DE3222515C2

DE3222515C2 - Feinfokus-Röntgenröhre und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE3222515C2
Application number: DE3222515A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 3050 Wunstorf Reinhold
Original assignee: Feinfocus Roentgensysteme 3050 Wunstorf De GmbH; Feinfocus Roentgensysteme 3050 Wunstorf GmbH
Current assignee: Feinfocus Verwaltungs & Co Kg 3050 Wunstorf GmbH
Priority date: 1982-06-16
Filing date: 1982-06-16
Publication date: 1986-05-28
Also published as: DE3222515A1

Abstract

An einer Feinfokus-Röntgenröhre, in deren evakuierte Kolben eine von einem Gitter umgebene Glühkathode und eine mit Target (Antikathode), elektromagnetische Elektronenstrahlbündelungsvorrichtung und einer Eintrittsblende ausgestattete Anode untergebracht sind, soll die Aufgabe gelöst werden, die Intensität der Röntgenstrahlenemission in unerwarteter Weise zu steigern und Möglichkeiten aufzufinden, um gleichzeitig Zerstörungen auf der Targetoberfläche zu vermeiden. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das Target eine nach außen gewölbte, sphärische oder zylinderförmige Oberfläche aufweist und daß der Targetwinkel 0 bis 10° beträgt.

Description

ern zu können, ist es zweckmäßig, gemäß Anspruch 4 vorzugehen.

Hierdurch ist bei kontinuierlichem Elektronenstrom, also unter Betriebsbedingungen, die schonend für die Glühkathode sind, ein Impulsbetrieb möglich, bei dem die Impulsdauern und die Dauern der Impulspausen beliebig einstellbar sind. Wahrend des Impulses wird der Elektronenstrom auf denjenigen Teil des Targets gelenkt, der dem Austrittsfenster zugewandt ist, während der Impulspause wird der Elektronenstrom auf den Teil des Targets gerichtet, der dem Austrittsfenster abgewandt ist. Denn hier auf dieser dem Austrittsfenster abgewandten Seite des Targets wird eine Strahlung erzeugt, die nicht aus dem Austrittsfenster ausfällt, sondern im Inneren der Röntgenröhre verbleibt und dort absorbiert wird. Da der Targetwinkel sehr klein ist, wandert der Elektronenstrom nur einen sehr kurzen Weg über den Zenit herüber, was einmal sehr schnell Insbesondere unter der elektronischen Ablenkung erfolgt, so daß sehr scharfe Impulskanten erzeugt werden, die hinwiederum ΐίΐ wohl definierten Bestrahlungszeiten bzw. wohl definierten Impulsdauern führen. Durch dieses Wechseln des Brennflecks wird darüber hinaus auch eine Überhitzung des Targets an der Abstrahlungsstelle vermieden.

Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbelsplels näher erläuiert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch die Feinfokus-Röntgenröhre,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Kathode und die Anordnung des Gitters,

F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Teil der Röntgenröhre Im Bereich des Targets,

Fig. 4 einen Teil der Antikathode,

F i g. 5 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Antlkaihodenkopf,

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung der Antikathode und dies Verlaufes des Auftreffpunktes des Elektronenstrahl.«.

F i g. 7 ein Schaltbild für die Ablenkeinrichtung.

Der Kolben der Röntgenröhre besteht aus zwei Teilen 1, 2. Das Teil 1 nimmt die Kathode, bestehend aus dem Heizfaden 3, der als Emitter für den Elektronenstrom 11 dient, den Anschlußkontakten 12, 13 für den Heizfaden 3 und dem Sockel 15 und das Gitter 4 auf, welches ebenfalls vom Sockel 15 getragen wird und welche über den Anschlußkontaki 14 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden 1st. Das als Anode dienende Teil 2 nimmt in seinem Inneren mit einem Luftspalt 26 versehene Fokussierspulen 5, Ablenkspulen 6 auf und Ist so mit den An'lkathoden 7 versehen, der in seinem Inneren die Antikathode und eine Abschirmung 16 aufnimmt, die eine Durchbrechung für den Austritt der an der Antikathode 8 erzeugten Röntgenstrahlung für den Austritt der an der Antikathode 8 erzeugten Röntgenstrahlung 10 aufweist, die durch das Austrittsfenster 9 austreten. Der Antikathodenkopf wird durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt, die durch die Rohre 17 in einen Kühlraum eln- bzw. austritt. Der Kolben der Röntgenröhre weist einen Vakuumanschluß 18 auf. Die elektrischen Anschlüsse für die Fokussierspule 5 und die Anlenkspulen 6 sind mit 19 bis 22 bezeichnet. Zwischen den beiden Teilen 1 und 2 des Kolbens der Röntgenröhre befindet sich eine Trennwand 24, welche mit einer Durchlaßöffnung 25 für den Elektronenstrom 12 versehen Ist.

