DE2842036A1

DE2842036A1 - Roentgenroehrenanordnung mit drehanode

Info

Publication number: DE2842036A1
Application number: DE19782842036
Authority: DE
Inventors: Martin Braun
Original assignee: Machlett Laboratories Inc
Current assignee: Machlett Laboratories Inc
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1978-09-27
Publication date: 1979-04-19
Also published as: FR2405555A1; GB2005911B; US4166231A; CH635705A5; FR2405555B1; JPS5461494A; GB2005911A; JPS60150765U; IT7851409A0; IT1106551B; CA1102864A

Description

j München, den 21. Sept. 1978 /WtI,

The Machlett Laboratories Inc., Stamford, Connecticut, Vereinigte Staaten von Amerika

Röntgenröhrenanordnung mit Drehanode

Bei Röntgenröhren üblicher Bauart wird gewöhnlich ein im wesentlichen rundes Austrittsfenster für die Röntgenstrahlung so nah wie möglich an den Brennfleck auf der Drehanode, wo die Röntgenstrahlung erzeugt wird, herangebracht. Auf diese Weise kann die Röhre durch das Austrittsfenster einen kegelförmigen Strahl abgeben, der sich wegen der Nähe des Austrittsfensters zum Brennfleck in seinem Querschnitt mit zunehmendem Abstand von der Röhre stark erweitert. Dadurch ist die Röhre in der Lage, einen relativ großen Flächenbereich zu bestrahlen, wobei Form und Größe dieses Flächenbereiches dadurch gesteuert werden können, daß der Röntgenstrahl durch einen geeigneten Kollinator hindurchgeleitet wird, der Randbereiche wegschneidet, so daß der Strahl auf eine vorbestimmte Fläche begrenzt werden kann.

Bei einigen Röhren, die für besondere Anwendungszwecke eingesetzt werden, ist es wünschenswert, einen fächerartigen Strahl zu erzeugen. Man erreicht dies dadurch, daß das Austrittsfenster die

909816/0704

Form eines langgestreckten Rechtecke bekommt. Ein Vorschlag in dieser Art ist der US-Patentanmeldung Nr. 719 026 zu entnehmen. Der Röntgenstrahl dieser Röhren ist zwar im wesentlichen fächerförmig, zeigt jedoch immer noch eine unerwünschte Divergenz in Richtung der kürzeren Abmessung des Fensters, da der Brennfleck, von dem die Röntgenstrahlen ausgehen, beträchtlich kleiner als die Fensterabmessungen ist.

In der mit Einsatz von Computern arbeitenden axialen Tomographie beispielsweise ist es in hohem Maße erwünscht, daß ein Röntgenstrahl abgegeben wird, der in der gewünschten Bildebene ein Strahlungsmuster abgibt, das lang und schmal in seiner Form ist, wobei die schmale Dimension so sein soll, daß in einem gegebenen Zeitaugenblick nur eine einzige, in einer Linie liegende Anordnung oder Reihe von Detektoren bestrahlt wird, während an diese Reihe angrenzende parallele Reihen zu beiden Seiten vom Strahl nicht miterfaßt werden. Es versteht sich, daß, wenn der Röntgenstrahl zu stark divergiert, auch die angrenzenden Detektorreihen mitbestrahlt werden.

Darüber hinaus hat man gefunden, daß von inneren Teilen der Röhre ausgehende, vagabundierende Strahlung gelegentlich aus dem Austrittsfenster austritt und mit einem unerwünschten Beitrag an Strahlung das Detektorsystem bestrahlt.

