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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen die Erzeugung von Röntgenstrahlen
und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine kompakte Röntgenstrahlenquelle.
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Eine
typische Röntgenstrahlenquelle
umfasst eine Thermoionenquelle (typischerweise ein erhitztes Filament),
eine Hochspannungsversorgung zur Beschleunigung der Elektroden auf
eine hohe Energie und ein aus einem Metall mit einer hohen Ordnungszahl
gefertigtes Target.
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1 stellt
ein einfaches schematisches Diagramm einer äußerst grundlegenden und üblichen Röntgenstrahlenquelle
dar, wobei erkennbar ist, dass in der Praxis im Allgemeinen weitaus
komplexere Anordnungen zum Einsatz gelangen, einschließlich der Verwendung
zusätzlicher
Elektroden und magnetischer Felder zur Steuerung und zum Fokussieren des
Elektronenstrahls.
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Unter
dem Einfluss einer isolierten Heizversorgung 10 werden
Elektronen von einem heißen
Kathodenfilament 30 thermoionisch emittiert und von einem
metallischen Target 70 über
eine Zwischenanode 60 angezogen. Die Elektronen werden
in Folge einer hohen Potenzialdifferenz zwischen dem Filament und
der Anoden-/Target-Anordnung,
die mittels einer Hochspannungsversorgung 20 bereitgestellt
wird, als Strahl 50 zum Target hin beschleunigt. Beim Auftreffen
auf dem Target 70 regen die Elektronen auf Grund verschiedener
Prozesse das Aussenden von Röntgenstrahlen
an, wodurch sich die Emission eines Röntgenstrahls 80 einstellt.
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Die
Anode und das Target liegen zweckmäßigerweise nahe an oder auf
einem Erdpotenzial. Das Kathodenfilament muss daher ein sehr hohes negatives
Potenzial bezüglich
des Erdpotenziales aufweisen.
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Darüber hinaus
benötigt
das Kathodenfilament einige Watt an Leistung, um die Betriebstemperaturen
zu erreichen.
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2 zeigt
eine typische Röntgenstrahlenquellenanordnung,
bei der ein Kathodenfilament 30 durch eine von einem Trenntransformator 11 bereitgestellte
Spannung erhitzt wird. Die Spannung beträgt typischerweise zwischen
2 Volt und 6 Volt, wobei die Elektroden durch eine von einem Multiplier 90 bereitgestellte
Spannung beschleunigt werden, der als Cockcroft-Walton Spannungsmultiplier
bekannt ist. Die Hochspannung kann im Bereich von einigen Hundert
Kilovolt und beispielsweise bei 160 kV liegen.
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Oftmals
besteht das Erfordernis, eine kompakte Röntgenstrahlenquelle bereitzustellen,
wobei dieses Erfordernis verschiedene Probleme hervorruft oder verschlimmert,
wie beispielsweise das Bereitstellen einer genauen und effektiven
Steuerung des Elektronenstrahlstroms, insbesondere wenn eine Steuerung
erwünscht
ist, die in der Lage ist, zuverlässig
mit einem geringen Strahlungsausstoß zu arbeiten. Weitere solcher
Probleme sind mit dem Erreichen einer ausreichend guten Isolierung
der verschiedenen Komponenten verknüpft.
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Eine
Steuerung des Stromes des Elektronenstrahls 50 ist in der
Regel bei Röntgenstrahlenquellen
im Allgemeinen zweckmäßig, wobei
dies bei einer eine niedrige Performance aufweisenden Röntgenstrahlenquelle
oftmals durch einfaches Variieren der Temperatur des Filaments erreicht
wird. Dies beruht auf dem Prinzip, dass ein heißeres Filament mehr Strom als
ein kühleres
Filament aussendet. Bei Systemen mit einer höheren Performance, beispielhaft
und in grundlegender Form in 3 dargestellt, wird
dies durch Steuerung des Strahles in dem raumladungsbegrenzten Bereich
mittels einer Feldsteuerelektrode 40 erreicht, die oftmals
als ein fokussierender Schirm oder Wehnelt bezeichnet wird. Ein
solcher fokussierender Schirm 40 sollte bezüglich des Kathodenfilaments, ähnlich wie
das Gitter bei einem thermoionischen Triodenventil, ein negatives
Potenzial aufweisen. Das erforderliche Potenzial kann entweder durch eine
elektrisch isolierte Vorspannungsversorgung bereitgestellt werden
oder durch ein selbsttätiges
Vorspannen unter Verwendung eines Regelwiderstandes 120 zwischen
dem Kathodenfilament 30 und dem fokussierenden Schirm 40.
