EP2984672A1 - Anordnung zur schnellen elektronenstrahl-röntgencomputertomographie - Google Patents

Anordnung zur schnellen elektronenstrahl-röntgencomputertomographie

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EP2984672A1
EP2984672A1 EP14722085.9A EP14722085A EP2984672A1 EP 2984672 A1 EP2984672 A1 EP 2984672A1 EP 14722085 A EP14722085 A EP 14722085A EP 2984672 A1 EP2984672 A1 EP 2984672A1
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electron beam
target
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ray detector
vacuum chamber
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Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
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    • H01J35/30—Tubes wherein the point of impact of the cathode ray on the anode or anticathode is movable relative to the surface thereof by deflection of the cathode ray
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    • H01J2235/16—Vessels
    • H01J2235/163—Vessels shaped for a particular application

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for electron beam
  • X-ray computed tomography For example, electron beam x-ray computed tomography has been used in medical diagnostics for several years.
  • a guided in a vacuum chamber electron beam is guided by means of an electromagnetic deflection over a partially circular metal target, whereby a fast moving X-ray focal spot is generated.
  • X-ray detector detects the transmitted through the object X-ray. From the measured data can then by applying tomographic
  • Image reconstruction methods the density distribution in the irradiated section plane are calculated.
  • No. 4,352,021 A describes such a system in which the electron beam is conducted from a static electron gun from the axial direction onto the target. Due to the limited possible deflection angle of the Ablenkspulenevers the arrangement described in US 4,352,021 A here is a considerable axial distance of the electron gun to the image plane necessary to achieve a focal spot of reasonable diameter. This leads to increased expense in the beam shaping and guiding, and thus increases the cost of the vacuum pumping system because of the large recipient volume, and limits the size of the objects to be examined in the axial direction. In addition, this arrangement limits the possible projection angle for tomographic scans, since electron beam and object are partially in the way of each other. The same applies to US 2003/0161434. DE 10 2007 008 349 A1 describes a system for fast axial offset-free scans,
  • Pipelines a minimum distance of the electron beam X-ray computer tomography system to flanges, fittings and similar radially projecting components necessary. This leads to relevant restrictions in the selection of the possible examination objects and locations, and thus to a restriction of the applicability.
  • Object of the present invention is to provide an arrangement for X-ray computed tomography, in which the above-mentioned defects are reduced.
  • the object is achieved by the axial size of the electron beam X-ray computer tomography system is significantly reduced, so that this system requires no complicated Strahlformungs- and - enclosuressysteme.
  • one or more longitudinal coils are used to force an electron beam injected in the direction of the main planes of the coils into a circular path in the magnetic field of the coils.
  • the main advantage of the invented X-ray computed tomography array is that the system requires little axial space, making it suitable for non-contact measurements in close quarters and close to fittings and flanges.
  • this system achieves a very large projection angle, allowing the artifact-free reconstruction of large diameter objects in relation to the target / detector diameter. It is advantageous that the
  • inventive system without elaborate beam forming and - Equipmentssysteme manages and thus is robust to use.
  • the arrangement according to the invention comprises
  • generated electron beam (5) can be injected radially in the direction of the main planes of the coil,
  • bremsstrahlung targets (4) are arranged,
  • the X-ray detector arc (6) lies within or outside the target radius
  • the X-ray detector plane is arranged with or without axial offset to the target plane.
  • the longitudinal coils can be arranged inside or outside the vacuum chamber. If the longitudinal coils are arranged outside the vacuum chamber, the outer wall of the vacuum chamber (2) advantageously consists of a diamagnetic material.
  • Thin longitudinal coils are used.
  • Thin longitudinal coils according to the invention are coils with only one or a small number of turns, i. the diameter is much larger than the length of the coil.
  • the X-ray detector arc (6) is arranged outside the vacuum chamber (2), in which case the vacuum chamber (2)
  • a special embodiment allows a synchronous multi-level tomography.
  • the electron gun (1), the target (4) and the X-ray detector arc (6) in the axial direction many times, ideally arranged one above the other.
