DE4230047C1 - Rotating anode X=ray tube for eg for medical computer tomography - has aperture plate stop in path of electron beam between cathode and anode coated with material having low atomic number. - Google Patents
Rotating anode X=ray tube for eg for medical computer tomography - has aperture plate stop in path of electron beam between cathode and anode coated with material having low atomic number.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Dabei dient die Blende der Vermeidung von extrafokaler Strahlung.The invention relates to an X-ray tube with the features of the preamble of claim 1. The Aperture to avoid extrafocal radiation.
Extrafokale Strahlung kommt dadurch zustande, daß ein relativ hoher Anteil der im Brennfleck auf die Anode auf treffenden Elektronen zurückgestreut wird. Die Rückstreu ung der Elektronen, die infolge der hohen Kernladungszahl, die das Material der Auftrefffläche der Kathode gewöhnlich aufweist, zum großen Teil fast ihre gesamte Primärenergie behalten haben, erfolgt über einen großen Raumwinkel ver teilt. Die zurückgestreuten Elektronen kehren im Falle von Röntgenröhren ohne Maßnahmen zur Verhinderung extrafokaler Strahlung in dem elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode vor Erreichen der Anode um und fallen auf die Anode zurück. Dabei treffen nur die wenigsten Elektronen wieder im Brennfleck auf. Die Mehrzahl der Elektronen trifft außerhalb des Brennfleckes auf die Anode auf.Extrafocal radiation arises from the fact that a relatively high proportion of the focal spot on the anode backscattered electrons. The backscatter of the electrons, which are due to the high atomic number, which is usually the material of the impact surface of the cathode has, for the most part, almost all of its primary energy have kept, takes place over a large solid angle ver Splits. The backscattered electrons return in the case of X-ray tubes without measures to prevent extrafocal Radiation in the electric field between cathode and Anode before reaching the anode and fall onto the anode back. Only a few electrons hit again in the focal spot. The majority of the electrons hit outside of the focal spot on the anode.
Da bei der Verwendung von Röntgenröhren in diagnostischen Röntgenanlagen die erreichbare Bildqualität von Größe und Form des Brennfleckes abhängt, wird durch die rückge streuten Elektronen eine Minderung der Bildqualität ein treten, da die durch das Auftreffen der rückgestreuten Elektronen auf der Anode erzeugte Röntgenstrahlung aus dem genannten Grund größtenteils nicht vom Brennfleck ausgeht.Because when using X-ray tubes in diagnostic X-ray systems the achievable image quality of size and Shape of the focal spot depends on the back electrons scattered a reduction in image quality occur since the backscattered by the impact of the X-rays generated by electrons on the anode from the mentioned reason mostly does not come from the focal spot.
Die Verteilung der Intensität der von einer Röntgenröhre ausgehenden Röntgenstrahlung weist entlang einer den Zen tralstrahl des erzeugten Röntgenstrahlenbündels recht winklig schneidenden Geraden gemessen außerhalb des eigentlichen Nutzstrahlenbündels, dessen Breite durch die entsprechende Abmessung der Blendenöffnung der zu der Röntgenröhre gehörigen Primärstrahlenblende gegeben ist, erfahrungsgemäß einen "Sockel" von einigen Prozent der Gesamtintensität auf (siehe Fig. 2). Dieser "Sockel" oder Untergrund von extrafokaler Strahlung wirkt sich in der Computertomographie besonders störend aus, wo im Zusammen hang mit der Weichteildiagnostik besonders hohe Anforde rungen bezüglich der Niedrigkontrastauflösung gestellt werden. Der Anteil der extrafokalen Strahlung an der ge samten Dosisbelastung eines Patienten kann bis zu 20% betragen, wenn man alle möglichen Entstehungsorte extra fokaler Strahlung berücksichtigt. Eine Verminderung der extrafokalen Strahlung ist also auch aus Gründen der Dosisreduzierung wichtig.Experience has shown that the distribution of the intensity of the x-ray radiation emanating from an x-ray tube has a "base" along a straight line intersecting the central ray of the generated x-ray beam outside the actual useful beam, the width of which is given by the corresponding dimension of the aperture of the primary radiation diaphragm belonging to the x-ray tube "from a few percent of the total intensity (see FIG. 2). This "base" or background of extrafocal radiation has a particularly disruptive effect in computed tomography, where particularly high demands are made with regard to low-contrast resolution in connection with soft tissue diagnostics. The proportion of extrafocal radiation in a patient's total dose exposure can be up to 20% if all possible sources of extra focal radiation are taken into account. A reduction in extrafocal radiation is therefore also important for reasons of dose reduction.
