannung +U für die Drehanode 2 liegt an der Achse 5 an, die vakuumdicht in dem Isolator 22 aufgenommen ist. Der Röhrenstrom fließt also über die Wälzlager 6 und 7.

Wie aus der schematischen Darstellung der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt an dem einen Anschluß der Kathode 1 die negative Hochspannung -U an. Zwischen den beiden Anschlüssen der Ka­ thode 1 liegt die Heizspannung U_H. Die zu der Kathode 1, der Achse 5, dem Vakuumgehäuse 3 und dem Stator 15 führenden Lei­ tungen stehen mit einer außerhalb des Schutzgehäuses 4 be­ findlichen, nicht dargestellten Spannungsversorgung an sich bekannter Art in Verbindung, die die zum Betrieb der Röntgen­ röhre erforderlichen Spannungen liefert. Aus den vorstehenden Ausführungen wird deutlich, daß die Röntgenröhre gemäß Fig. 1 zweipolig ausgeführt ist.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß der von der Kathode 1 ausgehende Elektronenstrahl 10 auf seinem Weg zur Drehanode 2 durch das schachtförmige Gehäuseteil 18a verläuft. Das schachtförmige Gehäuseteil 18a begrenzt also eine Blendenöff­ nung 27. Deren Abmessungen sind derart gewählt, daß sie die für einen ungehinderten Durchtritt des Elektronenstrahls 10 erforderlichen Abmessungen nicht wesentlich überschreitet.

Außerdem ist ein in Fig. 1 schematisch angedeuteter Elektro­ magnet 31 vorgesehen, der dazu dient, ein magnetisches Ab­ lenkfeld für den Elektronenstrahl 10 zu erzeugen, das diesen senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1 ablenkt.

Der Elektromagnet 31 weist gemäß den Fig. 2 und 3 ein U-förmi­ ges Joch 33 mit zwei durch einen Basisabschnitt 34 miteinander verbundenen Schenkeln 35, 36 und eine den Basisabschnitt 34 umgebende Wicklung 37 auf. Der Elektromagnet 31 ist derart angeordnet, daß sich die Wicklung 37 außerhalb des Vakuumge­ häuses 3 befindet, während sich die Schenkel 35, 36 des Joches 33 mit dem größten Teil ihrer Länge innerhalb des Vakuum­ gehäuses 3 befinden.

Die Schenkel 35, 36 des Elektromagneten 31 erstrecken sich durch in einem Einsatz 39 vorgesehene Öffnungen 40, 41 und sind mit dem Einsatz 39 z. B. durch Lötungen 42, 43 vakuumdicht verbunden. Der Einsatz 39 ist seinerseits in einer ent­ sprechenden Öffnung des Vakuumgehäuses 3 aufgenommen und mit diesem durch Löten oder Schweißen vakuumdicht verbunden.

Zwischen den im Inneren des Vakuumgehäuses 3 befindlichen Ab­ schnitten der Schenkel 35, 36 des Joches 33 und der Auftreff­ fläche 9 der Drehanode 2 befindet sich eine Wärmeschutzwand 44, die eine Öffnung 45 zum Durchtritt des Elektronenstrahles 10 aufweist.

Insgesamt ist die Anordnung derart getroffen, daß der von der Kathode 1 ausgehende Elektronenstrahl 10 nach seinem Austritt aus dem schachtförmigen Gehäuseteil 18a zwischen den Schenkeln 35, 36 des Joches 33 des Elektromagneten 31 hindurch verläuft und dann durch die Öffnung 45 der Wärmeschutzwand 44 zur Auftrefffläche 9 der Drehanode 2 gelangt.

Zumindest der Einsatz 39, vorzugsweise jedoch das trichter­ förmige Gehäuseteil 18, die in Fig. 1 obere Wand des Vakuum­ gehäuses 3 und der dieser Wand benachbarte, die Drehanode 2 umgebende Wandabschnitt des Vakuumgehäuses 3 - oder besser alle metallischen Teile des Vakuumgehäuses 3 - sind aus un­ magnetischen Materialien, z. B. Edelstahl, gebildet, um eine Beeinträchtigung des mittels des Elektromagneten 31 erzeugten Magnetfeldes zu vermeiden.

Die freien Enden der Schenkel 35, 36 des Joches 33 sind rela­ tiv zu dem Vakuumgehäuse 3 fixiert, und zwar im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels mittels eines mit der Wär­ meschutzwand 44 verschraubten Klemmteiles 38.

