DE3151229A1 - Verfahren und vorrichtung zur optimierung der emission einer roentgenroehre - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Opti mi ■■rur;/'; dar Kini;;r.ion einer Röntgenröhre

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Optimierung der Emission einer Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Vorrichtungen zu ihrer Durchführung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs k, Eine Röntgenröhre mit einstellbarem Abstand zwischen Kathode und Anode ist z.B. bekannt aus der US-PS
25 97 817.

Bei Röntgenröhren müssen hinsichtlich der angelegten Hochspannung bezüglich der Geometrie der Elektroden mehrere Kriterien erfüllt sein. Sie mür-sen

1. für mehrere, d.h. eine Spanne von Betriebsspannungen, etwa von 50 bis 150 kV, geeignet sein, wobei der fokussierte Elektronenstrahl in seinen Abmessungen an der Aufprallfläche auf das Target unverändert bleiben soll,

2. Höchstleistungen der Elektronenstrahl ausbeute ergeben und

3. die Gewähr dafür bieten, daß zwischen den Elektro den elektrische Überschläge unterbleiben.

Daraus ergibt sich, daß zwischen der Kathode und der Anode ein Absta.\d zu v:^:ihl ·>:: : . ' , :■..·· "'"'.· r, -":. h. :■ '-n bei der höchsten vorgcrchi-neri 3p;::.:u;if, Überschi ίγγ-festigkeit garantiert.

Kn 5 Kof / 10.12.1981

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Da andererseits die Fähigkeit der Kathode, einen Elektronenstrom zu liefern, stark davon abhängt, welchen Abstand sie von der Anode hat, ergibt sich bei der vorgenannten bekannten Konstruktion, d.h. bei auch für hohe Spannung sicherem Abstand, für niedere Spannungen eine Begrenzung der Leistung P der Röhre, die auf einem Mangel an Emissionsfähigkeit der Kathode beruht. Dies ergibt sich aus der Beziehung i = P/U, d.h. der Strom i kann für eine bei hoher Spannung U erzielbare Leistung P unterhalb einer bestimmten niedrigeren Spannung U nicht mehr erreicht werden, weil der erreichbare Strom mit sinkender Spannung stark nachläßt.

Aus der US-PS 21 30 020, Seite 3, linke Spalte, Zeilen 33 bis 36, ist zwar bekannt, daß man bei Röntgenröhren eine stromabhängige Leistung für bestimmte Energie einstellen kann. Im vorgenannten Sinne führt dies aber nicht zum Ziel, weil nach der US-PS durch Verschiebung der Heizwendel relativ zur Fokussierungsvorrichtung die Brennfleckgröße und -belegung im Hinblick auf die Wärmeverteilung in der Anode variiert werden, um auf diese Weise mit einer Röhre unterschiedliche Belastbarkeiten mit unterschiedlichen Brennfleckgrößen zu bekommen. Daher ist die Verschiebung normalerweise auch blockiert.

Nach der US-PS 25 97 817 handelt es sich darum, einen extrem scharfen Fokus einstellen zu können, nachdem der Zusammenbau, d.h. die Herstellung der Röhre, vollendet ist. Ein späteres Nachstellen etc. ist dabei nicht vorgesehen, ebensowenig wie eine Anpassung an die angelegte Spannung.

Der Erfindung liegt die /ufgabe zugrunde, bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 eine Möglichkeit zur Optimierung der von der

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Kathode abnehmbaren Leistung zu erhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale hinsichtlich des Verfahrens, nach den Merkmalen des Patentanspruchs hinsichtlich der Vorrichtung gelöst.

Nach der Erfindung wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß die Durchbruchsfeldstärke entsprechend der Dimension V/cm sowohl durch Änderung der Größe des Zählers als auch derjenigen des Nenners erreicht wird. Dabei .kann der größte Strom i, der unterhalb desjenigen für den Durchbruch einer elektrischen Entladung liegt, bei Festlegung der Spannung U(V) durch Anpassung des Abstandes D (cm) erreicht werden. Dies führt dazu, daß eine Optimierung der Emission der Kathode einer Röntgenröhre durch Anpassung des Abstandes zwischen dieser Kathode und der Anode an die jeweils angelegte Spannung U, d.h. optimaler Strom i, erreicht werden kann.

