DE2631516B2

DE2631516B2 - Röntgenröhre zur Verwendung bei der Radiotomographie

Info

Publication number: DE2631516B2
Application number: DE762631516A
Authority: DE
Inventors: Eric William Sunbury-On-Thames Middlesex Bull (Grossbritannien)
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1975-07-11
Filing date: 1976-07-10
Publication date: 1979-03-08
Also published as: US4039807A; JPS5927074B2; DE2631516A1; FR2317849A1; FR2317849B1; NL183374C; DE2631516C3; NL7607715A; NL183374B; GB1547964A; JPS5211791A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs '. Eine solche Röntgenröhre wim in der älteren deutschen Anmeldung P 25 51 322.8-35 vorgeschlagen.

In der DE-OS 25 51322 ist ein radiographisches Gerät vorgeschlagen, bei dem eine nicht-mechanische Abtastung erfolgt. Dies wird dadurch bewirkt, daß ein Elektronenstrahl, der auf die Antikathode der Röntgenröhre trifft, in einer Richtung senkrecht zu seinem Weg abgelenkt wird. Die Ablenkung erfolgt dabei durch Spulen. Der Auftreffbereich des Elektronenstrahls bildet den Ursprung der emittierten Röntgenstrahlen, und durch die Ablenkung wird der Ursprung der Röntgenstrahlen verlagert, so daß die erforderliche Abtastbewegung eintritt.

Zwar kann der Elektronenstrahl aus einem einfachen dünnen Strahlenbündel bestehen, jedoch ist ein Elektronenstrahlenbündel von Vorteil, das in nicht ausgelenktem Zustand ein schmales Band darstellt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die zur Ablenkung des Elektronenstrahlenbündels verwendeten Felder zu einer Verzerrung des bandförmigen Elektronenstrahlcnbündels führen. Hierdurch wird der Auftreffbcrcich auf der Antikathode verzerrt und damit ergibt sich auch eine Verzerrung des Röntgenstrahl. Diese Verzerrung ist unerwünscht. Eine Verzerrung des Röntgenstrahl kann ferner als Folge eines schrägen Auftreffwinkels des bandförmigen Elektronenstrahlenbündels auf die Antikathode eintreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre zu schaffen, bei der das Elektronenstrahlenbündel während der Abtastung mit der gleichen Orientierung auf die Antikathode auftrifft und damit Verzerrungen der obengenannten Art beseitigt werden.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs I gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeutet

F i g. I ein Gurät mit einer die F.rfindung verkörpernden Röntgenröhre,

F i g. 2, 3a und 3b Diagramme /ur Erläuterung der Wirkungsweise der crfindungsgcmäßcn Röntgenröhre,

Fig.4 ein Diagramm zur Erläuterung einer An von Verzerrung des Elekironenstrahlenbündels,

F i g. 5 eine Spulenanordnung /ur Korrektur dieser Verzerrung,

Fig.6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Effekts im Auftreffbereich der Antikathode bei Ablenkung des Elektronensirahlenbündels und

Fig. 7 eine Spulenanordnung zur Korrektur dieses Effekts.

F i g. I zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel eines Abtastgerätes für axiale Tomographie unter Verwendung von Datenverarbeitungsmitteln, in dem eine erfindur.gsgemäß ausgebildete Röntgenröhre verwendet wird.

Ein im Querschnitt dargestellter Körper ! eines zu untersuchenden Patienten befindet sich auf einem ebenfalls im Querschnitt dargestellten Belt 2. Ein Materiü¹ 3. das für die Röntgenstrahlung eine Absorption besitzt, die etwa gleich der Absorption des Körpergewebes ist, befindet sich zwischen dem Körper 1 und dem Bett 2, um dazwischen befindliche Luft zu verdrängen.

Das Material 3 erstreckt sich auch teilweise um den Körper, damit ein etwa kreisförmiger Querschnitt für die Strahlung geschaffen wird. Durch einen Haltestreifen 4 wird der Körper fest in der gewünschten Lage gehalten.

