DE2447570A1

DE2447570A1 - Roentgenroehre mit drehanode

Info

Publication number: DE2447570A1
Application number: DE19742447570
Authority: DE
Inventors: Dieter Marschall; Wijbe Johannes Oosterkamp
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-10-15
Filing date: 1974-10-05
Publication date: 1975-04-17
Also published as: USB513706I5; JPS5074987A; FR2247813B3; NL7314131A; US3986064A; GB1488023A; FR2247813A1

Description

Röntgenröhre mit Drehanode

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer von einem Elektronenstrahl in einer Auftreffbahn zu bestrahlenden drehbaren Anode.

Die Bildschärfe von Röntgenbildaufnahmen, die mit einer derartigen Röntgenröhre als Strahlungsquelle gemacht· werden, ist von der Breite des Elektronenstrahles an der Stelle, an der er die Anode trifft, stark abhängig. In bekannten Röntgenröhren ist daher versucht, einen möglichst schmalen Brennfleck zu verwirklichen,. Dabei ist jedoch eine Untergrenze gesetzt, da einerseits eine genügend grosse Strahlungsdpsis erzeugt werden muss und andererseits die Anodenternperatür, auch stellenweise, einen bestimmten vom

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Änodenmaterial abhängigen Vert nicht überschreiten darf. Die Stromdichte im Brennfleck wird dabei meistens möglichst einheitlich gemacht, oder es wird, wie in der deutschen Patentschrift 1 165 769 beschrieben, eine grössere Stroindichte an den Begrenzungen des Brennflecks als im Zentrum angestrebt.

Aus Betrachtungen von Bouwers in der Zeitschrift "Fortschritte auf dem Gebiete der Röntgenstrahlen" 4? (i933)_f Seite 703 ff ist für eine stillstehende Anode abgeleitet, dass bei einer Obergrenze für die an der Stelle zulässige Anodentemperatur die zu erzeugende Röntgenstrahlungsdosis maximal ist, wenn, di.e Anodenbelastung in der Zeit t gemessen gemäss 1/V""t verläuft. Analog zu dieser in der Zeit gemessenen Stromdichteverteilung haben die Erfinder berechnet, dass bei einer drehenden Anodenscheibe, unter entsprechenden Eins ehränkungen,^ eine optimale Strahluigsausbeute erzielt wird, wenn die Belastungsverteilung gemäss 1/V~x verläuft, wenn in der Bewegungsrichtung χ der Anode in bezug auf den Brennfleck gemessen wird.

Erfindungsgemäss ist eine Röntgenröhre der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl die Anode mit einem Brennfleck trifft, in dem die Intensitätsverteilung, die in der Fortbewegungsrichtung der Ano'de in bezug auf den Brennfleck gemessen wird, von einem Maximalwert wenigstens nahezu geraäss 1/ /"x absinkt.

Für eine maximal zulässige örtliche Temperatur und

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eine bestimmte Strahlungsdosis kann mit dieser Belastungsverteilung eine minimale Brennfleckbreite verwirklicht werden. Es hat sich gezeigt, dass nicht nur eine minimalo Brennfleckbreite verwirklicht werden kann, sondern auch dass, besonders für die Darstellung von Einzelheiten, eine wesentlich bessere Modulationsübertragungsfunktion erhalten wird. Mit einer erfindungsgemässeh Röntgenröhre werden also bei gleicher Leistung R8ntgena\if nahmen mit wesentlich grösserer Detailschilrfe gemacht werden können.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand einiger in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten AusfUhrungsform einer erfindungsgemässen Röntgenröhre,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kathode für eine erfindvmgsgemässe Röntgenröhre in der Perspektive,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Strom— dichteverteilung im Brennfleck einer erfindungsgemässen Röntgenröhre angibt, und

Fig. h eine-graphische Darstellung, die für einige Stromdichteverteilungen im Brennfleck die Modulationsübertragung· sfunktion als Funktion der Frequenz angibt.

Von einer Röntgenröhre 1 sind in Fig. 1 eine Röhrenwand 2 rnjft einem Röiitgenstrahlungsaustrittsfenster 3 und einer Durchführung k für die Zuleitungen 5 über eine Kathode dargestellt. Die Kathode hat einen Heizfaden 7_t von dein ein

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emittierender Teil 8 zum Beispiel aus einem Streifen Kathodenmaterial mit einem in Breitenrichtung keilförmig verlaufenden Querschnitt besteht. Beim Betrieb emittiert der Streifen 8 durch eine schlitzförmige Oeffnung 9 in einer Kathodenbüchse 10 einen Elektronenstrahl 11, der in Richtung einer Anode 12 beschleunigt wird und sie in einem Brennfleck 13 trifft. Die Anode 12 wird über eine Welle lh von einer Antriebsvorrichtung 15 mit einer Drehzahl von z.B. 9000 U/min ins Drehen versetzt. Zuleitungen sind über einen Durchgang in der Röhrenwand 2 zur Drehanodeneinrichtung durchgeführt. Durch Rotation der Anode 12 durchläuft der Brennfleck 13 eine kreisförmige Brennfleckbahn und es wird ein Röntgenstrahl· bündel erzeugt, das durch das Fenster 3 heraustritt. Die Kathode in Drehanodenröhren von diesem Typ kann auch doppelt ausgeführt werden und enthält dann z.B. zwei nebeneinander liegende Streifen 8 und Oeffnungen 9. Die Brennfleckbahnen für diese zwei Quellen bilden z.B. zwei konzentrische Kreise auf der Anode. Hierdurch kann ein verschiedener Objektpunkt für den Röntgenstrahl gewählt oder können dadurch, dass die Anodenscheibe aus unterschiedlichen Teilen verschiedenen Materials aufgebaut ist, Röntgenstrahlen mit einer verschiedenen Wellenlänge erzeugt werden.

