EP0038995A1 - Verfahren zum Betrieb von Drehanoden-Röntgenröhren - Google Patents

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EP0038995A1 EP81102862A EP81102862A EP0038995A1 EP 0038995 A1 EP0038995 A1 EP 0038995A1 EP 81102862 A EP81102862 A EP 81102862A EP 81102862 A EP81102862 A EP 81102862A EP 0038995 A1 EP0038995 A1 EP 0038995A1
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    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes

Definitions

  • the invention relates to a method and device for operating rotating anode X-ray tubes.
  • a method and a device for its implementation are e.g. described in DE-OS 24 55 974.
  • the anode In the case of rotating anode X-ray tubes, the anode, together with the rotor connected to it via the drive axis, is at high voltage potential.
  • the stator lying on the outside of the tube is normally connected to ground, since otherwise the drive voltage would have to be supplied via a high-voltage transformer and high-voltage cable, as in an embodiment according to US Pat. No. 4,107,535.
  • the only problem is that high-voltage insulation must be performed between the rotor of the anode and the stator. This is particularly problematic due to the resulting large air gaps when high operating voltages (e.g. 150 kV) are to be applied to single-pole tubes on the cathode side, as e.g. in grid-controlled tubes is expedient because of the simple controllability of the cathodes.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for operating rotating anode x-ray tubes according to the preamble of claim 1 and devices for carrying them out, in which at least essentially the usual rotating anode structure can be used and yet an improvement in the drive is achieved becomes.
  • This object is achieved by the measures specified in the characterizing part of claim 1.
  • the drive of the anode before application of the tube voltage and with the same potential of the rotor and stator has the advantage that the design of the drive elements and their arrangement can be done taking into account the requirements of the drive without having to take into account the high-voltage safety.
  • the tube voltage is only applied when the desired rotational frequency is reached, the anode continuing to run virtually unchanged due to its inertia due to the momentum obtained during the drive, while the X-ray exposure is being carried out. Then, if further recording is to take place, the anode can be brought back to its full rotational frequency, or when the tube has ended, a braking voltage can be applied to the stator, so that the anode is stopped in the usual way.
  • the stator is expediently set to anode potential.
  • the drive voltage is always at ground potential and is fed to the stator via a high-voltage switch (oil switch).
  • the drive voltage is separated from the stator via the oil switch.
  • the anode then rotates without a drive due to the recording their inertia practically with unchanged frequency until the recording is finished.
  • a brake voltage can be applied via the oil switch and the anode stopped to protect the bearings.
  • the oil switch can be accommodated in the high-voltage transformer of the X-ray device; because of the then necessary supply of the drive voltage via a high-voltage cable, it is advantageous to accommodate the switch in the tube protection housing.
  • a narrow air gap between the stator and rotor can be realized, as in the abovementioned literature.
  • the essential advantage is obtained that a simple (cheap) anode construction free of insulation problems is possible.
  • the tube piston in the region of the rotor can advantageously consist of metal, as in the cited literature reference.
  • a rotating anode X-ray tube 2 is accommodated in a tube hood 1, which is partially broken open.
  • the tube 2 has, in a known manner, a cathode arrangement 3 and an anode arrangement 4 on the mutually opposite inner sides of the cylindrical tube.
  • the arrangement 3 contains, in a manner known per se, a hot cathode 5, which consists of two separately switchable parts.
  • anode plate 6 In front of the arrangement 4 there is an anode plate 6 opposite the cathode 5, so that electron beams emanating therefrom fall onto a focal spot path of the plate 6.
  • the anode 6 is connected via an axis 7 to a rotor 8, which is used in a known manner for rotating the plate.
  • a stator 9 is assigned to the rotor 8 on the outside of the tube.
  • the tube hood 1 has a radiation outlet tube 10 on the side facing the radiation outlet of the tube 2.
  • the entire hood 1 is attached to an X-ray device etc. in a known manner via a support arm 11.
  • the operating voltages are supplied via connections 12 and 13 .
  • the lines come from a power supply device 14 which is shown schematically as a box. It contains a high-voltage direct current source 15 with switches 21 and 21 'and heating transformers 16 for supplying the cathode 15 with switches 19 and 20.
  • a starter device 23 located outside 14 is provided via switches 17, 18 and switches 21 ', which are combined in the device 14 to form a switching device 22.
  • the stator lines are fed to the stator 9 via the anode-side high-voltage cable which effects the connection of the direct current source 15 to the anode arrangement 4.