Die Einstellung des Abstandes kann auf alle möglichen Weisen, d.h. durch Verschiebung der Anode und/oder der Kathode, erfolgen. Eine brauchbare Methode ist diejenige, außerhalb des Vakuumkolbens einer Röntgenröhre Magneten anzuordnen, welche die zu verschiebenden, in der Röhre beweglich montierten Teile in die gewünschte Position zu bringen gestatten. Dazu kann etwa die Kathode verschiebbar gelagert sein und in Zuordnung zum Verschiebemagneten ein Weicheisenteil aufweisen. In konventionell gebauten Röhren, d.h. bei einseitig gelagerten Anoden, dürfte es zweckmäßig sein, die Kathode zu verschieben, um zu vermeiden, die schwere Anode rr.it verren; : r >\η und Λ'·.^< r\\ ~:.\\ :·''. r ■ ··.

Die günstigste Optimierung des Abstnndes ist zweifellos durch kontinuierliche Verschiebung zu erreichen,weil dann immer eine optimale Anpassung an den gewünschten

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Strom i möglich ist. Aber auch eine nur zweistufige Verschiebung kann schon einen deutlichen Gewinn hinsichtlich der Anpassung bringen und den v/eiteren Vorteil, daß man ohne besondere Sensoren für den Abstand auskommen kann. In einer konstruktiven Lösung braucht für das zu verschiebende Element nur jeweils eine begrenzte Strecke vorgesehen zu sein, auf der die Verschiebung erfolgt. Bei der Anode können z.B. Kugellager verwendet werden, die als sogenannte Schulterlager bekannt sind. Die Schultern der Lager können dabei als Anschläge, d.h. als Begrenzungen, für die Einstellung in der einen bzw. anderen Lage dienen.

Eine besonders einfache Lösung ist bei Röntgenröhren erzielbar, die eine magnetisch gelagerte Drehanode aufweisen, weil bei diesen die für die Lagerung ohnehin vorhandenen Magnete auch für die Verschiebung und Einstellung herangezogen werden können. Außerdem sind in der Regel Sensoren zur Erfassung der Lage der Anode vorgesehen, mit denen die Steuerung einer Einstellung erfolgen kann (vgl. z.B. US-PS 41 67 671).

Mit der Veränderung des Abstandes der Elektronen verändert sich immer auch etwas die Breite des Brennfleckes. Dies kann aber mit Hilfe der bei Kathoden von Röntgenröhren an sich bekannten Anlegung einer Gitterspannung korrigiert werden. Diese Gitterspannung korrespondiert mit der Röhrenspannung in dem Sinne, daß eine im speziellen Fall ermittelte Abhängigkeit der Brennfleckbreite vom Elektrodenabstand sowie von der Gitterspannung automatisch mit dem Spannungswahl schalter verkoppelt Y.-ird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.

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In der Figur 1 ist ein Übersichtsschaubild einer

Röntgenröhre mit magnetisch gelagerter längsverschiobbarer Anode gezeichnet,

in der Figur 2 ein Ausschnitt aus einer Röntgenröhre, deren Anode in Kugellagern läuft, die als eine Verschiebung begrenzende Schulterlager aur-gelegt sind, und

in der Figur 3 ,ein Prinzipschaltungsbeispiel zur

Einstellung des Abstandes der Kathode von der Anode.