Das Bett 2 und der Körper 1 werden in eine Öffnung 5 in einem drehbaren Träger 6 eingeführt, so daß ein gewünschter Teil des Körpers in der Ausnehmung zentriert wird. Der Träger 6 ist um eine Achse 7 drehbar, die in Längsrichtung des Körpers I und damit senkrecht zur Papierebene verläuft. Aus diesem Grunde ist der Träger 6 auf drei Zahnrädern 8;/. b, c gelagert, die mit nicht dargestellten, am Umfang des Trägers 6 angebrachten Zähnen in Eingriff sind. Die Zahnräder 8 sind in einem Hauptrahmen 9 des Gerätes gelagert. Der Träger 6 wird durch einen Elektromotor 10 über einen Zahnriemen 11 angetrieben, der den Träger 6 an einer Stelle umschlingt, die gegenüber den Zahnrädern 8 in einer zur Papierebenc senkrechten Richtung versetzt ist.

Auf dem Träger 6 sind ferner eine Röntgenstrahlen 13 aussendende Röntgenröhre 12, eine Bank von Detektoren 14 und zugeordnete Kollimatoren 14' gelagert.

Die Röntgenröhre 12 enthält cm· längliche Antikathodenanordnung 15, 16. eine Elektronenkanone 17. die ein Elektroncnstrahlenbündel 18 erzeugt, und Ablenkspulen 19, die als Toroid dargestellt sind jedoch können beispielsweise im Bedarfsfall auch Sattelspulen oder Ablenkplatten verwendet werden. Es sind zwei Endpositionen 20<) und 20c der Punktquclle dargestellt, die Röntgenstrahlenfächer 13,mnd nccrzcugen, und es ist ersichtlich, daß in jeder Position der Punktquelle der Röntgenslrahlenfichcr 13 den zu untersuchenden Körper erfaßt und auf die Detektoren 14 auftrifft. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Detektoren in der Lage sind, die Strahlung bei allen Positionen der Punktquelle 20 zu empfangen, und daß die Kollimatoren 14' so ausgelegt sind, daß sie dies ermöglichen.

Im Betrieb empfangen die Detektoren Strahlung von der Punktquelle 20. Der Motor 10 bewirkt eine kontinuierliche Drehung des Trägers 6 und des darauf angeordneten Zubehörs, und die Ausgange der Detektoren werden über geeignete Zeiträume integriert, um Ausgangssignalc zu erzeugen, die ein Maß für die Strahlung sind, die 'len Körper entlang diskreter Strahlenwege durchquert. Die Abtaslbcwegung der Punktqueile 20 entlang der Antikathode 15, 16 stein in vorgegebener Beziehung zu der Drehbewegung, damit die .Strahlenwege eine gewünschte Orientierung iiii Körper aufweisen. Die Ausgangssignale können dann in einer Daienverarbeitungsschaltung 36 verarbeitet «er den, um eine Darstellung der Verteilung der Absorption der Strahlung in einem Bereich des Körpers auf einer Anzeigeeinheit 37 zu erzeugen.

Die Teile 21 bis 25 sind Bestandteile eines Taktgebers.

F i g. 2 zeigt die Röntgenröhre 12 in größeren Einzelheiten, wobei jedoch Teile, die zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, fongelassen wurden.