  • the arrangement 22 of the switches 17, 18 and 21 ' can also be modified according to FIG. 2 by removing it from the device 14. This then results in an independent switching device 22a with the switches 17a, 18a and 21a '. This can then be attached for retrofitting at any suitable location on an X-ray device, as indicated, both inside the tube hood 1 and outside of it. The lines are then routed independently of the high-voltage cable 25 from the starter device 23 to the switch arrangement 22a and from there to the stator 9. The actual switching process corresponds to that when the arrangement according to FIG. 1 is actuated.
  • a slight modification results only from the separation of the second function of the switch 21 'according to FIG. 1 to a switch 21a'. It consists in the stator 9 being switched on via the switches 17a, 18a and 21a 'for the running of the rotor 8.
  • the switch 21 ' only serves to switch on the high voltage at the anode.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Drehanoden-Röntgenröhren (2), wobei die Anode (4) über einen Motor angetrieben wird, zwischen dessen Rotor (8) und Stator (9) die Wand des Röhren-Vakuumkolbens liegt. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Hochspannungssicherheit mußten bisher Konzessionen seitens des Antriebs gemacht werden. Die Erfindung sieht in dieser Hinsicht eine Verbesserung vor, indem Anode (4) und Stator (9) auf gleiches Potential gelegt sind, bis eine gewünschte Umlauffrequenz erreicht ist. Erst dann wird nach Abschaltung der Antriebsspannung die Aufnahmespannung für die erforderliche Belichtungsdauer angelegt. Gegebenenfalls kann anschließend an den Stator (9) eine Bremsspannung bzw. erneut eine Antriebsspannung angelegt werden. Verfahren und Einrichtungen, bei denen nach der Erfindung der Antrieb der Drehanode intensiviert ist, sind insbesondere für den Einsatz in der medizinischen Röntgenfiagnostik, hauptsächlich der Computer-Tomographie, geeignet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Drehanoden-Röntgenröhren. Ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung sind z.B. beschrieben in der DE-OS 24 55 974.
  • Bei Drehanoden-Röntgenröhren liegt die Anode zusammen mit dem mit ihr über die Antriebsachse verbundenen Rotor auf Hochspannungspotential. Der außen an der Röhre anliegende Stator befindet sich normalerweise auf Masse, da sonst wie bei einer Ausgestaltung nach der US-PS 41 07 535 die Antriebsspannung über einen Hochspannungstransformator und Hochspannungskabel zugeführt werden müßte. Das Problem ist nur, daß zwischen dem Rotor der Anode und dem Stator eine Hochspannungsisolierung vorgenommen werden muß. Dies ist wegen der dadurch bedingten großen Luftspalte insbesondere dann problematisch, wenn hohe Betriebsspannungen (z.B. 150 kV) einpolig an kathodenseitig geerdete Röhren angelegt werden sollen, wie es z.B. bei gittergesteuerten Röhren wegen der einfachen Steuerbarkeit der Kathoden zweckmäßig ist.
  • Eine bekannte Lösung ist in der obengenannten DE-OS 24 55 974 angegeben. Sie besteht darin, daß der Rotor der Anode gegen die Anode selbst innerhalb der Röhre isoliert ist und daß er im Betrieb annähernd das gleiche Potential wie der Stator führt, vorzugsweise Erdpotential. Dies verlegt aber die Isolationsprobleme nur ins Röhreninnere hinein und erfordert deswegen aufwendige und teuere Röhrenkonstruktionen.
  • Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Betrieb von Drehanoden-Röntgenröhren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Einrichtungen zu seiner Durchführung anzugeben, bei denen wenigstens im wesentlichen der übliche Drehanoden-Aufbau benutzt werden kann und doch eine Verbesserung des Antriebs erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • Der Antrieb der Anode vor Anlegung der Röhrenspannung und bei gleichem Potential von Rotor und Stator hat den Vorteil, daß die Ausbildung der Antriebselemente und ihre Anordnung mehr unter Berücksichtigung der Erfordernisse des Antriebs erfolgen kann, ohne daß auf die Hochspannungssicherheit Rücksicht genommen werden muß. Erst wenn die gewünschte Umlauffrequenz erreicht ist, wird die Röhrenspannung angelegt, wobei die Anode aufgrund ihrer Trägheit praktisch unverändert durch den beim Antrieb erhaltenen Schwung weiterläuft, während die Röntgenaufnahme durchgeführt wird. Anschließend kann, falls eine weitere Aufnahme erfolgen soll, die Anode wieder auf volle Umlauffrequenz gebracht werden oder bei Beendigung des Gebrauchs der Röhre kann an den Stator eine Bremsspannung angelegt werden, so daß die Anode in üblicher Weise angehalten wird.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßigerweise der Stator auf Anodenpotential gelegt. Die Antriebsspannung liegt immer auf Erdpotential und wird über einen Hochspannungsschalter (Ölschalter) dem Stator zugeführt. Nachdem die Anode ihre Rotationsfrequenz erreicht hat und bevor die Hochspannung zur Aufnahme an die Röhre gelegt wird, trennt man über den Ölschalter die Antriebsspannung vom Stator. Die Anode rotiert dann während der Aufnahme antriebslos aufgrund ihrer Trägheit praktisch mit unveränderter Frequenz weiter, bis die Aufnahme beendet ist. Schließlich kann nach Abschalten der Aufnahmespannung über den Ölschalter eine Bremsspannung angelegt und die Anode zur Schonung der Lager angehalten werden. Der Ölschalter kann im Hochspannungstransformator des Röntgengerätes untergebracht sein; wegen der dann notwendigen Zuführung der Antriebsspannung über ein Hochspannungskabel ist es aber vorteilhaft, den Schalter im Röhrenschutzgehäuse unterzubringen.
