DE4228559A1 - Röntgenröhre mit einer Transmissionsanode - Google Patents
Röntgenröhre mit einer TransmissionsanodeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Transmissionsanode, die
eine im Betriebszustand von Elektronen getroffene Targetschicht aus einem
oder mehreren Metallen mit hoher Ordnungszahl und eine mit der Target
schicht verbundene Trägerschicht aus einem oder mehreren Stoffen mit
niedriger Ordnungszahl umfaßt.
Solche Röntgenröhren sind bekannt - beispielsweise aus der
DE-OS 27 29 833, aus der US-PS 20 90 636 und aus der US-PS 3 894 239.
Für die Dicke der beiden Schichten ergeben sich einander widersprechende
Forderungen. Einerseits soll die Targetschicht möglichst dick sein, um die
auftreffenden Elektronen zu einem möglichst hohen Prozentsatz in Röntgen
quanten umzuwandeln. Andererseits muß diese Schicht möglichst dünn sein,
um die darin erzeugten Röntgenquanten möglichst wenig zu schwächen. Die
Trägerschicht muß einerseits dünn genug sein, um die austretenden Röntgen
strahlen möglichst wenig zu schwächen und andererseits dick genug, um die
mechanische Stabilität und die Ableitung der in der Targetschicht erzeugten
thermischen Energie zu gewährleisten.
Wohl wegen dieser einander widersprechenden Forderungen haben diese
Röntgenröhren - jedenfalls für einen Spannungsbereich zwischen 50 und
500 kV, der für medizinische, aber auch für industrielle Untersuchungen
wichtig ist - kaum Eingang in die Praxis gefunden. Für diese Zwecke werden
Röntgenröhren mit Anoden eingesetzt, bei denen die Röntgenstrahlen von der
Seite der Anode emittiert werden, auf die die Elektronen auftreffen. Diese
Anoden werden deshalb im folgenden auch als Reflexionsanoden bezeichnet.
Bei allen Röntgenröhren wird in dem Spannungsbereich bis zu 500 kV nur ein
kleiner Teil der aufgebrachten elektrischen Energie in Röntgenstrahlung umge
setzt; der Rest der aufgewandten Energie führt zur Erwärmung der Anode.
Von der erzeugten Röntgenstrahlung wird außerhalb der Röntgenröhre
wiederum nur ein kleiner Bruchteil als Nutzstrahlenbündel ausgenutzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre der eingangs
genannten Art, deren Betriebsspannung im Bereich zwischen 50 kV und
500 kV liegt, so auszugestalten, daß mit der zum Betrieb der Röntgenröhre
aufgebrachten elektrischen Energie im Nutzstrahlenbündel mehr Röntgen
strahlung erzeugt wird als bei einer Röntgenröhre mit Reflexionsanode.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Winkel R
zwischen der Einfallsrichtung der Elektronen und der Richtung der durch die
Trägerschicht hindurch emittierten Röntgenstrahlen im Nutzstrahlenbündel
zwischen 10° und 40° beträgt.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Intensität der Röntgen
strahlung sehr stark von dem Winkel abhängig ist, den die emittierte Röntgen
strahlung mit der Richtung der Elektronen einschließt. Unter Vernachlässigung
der Schwächung durch das Target ergibt sich ein ausgeprägtes Intensitäts
maximum auf der Mantelfläche eines Kegels, dessen Mittelachse durch die
Richtung des die Röntgenstrahlen erzeugenden Elektronenstrahls gebildet wird.
Der Öffnungswinkel dieses Kegels ist von der Betriebsspannung abhängig, und
zwar wird er umso kleiner, je höher die Betriebsspannung ist. Für eine
Betriebsspannung von 60 kV beträgt der halbe Öffnungswinkel des Kegels mit
der maximalen Intensität ca. 40°, und für eine Betriebsspannung von 500 kV
ca. 10°.
Die Erfindung nutzt diese Erkenntnis dadurch aus, daß sie den Winkel
zwischen dem Nutzstrahlenbündel, d. h. dem außerhalb der Röntgenröhre
ausgenutzten Teil der Röntgenstrahlung, und der Einfallsrichtung der die
Röntgenstrahlung erzeugenden Elektronen entsprechend wählt.
In der Regel hat das Nutzstrahlenbündel zumindest in einer Richtung einen
von Null verschiedenen Öffnungswinkel. In diesem Fall muß der Winkel
zwischen einem Röntgenstrahl im Zentrum des Nutzstrahlenbündels und der
Einfallsrichtung der Elektronen so gewählt sein, wie im Anspruch angegeben.
