DE4322834A1 - Röntgenbildverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenbildverstärker mit einem Gehäuse, einem Eingangsschirm mit Photokathode, einem Ausgangsschirm, Beschleunigungs- und Fokussierelek­ troden für die Elektronenoptik, einer im Bereich des Aus­ gangsschirmes angeordneten Anode zur Anlegung der Be­ schleunigungsspannung und mit einem an den Elektroden an­ geschlossenen Hochspannungsgenerator. Derartige Röntgen­ bildverstärker dienen in der medizinischen Diagnostik zur Umwandlung und Verstärkung von Röntgenstrahlenbildern in ein sichtbares Bild oder eine das Röntgenstrahlenbild repräsentierende elektrische Signalfolge.

In der EP-A-04 29 694 ist ein derartiger Röntgenbildver­ stärker beschrieben, bei dem das Gehäuse aus mehreren Ge­ häuseteilen besteht. Der dem Ausgangsschirm zugewandte, aus Keramik bestehende Gehäuseteil umschließt die Anode und Elektroden mit hoher Spannung. Üblicherweise liegt der auf der Stirnseite befindliche Eingangsleuchtschirm mit Photokathode auf 0 V bzw. Erdpotential. Am Ausgangsleucht­ schirm und der dazugehörigen Elektrode wird die gesamte Betriebsspannung von beispielsweise 30 kV angelegt. Dies hat Auswirkungen auf die Herstellung und Qualität des Be­ trachtungsschirmes. Die Dicke der Leuchtstoffschicht für die Betrachtungsschirme ist abhängig von der Auftreffener­ gie der Elektronen auf die Leuchtstoffschicht des Aus­ gangsschirmes. Ist die Schicht zu dünn, durchdringt ein Großteil der Elektronen die Leuchtstoffschicht, so daß nur eine geringe Ausbeute erhalten wird. Ist sie zu dick, bedeutet dies einen Auflösungsverlust.

Weitere derartige Röntgenbildverstärker sind beispielswei­ se in der EP-A-00 83 240 beschrieben und liefern zweidi­ mensionale Durchleuchtungsaufnahmen in Form von Videobil­ dern. Die Röntgenquanten werden in einem Szintillator des Eingangsleuchtschirmes absorbiert und in Licht umgesetzt. Die emittierten Lichtquanten setzen in einer Photokathode des Eingangsleuchtschirmes Elektronen frei. Diese Elektro­ nen werden in dem elektrischen Feld der Elektronenoptik beschleunigt und auf einen Bildsensor fokussiert, welcher das Elektronenbild in ein Videobild umwandelt und entspre­ chende Videosignale liefert.

Als Bildsensor können dabei rückseiten-gedünnte CCDs (Charge Coupled Devices) verwendet werden, die in dem Artikel "Thinned Rear-face Electron-bombarded FT CCDs for LLL TV Imaging", Bergonzi et al, Advances in Electronics and Electron Physics, Vol. 74, 1988, Seiten 165 bis 172, beschrieben sind. Derartige CCDs besitzen eine hohe Elektronenempfindlichkeit und sind in Kombination mit einer variablen Beschleunigungsspannung des Röntgenbild­ verstärkers wegen der notwendigen Bildschärfe nur begrenzt einsetzbar. Insbesondere variiert für unterschiedliche An­ wendungen die Dosis pro Bild, so daß die Ladungen im CCD so groß werden können, so daß er übersteuert wird und so­ mit sich auch dort nur begrenzt einsetzen läßt, da eine den Signalstrom verändernde Blende nicht vorgesehen werden kann.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, Röntgenbildver­ stärker der eingangs genannten Art zu schaffen, die sowohl eine hohe Beschleunigungsspannung als auch eine geringe Auftreffenergie auf den Ausgangsschirm bei geringer Ver­ zeichnung ermöglichen, so daß beispielsweise eine geringe Schichtdicke der Leuchtschicht bereits eine hohe Lichtaus­ beute gewährleistet und somit allen Erfordernissen Genüge getan werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode z. B. an dem dem Ausgangsschirm zugewandten Ende mit einer Netzelektrode versehen ist und daß der Ausgangs­ schirm mit dem Hochspannungsgenerator derart verbunden ist, daß der Ausgangsschirm auf einer Spannung liegt, die betragsmäßig niedriger ist als die an der Anode angelegte Beschleunigungsspannung. Durch die hohe, an der Anode an­ liegende Beschleunigungsspannung erhalten die Elektronen eine hohe Energie, so daß man ein Röntgenbild hoher Quali­ tät und Bildschärfe erhält. Die Elektronen werden aber durch die nachfolgende niedrigere Spannung im Bereich des Ausgangsschirmes abgebremst, so daß trotz relativ dünner elektronenempfindlichen Wandlerschicht eine hohe Anzahl von Elektronen im Ausgangsschirm absorbiert werden. Durch die Abbremsung entstehen im sonst potentialfreien Anoden­ raum seitwärts auf den Elektronenstrahl wirkende Kräfte, die zu einer Verzeichnung und Vergrößerung des Bildes führen, die abhängig von dem Wert des Bremspotentials sind. Durch die Verwendung der Netzelektrode jedoch wird erreicht, daß die Äquipotentialflächen immer senkrecht auf den Elektronenbahnen stehen und somit fast keine transver­ salen Bremskräfte wirken, so daß nur geringe bis keine Verzeichnungen aufgrund der Abbremsung entstehen. Das Feldnetz bildet selbst eine Äquipotentialfläche und ver­ hindert dadurch eine Wölbung derselben in den Anodenraum.