  • Nach der Erfindung kann, wie bei der obengenannten Literaturstelle, ein enger Luftspalt zwischen Stator und Rotor verwirklicht werden. Dies ergibt, wie bei der in der Beschreibungseinleitung genannten Literaturstelle, kürzere Anlaufzeiten bzw. es kann wegen des besseren Wirkungsgrades in vorteilhafter Weise ein leistungsschwächeres Anlaßgerät oder ein kleinerer Rotor benutzt werden. Gegenüber der vorbekannten Lösung wird aber der wesentliche Vorteil erhalten, daß eine einfache, von Isolationsproblemen freie (billige) Anodenkonstruktion möglich ist. Zur Erreichung eines möglichst kleinen Luftspalts kann, wie in genannter Literaturstelle, der Röhrenkolben im Bereich des Rotors vorteilhafterweise aus Metall bestehen.
  • Beim Betrieb einer Drehanoden-Röntgenröhre verursacht das schwankende Magnetfeld des Drehanoden-Induktionsmotors eine Störung des Elektronenstrahls, die sich in einem Hin- und Herwandern des Brennfleckes auf der Anode im Takt der Magnetfeldschwankungen äußert. Zur Vermei-. dung dieser Schwankungen, die eine unerwünschte effektive Verbreiterung des Brennflecks bewirken, wurden daher nach der DE-PS 929 142 für einen Diagnostik-Röntgenapparat mit Drehanode mit den Einschaltmitteln zur Einschaltung der Röntgenröhre gekoppelte Schaltmittel vorgeschlagen, die jeweils unmittelbar vor der Röntgenaufnahme nur eine Abschaltung der Stromzuführung zum Stator des zuvor auf die vorgeschriebene Tourenzahl gebrachten Drehanodenmotors bewirken.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung weiter erläutert.
    • In der Figur 1 ist eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt,
    • in der Figur 2 eine abgewandelte Anordnung der Schaltelemente.
  • In der Figur 1 ist in einer teilweise aufgebrochen gezeichneten Röhrenhaube 1 eine Drehanoden-Röntgenröhre 2 untergebracht. Die Röhre 2 weist in bekannter Weise eine Kathodenanordnung 3 und eine Anodenanordnung 4 an den einander gegenüberliegenden Innense iten der zylinderförmigen Röhre auf. Dabei enthält die Anordnung 3 in an sich bekannter Weise eine Glühkathode 5, die aus zwei getrennt schaltbaren Teilen besteht. Vor der Anordnung 4 liegt ein Anodenteller 6 gegenüber der Kathode 5, so daß von dieser ausgehende Elektronenstrahlen auf eine Brennfleckbahn des Tellers 6 fallen. Die Anode 6 ist über eine Achse 7 mit einem in bekannter Weise zum Drehantrieb des Tellers dienenden Rotor 8 verbunden.
  • Außen an der Röhre ist dem Rotor 8 ein Stator 9 zugeordnet. Die Röhrenhaube 1 weist an der dem Strahlenaustritt der Röhre 2 zugewandten Seite einen Strahlenaustrittstubus 10 auf. Die gesamte Haube 1 wird über einen Tragarm 11 in bekannter Weise an einem Röntgengerät etc. befestigt.
  • Die Zuführung der Betriebsspannungen erfolgt über Anschlüsse 12 und 13..Die Leitungen kommen von einem schematisch als Kästchen gezeichneten Stromversorgungsgerät 14. Es enthält eine Hochspannungsgleichstromquelle 15 mit Schaltern 21 und 21' sowie Heiztransformatoren 16 für die Versorgung der Kathode 15 mit Schaltern 19 und 20.
