EP3685420A1 - Mbfex-röhre - Google Patents

Mbfex-röhre

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EP3685420A1
EP3685420A1 EP18779196.7A EP18779196A EP3685420A1 EP 3685420 A1 EP3685420 A1 EP 3685420A1 EP 18779196 A EP18779196 A EP 18779196A EP 3685420 A1 EP3685420 A1 EP 3685420A1
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EP
European Patent Office
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tube
anode
mbfex
cathodes
mbfex tube
Prior art date
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EP18779196.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3685420C0 (de
EP3685420B1 (de
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Johannes Ringel
Bo Gao
Houman Jafari
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Cetteen GmbH
Original Assignee
Cetteen GmbH
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Publication date
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Publication of EP3685420B1 publication Critical patent/EP3685420B1/de
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Definitions

  • M BFEX Multibeam Field Emission X-Ray
  • Such X-ray tubes are known, for example, from the paper: Yang Lu, Hengyong Yu, Guohua Cao, Jun Zhao, Ge Wang, Otto Zhou, Medical Physics 2010, Volume 37, pp. 3773-3781 and US Pat. No. 7,751,528 B2, the cathodes Carbon nanotubes for
  • the MBFEX tubes described therein are intended for use in computer tomographs in which instead of a rotation of an X-ray emitter sequential electrical circuits of individual fixed X-ray emitter are made.
  • the invention has for its object to provide a manufacturing technology in comparison to the prior art easily realizable and structurally compact MBFEX tube available.
  • This object is achieved by the proposed MBFEX tube with the features of claim 1. Further, the object is achieved by an arrangement of several MBFEX tubes according to claim 27.
  • the MBFEX tube can be produced according to claim 28 and operated according to claim 30.
  • the proposed MBFEX tube is provided for an X-ray machine and has in a vacuum tube a fixedly arranged therein and designed as a cold finger anode and a plurality of rows arranged fixed cathodes.
  • the vacuum tube again has a plurality of cathode leads and not more than two
  • a coolant pipe is arranged, in which a further pipe, that is to say coolant inner pipe, is arranged.
  • a further pipe that is to say coolant inner pipe
  • either the outer or the inner tube can act as a coolant supply pipe, wherein the respective other tube is provided as a coolant discharge pipe.
  • the coolant supply pipe and the coolant discharge pipe are provided for cooling the anode with a liquid coolant.
  • the cathodes are provided for the field emission of electrons and in each case aligned with respect to their electron main emission direction to the common anode for generating X-ray sources.
  • the X-ray sources on the anode emit X-ray beams each having an X-ray main emission direction.
  • the x-ray sources are preferably arranged in rows on the anode.
  • the invention is based on the first inventive concept, to solve the
  • Cooling problem of the anode which is given in MBFEX tubes according to the prior art, to form the anode of the proposed MBFEX tube itself as a cooling device in the form of a cold finger.
  • the anode in the proposed MBFEX tube, is hollow, with the cavity being clamshell shaped to accommodate both the
  • the anode including the coolant tubes is closed at one end. At this end of the elongate anode, the transition between the coolant supply pipe and the coolant discharge pipe is formed.
  • Low-viscosity silicone oils in particular having a boiling point of more than 450 ° C., are suitable as liquid coolants, inter alia. Also
  • Insulating oils marketed under the trademark "Shell Diala” can be used as a coolant to cool the anode.
  • the design of the anode as a cold finger not only corresponds to a particular
  • Coolant discharge pipe and the coolant supply pipe at one of the two ends of the anode by a passage through the vacuum tube with a coolant circulating device is connectable.
  • the anode contains, for example, molybdenum and / or tungsten and optionally has a coating suitable for the emission of X-rays on the outer surface. According to an advantageous development are compared to the elongated basic shape inclined surface sections of the anode formed by attachments of the anode.
  • the individual articles have different skew angles relative to the elongated base body of the anode.
  • This result can also be achieved by making said surface sections by grinding in the anode.
  • a coating of the anode can be located either on its entire surface or only on portions of the surface, namely on the attachments or in the grinding.
  • the anode of the x-ray tube is preferably designed as a non-rotating anode. In principle, a rotation of the anode about its own axis can also be provided for the purpose of further improved cooling.