Eine vorteilhafte Krümmung der Äquipotentialflächen des Bremsfeldes außerhalb des Bereiches des Ausgangsschirmes kann erreicht werden, wenn der Ausgangsschirm von einer Auffangelektrode umgeben ist, die sich zur Anode hin ko­ nisch erweitert. Die zum Ausgangsschirm gewandte Seite der Anode muß so geformt sein, daß die gewünschte Krüm­ mung der Äquipotentialflächen am Ort der Elektronenbah­ nen nicht verhindert wird. Dabei hat es sich als vor­ teilhaft erwiesen, wenn die Fläche der Auffangelektrode parallel zu der zum Ausgangsschirm gewandten Fläche der Anode verläuft.

Eine direkte Umwandlung des Röntgenstrahlenbildes in ein Videosignal kann erreicht werden, wenn der Ausgangsschirm einen Halbleiter-Bildwandler, beispielsweise einen rück­ seitengedünnten elektronenbombardierten CCD-Bildwandler aufweist. Es kann aber auch der Ausgangsschirm einen Leuchtstoff aufweisen, der mit einem lichtempfindlichen CCD-Bildwandler gekoppelt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Röntgenbildverstär­ ker mit Spannungsversorgung für die Elektroden,

Fig. 2 die Äquipotentiallinien der Elektronenoptik des in Fig. 1 dargestellten Röntgenbildverstärkers und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Anodenraumes gemäß Fig. 2.

In der Fig. 1 ist ein Röntgenbildverstärker 1 mit einem Hochspannungsgenerator 2 als Spannungsversorgung schema­ tisch dargestellt. Der Röntgenbildverstärker 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das im wesentlichen zylinderförmig aufge­ baut ist und sich stufenweise von seiner Eingangsseite zum Ausgang hin verjüngt.

An dem metallischen Gehäuse 3 ist der Eingangsschirm 4 be­ festigt, der den eingangsseitigen Abschluß des Gehäuses 3 bildet und bei dem in bekannter Weise auf einem Aluminium­ träger eine Leuchtschicht, die beispielsweise aus Cäsium­ jodid (CsI) besteht, und eine Photokathode 5 aufgebracht sind. Auf der gegenüberliegenden Seite ist in die Öffnung des Gehäuses 3 ein Ausgangsschirm 11 eingesetzt, der bei­ spielsweise eine optisch transparente Scheibe aufweisen kann, auf deren Innenseite eine Leuchtschicht angebracht ist, die mit einer Metallfolie, beispielsweise aus Alumi­ nium bestehend, abgedeckt ist. Als Ausgangsschirm 11 kann jedoch auch ein Halbleiter-Bildwandler Verwendung finden.

Auf seiner dem Eingangsschirm 4 zugewandten Seite des Rönt­ genbildverstärkers 1 ist die erste Elektrode 6 am Gehäuse 3 über nicht dargestellte Halterungen befestigt. Ihr folgt zum Ausgang hin eine zweite Elektrode 7, die einen kleine­ ren Durchmesser aufweist. Die dritte Elektrode 8 besteht im wesentlichen aus einer Lochscheibe mit einem zylindrischen Teil, dessen Durchmesser sehr viel kleiner ist.

