DE19757153A1 - Röntgenröhre mit kombiniertem Metallrahmen/Berylliumfenstereinsatz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Röntgenröh­ ren und insbesondere auf einen Röntgenfenstereinsatz für Hochleistungs-Röntgenröhren und Computer-Tomographie (CT)-Un­ ter-Sekunden-Abtastung.

Die Röntgenröhre ist in der medizinischen diagnosti­ schen Bildgebung, der medizinischen Therapie und verschie­ denen medizinischen Prüf- und Materialanalysetechniken wich­ tig geworden. Übliche Röntgenröhren sind mit einer rotieren­ den Anodenstruktur versehen, um die an dem Brennpunkt er­ zeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird durch einen Induk­ tionsmotor gedreht, der einen zylindrischen Rotor, der in eine auskragende Achse gebaut ist, die das scheibenförmige Anodentarget trägt, und eine Eisenstatorstruktur mit Kupfer­ wicklungen aufweist, die den langgestreckten Hals der Rönt­ genröhre umgibt, die den Rotor enthält. Der Rotor der rotie­ renden Anodenanordnung wird durch den Stator angetrieben, der den Rotor der Anodenanordnung umgibt. Die Kathode der Rönt­ genröhre liefert ein fokussiertes Elektronenbündel, das über dem Anoden/Kathoden-Vakuumspalt erzeugt wird und beim Auf­ prall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt.

Bei derzeitigen Röntgen- und Computer-Tomographiesy­ stemen projiziert eine Röntgenquelle ein fächerförmiges Bün­ del, das so kollimiert wird, daß es in einer X-Y Ebene von einem kartesischen Koordinatensystem liegt, die die "Bildebene" genannt wird. Das Röntgenbündel tritt durch das abzubildende Objekt hindurch und trifft auf eine Anordnung (Array) von Strahlungsdetektoren. Die Intensität der durchge­ lassenen Strahlung hängt von der Schwächung des Röntgenbün­ dels durch das Objekt ab, und jeder Detektor erzeugt ein getrenntes elektrisches Signal, das ein Maß der Bündel­ schwächung ist. Die Schwächungsmessungen von allen Detektoren werden getrennt gewonnen, um das Durchlässigkeitsprofil zu erzeugen. In einem üblichen medizinischen CT System werden die Quelle und das Detektorarray auf einem Gestell in der Bildebene und um das Objekt herum gedreht, so daß sich der Winkel, unter dem das Röntgenbündel das Objekt schneidet, konstant ändert.

Verbesserte Abtasttechniken (wendelförmig) erfordern, daß die Röntgenröhren in der Lage sind, den vergrößerten Kräften, die auf sie ausgeübt werden, zu widerstehen und trotzdem das Vakuum ohne Beeinträchtigung der Röntgenbildqua­ lität beibehalten. Es hat sich gezeigt, daß mit Glasrahmen versehene Röntgenröhren nicht geeignet sind für eine Verwen­ dung mit wendelförmigen Abtasttechniken, die eine hohe Ge­ stellgeschwindigkeit verwenden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Röntgenröhre zu schaffen, die das Vakuum bzw. den Unterdruck aufrechter­ halten, Abmessungsstabilität bei Temperaturen unter Gestell- und Vakuumlasten aufrechterhalten und die Hochspannungsstabi­ lität maximieren kann.

Erfindungsgemäß werden ein kombiniertes Fenster und ein Rahmen geschaffen, die einstückig mit einer Röntgenröhre sind, die besonders für eine Röntgen- und CT-Abtastung ge­ eignet ist. Der Röntgenröhrenrahmen gemäß der Erfindung sorgt für eine Aufrechterhaltung des Vakuums bzw. Unterdrucks über der Lebensdauer der Röntgenröhre, indem ein Material mit ho­ her Leitfähigkeit (z. B. Kupfer) verwendet wird, um Wärme von dem Berylliumfenster abzuleiten und thermische Gradienten zu verkleinern. Der Röntgenröhrenrahmen gemäß der Erfindung hält weiterhin die Abmessungsstabilität bei Betriebstemperaturen unter Gestell- und mechanischen Vakuumlasten mit einem mini­ malen Gewicht aufrecht, indem ein steiferes und festeres Ma­ terial als Kupfer (z. B. rostfreier Stahl) verwendet wird. Darüber hinaus hält der Röntgenröhrenrahmen gemäß der Erfindung eine gute Hochspannungsstabilität aufrecht, indem die Verwendung von Kupfer minimiert und die Verwendung von rostfreiem Stahl oder anderem Material mit hoher Härte ähn­ lich derjenigen von rostfreiem Stahl maximiert wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Röntgenröhre eine Anodenanordnung mit einer zugeordneten Anode und eine Kathodenanordnung auf, um ein fokussiertes Elektronenbündel zu liefern, das auf die Anode gerichtet ist. Weiterhin ist der Anoden/Kathodenanordnung ein Metallrahmen mit einem Beryllium/Kupfer-Fenstereinsatz zugeordnet, um ein Vakuum bzw. Unterdruck aufrechtzuerhalten und die Kathode in bezug auf die Anode zu lokalisieren, wodurch die Lage des Brennpunktes bestimmt wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Röntgenröhrenrahmen geschaffen wird, der für eine Aufrechterhaltung des Vakuums bzw. Unter­ drucks über der Lebensdauer der Röntgenröhre, Aufrechterhal­ tung der Abmessungsstabilität bei Betriebstemperaturen unter Gestell- und Vakuumlasten mit minimalem Gewicht und eine gute Hochspannungsstabilität aufrechterhalten kann.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung von einer bekannten Röntgenröhre.