Mit der Erfindung soll eine Röntgenröhre der vorstehend beschriebenen Art dahingehend verbessert werden, daß sie einen parallelen, sich gewissermaßen nicht aufweitenden Röntgenstrahl abgibt. Hierdurch wird die dem Patienten zugefügte Strahlungsdosis verringert, und es wird möglich, einen genau entweder zylindrisch oder fächerförmig ausgebildeten Strahl auszusenden, der auf einen Bestrahlungsbereich begrenzt ist, welcher für tomographische Systeme geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß in der Weise,

90S816/07(H

daß bei einer Röntgenstrahlröhre der im Oberbegriff des anliegenden Anspruches 1 beschriebenen Art das Austrittsfenster an einer dem Brennfleck im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Stelle der Kolbenseitenwand angeordnet wird. In einer solchen Röhre verläuft der Strahl bereits über einen längeren Weg, bevor er das Austrittsfenster erreicht. Somit wird aus der Röhre ein paralleler, praktisch sich nicht aufweitender oder nicht divergenter Strahl abgegeben. Kollimationsmittel können innerhalb und/ oder außerhalb des Röhrenkolbens angeordnet werden.

Man hat herausgefunden, daß eine oder mehrere geeignete Öffnungen im Weg des Röntgenstrahls innerhalb der Röhre oder am Austrittsfenster angebracht sein können, um die Strahlung, die auf das Austrittsfenster hin gerichtet ist, zu kollimieren.

Streustrahlung wird durch den nach den Prinzipien der Erfindung gestalteten Aufbau von dem aus der Röhre abgegebenen Nutzstrahl ferngehalten und im wesentlichen vollkommen innerhalb der Röhre absorbiert.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 einen vertikalen Axialschnitt durch einen Röntgenstrahlgenerator;

Fig. 2 eine Teildarstellung des Generators aus Fig. 1 mit zusätzlicher innerer Kollimierung;

Fig. 3 eine Darstellung der wesentlichen Teile einer abgewandelten Form der Röntgenstrahlröhre;

Fig. 4 die gleiche Darstellung wie Fig. 3» jedoch mit zusätzlicher innerer Kollimierung;

909816/0704

Fig. 5 eine wiederum abgewandelte Ausführungsform

dee Röntgenstrahlgenerators im Axialschnitt.

In der Fig. 1 ist ein Röntgenstrahlgenerator 10 dargestellt, der ein Gehäuse 12 aufweist, innerhalb dessen eine Röntgenstrahlröhre l4 mit Drehanode untergebracht ist. Das Gehäuse kann von beliebiger geeigneter Gestalt sein und weist im vorliegenden Fall einen mittleren, im wesentlichen zylindrischen Abschnitt l6, einen Anodenendabschnitt 18 und einen Kathodenendabschnitt 20 auf. Die Röntgenstrahlröhre l4 hat einen für die Röntgenstrahlen durchlässigen Kolben 22, dessen Hauptabschnitt 24 innerhalb des mittleren Gehäuseteiles ±6 liegt, während ein engerer Halsteil 26 nach unten in den Anodenabschnitt l8 hineinragt und einen Rotor 28 umgibt, der durch das Ende des Kolbens hindurchtritt und durch den die Röhre auf einem festen Träger 33 über eine dafür vorgesehene Innenwand des Gehäuseabschnittes l8 getragen wird.

Ein Stator 32 umgibt den Halsabschnitt 26 des Kolbens und ist in geeigneter Weise am Kolbenabschnitt l8 befestigt. Ein Kabelgehäuse 34 ist auf der einen Seite im Gehäuseabschnitt l6 vorgesehen und enthält einen Anodenanschlußteil 36, in den ein (nicht gezeigtes) einpassendes elektrisches Kabel zum Zuführen von elektrischer Energie der geeigneten Spannung über den Draht 38 zur Röhre eingesetzt ist.

Über den Rotor 28 ist eine Hülse 40 gesetzt, deren als Kopfstück 42 ausgebildetes oberes Ende einen Wellenstumpf 44 trägt, auf dem ein Brennfleckträger 46 befestigt ist. Dieser in Fig. 1 gezeigte Brennfleckträger ist schalenförmig mit einem quer zur Achsrichtung verlaufenden Boden 48 und einem dickeren Randbereich 50, dessen innere Fläche schräg verläuft. Auf dieser inneren, schräg geneigten Fläche befindet sich die Brennfleckbahn 52, die aus einer Anzahl von radial verlaufenden, stiftartigen Elementen 54 gebildet ist, welche Seite an Seite nebeneinanderliegen. Die Stiftelemente 54 sind aus einem mit gutem Wirkungs-

909816/0704

grad Röntgenstrahlen erzeugenden Material wie Wolfram, während der Brennfleckträger und insbesondere sein Randabschnitt 50 aus einem Wärme gut absorbierenden Material wie Molybdän besteht.

