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Röntgenstrahlengenerator
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Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlengenerator mit einer Röntgenröhre
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine dabei verwendete Röhre ist bekannt
aus der DE-PS 726 595 (Figur 6).
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Die bekannte Röhre dient für die Darstellung von Körperschnitten mittels
Röntgenstrahlen, bei welchen die erforderliche Bewegung des Brennflecks in die Röhre
hinein verlegt ist. Dabei kann gemäß einer Ausbildungsform eine Anode verwendet
sein, die topfartige Form hat.
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Dabei ist der seitlichen Innenwand des Topfes eine Kathode zugeordnet,
die mittels einer Halterung um das Zentrum des Topfes verschwenkt werden kann. Dadurch
können die aus der Kathode austretenden Elektronen auf die innere Seitenwand der
topfförmigen Anode gelangen und den ganzen Umfang abtasten. Dabei ist es aber nachteilig,
daß die Ubertragung des Heizstromes über schleifende Kontakte bzw. Lager erfolgen
soll.
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Insbesondere für den Einsatz bei einem Verfahren, zu welchem eine
Röhre gemäß DE-OS 27 29 353 vorgesehen ist, weist die bekannte Röhre folgende Nachteile
auf in bezug auf Kontaktabbrand an den bewegten Heizstromzuführungen und vakuumtechnische
sowie hochspannungstechnische Probleme. Es wäre vorteilhaft, wenn die bekannten
Röhren sowohl-für konventionelle radiologische Untersuchungen als auch zum Erzeugen
von RöntgensGhichtbildern verwendet werden könnten. Dazu wäre eine höhere Belastbarkeit
der Anode wünschenswert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Röntgenstrahlengenerator gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Anordnung vorzusehen, bei welcher unter Vermeidung
vorgenannter Nachteile und zur Erfüllung der bei den genannten Röhren noch offenen
Wünsche erhöhte Belastbarkeit erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Durch die Verwendung einer Drehanode wird einerseits in bekannter
Weise eine Erhöhung der Belastbarkeit erreicht, weil eine Verteilung der durch die
auftreffenden Elektronen bewirkten Erhitzung auf den ganzen Umfang der Brennfleckbahn
erfolgt. Dabei ist es aber in vorliegendem Fall überraschend, daß die Kombination
einer Drehanoden- und Drehkathodenröhre den Anforderungen an die Röntgenröhre für
ein Röntgergerät, mit dem sowohl konventionelle Untersuchungen als auch Kurzzeit-Schichtaufnahmen
durchführbar sein sollen, bemerkenswert entgegenkommt.
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1. Durch entgegengesetzten Drehsinn von Anode und Kathode addieren
sich beide Drehgeschwindigkeiten für den Brennfleck. Man erzielt daher erhöhte Brennfleckbelastbarkeit
für die Schichtaufnahme.
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Das ist bei der Schichtaufnahmetechnik von großem Wert, da man hier
wegen systembedingt schlechterer Kontrastdarstellung (Verwischung) meist mit geringerer
Röntgenröhrenspannung arbeitet als bei konventionellen Röntgenaufnahmen. Man kann
also bei niedriger Spannung einen erhöhten Aufnahmestrom wählen, um längere Belichtungszeiten
zu vermeiden.
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2. Zusätzliche Vorrichtungen an den drehbaren Teilen der Kathode (oder
deren Rotor) und in gleicher Weise an der drehbaren Tiefenblende stellen (z.B. auf
optische oder induktive Art) fortwährend die exakte Position beider Teile fest.
So wird zum einen der exakt synchrone Umlauf von Kathode, Tiefenblende und magnetischer
Ablenkung des Elektronenbildes im Röntgenbildverstärker (RBV) hergestellt. Die genannten
Vorrichtungen ermöglichen jedoch zum anderen, daß die erfindungsgemäße Anordnung
als herkömmliche Drehanodenröhre einsetzbar ist. Hierzu ermöglichen diese Vorrichtungen,
daß die Kathode präzise in eine gewünschte stationäre Position gebracht wird.
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Zum Aufbau der Röhre können die in der einschlägigen Technologie bekannten
Maßnahmen benutzt werden. Es kann also ein Kolben aus Glas oder Metall und Keramik
etc.