Vor dem am Gehäuse 3 befestigten Ausgangsschirm 11 ist eine im wesentlichen zylinderförmige Anode 9 angebracht, die aus einem Formteil besteht, das nach außen hin am aus­ gangsschirmseitigen Ende mit einem Flansch versehen ist. Die Öffnung dieses Hohlzylinders ist durch eine Netz­ elektrode 10 abgedeckt, die dem Ausgangsschirm 11 gegen­ überliegt. Den Ausgangsschirm 11 umgibt eine Auffang­ elektrode 12, die wie eine Lochscheibe den Ausgangsschirm 11 umgibt und sich konusförmig in den Röntgenbildverstär­ ker ragend erweitert. Die zum Ausgang gerichtete Fläche der Anode 9 kann in jeder Form ausgebildet sein, die die gewünschte Krümmung der Äquipotentialflächen nicht verhin­ dert. In Fig. 3 ist die Fläche der Anode 9 parallel zur Auffangelektrode 12 dargestellt.

Die Photokathode 5, die Anode 9, die Netzelektrode 10, die Elektroden 6 bis 8 sowie der Ausgangsschirm 11 sind erfin­ dungsgemäß mit dem Hochspannungsgenerator 2 verbunden, der sie mit den entsprechenden Beschleunigungs-, Bremsspannun­ gen und Spannungen für die Elektronenoptik beaufschlagt. Wie bei den bekannten Röntgenbildverstärkern befinden sich die Photokathode 5 sowie die metallischen Teile des Gehäu­ ses 3 des Röntgenbildverstärkers 1 (Verbindung nicht dar­ gestellt) auf Nullpotential. An der ersten Elektrode 6 liegt beispielsweise eine Spannung von 80 V, an der zwei­ ten Elektrode 7 eine Spannung von 370 V und an der dritten Elektrode 8 eine Spannung von 3 bis 5 kV. Als Beschleuni­ gungsspannung ist an der Anode 9 und damit auch an der Netzelektrode 10 beispielsweise eine Spannung von 30 kV bis 40 kV angelegt. Der Ausgangsschirm 11 wird beispiels­ weise auf ein Potential von 5 bis 25 kV gelegt, so daß zwischen Anode 9 und Netzelektrode 10 einerseits, sowie Ausgangsschiim 11 andererseits eine Abbremsung der Elek­ tronen erfolgt.

Das Bremspotential auf dem Ausgangsschirm 11 wird durch Anlegung einer vom Hochspannungsgenerator 2 gelieferten einstellbaren Spannung herbeigeführt. Diese Spannung kann durch symbolisch dargestellte Stellmittel 13 beispielswei­ se zwischen 5 bis 25 kV eingestellt werden.

In der Fig. 2 ist anhand von Äquipotentiallinien 14 der Feldverlauf im Röntgenbildverstärker 1 dargestellt, der sich aufgrund der obengenannten Spannungen ergibt. Die Äquipotentiallinien 14 weisen im Bereich der Elektroden 6 bis 8 einen gekrümmten Verlauf auf, durch den es möglich wird, wie eine Elektronenoptik das auf das Eingangsschirm 4 fallende Röntgenstrahlenbild in ein verkleinertes, elek­ trisches Bild auf dem Ausgangsschirm 11 wiederzugeben.

In der Fig. 3 ist der Bereich um die Anode 9 vergrößert dargestellt. Dort ist ersichtlich, daß durch die Netz­ elektrode 10 die Äquipotentiallinien 14, die zwischen Anode mit Netzelektrode einerseits und Ausgangsschirm mit Auffangelektrode 12 andererseits im weiten Bereich gerad­ linig verlaufen und nur wenig gekrümmt sind. Dadurch wird erreicht, daß die Bremskraft nur in Richtung der Elektro­ nenbahn wirkt und nicht seitlich eine Ablenkung und damit eine Verzerrung erfolgt. Durch die Netzelektrode wird näherungsweise eine Potentialfläche gebildet, die eine Ab­ weichung der vor dem Ausgangsschirm 11 angeordneten Äqui­ potentiallinien verhindert. Auch eine unterschiedliche Ab­ bremsfeldstärke hat die gleiche Bildgröße und nahezu die gleiche elektronenoptische Verzeichnung wie herkömmliche Röntgenbildverstärker. Durch die Abbremsung jedoch wird das Bild in Abhängigkeit von der Bremsspannung nicht ver­ größert.