Aus der DE 28 55 905 A1 ist eine Röntgenröhre bekannt, die eine Abschirmelektrode enthält, die verhindern soll, daß von der Kathode ausgehende Elektroden auf Teile des Vakuumgehäuses auftreffen. Diese Abschirmelektrode reduziert zugleich die extravokale Strahlung.From DE 28 55 905 A1 an X-ray tube is known contains a shielding electrode to prevent electrodes emanating from the cathode on parts of the Impact the vacuum housing. This shielding electrode at the same time reduces extravocal radiation.
Außerdem ist aus der DE 34 26 623 C2 eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art bekannt. Die die extrafokale Strahlung mindernde Wirkung der bei dieser Röntgenröhre vorgesehenen Blende beruht darauf, daß diese die von der Anode zurückgestreuten Elektronen einfängt und so verhindert, daß diese Elektronen auf die Anode zurück fallen. Allerdings entsteht auch beim Auftreffen der rückgestreuten Elektronen auf die Blende extrafokale Strahlung, die die Bildqualität mindert.In addition, from DE 34 26 623 C2 an X-ray tube known type. The extrafocal Radiation reducing effect of this X-ray tube provided aperture is based on the fact that this from the Anode captures backscattered electrons and such prevents these electrons from returning to the anode fall. However, it also arises when the backscattered electrons on the extrafocal aperture Radiation that reduces the image quality.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröh re der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der An teil extrafokaler Strahlung vermindert ist. The invention has for its object an X-ray tube re of the type mentioned in such a way that the An partially extrafocal radiation is reduced.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch das Merkmal des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Da die Ausbeute für die Erzeugung von Röntgenstrahlung proportional zur Kernladungszahl ist, läßt sich eine Verringerung der extrafokalen Strahlung erzielen. Gleich zeitig wird auch die Gefahr einer erneuten Rückstreuung von Elektronen vermindert, da auch der Anteil der an der Schicht zurückgestreuten Elektronen mit abnehmender Kernladungszahl des Materials der Schicht abnimmt. Unter niedrig im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, daß die Kernladungszahl des Materials der Schicht wenigstens um den Faktor 3, insbesondere wenigstens den Faktor 5, vorzugsweise wenigstens den Faktor 10, geringer als die des Materials der Auftrefffläche der Anode ist.According to the invention, this object is achieved by the feature of the characterizing part of claim 1 solved. There the yield for the generation of x-rays is proportional to the atomic number, one can Achieve a reduction in extrafocal radiation. Soon there is also a risk of renewed backscattering of electrons, since the proportion of the Layer of backscattered electrons with decreasing The atomic number of the material of the layer decreases. Under low in the sense of the invention is to be understood that the Atomic number of the material of the layer at least around the factor 3, in particular at least the factor 5, preferably at least a factor of 10, less than that of the material of the impact surface of the anode.
