DE69913985T2 - Röntgenröhre mit variabler abbildungs-fleckgrösse - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Röntgenröhren, und insbesondere eine Hochleistungs-Röntgenröhre, der eine Abbildungsleuchtfleckgröße erzeugt, die über einen gegebenen Bereich kontinuierlich einstellbar ist.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Es ist im Stand der Technik wohlbekannt, eine Röntgenquelle zu verwenden, um planare Bilder für medizinische und technische Diagnoseanwendungen zu erzeugen. Auf dem Gebiet der technischen Diagnoseabbildung sind Röntgenstrahlen besonders wirksam beim Durchdringen innerer Strukturen eines festen Abbildungsobjekts, und die durch Röntgenstrahlen, die dort hindurchdringen, erzeugten Bilder offenbaren innere Fehler oder strukturelle Defekte des Objekts. Die technische diagnostische Röntgenabbildung liefert somit ein wertvolles Inspektionswerkzeug zur Qualitätskontrolle, um strukturelle Aspekte eines Produkts während der Herstellung und über die Lebensdauer des Produkts zu bewerten. Diese Form der diagnostischen Analyse ist gegenüber anderen Arten der Bewertung vorteilhaft, da das Abbildungsobjekt beim Bewertungsprozess nicht zerstört zu werden braucht. Aus diesem Grund ist die technische diagnostische Abbildung auch als nicht-zerstörendes Untersuchen bekannt.
  • Eine Röngtenröhre für technische Abbildungsanwendungen umfasst typischerweise eine Elektronenkanone mit einer Kathode, die angeregt wird, um einen Strahl von Elektronen zu emittieren, die zu einer Anode hin beschleunigt werden. Die Anode kann aus einer Targetoberfläche aus Metall wie etwa Wolfram bestehen, von der Röntgenstrahlen durch das Auf treffen der beschleunigten Elektronen erzeugt werden. Indem die Anodenoberfläche unter einem Winkel gegenüber der Achse des Elektronenstrahls angeordnet ist, können die Röntgenstrahlen in einer allgemein senkrechten Richtung zu der Elektronenstrahlachse ausgesandt werden. Die Röntgenstrahlen können dann durch ein Berylliumfenster geschickt werden, das dazu verwendet wird, um eine Vakuumabdichtung innerhalb der Röntgenröhre bereitzustellen. Danach verlassen die Röntgenstrahlen die Rönttenröhre auf einem allgemein konischen Weg, wobei der Scheitel des Kegels in etwa mit dem Leuchtfleck auf dem Target, der durch den auftreffenden Elektronenstrahl gebildet wird, zusammenfällt.
  • Das US-Patent Nr. 4 979 199 offenbart eine Röntgenröhre mit einer Kathode, die einen Elektronenstrahl bereitstellt, einer von der Kathode beabstandeten Anode und einer Targetoberfläche, die unter einem bestimmten Winkel gegenüber einer Symmetrieachse der Röhre angeordnet ist, und einem Aperturgitter, das zwischen der Kathode und der Anode angeorndet ist und das eine mittlere Öffnung aufweist, die es den durch die Kathode erzeugten Elektronen ermöglicht, hindurch zu treten und auf einer Oberfläche der Anode aufzutreffen, wodurch Röntgenstrahlen erzeugt werden, die durch das Fenster nach außen geführt werden.
  • Der Betrag der von einer Röntgenröhre gelieferten Vergrößerung hängt zum Teil von der Leuchtfleckgröße ab, die manchmal als Abbildungsleuchtfleckgröße bezeichnet wird. Eine kleinere Leuchtfleckgröße ermöglicht typischerweise eine stärkere Vergrößerung, während eine gewünschte Bildschärfe aufrecht erhalten wird, bedeckt jedoch einen kleineren Bereich des Abbildungsobjekts. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass das abzubildenden Objekt bezüglich der Position des fotografischen Films oder anderer Röntgenstrahlen-Bildaufnahmemitteln näher an der Röntgenquelle, d. h. dem Röntgenabbildungsleuchtfleck, angeordnet wird. Umgekehrt kann eine größere Leuchtfleckgröße einen größeren Bereich des Abbildungsobjekts abbilden, jedoch typischerweise mit einem geringeren Vergrößerungslevel. Im Gegensatz zu der kleineren Leuchtfleckgröße ist in diesem Fall die Fläche des Elektronenstrahlaufpralls auf dem Target größer. Daher kan ein Elektronenstrahl mit einer höheren Spannung, einem höheren Strom oder einer höheren Spannung und einem höheren Strom verwendet werden, ohne das Target thermisch überzubelasten. Herkömmliche Röntgenröhren sind typischerweise darauf beschränkt, entweder eine einzige Leuchtfleckgröße, oder in manchen Fällen zwei diskrete Leuchtfleckgrößen bereitzustellen. Um zwei unterschiedliche Leuchtfleckgrößen bereitzustellen, weisen die Röntgenröhren zwei unterschiedliche Kathodenfilamente auf, die abwechselnd mit Energie gespeist werden, um Elektronenstrahlen unterschiedlicher Durchmesser zu liefern. Eine Bedienungsperson einer Röntgenröhre wählt je nach dem gewünschten Vergrößerungsniveau und der gewünschten Größe des Abbildungsobjekts eines der Kathodenfilamente aus. Ein Nachteil solcher Systeme besteht darin, dass die Leuchtfleckgröße der Röntgenröhre nicht für einen bestimmten Abbildungsvorgang optimiert werden kann.