Bei den bisher bekannten Röntgenröhren mit Transmissionsanode verläuft das
Nutzstrahlenbündel in der Regel in der Verlängerung der Elektronenbahn, d. h.
der Winkel R ist Null.
Jedoch gibt es auch Röntgenröhren mit einer Transmissionsanode, bei denen
der Winkel R von Null verschieden ist. So ist aus der US-PS 3 894 239 eine
Drehanoden-Röntgenröhre mit einer Transmissionsanode bekannt, bei der ein
Elektronenbündel etwa senkrecht auf eine Targetschicht auftrifft, die gegen
über dem Strahlenaustrittsfenster um ca. 80° geneigt ist. Dadurch soll das in
der Targetschicht erzeugte kontinuierliche Bremsstrahlungsspektrum wesentlich
stärker geschwächt werden als die in der Targetschicht erzeugte Fluoreszenz
strahlung.
Weiterhin ist in Fig. 7 der DE-OS 27 29 833 eine Röntgenröhre mit einer
ringförmigen Anode beschrieben, bei der die Röntgenstrahlung mittels zweier
auf den Umfang der Anode verteilter Gruppen von Kathoden erzeugt wird,
die beiderseits einer durch den Strahler verlaufenden Mittelebene angeordnet
sind. Dadurch ergibt sich jeweils ein Winkel R von 45°.
In keiner dieser Veröffentlichungen wird die Tatsache ausgenutzt, daß die
Röntgenstrahlung in einem Winkelbereich zwischen 15° (bei hohen Röhren
spannungen) und 40° (bei niedrigen Röhrenspannungen) besonders intensiv ist.
Schließlich ist aus der WO 92/03837 eine Röntgenröhre mit einer Reflexions
anode bekannt, bei der die Elektronen unter einem Winkel von 10° (statt
üblicherweise 70°-90°) auf die Anode auftreffen und bei der das Nutzstrah
lenbündel unter einem Winkel von 5°-15° in Bezug auf die Anode verläuft.
Dabei kann sich aber das Strahlenaustrittsfenster stark durch Streuelektronen
erwärmen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das für die Röntgenstrah
lenausbeute wesentliche Gewicht w der Targetschicht pro Flächeneinheit -
ausgedrückt in Gramm/cm2 - zumindest annähernd der Beziehung genügt:
w = 1,5 · 10-6 · (A/Z)2,5 · U1,6 · cosβ,
wobei A die relative Atommasse und Z die Ordnungszahl des Metalls der
Targetschicht ist, U die Betriebsspannung in kV, für die die Röntgenröhre
ausgelegt ist, und ß der Winkel ist, den die Einfallsrichtung der Elektronen
mit der Normalen auf die Targetschicht einschließt. Für eine Röntgenröhre
mit einer Targetschicht aus Wolfram ergibt sich daraus für eine Betriebsspan
nung U = 100 kV eine Masse pro Flächeneinheit von 0,0177 g/cm2 bzw. eine
Dicke von 9,2 µm.
Die Erfindung kann bei unterschiedlichen Röntgenröhren für unterschiedliche
Anwendungszwecke eingesetzt werden. Nach einer bevorzugten Weiterbildung
der Erfindung ist vorgesehen, daß sie als Drehanoden-Röntgenröhre ausge
bildet ist und daß die Targetschicht (beispielsweise aus Wolfram und/oder
Rhenium) auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes liegt, der mit der Rich
tung der außerhalb der Röntgenröhre ausgenutzten Röntgenstrahlen einen
Winkel einschließt, der kleiner ist als der Winkel, der zwischen dieser Rich
tung und der Richtung der einfallenden Elektronen besteht. Die Anode hat
dabei die Form einer zu ihrer Drehachse symmetrischen Schüssel, deren mit
der Targetschicht versehene Innenfläche der die Elektronen emittierenden
Elektronenquelle zugewandt ist und deren Nutzstrahlenbündel vorzugsweise
unter einem Winkel von 90° zur Drehachse aus der Außenfläche emittiert
wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 eine Prinzipzeichnung eines Teils einer Transmissionsanode und
Fig. 2 eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einer erfindungsgemäßen Trans
missionsanode.