  • the longitudinal coil has corresponding axial
  • the Bremsstrahlung target (4) exists when it is before
  • X-ray detector arc (6) is arranged, made of a material of low density and it is on the inside of Bremsstrahlungstargets (4) a thin
  • X-ray conversion layer applied from a material of high atomic number.
  • the target surface may be designed tooth-shaped structured in a further embodiment variant.
  • the electron gun (1) can be arranged both inside and outside the longitudinal coils (3). If the electron gun (1) is arranged outside the longitudinal coils (3), the electron beam will pass through an axial gap between the longitudinal coils injected into the flooding area.
  • the longitudinal coils are used in pairs.
  • Figures 1 and 2 show two embodiments of the arrangement.
  • the arrangement comprises an annular target (4), as well as an outside of the target (4) arranged X-ray detector arc (6), which may consist of juxtaposed single detectors.
  • the X-ray detector arc (6) can be arranged both without and with a small axial offset to the target (4).
  • FIG. 1 shows a variant in which the electron gun (1) lies within the longitudinal coils (3).
  • the electron beam (5) is inside the vacuum chamber (2) in
  • Electron beam generator (1) generated and forced in the flooding region of the longitudinal coils (3) by the Lorentz force on a circular path.
  • the radius of the circular path of the electron beam (5) is varied, whereby the
  • the object to be examined is located, from which data sets of transmission projections from different ones
  • Electron beam generator (1) outside the longitudinal coils (3) and passes through an axial gap between these longitudinal coils (3) in the flow area.

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographie anzugeben, die ohne die erhebliche axiale Ausdehnung des Elektronenstrahlers auskommt, und weitgehend auf elektronenoptische Strahlführungselemente verzichtet. Die Erfindung umfasst, dass ein Röntgendetektorbogen (6) und das Target (4) um den Untersuchungsquerschnitt innerhalb einer Bestrahlungsebene angeordnet sind, und ein im Elektronenstrahlerzeuger (1) generierter Elektronenstrahl in den Durchflutungsbereich einer oder mehrerer Längsspulen radial eingebracht wird, und durch das Magnetfeld auf eine Kreisbahn gezwungen wird. Durch periodisches Verstellen der Feldstärke wird der Radius der Kreisbahn vergrößert, was dazu führt, dass der Elektronenstrahl das Target (4) in einem tangential wandernden Brennfleck (7) trifft. Vom das Target umgebenden Röntgendetektor (6) werden Durchstrahlungsprojektionen des in der Mitte der Anordnung befindlichen Objekts (8) aufgenommen. Der Elektronenstrahlerzeuger (1) kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Längsspulen (3) angeordnet sein. Darüber hinaus kann die Target- und Röntgendetektorebene mit oder ohne Axialversatz angeordnet sein.

Description

Anordnung zur schnellen Elektronenstrahl- Röntgencomputertomographie
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Elektronenstrahl-
Röntgencomputertomographie. Die Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographie wird beispielsweise seit einigen Jahren in der medizinischen Diagnostik,
insbesondere zur Bildgebung des schlagenden Herzens, eingesetzt oder in der Prozesstomographie, um Schnittbildfolgen von Strömungsvorgängen mit sehr hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung zu erzeugen.
Dabei wird ein in einer Vakuumkammer geführter Elektronenstrahl mittels eines elektromagnetischen Ablenksystems über ein teilkreisförmiges Metalltarget geführt, womit ein schnell beweglicher Röntgenbrennfleck erzeugt wird. Ein mit leichtem axialem Versatz zum Target angeordneter kreis- oder teilkreisförmiger
Röntgendetektor erfasst die durch das Objekt transmittierte Röntgenstrahlung. Aus den Messdaten kann dann durch Anwendung tomographischer
Bildrekonstruktionsverfahren die Dichteverteilung in der durchstrahlten Schnittebene berechnet werden.