  • Zum Antrieb der Drehanode über Rotor 8 und Stator 9 ist ein über Schalter 17, 18 und den Schalter 21', die zu einer Schalteinrichtung 22 zusammengefaßt im Gerät 14 untergebracht sind, außerhalb 14 liegendes Anlaßgerät 23 vorgesehen. Die Statorleitungen sind über das die Verbindung der Gleichstromquelle 15 mit der Anodenanord- .nung 4 bewirkende anodenseitige Hochspannungskabel dem Stator 9 zugeführt.
  • In der in Figur 1 gezeichneten Stellung sind die Schalter 17, 18 und 21' geschlossen. Dem Stator 9 wird so Strom zugeführt und die Anode 6 in Drehung versetzt. Bei Erreichen der gewünschten Drehfrequenz werden die Schalter 17, 18 und 21' geöffnet und bei Schließen der Schalter 19 und/oder 20 ein Teil der Kathode 5 bzw. beide Teile zur Abgabe von Elektronen angeregt. Durch die nachfolgende Schließung der Schalter 21 und 21' wird Hochspannung zwischen der Kathode 5 und der Anode 6 angelegt. Dies bewirkt eine Beschleunigung der aus der Kathode 5 austretenden Elektronen auf die Anode 6 zu. Durch,Abbremsung dieser Elektronen auf der Brennfleckbahn der Anode 6 werden in bekannter Weise Röntgenstrahlen erzeugt. Beim Ausschalten der Röhre wird die Reihenfolge der Schaltvorgänge umgekehrt und zum Schluß gegebenenfalls durch die Schalter 17, 18 und 21' ein Bremspotential an den Stator 9 gebracht.
  • Die Synchronisation der Betätigung der Schalter 17, 18 und 21 mit derjenigen der Schalter 20 und 21 ist durch eine gestrichelte Linie 24 angedeutet.
  • Die Anordnung 22 der Schalter 17, 18 und 21' kann gemäß Figur 2 auch abgewandelt werden, indem sie aus dem Gerät 14 herausgenommen wird. Dies ergibt dann eine selbständige Schalteinrichtung 22a mit den Schaltern 17a, 18a und 21a'. Diese kann dann etwa zur Nachrüstung an beliebiger geeigneter Stelle eines Röntgengerätes angebracht werden, wie angedeutet, sowohl innerhalb der Röhrenhaube 1 als auch außerhalb von ihr. Die Leitungen werden dann unabhängig vom Hochspannungskabel 25 vom Anlaßgerät 23 zur Schalteranordnung 22a und von da zum Stator 9 geführt. Der eigentliche Schaltvorgang stimmt mit demjenigen bei der Betätigung der Anordnung nach Figur 1 überein.
  • Nur durch die Abtrennung der zweiten Funktion des Schalters 21' nach Figur 1 auf einen Schalter 21a' ergibt sich eine geringfügige Abwandlung. Sie besteht darin, daß für den Lauf des Rotors 8 die Einschaltung des Stators 9 über die Schalter 17a, 18a und 21a' erfolgt. Der Schalter 21' dient bei der Ausbildung nach Figur 2 nur zur Einschaltung der Hochspannung an der Anode.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb von Drehanoden-Röntgenröhren, deren Anode mittels eines Motors angetrieben wird, zwischen dessen Rotor und Stator die Wand des Röhrenkolbens liegt, wobei unter Anlegung einer Antriebsspannung an den Stator der Rotor auf die gewünschte Umlauffrequenz gebracht wird und daß dann nach Abschaltung der Antriebsspannung die zur Strahlenerzeugung nötige Röhrenspannung zwischen Anode und Kathode der Röhre angelegt wird, dadurch gekennzeichnet , daß Rotor (8) und Stator (9) während des Antriebs auf gleiches Potential gelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß nach Ablauf der Strah- lenerzeugungs-(z.B. Aufnahme-)dauer die Röhrenspannung abgeschaltet und eine Bremsspannung bzw. erneut eine Antriebsspannung zwischen Rotor (8) und Stator (9) zur Wirkung gebracht wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl für die Antriebsspannung als auch für die Aufnahmespannung Schalter (17 bis 21, 17a, 18a, 21', 21a') vorgesehen sind, die über eine die gleichzeitige Schließung beider Schalter sperrende Synchronisationsvorrichtung miteinander verbunden sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge-kennzeichnet , daß die Schalter (17a, 18a und 21') für die Antriebsspannung innerhalb der Röhrenhaube (1) angeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet ; daß die Schalter (17, 18 und 21' bzw. 17a, 18a und 21a) für die Antriebsspannung zu einer Schalteinrichtung (22, 22a) zusammengefaßt sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalteinrichtung (22, 22a) an geeigneter Stelle des Gerätes angeordnet ist und die Leitungen zwischen Anlaßgerät (23) und Schalteinrichtung (22a) sowie diese und dem Rotor (8) unabhängig vom Hochspannungskabel (25) verlegt sind.
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