Damit die Abweichung des Potentials der Netzelektrode 10 von einer Äquipotentialfläche möglichst gering ist, muß die Gitterkonstante möglichst klein gehalten werden. 10 bis 100 Maschen pro Strahlbreite entsprechen einer Gitter­ konstanten von etwa 25 Mikrometern, die vorzugsweise Ver­ wendung findet. In diesem Falle kann wegen der hohen kine­ tischen Energie der Elektronen erwartet werden, daß sich das Netz nur durch Absorption der geometrischen Durchlaß­ fläche abhängig von der Stegbreite bemerkbar macht. Eine derartige Stromreduktion wirkt zusätzlich der Übersteue­ rung entgegen. Die unerwünschte Rückstreuung von Elektro­ nen an der Netzelektrode kann durch eine Beschichtung mit geeigneten Materialien stark vermindert werden. In erster Linie ist eine möglichst niedrige Kernladungszahl ent­ scheidend. Als Material kann graphitiertes Polyimid, Beryllium, Aluminium, Magnesium, Silizium, Kohlenstoff od. dgl. oder deren Verbindungen oder Mischungen derselben Verwendung finden. Dabei ist die Schichtdicke derart zu bemessen, daß die auftreffenden Elektronen nahezu voll­ ständig gestoppt werden.

Durch diese Abbremsung der Elektronen im Anodenraum erhält man ein Elektronenbild mit vorteilhaften Eigenschaften. Aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung ist die Auflö­ sung gut, während die hohe Bremsspannung eine an die je­ weilige Applikation besser angepaßte Ausnutzung der Aus­ steuerung des Ausgangsschirmes und längere Lebensdauer desselben bewirkt. Durch die variable Bremsspannung erhält man die gewünschte Anpassung an verschiedene Geräte oder Untersuchungsverfahren sowie eine Kostensenkung durch eine Anpassung der Übertragungsfunktion für verschiedene Ein­ satzzwecke und variable Zoomformate für kundenangepaßte Lösungen. Auch lassen sich dadurch CCD-Bildwandler in Röntgenbildverstärkern einsetzen, die durch die erfindungs­ gemäße, veränderliche, auf die unterschiedlichen Wandler und Aufnahmebedingungen einstellbare Bremsspannung einen hohen Wirkungsgrad und lange Lebensdauer aufweisen.

Claims (9)

1. Röntgenbildverstärker (1) mit einem Gehäuse (3), einem Eingangsschirm (4) mit Photokathode (5), einem Ausgangs­ schirm (11), Beschleunigungs- und Fokussierelektroden (6 bis 8) für die Elektronenoptik, einer im Bereich des Aus­ gangsschirmes (11) angeordneten Anode (9) zur Anlegung der Beschleunigungsspannung und mit einem an den Elektro­ den (5 bis 9) angeschlossenen Hochspannungsgenerator (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (9) mit einer Netzelektrode (10) versehen ist und daß der Ausgangsschirm (11) mit dem Hochspannungsgenerator (2) derart verbunden ist, daß er auf einer Spannung liegt, die betragsmäßig niedriger ist als die an der Anode (9) angelegte Beschleunigungsspannung.

2. Röntgenbildverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschirm (11) von einer Auffangelektrode (12) umgeben ist, die sich zur Anode (9) hin konisch erweitert.

3. Röntgenbildverstärker nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flä­ che der Auffangelektrode (12) parallel zu der zum Aus­ gangsschirm (11) gewandten Fläche der Anode (9) verläuft.

4. Röntgenbildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschirm (11) einen Halbleiter-Bildwandler aufweist.

5. Röntgenbildverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschirm (11) einen rückseitengedünnten elektronenbombardierten CCD-Bildwandler aufweist.

6. Röntgenbildverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschirm (11) einen Leuchtstoff aufweist, der mit einem lichtemp­ findlichen CCD-Bildwandler gekoppelt ist.

7. Röntgenbildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzelektrode (11) ein Material mit niedriger Kernladungs­ zahl aufweist.

8. Röntgenbildverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzelektrode mit einem Material mit niedriger Kernladungszahl beschichtet ist.

9. Röntgenbildverstärker nach Anspruch 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Mate­ rial graphitiertes Polyimid, Beryllium, Aluminium, Magne­ sium, Kohlenstoff oder Silizium ist.