Das Elekironenstrahlenbündel 18 wird fokussiert und trifft auf die Antikathode 15 in einem Bereich, der geringe Abmessungen in Richtung der Α-Achse aufweist. Die Antikathode 15, die aus Wolfram bestehen kann, ist in den Antikaihodenkörper 16 eingesetzt, der sich auf positiver Hochspannung in bezug auf die Elektronenkanone Π befindet. Der Antikaihodenkörper 16 kann aus Kupfer bestehen und wird in Lern erforderlichen Maß gekühlt. Der Aniikathodenkörpci und die Antikathode können einen Querschnitt aufweisen, der auch bei bekannten Röntgenstrahlenröhren zu finden Ι· ι. Bei der hier beschriebenen Anordnung besitzen sie jedoch noch c.ne Längenausdehnung in der Α-Richtung. Eine elektronische Strahlablenkanordnung 19. die in Fig. 1 schematisch durch ein Toroid dargestellt ist. dient zur Erzeugung einer Abtastbewegung des Elektronenstrahls auf der Antikathode 15 in der Α-Richtung, so daß dieser auf der Antikathode aufeinanderfolgende Positionen einnimmt, von denen die Positionen 18a, 18£> und 18c dargestellt sind. Von der Antikathode werden Röntgenstrahlen 13 an den Stellen emittiert, an denen der Elektronenstrahl auftrifft, und zwar vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 50 zum Elektronenstrahlenbündel, wobei Röntgenstrahlen erzeugt werden, die eine Energie im Bereich von 10 KeV besitzen. Es sind nachfolgend noch näher erläuterte Kollimatoren vorgesehen, um die von der Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlen weitgehend auf die durch Pfeile 13 angedeutete Richtung zu begrenzen, und diese Röntgenstrahlen können dann die Röhre durch ein Fenster verlassen.

Die bereits erwähnte lineare AbtastHcwegung wird dadurch erzeugt, daß die Ablenkanordnung 19 das Elekironenstrahlenbündei 18 in Längsrichtung des Fangschirms 15 ablenkt.

F i g. 3 zeigt eine Kollimatoranordnung zur Begrenzung der emittierten Röntgenstrahlen auf den gewünschten Bereich, wobei die Koordinaten \. \ und / den Koordinaten in F i g. 2 entsprechen. Die AbtaM-bewcgung des Röntgenstrahl in v-Richtung ist durch d^;e d, C; Positionen 13,;. 136 und 13c angedeutet, die den Elektronenstrarileubündeln S8,#. ίob und loc in F i t:. 2 zugeordnet sind. Jcr Röntgenstrahl ist durch einen Schlitz 26 in eir.jm absorbierenden Schirm 27 begrenzt, so daß er in v-Kichtung einen Bereich bestrahlt, der nicht größer ist ;»fs die erforderliche Dicke des zu untersuchenden Bereichs des Körpers. Der absorbierende Schirm 27 kann in der Wandung der RöniL'en strahlcnröhre oder innerhalb bzw. außerhalb der Röhre angeordnet werden. Die Länge des Schlitzes 26 ist so bemessen, daß der gewünschte Abtastbereich überstrichen wird.

Die in soweit beschriebene Anordnung entsprich! in ihren wesentlichen Punkten der in der Patentanmeldung P 2*3 51 322.8-35 vorgeschlagenen Anordnung Das

F.lektronensirahlenbündel 18 im biinclförmig atisgebil det. so daß es anF clic Antikathode 15 entlang einer Linie aiif'.rifft. die senkrecht zur v-Achsc verläuft, so daß ein Röntgenstrahl mit der gewünschten Dicke in tier v-Richtung gemalt I'ig. Ja erzeugt wird. Ls isi erforderlich, dall in allen Positionen der Röntgenstrahlcnpunktquelle auf der Antikathode 15 die Auftrefflinie der Elektronen senkrecht zur \-Richtung verläuft, um eine unerwünschte Verzerrung des Röntgenstrahl zu verhindern. Zwei Faktoren neigen jedoch dazu, den Fleklronenstrahlenhündelriiierschnill zu verzerren. Heide Faktoren können jedoch durch Modifikation der Ablenkanordnung für den Elektronens'.rahl dadurch korrigiert werden, dal! die Form des LlekironenMrahlenbündels in der nachfolgend beschriebenen Weise geändert wird. Diese beiden Fakturen sind jedoch voneinander völlig verschiedene Fffekie und werden daher einzeln erläutert.

