DE4204301A1 - Roentgenroehre mit strahlenaustrittsfenster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Kathode, einer Anode und einem die Kathode und Anode aufnehmenden Vakuumgehäuse, welches mit einem aus Titan gebildeten Strah­ lenaustrittsfenster für die von der Anode ausgehende Röntgen­ strahlung versehen ist.

Um die in einer Röntgenröhre erzeugte Strahlung in der Medizin insbesondere zu bildgebenden Zwecken nutzen zu können, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Zum einen muß der Austritt der Röntgenstrahlung aus dem Vakuumgehäuse gewährleistet sein. Zum anderen muß z. B. gemäß der deutschen Norm DIN 6 815 bzw. dem Entwurf vom Juli 1990 zur Neufassung dieser Norm ein Röntgen­ strahler eine Filterung der Röntgenstrahlung (sogenannte Ge­ samtfilterung) aufweisen, die in Abhängigkeit von der Röntgen­ röhrenspannung und/oder dem Verwendungszweck des Röntgenstrah­ lers sowie eventuell dem Fokus-Haut-Abstand wenigstens einem bestimmten Aluminium(Al)- oder Molybdän-Gleichwert entspricht.

Bei herkömmlichen Röntgenröhren wird die erste Bedingung durch Verwendung eines Vakuumgehäuses aus Glas oder durch Verwendung eines aus Metall und Keramik oder Metall und Glas bestehenden Vakuumgehäuses mit einem aus Beryllium gebildeten Strahlenaus­ trittsfenster gelöst. Die Materialien Glas bzw. Beryllium haben niedrige Ordnungszahlen (Beryllium Z = 4, Glas Z = ca. 14) und schwächen die erzeugte Strahlung nur unwesentlich. Bei Verwendung von Strahlenaustrittsfenstern aus Beryllium ist nachteilig, daß dieses Material toxisch und hinsichtlich der Verbindungs- und Verarbeitungstechnologien problematisch ist. Günstiger ist in dieser Hinsicht Titan, das ebenfalls als Material für Strahlenaustrittsfenster bekannt ist (DE 34 17 250 A1 und DE 28 33 093 A1). Da Röntgenröhren übli­ cherweise zur Bildung eines Röntgenstrahlers in ein Schutz­ gehäuse eingebaut werden, wird die erforderliche Filterung herkömmlicherweise dadurch erreicht, daß Kupferbleche und/oder Aluminiumkeile im weiteren Strahlengang angebracht werden, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Röntgen­ strahlung wenig geschwächt aus der Röntgenröhre austritt, der im Zusammenhang mit dem Strahlenaustrittsfenster zu treibende Fertigungsaufwand gering ist und der zur Erzielung der erfor­ derlichen Filterung zu treibende Aufwand gering ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Rönt­ genröhre mit einer Kathode, einer Anode und einem Kathode und Anode aufnehmenden Vakuumgehäuse, welches mit einem aus Titan gebildeten Strahlenaustrittsfenster für die von der Anode aus­ gehende Röntgenstrahlung versehen ist, dessen Dicke so gewählt ist, daß seine Filterwirkung in Abhängigkeit vom jeweiliqen Anwendungsbereich der Röntgenröhre, die Filterwirkung gemäß der Tabelle

Anwendungsbereich
Filterwirkung
Röntgenaufnahmen,
Computertomographie (CT), @	Durchleuchtung @	Fokus-Haut-Abstand (FHA) 30 cm	2,5 mm Aluminium (Al)-Gleichwert
Durchleuchtung mit C- und U-Bogengeräten @	20 cm FHA FHA 30 cm	3,0 mm Al-Gleichwert
Mammographie	0,5 mm Al-Gleichwert
Mammographie mit Molybdänanodenröhre	Filter
Röntgenröhrenspannung 40 kV	0,03 mm Molybdän-Gleichwert
Aufnahmeeinrichtungen, für die Röntgenröhrenspannungen über 100 kV vorgesehen sind, außer: CT, Untersuchungsgeräte für Nahbedienung mit Zielgerät und mobile Einrichtungen	2,5 mm Al-Gleichwert
Dentalaufnahmetechnik mit Tubus und intraoralem Bildempfänger oder extraoralem Bildempfänger einschl. Schädel-Fernaufnahmetechnik @	Dental-Panorama-Schichtaufnahmetechnik mit umlaufendem Röntgenstrahler mit Blendensystem @	Röntgenröhrenspannung 70 kV	1,5 mm Al-Gleichwert
Röntgenröhrenspannung <70 kV	2,5 mm Al-Gleichwert
Dental-Panorama-Aufnahmetechnik (mit intraoralem Röntgenstrahler mit Blendensystem)	3,0 mm Al-Gleichwert
Dental-Aufnahmetechnik mit Tubus bei verkürztem Fokus-Haut-Abstand und extraoralem Bildempfänger (Kontaktaufnahme) @	FHA = 6 cm	3,0 mm Al-Gleichwert
FHA = 5 cm	4,0 mm Al-Gleichwert