Als Material für die Beschichtung eignet sich insbesondere pyrolytischer Kohlenstoff, da dieser mit Z=6 eine niedrige Kernladungszahl aufweist und Beschichtungen mit pyrolyti schem Kohlenstoff durch CVD-Verfahren leicht herstellbar sind. Die Temperaturfestigkeit von pyrolytischem Kohlen stoff im Hochvakuum reicht bis 3000°C. Da der pyroly tische Kohlenstoff ein stark anisotropes Material ist, variiert der Temperaturausdehnungskoeffizient zwischen 1 und 15·10-6 K-1 für die unterschiedlichen Raumrich tungen. Eine Anpassung des Temperaturausdehnungskoeffi zienten des pyrolytischen Kohlenstoffes an das Material der Blende ist jedoch durch geeignete Wahl der Prozeß bedingungen beim Aufbringen der Beschichtung in an sich bekannter Weise möglich. Pyrolytic carbon is particularly suitable as the material for the coating, since this has a low atomic number with Z = 6 and coatings with pyrolytic carbon can easily be produced by CVD processes. The temperature resistance of pyrolytic carbon in a high vacuum ranges up to 3000 ° C. Since the pyrolytic carbon is a strongly anisotropic material, the coefficient of thermal expansion varies between 1 and 15 · 10 -6 K -1 for the different spatial directions. An adjustment of the coefficient of thermal expansion of the pyrolytic carbon to the material of the diaphragm is, however, possible by a suitable choice of the process conditions when applying the coating in a manner known per se.
Aus der DE-OS 21 52 049 ist es übrigens bereits bekannt, die Anode außerhalb des Brennfleckes bzw. im Falle von Drehanodenröhren außerhalb der Brennfleckbahn mit pyro lytisch abgeschiedenem Kohlenstoff zu beschichten.By the way, it is already known from DE-OS 21 52 049 the anode outside the focal spot or in the case of Rotating anode tubes outside the focal spot with pyro to coat ly deposited carbon.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the accompanying Drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre in grob schema tischer Darstellung im Längsschnitt, Fig. 1 is an X-ray tube according to the invention in highly schematic representation in longitudinal section;
Fig. 2 die Verteilung der Intensität der von der Röntgen röhre nach Fig. 1 ausgehenden Röntgenstrahlung nach Durchtritt durch eine Primärstrahlenblende, und Fig. 2 shows the distribution of the intensity of the X-ray tube emanating from the X-ray tube of Fig. 1 after passing through a primary beam aperture, and
Fig. 2 und 3 Variationen eines Details der Röntgenröhre gemäß Fig. 1. Figs. 2 and 3 variations of a detail of the X-ray tube of FIG. 1.
In der Fig. 1 ist mit 1 der vakuumdichte Kolben der Rönt genröhre bezeichnet. An dessen einem Ende ist eine insge samt mit 2 bezeichnete Kathodenanordnung vorgesehen. Am anderen Ende des Kolbens 1 befindet sich eine Drehanoden anordnung 3. Diese weist einen Anodenteller 4 auf, der mittels eines Schaftes 5 mit einem Rotor 6 verbunden ist. Der Rotor 6 ist in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise auf dem sogenannten Anschlußstutzen 7 mit Hilfe von Wälzlagern drehbar gelagert. Die Kathodenanordnung 2 weist ein Kathodengehäuse 8 auf, das mit dem Kolben 1 vakuum dicht verbunden ist und einen Ansatz 9 aufweist. An dessen freiem Ende ist ein Kathodenbecher 10 vorgesehen, in dem eine in der Fig. 1 nicht sichtbare Glühkathode aufgenommen ist. Diese kann über Anschlüsse 11, 12 mit einem Heizstrom versorgt werden, so daß von der Kathode ein in der Fig. 1 strichliert angedeuteter Elektronenstrahl E ausgeht, der, wenn zwischen dem Anschluß 12 und dem leitend mit dem Anodenteller 4 verbundenen Anschlußstutzen 7 die Röhren spannung anliegt, im sogenannten Brennfleck auf die