Das bandförmige Elektronenstrahlenbiindel besitzt große Abmessungen in der zur Laufrichtung der Elektronen senkrechten Richtung und verhältnismäßig geringe Abmessungen in hierzu senkrechter Richtung. Die Richtung der großen Abmessung, die als die Breite des Bandes bezeichnet werden kann, verläuft bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in der /Richtung, während die geringe, als Dicke bezeichnete Abmessung und die Laufrichtung hierzu senkrecht verlaufen und der \- und ι -Richtung entsprechen.

!;; F i g. 4 ist ein nicht abgelenktes F.lektronenstrahlcnbündcl 18 dargestellt, wobei die v- und /Achsen die dargestellte Orientierung aufweisen. Für die Abtastbewegung wird das Elektronensirahlenbündel nach rechts oder links in v-Richtung abgelenkt und sollte parallel zur /-Achse verlaufen. Fine übliche Ablenkspule mit kosinusförmiger Stromverteilung bewirkt jedoch eine Verzerrung bei der Ablenkung nach links oder rechts in die Form 18/. bzw. 18/?. Fine entsprechende Verzerrung wird dann auf der Auftrefflinie 18/. und 18/? auf der Antikathode 15 erzeugt. Der F.lektronenstrahlenbündelquerschnitt wird um einen Betrag vermindert, der von dieser Dicke und dem Quadrat des Ablenkwinkels abhängt, und es entsteht eine Krümmung, die proportional dem Ablenkwinkcl und dem Quadrat der Breite des Elektronenstrahlenbündelquerschnitts ist.

Dies kann zwar durch bekannte Mittel korrigiert werden, jedoch korrigieren diese Mittel nicht die Krümmung, und ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß auch diese Korrektur durchgeführt wird.

Eine Anordnung zur Korrektur der Breite des Elektronenstrahienbündelquerschnitts ist in F i g. 5 dargestellt. Auf einem toroidförmigen magnetischen Kern 33 sind Wicklungen 31a. b. c und 32a. b, c vorgesehen. Hierfür kann der für die Hauptablenkspulen dienende Kern verwendet werden, oder es kann ein gesonderter Kern vorgesehen werden. Die Windungen nehmen dabei auf dem Kern etwa eine Länge ein, die der Strahlbreite entspricht. Die äußeren Abschnitte 31a. c und 32a. c sind jeweils in gleicher Richtung gewickelte T-Windungen und lenken die äußeren Teile des Strahls in einer Richtung ab. während die mittleren Abschnitte 316 und 326 jeweils gegensinnig gewickelte 2 T-Windungen sind und die Mitte des Strahls in entgegengesetzter Richtung ablenken. Die erzeugten Felder sind durch die gestrichelten Linien angedeutet und es ist ersichtlich, daß mit dieser Anordnung die in Fig.4 dargestellte Krümmung korrigiert werden kann.

Der durch die Spulen lliel.tende Strom besitzt die gleicht Wellenform wie der I lauptablenkstrom. wobei clit Amplitude auf die Korrektur abgestellt ist.