  • the production of small feedthroughs by means of a vacuum tube for X-ray machines is easy to manufacture with regard to sealing against the outside atmosphere.
  • the cathode leads of the proposed MBFEX tube are provided as terminals of the cathodes to an electrical voltage, typically in the amount of less kV, in particular up to 4 kV, and are formed for example as wire leads. If, for example, the vacuum tube is made of glass, then cathode leads in the form of wires can be easily fused into the vacuum tube, such feedthroughs having a high and long-lasting seal.
  • High voltage is preferably at each end of this.
  • Vacuum tube arranged, which can be connected for example via electrical leads in the cathode leads to an electrical voltage.
  • Focusing electrodes are located in the space between extraction grids that are slightly spaced from the cathodes and the anode.
  • Structures of the extraction grids can be produced particularly precisely by laser processing.
  • a picosecond or femtosecond laser for structuring the Extraction grid suitable.
  • the precise production of the extraction grid is an essential prerequisite for the fact that electronically emitted from the cathode with a high degree of transmission reach the anode.
  • the electron source including the extraction grid is exposed to thermal stresses. To allow deformation of the extraction grid by these loads
  • the extraction grid basically has one of the shape of the associated electron source, that is, cathode, adapted basic shape, in particular a rectangular basic shape.
  • the long sides of this rectangle are formed by so-called edge strips of the extraction grid.
  • the two edge strips are integrally connected to each other by transverse to these grid strips.
  • the transition areas between the grid strip and the edge strips are of particular importance.
  • Particularly advantageous is a curved transition between the grid strip and edge strips has been found. In this case, the curvatures at the two ends of the grid strip are preferably aligned in opposite directions.
  • each grid strip in plan view of the extraction grid, one end of the lattice strip curved upward at its transition to the edge strip, the other end of the lattice strip at the transition to the opposite edge strip is curved downwards.
  • the grating strips thus each have an elongated S-shape, wherein the distance between the individual grating strips over the entire length thereof is at least approximately constant.
  • Each grid strip in this case connects at a non-right angle to the edge strip.
  • this can also have another suitable shape for a length compensation.
  • in each grid strip in particular near the
  • Transition regions to the edge strips arcuate, for example, semicircular, curved sections to be integrated. It is also possible to make sections of the grid strip with simple or Z-shaped angled portions, preferably in a rounded shape. In all cases, the spacing between adjacent grid strips is preferably constant over the entire length of the grid strips. The distance between each point of the extraction grid and the electron emitter is not only in the cold state of the MB FEX tube, but at any point in time
  • Extraction gratings are also components of the focusing device precisely machinable with pulsed laser radiation.
  • the extraction grid can as well as
  • Focusing components for example, made of steel, especially stainless steel.
  • the x-ray beams that can be generated at the x-ray sources on the anode each have a direction with the maximum intensity of the emitted x-ray radiation, which corresponds to the respective x-ray main emission direction.
  • Such an X-ray main emission direction is given in all X-ray sources, which of a
  • Shot blasting source are different.
  • the X-ray beam geometry detected by the X-ray detector also depends on the collimation of the X-ray radiation, apart from the focusing of the electron beam.
  • Vacuum tube formed as a collimator device and / or attached to a collimator device in front of an X-ray window on the vacuum tube.
  • Fan-shaped x-ray beams (fan beam) and / or cone-shaped x-ray beams (cone beam) can be generated with the MBFEX tube, for example.
  • Each of the x-ray sources formed on the anode may, for example, be approximately punctiform, flat or line-shaped.
  • the cross-sectional profile of the X-ray radiation in the isocenter of the X-ray system, in particular the tomography system, depends, apart from the shape of the X-ray source, above all on the collimation of the X-radiation.
  • the cathodes are preferably arranged in a row in such a manner that, in cooperation with the focusing electrodes on the anode, a likewise row-shaped arrangement of X-ray sources is produced.
  • the cathodes are intended for sequential electrical control.
  • Computed tomography is the proposed MBFEX tube instead of a rotating X-ray source used. Below will be discussed on individual advantageous developments of the proposed MBFEX tube.