Auf trefffläche des Anodentellers 4 auftrifft. Vom Brennfleck geht die erzeugte Röntgenstrahlung aus, die durch den Vakuumkolben nach außen tritt. Das in Fig. 1 strichpunk tiert angedeutete Nutzstrahlenbündel mit dem strichliert angedeuteten Zentralstrahl ZS tritt durch eine Primär strahlenblende 13.In Fig. 1, 1 denotes the vacuum-tight piston of the X-ray tube. At one end there is a total of 2 cathode arrangement. At the other end of the piston 1 there is a rotating anode arrangement 3 . This has an anode plate 4 which is connected to a rotor 6 by means of a shaft 5 . The rotor 6 is rotatably supported in a known manner, not shown, on the so-called connecting piece 7 with the aid of roller bearings. The cathode arrangement 2 has a cathode housing 8 , which is connected in a vacuum-tight manner to the piston 1 and has an attachment 9 . At its free end, a cathode cup 10 is provided, in which a hot cathode, not visible in FIG. 1, is received. This can be supplied with a heating current via connections 11 , 12 , so that the cathode emits an electron beam E, indicated by the broken line in FIG. 1, which, when the connection tube 7 is connected between the connection 12 and the connecting piece 7 conductively connected to the anode plate 4 is present, in the so-called focal spot on the surface of the anode plate 4 strikes. The generated X-ray radiation emanates from the focal spot and passes through the vacuum bulb. The dashed-dot line indicated in FIG. 1 with the central beam ZS indicated by dashed lines passes through a primary radiation diaphragm 13th
Um eine übermäßige Erwärmung des Anodentellers 4 im Be reich des Brennfleckes BF zu vermeiden, nur ca. 1% der der Röntgenröhre zugeführten Energie wird in Röntgenstrah lung umgewandelt, wird der Anodenteller 4 im Betrieb der Röntgenröhre in Rotation versetzt. Dies geschieht, indem einem den Kolben 1 im Bereich des Rotors 6 umgebenden elektrischen Stator 14 ein geeigneter Wechselstrom zuge führt wird, derart, daß der Stator 14 und der aus elek trisch leitfähigem Material gebildete Rotor 6 nach Art eines Kurzschlußläufermotors zusammenwirken.In order to avoid excessive heating of the anode plate 4 in the area of the focal point BF, only about 1% of the energy supplied to the x-ray tube is converted into x-ray radiation, the anode plate 4 is set in rotation during operation of the x-ray tube. This is done by a suitable alternating current is supplied to the piston 1 surrounding the electric stator 14 in the area of the rotor 6 , such that the stator 14 and the rotor 6 formed from electrically conductive material cooperate in the manner of a squirrel-cage motor.
Um dem Entstehen extrafokaler Röntgenstrahlung, also sol cher Röntgenstrahlung, die nicht von dem Brennfleck BF ausgeht, entgegenzuwirken, ist zwischen der in dem Katho denbecher 10 aufgenommenen Glühkathode und dem Anodentel ler 4 eine Blende 15 vorgesehen, durch deren Blendenöff nung 16 der Elektronenstrahl E auf seinem Weg von der Glühkathode zu dem Anodenteller 4 verläuft. Die Blende 15 liegt auf einem Potential, das zwischen dem der Kathode, insbesondere der Glühkathode, und dem der Anode, d. h. des Anodentellers 4, liegt.To counteract the emergence of extrafocal X-rays, that is, X-rays such as those not originating from the focal point BF, an aperture 15 is provided between the hot cathode accommodated in the cathode cup 10 and the anode decoder 4 , through whose aperture 16 the electron beam E is opened its path from the hot cathode to the anode plate 4 . The diaphragm 15 is at a potential that lies between that of the cathode, in particular the hot cathode, and that of the anode, ie the anode plate 4 .