  • Bei herkömmlichen Röntgenröhren besteht ein weiterer Ansatz zur Reduzierung der effektiven Leuchtfleckgröße darin, die Anodenoberfläche in einem Winkel gegenüber der Strahlachse zu positionieren, der flacher als 45° ist, wobei der Röntgenstrahlen-Austrittskegel weiter um 90° gegenüber der Strahlachse orientiert bleibt. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass der flache Anodenwinkel die Leistungsdichte auf der Anode absenkt, was, wenn es übermäßig geschieht, ein unerwünschtes Schmelzen und Verdampfen des Wolfram-Targetmaterials bewirken kann. Um den flachen Anodenwinkel geometrisch zu kompensieren, ist darüber hinaus die Elektronenkanone so konfiguriert, dass ein elliptischer Elektronenstrahl bereitgestellt wird, so dass der Röntgenstrahlenleuchtfleck einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Dieses Fehlen einer axialen Symmetrie der Elek tronenkanone kann Kosten und Schwierigkeiten bei der Fertigung der Röntgenröhre bewirken. Außerdem ist der Elektronenstrahlleuchtfleck selten elliptisch, und der resultierende Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleck ist normalerweise formverzerrt, weist Unregelmäßigkeiten in der Intensität auf und ist nicht-linear, was zu Röngtgenbildern minderer Qualität führt.
  • Es wäre daher wünschenswert, eine Röntgenröhre bereitzustellen, die eine Leuchtfleckgröße aufweist, die über einen gegebenen Bereich kontinuierlich einstellbar ist, um eine höhere Flexibilität bei den Abbildungsvorgängen zu ermöglichen. Es wäre darüber hinaus wünschenswert, eine Röntgenröhre bereitzustellen, die in einer axial symmetrischen Geometrie aufgebaut ist, um die Herstellung zu vereinfachen und die Symmetrie und Intensität des Röntgenleuchtfleckes zu verbessern. Ein weiterer wünschenswerter Vorteil besteht darin, dass die Leuchtfleckgröße und Röntgenstrahlenintensität verändert werden kann, ohne das Objekt neu zu positionieren. Es wäre auch wünschenswert, eine Röntgenröhre bereitzustellen, die einen kreisförmigen Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleck mit gleichmäßigerer Intensität für Röntgenbilder mit einer verbesserten Qualität bereitstellt.
  • Schließlich wäre es vorteilhaft, wenn es möglich wäre, den Auftreffpunkt des Elektronenstrahles auf der Targetoberfläche zu verschieben, um eine Überbeanspruchung, d. h. Schmelzen und Verdampfen der Targetoberfläche zu vermeiden, ohne die Form des Elektronenstrahls zu verzerren, so dass die Leistungsdichte des Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleckes nicht verschlechtert wird.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, erzeugt eine Röntgenröhre eine kontinuierlich einstellbare Leuchtfleckgröße über einen gegebenen Bereich. Durch die kontinuierlich einstellbare Leuchtfleckgröße kann eine Bedienungsperson eine optimale Leuchtfleckgröße und Intensität zur Abbildung eines bestimmten Abbildungsobjektes auswählen. Darüber hinaus weist die Röntgenröhre eine axiale Symmetrie auf, was zu einer einfacheren mechanischen Herstellung und einem Röntgenabbildungsleuchtfleck mit einer im wesentlichen gleichmäßigeren Intensität und kreisförmigem Röntgenstrahlenabbildungsleuchtfleck für Röntgenbilder mit verbesserter Qualität führt.
  • Die Röntgenröhre umfasst insbesondere eine Kathode mit einer Elektronen emittierenden Oberfläche, die einen Elektronenstrahl liefert, der sich entlang einer Symmetrieachse der Elektronen emittierenden Oberfläche ausbreitet. Eine Anode ist von der Kathode beabstandet und weist eine Targetoberfläche auf, die unter einem Winkel von 157,5° bezüglich der Symmetrieachse angeordnet ist. Die Targetoberfläche liefert Röntgenstrahlen als Antwort auf das Auftreffen des Elektronenstrahls darauf. Die Röntgenstrahlen sind von einem Röntgenabbildungsleuchtfleck auf dem Röntgentarget nach außen von der Röntgenröhre gerichtet. Ein Aperturgitter ist zwischen der Kathode und der Anode angeordnet und weist eine zentrale Öffnung auf, die es dem Elektronenstrahl ermöglicht, hindurchzutreten. An das Aperturgitter ist eine variable Spannung bezüglich der Kathode angelegt, die dazu verwendet wird, den Durchmesser des Elektronenstrahls zu steuern. Insbesondere variiert der Elektronenstrahldurchmesser entsprechend der variablen Spannung, und eine selektive Veränderung des Elektronenstrahldurchmessers führt zu einer entsprechenden Veränderung der Größe des Röntgenstrahlabbildungsleuchtfleckes.
  • Die Röntgenröhre gemäß der Erfindung ist ferner ausgelegt, um eine Position eines Elektronenstrahls bezüglich der Symmetrieachse zu verändern, um somit einen Auftreffleuchtfleck des Elektronenstrahls auf der Targetoberfläche zu verändern. Innerhalb der Anode ist wenigstens ein Polstück in einer Richtung senkrecht zu der Symmetrieachse angeordnet. Ein Magnetfeld ist so an das Polstück angelegt, dass das Magnetfeld den Elektronenstrahl durchquert. Auf diese weise wird der Elektronenstrahl dazu veranlasst, auf einen separaten Leuchtfleck auf der Targetoberfläche aufzutreffen, um die schädlichen Effekte der thermischen Spannung auf der Targetoberfläche zu verteilen.