Ein über
den Regelwiderstand fließender
Strom erzeugt die erforderliche negative Vorspannung. Ein solches negatives
Regelungssystem weist jedoch den Nachteil auf, dass dieses sich
schwer einstellen lässt.
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Sind
Röntgenstrahlenquellen
erforderlich, die im unteren Leistungsbereich des Elektronenstrahlstromes
betrieben werden, tritt ein dahingehendes Problem auf, dass Elektronenverlustströme der Kathode
und des fokussierenden Schirmes im Vergleich zum gesamten Kathodenstrahlstrom
bedeutsam werden. Dieses Problem tritt oftmals durch eine kalte
Kathodenentladung (Feldemission), „Kriechwegbildung an der Oberfläche" oder andere solcher problematischer
Phänomene
auf. Bei üblichen
Röntgenstrahlenquellen
wird der Elektronenstrahlstrom mittels einer den Strom erfassenden
Schaltung gemessen, die an dem Ende der Hochspannungsversorgung
angeordnet ist, die sich auf einem Erdpotenzial befindet (schematisch
in 4 mit dem Bezugszeichen 25 gezeigt).
Dabei entsteht ein dahingehendes Problem, dass keine Strommessung
an dieser Stelle innerhalb des Systems zwischen einem momentanen
thermoionischen Elektronenstrahlstrom und einem Verluststrom unterscheiden
kann. Diese Unfähigkeit
zur Trennung des Anteils des Verluststromes von dem insgesamt gemessenen
Strom führt
zu Veränderungen
des Röntgenstrahlenausstoßes, da eine
genaue Steuerung des eigentlichen Elektronenstrahlstromes unmöglich geworden
ist. Sind insbesondere niedrige Strahlungsausstöße erforderlich, können Änderungen
des gemessenen Elektronenstrahlstromes auf Grund störender Einflussgrößen, wie
solche, die weiter oben beschrieben sind, eine bedeutende und nachteilige
Wirkung auf den Strahlungsausstoßungsgrad und die Betriebsstabilität entfalten.
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Ein
weiteres Problem üblicher
Röntgenstrahlenquellen
ist auf die Hochspannungen zurückzuführen, die
zur Beschleunigung des Elektronenstrahls erforderlich sind. Beim
Einstellen solch extremer Potenzialdifferenzen besteht immer die
Gefahr einer elektrischen Entladung oder eines Durchbruches. Beim
Auftreten solcher Phänomene
entstehen sich schnell ändernde
elektromagnetische Felder. Solche Felder induzieren große Ströme, die
unmittelbar in der elektronischen Schaltung der Röntgenstrahlenquelle
fließen,
wobei diese Ströme
die Bauteile der Schaltung beschädigen
und zu einem Ausfall der Röntgenstrahlenquelle
führen
können.
Eine übliche Lösung dieses
Problems, die beispielsweise in der
EP
0 497 517 beschrieben ist, besteht darin, alle empfindlichen
Bauteile und Schaltkreise innerhalb eines faradayschen Käfigs anzuordnen
und vor sich schnell ändernden
Feldern zu schützen.
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Bei
bekannten Röntgenstrahlenquellen
wird die Integrität
des faradayschen Käfigs
durch das Erfordernis beeinträchtigt,
einen offenen Kanal vorzusehen, durch den dem Schaltkreis Leistung
und Signale zugeführt
werden können.
Das Aufbrechen des Käfigs
zum Bereitstellen eines Signalweges eröffnet bei einem Hochspannungsdurchbruch
auch eine Möglichkeit
der Signalinterferenz. Die Integrität des Käfigs wird insbesondere durch
den Einsatz von Trenntransformatoren beeinträchtigt, die üblicherweise
zum Zuführen
von Leistung und Signalen in den faradayschen Käfig eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung geht aus einem Versuch hervor, den oben angesprochenen
Problemen insgesamt oder teilweise gerecht zu werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Röntgenstrahlenquelle
mit einem faradayschen Käfig,
in dem ein elektrischer Schaltkreis untergebracht ist, einer Hochspannungsenergieversorgung
und einem Trenntransformator bereitgestellt, wobei der Trenntransformator
koaxial abgeschirmt ist und die Abschirmung eine Fortsetzung des
faradayschen Käfigs
ausbildet.
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Der
Trenntransformator ist vorzugsweise elektrisch sowohl mit Elektronen
beschleunigenden Mitteln und einem Transformator des Kathodenfilaments
oder anderen Versorgungsmitteln des Kathodenfilaments verbunden.