weder wesentlich unterschreitet noch deutlich übersteigt. Da Titan mit Z = 22 eine relativ kleine Ordnungszahl aufweist, ist ein nur geringfügig geschwächter Austritt der Röntgen­ strahlung aus der Röntgenröhre gewährleistet. Da Titan auch bei relativ geringer Dicke die jeweils vorgeschriebene Filter­ wirkung aufweist, können besondere Maßnahmen zur Filterung im Röntgenstrahler bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre entfal­ len. Vielmehr bewirkt allein das Titan-Austrittsfenster schon die gemäß DIN 6815 bzw. dem Entwurf vom Juli 1990 erforder­ liche Filterung, wenn seine Dicke nach vorstehender Tabelle gewählt ist. Außerdem läßt sich Titan, das übrigens nicht toxisch ist, infolge seiner guten Verformbarkeit, Zerspanbar­ keit und Lötbarkeit leicht verarbeiten. Im vorliegenden Falle soll unter einer die vorgeschriebene Filterwirkung nicht wesentlich unterschreitenden Filterwirkung eine Filterwirkung verstanden werden, die so bemessen ist, daß sich im Falle des Einbaus der Röntgenröhre in ein Schutzgehäuse oder dergleichen zusammen mit der in der Regel nur geringen Filterwirkung des Strahlenaustrittsfensters des Schutzgehäuses die vorgeschrie­ bene Filterwirkung einstellt, ohne daß es weiterer Maßnahmen bedarf. Nach DIN 6 815 oder anderen Vorschriften vorgeschriebe­ ne Zusatzfilter dürfen natürlich vorhanden sein. Unter einer die vorgeschriebene Filterwirkung nicht deutlich übersteigen­ den Filterwirkung soll verstanden werden, daß die vorhandene Filterwirkung die vorgeschriebene Filterwirkung um nicht mehr als das Dreifache übersteigt. In diesem Falle tritt die Rönt­ genstrahlung noch wenig geschwächt aus der Röntgenröhre aus. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Strahlenaustrittsfensters höchstens 0,6 mm. Eine derartige Dicke des Strahlenaustritts­ fensters reicht zum einen aus, um dessen Vakuumdichtigkeit sicherzustellen und eine gute Verarbeitbarkeit zu gewähr­ leisten. Andererseits ist die Schwächung der aus der Röntgen­ röhre austretenden Röntgenstrahlung so gering, daß auch bei kritischen Anwendungen, z. B. der Computertomographie, noch eine hinreichende Röntgenstrahlen-Dosis gewährleistet ist. Der Al-Gleichwert eines Titan-Strahlenaustrittsfensters von 0,6 mm Dicke beträgt übrigens ca. 4,8 mm. Als absolute Untergrenze der Dicke des Strahlenaustrittsfensters ist diejenige Dicke einzuhalten, die zur Erzielung der jeweils vorgeschriebenen Filterwirkung erforderlich ist. Aus Gründen der Verarbeitbar­ keit und/oder zur Gewährleistung der Vakuumdichtigkeit kann es zweckmäßig bzw. erforderlich sein, größere Dicken zu wählen. Anhand der Tabelle und der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, daß eine Röntgenröhre, deren Strahlenaustrittsfen­ ster eine Filterwirkung von 3 mm Al-Gleichwert aufweist, für praktisch alle Anwendungsbereiche mit Ausnahme der Mammo­ graphie und bestimmter Dental-Aufnahmetechniken brauchbar ist. Da für diese beiden Anwendungsbereiche ohnehin Spezialröhren verwendet werden, können also mit einer Röntgenröhre, deren Strahlenaustrittsfenster gemäß einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung 3 mm Al-Gleichwert beträgt, alle wesent­ lichen Anwendungsbereiche abgedeckt werden, so daß nicht für jeden Anwendungsbereich eine besondere Röntgenröhre bereit­ gehalten werden muß.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß ein aus einem metallischen Werkstoff gebildeter Bereich des Vakuumgehäuses mit dem Strahlenaustrittsfenster versehen ist. In diesem Fall ist es besonders einfach, das Strahlenaustrittsfenster mit dem Vakuumgehäuse zu verbinden. Dies geschieht in bevorzugter Weise durch Löten, wobei sich insbesondere ein Lot mit der Bezeichnung VH 720 (Legierung Ag 60 CuIn 13) eignet.