Fig. 2 stellt einen Metallrahmen mit einem erfin­ dungsgemäßen Beryllium/Kupfer-Fenstereinsatz zur Verwendung mit der in Fig. 1 gezeigten Röntgenröhre dar.

Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende Röntgenröh­ ren, die eine Drehanodenanordnung und eine Kathodenanordnung verwenden. Der Zweck der Erfindung besteht darin, einen Rönt­ genröhrenrahmen zu schaffen, der für Aufrechterhaltung bzw. Integrität des Vakuums bzw. Unterdrucks über der Lebensdauer der Röntgenröhre, Aufrechterhaltung der Abmessungsstabilität bei Betriebstemperaturen unter Gestell- und mechanischen Va­ kuumlasten mit minimalem Gewicht sorgen kann und die Hoch­ spannungsstabilität maximiert.

In Fig. 1 ist eine typische bekannte Röntgenröhre 10 gezeigt. Die Röntgenröhre 10 weist üblicherweise eine umlau­ fende Anodenanordnung 12, um die an einem Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen, und eine Kathodenanordnung 14 auf, um ein fokussiertes Elektronenbündel zu liefern, das über einem großen Anoden/Kathoden-Vakuumspalt 16 beschleunigt wird und beim Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt.

Die in Fig. 1 gezeigte Anodenanordnung 12 kann durch einen Induktionsmotor gedreht werden, der üblicherweise einen zylindrischen Rotor 18 aufweist, der um eine auskragende Achse 20 herum gebaut ist. Die Kragachse 20 trägt ein schei­ benförmiges Anodentarget 22, das über eine Nabe und einen Stutzen 24 mit dem Rotor 18 und der Kragachse 20 verbunden ist, der zur Erleichterung der Rotation Lager enthält. Der Stator 26 des Induktionsmotors enthält einen eisernen Sta­ torkern 28 mit Kupferwicklungen 30, die den Rotor 18 umgeben. Der Rotor 18 der umlaufenden Anodenanordnung 12, die durch den Stator 26 angetrieben wird, ist auf anodischem Potential.

Die in Fig. 1 gezeigte Kathodenanordnung 14 der Röntgenröhre enthält einen Kathodenkabelbehälter 34 und eine Kathodenanschlußplatte 36, die intern die Kathodenanordnung 14 mit dem Behälter 34 verbindet. Die Anodenanordnung 12 ent­ hält einen Anodenkabelbehälter 38, der elektrisch die Anode mit einem Anoden-Hochspannungskabel (nicht gezeigt) verbin­ det. In einer üblichen Einrichtung sind die Anodenanordnung 12 und die Kathodenanordnung 14 in einen Rahmen 44 gekapselt, der somit einen Vakuum- bzw. Unterdruckbereich 47 bildet, und in einem leitfähigen Metallgehäuse 46 untergebracht.