  • the high voltage feedthroughs and the cathode leads are arranged in a row and the anode opposite one another on the vacuum tube. This means that viewed in cross-section of the MBFEX tube, the cathode leads and high-voltage feedthroughs on the one hand and the anode on the other hand are diametrically opposed. With such an arrangement, the high voltage feedthroughs and the cathode leads are exposed to only a minimum of secondary electron or ion radiation. Particularly advantageously, such an arrangement also allows easy installation of the proposed MBFEX tube in an X-ray machine, for example in the gantry of a computer tomograph.
  • their cathodes have carbon nanotubes.
  • the very high electrical and thermal conductivity of carbon nanotubes allows a high current carrying capacity without significant heat development on the individual carbon nanotubes themselves.
  • Carbon nanotubes have a low field strength threshold of less than 2 V / m for the
  • the field strength threshold for cathodes for emitting electrons comprising carbon nanotubes can be further reduced by arranging the carbon nanotubes in a perpendicularly preferred direction on the cathode surface. Since single-walled carbon nanotubes are semiconductors and multi-walled carbon nanotubes metallic conductors, are multi-walled
  • Carbon nanotubes are particularly suitable for use as electron emitters on the cathodes of the proposed MBFEX tube. Therefore, the operation of the proposed MBFEX tube, which has cathodes containing carbon nanotubes, can be accomplished particularly advantageously with a power supply of relatively low power.
  • nanorods of a different kind commonly referred to as nanosticks, are also suitable for the emission of electrons within the MBFEX tube.
  • field emission cathodes are formed from such nanosticks as cathodes of the x-ray tube.
  • the nanosticks have a uniform or non-uniform composition and are either in the form of hollow bodies, ie tubes, or solid.
  • the cathodes can have nanosticks of the same kind or a mixture of different types of nanosticks, whereby the type of nanosticks is based on their composition and composition
  • Suitable materials in pure or doped form for the field emission of electrons are, in addition to single or multiwalled carbon nanotubes, also single or multiwalled hetero-nitrogen carbon nanotubes, borides of rare earths, in particular
  • rod-shaped, optionally hollow, elements made of polymeric materials are also suitable.
  • the nanosticks of the cathodes are optional
  • the X-ray emitter and with sufficient distance between them are on the At the tips of the nanoticks very strong electric fields can be generated, whereby the emission of electrons is considerably simplified.
  • Vacuum tube arranged more than one type of cathode wherein the term "variety" can refer both to the geometry and other properties of the cathode, for example, on the materials.Cathodes of the same and different types are fundamentally in any way electrically driven sequentially. In addition to the cathodes themselves, there may also be differences in focusing, which together with properties such as the surface geometry of the individual cathodes
  • the nanorods of the cathode have, for example, a length of less than 20 ⁇ m and a diameter of less than 10 nm, whereby a density of at least 10 6 nanorods per cm 2 , based on the area of the cathode, is given.
  • a screen printing process is suitable for producing the nanorod-containing cathode.
  • a particularly uniform layer thickness and a relatively smooth surface of the emitter can be achieved.
  • at least one type of cathode forms a layer formed for emission of electrons having a thickness of less than 20 ⁇ m and a mean roughness (Ra) of less than 2.5 ⁇ m.
  • the high quality of the emitter layer, together with a constant distance to the extraction grid, contributes to a high transmission rate of the X-ray tube electron source of up to 90% and more.
  • the high transmission rate is also favored by the main orientation of the nanorods in the vertical direction, effected by the screen printing method, relative to the substrate surface on which the emitter layer is located. It is also possible within the same MBFEX tube both cathodes with carbon nanotubes as well as completely different cathodes, for example, cathodes with tips of tungsten, which work in other, basically known way to
  • dispenser cathodes can be used within the MBFEX tube.
  • the complete emitter arrangement preferably has the following layer structure:
  • a planar carrier element in particular in the form of a ceramic plate
  • the ceramic board is made of corundum, for example.
  • the emitter layer is located on the ceramic board.
  • the ceramic plate is covered by a metal intermediate plate, which is also referred to as a spacer.
  • a grid plate including the extraction grids assigned to the individual emitters.
  • the grid plate in turn is covered by a plate of electrically insulating material, in particular ceramic, which generally referred to as the upper insulating layer.