Für die Erzielung einer hohen Auflösung ist es von besonderer Wichtigkeit, daß der Elektronenstrahl scharf gebündelt Ist und daß der Brennfleck auf der Antikathode besonders klein ist, jedoch eine besonders hohe Intensität der Röntgenstrahlenabstrahlung eneicht. Aus diesem Grunde sind besondere Maßnahmen ergriffen worden, um den Fokus der Elektronenemission besonders klein zu halten, aus diesem kleinen Fokus aber eine sehr intensive Elektronenemission zu erreichen. Diese Maßnahmen sind folgende:

In Fig. 2 Ist in vergrößerter Darstellung der Auibau von Kathode und Gitter dargestellt. Über die Anschlußkontakte 12,13, die in Klemmvorrichtungen 27, 28 für den U-förmig gebogenen Heizfaden (Emitter) 3 enden, wird dem Heizfaden 3 Spannung zugeführt, die diesen Heizfaden zum Glühen bringt. Die beiden Klemmvorrichtungen 27, .28 sind dabei in einer Isolierhalterung 29 untergebracht, die mittels des Stellringes 30 auch das Gitter 4 trägt. Dieses Gitter 4 Ist als ein starkwandiger Hohlzylinder ausgebildet, der an seiner einsn, den Heizfaden 3 umschließenden Stirnseite einen nach innen gerichteten Vorsprung 34 aufweist, der an seiner Außenseite in Form eines Trichters 31 ausgebildet ist, der einen Öffnungswinkel β von 100° bis 140°, vorzugsweise 120°, aufweist. Dieser Trichter 31 geht auf seiner Innenseite in eine zylindrische Oberfläche 32 über, die abgerundete Kante 33 über. Im Bereich dieser abgerundeten Kante 33 befindet sich die Ebene 35, in welcher sich derjenige Oberflächenteil des Heizdrahtes 3 befindet, der Elektronen emittiert. Durch die besondere geometrische Ausbildung des Gitters wird einerseits ein elektrisches Feld erzeugt, welches seinen Spitzenwert in der Achse 36 dort hat, wo die Achse 36 die dem Target zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes 3 durchbricht. Andererseits ist durch die besondere geometrische Gestaltung des Gitters 4 erreicht, daß von allen Oberflächenteilen des Heizfadens 3 mehr Strahlung abgegeben wird als von demjenigen Ort des Heizfadens, an dem die geometrische Achse 36 die der Antikathode zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes 3 durchbricht. Hierdurch wird die Oberfläche des Heizdrahtes überall gekühlt, jedoch ist die Kühlung am geringsten an demjenigen Ort, an dem die geometrische Achse 36 die der Antikathode 8 zugewandte Oberfläche des Heizdrahtes durchbricht. Als Durchmesser D des Heizdrahtes wird ein solcher von mehr als 0,17 mm gewählt, der Innendurchmesser Ri Ist größer als 0,1 D gewählt. Diese Abmessungen sind erheb'ich größer als die Abmessungen, die bisher für Feinfokus-Röntgenröhren verwendet werden. Der Innendurchmesser Ri und der Außendurchmesser Ra können aber auch noch erheblich größere Werte aufweisen. - In manchen Fällen ist es zweckmäßig, daß massiv wie ein Klotz ausgebildete ringförmige Gitter 4 nocb mit einer zusätzlichen Schürze 37 zu versehen, um die nach außen erfolgende Abstrahlung von Wärme zu vergrößern. Diese Schürze 37 wird zweckm^ßigvjrweise einstückig mit dem Gitter 4 hergestellt und stellt Im wesentlichen einen massiven Hohlzylinder dar.