Gemäß Fig. 2 schafft die Erfindung eine Röntgen­ röhre, die das Vakuum bzw. den Unterdruck über der Lebensdauer der Röntgenröhre aufrechterhalten kann, für Ab­ messungsstabilität bei Betriebstemperaturen unter Gestell- und mechanischen Vakuumlasten bei minimalen Gewicht sorgt und die Hochspannungsstabilität maximiert. Der in Fig. 2 ge­ zeigte Röntgenröhrenrahmen ersetzt den bekannten Rahmen 44 gemäß Fig. 1. Der Rahmen, der ein Beryllium-Fenster enthält, kann ganz aus Kupfer sein, ganz aus einem auf Nickel basie­ renden Material sein oder ganz ein Stahlrahmen sein. Es ist bekannt, daß Kupfer ein wünschenswertes Gegenstück zu Beryl­ lium-Röntgenfenstern ist aufgrund seiner Fähigkeit, Wärme von dem Beryllium wegzuleiten und möglicherweise zerstörerische thermische Gradienten zu vermeiden. Jedoch sorgen 100% aus Kupfer bestehende Rahmen, ohne rostfreien Stahl, nicht für die Robustheit, d. h. die Abmessungsstabilität (ohne schwer zu sein) und maximierte Hochspannungsstabilität. Der Röntgenröh­ renrahmen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, sorgt für eine Aufrechterhaltung des Vakuums bzw. Unterdrucks über der Le­ bensdauer der Röntgenröhre, indem Material mit guter Leitfä­ higkeit (z. B. Kupfer) verwendet wird, um Wärme von dem Beryl­ lium-Fenster wegzuleiten und thermische Gradienten zu ver­ kleinern. Der Röntgenröhrenrahmen gemäß Fig. 2 hält weiter­ hin die Abmessungsstabilität bei Betriebstemperaturen unter Gestell- und Vakuumlasten mit minimalem Gewicht bei, indem ein steiferes und festeres Material als Kupfer verwendet wird (z. B. rostfreier Stahl oder anderes Material mit hoher Stei­ figkeit und Festigkeit). Zusätzlich hält der Röntgenröhren­ rahmen gemäß der Erfindung eine gute Hochspannungsstabilität aufrecht, indem die Verwendung von Kupfer minimiert und die Verwendung von rostfreiem Stahl oder einem anderen Material mit hoher Härte maximiert wird.

Die Verwendung von rostfreiem Stahl und Kupfer zusam­ men in dem Rahmen 44 kann zusammenwirken, damit Beryllium ohne einen getrennten Ölkühlungskreis funktionieren und ef­ fektiv ohne die Gefahr des Leckens oder die Verschlechterung von Öl, d. h. Sieden, arbeiten kann. Der rostfreie Stahl oder ein ähnliches Material sorgt für Abmessungsstabilität und Fe­ stigkeit für den Rahmen, so daß er den Zentripetal- und Vakuumbelastungen bei erhöhten Temperaturen standhalten kann. Der rostfreie Stahl oder ein ähnliches Material sorgt auch für gute Hochspannungsstabilität im Vergleich zu Kupfer, wäh­ rend das Kupfer für ein effektives Wärmemanagement sorgt. So­ mit verwendet die Erfindung die beste Kombination von einem Material mit hoher Leitfähigkeit (z. B. Kupfer) und einem Ma­ terial mit großer Festigkeit, großer Steifigkeit und großer Härte (z. B. rostfreiem Stahl).

Weiterhin wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 erfin­ dungsgemäß ein Rahmen 44 aus rostfreiem Stahl oder einem ähn­ lichen Material vorgeschlagen, der ein integrales Beryllium- Röntgenstrahlenfenster 50 aufweist, das durch einen Kup­ fereinsatz 52 getragen wird. Es ist bekannt, daß Kupfer ein wünschenswertes Gegenstück für Beryllium-Röntgenfenster ist aufgrund seiner Fähigkeit, Wärme von dem Beryllium abzuleiten und möglicherweise zerstörerische thermische Gradienten zu vermeiden. Die Kombination von einem Kupfereinsatz 52 und ei­ nem Rahmen 44 aus rostfreiem Stahl sorgt für die Robustheit, d. h. Abmessungsstabilität bei Temperatur, die erforderlich ist, um die Belastungen bei Unter-Sekunden Abtastungen und Vakuum zu unterstützen, während das Gewicht minimiert wird. Weiterhin sorgt das eine große Härte aufweisende Material (z. B. rostfreier Stahl) für eine gute Hochspannungsstabili­ tät.

Claims (7)

1. Röntgenröhre mit einer Anodenanordnung (12), der eine Anode zugeordnet ist, und einer Kathodenanordnung (14), die ein fokussiertes Elektronenbündel auf die Anode richtet, gekennzeichnet durch einen Rahmen (44) aus einem Ma­ terial mit großer Härte, Steifigkeit und Festigkeit zum Kap­ seln der Anodenanordnung (12) und der Kathodenanordnung (14), ein mit dem Rahmen (44) einstückiges Röntgenfenster (50) und
einen Einsatz (52) aus einem Material hoher Leitfä­ higkeit zum Haltern des Röntgenfensters (50).

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rahmen (44) einen Rahmen aus rostfreiem Stahl aufweist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einsatz (52) einen Kupfereinsatz aufweist.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Röntgenfenster (50) ein Beryllium-Röntgen­ fenster aufweist.

5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (44) für die Auf­ rechterhaltung des Vakuums bzw. Unterdrucks über der Lebens­ dauer der Röntgenröhre sorgt.

6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (44) die Abmessungs­ stabilität bei Betriebstemperaturen unter Gestell- und Vaku­ umlasten mit minimalem Gewicht aufrecht erhält.

7. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenröhre Hochspannungs­ stabilität aufrechterhält durch Maximieren der Verwendung des eine große Härte aufweisenden Materials.