Mißt man die Verteilung der Strahlungsintensität in dem Nutzstrahlenbündel, nachdem es durch die Primärstrahlen blende 13 getreten ist, entlang einer den Zentralstrahl ZS rechtwinklig schneidenden Geraden x, so erhält man den in Fig. 2 dargestellten qualitativen Verlauf der relativen Strahlungsintensität I über dem Weg x. Aus Fig. 2 ist er sichtlich, daß außerhalb des Nutzstrahlenbündels ein in Fig. 2 punktiert unterlegter "Sockel" von extrafokaler Strahlung vorhanden ist, der insbesondere bei der Com putertomographie die Niedrigkontrastauflösung nachteilig beeinflußt.If the distribution of the radiation intensity in the useful beam bundle, after it has passed through the primary rays aperture 13 , is measured along a straight line x intersecting the central beam ZS, the qualitative course of the relative radiation intensity I over the path x shown in FIG. 2 is obtained. From Fig. 2 it is evident that outside of the useful beam a dotted in Fig. 2 "base" of extrafocal radiation is present, which affects the low contrast resolution adversely, particularly in computer tomography.
Um eine weitere Verminderung der extrafokalen Strahlung zu erreichen, ist im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre vorgesehen, daß die Blende 15 zumindest auf ihrer dem Ano denteller 4 zugewandten Seite in dem die Blendenöffnung 16 umgebenden Bereich in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise mit einer Beschichtung in Form einer Schicht 17 eines Materials niedriger Kernladungszahl beschichtet ist. Als Material für die Schicht 17 eignet sich insbesondere pyro lytischer Kohlenstoff. Kohlenstoff hat eine Kernladungs zahl von 6. Übliche Werkstoffe für die Auftrefffläche von Anoden in Röntgenröhren weisen wie beispielsweise Wolfram mit einer Kernladungszahl Z=74 eine erheblich höhere Kern ladungszahl als die Schicht 17 auf.In order to achieve a further reduction in extrafocal radiation, it is provided in the case of the X-ray tube according to the invention that the diaphragm 15, at least on its side facing the dental plate 4, in the area surrounding the diaphragm opening 16 in the manner shown in FIG. 3 with a coating in Form of a layer 17 of a material having a low atomic number is coated. Pyro lytic carbon is particularly suitable as material for the layer 17 . Carbon has an atomic number of 6. Common materials for the impact surface of anodes in X-ray tubes, such as tungsten with an atomic number Z = 74, have a significantly higher atomic number than layer 17 .
Die Beschichtung der Blende 16 mit einer Schicht 17 eines Materials niedriger Kernladungszahl bietet hinsichtlich der Verminderung von extrafokaler Röntgenstrahlung einen doppelten Effekt:The coating of the diaphragm 16 with a layer 17 of a material with a low atomic number offers a double effect in terms of reducing extrafocal X-rays:
Zum einen wird die Effizienz bei der Erzeugung von Rönt genstrahlung stark herabgesetzt, da die Ausbeute für die Erzeugung von Röntgenstrahlung beim Auftreffen von Elek tronen proportional zur Kernladungszahl ist. Zum anderen werden auch weniger Elektronen als im Falle einer unbe schichteten Blende 16 zurückgestreut, da die Rückstreuung um so geringer ist, je geringer die Ordnungszahl des Materials ist, von dem die Elektronen zurückgestreut werden. On the one hand, the efficiency in the generation of X-rays is greatly reduced, since the yield for the generation of X-rays when electrons strike is proportional to the atomic number. On the other hand, fewer electrons are backscattered than in the case of an uncoated diaphragm 16 , since the backscatter is lower, the lower the atomic number of the material from which the electrons are backscattered.
Da die Eindringtiefe der auf die Schicht 17 auftreffenden Elektronen relativ gering ist, genügt eine dünne Beschich tung mit einer Dicke in der Größenordnung von 100 µm.Since the depth of penetration of the electrons impinging on the layer 17 is relatively small, a thin coating with a thickness of the order of 100 μm is sufficient.