  • Ein vollständigeres Verständnis der Röntgenröhre mit veränderlichem Leuchtfleck, sowie die Erkenntnis ihrer weiteren Vorteile und Ziele wird dem Fachmann auf dem Gebiet durch eine Betrachtung der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform möglich sein. Es wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungsseiten, wie zuerst kurz beschrieben sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Längsquerschnitt einer Elektronenkanone für eine Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Kennlinie einer Computer-simulierten Approximation der Leistungsfähigkeit einer Röntgenröhre zur Veränderung der Größe des Abbildungsleuchtfleckes des Elektronenstrahls als Funktion der Aperturgitterspannung;
  • 3 ist eine Rückansicht einer Ausführungsform einer Anode der Elektronenkanone mit einem einachsigen magnetischen Polstück zur Änderung der Position des Elektronenstrahls;
  • 4 ist eine Rückansicht einer Ausführungsform einer Anode der Elektronenkanone mit einem zweiachsigen magnetischen Polstück zur Änderung der Position des Elektronenstrahls;
  • 5 ist ein Längsquerschnitt einer alternativen Ausführungsform einer Kathodenanordnung der Elektronenkanone;
  • 6 ist eine schematische Ansicht eines Röntgenstrahlenausgangskegels, der von einer Doppelfilament-Kathode des Standes der Technik bereitgestellt wird;
  • 7 ist eine schematische Ansicht eines Röntgenstrahlenausgangskegels, der von einer Kathode mit veränderlichem Leuchtfleck der Erfindung bereitgestellt wird;
  • 8 veranschaulicht die geometrische Beziehung zwischen dem Röntgenstrahlenausgangskegel und dem Anodentargetwinkel für die Röntgenröhre des Standes der Technik;
  • 9 veranschaulicht die geometrische Beziehung zwischen dem Röntgenstrahlenausgangskegel und dem Anodentargetwinkel gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 10 ist ein Seitenquerschnitt einer Ausführungsform der Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 11 ist ein Seitenquerschnitt einer Ausführungsform der Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die vorliegende Beschreibung befriedigt das Bedürfnis nach einer Röntgenröhre, die eine Leuchtfleckgröße aufweist, die über einen gegebenen Bereich kontinuierlich einstellbar ist, um eine größere Flexibilität bei den Abbildungsvorgängen zu ermöglichen. In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ist zu beachten, dass gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche, in einer Figur oder in mehreren Figuren dargestellte Elemente zu beschreiben.
  • Unter Bezugnahme auf 1, ist eine erste Ausführungsform einer Elektronenkanone zur Verwendung in einer Röntgenröhre dargestellt. Die Elektronenkanone umfasst eine Kathodenanordnung mit einem Elektronenemitter 12. Der Emitter 12 kann aus einem spiralförmig aufgewickelten Filamentdraht bestehen, der aus thoriertem Wolfram oder anderen, ähnlichen Elektronen aussendenden Materialien bestehen und ist so angeordnet, dass er einen allgemein kreisförmigen oder symmetrischen Raum einnimmt. Der Filamentdraht kann einen allgemein flachen Querschnitt des Typs aufweisen, der allgemein als "Pfannkuchen" bezeichnet wird. Eine Randelektrode 16, die eine ringförmige Form aufweist, ist konzentrisch um den und in einem Abstand von dem Emitter 12 angeordnet, und eine ringförmige Fokussierelektrode 22 ist konzentrisch um die und in einem Abstand von der Randelektrode angeordnet.
  • Ein Aperturgitter 18 ist konzentrisch zwischen der Randelektrode 16 und der Fokussierelektrode 22 angeordnet. Das Aperturgitter 18 ist ebenfalls ringförmig und weist eine zentrale Öffnung auf, durch die der Emitter 12 offenliegt. Wie in 1 gezeigt ist, weist das Aperturgitter 18 eine flache Oberfläche auf, die in einer zum Emitter 12 parallelen Ebene liegt. Der Emitter 12, die Randelektrode 16 und die Fokussierelektrode 22 sind üblicherweise mit dem gleichen negativen elektrischen Potential verbunden, und das Aperturgitter 18 ist mit einer bezüglich diesen Kathodenelementen variablen positiven oder negativen Spannungsquelle verbunden. Darüber hinaus sind der Emitter 12, die Randelektrode 16, das Aperturgitter 18 und die Fokussierelektrode 22 jeweils symmetrisch um eine gemeinsame Achse 15 angeordnet.
  • Eine Anodenanordnung befindet sich in einem Abstand von der Kathodenanordnung. Die Anodenanordnung umfasst ein ringförmiges Teil 32 und ein Targetteil 36. Das ringförmige Teil 32 weist eine Öffnung 34 auf, die sich entlang der Achse 15 erstreckt. Das Targetteil 36 weist eine Targetoberfläche 38 auf, die in einem stumpfen Winkel bezüglich der Achse 15 angeordnet ist, und die nicht symmetrisch bezüglich der Achse ist. Die Targetoberfläche 38 besteht auf einem Röntgenstrahlen aussendenden Material wie Wolfram. Eine kegelförmige Öffnung ist zwischen dem ringförmigen Teil 32 und dem Targetteil 38 angeordnet, die für in der Vorrichtung erzeugte Röntgenstrahlen eine Austrittsöffnung bereitstellt, wie nachstehend weiter ausgeführt ist. Ein Fenster 42 überquert die kegelförmige Öffnung, um innerhalb der Vorrichtung ein Vakuum aufrecht zu erhalten. Das Fenster 42 kann aus Beryllium oder ähnlichen Materialien bestehen, die so gewählt sind, dass dadurch die Transmission von Röntgenstrahlen möglich ist.
  • In Betrieb wird ein elektrischer Strom in den Emitter 12 gepeist, der bewirkt, dass sich seine Temperatur auf ein Niveau erhöht, das ausreichend ist, das Auftreten von thermischer Emission von Elektronen zu ermöglichen. Eine hohe negative Spannung wie etwa –160 kV bezüglich der Anodenanordnung ist an die Kathodenanordnung angelegt, so dass ein Elektronenstrahl von dem Emitter 12 in Richtung der Anodenanordnung gezogen wird. Umgekehrt kann die Kathodenanordnung geerdet sein und eine hohe positive Spannung, z. B. +160 kV, kann an die Anodenanordnung angelegt sein. Wie in Fachkreisen bekannt, hängt der Strom des Elektronenstrahls von der Temperatur des Emitters 12 ab, wenn er im Temperaturgrenzbereich betrieben wird. Die Form der Randelektrode 16 und der Fokussierungselektrode 22 ist so gewählt, dass sie derart ein Muster von Äquipotentiallinien in dem Zwischenelektrodenraum zwischen der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung definieren, dass der Elektronenstrahl allgemein fokussiert und in Richtung der Targetoberfläche 38 gerichtet wird.