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Gemäß einer
nicht von der beanspruchten Erfindung umfassten Variante ist eine
Röntgenstrahlenquelle
mit einer Hochspannungsenergieversorgung, einem Kathodenfilament,
das mit der besagten Hochspannungsenergieversorgung gekoppelt ist,
einer aktiv veränderlichen
Konduktanzvorrichtung, die zwischen das Kathodenfilament und die
Hochspannungsenergieversorgung geschaltet ist, Mitteln zum Bestimmen
der Menge des in das Kathodenfilament durch die besagte aktiv veränderliche
Konduktanzvorrichtung fließenden
Stromes und zum Bereitstellen eines diesen anzeigenden Signals und
Steuerungsmitteln zur Verwendung des besagten Signals zur Steuerung
der besagten Menge des Stromes bereitgestellt, um den Strom eines
von der besagten Kathode emittierten Elektronenstahles zu steuern.
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Diese
Anordnung zur Steuerung des Stromes unterscheidet sich hinsichtlich
des Konzeptes und der Wirkung deutlich von üblichen Schaltschemata, die
typischerweise eine separate Gleichspannungsversorgung für die Gitterspannung
zum Einsatz bringen, welche ohne Bezugspotential auf das Kathodenpotenzial
gelegt ist. Die Spannungen solcher Versorgungen erfordern eine genaue
Steuerung und Stabilisierung. In dem Patent der Vereinigten Staaten
US-A-5,528,657 wurde
der Einsatz solcher seriell regelnder Elemente zur Steuerung des
Betriebsbereiches der Hochspannung (Anode/Kathode) vorgeschlagen,
wobei dieses Dokument jedoch nicht die seriell geregelte Steuerung
des Spannungsbereiches des Gitters lehrt. Die vorliegende Röntgenstrahlenquelle
unterscheidet sich ebenso nachhaltig hinsichtlich Konzept und Wirkung
von den Schaltungsanordnungen gepulster Röntgenstrahlengitterröhren, die
beispielsweise in der Japanischen Patentanmeldung mit der Nummer
5 913 2599 offenbart sind. Dieses Dokument lehrt den Einsatz eines Transistors
als Schalter der Gitterschaltung, um ein schnelles Schalten des
Strahles mit einem minimalen Überschwingen
und minimaler Störung
der Strompulse herbeizuführen.
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Vorzugsweise
ist die aktiv veränderliche Konduktanzvorrichtung
ein Transistor, beispielsweise entweder ein Feldeffekttransistor
(FET) oder ein bipolarer Transistor.
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Abweichend
hiervon kann die aktiv veränderliche
Konduktanzvorrichtung einen oder mehrere Photoleiterwiderstände umfassen.
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Die
Steuerungsmittel umfassen vorteilhafterweise optische Fasern und
elektrooptische Geräte oder
eine sonstige optische Ankopplung.
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Beim
Einsatz einer aktiv veränderlichen
Konduktanzvorrichtung anstelle eines passiven Widerstandes gemäß dem Stand
der Technik ist die Steuerung des Elektronenstrahlstroms weit vereinfacht. Vorzugsweise
wird eine optische Ankopplung zur Steuerung der variablen Konduktanzvorrichtung
eingesetzt, wodurch die Gefahr einer elektromagnetischen Interferenz
herabgesetzt ist.
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Vorzugsweise
wird ein Stromdetektor zum Nachweis des Stromflusses zwischen der
Hochspannungsversorgung und dem Kathodenfilament entweder zwischen
dem Ausgang der Hochspannungsenergieversorgung und der aktiv veränderlichen
Konduktanzvorrichtung oder zwischen der aktiv veränderlichen
Konduktanzvorrichtung und dem Kathodenfilament bereitgestellt.
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Bei
der Strommessung an dieser Stelle anstatt an der Erdungsseite der
Hochspannungsenergieversorgung wird die Unterscheidung zwischen
der wahren thermoionischen Emission des Filaments und allen anderen
Formen von Verlustströmen
ermöglicht.
Auf diese Weise kann der wahre thermoionische Emissionsstrom gemessen
und gesteuert werden.