In der Fig. 4 ist eine Blende 18 dargestellt, die anstelle der Blende 15 verwendet werden kann. Die Blendenöffnung 19 der Blende 18 ist schachtartig ausgebildet und ebenso wie die dem Anodenteller 4 zugewandte Seite der Blende 18 mit einer Schicht 20 eines Materials geringer Kernladungszahl versehen. Während im Falle der Blende 15 die Gefahr be steht, daß in die Blendenöffnung 16 eingetretene bzw. durch diese hindurchgetretene Elektronen wieder zum Ano denteller 4 zurückfallen und dort außerhalb des Brenn fleckes auf die Auftrefffläche auftreffen, ist im Falle der Blende 18 die Wahrscheinlichkeit sehr groß, daß diese Elektronen von der Blende 18 "eingefangen" werden, so daß eine nochmalige Verringerung der extrafokalen Strahlung erreicht wird.In FIG. 4, a diaphragm 18 is shown, which can be used in place of the diaphragm 15. The aperture 19 of the aperture 18 is formed like a shaft and, like the side of the aperture 18 facing the anode plate 4, is provided with a layer 20 of a material with a low atomic number. While in the case of the diaphragm 15 be the danger is that occurred in the aperture 16 and fall back therethrough entered electron back to Ano dente ller 4 and spot there outside the combustion impinge on the impact surface, in the case of the diaphragm 18, the probability is very large that these electrons are "captured" by the aperture 18 , so that a further reduction in the extrafocal radiation is achieved.
Die Blenden 15 und 18 können auch auf ihrer von dem Ano denteller 4 abgewandten Seite bzw. an ihrer gesamten Oberfläche mit einem Material geringer Kernladungszahl be schichtet sein. In diesem Fall wird eine zusätzliche, wenn auch relativ geringe, Verminderung der extrafokalen Strah lung erreicht. Unter Umständen kann es aber auch genügen, nur eine streifenartige Beschichtung rings der Blenden öffnung 16 bzw. 19 vorzusehen.The apertures 15 and 18 can also be coated on their side facing away from the dental plate 4 or on their entire surface with a material having a low atomic number. In this case, an additional, albeit relatively small, reduction in extrafocal radiation is achieved. Under certain circumstances, however, it may also be sufficient to provide only a strip-like coating around the aperture opening 16 or 19 .
Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel eine Drehano den-Röntgenröhre betrifft,kann die Erfindung selbstver ständlich auch im Zusammenhang mit Festanoden-Röntgenröh ren Verwendung finden.Although the described embodiment is a Drehano relates to the X-ray tube, the invention can verver of course also in connection with fixed anode X-ray tubes find their use.
Claims (3)
- a) wobei im Betrieb der Röntgenröhre ein in einem Brenn fleck auf der Anode (3) auftreffender, von der Kathode ausgehender Elektronenstrahl (E) auf seinem Weg von der Kathode (2) zur Anode (3) durch die Blendenöffnung (16; 19) einer Blende (15; 18) tritt,
- b) welche auf einem zwischen dem der Kathode und dem der Anode liegenden Potential liegt,
- a) wherein in the operation of the X-ray tube a spot in a focal spot on the anode ( 3 ), emerging from the cathode, emitting electron beam (E) on its way from the cathode ( 2 ) to the anode ( 3 ) through the aperture ( 16 ; 19 ) an aperture ( 15 ; 18 ) occurs,
- b) which is at a potential between that of the cathode and that of the anode,
c1) daß die Blende (15; 18) zumindest in ihrem der Anode (3) zugewandten, die Blendenöffnung umgebenden Bereich mit einer Schicht (17; 20) eines Materials niedriger Kernladungszahl beschichtet ist. characterized,
c1) that the screen ( 15 ; 18 ) is coated at least in its area facing the anode ( 3 ) and surrounding the screen opening with a layer ( 17 ; 20 ) of a material with a low atomic number.
c2) daß als Material der Schicht (17; 20) pyrolytischer Kohlenstoff vorgesehen ist.2. X-ray tube according to claim 1, characterized in
c2) that pyrolytic carbon is provided as the material of the layer ( 17 ; 20 ).
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