  • Eine äußere Einhüllende 17 des Elektronenstrahls ist in 1 dargestellt. Der Elektronenstrahl tritt durch die Öffnung 34 des ringförmigen Teils der Anode 32 und trifft auf die Targetoberfläche 38, um Röntgenstrahlen 33 zu er zeugen. Die Röntgenstrahlen 33 treten in einem allgemein kegelförmigen Weg durch die zwischen der ringförmigen Öffnung 32 und dem Targetteil 36 der Anodenanordnung angeordnete Öffnung aus. Die Röntgenstrahlen 33 treten durch das Fenster 42, um in einem vorbestimmten Abstand hinter der Vorrichtung einen Abbildungsleuchtfleck zu bilden. Die an das Aperturgitter 18 angelegte Spannung bewirkt, dass der Elektronenstrahl in dem Moment divergiert oder sich verengt, in dem der Elektronenstrahl den Emitter 12 verlässt. Nach dem Passieren des Aperturgitters 18 weitet sich der Elektronenstrahl auf eine allgemein divergierende Bahn auf, von wo aus er nachfolgend durch die Form der elektrostatischen Felder zwischen dem Aperturgitte 18 und der Anodenanordnung in einen Kegel fokussiert wird.
  • Als spezielles Beispiel zeigt 2 eine von einer computersimulierten Approximation der variablen Abbildungssteuerung der Röntgenröhre abgeleitete Kennlinie. Die Kennlinie zeigt eine grafische Darstellung des Strahlradius in Millimeter (y-Achse) als Funktion der Aperturgitterspannung (x-Achse), wobei der Strahlradius als der Radius definiert ist, der 63,2 Prozent des Elektronenstrahls einschließt. wenn angenommen wird, dass +160 kV an die Anodenbaugruppe angelegt worden sind, so zeigt der Graph, dass eine Minimierung der Leuchtfleckgröße auf dem Target eintritt, wenn die Aperturgitterspannung auf ungefähr +990 V bezüglich der Kathodenanordnung bei 0 V eingestellt ist. Folglich kann der Durchmesser des Elektronenstrahls im Auftreffpunkt auf der Targetoberfläche 38 dadurch verändert werden, dass die an das Aperturgitter 18 angelegte Spannung modifiziert wird. Zum Beispiel kann die Größe des Strahls effektiv verdoppelt werden, indem eine Spannung von +910 V, oder alternativ +1045 V an das Aperturgitter angelegt wird.
  • Darüber hinaus ist es möglich, jeglichen Strahlstrom abzuschalten, indem eine allgemein negative Spannung bezüglich der Kathodenanordnung an das Aperturgitter 18 angelegt wird. Durch Verändern der Fokussierung des Elektronenstrahls ändert sich auch die Leuchtfleckgröße der erzeugten Röntgenstrahlen. Auf diese Weise nimmt die durch die Röntgenvorrichtung gelieferte Abbildungsleuchtfleckgröße mit zunehmendem Durchmesser des auf die Targetoberfläche 38 auftreffenden Elektronenstrahls zu, und nimmt mit abnehmendem Durchmesser des Elektronenstrahls ab. Die Beziehung zwischen der Form des Elektronenstrahls und der Röntgenleuchtfleckgröße ist nachfolgend bei der Diskussion der Geometrie der vorliegenden Vorrichtung und der Vorrichtung des Standes der Technik beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 sind Ausführungsformen der Elektronenkanone einer Röntgenröhre gezeigt. Wie weiter oben bemerkt, besteht ein Nachteil herkömmlicher Röntgenröhren darin, dass die Leistungsdichte des auf die Anode auftreffenden Elektronenstrahls ein unerwünschtes Schmelzen und Verdampfen des Wolframmaterials verursachen kann. Ein Weg zur Vermeidung der Überbeanspruchung der Targetoberfläche besteht darin, den Auftreffpunkt des Elektronenstrahls an unterschiedliche Orte zu bewegen. Dies muss erreicht werden, ohne die Form des Elektronenstrahls zu verzerren, so dass die Leistungsdichte des Röntgenstrahlabbildungsflecks nicht herabgesetzt wird.
  • Insbesondere veranschaulicht 3 den ringförmigen Teil 32 der Anodenanordnung im Querschnitt. Ein Polstück, das einen ersten und einen zweiten Abschnitt 51, 52 aufweist, erstreckt sich in einer radialen Richtung in das ringförmige Teil 32 der Anodenanordnung. Die Polstückabschnitte 51, 52 erstrecken sich nicht ganz bis zu der Öffnung 34, sondern enden vor Erreichen der Öffnung, um zu gewährleisten, dass die Vakuumhülle der Röntgenröhre nicht durch die Einführung der Polstückabschnitte beeinträchtigt ist. Die Polstückabschnitte 51, 52 sind außerdem mit einem magnetischen Rückflussbügel 56 gekoppelt, mit der eine Induktionsspule 50 verbunden ist. Die Einspeisung eines elek trischen Stromes in die Induktionsspule 50 erzeugt ein Magnetfeld B, das die Öffnung 34 halbiert und sich senkrecht zu der zentralen Achse 15 der Elektronenkanone erstreckt. Durch Verändern des Betrages des in die Induktionsspule 50 eingespeisten elektrischen Stromes kann der Betrag des Magnetfeldes B geändert werden. Das Magnetfeld B lenkt den Elektronenstrahl ab, wenn er durch die Öffnung 34 gerichtet wird, was bewirkt, dass der Elektronenstrahl an einer anderen Stelle auf die Targetoberfläche 38 auftrifft. Auf diese Weise kann der Elektronenstrahl periodisch neu positioniert werden, so dass die Energie des Elektronenstrahl über eine größere Fläche der Targetoberfläche 38 verteilt wird, um die thermische Beanspruchung an einem einzelnen Punkt zu verringern. Die Ablenkung des Elektronenstrahls kann manuell durch eine Bedienungsperson der Röntgenröhre gesteuert werden, oder kann, alternativ dazu, bei Erfassen einer Überhitzung der Targetoberfläche 38 automatisch gesteuert werden.