US 4,352,021 A beschreibt ein solches System, bei dem der Elektronenstrahl aus einer statischen Elektronenkanone aus axialer Richtung auf das Target geführt wird. Auf Grund des begrenzt möglichen Ablenkwinkels des Ablenkspulenpakets der in US 4,352,021 A beschriebenen Anordnung ist hier ein erheblicher axialer Abstand der Elektronenkanone zur Bildebene notwendig, um eine Brennfleckbahn sinnvollen Durchmessers zu erreichen. Das führt zu erhöhtem Aufwand bei der Strahlformung und -führung, und erhöht damit den Aufwand für das Vakuumpumpsystem wegen des großen Rezipientenvolumens, und beschränkt die Größe der zu untersuchenden Objekte in axialer Richtung. Darüber hinaus beschränkt diese Anordnung den möglichen Projektionswinkel für tomographische Scans, da sich Elektronenstrahl und Objekt teilweise gegenseitig im Weg stehen. Selbiges gilt für US 2003/0161434. DE 10 2007 008 349 A1 beschreibt ein System für schnelle axialversatzfreie Scans,
|Bestätigungskopie| das in der Prozesstomographie genutzt werden kann. Auch hier gelten die oben beschriebenen Einschränkungen und erhöhen den technischen Aufwand.
Gleichzeitig macht die Bauform des schräg aus axialer Richtung an das Target herangeführten Elektronenstrahls bei Untersuchungen von Strömungen in
Rohrleitungen einen Mindestabstand des Elektronenstrahl- Röntgencomputertomographiesystems zu Flanschen, Armaturen und ähnlichen radial ausladenden Bauteilen notwendig. Dies führt zu relevanten Einschränkungen bei der Auswahl der möglichen Untersuchungsobjekte und -orte, und damit zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Röntgen- Computertomographie anzugeben, bei der die oben genannten Mängel reduziert sind.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die axiale Baugröße des Elektronenstrahl- Röntgencomputertomographiesystems erheblich reduziert wird, so dass dieses System ohne aufwendige Strahlformungs- und -führungssysteme auskommt.
Dadurch wird der Winkelbereich der Durchstrahlung vergrößert.
In der erfindungsgemäßen Anordnung werden ein oder mehrere Längsspulen benutzt, um einen in Richtung der Hauptebenen der Spulen eingeschossenen Elektronenstrahl im Magnetfeld der Spulen auf eine Kreisbahn zu zwingen.
Auf dem Umfang des Spulenpaars befinden sich ein Bremsstrahlungstarget und der Detektorring. Durch periodisches Senken und Erhöhen der Stärke des Magnetfeldes wird der Radius der Kreisbahn des Elektronenstrahls zyklisch verändert, wodurch er mit der Target-Wand kollidiert, was in einem kreisförmig auf dem Target entlang wandernden Brennfleck resultiert, und damit zu einem um die Längsachse das Systems rotierenden Bremsstrahlungsquellspot führt. Durch die Längsachse der Anordnung verläuft das Objekt.
Der hauptsächliche Vorteil der erfundenen Anordnung zur Röntgen- Computertomographie besteht darin, dass das System einen geringen axialen Bauraum benötigt, wodurch es auch für berührungslose Messungen unter beengten Verhältnissen und nah an Armaturen und Flanschen zum Einsatz kommen kann. Darüber hinaus erreicht dieses System einen sehr großen Projektionswinkel, was die artefaktfreie Rekonstruktion von Objekten großer Durchmesser im Verhältnis zum Target/Detektor-Durchmesser möglich macht. Vorteilhaft ist, dass das
erfindungsgemäße System ohne aufwendige Strahlformung und -führungssysteme auskommt und damit robust zu bedienen ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst
a) einen Elektronenstrahlerzeuger (1), der innerhalb einer Vakuumkammer (2) angeordnet ist,
b) eine oder mehrere Längsspulen (3) zur radialen Ablenkung des
Elektronenstrahls,
c) ein einzelnes oder eine Vielzahl von innerhalb der Vakuumkammer
angeordneten Targets (4) zur Bremsung des Elektronenstrahls (5) und zur Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung,
d) mindestens einen teil- oder vollkreisförmigen Röntgendetektorbogen (6) aus aneinander gereihten Einzeldetektoren,
wobei
e) der im Elektronenstrahlerzeuger (1 ) so angeordnet ist, dass der
generierte Elektronenstrahl (5) radial in Richtung der Hauptebenen der Spulen eingeschossen werden kann,
f) im Bereich des Umfangs der Längsspulen (3) konzentrisch ein oder
mehrere Bremsstrahlungs-Targets (4) angeordnet sind,
g) der Röntgendetektorbogen (6) innerhalb oder außerhalb des Targetradius liegt und
h) die Röntgendetektorebene mit oder ohne Axialversatz zur Targetebene angeordnet ist. Die Längsspulen können innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Sind die Längsspulen außerhalb der Vakuumkammer angeordnet, besteht die Außenwand der Vakuumkammer (2) vorteilhafterweise aus einem diamagnetischen Werkstoff.