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Es
werden nun beispielhaft Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezug
auf die beigefügten
schematischen Zeichnungen beschrieben, von denen
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1 eine
typische Schaltungsanordnung einer Röntgenstrahlenquelle,
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2 einen üblichen
Kathodenfilamenterhitzer in einer Röntgenstrahlenquelle einschließlich einer
Hochspannungsmultiplierschaltung und eines Trenntransformators des
Erhitzers,
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3 eine
Röntgenstrahlenquelle,
die eine negative Regelungsvorspannung einsetzt,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
einer Röntgenstrahlenquelle
in Übereinstimmung
mit einem Beispiel, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eine Röntgenstrahlenquelle
in Übereinstimmung
mit einem weiteren Beispiel, das nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist,
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6 ein
Ausführungsbeispiel
einer Röntgenstrahlenquelle
in Übereinstimmung
mit einem Beispiel einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung,
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7 eine
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Röntgenstrahlenquelle
in Übereinstimmung
mit einem weiteren Beispiel der zweiten Variante der vorliegenden
Erfindung und
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8 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenquelle zeigen.
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In
allen 1 bis 7 werden durchgängig gleiche
Bezugszeichen zum Verweis auf ähnliche Komponenten
und Merkmale eingesetzt. In
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8 sind
jedoch Merkmale und Bauteile, die mit denjenigen der 1 bis 7 unmittelbar vergleichbar
sind, mit Bezugszeichen versehen, die gegenüber den in den früheren Figuren
verwandten Bezugszeichen um 200 erhöht sind.
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Bei
der in 1 gezeigten üblichen
Röntgenstrahlenquelle
ist ein Kathodenfilament 30 mit einer isolierten Energieversorgung 10 verbunden.
Ein fokussierender Schirm 40 umgibt das Kathodenfilament 30 kreisförmig und
ist mit der Hochspannungsversorgung 20 verbunden. Im Betrieb
wird ein Elektronenstrahl 50 durch eine ringförmige Anode 60 hindurch
beschleunigt und auf ein metallisches Target 70 fokussiert,
von dem Röntgenstrahlen 80 ausgesandt
werden. Die Energieversorgung 10 umfasst üblicherweise
einen Abwärtstrenntransformator
(in 2 mit 11 verdeutlicht), der etwa 6 Volt
zum Erhitzen des Kathodenfilaments 30 bereitstellt.
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2 zeigt
eine übliche
Röntgenstrahlenquelle
einschließlich
einer Hochspannungsmultiplierschaltung 90, die mit dem
fokussierenden Schirm 40 verbunden ist. Weiterhin ist hier
ein Trenntransformator 11 gezeigt, der mit dem Kathodenfilament 30 verbunden
ist. Der Multiplier 90 ist auch als Crockcroft-Walton-Spannungsmultiplier 90 bekannt.
Die meisten modernen Röntgenstrahlenquellen
setzen diese Art von Multiplier ein, dessen Funktionsweise dem Fachmann
bestens bekannt ist.
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Die
in 3 gezeigte übliche
Röntgenstrahlenquelle
umfasst einen veränderlichen
Regelungswiderstand 120, der zwischen das Kathodenfilament 30 und
den fokussierenden Schirm 40 geschaltet ist. Diese Konfiguration
stellt eine negative Vorspannung für den fokussierenden Schirm 40 bereit,
so dass sichergestellt ist, dass dieser auf einem negativen Potenzial
bezüglich
des Potenzials des Kathodenfilaments 30 verbleibt. Die
Vorspannung ist wesentlich, wenn der fokussierende Schirm zum Bereitstellen
einer Raumladungssteuerung des Elektronenstrahlstromes eingesetzt
wird, wobei dies abweichend oftmals durch eine isolierte negative
Vorspannungsversorgung erfolgt.
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Ein
sich bei der Röntgenstrahlenquelle
gemäß 3 ergebendes
Problem ist mit den Schwierigkeiten verknüpft, die sich aus dem sicheren
und genauen Verändern
des Wertes des Regelwiderstandes ergeben, um eine optimale Steuerung
des Strahlenstromes aufrecht zu erhalten. Ein nicht von der Erfindung
umfasstes Ausführungsbeispiel
einer Röntgenstrahlenquelle
ist in 4 gezeigt. Anstelle eines Regelwiderstandes ist
eine aktive veränderliche
Konduktanzvorrichtung 130 eingesetzt. Diese Konduktanzvorrichtung
kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor (FET) sein. Abweichend
hiervon kann ein Photoleitwiderstand (LDR) eingesetzt werden, der durch
eine optische Ankopplung zum Verändern
der Konduktanz gesteuert wird. Der Leser wird sich in der Tat im
Klaren darüber
sein, dass eine Vielzahl anderer Vorrichtungen für die jeweils besonderen Erfordernisse
einer Anwendung zweckmäßig sein
kann.