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verwendet werden, in welchen die rotierenden Kathoden-und Anodensysteme
eingebaut sind. Dabei werden die üblichen Rotoren und Statoren zur Anwendung gebracht.
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Auch die verwendeten Materialien können in üblicher Weise gewählt
werden, indem die'Brennfleckbahn bzw.
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die ganze Anode aus einem schwerschmelzbaren Material, wie etwa Wolfram
oder Molybdän etc. hergestellt wird.
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Dabei kann die Brennfleckbahn mit einer schwerschmelzbaren Legierung
hoher Duktilität belegt werden. Eine bekannte Legierung besteht aus Rhenium und
Wolfram, wobei der Gehalt an Rhenium bis zu 20 % betragen kann.
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Die Kathode wird zweckmäßigerweise als Glühkathode ausgebildet, indem
sie die Form einer Heizwendel erhält.
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Sie kann auch in mehreren Teilen aufgebaut sein, so daß durch die
Wahl der Teile eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Brennflecks erreicht werden
kann. Außerdem kann die Zuführung der Heizspannung zu den Glühkatho-
denteilen
durch Induktion drahtlos von außerhalb der Röhre übertragen werden. Dazu durchfließt
ein Wechselstrom mit einer Frequenz von vorzugsweise einigen hundert Hertz bis einige
zehntausend Hertz die Primärseite eines Ubertragers (Trafo) außerhalb des etwa aus
Glas bestehenden Kolbens der Röhre. Die sekundäre Seite rotiert in der Röhre und
besteht vorzugsweise nur aus einer Windung, an welche die Heizwendel direkt angeschlossen
ist.
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Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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In der Figur 1 ist in schematischer, aufgebrochener Darstellung ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß aufgebauten Röntgenröhre gezeichnet und
in den Figuren 2 und 3 ein Längs- und ein Querschnitt durch eine abgewandelte Ausgestaltung.
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In der Figur 1 ist mit 1 ein vakuumdichter Kolben bezeichnet, der
im wesentlichen aus drei konzentrischen Teilen 2, 3 und 4-besteht. Dabei haben die
Teile 2 und 4 kleineren Durchmesser als das Zwischenstück 3. Im Teil 2 liegt ein
Antriebsrotor 6, der über eine Achse 7 mit einer topfförmigen Anode 8 verbunden
ist, deren Durchmesser entsprechend dem mittleren Teil 3 des Kolbens 1 ausgebildet
ist. An dem dem Teil 2 des Kolbens gegenüberliegenden Teil 4 ist eine Kathodenkombination
10 angebracht, die einen Rotor 11 aufweist, an welchem über eine Achse 12 eine Halterung
13 befestigt ist.
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Diese enthält die eigentliche GlUhkathode 14. An ihrer dem Teil 4
zugewandten Seite ist an der Halterung 13
eine Induktionsantenne
15 angebracht, mit welcher die über eine Spule 16 außen an den Kolben angelegte
Wechsel spannung aufgenommen und über Leitungen 17 und 18 der Glühkathode 14 zugeführt
werden kann. Außen am Teil 4 ist ein elektromagnetisches System 19 angeordnet, welches
ebenso wie die entsprechende Anordnung 9 zum Antrieb des Rotors 11 dient.
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Die eigentliche zur Strahlenerzeugung dienende Spannung wird zwischen
Anschlußstutzen 20 und 21 angelegt.
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Dadurch kann ein aus der Kathode 14 austretendes Elektronenstrahlenbündel
22 auf eine Brennfleckbahn 23 an der inneren Seitenwand der Anode 8 beschleunigt
werden.
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Die Seitenwand ist bezüglich der Achsen 7 und 12 nach außen geschwenkt,
so daß ein Röntgenstrahlenbündel 24 aus dem Kolben 1 austreten kann. Dem Bündel
24 sind Blendenteile 25, 26 sowie eine Drehblende 27 zugeordnet. Die Blende 27 enthält
auch einen Tubus 28, der zu einer scharfen Ausblendung eines Teiles des Strahlenbündels
24 benutzt werden kann. Die Blende 27 ist über eine Achse 30 mit einem Motor 31
verbunden. Als Verbindungsmittel dient eine Halterung 32, die an ihrer dem Tubus
28 gegenüberliegenden Seite ein Gegengewicht 33 hat, so daß bei synchronem Umlauf
mit der Kathode 14 ruhiger Lauf erreicht wird.