Die zweite form der Verzerrung der Röntgen strahlen rührt aus der Anordnung der verwendeter Röntgcnstrahlenantikathode und dem Auftreffen de? abgelenkten Elektronenstrahls auf dieser her. Diese Anordnung ist in F i g. b perspektivisch dargestellt. Ir dieser Figur stellt die durch ausgezogene Linien umrissene Oberfläche HMI.K einen Teil der Oberfläche der Antikathode 15 dar. auf die die Elektronen von link' auftreffen. Mögliche Positionen des Elektroncnslrahlenbündeis sind durch mit Pfeilen versehene Linier dargestellt, und es sind einige unterbrochene Linier eingezeichnet, um das Verständnis der Geometrie dei Anordnung besser zu verstehen. Aus dem gleicher Cirunde sind auch einige rechte Winkel eingezeichnet Die Antikathode HMl.K ist unter einem Winkel λ zi der v/Ebene HIIK geneigt, damit die emittierter Röntgenstrahlen in eine gewünschte Richtung nach unten gelenkt werden. Das nicht abgelenkte Elek tioncnsirahlenbündel 18 schneidet die Ebene Hl/K be BR und trifft auf die Antikathode an der Linie IiS ir einer /i-Ebene auf und ist unter dem Winkel 'x zui /Achse geneigt. Ein abgelenktes, von derselben Quelk ausgesandtes Elekironensirai.lenbündel schneidet dit Eben-; IUjK an einer anderen Stelle. Aus Gründen dei Geome'rie ist es jedoch zweckmäßig davon auszugehen, daß eine Ablenkung mit einem Winkel H durch Bewegung der Quelle erzeugt worden ist, so daß eir abgelenkter Strahl 18/? die Ebene HIIK auf derselber Linie IiR schneidet, wobei die Ablenkung lediglich ir einer vi-Ebenc erfolgt. In diesem Fall ist ersichtlich. daC das abgelenkte Elektronenstrahlcnbündel 18/? die Antikathode auf der Linie BG trifft, und daß wegen der Neigung der Antikathode die Linie BG in .v-Richtung geneigt ist. Hierdurch wird eine unerwünschte Ver zerrung des Röntgenstrahl erzeugt, die korrigierl werden muß. wobei es ideal wäre, wenn die Auflrefflinic eines Strahls auf dem Ziel stets in einer y/-Ebene läge.

Es ist ersichtlich, daß der gewünschte Effekt bei einem .Strahlablenkwinkel θ erreicht wird, wenn das Elektronenstrahlenbündel entlang einer Linie NG, die parallel zur Linie ßSist. auftrifft. Es ist ferner ersichtlich daß ein abgelenkter Strahl 18/?'. für den dies zutrifft, die Ebene Hl/K entlang einer Linie NR schneidet, die untei einem Winkel β zu BR geneigt ist. Tatsächlich wird die Korrektur durch Verkanten des abgelenkten Strahl? unter einem Winkel β zur z-Richtung erreicht.

Dabei gilt, daß

und

lana <-> =

tanü \ =

SG RS

RS

r.R

und daß tarn· (-> ■ tanu \ =

SG BR

= SG

hO D γ

somit ist tanü ,; = ^: und da BN
üilt: tang;/ = tang H ■ tang λ

Das Gerät ist daher so ausgebildet, daß da; abgelenkte Elektronenstrahlenbündel durch den ir

(ileicliiing(l) in Abhängigkeit vom Ahlciikwinkel M ιιικΙ \iiiii Ncifjii ii^sw inkcl \ dcfmierlcii Winkel jt jicilruh· wird.

Die in Ii μ. 7 dargesiellte Anordnung zeigl vier Spulen i4n. b iii.d 35;;. /'. die um oincn toroidalen Kern Jh gewickelt sind, der gleich ausgebildet ist wieder Kern \λ in I i g. ">. Die lliilften ;i und b eines Spulenp;iiires hüben eine gleiche An/;ihl von Windungen, wobei die beil!; ι Hälften gegensinnig gepolt sind, clsiniil diis durch gestrichelte Linien angedeutete Feld er/eugl wird. Kin tiing H proportioiiiilcr Abliislslroni wird bei konstüntein liing λ den Spulen mil einer solchen Amplitude /ugcfülirl. diil! d;is I'.IckironensiriihlenbOndcl in nllen Abliislposilionen verlikiil bleibt.

l-s sei bemerkt. diiH die bei beiden Heispielen iliirgeslelllen loroidk'/ine für sieh üllein vorhiinden sein oder im liediirfsfiill iiiich die Windungen der Ihiuplüblenkspnle iiiilnehmen ki'ninen. An Stelle eines Toroids können üiich rechleekförmige Kerne oder Siilielspulen verwendet werden, um gleiche Ergebnisse /u er/ielen. und es kann auch eine elektrostatische Ablenkanordnung eingesetzt werden.