Die in Fig. 1 dargestellte Transmissionsanode umfaßt eine Targetschicht 1 aus
einem Metall mit einer hohen Ordnungszahl, die auf eine Trägerschicht 2 aus
einem Stoff mit einer niedrigen Ordnungszahl aufgebracht ist. Die Target
schicht 1 kann beispielsweise aus Wolfram oder Rhenium oder aus einer Le
gierung dieser Metalle bestehen; andere für die Targetschicht 1 geeignete
Metalle sind Platin oder Thorium. Die Trägerschicht 2 kann aus Graphit oder
Beryllum bestehen und eine solche Dicke aufweisen, daß sich einerseits eine
genügende mechanische Stabilität ergibt und die Röntgenstrahlung möglichst
wenig geschwächt wird.
Mit dem Pfeil 3 ist ein Elektronenstrahl bezeichnet, der unter einem Winkel ß
mit der Normalen auf die Targetschicht 1 auftrifft. Dadurch wird Röntgen
strahlung erzeugt, die sich auf einer Kugel um den Auftreffpunkt ausbreitet.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß
bei Vernachlässigung der Schwächung durch die Targetschicht die Röntgen
strahlung, die sich auf dem Mantel eines Kegels (mit seiner Spitze im Elek
tronenauftreffpunkt und seiner Symmetrieachse parallel zur Elektronenstrahl
richtung) mit einem bestimmten Öffnungswinkel R ausbreitet, die größte Inten
sität hat. Von diesem Kegel sind in Fig. 1 der obere Grenzstrahl 4a und der
untere Grenzstrahl 4b dargestellt. Der halbe Öffnungswinkel R dieses Kegels
hängt von der Betriebsspannung ab, wobei näherungsweise die Tabelle gilt:
Deshalb muß die Röntgenröhre so gestaltet werden, daß die Richtung des
Nutzstrahlenbündels mit der Richtung eines der Strahlen auf dem Kegelmantel
zusammenfällt. Die in der Targetschicht erzeugte Röntgenstrahlung kann dabei
unter verschiedenen Winkeln zu den Schichtebenen verlaufen, wobei die
Zeichnung den kleinsten Winkel α1 und den größten Winkel α2 zeigt. Für
diese Winkel gelten die Gleichungen
α1 = 90° - β - R (1)
α2 = 90° - β + R (2)
Die für die Strahlenausbeute optimale Masse der Targetschicht pro Flächen
einheit errechnet sich angenähert nach der Beziehung
w = 1,5 · 10-6 · (A/Z)2,5 · U1,6 · cosβ (3)
Dabei ist a die relative Atommasse (atomic weight) und Z die Ordnungszahl
(atomic number) des Metalls, aus dem die Targetschicht besteht. β ist der
Einfallswinkel der Elektronen, d. h. der Winkel, den die Richtung des Elek
tronenstrahls 3 mit der Normalen auf die Targetschicht bildet. Wenn die
Targetschicht aus einer Legierung aus zwei oder mehreren Metallen besteht,
errechnet sich die Masse der Targetschicht pro Flächeneinheit, indem man für
jedes Metall der Legierung den Wert w entsprechend Gleichung (3) berechnet
und die berechneten Werte entsprechend dem jeweiligen Legierungsanteil
gewichtet summiert.
Wenn die Strahlenaustrittsrichtung entsprechend der Tabelle gewählt und die
Dicke der Targetschicht entsprechend Gleichung (3) bemessen ist, ist - bei
gleicher Röhrenspannung und bei gleichem Röhrenstrom - die Intensität der
Röntgenstrahlung im Nutzstrahlenbündel signifikant größer als bei einer Rönt
genröhre mit Reflexionsanode, bei der der Winkel zwischen Elektroneneinfalls
richtung und Strahlenaustrittsrichtung ca. 90° beträgt. Die Zunahme der Inten
sität ist umso ausgeprägter, je größer die Röhrenspannung ist. - Betreibt man
allerdings die Röntgenröhre bei einer anderen Spannung als derjenigen, für
die sie ausgelegt ist, dann nehmen diese Intensitätsvorteile ab.
In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einer
erfindungsgemäßen Transmissionsanode dargestellt. Die Röntgenröhre umfaßt
einen Röhrenkolben 5 aus Glas, in dem sich eine Kathodenanordnung 6 und
eine Anodenanordnung 7 befinden. Die Anodenanordnung umfaßt eine Trans
missionsanode 2, die in bekannter Weise an einem Rotor 8 befestigt ist, der
im Innern der Röntgenröhre drehbar gelagert ist. Der Antrieb des Rotors
erfolgt durch einen außerhalb des Glaskolbens angeordneten, in Fig. 2 nicht
näher dargestellten Stator.