Vorteilhafterweise werden dünne Längsspulen genutzt. Dünne Längsspulen im Sinne der Erfindung sind Spulen mit nur einer oder einer geringen Anzahl von Windungen, d.h. der Durchmesser ist sehr viel größer als die Länge der Spule.
In einer Ausführungsvariante ist der Röntgendetektorbogen (6) außerhalb der Vakuumkammer (2) angeordnet, wobei dann die Vakuumkammer (2)
vorteilhafterweise aus einem dünnwandigen Material besteht, welches eine geringe Schwächung der Röntgenstrahlung gewährleistet.
Eine spezielle Ausführungsvariante ermöglicht eine synchrone Mehrebenen- Tomographie. In dieser Variante sind der Elektronenstrahlerzeuger (1 ), das Target (4) und der Röntgendetektorbogen (6) in axialer Richtung vielfach, idealerweise übereinander angeordnet. Die Längsspule besitzt entsprechende axiale
Ausdehnung oder es werden mehrere Längsspulen verwendet
Idealerweise besteht das Bremsstrahlungstarget (4), wenn es vor dem
Röntgendetektorbogen (6) angeordnet ist, aus einem Material geringer Dichte und es ist auf der Innenseite des Bremsstrahlungstargets (4) eine dünne
Röntgenkonversionsschicht aus einem Material hoher Kernladungszahl aufgebracht.
Die Targetoberfläche kann in einer weiteren Ausführungsvariante zahnförmig strukturiert ausgeführt sein.
Der Elektronenstrahlerzeuger (1 ) kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Längsspulen (3) angeordnet sein. Ist der Elektronenstrahlerzeuger (1 ) außerhalb der Längsspulen (3) angeordnet, wird der Elektronenstrahl durch eine axiale Lücke zwischen den Längsspulen in den Durchflutungsbereich eingeschossen. Vorteilhafterweise werden die Längsspulen paarweise verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtanordnung mit innenliegendem Strahlerzeuger,
Fig. 2 eine Gesamtanordnung mit außenliegendem Strahlerzeuger,
Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Anordnung. In beiden Fällen umfasst die Anordnung ein ringförmiges Target (4), sowie einen außerhalb des Targets (4) angeordneten Röntgendetektorbogen (6), welcher aus aneinander gereihten Einzeldetektoren bestehen kann. Der Röntgendetektorbogen (6) kann dabei sowohl ohne als auch mit einem geringen Axialversatz zum Target (4) angeordnet sein.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der der Elektronenstrahlerzeuger (1 ) innerhalb der Längsspulen (3) liegt.