Die Schenkel 35, 36 des Joches 33 können, so wie dies in Fig. 3 strichliert angedeutet ist, auch derart ausgebildet sein, daß sie zwei einander gegenüberliegende Polschuhe 46, 47 aufweisen, zwischen denen der Elektronenstrahl 10 hindurch tritt. Da sich dann der Elektronenstrahl 10 in dem Bereich der größten Feldstärke des Magnetfeldes des Elektromagneten 31 befindet, wird zur Erzielung einer bestimmten Ablenkung des Elektronenstrahls 10 eine nochmals verminderte elektri­ sche Leitung benötigt. Um Polschuhe 46, 47 ausreichender Breite realisieren zu können, empfiehlt es sich, die Schicht­ ebenen der das Joch 33 bildenden Blechlamellen gegenüber der in den Fig. 2 und 3 in ausgezogenen Linien dargestellten Richtung um 90° zu versetzen.

Die Wicklung 37 des Elektromagneten 31 steht mit ihren mit I_S bezeichneten Anschlüssen mit einer nicht dargestellten Strom­ quelle in Verbindung, die im Betrieb der Röntgenröhre einen Strom durch die Wicklung 37 fließen läßt. Wenn es sich bei dem durch die Wicklung fließenden Strom um einen Gleichstrom handelt, wird der Elektronenstrahl 10 statisch abgelenkt, so daß die statische Lage des Brennfleckes justiert werden kann. Auf diese Weise ist es beispielsweise bei der Verwendung der Röntgenröhre in einem Computertomographen möglich, die Lage des Brennfleckes relativ zu dem Drehzentrum der Gantry des Computertomographen und zu dem der Röntgenröhre gegenüberlie­ gend, an der Gantry angebrachten Strahlendetektor zu justie­ ren. Falls eine periodische Ablenkung des Elektronenstrahls 10 erwünscht ist, hat der von der Ablenkschaltung gelieferte Strom einen beispielsweise sägezahn- oder dreieckförmigen Verlauf.

Das in an sich bekannter Weise aus dünnen Blechlamellen auf­ gebaute Joch 33 ist derart geformt, daß die Schenkel 35, 36 Abschnitte 35a, 36a aufweisen, deren Mittelachsen M₁, M₂ we­ nigstens im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und somit in einer gemeinsamen Ebene E liegen. Die beiden im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels geradlinigen Ab­ schnitte 35a, 36a der Schenkel 35, 36 weisen eine Länge L auf, die in Richtung der Mittelachsen M₁, M₂ der Abschnitte 35a, 36a der Schenkel 35, 36 über die Blendenöffnung 27 und die Öffnung 45 hinausreicht.

Es versteht sich, daß die Blechlamellen nach ihrer Bearbei­ tung (Schneiden und Biegen) zur Vermeidung von Beeinträchti­ gungen der Magnetisierungseigenschaften ihres Materials ge­ glüht werden müssen, um durch die Bearbeitung bedingte Gefü­ geveränderungen wieder rückgängig zu machen.

Der Elektromagnet 31 ist derart mit dem Vakuumgehäuse 3 ver­ bunden, daß die strichliert dargestellte Hauptausbreitungs­ richtung des Elektronenstrahls 10 wenigstens im wesentlichen rechtwinklig zu der die Mittelachsen M₁, M₂ der Abschnitte 35a, 36a der Schenkel 35, 36 enthaltenden Ebene E verläuft, so wie dies aus Fig. 1 in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 er­ sichtlich ist, wobei in Fig. 3 auch der Verlauf des Elektro­ nenstrahls 10 für die beiden durch die Ablenkung des Elektro­ nenstrahls 10 erreichbaren Endpositionen punktiert darge­ stellt und mit R' und R'' bezeichnet ist.

Der Elektromagnet 31 ist weiter derart angeordnet, daß der Elektronenstrahl 10 eine Gerade G, die die Hauptausbreitungs­ richtung des Elektronenstrahls 10 und die Mittelachsen M₁, M₂ der Abschnitte 35a, 36a der Schenkel 35, 36 unter einem we­ nigstens im wesentlichen rechten Winkel schneidet, wenigstens im wesentlichen in der Mitte schneidet.

Infolge der beschriebenen Ausbildung des Elektromagneten 31, ist dessen Magnetfeld zu der die Mittelachsen M₁, M₂ der Ab­ schnitte 35a, 36a der Schenkel 35, 36 enthaltenden Ebene E symmetrisch. Dies und die beschriebene Anordnung des Elektro­ magneten 31 relativ zu dem Vakuumgehäuse 3 hat zur Folge, daß Defokussierungserscheinungen, die auftreten, wenn der Elek­ tronenstrahl 10 auf seinem Weg zu der Drehanode 2 den auf der einen Seite der Ebene E befindlichen Teil des Magnetfeldes durchläuft, praktisch vollständig wieder rückgängig gemacht werden, wenn der Elektronenstrahl den auf der anderen Seite der Ebene E liegenden Teil des Magnetfeldes durchläuft.