Es versteht sich, daß der Anode während des Zuführen« des elektrischen Potentials eine hohe Umlaufgeschwindigkeit erteilt wird. Ein Beispiel einer Drehanode der vorstehend beschriebenen Art ist beispielsweise in der US-PS 3 842 305 der Anmelderin beschrieben. Auf diese Druckschrift wird hiermit Bezug genommen.

Im kathodenseitigen Endabschnitt 20 des Gehäuses 12 befindet sich ein Zureiter Kabelbehälter 56 für die Aufnahme eines (nicht gezeigten) Kabelendes, über das der Kathode über die Drähte 58 der Strom zugeführt wird. Die Drähte 58 sind normalerweise mit dem Kathodenfaden (nicht gezeigt) innerhalb der Kathode 60 in bekannter Weise verbunden, und diese Kathode ist innerhalb des Kolbens 22 mit Hilfe eines Trägers 6l an einem eingestülpten Kolbenhals 64' befestigt.

Die übliche Kathode 60 enthält einen Faden, der Elektronen emittier ,wenijtiber die Drähte 58 das geeignete Potential zugefügt wird, so daß die Elektronen auf die Brennfleckbahn 52 der Drehanode 46 fallen, und zwar in Richtung des Elektronenstrahls 62. Die Fläche der Brennfleckbahn, auf die der Elektronenstrahl auftrifft, wird als Brennfleck 63 bezeichnet, in welchem als Folge des Elektronenbeschusses Röntgenstrahlung erzeugt wird. Diese Röntgenstrahlung wird vom Brennfleck 63 in alle Richtungen abgegeben* Es wird jedoch angestrebt, daß nur ein Teil dieser Strahlung nutzbar gemacht wird, welcher in der Fig. 1 als Röntgenstrahl 64 gekennzeichnet ist. Dieser nutzbare Röntgenstrahl 64 erstreckt sich vom Brennfleck 63 quer durch den Kolben zu einem für Röntgenstrahlen durchlässigen Fensterbereich 65, der einfach ein Teil der Kolbenwand sein kann oder der auch speziell ausgebildet sein kann, indem an dieser Stelle die Wand dünner gemacht oder auf andere Weise der Strahlendurchtritt

909816/0704

begünstigt ist, so daß dort keine nachteilige Absorbtion der Röntgenstrahlung auftritt. Die nicht gewünschte oder nicht nutzbar gemachte Röntgenstrahlung wird mit Hilfe einer Bleiauskleidung 66 (siehe Fig. 2) absorbiert, die an der Innenwand des Gehäuses 12 angeordnet ist, so daß dieser Teil der Strahlung nicht in die Umgebung austreten kann.

Der mittlere Abschnitt 16 des Gehäuses 10 weist einen Öffnungsaufbau 6Ö auf mit einer Platte 70, in der sich ein für Röntgenstrahlen durchlässiges Fenster 72 befindet, das zu einer Öffnung 74 in der Bleiauskleidung 66 so ausgerichtet ist, daß der Röntgenstrahl 64 durch die Gehäusewand nach außen austreten kann. Das Fenster 72 ist aus Beryllium oder einem anderen, die Röntgenstrahlung gut durchlassenden Material hergestellt.

Es wird leicht deutlich, daß ein Röntgenstrahl, der auf normale Weise durch das Fenster 72 hindurchtritt, mit zunehmendem Abstand vom Gehäuse sich beträchtlich ausweitet. Dies gilt besonders, wenn der Brennfleck 63 relativ nahe am Fenster liegt.

Nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken ist das Fenster 72 in der Gehäusewand dem Brennfleck 63 auf der Anode diametral gegenüber angeordnet. Die nutzbaren Röntgenstrahlen 64 müssen folglich vom Brennfleck 63 bereits einen langen Weg durchlaufen, praktisch den überwiegenden Teil des Durchmessers der Drehanode 46 und den Abstand zwischen Röhre und Fenster 72. Während bereits die Öffnung 74 in der Bleiauskleidung zu einem gewissen Grad für eine Kollimierung sorgt, wird die endgültige und gewünschte Kollimierung durch einen Kollimator 76 erzielt, der auf das Fenster 72 auf der Außenseite der Öffnung 68 aufgesetzt wird. Der Kollimator 76 ist ein Block aus einem Material, das für Röntgenstrahlung praktisch undurchlässig ist, wie etwa Blei oder dergleichen. Durch diesen Block hindurch führt eine Bohrung 78, die mit dem Fenster 72 ausgerichtet ist und deren Größe so gewählt ist, daß ein Röntgenstrahl von gewünschtem Strahldurchmesser hindurchtreten kann.

909816/0704

Wenn ein nadeiförmiger Strahl gewünscht wird, wird die Bohrung 78 zylindrisch gemacht. Wünscht man einen fächerförmigen Röntgenstrahl, so ist die Öffnung 78 in einer Dimension entsprechend größer als in der anderen. Da der Kollimator stark genug ist, so daß die Bohrung oder Durchtrittsöffnung eine erhebliche Längenausdehnung erhält, versteht es sich, daß unerwünschte Divergenz des Strahl sehr wirksam reduziert oder ganz ausgeschaltet ist, wenn der Strahl die Vorrichtung verläßt.

Es hat sich gezeigt, daß die Kollimation erreicht werden kann, wenn ein Kollimator innerhalb der Röhre an einer solchen Stelle angeordnet wird, daß er in Strahlrichtung des Röntgenstrahls liegt. In der Fig. 2 ist ein Kollimator 8O an einem Träger befestigt und hängt an diesem herab. Der nutzbare Röntgenstrahl 6k tritt durch die Bohrung 8k des Kollimators 8O hindurch und wird dadurch bereits im Röhrenkolben in der gewünschten Weise geformt. Mit dem nahe an den Brennfleck 63 herangerückten zweiten Kollimator 80 zusammen wird zweckmäßig auch der bereits beschriebene äußere Kollimator 76 eingesetzt. Wenn allerdings der innere Kollimator nahe an das Fenster 72 herangerückt ist, kann der äußere Kollimator auch weggelassen werden. Das wichtigste dabei ist, daß der nutzbare Röntgenstrahl 6k bereits einen erheblichen Weg durchlaufen hat, bevor er das letzte Mal kollimiert wird.

Die Bohrung 8k des inneren Kollimators 8O ist vorzugsweise bereits so geformt, daß der hindurchtretende nutzbare Röntgenstrahl die gewünschte Querschnittsgestalt erhält.

Bisher wurde die Erfindung in Verbindung mit einem becherförmigen Anodenkörper beschrieben, wie ihn die Fig. 1 und 2 zeigen, doch läßt sich die Erfindung gleichermaßen bei tellerförmigen Drehanoden anwenden, wie sie die Fig. 3 und k zeigen. In der Fig. 3 ist ein äußerer Kollimator 86 dargestellt, der auf das Fenster 72 aufgesetzt ist und durch den der nutzbare Röntgenstrahl 6k hindurchtritt. Dieser Strahl 6k geht von einem Brenn-

909816/0704

fleck auf der Oberseite der tellerförmigen Drehanode 88 aus und durchläuft die Röhre, so daß er sie an einer Wandstelle verläßt, die dem Brennfleck diametral gegenüberliegt.

In der Fig. k ist ebenfalls eine Röhre mit tellerförmiger Drehanode 88 gezeigt, bei der der nutzbare Röntgenstrahl 64 diametral durch den Raum des Röhrenkörpers vom Brennfleck ausgehend und evtl. durch ein Fenster 72 im Gehäuseabschnitt 16 verläuft. Bei dieser Ausführungsform ist dagegen ein innerer Kollimator 90 in den Strahlungsbereich so eingesetzt, daß er den nutzbaren Strahl 6k in der gewünschten Weise formt und kollimiert.