  • In ähnlicher Weise veranschaulicht 4 eine weitere Ausführungsform, bei der ein Paar von gekreuzten Polstücken mit Abschnitten 51, 52, 53 und 54 verwendet wird. Die Polstückabschnitte sind senkrecht zueinander angeordnet und weisen jeweils (nicht gezeigte) Induktionsspulen auf, um Magnetfelder B1 und B2 zu liefern, die sich entlang von zwei Achsen durch die zentrale Achse 15 erstrecken. Es versteht sich, dass die gekreuzten Magnetfelder B1 und B2 somit einen größeren Steuerungsbereich der Ablenkung des Elektronenstrahls in den zwei Achsenrichtungen erlauben.
  • In 5 ist eine alternative Ausführungsform der Kathodenanordnung veranschaulicht. Bei dieser alternativen Ausführungsform umfasst die Kathodenanordnung einen spiralförmig gewickelten Filamentdraht 26, der innerhalb eines Ofenbereichs angeordnet ist, der durch eine Haltebuchse 29 und eine thermisch isolierte Endkappe 24 gebildet ist. Ein mittlerer Teil der Endkappe 29 stellt eine emittierende Oberfläche 14 bereit, die aus thoriertem Wolfram oder anderen Elektronen aussendenden Materialien besteht. Die emittierende Oberfläche 14 ist kreisförmig und ist konzentrisch innerhalb des Aperturgitters 18 und in einem Abstand von dem Aperturgitter 18 angeordnet. Hitzeschilde 28 können auch innerhalb der Kathodenanordnung vorgesehen sein, um Wärme in dem Ofenbereich zu halten und einen Wärmetransport aus dem Ofenbereich zu verhindern.
  • Um die Kathodenanordnung zu betreiben, wird ein Spannungspotential VH an den Filamentdraht 26 angelegt. Wie bei der vorherigen Ausführungsform bewirkt der durch den Filamentdraht 26 geleitete Strom einen Anstieg von dessen Temperatur. Die durch den Filamentdraht erzeugte Wärme wird innerhalb des Ofenbereichs nach außen auf die Endkappe 24 und insbesondere die emittierende Oberfläche 14 abgestrahlt (z. B. in einem durch unterbrochene Linien in 5 dargestellten Muster). Die Wärmestrahlung auf die emittierende Oberfläche 14 bewirkt, dass eine thermische Emission daraus von Elektronen eintritt, und ein Strahl von Elektronen kann von der emittierenden Oberfläche 14 abgezogen werden, indem eine hohes negatives Spannungspotential zwischen der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung angelegt wird. Darüber hinaus kann eine Potentialdifferenz zwischen dem Filamentdraht 26 und der emittierenden Oberfläche 14 angelegt werden. In diesem Fall beschießen Elektronen von dem Filamentdraht 26 die Rückseite der Endkappe 24, so dass sie auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreichend ist, um eine thermische Emission zu erzeugen. Diese allgemeine Ausführungsform ist vorteilhaft, da die emittierende Oberfläche 14 einen Elektronstrahl liefern kann, der eine gleichbleibendere und gleichmäßige Stromdichte und eine klarer definierte äußere Einhüllende aufweist als ein durch direkte Emission von einem Filamentdraht erzeugter Strahl.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Targetwinkel gewählt, um außerdem eine kontinuier lich veränderliche Leuchtfleckgröße mit einer axialen Symmetrie zu ermöglichen. 6 veranschaulicht, in schematischer Form, eine Röntgenröhre nach dem Stand der Technik, die einen herkömmlichen 22,5°-Targetwinkel zwischen einer zentralen Achse 35' des Röntgenstrahlausgangskegels und der Targetoberfläche 36' verwendet (die Targetoberfläche 36' ist in einem 112,5°-Winkel bezüglich einer zentralen Achse 15' der Röntgenröhre angeordnet). Die herkömmliche Röntgenröhre liefert zwei Leuchtflecke ungleicher Größe auf dem Target. Um dies zu erreichen, enthält die Röhre zwei Kathodenfilamente, die als F1 und F2 gezeigt sind, die getrennte, bezüglich der zentralen Achse 15' nichtsymmetrische Bereiche des Elektronenemitters belegen. Diese Filamente sind typischerweise Drähte, die in Form von Spiralen gewunden sind, wobei F1 im allgemeinen länger ist und eine größere Spiralsteigung aufweist als F2. Angesichts der allgemeinen Ungleichheit zwischen den Filamenten F1 und F2 und ihrer unsymmetrischen Anordnung, können die jeweiligen Elektronenstrahlen auf unterschiedlichen Stellen auf der Targetoberfläche 36' auftreffen, und tun dies im allgemeinen auch. Wie oben bemerkt, sind die zwei Filamente F1 und F2 ausgelegt, um Strahlen unterschiedlichen Durchmessers zu erzeugen, so dass der durch das Filament F1 erzeugte Strahl größer als der durch das Filament F2 erzeugte Strahl ist.
  • Beim Aufprall auf die Targetoberfläche 36' erzeugen die auftreffenden Strahlen Röntgenstrahlenaustrittskegel, die durch das Fenster 42' hindurchtreten, um einen Gegenstand des Interesses 60 zu beleuchten, der eine Brennweite f' von der Targetoberfläche angeordnet ist. Bei jedem Strahl bilden die Röntgenstrahlenleuchtflecke mit ungefähr kreisförmigem Querschnitt beim Target, betrachtet von dem beleuchteten Objekt, die Abbildungsleuchtfleckgrößen für die Röntgenröhre. Im allgemeinen erzeugt der Strahl von dem längeren Filament F1 eine größere Leuchtfleckgröße von höherem Strom auf dem Target, während das kürzere Filament F2 eine kleinere Leuchtfleckgröße von niedrigerem Strom auf dem Target erzeugt. Durch Platzieren des Films oder anderer Röntgenbildspeichermittel 37' in einer Entfernung g' von dem Bildlichtfleck ergibt sich ein vergrößertes Röntgenbild. Bei der herkömmlichen Röntgenröhre beträgt die Brennweite f' höchstwahrscheinlicher weniger als oder gleich 6 Inches, um eine ausreichende Intensität zu erlauben. Eine zentrale Achse 35' des Röntgenstrahlenausgangskegels bildet einen 90°-Winkel zur zentralen Achse 15' der Röntgenröhre. Folglich emittiert die Röntgenröhre einen Abbildungsleuchtfleck in einer allgemein senkrechten Richtung von der Achse der Röntgenröhre. Der typische Kegelwinkel bei Röhren dieses Typs beträgt typischerweise 40°, wie es in 6 gezeigt ist.