  • the term "upper" layer has no relation to the orientation of the electron emitter in space, but simply means that said layer is located closest to the anode of the x-ray tube.
  • the anode encloses an intended examination area at least partially.
  • the X-ray sources and the main X-ray emission directions also at least partially surround the examination area.
  • the examination area is provided for the positioning of an examination subject in an X-ray machine.
  • the MBFEX tube as a whole is curved, with which it already partially encloses the examination area as a single X-ray tube.
  • Enclosing the examination area can be realized in different ways:
  • the MBFEX tube can extend over a very large angle, in extreme cases up to approximately 360 °, that is to say have an approximately closed ring shape.
  • the individual MBFEX tubes can either be curved or straight. In the latter case, a polygon shape of the arrangement results from all MBFEX tubes.
  • incomplete polygon shapes or ring shapes, such as L-shapes, U-shapes or semicircles, can be produced by combining several MBFEX tubes, whereby not necessarily all MBFEX tubes of such arrangements are similarly shaped.
  • anode of the MBFEX tube is in a computed tomography compared to
  • the object to be examined can be transilluminated practically from all circumferential positions by means of a single MBFEX tube.
  • the vacuum tube in which the X-radiation is generated is preferably made of metal.
  • MBFEX tubes in an X-ray system is fundamentally not limited, as is the shape of the individual MBFEX tubes and the geometrical arrangement of the MBFEX tubes in relation to each other.
  • the MBFEX tube or a plurality of MBFEX tubes within a X-ray system can be combined with other types of X-ray tubes.
  • X-rays of different wavelengths, as provided for multi-energy or dual-energy recordings can be generated by various settings of the anode voltage.
  • successive X-ray pulses of different wavelengths can be generated by the MBFEX tube in a preferred process control. This is particularly high reliability and at the same time shorter
  • the grounding of the extraction grid is independent of said housing, for example via a separate grounding line, which may be associated with a unit for driving the electron emitter.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a MBFEX tube 1 in a schematic
  • Fig. 2 shows the first embodiment of a MBFEX tube 1 in a schematic
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a MBFEX tube 1 with a straight, line-shaped anode 30,
  • Fig. 4 shows the second embodiment of a MBFEX tube 1 with cut
  • FIG. 5 shows a high-voltage feedthrough 52 of the MBFEX tube 1 according to FIG. 3
  • FIG. 6, 7 are partial views of a grating device 43 of the MBFEX tube 1 of the first embodiment of a computer tomograph,
  • Fig. 8, 9 are partial views of the grating device 43 of the MBFEX tube 1 of the second
  • FIG. 13 shows an upper insulating layer 48 of the emitter arrangement 44 according to FIG. 12,
  • FIG. 15 shows an extraction grid electrode 71 of the grid plate 47 according to FIG. 14, FIG.
  • FIG. 16 shows a metal intermediate plate 46 of the emitter arrangement 44 according to FIG. 12, FIG.
  • Fig. 17, 18 the front of a ceramic board 45 of the emitter assembly 44 after
  • 19 shows the back of the ceramic plate 45 of the emitter assembly 44 of FIG. 12, 20 is a detail of the ceramic board 45,
  • All embodiments of the proposed MBFEX tube 1 explained below are provided for a computer tomograph and have a vacuum tube 20 with an X-ray window 21.
  • a vacuum tube 20 of all embodiments designed as a cold finger anode 30 is fixed.
  • the anode 30 contains tungsten.
  • the first two embodiments of the proposed MBFEX tube have in the vacuum tube 20 a plurality of uniformly arranged in rows fixed cathodes 40 and the embodiment of FIG. 21 such cathodes 41, 42 of two different types, wherein the cathodes 40, 41, 42 for the field emission of
  • Electrons are provided.
  • the cathodes 40, 41, 42 are respectively aligned with the electron main emission direction e of the producible electron beam E on the common anode 30 for generating X-ray sources Q.
  • the cathodes 40, 41, 42 are fixedly arranged in a row in such a way that a likewise row-shaped arrangement of X-ray sources Q can be produced on the anode 30.
  • the cathodes 40, 41, 42 are provided for a sequential electrical drive.