In Fig. 2 ist ein Teil der Kathode 6 in der Perspektive vergrBssert dargestellt. Der Streifen 8 hat z.B. eine LSnge von wenigen mm, eine Breite von ungefähr 0,1 mm und eine Dicke, die von ungefähr 0,1 zu0>,fr1 mm verläuft. Diese

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Abmessungen dienen nur für ein. besseresVerständnis der Erfindung und können in jeder Hinsicht dem Aufbau einer praktischen Röntgenquelle angepasst -werden. Der Heizstrom teilt sich beim Durchlaufen des Streifens derart über seinen Querschnitt 20, dass überall die gleiche Stromdichte herrscht. Weil der Streifen an der Seite 21" dicker als an der Seite ist, tritt im stationären Zustand ein senkrecht auf dem Streifen stehender Temperaturgradient auf derart, dass der Streifen nahe der Seitenfläche 21 eine höhere Temperatur als nahe der Seitenfläche 22. annimmt. Demzufolge ist die Emission der emittierenden Oberfläche 23 nahe der Seitenfläche 2.1 höher als nahe der Seitenfläche 22. Bei geeigneter Bemessung des Streifens (vgl. dazu Zwikker in der Dissertation 1926 Amsterdam), kann eine Emissio-nsdichte verwirklicht werden, deren Verlauf sich der Kurve 1/ f"x nähert, wobei χ in der Breitenrichtung des Streifens gemessen ist. Indem der Streifen 8 länger als der Schlitz 9 gemacht wird, können zur Vermeidung störender Randeffekte die Anschlüsse des Streifens mit den Zufuhrungsdrähten 7 hinter die Anodenkappe 10 verlegt werden. Die Anodenscheibe dreht sich in einer durch eine Pfeilspitze Zh angegebene Richtung. Diese Drehrichtung muss immer beibehalten werden, weil · sonst eine inverse Dichteverteilung im Brennfleck auftritt (was selbstverständlich eine Susserst .mangelhafte Bildqualität verursacht). Trifft ein Elektronenstrahl mit einer Dichteverteilung gleich 1/ [Tx die Anode, wird sie stellenweise

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derart erhitzt, dass unter dem Brennfleck annähernd ein isothermes Gebiet entsteht. In einer erfindungsgemässen Röntgenröhre ist statt einer einheitlichen Stromdichte im Elektronenstrahl wie bei bekannten Röntgenröhren eine einheitliche Temperaturverteilung unter dem Brennfleck angestrebt. Weil gerade die stellenweise stark ansteigende Temperatur die Zerstörung der Anodenscheibe herbeiführt, kann daher eine längere Lebensdauer oder eine höhere stellenweise Belastung und dadurch eine höhere Strahlungsdosis oder ein schmalerer Brennfl'eck verwirklicht werden.

In vorbeschriebener Ausführung wird ein Temperaturgradient über den Streifen 8 durch Dickenunterschied des Materials in Breitenrichtung erzeugt. Ein entsprechender Temperaturgradient kann bei einem indirekt erhitzten Streifen einheitlicher Dicke dadurch erzeugt werden, dass der wärmeübertragung des Heizelementes auf dan Streifen in Breitenrichtung betrachtet ein entsprechender Verlauf erteilt wird. Dies ist z.B. durch Anordnen eines Heizelementes unter einem Winkel unter dem Streifen oder nur eines Wärmekontaktes auf einer langen Seite des Streifens verwirklichbar. Auch kann die Emissionsdichte durch eine Aenderung des Austrittspotentials des emittierenden Materials in Breitenrichtung der Oberfläche 23 des Streifens variiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die gewünschte Stromdichteverteilung durch elektronenoptische Mittel verwirklicht, wodurch an der emittierenden Oberfläche ein FeIdstärkegradient auftritt.