icizii 5 Mliill Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röntgenröhre zur Verwendung bei der Radiocomographie, mit einer Kathode zur Aussendung eines Elektronenstrahlenbündels, das verhältnismäßig schmal in einer ersten, zur Laufrichtung der Elektronen senkrechten Richtung (x)ist, mit einer sich in die erste Richtung (x) erstreckenden Antikathode, deren Oberfläche zu einer zweiten Richtung (z), die zur ersten Richtung und zur Laufrichtung der Elektronen senkrecht ist, so geneigt ist, daß beim Auftreffen des Elektronenstrahlenbündels Röntgenstrahlen in eine gewählte Richtung, die die zweite Richtung (z) sein kann, austreten, und mit einer Ablenkanordnung, durch deren Feld das Elektronenstrahlenbündel so ablenkbar ist, daß sein Auftreffbereich auf der Antikathode eine Bewegung in der ersten Richtung (x) ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstraiilenbündel bandförmig ist, wobei sich seine breitere Abmessung in die zweite Richtung (z) erstreckt, und daß zusätzliche Ablenkelemente (31, 32 und/oder 34, 35) zur Erzeugung eines Korrekturfeldes vorgesehen sind, das die Form des Elektronenstrahlenbündels (18) derart ändert, daß der Auftreffbereich (NC) des abgelenkten Elektronenstrahlenbündels auf der Antikathode (15) geradlinig und parallel zum Auftreffbereich (135) des unabgelenkten Strahls bleibt.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicli'iet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente (31,32) zur Erzeugung des Korrekturfeldesso angeordnet und ausgebildet sind, daß sie in Abhängigkeit vom Maß der Ablenkung die Krümmung des Auftreffbereichs koirigieren, indem eine Vorkrümmung des Elektronenstrahlenbündels (18) eingeführt wird, die von der Ablenkung abhängt.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente (31, 32) so ausgelegt sind, daß sie zusätzlich die Mitte des Elektronenstrahlenbündelquerschnitts in eine Richtung und die äußeren Bereiche des Elekironenstrahlenbündelquerschnitts in die entgegengesetzte Richtung ablenken.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente aus mehreren, zu beiden Seiten des Elektronenstrahlenbündels in der ersten Richtung ^angeordneten Spulen (31a, b. c;32a. b. c) bestehen.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente aus sechs Spulen (31a, b, c;32a, b, cjbestchen, von denen benachbarte Spulen Magnetfelder mit entgegengesetzter Polarität erzeugen.

6. Röntgenröhre nach Anspruch 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (31, 32) in ein Spulensystem eingeschlossen sind, das zugleich die Ablenkanordnung bildet.

7. Röntgenröhre nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelementc /ur Erzeugung des Korrekturfeldes (31, 32) so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie den Elektronenstrahlenbündclqucrschnitt (18) /Lim nicht abgelenkten F.lcktronenstrahlenbündel um einen von der Ablenkung abhängigen Winkel so neigen, daß der Auftreffbereich des abgelenkten Elektronenstrahlenbündels trotz der geneigten Anorcl-

nung der Antikathoden-Oberfläche parallel zum nicht abgelenkten Elektronenstrahlenbündel bleibt.

8. Röntgenröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemenie so ausgelegt sind, daß sie den Elektronenstrnhlenbündelquerschnitt um einen Winkel β zum nicht abgelenkten Strahl derart neigen, daß β gegeben ist als tang β = tang θ · tang /x, wobei θ der Ablenkwinkel und α der Winkel ist, unter dem die Antikathodenoberlläche zur zweiten Richtung (z) geneigt ist.

9. Röntgenröhre nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des Elektronenstrahlenbündels in der ersten Richtung (x) zwei Spulen (34a, b bzw. 35a, b) so angeordnet sind, daß benachbarte Spulen magnetische Felder mit entgegengesetzter Polarität erzeugen.

10. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 7 — 9, dadurch gekennzeichnet, daß die AblenKelemente aus einem Spulensystem bestehen, das zugleich auf die Kerne der Ablenkanordnung aufgebracht ist.