In Fig. 3 1st das Detail 1 aus Fig. 1 dargestellt, nämlich ein Teil des Antikathodenkopfes 7 und die Antikathode 8 Im Querschnitt. Die Antikathode 8 ist a!s ein massiver Klotz ausgeführt, der eine zylindrische oder sphärische Oberfläche auf der dem Elektronenstrorn 11 zugekehrten Seite aufweist.

Die Innenseite des Antlkathodenkopfes 7 Ist mit einer Auskleidung 16 aus Blei versehen. Der Antikathodenkopf 7 weist eine seit'iche Durchbrechung auf, die durch das Strahlenaustrlttsl'enster 9 für die austretenden Röntgenstrahlen 10 verschlossen Ist. Die an der Antikathode 8 eingestellten Werte sind anhand der Fig. 4 (Detail IV) näher erläutert:

Parallel oder annähernd parallel zur Röhrenachse 36 verläuft die Elektronenstrahlachse E des Elektronenstrahls mit dem Elektronenstrahldurchmesser De. Der Auftref'l'punkt der Elektronenstrahlachse E und der Antikathodenkrümmungsradlus R wird so gewählt, daß s sich ein Targetwinkel χ von maximal 10° ergibt. Da von der Kathode bereits ein sehr dünn gebündelter Elektronenstrahl auf die Antikathode 8 fällt, ergibt sich eine sehr geringe Breite BFn des optischen Brennllecks. Bei einer Wahl des Targetwinkels von maximal 10° wird eine sehr hohe Intensität der Röntgenstrahlung erreicht.

Eine Röntgenröhre mit dieser Antikathode läßt sich besonders vorteilhaft im Impulsbetrieb betreiben. Das 1st anhand der Flg. S näher erläutert:

Der Elektronenstrom 11 fällt während der Impulsdauer auf die Stelle 39 Im gekrümmten Bereich der Oberfläche der Antikathode 8. Von dieser Stelle 39 aus werden Röntgenstrahlen 10 emittiert, die durch das Fenster 9 fäiien. Wahrend der Impulspause:-, wird mittels der Ablenkspulen 6 der Elektronenstrom 11 so abgelenkt, daß er die Richtungen 37 einnimmt und auf die Fläche 38 der Antikathode fällt, die vom Zenit der Krümmung der Oberfläche der Antikathode 8 aus gesehen auf der dem Austrittsfenster 9 abgelegenen Seite der Antikathode befindlich Ist. Hler von dieser Fläche 38 werden auch Röntgenstrahlen ausgesandt. Diese fallen aber nicht in das Austrittsfenster 9 der Röntgenröhre, sondern fallen auf der dem Fenster 9 abgekehrten Seite der Röntgenröhre auf die absorbierende Auskleidung 16, die zweckmäßigerweise aus Blei hergestellt wird. Dabei erfolgt die Ablenkung In die Elektronenstromrichtungen

37 so, daß der Auftreffpunkt des Elektronenstromes ständig In Richtung des Pfeiles 40 wechselt und hierbei hin und her geht.

Das ist in Flg. 6 näher dargestellt:

Während der Impulspausen bewegen sich der Auftreffpunkt 41 des Elektronenstromes auf der Fläche 38 der Antikathode, die auf der dem Austrittsfenster 9 abgewandten Seite der Antikathode befindlich ist. Hierbei verläuft dieser Ort des Aul'treffens des Elektronenstromes auf einem Zickzackweg. Lediglich an vier Stellen, namllch an Stellen 39A. B, C und D wird der Auftreffpunkt des Elektronenstromes über den Zenit der gekrümmten Fläche der Antikathode hinaus bewegt, und zwar an einem Ort, dessen geometrische Lage so Ist, daß der Targetwinkel einen Wert von 0 bis 10° einnimmt. Die von diesen Auftreffpunkten 39.4 bis D ausgehenden Röntgenstrahlen 10A. lOfl. IOC, IOD fallen entsprechend der Anordnung der Antikathode im Antikathodenkopf durch das Strahlenaustrittsfenster 9.