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Zur Vermeidung von Beeinträchtigungen der Abstrahlung 26 durch Leitungen,
welche das System 19 des Stators des Kathodenantriebs, die Spule 16 der primären
Heizwicklung, den Motor 31 des Blendenantriebs und die negative Hochspannung zum
Anschlußstutzen 21 darstellen, kann ein Zuführungsrohr 34 aus elektrisch isolierendem
Material, etwa Keramik, durch das Zeiitrum der Röhre geführt sein. In diesem Rohr
können dann die Leitungen ohne Uberquerung der Abstrahlbahn des Röntgenstrahlenbündels
24 geführt werden.
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Gemäß der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausbildung einer erfindungsgemäßen
Röntgenröhre ist die Kathode 40 in Kugellagern 41 gelagert, die sich auf der Seite
der Anode 42 befinden, auf welcher auch deren Lagerung am Rotor 43 liegt. Die Kathode
40 befindet sich dabei an einer Halterung 44, die an ihrer Außenseite Magnetkörper
45 trägt (vgl. insbesondere Figur 3). Die Halterung 44 trägt an ihrer Außenseite
die Induktionsantenne 46 für die Heizspannung der Kathode 40. Außerhalb des Röhrenkolbens
47 befindet sich dann die Primärspule 48 zur Sekundärwindung 46 der Kathode. Die
Zuführung der Kathodenspannung kann über das metallene Kolbenteil 49 erfolgen, welches
an der einen Seite den gläsernen Kolbenteil 47 trägt, der die Kathode 40 umschließt
und andererseits den gläsernen Kolbenteil 50, der den Rotor 43 umschließt. An der
Außenseite ist dem Rotor 43 ein Stator 51 zugeordnet.
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Der Antrieb der Kathode kann sowohl im Asynchron- als auch im Synchronsystem
erfolgen. In vorliegender Darstellung ist die Synchronversion gewählt, weil die
konstruktiven Anbringungsmöglichkeiten der Rotormagnete gezeigt werden sollen. Für
die Asynchron-Ausführung muß nur auf die Magnete verzichtet werden. Die Läufermagnetfelder
werden im Kathodenrotor induziert. Das Rotorfeld der Kathode 40 wird mittels Permanentmagneten
45 bewirkt, die aus wärmebeständigem Material, etwa Crovac, welches bis 5000C magnetisch
beständig ist, bestehen. Die Magneten 45 erhalten dunkle Oberfläche an ihrer der
Röhrenwand 47 zugewandten Außenseite, damit bessere Kühlung erreicht wird. Zur Schonung
können die Magneten 45 etwa durch Abstandshalter 52 aus Keramik wärmeisoliert montiert
sein. Zur Reduzierung der Magnettemperaturen sind unter den Magneten außerdem noch
der Kathode zugewandt wärmereflektierende Oberflächen angebracht, ebenso wie an
der Innenseite des Rotors der
Kathode 40. Auf der Außenseite des
Kathodenrotors befindet sich ansonsten eine wärmeabsorbierende Oberfläche, die auch
gute Wärmeabstrahlung gewährleistet.
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In der in Figur 3 dargestellten Draufsicht auf den Kathodenrotor sind
an der Außenseite 8 Magneten 45 sichtbar. Der Rotor 40' der Kathode besitzt Ausschnitte,
so daß nur Speichen 53 stehen bleiben, so daß auch hier der uebergang von Wärme
zu dem Lager 54 gehemmt ist.
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In der in Figur 3 dargestellten Form ist ein achtpoliger Synchronmotor
entsprechend der gezeichneten acht Magneten 45 dargestellt. Die Kathode 40 soll
unabhängig von der verwendeten Polzahl immer etwa in der Mitte zwischen zwei Magneten
45 liegen. Dadurch erhält sie eine Position, in welcher die Magnetfelder von Rotor
und Stator ein Minimum aufweisen und den Brennfleck am wenigsten beeinflussen können.