In der Figur 1 ist mit 1 der Vakuumkolben einer Röntgenröhre bezeichnet, die mit einer scheibenförmigen Drehanode 2 ausgestattet ist, welche an einer Antriebswelle 3 liegt. Der Drehanode 2 gegenüber ist eine Kathode 4 angeordnet. Außerhalb des Kolbens 1 sind zur Stabilisierung der Antriebswelle 3 in axialer Richtung Permanentmagnetringe 7 angeordnet sowie zur Stabilisierung der Antriebswelle in radialer Richtung Ringspulen. Diese Spulen weisen je einen ringförmigen Kern 8 aus ferromagnetischem Material auf, der in vorliegendem Beispiel aus Maschinenstahl besteht und eine wendeiförmige Wicklung 9 aufweist. Die Wicklungen 9 stehen mit elektronischen Regelgeräten 10 in elektrischer Verbindung und werden von diesen mit einem Gleichstrom beaufschlagt, dessen Höhe von den Meßsignalen abhängig ist, die von Sensoren 11 ausgehen und Regelgerät r :i 10 zugeleitet werden. D'bei ν;- ;'i' :". ;:it.. v, :i :·· μ :· . ■■·■■. '".'}>, .:!'■ G-räL-10 geleiteten Meß.^cigna]e verstärkt und in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignale in Form eines geregelten Gleichstromes an die Wicklungen 9 abgegeben.

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Zur Einstellung einer vorgegebenen Axial lage der Antriebswelle 3 sind außerhalb des Kolbens 1 ferner zwei Elektromagnetspulen 12 vorgesehen, deren Drähte in Umfangsrichtung der Antriebswelle gewickelt sind und von einem Regelgerät 10 mit Gleichstrom zu beaufschlagen sind. Da das Magnetfeld der Elektromagnetspulen 12, die über das Steuergerät 13 mit unterschiedlich starkem Gleichstrom beaufschlagt werden können, in axialer Richtung wirkt, kann damit eine axiale Verschiebung der Antriebswelle 3 erfolgen. Dies kann bewirkt werden durch Beaufschlagung der Ringspule.12 mit unterschiedlich starken Gleichströmen. Dabei sind insbesondere zwei unterschiedliche Arbeitsstellungen der Drehanode einstellbar bzw. gegebenenfalls ist die Arbeitsstellung der Drehanode justierbar. Zur Stabilisierung der vorgesehenen axialen Lage der Antriebswelle werden die von als Wegaufnehmer ausgelegten Sensoren 11 erzeugten Signale vom Regelgerät 10 aufgenommen und die entsprechenden Ausgangssignale der Spule 12 zugeleitet.

Als Antrieb für die Antriebswelle 3 dient ein Kurzschlußmotor, dessen Rotor 3' aus einem aus Kupfer bestehenden Ring 18, der mit einem Eisenring 18' hinterlegt ist, besteht und dessen Stator 19 sich außerhalb des Kolbens 1 befindet. Zusätzlich ist noch eine Elektromagnetspule 21 vorgesehen, deren Magnetfeld im Bereich des Schwerpunktes von Drehanode 2 und Welle 3 liegt und für den Fall, daß die Drehanode geschwenkt wird, zur Stabilisierung der radialen Lage der Antriebswelle beiträgt. Hierzu steht die Elektromagnetspule 21 mit einem Steuergerät 22 in elektrischer Verbindung, das iii Λ1-1:^:: ■.-■";·■;:■; 1 ν'ν·'ν·". der L'r^;: J-.-r "r·. hrinoic.-Rci.i r.. ..i'^Ij.-u im R^ um die Elektromagneti-pule 21 mit Gleichstrom unterschiedlicher Stärke speist.

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In der Figur 2 ist ein Ausschnitt -tut, eitler Drehanoden-Röntgenröhre gezeichnet, deren Anode ?. in Kugellagern 17' gelagert ist. Die beiden Kugellager sind als Schulterlager ausgebildet, indem ihre äußeren Laufringe 25 und 26 jeweils an dem vom anderen Lager abgewandten Ende in an sich bekannter Weise nach innen gebogen sind. Die durch als eine Ausnehmung 27 in der Antriebswelle 3 laufenden Kugeln sind bezüglich der Welle durch diese Ausnehmungen 27 festgelegt, so daß bei einer Verschiebung entsprechend der Pfeile 28 bzw. 29 durch die Umbiegungen der äußeren Laufbahnen ein Anschlag gegeben ist. Die eigentliche Verschiebung erfolgt durch eine Beschickung der Spulen 30 bzw. 31 mit Strom, wobei mittels der Spule 30 die Anode 2 großen Abstand von der Kathode 4 erhält, wie er in der Figur dargestellt ist.