Zweckmäßlgerwe;.se nimmt man die Ablenkung des Elektronenstromes 11 so vor. daß der Weg 41 des Auftreffpunktes des Elektronenstromes auf der Fläche

38 in ständiger Bewegung ist, während der Auftreffpunkt

an den Orten 39/4 bis D jeweils für die Impulsdauer verharrt.

Die gezeichnete Anzahl von vier Auftreffpunkten 39A bis D ist willkürlich gewählt. Es kann ein einziger Auftreffpunkt sein, es können aber auch mehr oder weniger Auftreffpunkte als vier Auftreffpunkte sein.

Das Schaltbild für die Steuerung der Röntgenröhre ist in Fig. 7 dargestellt. In diesem Schaltbild bedeuten die einzelnen Bezugszeichen:

21/22/23 Anschluß Elektronenstrahl-Ablcnkung

19/20 Anschluß Fokussler-Einhelt

54 Anschluß Target (Anoden)-Hochspannung

Masse 60 Steuerpult

42 Stromversorgung

43 Fokussler-Regler

44 Steuerung und Stromversorgung für Ablenkung

45 Regler Elekronenstrahl-A'-Ablenkung

46 Regler Elektronenstrahl-K-Ablenkung

47 Elektronenstrahl-Ablenkprogrammcr

48 Röhrenstrom-Regler und Begrenzer

49 Röhren-Hochspannungs-Reglcr und Begrenzer

50 Stromversorgung für Gitter, Heizung, Hochspannung

51 Gitterspannungsgenerator

52 Hslzurigs-StrornversQrgung

53 Hochspannungsgenerator

Die Anschlüsse 12, 13, 14 sowie 19 bis 23 finden sich in Flg. 1 wieder. An diesen Stellen Ist das Steuerpult 60 und die Stromversorgung 50 mit der Röntgenröhre verbunden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

13 gemeinsamer Anschluß Heizung. Hochspannung. Gitter

12 Anschluß Heizung

14 Anschluß Cutter

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Claims

Patentansprüche:

1. Feinfokus-Röntgenröhre

mit evakuiertem Kolben (2) mit Gitter (4) und Kathode (3)

mit einer Antikathode (8) von gewölbter Form, deren Zenit der Kathode {3) zugewandt ist
mit einem Austrittsfenster (9)
mit einer Elektronenstrahlbündelungs- und Ablenkvorrichtung (5,6)

mit einer Steuerschaltungsanordnung für die Elektronenstrahlablenkvorrichtung (5, 6)
mit Anordnung der Antikathode (8) gegenüber dem Elektronenstrahl (11) und dem Austrittsfenster (9) zur Erzeugung eines Targetwinkels von 0 bis 10°,

dadurch ^kennzeichnet,

- daß eine Teil fläche der Antikathode (8) dem Austrittsfenster (9) zugewandt ist und die andere Teilfläche dem Austrittsfenster (9) abgewandt ist,

- daß die Steuerschaltungsanordnung so ausgelegt Ist, daß der Elektronenstrahl (11) von einem Auftreffpunkt auf der dem Austrittsfenster (9) zugewandten Teil fläche über den Zenit auf die dem Austrittsfenster (9) abgewandte Teilfläche gerichtet wird und von dieser wieder über den Zenit au Γ einen anderen Auftreffpunkt auf der dem Austrittsfenster (9) zugewandten Teilfläche gerichtet wird.

2. Verfahren für den Impulsbeirieb einer Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß man den Elektronenstrahl dauernd auf die Antikathode auffallen läßt und
daß man den Elektronenstrahl von einem Auftreifpunkt auf der dem Austrittsfenster abgewandten Teilfläche über den Zenit auf die dem Austrittsfenster zugewandte Teilfläche richtet und von dieser wieder über den Zenit auf einen AuftrelTpunkt auf der dem Austrittsfenster abgewandten Tellfläche richtet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß man den Elektronenstrahl mehrmals über den Zenit von einem Auftreffpunkt auf der dem Austrittsfenster abgewandten Teilfläche der Antikathode zugewandten Teilfläche der Antikathode und zurück richtet

und daß man dabei den Elektronenstrahl auf jeweils einen anderen Auftreffpunkt richtet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß man den Elektronenstrahl so auf die dem Austrittsfenster abgewandten Tellflachen der Antikathode richtet, duli der AullrelTpunkl sich ständig bewegt.