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Bei
der Röntgenstrahlenquelle
gemäß 4 ist
die veränderliche
Konduktanzvorrichtung 130 ein bipolarer Transistor, der
durch eine Steuerungsschaltung 140 in Abhängigkeit
von Steuerungssignalen 150 (durch ein beliebiges Verfahren,
das aus einer Vielzahl bekannter Verfahren ausgewählt ist,)
gesteuert wird. Wird eine optische Steuerung eingesetzt, werden
die Steuerungssignale 150 durch eine Auswahl aus einer
von vielen bekannten optischen Ankopplungen, beispielsweise durch übliche faseroptische
Kabel, eingeführt
und durch eine zweckmäßige elektrooptische
Vorrichtungen, wie beispielsweise Licht emittierende Dioden (LEDs)
und Photodioden, umgewandelt. Auf diese Weise ist es möglich, eine
dynamische unmittelbare Steuerung des Elektronenstrahlstromes bereitzustellen.
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Bei
einer anderen in 5 gezeigten Röntgenstrahlenquelle
wird eine einen Strom erfassende Schaltung 160 zum Bereitstellen
einer messbaren Angabe des Elektronenstrahlstromes eingesetzt. Diese
Schaltung kann ein LED umfassen, deren Leuchtkraft direkt proportional
zum verstärkten
Elektronenstrahlstrom ist. Die Schaltung erzeugt Steuerungssignale 170,
die von der Regelung der veränderlichen
Konduktanzvorrichtung 130 als Steuerungssignale 150 und
der verknüpften
Steuerungsschaltung 140 verwendet werden. (Dieser Regelkreis ist
schematisch durch die unterbrochenen Linien 155 gezeigt).
In der Praxis können
weitere Bauteile vom Regelkreis umfasst sein, wobei diese Bauteile
einen Erdungsschaltkreis 156 aufweisen können, so
dass das Signal 170 auf Erdpotenzial gebracht und das Signal 150 vom
Erdpotenzial zurück übertragen
wird. Die Strom erfassende Schaltung 160 ist zwischen die Hochspannungsversorgung
und die aktive Konduktanzvorrichtung geschaltet. Die Strom erfassende Schaltung
könnte
stattdessen an einer Stelle zwischen der aktiven Konduktanzvorrichtung 130 und dem
Filament 30 angeordnet sein, die mit 160A bezeichnet
ist.
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Der
Vorteil der obigen Röntgenstrahlenquelle
besteht darin, dass das Messen des Stromflusses an einer Stelle,
die in 5 durch die Schaltung 160 (oder abweichend
hiervon 160A) verdeutlicht ist, es ermöglicht, zwischen thermoionischen
Stromflüssen und
Verlustströmen
genau zu unterscheiden, die wie zuvor beschrieben durch eine Vielzahl äußerer Einflussgrößen beeinflusst
werden können.
Die gemessenen Stromwerte können
anschließend über eine optische
Ankopplung 150 in einem Regelungskreis eingesetzt werden,
um die optimale Einstellung des Vorspannungsgrades zu erleichtern.
Die stromempfindliche Schaltung 160 kann in verschiedenen
Ausgestaltungen vorliegen und optischer, elektronischer oder anderer
Natur sein. Eine Vielzahl solcher Mittel ist für den Fachmann offenkundig.
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Wie
weiter oben ausgeführt
wurde, ist es üblich,
alle empfindlichen Schaltkreise und Bauteile in einem faradayschen
Käfig anzuordnen.
Es ist jedoch normalerweise unmöglich
die Bauteile vollständig
vor möglicherweise
schädigenden
elektromagnetischen Feldern zu schützen, da in dem faradayschen
Käfig Öffnungen
erforderlich sind, um für
Energieversorgungsleitungen, Steuerungseingängen oder dergleichen den Zugang
zur Schaltung zu ermöglichen.
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Mit
Bezug auf die 6 und 7 ist eine Transformatorprimärwicklung 180 mit
einer Transformatorsekundärwicklung 190 über einen
Transformatorjoch 200 gekoppelt. Die Transformatorsekundärwicklung 190 speist
Energie in den Schaltkreis innerhalb des faradayschen Käfigs 210.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der zweiten Variante der Erfindung umschließt eine ringförmige Metallummantelung 193 die
Transformatorsekundärwicklung 190 und
erstreckt sich als Rohr 194 von der Sekundärschaltung 190 zum
Hauptabschnitt des faradayschen Käfigs 210. Für praktische
Abschirmzwecke bilden die ringförmige
Ummantelung 193 und das Rohr 194 einen einstückigen Teil
des faradayschen Käfigs 210 aus.