Durch Ausschalten der Spule 30 und Einschaltung der Spule 31 wird der Abstand zwischen 2 und 4 verkleinert und es erfolgt ein Anschlag der Kugeln des Lagers 26 an der Umbiegung seiner äußeren Laufbahn. Zur Bewirkung der Verschiebung mittels der Spulen 30 und 31 befindet sich in der Längsmitte des Rotors 18 ein Ring 32 aus ferromagnetischem Material, der durch Anziehung von den Spulen 30 bzw. 31 her die Verschiebung bewirkt.

In analoger V/eise kann auch eine Verschiebung der Kathode 4 bewirkt werden, indem ihre Halterung 33, wie durch einen Doppelpfeil 34 angedeutet, gegenüber dem Röhrenkolben 1 längsverschiebbar gelagert ist. Die eigentliche Verschiebung kann dann mittels Spulen 30', 31' und einem ferromagnetisehen Teil 32' erfolgen, welches an der Kathode 4 befestigt ist.

Zum Betrieb einer Röhre nach Figur ? kann eine Schaltungsanordnung benutzt werden, deren prinzipieller Aufbau in der Figur 3 gezeichnet ist. Dabei stellen Leitungen 35 und 36 die Verbindungen zu den Spulen 30 und

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dar, während der Betriebsstrom an der Kathode über eine Leitung 38 und an der Anode über eine Leitung 37 anliegt. Die Steuerspannung liegt über eine Leitung 39
an dem als Gitter 4¹ wirkenden Gehäuse 4' der Kathode 4.

Zum eigentlichen elektrischen Betrieb ist ein über eine Anschlußleitung 40 am Netz liegender Generator 41 vorgesehen, der in aus der Röntgentechnik bekannter Weise
aufgebaut ist. Von ihm aus werden über die Leitungen 37 und 38 die entsprechenden Spannungen zwischen die Elektroden 2 und 4 der Röhre gelegt.

Die Generatori'teuerung 43 regelt entsprechend der SoIlwerteingabe 45 und der Istwert-Erfassung vom Spannungsteiler 42 die gewünschte Röhrenspannung. Die Gitterspannungsversorgung 46 wählt nach Eingabe von U-,-, die
vorprogrammierte Gitterspannung aus. Der Spannungsbereichsschalter 44 steuert je nach Größe der Röhrenspannung und Festlegung eines Umschaltpunktes, z.B. 80 kV,
entweder die Spule 30 (U_R..-<80 kV) oder die Spule 31
(U_RÖ ;>80 kV) an.

3 Figuren

8 Patentansprüche

Claims (8)

1. VPA 81 P 512/4 DE Patentansprüche

   Verfahren zur Optimierung der Emission einer Röntgenröhre durch Einstellung des Abstandes der Anode von der Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Abstand unter Berücksichtigung der höchsten, unterhalb der Durchbruchsfeldstärke möglichen Belastung mit abnehmender Spannung verkürzt und mit zunehmender Spannung verlängert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung einer Drehanoden-Röntgenröhre die Welle der Anode längsverschiebbar gelagert ist und die Längsverschiebung durch Magnetspulen bewirkt wird, deren magnetische Kräfte von den jeweils angelegten gesteuerten Erregerströmen erzeugt werden.
3. 3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Erregerströme durch einen Abstandssensor gesteuert werden.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle der Drehanode magnetisch gelagert ist und die Einstellung der Abstände mit den Spulen der Axiallager erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -

   kennzeichnet, daß die Größe des Bronr. flecks in Abhängigkeit vom Abstand nor Elpkiro'ion γρΉ toi r oi^er daraus abgeleiteten HiI frzy.-.-.wv..^ 1:, eier Kathode korrigiert v/ird.

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6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Elektroden kontinuierlich einstellbar ist.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung stufenweise erfolgt.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Veränderung des Abstandes durch Verschieben der Kathode erfolgt.