  • 7 veranschaulicht einen Targetwinkel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Anders als bei den herkömmlichen Röntgenröhren ist die Targetoberfläche 36 in einem 157,5°-Winkel bezüglich der zentralen Achse 15 der Röntgenröhre angeordnet. Bei dem größeren Targetwinkel bildet die zentrale Achse 35 des Röntgenstrahlenausgangskegels einen 135°-Winkel mit der zentralen Achse der Röntegenröhre. Da der Elektronenstrahl axial symmetrisch um die zentrale Achse 15 ist, weist der Röntgenstrahlenausgangskegel gleichermaßen eine symmetrische Intensität auf, um ein Abbildungsobjekt 60 in einer Brennweite f von der Targetoberfläche zu beleuchten. Mit der Röhre der vorliegenden Erfindung kann man eine größere Vergrößerung als mit der herkömmlichen Röntgenröhre erhalten, da das Objekt näher, zum Beispiel bis zu 1,2 Inches, an dem Abbildungsbrennpunkt angeordnet werden kann. Es sollte klar sein, dass die vergrößerte Targetfläche der vorliegenden Erfindung, auf die der Elektronenstrahl auftrifft, auch in einer geringeren Erwärmung pro Einheitsfläche der Targetoberfläche 36 führt. Darüber hinaus verringert eine Anordnung des Objekts näher an dem Abbildungslichtfleck die für einen Grad der Vergrößerung und Bildhelligkeit erforderliche Intensität. Der Kegelwinkel bei einer Röntgenröhre dieser Erfindung, wie sie in 7 gezeigt ist, beträgt typischerweise 40°, wie der der herkömmlichen Röntgenröhre.
  • In 8 sind die geometrischen Verhältnisse zwischen dem erscheinenden Bildleuchtfleck und dem auf das Target auftreffenden Elektronenstrahl für die Röntgenröhre des Standes der Technik veranschaulicht. Ein Elektronenstrahl e, der eine Länge in Richtung der Filamentkathoden d1' aufweist, wird auf eine Targetoberfläche 36' projiziert, die in einem Winkel aa' bezüglich der Achse des austretenden Röntgenstrahls angeordnet ist. Der Strahl von Röntgenstrahlen hat eine scheinbare Leuchtflecklänge d2' von d1'tan aa', und die Breite des Auftreffbereichs d3' der Targetoberfläche 36 beträgt d2'/sin aa'. Daher ist die scheinbare Leuchtfleckgröße des Röntgenstrahls kleiner als der einfallende Elektronenstrahl, wenn der Anodentargetwinkel aa' kleiner als 45° ist. Für den Fall, dass bei der herkömmlichen Vorrichtung ein Targetwinkels von aa' = 22,5° verwendet wird, ist der reflektierte Strahl um 41% kleiner als die einfallende Strahllänge. In der Richtung parallel zu den spiralförmigen Filamentwindungen F1 und F1 existiert keine Verringerung der scheinbaren Größe der Röntgenstrahlleuchtfleckgröße gegenüber der Größe des Elektronenstrahls, der auf die Targetoberfläche auftrifft, da die Targetoberfläche nicht in diese Richtung geneigt ist. Für eine gegebene Leuchtflecklänge der scheinbaren Röntgenstrahlgröße d1' ist ersichtlich, dass eine Neigung des Targets um einen Winkel in Mittel zur Verringerung der Elektronenstrahl-Leistungsdichte auf der Targetoberfläche für eine gegebene Röntgenstrahlleuchtfleckgröße ist. Für aa' = 22,5° ist die Länge der Targetoberfläche, auf die der Strahl auftrifft, 2,6 mal so lang wie die Länge der scheinbaren Röntgenstrahlleuchtfleckgröße.
  • Im Gegensatz dazu zeigt 9 die geometrischen Verhältnisse zwischen dem Röntgenstrahlausgangskegel und dem Anodentargetwinkel für die Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung. Wie oben beschrieben weist die Röntgenröhre der vorliegenden Erfindung einen Anodentargetwinkel aa von 22,5° bezüglich der Röntgenkegelachse auf, und ein Röntgenstrahlwinkel von 135° bezüglich dem Winkel der Achse des einfallenden Elektronenstrahls. Demzufolge beträgt die Größe der Targetoberfläche, auf die der Elektronenstrahl e auftrifft, d3, d2/sin aa. Da der Winkel des Elektronenstrahleinfalls gleich dem Winkel des ausgehenden Röntgenstrahls ist, folgt, dass d2 gleich d1 ist. Daher ist bei der Röhre der vorliegenden Erfindung für aa = 22,5° die Länge des Targets, auf die der Strahl auftrifft 2,6 mal länger als die Länge der scheinbaren Röntgenstrahlleuchtfleckgröße.