Das Rohr 194 dient als ein Kanal, wobei Abschirmdrähte 195 die
Wicklung 190 mit der Schaltung in dem faradayschen Käfig verbinden (oder
fortsetzen). Die ringförmige
Ummantelung weist eine Diskontinuität oder elektrische Unterbrechung 196 auf,
durch die diese davon abgehalten wird, als Kurzschlusswindung zu
wirken. Die Diskontinuität
ist jedoch so ausgebildet, dass auch weiterhin eine Gesamtabschirmung
erhalten bleibt.
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7 zeigt
eine Variante des Ausführungsbeispiels
gemäß 6,
bei der der äußere koaxiale Leiter
als Teil der Sekundärwicklung
ausgebildet ist. Dieser ist mit der Sekundärwicklung an der Stelle 197 verbunden.
Daher bildet der äußere Leiter
einen Teil der Wicklung aus und deren Verlängerung zum faradayschen Käfig.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 6 und 7 nur eine
Windung der primären
und sekundären
Wicklungen gezeigt ist. In der Praxis können mehr als eine Windung
für eine
oder beide Wicklungen vorliegen.
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In 8 ist
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, in dem viele Merkmale zu einer integrierten
Hochspannungsgenerator und einer Röntgenstrahlenquelle eingearbeitet
sind.
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Der
Elektronenstrahl wird durch eine Thermoionenemission einer Kathode 230 erzeugt,
die aus Wolframdrähten
oder aus einem anderen Material, typischerweise in Form einer Haarnadel,
gefertigt ist. Zur Emission von Elektronen, muss die Kathode zum Glühen erhitzt
werden. Die erforderliche Kathodentemperatur wird durch resistives
Selbsterhitzen erzeugt. Die Elektronen werden in bekannter Weise mittels
eines zwischen der Kathode 230 und der Anode (in 8 nicht
gezeigt) angelegten elektrischen Feldes von der Kathode 230 abgezogen.
Wie zuvor erläutert,
ist die Anordnung so ausgestaltet, dass sich die Anode auf einem
Erdpotenzial und die Kathode auf einem hohen negativen Potenzial
befinden. Die Größe des Strahlstromes
wird durch die Vorspannung gesteuert, die an einer ringförmige Gitterelektrode
oder Wehnelt 240 anliegt, welche die Kathode umschließt. Die
Vorspannung ist bezüglich
der Kathode immer negativ. Die Vorspannung dient auch zum Bereitstellen
eines fokussierenden elektrischen Feldes für den emittierten Elektronenstrahl,
wodurch dessen Durchmesser und schließlich die Größe der Röntgenstrahlenquelle
gesteuert werden. Die Kathode 230 und die ringförmige Gitterelektrode 240 sind wie üblich in
einem Vakuum angeordnet, wobei die Vakuumwand in 8 mit
dem Bezugszeichen 235 teilweise gezeigt ist.
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Die
Gittervorspannung wird durch eine Technik erhalten, die als Eigenvorspannung
bekannt ist und üblicherweise
bei Triodenvorrichtungen wie insbesondere Elektronenmikroskopen
eingesetzt wird. Der Elektronenstrahlstrom fließt über einen Widerstand, der zwischen
das Gitter und die Kathode geschaltet ist. Über den Widerstand fällt eine
Spannung ab, welche die Gittervorspannung bildet. Das System ist
auf diese Weise selbst stabilisierend, wobei eine getrennte Energieversorgung
für die
Gitterspannung nicht erforderlich ist. Die Größe des Elektronenstrahlstromes
hängt von
der Größe des Widerstandes
und den physikalischen Eigenschaften der Kathode ab, die geometrieabhängig sind.
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In Übereinstimmung
mit diesem Ausführungsbeispiel
wird der Widerstand durch eine Vorrichtung ersetzt, deren Widerstand
elektronisch verändert
werden kann. Eine bevorzugte Vorrichtung ist ein Feldeffekttransistor
(FET) 330, wobei jedoch das Grundprinzip des Betriebs auch
durch andere Vorrichtungen wie Photoleitwiderstände bereitgestellt werden kann.
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Der
Strahlstrom fließt
der Reihe nach über einen
Widerstand 325, den FET 330 und einen Widerstand 335.
Eine Zehnerdiode 336 schützt den FET 330 vor Überspannungen.