Der Aufbau der Röhre gem. Fig. 5 ist etwas ebgewandelt. Der Röhrenkolben 92 weist einen konischen Metallabschnitt 9k auf, an dem ein Hals sitzt, in welchem ein (nicht gezeigter) Rotor angebracht sein kann. Eine ebene Drehanode 98 ist am freien Ende einer Welle 100 befestigt. Sie wird von einer Zylinderhülse 102 eines Käfigs 104 umgeben. Der Käfig 104 weist einen ringförmigen Block 106 auf, der vorzugsweise eine nach innen konisch eingetiefte Oberseite 108 hat, während seine ebene Unterseite relativ nahe über der Oberfläche der Drehanode 98 angeordnet ist. Der Hülsenteil 102 ist einstückig an der Randkante des Ringes IO6 angeformt und hält vom äußeren Rand der Drehanode 98 einen geringen Abstand.

Der Käfigteil 104 ist am unteren Ende des Hülsenansatzes 102 dicht mit dem Metallgehäuseabschnitt 9k verbunden und bildet so einen Teil des Kolbenaufbaues. Ein oberer metallener Kolbenabschnitt oder Ring 110 ist dicht mit dem oberen Ende des Käfigs 104 verbunden und trägt dicht schließend an seinem oberen Ende ein eingezogenes Glasendteil 112 unter Zwischenfügung einer gewöhnlichen Metall-dielektrischen Abdichtung 114. Die Metallteile des Kolbens einschließlich des Käfigs 104 werden vorzugsweise auf Anodenpotential gehalten.

Das nach innen eingezogene Ende 112 des Kolbens ist mit einer

909816/0704

Endkappe Il6 verschlossen, an der ein Kathodenträger Il8 befestigt ist. Der Träger Il8 trägt eine Kathode 12O an einem zur Seite abstehenden Tragarm 122. Die Kathode enthält in üblicher Weise wenigstens einen (nicht gezeigten) Glühfaden, an den ein entsprechendes äußeres Potential über Zuleitungen 124 angelegt wird. Dadurch werden von der Kathode 120 Elektronen emittiert in Form des Kathodenstrahls 126. Der Käfigring 104 ist mit einem vertikal verlaufenden Schlitz 128 durch den Block 106 von der schräg einwärts geneigten Oberfläche 108 bis zu seiner der Drehanode gegenüberliegenden Unterseite durchsetzt. Der Elektronenstrahl 126 '.cann somit durch den Schlitz 128 hindurchtreten und auf den Brennfleck 129 der Drehanode auftreffen.

Der Ring IO6 ist noch mit einer weiteren Bohrung I30 versehen, die mit einem Ende die Unterseite an einem Punkt durchbricht, wo der Schlitz 128 unmittelbar oberhalb des Brennflecks 129 liegt. Die Bohrung I30 erstreckt sich durch den Ring IO8 in einem solchen Winkel schräg aufwärts, daß ein Röntgenstrahl 132, der im Brennfelck 129 durch das Auftreffen des Elektronenstrahls erzeugt wird, durch diese Bohrung in Richtung auf den Abschnitt 110 des Röhrenkolbens gerichtet ist. Da die Bohrung 13O relativ lang und zylindrisch ist, strebt der sie verlassende Röntgenstrahl 132 praktisch nicht mehr auseinander, so daß er im wesentlichen nicht divergiert und stiftförmig ist unter der Annahme, daß die Bohrung zylindrisch ist. Wird ein fächerförmiger Strahl gewünscht, dann ist die Bohrung 130 durch einen entsprechend geformten Durchbruch zu ersetzen.