Der Elektronenstrahl (5) wird innerhalb der Vakuumkammer (2) im
Elektronenstrahlerzeuger (1 ) generiert und im Durchflutungsbereich der Längsspulen (3) durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gezwungen. Durch periodisches Ändern des Spulenstroms und damit Ändern der Stärke des Magnetfelds wird der Radius der Kreisbahn des Elektronenstrahls (5) variiert, wodurch der
Elektronenstrahl (5) das Target (4) in einem auf einer Kreisbahn wandernden, Bremsstrahlung emittierenden Brennfleck (7) trifft. In der Mitte der Anordnung befindet sich außerhalb der Vakuumkammer (2) das zu untersuchende Objekt, von dem Datensätze von Durchstrahlungsprojektionen aus unterschiedlichen
Projektionswinkeln vom Detektorbogen (6) aufgenommen werden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante befindet sich der
Elektronenstrahlerzeuger (1) außerhalb der Längsspulen (3) und läuft durch eine axiale Lücke zwischen diesen Längsspulen (3) in den Durchflutungsbereich.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass der verwendete Eletronenstrahlerzeuger leicht ausgetauscht werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Elektronenstrahlerzeuger
2 Vakuumkammer
3 Längsspule(n)
4 Target
5 Elektronenstrahl
6 Röntgendetektorbogen
7 Röntgenquellspot
8 Objekt

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographie, umfassend a) einen Elektronenstrahlerzeuger (1), der innerhalb einer
Vakuumkammer (2) angeordnet ist,
b) eine oder mehrere dünne Längsspulen (3) zur radialen Ablenkung des Elektronenstrahls,
c) ein einzelnes oder eine Vielzahl innerhalb der Vakuumkammer
angeordneter Targets (4) zur Bremsung des Elektronenstrahls (5) und zur Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung,
d) mindestens einen teil- oder vollkreisförmigen Röntgendetektorbogen (6) aus aneinander gereihten Einzeldetektoren,
wobei
e) der Elektronenstrahlerzeuger (1 ) so positioniert ist, dass der generierte Elektronenstrahl (5) radial in Richtung der Hauptebenen der Längsspulen (3) eingeschossen wird,
f) im Bereich des Umfangs der Längsspulen (3) konzentrisch ein oder
mehrere Bremsstrahlungs-Targets (4) angeordnet sind,
g) der Röntgendetektorbogen (6) innerhalb oder außerhalb des
Targetradius angeordnet ist und
h) die Röntgendetektorebene mit oder ohne Axialversatz zur Targetebene angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Röntgendetektorbogen (6) außerhalb der Vakuumkammer (2) angeordnet ist, wobei die Vakuumkammer (2) aus dünnwandigem Material besteht, welches eine geringe Schwächung der Röntgenstrahlung gewährleistet.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Längsspulen (3) in der Vakuumkammer (2) eingeschlossen sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Längsspulen außerhalb der Vakuumkammer (2) angeordnet sind, wobei die
Vakuumkammer (2) aus einem diamagnetischen Werkstoff besteht.
5. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Längsspule bzw. die Längsspulen (3) mit nur einer oder wenigen Windungen ausgeführt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
Elektronenstrahlerzeuger (1 ), das Target (4) und/oder der
Röntgendetektorbogen (6) in axialer Richtung vielfach angeordnet sind, wobei die Längsspule entsprechende axiale Ausdehnung hat, und so eine synchrone Mehrebenentomographie möglich wird.
7. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Bremsstrahlungstarget (4) vor dem Röntgendetektorbogen (6) liegt und aus einem Material geringer Dichte besteht, wobei auf der Innenseite eine dünne Röntgenkonversionsschicht aus einem Material hoher Kernladungszahl aufgebracht ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Targetoberfläche zahnförmig strukturiert ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Elektronenstrahlerzeuger (1 ) innerhalb der Längsspulen (3) liegt.
10. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Elektronenstrahlerzeuger (1 ) außerhalb der Längsspulen (3) liegt, wobei der Elektronenstrahl durch eine axiale Lücke zwischen diesen in den
Durchflutungsbereich eingeschossen wird.
EP14722085.9A 2013-04-09 2014-04-02 Anordnung zur schnellen elektronenstrahl-röntgencomputertomographie Active EP2984672B1 (de)

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US (1) US20160027606A1 (de)
EP (1) EP2984672B1 (de)
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