Durch die beschriebene Anordnung des Elektromagneten 31 wird weiter erreicht, daß sich die Schenkel 35, 36 des Joches 33 sehr nahe bei dem Elektronenstrahl 10 befinden können und so­ mit nur eine geringe Leistung zur Ablenkung des Elektronen­ strahles erforderlich ist. Zum anderen kann die Verlustlei­ stung des Elektromagneten 31 problemlos an das in dem Schutz­ gehäuse 4 befindliche Kühlmedium abgegeben werden.

Die beiden Enden der Schenkel 35, 36 des Joches 33 sind übri­ gens im Bereich ihrer freien Enden aufeinander zu abgewin­ kelt, um ein unnötig großes Streufeld zu vermeiden.

Es versteht sich, daß bei der Dimensionierung des schachtför­ migen Gehäuseteiles 18a und damit der Blendenöffnung 27 sowie der Öffnung 45 der Wärmeschutzwand 44 die Größe der Ablenkung des Elektronenstrahles 10 mittels des Elektromagneten 31 be­ rücksichtigt ist.

Da das Vakuumgehäuse 3 auf Erdpotential und damit einem posi­ tiveren Potential als die Kathode 1 liegt, wird ein großer Teil der von der Drehanode 2 zurückgestreuten Elektronen von der Wärmeschutzwand 44 und den die Blendenöffnung 27 begren­ zenden und an diese anschließenden Bereichen des Vakuumgehäu­ ses 3 eingefangen. Abgesehen von seiner eigentlichen Aufgabe erfüllt das Vakuumgehäuse 3 insbesondere im Bereich der Wär­ meschutzwand 44 und des Gehäuseteiles 18a also die Funktion einer zur Verminderung der extrafokalen Strahlung dienenden Blende.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Röntgenröhre handelt es sich um eine sogenannte zweipolige Röntgenröhre. Die erfindungsge­ mäße Röntgenröhre kann aber auch als sogenannte einpolige Röntgenröhre ausgeführt sein. Dann führen das Vakuumgehäuse 3 und die Drehanode 2 das gleiche Potential, nämlich Erdpoten­ tial 17, während an der Kathode 1 die negative Hochspannung -U liegt. Um zu erreichen, daß die Drehanode 2 und das Vaku­ umgehäuse 3 beide auf Erdpotential 17 liegen, kann z. B. an­ stelle des Isolators 22 und/oder des Isolators 24 ein aus ei­ nem elektrisch leitenden Werkstoff gebildetes Lagerschild vorgesehen sein, so daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Drehanode 2 und dem Vakuumgehäuse 3 besteht. Al­ ternativ oder zusätzlich kann die Achse 5 mit Erdpotential 17 verbunden sein.

Obwohl die Erfindung ausschließlich anhand einer Röntgenröhre mit einer in Wälzlagern gelagerten Drehanode erläutert wurde, kann sie auch bei Röntgenröhren mit einer in Gleitlagern gelagerten Drehanode, bei sog. Drehröhren (das Vakuumgehäuse rotiert samt Anode) und bei Röntgenröhren mit fester Anode Verwendung finden.

Claims (5)

1. Röntgenröhre mit einer Kathode (1) und einer Anode (2), welche in einem Vakuumgehäuse (3) angeordnet sind, wobei zur Ablenkung des von der Kathode (1) ausgehenden und zu der Anode verlaufenden Elektronenstrahles (10) ein Elektromagnet (31) vorgesehen ist, welcher ein Joch (33) mit zwei durch einen Basisabschnitt (34) miteinander verbundenen Schenkeln (35, 36) und eine den Basisabschnitt (34) umgebende Wicklung (37) aufweist, wobei sich der Basisabschnitt (34) mit der Wicklung (37) außerhalb des Vakuumgehäuses (3) befindet, und wobei sich die Schenkel (35, 36) derart in das Vakuumgehäuse (3) erstrecken, daß der Elektronenstrahl (10) zwischen den beiden Schenkeln (35, 36) verläuft.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der der Elektronenstrahl (10) im Abstand von den Enden der Schenkel (35, 36) zwischen den Schenkeln (35, 36) hindurchtritt.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der Schenkel (35, 36) an ihren Enden Polschuhe (46, 47) mit einander ge­ genüberliegenden Polflächen (48, 49) aufweisen, zwischen denen der Elektronenstrahl (10) hindurchtritt.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Vakuumgehäuse (3) zumindest in demjenigen Bereich, in dem sich die Schenkel (35, 36) durch die Wandung des Vakuumgehäu­ ses (3) in dessen Inneres erstrecken, aus einem unmagneti­ schen Material gebildet ist.

5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwischen der Anode (2) und dem Elektromagneten (31) eine Blende (44) mit einer Durchtrittsöffnung (45) für den Elek­ tronenstrahl (10) vorgesehen ist.