Der Strahl 132 durchläuft diametral den Innenraum des Röhrenkolbens vom Brennfleck 129 zur Wand 110 und geht durch diese in einem ausgewählten Bereich hindurch, der als Fenster 13^ bekannt ist. Ein zweiter Kollimator I36 ähnlich dem Kollimator 76 des ersten Ausführungsbeispiels gem. Fig. 2 kann auf der Außenwand 110 auf dem Fenster 13^ befestigt sein, wodurch dann eine zusätzliche Kollimation erzielt wird.

909816/07(H

Der Käfig 10^t kann aus einem Material mit hoher Atomordnungszahl sein, wodurch er einen sehr wirksamen Abschluß für Röntgenstrahlen darstellt, so daß praktisch keine von der gewünschten Strahlrichtung abweichende Strahlung vom Brennfleckträger entweichen
kann.

Bei allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der nutzbare Röntgenstrahl kollitniert, bevor er die Röhrenanordnung verläßt, was entweder durch einen im Röhrenkolben angeordneten Kollimator oder durch einen auf dem Röhrengehäuse angebrachten Kollimator oder durch beides erfolgen kann, und der Röntgenstrahl
durchmißt bereits innerhalb der Röhre eine beträchtliche Strecke diametral in der Röhre entweder vor oder während der Kollimation, so daß er nach dem Austreten aus dem letzten Kollimator nur noch in sehr geringem Maße divergiert. Die Röhre ist somit besonders
für den Einsatz in mit einem Computer arbeitenden tomographischen Abtastexnrichtungen einsetzbar.

- 10 -

909816/0704

Claims

Pat entanspräche

1« Röntgenstrahlröhre, in deren Röhrenkolben einesends eine Drehanode gelagert ist, auf deren Brennf1eckträgerfläche, die quer zur Kolbenachee verläuft, von einer im Kolben ihr gegenüber angeordneten Kathodenanordnung Elektronen auf einen seitlich von der Drehanodenachse befindlichen Brennfleck gerichtet sind, wobei der Kolbeii in der Kolbenseitenwand ein Austrittsfenster für die entstehende Röntgenstrahlung hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsfenster (65; 134) an einer dem Brennfleck (63; 129) im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Stelle der Kolbenseitenwand (22; 110) liegt.
2. Röntgenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenkolben (22) von einem Gehäuse (12) umgeben ist, in dessen den Brennfleck (63) diametral gegenüberliegender Seite sich ein Austrittsfenster (72) für die Röntgenstrahlung befindet.
3« Röntgenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Austrittsfenster (72; 134) Kollimationsmittel (76; 86; I36) aufgesetzt sind, die den Röntgenstrahl (64; 132) auf den gewünschten Querschnitt begrenzen und Divergenz des Strahles unterdrücken.
4. Röntgenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3« gekennzeichnet durch Kollimationsmittel (80; 90; I30) innerhalb des Kolbens im Strahlengang des Röntgenstrahls.
5« Röntgenstrahlröhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimationsmittel (74; 86; 80; 90; 136; IO6) ein Block aus für Röntgenstrahlen undurchlässigem Material mit einer mit dem Austrittsfenster (65; 72; 134) ausgerichteten Durchgangsbohrung (78; 84; I30) sind.

909316/0 704

ORIGINAL INSPECTED
6. Röntgenstrahlröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialblock (80; 90) röhrenförmig 1st.
7* Röntgenstrahlröhre nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Materialblock (1O6) als Abdeckung über der Drehanode (98) angeordnet ist.
8. Röntgenstrahlröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß erste Kollimationsmittel (76; 86; 136) über dem Austrittsfenster auf der Gehäuseaußenseite und zweite Kollimationsmittel (δθ; 90 j IO6) innerhalb des Kolbens (22) angeordnet sind.
9* Röntgenstrahlröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Materialblock (80) an der Kathodenanordnung so gehaltert ist, daß er näher zum Brennfleck (63) als zum Austrittsfenster (72) liegt.
10. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialblock (90) an der Kathodenanordnung (6l) so gehaltert ist, daß er näher zum Austrittsfenster (72) als zum Brennfleck liegt.

909818/0704