Die Transmissionsanode umfaßt einen Trägerkörper 2 aus Graphit und hat
eine zur Kathodenanordnung 6 hin offene Schüssel- oder Tellerform. In dem
vom Elektronenstrahl 3 aus einem an der Kathodenanordnung 6 befestigten
Elektronenemitter bestrichenen Bereich der Transmissionsanode ist eine Tar
getschicht 1 aus Rhenium auf den Trägerkörper 2 aufgebracht. Wenn die
Röntgenröhre für Zwecke der Computertomographie bestimmt ist und dem
entsprechend für eine Betriebsspannung von 150 kV ausgelegt ist und wenn
der Elektronenstrahl 3 unter einem Winkel von 40° mit der normalen Rich
tung auf die Schicht trifft, dann beträgt die Masse dieser Schicht, bezogen auf
die Flächeneinheit gemäß Gleichung (3) 0,38 g/cm2. Dies wird durch eine
16 µm dicke Rheniumschicht erreicht.
Die Röntgenröhre befindet sich im Innern eines Gehäuses, von dem in Fig. 2
nur auf der rechten Seite ein Teil der Gehäusewand 10 dargestellt ist. Die
Gehäusewand umfaßt eine Auskleidung aus einem die Röntgenstrahlung
absorbierenden Material, beispielsweise Blei von genügender Dicke. Lediglich
in Höhe der Targetschicht ist ein Strahlenaustrittsfenster 11 aus einem für die
Röntgenstrahlung transparenten Material vorgesehen, z. B. aus Aluminium, so
daß nur in diesem Bereich Nutzstrahlung austreten kann. Die Nutzstrahlung
verläuft dann senkrecht zur Rotationsachse unter einem Winkel von 30° zur
Richtung des Elektronenbündels. Bei Anwendung für CT-Untersuchungen wird
durch das Strahlenaustrittsfenster ein nahezu ebenes fächerförmiges Strahlen
bündel senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 2 ausgeblendet. Die Hauptaus
dehnungsrichtung des Strahlenaustrittsfensters verläuft in diesem Fall ebenfalls
senkrecht zur Zeichenebene.
Obwohl die Erfindung vorstehend anhand einer für medizinische Unter
suchungen bestimmten Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Glaskolben
erläutert wurde, ist die Erfindung auch bei anderen Ausführungsformen ver
wendbar. Beispielsweise kann anstelle einer Drehanode eine Festanode ver
wendet werden. Anstelle einer Röntgenröhre mit Glaskolben kann auch eine
Röntgenröhre mit Metallkolben verwendet werden, bei der Kathode und/oder
Anode über Isolatoren mit dem Metallkolben verbunden sind. Die Röntgen
röhre kann auch für zerstörungsfreie Untersuchungen im industriellen Bereich
eingesetzt werden; in dem für diese Zwecke benutzten Bereich von Röhren
spannungen (200-500 kV) ergibt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad.
Claims (4)
1. Röntgenröhre mit einer Transmissionsanode, die eine im Betriebszustand
von Elektronen getroffene Targetschicht aus einem oder mehreren Metallen
mit hoher Ordnungszahl und eine mit der Targetschicht verbundene Träger
schicht aus einem oder mehreren Stoffen mit niedriger Ordnungszahl
umfaßt,
dadurch gekennzeichnet daß der Winkel R zwischen der Einfallsrichtung
der Elektronen und der Richtung der durch die Trägerschicht hindurch
emittierten Röntgenstrahlen im Nutzstrahlenbündel zwischen 10° und 40°
beträgt.
2. Röntgenröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet daß der Winkel R und die Betriebsspannung U,
für die die Röntgenröhre ausgelegt ist, zumindest näherungsweise der
Beziehung genügen
3. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet daß das Gewicht der Targetschicht pro Flächen
einheit - ausgedrückt in Gramm/cm2 - zumindest annähernd der Beziehung
genügt:
w = 1,5 · 10-6 · (A/Z)2,5 · U1,6 · cosβ wobei A die relative Atommasse und Z die Ordnungszahl des Metalls der
Targetschicht, U die Betriebsspannung in kV, für die die Röntgenröhre
ausgelegt ist und β der Winkel ist, den die Einfallsrichtung der Elektronen
mit der Normalen auf die Targetschicht einschließt.
4. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet daß sie als Drehanoden-Röntgenröhre ausgebildet
ist und daß die Targetschicht (1) auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes
liegt, der mit der Richtung der außerhalb der Röntgenröhre ausgenutzten
Röntgenstrahlen einen Winkel (α1) einschließt, der kleiner ist als der
Winkel R, der zwischen dieser Richtung und der Richtung der einfallenden
Elektronen besteht.
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