Während Beryllium nur schwer verarbeitbar ist, Beryllium- Strahlenaustrittsfenster sind deshalb eben ausgebildet und über ein rahmenförmiges Bauteil mit dem eigentlichen Vakuum­ gehäuse verbunden, ist Titanblech in der für Strahlenaus­ trittsfenster geeigneten Dicke problemlos verformbar, so daß in vorteilhafter Weise gemäß einer Ausführungsform der Er­ findung die Gestalt des Strahlenaustrittsfensters wenigstens im wesentlichen derjenigen Gestalt entspricht, die die Wandung des Vakuumgehäuses im Bereich des Strahlenaustrittsfensters aufweisen würde. Wenn also beispielsweise die mit dem Strah­ lenaustrittsfenster versehene Wandung des Vakuumgehäuses zylindrisch gekrümmt ist, weist auch das Strahlenaustritts­ fenster eine zylindrische Krümmung auf, wobei der Krümmungs­ radius des Strahlenaustrittsfensters wenigstens im wesent­ lichen dem des genannten Bereiches des Vakuumgehäuses ent­ spricht und die Achsen, um die die Wandung des Vakuumgehäuses bzw. das Strahlenaustrittsfenster zylindrisch gekrümmt sind, wenigstens im wesentlichen übereinstimmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Röntgenröhre, und

Fig. 2 ebenfalls in schematischer Darstellung einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1.

Die erfindungsgemäße Röntgenröhre, die z. B. für die Computer­ tomographie vorgesehen ist, weist ein insgesamt mit 1 be­ zeichnetes Vakuumgehäuse auf, das eine Kathodenanordnung 2 und eine Drehanodenanordnung 3 aufnimmt. Das zur Mittelachse M der Röntgenröhre im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführte Vakuumgehäuse 1 weist zwei Keramikringe 4, 6 auf, die durch metallische Rohrteile 7, 8 miteinander verbunden sind. Dabei ist der Keramikring 4 in das eine Ende des Rohrteiles 7 einge­ setzt und mit diesem durch Löten vakuumdicht verbunden. In das andere Ende des Rohrteiles 7 ist das eine als radial auswärts gerichteter Flansch 5 ausgeführte Ende des Rohrteiles 8 einge­ setzt und mit diesem ebenfalls durch Löten vakuumdicht be­ festigt. In das von dem Rohrteil 7 entfernte Ende des Rohr­ teiles 8 ist der Keramikring 6 eingesetzt und wieder durch Löten vakuumdicht 4 befestigt. In die Bohrung des Keramikrin­ ges 4 ist das Halterungsteil 9 der Kathodenanordnung 2 einge­ setzt und vakuumdicht mit dem Keramikring 4 verlötet. An dem Halterungsteil 9 ist ein Tragarm 10, der an seinem freien Ende einen eine wendelförmige Glühkathode 11 aufnehmenden Ansatz 12 aufweist, derart befestigt, daß die Glühkathode 11 in bezug auf die Mittelachse M exzentrisch angeordnet ist. Zur Verbin­ dung der Glühkathode 11 mit einer nicht dargestellten Heiz­ spannungsquelle sind zwei elektrische Leitungen 13 und 14 vorgesehen. In die Bohrung des Keramikringes 6 ist eine metal­ lische Achse 15 durch Löten vakuumdicht eingesetzt. Auf dieser ist der Anodenteller der Drehanodenanordnung 3, der in bezug auf die Mittelachse M rotationssymmetrisch ausgebildet ist, um die Mittelachse M drehbar gelagert. Die hierzu vorgesehenen Wälzlager, die nicht dargestellt sind, befinden sich in an sich bekannter Weise innerhalb eines becherförmigen Rotors 17, der mit dem Anodenteller 16 über ein Schaftstück 18 drehfest verbunden ist.

Der Rotor 17 ist Bestandteil eines insgesamt mit 19 bezeich­ neten Elektromotors zum Antrieb des Anodentellers 16. Der Elektromotor 19 weist außerdem einen Stator 20 auf, der auf das Rohrteil 8 aufgesetzt ist. Der aus einem elektrisch lei­ tenden Werkstoff gebildete Rotor 17 und der Stator 20 wirken nach Art eines Kurzschlußläufermotors zusammen, um den Ano­ denteller 16 in Drehung zu versetzen.