Die Erfindung betrifft eine Feinfokus-Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Impulsbetrieb dieser Röntgenröhre. Eine derartige Röntgenröhre mit gewölbter Antikathode ist aus der GB-PS 15 26 041 bekannt geworden. Die gewölbte Antikathode dient hier zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung, die über ihren gesamten Querschnitt gleiche Strahlungsdichte aufweist. Dabei sind die beiden to Teilflächen zu beiden Seiten des Zenits der Wölbung so angeordnet, daß die an Auftreffpunkten des Elektronenstrahles auf beiden Teilflächen abgestrahlte Röntgenstrahlung durch das Austrittsfenster austritt.

Durch die GB-PS 14 69 932 ist eine Röntgenröhre Jiskannt geworden, bei der In dem Bestreben mit höheren Intensitäten zu arbeiten eine drehbare Antikathode verwendet wird, deren Oberfläche sägezahn Form ig gestaltet ist. Hierdurch wird ereicht, daß immer wieder andere Oberflächenteile der Antikathode von dem ständig emittieften Elektronenstrom getroffen werden. Durch die Vielzahl der in ständigem Wechsel als Auftrefipunkt for den Elektronenstrom dienenden Flächen der Antikathode wird eine impulsförmige Röntgenstrahlung erzeugt, deren Impulsfrequenz und Impulspausen von der Drehzahr der Antikathode, der Anzahl der sägezahnförmigen Vorsprünge und von deren Form abhängt. Hier sind besondere Maßnähmen und Mittel vorzusehen, um immer nur einen ganz engen Ausschnitt aus dem erzeugten Röntgenstrahllmpuls in die Messung eingehen zu lassen, nämlich einem Bereich, bei dem der Targetwinkel etwa 4° beträgt. Weiter sind an der Meßvorrichtung Maßnahmen zu treffen, um das Meßergebnis entsprechend dem Auftreffwinkel des Elektronenstromes zu bewerten. Das Ist mühsam und umständlich, die hler erzeugten Impulse sind durch die Drehzahl der Antikathode und die Anzahl und Form der Vorsprünge auf wenige Werte festgelegt und die Bewertung der Auswertung engt die Anwendungsbereiche auf sehr wenig Anwendungsfälle ein. Der Acftreffpu^kt der Röntgenstrahlung auf der sich drehenden Antikathode bewegt sich daher ständig in einem gewissen Bereich und führt daher zu verwischten Röntgenbildern.

Mit Röntgenstrahllmpulsen lassen sich z. B. bei medizinischen Anwendungen möglichst kurze Exposltionszelten und eine geringe Belastung des Patienten erzielen. Diese Belastung des Patienten 1st besonders gering dann, wenn keine Verwischungen des Röntgenblldes Insbesondere durch solche Strahlungen auftreten, die von ständig wechselnden Auftreffpunkten des Elektronenstromes herrühren und wenn mit gut definierbaren Bestrahlungszelten gearbeitet werden kann. Eine niedrige Belastung tritt aber auch dann ein, wenn mit Impulsen gearbeitet werden kann, die den speziellen Bedürfnissen des Anwendungszweckes In Ihrer Länge und in der Dauer der Impulspausen angepaßt sind.

Es Ist die Aufgabe der Erfindung, einen Impulsbetrieb mit definiert und beliebig lang bzw. kurz einstellbaren Impulsen bei exakt definierter Bestrahlungszelt zu ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Feinfokus-Röntgenröhre gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1. Zur Erzeugung eines einzelnen Impulses geht man wie Im Kennzeichen des Anspruches 2 angegeben vor. Zur Schonung der Antikathode, aber auch zur Erzeugung von Stereo-Röntgenaufnahmen gestaltet man das Verfahren des Anspruches 2 durch die Im Kennzeichen des Anspruches 3 angegebenen Merkmale welter aus. Um besser verschiedene Auftreffpunkte gemäß Anspruch 3 anstcu-