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Wie
zuvor diskutiert wurde, weicht diese Anordnung deutlich sowohl im
Hinblick auf das Konzept als auch auf die Wirkung von üblichen
Schaltungsschemata ab, die für
die Gitterspannung typischerweise eine getrennte Gleichspannungsenergieversorgung
zum Einsatz bringen, die auf das Kathodenpotenzial gelegt wird und
die zur Spannungssteuerung und Stabilisierung eine seriell regelndes
Element verwenden kann.
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In üblichen
Röntgenstrahlengeneratoren wird
das Erfassen des Strahlenstromes typischerweise durch Messen des
Stromes erreicht, der an dem Boden der Diodenkondensatorbank fließt, welche den
Hochspannungsmultiplier (oftmals Cockraft-Walton-Multiplier genannt)
ausbildet. In dem vorliegenden System wird ein solcher Hochspannungsmultiplier 290 eingesetzt.
Ferner ist ein üblicher
Lesewiderstand 300 gezeigt. Dem Anliegen der Spannung an dem
Lesewiderstand 300 als Mittel zum Messen und zum Steuern
des Elektrodenstrahlenstromes haftet jedoch, wie oben beschrieben
wurde, ein deutlicher Nachteil an. So kann nämlich der an dieser Stelle
fließende
Strom neben dem wahren Elektronenstrahlstrom zusätzliche Fremdanteile aufweisen.
Diese Fremdströme
umfassen oftmals Ströme,
die von der dem Vakuum zugewandten Oberfläche des das Filament umschließenden Gehäuses emittiert
werden. Die Stellen, die eine solche Emission erzeugen, werden kalte
Kathoden oder Feldemissionsstellen genannt und sind dem Fachmann
auf dem Gebiet der Herstellung von Hochspannungsvakuumdrähten bestens
bekannt. Feldemissionsstellen sind instabil und können weder
vorausgesagt noch beseitigt werden. Wird das Steuerungssignal für die Stabilisierung des
strahlenden Stromes von einem Lesewiderstand 300 abgeleitet,
wird die Steuerung des eigentlichen Elektrodenstrahles, der thermoionisch
von der Kathode 230 emittiert wird, durch die nicht quantifizierbaren
Einschlüsse
von Fremdströmen
beeinträchtigt, die
an Feldemissionsstellen entstehen. Dies macht eine stabile Steuerung
bei geringen Betriebsstrahlenströmen
und hohen Kathodenspannungen äußerst schwierig
und verschlechtert unter solchen Bedingungen die Röntgenstrahlenbildqualität. Die vorliegende
Erfindung erlaubt eine Messung des wahren Stromes, der von der Kathode
aus fließt.
Dies erlaubt eine ausgesprochen genaue Kontrolle des Strahlstromes
selbst unter ungewöhnlich
schwierigen Bedingungen, wie beispielsweise beim Betrieb unter extrem
hohen Spannungen bei geringen Strahlströmen und auch bei Anwesenheit
von Feldemissionsstellen.
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Der
eigentliche Elektronenstrahlstrom wird als eine über den Widerstand 325 abfallende
Spannung erfasst und in eine integrierte Schaltung 361 eingespeist,
die als Spannungsfrequenzwandler eingerichtet ist. Der Frequenzausgang
der integrierten Schaltung 361 treibt eine LED 362 an,
die ein frequenzmoduliertes Lichtsignal 371 in eine optische Faser 355a einkoppelt.
Am anderen Ende der Faser 355a trifft das optische Signal
auf eine Photodiode 363. Diese wandelt das optische Signal
in ein elektrisches Signal zurück,
welches dem gemessenen Elektronenstrahlstrom genauestens entspricht
und das über
einen Trennverstärker 364 einem
(nicht gezeigten) Schaltkreis zugeführt wird, der auf bekannte Art
und Weise eine Schnittstelle mit einem Computer ausbildet. Durch
einen Benutzer des Systems in den Computer eingegebene Eingabebefehle
werden zur Einstellung des Elektronenstrahlstromes eingesetzt. Wird
jedoch kein Computer verwendet, ist ein zweckmäßiger Schaltkreis an einer
Stelle vorgesehen, die für
eine direkte oder ferngesteuerte manuelle Einstellung durch einen
Benutzer geeignet ist, wodurch eine Steuerung des Strahlstromes
ermöglicht
ist, die entweder in Echtzeit oder mit vorbestimmten Werten durchgeführt werden
kann.
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Für eine genaue
Regelung des Strahlstromes gemäß einem
vorbestimmten Anforderungslevel, das durch den Benutzer vorbestimmt
wird, ist das Bereitstellen eines Rückkoppelunksignals erforderlich.