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung wird der Anodenteller 16 mittels des Elektromotors 19 in Rotation versetzt. Außerdem wird zwischen den Leitungen 13 und 14 eine Heizspannung ange­ legt, so daß die Glühkathode 11 glüht. Weiter wird zwischen der Achse 15, die über die Wälzlager, den Rotor 17 und das Schaftstück 18 mit dem Anodenteller 16 elektrisch leitend ver­ bunden ist, und einer der Leitungen 13 oder 14 die Röhrenspan­ nung angelegt. Die aus der Glühwendel 11 austretenden Elektro­ nen werden dann in Richtung auf den Anodenteller 16 beschleu­ nigt, so daß sich ein mit E bezeichneter strichliert angedeu­ teter Elektronenstrahl ergibt. Dieser trifft im Brennfleck BF auf die kegelstumpfförmige Auftrefffläche 21 des Anodentellers 16 auf. Zumindest im Bereich der Auftrefffläche 21 besteht der Anodenteller 16 aus einem zur Erzeugung von Röntgenstrahlen geeignetem Material, beispielsweise einer Wolfram-Rhenium-Le­ gierung. Infolge der Rotation des Anodentellers 16 bildet sich auf der Auftrefffläche 21 eine ringförmige Brennfleckbahn aus.

Um einen möglichst ungehinderten Austritt des von dem Brenn­ fleck BF ausgehenden Röntgenstrahlenbündels aus dem Vakuumge­ häuse 1 zu ermöglichen, ist dieses mit einer beispielsweise kreisförmigen oder insbesondere bei Röntgenröhren für die Computertomographie rechteckigen Bohrung 22 versehen, welche mittels eines Strahlenaustrittsfensters 23 verschlossen ist. Das Strahlenaustrittsfenster 23, das im Falle einer kreisför­ migen Bohrung 22 vorzugsweise von kreisscheibenförmiger und im Falle einer rechteckigen Bohrung von rechteckiger Gestalt ist, weist etwas größere Abmessungen als die Bohrung 22 auf und ist mit dem Rohrteil 7 vakuumdicht verlötet. Der Zentralstrahl ZS des Nutz-Röntgenstrahlenbündels verläuft vorzugsweise etwa mittig durch die Bohrung 22.

Im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ist das Strahlen­ austrittsfenster 23 aus Titan gebildet. Da Titan eine relativ kleine Ordnungszahl von Z = 22 aufweist, ist ein im wesent­ lichen ungeschwächter Austritt der Röntgenstrahlung aus dem Vakuumgehäuse 1 gewährleistet. Die Dicke des Strahlenaus­ trittsfensters 23 ist so gewählt, daß seine Filterwirkung die von 2,5 mm Al-Gleichwert weder unterscheidet noch wesentlich übersteigt. Vorzugsweise ist eine Dicke von nicht mehr als 0,6 mm vorgesehen. Eine derartige Dicke des Strahlenaustritts­ fensters 23 reicht zum einen aus, um dessen Vakuumdichtigkeit sicherzustellen und eine gute Verarbeitbarkeit zu gewährlei­ sten. Andererseits ist die Schwächung der aus der Röntgenröhre austretenden Röntgenstrahlung so gering, daß beispielsweise auch noch bei der Computertomographie bei weitem eine ausrei­ chende Röntgenstrahlen-Dosis gewährleistet ist. Da bei einer Dicke des Strahlenaustrittsfensters 23 von 0,6 mm dessen Al-Gleichwert ca 4,8 mm beträgt, sind in vorteilhafter Weise keinerlei zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um die für die Computertomographie vorgeschriebene Filterwirkung von 2,5 mm Al-Gleichwert zu erreichen. Außerdem ist die beschriebene Röntgenröhre für alle Anwendungsbereiche mit Ausnahme bestimm­ ter Dental-Aufnahmetechniken und der Mammographie verwendbar, da - von den Ausnahmen abgesehen - auch für diese Anwendungs­ bereiche die vorgeschriebene Filterwirkung weder wesentlich unter- noch deutlich überschritten wird. Das aus Titan gebil­ dete Strahlenaustrittsfenster 23 bietet außerdem den Vorteil, daß es problemlos verformbar ist. Das Strahlenaustrittsfenster 23 kann also in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise mit einer an die des Rohrteiles 7 angepaßten Krümmung versehen und somit unmittelbar, d. h. ohne Zwischenteile, wie Rahmen und derglei­ chen, mit dem Rohrteil 7 verlötet werden. Das Strahlenaus­ trittsfenster 23 weist somit sozusagen eine Gestalt auf, die im wesentlichen derjenigen entspricht, die das Vakuumgehäuse 1 bzw. dessen Rohrteil 7 im Bereich der Bohrung 22 bzw. des Strahlenaustrittsfensters 23 aufweisen würde. Als Lot zur Verbindung des Strahlenaustrittsfensters 23 mit dem Rohrteil 7 eignet sich insbesondere ein Lot mit der Bezeichnung VH 720, falls als Material für das Rohrteil 7 Kupfer oder auch Stahl vorgesehen ist. Das Verlöten der Keramikringe 4, 6 mit den angrenzenden Metallteilen erfolgt in herkömmlicher Weise nach vorheriger Metallisierung der Keramikringe 4, 6 im Bereich der Lötstellen.

Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles ist ein metallischer Bereich des Vakuumgehäuses 1 mit dem Strahlenaus­ trittsfenster 23 versehen. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, aus Keramik bestehende Bereiche von Vakuum­ gehäusen mit Strahlenaustrittsfenstern aus Titan zu versehen. Außerdem beschränkt sich die Verwendung von Strahlenaustritts­ fenstern aus Titan nicht auf Drehanoden-Röntgenröhren wie im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles, sondern kann auch im Falle von Festanoden-Röntgenröhren erfolgen. Anstelle des Keramikringes 4 kann ein Glasteil vorgesehen sein. Statt des Keramikringes 6 und des Rohrteiles 8 mit dem Flansch 5 kann ein einziges Glas- oder Keramikteil verwendet werden.

Claims (6)

1. Röntgenröhre für medizinische Zwecke mit einer Kathode (11), einer Anode (16) und einem Kathode (11) und Anode (16) aufneh­ menden Vakuumgehäuse (1), welches mit einem aus Titan gebil­ deten Strahlenaustrittsfenster (23) für die von der Anode (16) ausgehende Röntgenstrahlung versehen ist, dessen Dicke so ge­ wählt ist, daß seine Filterwirkung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsbereich die Filterwirkung gemäß der Tabelle Anwendungsbereich Filterwirkung Röntgenaufnahmen, Computertomographie (CT), @ Durchleuchtung @ Fokus-Haut-Abstand (FHA) 30 cm 2,5 mm Aluminium (Al)-Gleichwert Durchleuchtung mit C- und U-Bogengeräten @ 20 cm FHA FHA 30 cm 3,0 mm Al-Gleichwert Mammographie 0,5 mm Al-Gleichwert Mammographie mit Molybdänanodenröhre Filter Röntgenröhrenspannung 40 kV 0,03 mm Molybdän-Gleichwert Aufnahmeeinrichtungen, für die Röntgenröhrenspannungen über 100 kV vorgesehen sind, außer: CT, Untersuchungsgeräte für Nahbedienung mit Zielgerät und mobile Einrichtungen 2,5 mm Al-Gleichwert Dentalaufnahmetechnik mit Tubus und intraoralem Bildempfänger oder extraoralem Bildempfänger einschl. Schädel-Fernaufnahmetechnik @ Dental-Panorama-Schichtaufnahmetechnik mit umlaufendem Röntgenstrahler mit Blendensystem @ Röntgenröhrenspannung 70 kV 1,5 mm Al-Gleichwert Röntgenröhrenspannung <70 kV 2,5 mm Al-Gleichwert Dental-Panorama-Aufnahmetechnik (mit intraoralem Röntgenstrahler mit Blendensystem) 3,0 mm Al-Gleichwert Dental-Aufnahmetechnik mit Tubus bei verkürztem Fokus-Haut-Abstand und extraoralem Bildempfänger (Kontaktaufnahme) @ FHA = 6 cm 3,0 mm Al-Gleichwert FHA = 5 cm 4,0 mm Al-Gleichwert weder wesentlich unterschreitet noch deutlich übersteigt.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Strahlenaustrittsfenster (23) eine Filterwirkung von 3 mm Al-Gleichwert aufweist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Strahlen­ austrittsfensters (23) höchstens 0,6 mm beträgt.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein aus einem metallischen Werkstoff gebildeter Bereich (7) des Vakuumge­ häuses (1) mit dem Strahlenaustrittsfenster (23) versehen ist.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Strahlenaustrittsfenster (23) durch Löten, vorzugsweise mittels des Lotes VH 720, mit dem Vakuumgehäuse (1) verbunden ist.

6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gestalt des Strahlenaustrittsfensters (23) wenigstens im wesentlichen derjenigen Gestalt entspricht, die die Wandung (7) des Vakuum­ gehäuses (1) im Bereich des Strahlenaustrittsfensters (23) aufweisen würde.