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In Pig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Kathode zur näherungsweisen Realisierung der erfindungsgemäßen Elektronenverteilung im Brennfleck schematisch dargestellt. Dabei ist mit 30 der der Anode zugewandte Teil der Kathode, der sogenannte Kathodenkopf, bezeichnet, in dessen Innern sich in einem Schlitz 34 ein Heizfaden bzw. eine Heizwendel 33 befindet. Der Kathodenaufbau entspricht im wesentlichen dem herkömmlicher Kathoden, jedoch wird der Schlitz 34 durch ein unsymmetrisches Gesenk mit den Teilen 31, 32 begrenzt, wobei das Gesenkteil 32 näher an die Anode heranreicht. Dadurch wird das - bei einer herkömmlichen Kathode symmetrische elektrische Feld zwischen Anode und Kathode so beeinflußt, daß die aus dem Heizfaden emittierten Elektronen stärker nach links - zum Gesenkteil 31 hin - gelenkt werden. Die gewünschte Elektronenverteilung ergibt sich hierbei, wenn die Drehrichtung der Anode so gewählt ist, daß ein Punkt auf der Brennfleckbahn zuerst das Gesenkteil 31 passiert.

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Fig. 3 zeigt eine Stromdichteverteilung in einem Brennfleck nach der Erfindung. Ab einem Wert Imai, sinkt die Stromdichte mit 1/ Γ~χ auf einen Mindestwert Imin. Beide Extremwerte werden aufgrund praktischer Erwägungen bestimmt. Einerseits hat eine unendlich hohe Stromdichte für χ = O keine praktische Bedeutung, andererseits trägt ein weiterer Ausläufer an der Seite mit niedriger Intensität nicht mehr wirklich zu der zu erzeugenden Röntgenstrahlungsdosis bei. In einem Verhältnis z.B. eines Faktors 10 zwischen Iraax. und irain. ist bereits eine gute Näherung der theoretisch optimalen Verteilung verwirklichbar. In der Praxis steigt die Dichte von x=0 aus zunächst sehr steil an, z.B. wie mit dor gestrichelten Linie in Fig. 3 angegeben ist.

In Fig. k ist die ModulationsObertragungsfunktion (MTF) für einen Brennfleck mit einer erfindungsgemässen Stromdichteverteilung als Funktion der Ortsfrequenz, hier in Linienanzahl pro mm gemessen, mit einer Kurve ho angegeben. Für eine im übrigen gleiche Situation ist diese Funktion auch für eine Gauss¹sehe Verteilungskurve (4i) und für eine einheitliche Verteilungskurve (42) gegeben. An jenen Stellen, an denen die Kurve hZ die Nullinie unterschreitet, ist die Rede von Scheinauflösung, weil dort Modulation im Bild und im Objekt gegensinnig ist. Diese Situation tritt bei der erfindungsgemässen Verteilung nicht ein. Aus der Fig. k ist es deutlich, dass die Modulationsübertragungsfunktion für die Intensitätsverteilung oder die Belastung nach der

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Erfindung im ganzen Frequenzbereich, aber insbesondere für Frequenzen über 0,5 l/nun, günstiger ist als für bekannte Verteilungen. Randeffekte sind bei der Bestimmung der Kurven nach Fig. k vernachlässigt, oder mit anderen Worten man hat mit einem Brennfleck gerechnet, dessen Länge in bezug auf seine Breite gross ist, z.B. mit einer Rö*nt genquell ο wie oben an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf, und obgleich die Randeffekte grosser und schwieriger reduzierbar sind, kann auch für einen Brennfleck mit einem anderen Querschnitt, z.B. einen Kreis, eine Stromdichteverteilung gemäss Fig. 3 angenähert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform bedient man sich dazu einer runden emittierenden Scheibe, die in Drehrichtung der Anode schräg unter der Kathodenbüchse montiert und z.B. in Richtung einer parallel zur Bewegungsrichtung· der Anode liegenden Mittellinie eingedrückt ist.

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PATENTANSPRÜCHE:

1.) Röntgenröhre mit einer von einem Elektronenstrahl in einem Brennfleck zu bestrahlenden drehbaren Anode, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl die Anode (12) in einem Brennfleck (l3) trifft, in dem die Stromdichteverteilting, die in der Drehrichtung χ der' Anode in bezug auf den Brennfleck gemessen wird, von einem Maximalwert wenigstens ungefähr gemäss 1/ V"x abnimmt*

2, Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, dass die Kathode zum Erzeugen des Elektronenstrahles so ausgebildet ist, dass die Stromdichteverteilung von einem Maximalwert gemäss 1/ (Tx absinkt.

3· .Röntgenröhre nach. .Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das emittierende Element der Kathode aus einem Streifen mit einem senkrecht auf der .StromdurchfUhrungsrichtung keilförmig abnehmenden,Querschnitt besteht und die Anode sich in bezug auf den Brennfleck zur dünneren Streifenseite hin bewegt»

k. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode ein indirekt zu erhitzendes emittierendes Element enthält und der Wärmekontakt zwischen dem Heizelement und dem emittierenden Element in Drehrichtung der Anode gemessen abnimmt»

5» Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das emittierende Element der Kathode an seiner der Anode zugewandten Seite aus einem Material besteht, dessen Emissionsvermögen in der Drehrichtung der Anode abnimmt«

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6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode einen in einem unsymmetrischen Kathodengesenk (311 32) angeordneten Heizfaden (33) enthält, wobei die Drehrichtung der Anode so gewählt ist, daß zuerst der von der Anode weiter entfernte Teil (31) des Kathodengesenkes (311 32) passiert wird.

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