Die Verwendung von ferromagnetischem Material für diesen Teil des Kathodenrotors
40' ergibt den Vorteil, daß eine magnetische Abschirmung der Kathode zusätzlich
erreicht wird, indem ein magnetischer Rückschluß der Permanentmagneten 45 erreicht
wird. Es muß allerdings Material hoher Curie-Temperatur verwendet werden. Permanentmagnete
und Statorwicklung 45' dienen auch dazu, die Position der Kathode 40 zu stabilisieren,
wenn die Röhre nicht für Schichttechnik verwendet wird.
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Für die Ubertragung der Heizspannung auf die Kathode 40 sind viele
Positionen möglich. Eine davon ist in der Figur 2 dargestellt und befindet sich
oberhalb des metailenen Teils 49 des Röhrenkolbens. Bei der gezeichneten Ausbildung
erhält die Induktionsantenne 46 eine Position, die so weit vom Kathodenrotor 40'
entfernt ist, daß nicht der Rotor 40' selbst als belastender Kurzschluß in dem bei
der Heizspannungsübertragung
wirksamen Trafo wirksam wird. Auch
der Kathodenrotor 40' selbst kann als Sekundärwicklung bei der Übertragung der Heizspannung
benutzt werden. Dann ist an einer Stelle 55 des Umfanges des Kathodenrotors 40'
eine elektrische Unterbrechung anzubringen, die äußerlich eine mechanisch feste
Verbindung 46 erhält, die aus isolierendem Material besteht, um die bei der Drehung
auftretenden Zentrifugalkräfte abzustützen.
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Um die rotierende Kathode 40 mit einer rotierenden Tiefenblende 56
zu synchronisieren und etwa auch Synchronisationsimpulse für den Anschluß- eines
Abbildungssystems zu erhalten, kann der Röhre eine Positionssignalerzeugungsvorrichtung
57 zugeordnet sein. Diese besteht aus einem optischen System, das einerseits eine
Lichteinstrahlungsvorrichtung 58 und andererseits einen Lichtdetektor 59 aufweist.
Auf der Außenfläche des Kathodenrotors 40' befinden sich eine oder mehrere optische
Markierungen 57', deren Position durch das optische System 57 abgefragt wrd. Mit
Hilfe dieses Positionsaignais kann man die Ansteuerung des Blendenmotors 60 in der
Weise vornehmen, daß die Strahlenblende 56 exakt auf den Brennfleck 23' der Kathode
40 ausgerichtet umläuft. Positionssignale der umlaufenden Strahlenblende 56 können
auch mit einem Positionssensor 63 erzeugt und einer Phasenvergleichsstufe 62 zugeführt
werden, welche die Geschwindigkeit des Blendenumlaufs so einste11t, (liß Brennfleck
23' und Blendenachse 24' aufeinarder causgerichtet umlaufen.
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Mit den Positionssignalen wird auch die nötige Synchronisation von
Brennfleckumiauf und einer Abbildungsvorrichtung, wie z.B. des magnetischen nblenkmagnetfeldes
eines Röntgenbildverstärkers (RBV), für Tomoskopie möglich (vgl. US-PS 41 49 08e))
Der
Antrieb der Tiefenblende 56 kann mittels eines Synchronmotors erfolgen, der ähnlich
demjenigen des Kathodenrotors 40' ausgebJ]det ist. Die Verstellung der radialen
Position entsprechend einer gewünschten Schichttiefe bei der Verwendung der Röhre
in der Tomoskopie kann durch einen etwa zentral mitrotierenden kleinen Elektromotor
34 mit Getriebe erfolgen, indem dieser Motor 34 über eine Mechanik 35 die Position
der Strahlenblende verste1lt. Vorteilhaft ist die gleichzeitige entsprecherlde Verstellung
der Position eines Gegengewichts 33, um Unwucht zu verhindern. Die Energiezufuhr
zum Motor 34 kann über Schleifringe oder rotierenden Transformator erfolgen. Mit
einem weiteren, ähnlich wie 34, betriebenen Motor 36 können eine Blende 38 oder
zwei B]eiirisblenden 38 und 38' über z.B.
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Scizugvorri chtungen 37 verstellt werden. Diese erlauben eine freie
Einstellung des Durchmessers eines mit der Röhre herzustcl7.enden Schichtbildes.
Damit wird die Bildqualität gesteigert, weil bei kleineren durchstrahlten Objekt;vo]umina
die Streustrahlung zurückgeht. Andererseits beschränkt man damit die Patientendosis.
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3 Figuren 6 Patentansprüche