Da der Widerstand des FET 330 durch das Einstellen seiner
Gate-Spannung verändert
werden kann, wird dies vorteilhafterweise mittels einer anderen
Photodiode 365 unter Verwendung optischer Signale 351 durchgeführt, welche
durch eine zweite LED 366 erzeugt werden. Diese optischen
Signale 351 sind auf eine Weise amplitudenmoduliert, dass
diese jede gewünschte Änderung
des Strahlstromes anzeigen. Die Signale werden einer zweiten optischen
Faser 355b zugeführt,
deren Ausgang die Photodiode 365 bestrahlt.
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Optische
Fasern werden zum Bereitstellen einer elektrischen Isolation zwischen
elektronischen Schaltungen auf der Hochspannungsseite und der Niederspannungsseite
des Hochspannungsmultipliers 290 eingesetzt.
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Der
am Widerstand 300 erfasste Strom wird nicht zur Steuerung
und Messung sondern von Schaltungen verwendet, die zum Schutz des
Hochspannungsgenerators im Kurzschlussfall eingerichtet sind, wobei
ein überaus
hoher Strom über
den Multiplier 290 fließt.
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Gelegentlich
treten elektrische Entladungen innerhalb der Röntgenstrahlenquelle auf. Solche
Entladungen führen
zu sich schnell ändernden
transienten Strömen,
wobei es notwendig ist, aktive elektronische Bauteile von den möglicherweise
schädigenden Auswirkungen
strahlender oder leitender elektromagnetischer Interferenz zu schützen, welche
durch diese transienten Ströme
erzeugt werden. Die mit der Kathode und dem Gitter gekoppelten elektronischen Schaltungen
sind in einer Metallkammer 410 angeordnet. Dieses gesamte
Gehäuse
ist mit dem Gitter verbunden und liegt daher gegenüber dem
Erdpotenzial auf einer sehr hohen Spannung. Dieses Gehäuse stellt
einen beachtlichen Schutz für
in diesem angeordnete Schaltungen bereit und wirkt als ein „faradayscher
Käfig".
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Obwohl
eine hermetische Abschirmung nicht unbedingt erforderlich ist, ist
das Gehäuse
so ausgestaltet, dass seine Öffnungen
eine möglichst
geringe Ausdehnung aufweisen. Die Integrität eines solchen faradayschen
Käfigs
kann durch das Erfordernis beeinträchtigt sein, elektrische Signale
hinein- und hinauszuführen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Energie für
alle Schaltungen innerhalb des Käfigs
durch einen Hochspannungstrenntransformator bereitgestellt. Die
Sekundärwicklung 390 des
Transformators ist zum Bereitstellen der erforderlichen Hochspannungsisolation
isoliert und als koaxiales System ausgelegt. Das äußere leitende
Teil 393 dieser koaxialen Anordnung bildet eine kontinuierliche
Verlängerung des
Hauptabschnitts des faradayschen Käfigs 410 aus. Weiterhin
ist nur der äußere Leiter
der koaxialen Anordnung um das Transformatorjoch 400 gewickelt. Der
innere Leiter 390 tritt aus einer Öffnung in der Seite des äußeren Leiters
hervor und ist dann mit dem Ende des äußeren Leiters 393 verbunden.
Die Länge
des inneren Leiters 390 und die Größe des Loches in dem äußeren Leiter 393 sind
sehr klein gehalten. Die koaxiale, selbst abschirmende Konstruktion der
Sekundärwicklung
stellt sicher, dass in den faradayschen Käfig hinein geleitete und gestrahlte
Signale so klein sind, dass die Betriebssicherheit der in diesem
Käfig angeordneten
Komponenten sichergestellt werden kann.
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Das
Joch 400 des Trenntransformators liegt außerhalb
der Begrenzung des faradayschen Käfigs 410. Nur der äußere koaxiale
Teil 393 der Sekundärwicklung 390 ist
in dem Kontinuum der Wandung des faradayschen Käfigs integriert.
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Der
faradaysche Käfig
kann vorteilhafterweise bestimmte elektronische Schaltungen aufweisen, die
beispielsweise zur Überwachung,
zur Steuerung und zum Stabilisieren der Kathodenfilamentspannung
des Stromes oder der Leistung verwendet werden können. Solche Schaltkreise,
die ohne Bezugspotential auf einem Hochspannungspotenzial liegen,
können
ferner Faseroptiken als Mittel verwenden, um Signale für andere
elektronische Schaltungen bereitzustellen, die nahe am Erdpotenzial
betrieben werden.