  • Unter Bezugsnahme auf 10 und 11, ist eine Ausführungsform einer Röntgenröhre, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, dargestellt. 10 veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht der Kathodenanordnung der Röntgenröhre. Wie bei der Ausführungsform der 5 umfasst die Kathodenanordnung einen spiralförmig aufgewickelten Filamentdraht 112, der innerhalb des Ofenbereichs angeordnet ist, der durch die Schalenhälften 108, 114 gebildet ist, die mit gegenüberliegenden Seiten eines Halterings 113 gekoppelt sind. Die nach vorn weisende der Schalenhälften 114 stellt eine kreisförmige emittierende Oberfläche bereit, die aus thoriertem Wolfram oder einem anderen Satz von Elektronen emittierenden Materialien besteht. Eine ringförmige Randelektrode 116 ist konzentrisch um die emittierende und in einem Abstand von der emittierenden Oberfläche angeordnet, und eine ringförmige Fokussierungselektrode 142 ist konzentrisch um die und in einem Abstand von der Randelektrode angeordnet. Die Fokussierungselektrode 142 weist eine konvexe, kuppelförmige äußere Oberfläche 144 und eine Bohrung 146 mit konstantem Durchmesser auf, die sich konzentrisch mit der zentralen Achse der emittierenden Oberfläche erstreckt. Ein Gehäuse 122 umschließt im wesentlichen den äußeren Abschnitt der Kathodenanordnung.
  • Ein Aperturgitter 118 ist konzentrisch zwischen der Randelektrode 116 und der Fokussierungselektrode 142 angeordnet. Das Aperturgitter 118 ist ebenfalls ringförmig und weist eine zentrale Öffnung auf, durch die die emittierende Oberfläche 114 offenliegen. Die emittierende Oberfläche 114, die Randelektrode 116 und die Fokussierungselektrode 142 liegen im allgemeinen auf dem gleichen negativen elektrischen Potential, und das Aperturgitter 118 ist mit einer Spannung gekoppelt, die positiv, negativ oder gleich wie die der anderen Kathodenelemente ist. Wie bei der Ausführungsform der 1 verändert die Spannung an dem Aperturgitter 118 die Fokuscharakteristik der Kathodenanordnung, um den Durchmesser des bei der emittierenden Oberfläche 114 erzeugten Elektronenstrahls zu ändern. Eine elektrische Zuführung 132 ist mit einem Ende des Filamentdrahtes 112 gekoppelt, wobei das andere Ende des Filamentdrahtes mit einer leitenden Halteplatte 124 der Kathodenanordnung verbunden ist. Ein zylindrischer Isolator 136 trennt die restliche Kathodenanordnung von der Stelle, wo die elektrische Zuführungs 132 mit dem Filamentdraht 112 verbunden ist. Ein Spannungspotential VH, das an den Filamentdraht 112 angelegt ist, erzeugt eine Erwärmung der Emitteroberfläche 114, so dass eine thermische Emission von Elektronen von der emittierenden Oberfläche 114 möglich ist. Ein Anlegen einer hohen negativen Spannung zwischen der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung erzeugt einen allgemein kreisförmigen Elektronenstrahl in der Ebene des Targets. Eine separate elektrische Zuführung 134 liefert eine Spannung an das Aperturgitter 118. Ein separater zylindrischer Isolator 138 trennt elektrisch die elektrische Zuführung 134 zu dem Aperturgitter 118 von der restlichen Kathodenanordnung. Ein Isolatorring 140 sorgt für eine weitere elektrische Trennung zwischen dem Aperturgitter 118 und der restlichen Kathodenanordnung. Zylindrische Isolatoren 136, 138 und der Isolatorring 140 können aus einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material wie Aluminiumoxidkeramik bestehen.
  • 11 ist eine Ansicht im Längsschnitt der gesamten Röntgenröhre. Die Kathodenanordnung (beschrieben oben mit Bezug auf 10) erstreckt sich von einer Isoliersäule 152, die axial in der Röntgenröhre angeordnet ist. Ein externes Gehäuse 154 ist radial nach außen von der Kathodenanordnung angeordnet und koppelt das abgewandte Ende der Röntgenröhre, das eine Anodenanordnung enthält, mit dem zugewandten Ende der Röntgenröhre, das das Anbringen der Vorrichtung an eine (nicht gezeigte) weitere Struktur ermöglicht. Der ringförmige Abschnitt 152 umfasst eine Öffnung 154, die sich entlang der zentralen Achse der Kathodenanordnung erstreckt. Der Targetabschnitt 156 umfasst eine Targetoberfläche 158, die in einem Winkel von 157,5° bezüglich der zentralen Achse angeordnet ist, und die bezüglich der zentralen Achse nicht symmetrisch ist. Die Targetoberfläche 158 besteht aus einem Röntgenstrahlen emittierenden Material wie Wolfram. Eine kegelförmige Öffnung 164, die eine Austrittsdurchführung für in der Vorrichtung erzeugte Röntgenstrahlen bereitstellt, ist zwischen dem ringförmigen Abschnitt 152 und dem Targetabschnitt 156 vorgesehen. Ein Fenster 162 überquert die kegelförmige Öffnung 164, um ein Vakuum in der Vorrichtung zu halten. Das Fenster 162 kann aus Beryllium oder ähnlichen Materialien bestehen, die gewählt sind, um die Transmission durch sie von Röntgenstrahlen zu ermögliche.
  • Wie oben beschrieben ist eine hohe negative Spannung bezüglich der Anodenanordnung an die Kathodenanordnung angelegt, um einen Strahl von Elektronen von der emittierenden Oberfläche 114 zur Anodenanordnung zu ziehen. Der Elektronenstrahl tritt durch die Öffnung 154 des ringförmigen Abschnitts der Anode 152 und trifft auf die Targetoberfläche 158, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Die Röntgenstrahlen werden auf einer allgemein kegelförmigen Bahn durch das Fenster 162 ausgesendet, um einen Abbildungsleuchtfleck auf dem Target zu erzeugen. Die an das Aperturgitter 118 angelegte Spannung bewirkt, dass der Elektronenstrahl leicht divergiert oder sich leicht verengt, wenn der Elektronenstrahl die emittierende Oberfläche 114 verlässt. Demzufolge kann der Durchmesser des Elektronenstrahls dadurch gesteuert werden, dass die Spannung des Aperturgitters geändert wird, um den Durchmesser des Strahls im Auftreffpunkt auf die Targetoberfläche 158 zu verändern. Durch Verändern der Fokussierung des Elektronenstrahls nimmt die durch die Röntgenvorrichtung gelieferte Abbildungsleuchtfleckgröße mit zunehmendem Durchmesser des auf die Targetoberfläche 158 auftreffenden Elektronenstrahls zu, und nimmt mit abnehmendem Durchmesser des Elektronenstrahls ab.
  • Nachdem eine bevorzugte Ausführungsform eines Röntgenröhre mit veränderlicher Abbildungspunktgröße beschrieben wurde, sollte es für den Durchschnittsfachmann klar sein, dass bestimmte Vorteile des Systems erreicht worden sind. Es sollte ebenfalls klar sein, dass verschiedene Modifikationen, Anpassungen und alternative Ausführungsformen davon innerhalb des Umfangs und des Geistes der vorliegenden Erfindung gemacht werden können. Die Erfindung wird ferner durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims (14)

  1. Röntgenröhre, mit – einer Kathode, die einen Elektronenstrahl (17) liefert, der sich im Wesentlichen entlang einer Symmetrieachse (15) fortpflanzt; – einer Anode (36, 156), die von der Kathode beabstandet ist und eine Targetoberfläche (38, 158) aufweist, die bezüglich der Symmetrieachse in einem schiefen Winkel angeordnet ist, wobei die Targetoberfläche als Antwort auf das Auftreffen des Elektronenstrahls darauf Röntgenstrahlen liefert, wobei die Röntgenstrahlen aus der Röntgenröhre heraus gerichtet sind, um einen abbildenden Röntgenstrahlleuchtfleck zu liefern; – wenigstens einem Aperturgitter (18, 118), das zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, wobei das Aperturgitter (18, 118) eine zentrale Öffnung aufweist, die den Durchtritt des Elektronenstrahls erlaubt, wobei ferner an das Aperturgitter eine veränderliche Spannung bezüglich der Kathode angelegt ist; dadurch gekennzeichnet, dass – die Röntgenröhre ferner ein Mittel zur Änderung einer Position des Elektronenstrahls (17) umfasst, das in der Anode (36, 156) angeordnet ist, um den Elektronenstrahl bezüglich der Symmetrieachse (15) zu verschieben, wodurch ein Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Targetoberfläche (38, 158) geändert wird; und – ein Mittel umfasst zur direkten Steuerung eines effektiven Durchmessers des Elektronenstrahls, bestimmt an einem Auftreffpunkt auf der Anode, was zu einer entsprechenden Änderung der Größe des abbildenden Röntgenstrahlleuchtflecks durch Steuerung der veränderlichen Spannung führt.
  2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, die ferner ein für Röntgenstrahlung transparentes Fenster (42, 162) umfasst, das ein Vakuumabdichtung der Röntgenröhre liefert, wobei die Röntgenstrahlen im Wesentlichen durch das Fenster hindurchgestrahlt werden.
  3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei der schiefe Winkel ferner einen Winkel von ungefähr 157,5° aufweist, gemessen zwischen der Targetoberfläche und der Symmetrieachse des auftreffenden Elektronenstrahls.
  4. Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei die Targetoberfläche (38, 158) aus Wolframmaterial besteht.
  5. Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei das Änderungsmittel ferner wenigstens ein magnetisches Polstück (51, 52, 53), das in einer Richtung senkrecht zu der Symmetrieachse (15) angeordnet ist, und ein Mittel zum Anlegen eines Magnetfeldes an das wenigstens eine Polstück umfasst, so dass das Magnetfeld den Elektronenstrahl (17) durchkreuzt.
  6. Röntgenröhre nach Anspruch 5, wobei das wenigstens eine Polstück aus einem Paar gekreuzter Polstücke (52, 53) besteht.
  7. Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei die Kathode ferner einen geschlossenen Ofen (24, 114) umfasst, der eine interne Energiequelle (26, 112) und eine Elektronen emittierende Oberfläche (14) aufweist, die angepasst ist, um Energie von der internen Energiequelle zu empfangen.
  8. Röntgenröhre nach Anspruch 7, wobei die interne Energiequelle ferner einen Filamentdraht (26, 112) umfasst, wobei ein Spannungspotential an den Filamentdraht angelegt ist, um eine thermische Emission von dem Filamentdraht zu bewirken.
  9. Röntgenröhre nach Anspruch 7, wobei die Kathode ferner eine Filamentdraht-Heizvorrichtung (26, 112) umfasst, die innerhalb des Ofens hinter der Elektronen emittierenden Oberfläche (14) angeordnet ist, wobei die Filamentdraht-Heizvorrichtung dazu verwendet wird, eine thermische Emission von der Elektronen emittierenden Oberfläche zu bewirken.
  10. Röntgenröhre nach Anspruch 9, die ferner ein Spannungspotential aufweist, das an die Filamentdraht-Heizvorrichtung (26, 112) angelegt ist, so dass die Filamentdraht-Heizvorrichtung Wärme ausstrahlt.
  11. Röntgenröhre nach Anspruch 9, die ferner ein Spannungspotential aufweist, das zwischen die Filamentdraht-Heizvorrichtung (26, 112) und die Elektronen emittierende Oberfläche (14) angelegt ist, so dass die Filamentdraht-Heizvorrichtung die Elektronen emittierende Oberfläche mit Elektronen beschießt, um eine thermische Emission von der Elektronen emittierenden Oberfläche zu bewirken.
  12. Röntgenröhre nach Anspruch 7, die ferner ein Mittel zur Anregung der Elektronen emittierenden Oberfläche umfasst, um eine thermische Emission von der Elektronen emittierenden Oberfläche (14) zu bewirken.
  13. Röntgenröhre nach Anspruch 7, wobei die emittierende Oberfläche (14) becherförmig ist.
  14. Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei die Kathode ausgelegt ist, um für einen temperaturbegrenzten Betrieb zu sorgen.
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