  • the X-ray beams X each have an X-ray main emission direction x.
  • each grating device 43 is aligned with each X-ray source Q.
  • the grating devices 43 are fixedly disposed in the vacuum tube 20 between the cathodes 40, 41, 42 and the anode 30.
  • Each grating device 43 has an extraction grid.
  • the extraction gratings are arranged at a short distance in front of the cathodes 40, 41, 42 and are provided for the extraction of electrons in the form of an electron beam E from the cathodes 40, 41, 42.
  • the extraction grids are not shown in FIGS. 1 to 4.
  • the vacuum tube 20 of all embodiments in turn has a plurality of
  • Cathode leads 50 are provided as terminals of the cathodes and the grating devices 43 to an electrical voltage of a few kV and formed as wire leads.
  • the high-voltage bushings 51, 52 are provided for the respective end-side connection of the anode to a high electrical voltage of several 10 kV.
  • the high voltage is in the range of 10 kV to 420 kV. Values in the upper range of this interval are used, for example, in X-ray systems
  • a coolant discharge pipe 31 is passed with an internal coolant supply pipe 32.
  • the coolant discharge pipe 31 and the coolant supply pipe 32 are provided for cooling the anode 30 with a liquid, electrically non-conductive coolant by means of a circulating device.
  • FIG. 29 shows the time profile of an emitter current EC, an anode current AC, and the grating-emitter voltage GEV.
  • the diagram of FIG. 29 shows actual measurement data.
  • the high transmittance of about 90% indicates the ratio of anode current AC to emitter current EC.
  • the anode current AC 52.2 mA determined from the measured voltage values and the emitter current EC 58.2 mA. This extremely favorable ratio between anode current AC and emitter current EC results primarily from the high quality of the hereinafter described in more detail
  • the anode 30 is formed as a circular arc.
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of the anode 30, wherein the vacuum tube 20, the grating devices 43 and the high-voltage bushings 51, 52 are not visible. Fig. 1 is not to scale.
  • Grating devices 43 are disposed within the vacuum tube 20.
  • the cathodes 40 are located on a carrier 6 made of metallized ceramic.
  • the anode 30 is fixed in the vacuum tube 20 independently of the cathodes 40.
  • the X-ray sources Q are arranged so that the generated X-ray beams X in their respective
  • X-ray main emission directions x are aligned on an examination area U.
  • the examination area U is provided for the positioning of an examination subject, in particular a patient.
  • Fig. 2 shows the proposed MBFEX tube 1 in its first embodiment in a side view in cross section.
  • the coolant supply pipe 32, the cathode leads 50 and the high voltage bushings 51, 52 are not visible.
  • the cathodes 40 have on their surface multi-walled carbon nanotubes in a vertical preferred direction.
  • perpendicular in this context is meant to be directed to the anode 30 orientation.
  • the second embodiment of the proposed MBFEX tube 1 will be explained in more detail with reference to FIG. 3 and FIG. 4.
  • Fig. 3 shows a partially sectional view of the MBFEX tube 1 of the second embodiment.
  • the coolant supply pipe 32, the cathodes 40 and the grating devices 43 are not visible.
  • cathode leads 50 and the high voltage feedthroughs 51, 52 are arranged in a row and the anode 30 is disposed opposite to the vacuum tube 20.
  • FIG. 4 shows the proposed MBFEX tube 1 in its second exemplary embodiment with a sectional view of the anode 30.
  • the cathodes 40 and the grating devices 43 are likewise not visible. Individual features of the high voltage bushing 52 will be apparent from FIG.
  • grating device 43 which is shown in detail in different variants in Figures 5 to 11, is aligned with the anode 6, that is, between the cathodes 40, 41, 42 and the anode 6 in the
  • Vacuum tube 20 is arranged.
  • the grating device 43 includes by definition at least one extraction grid electrode 71, 73, 74 and at least one form of focus electrodes 72, 75, 76.
  • the extraction grid electrodes 71, 73, 74 are fixedly disposed directly over the cathodes 40, 41, 42 and provided for field extraction of electrons from the cathodes 40, 41, 42.
  • the focusing electrodes 72, 75, 76 are also fixedly disposed directly over each extraction grid electrode 71, 73, 74, facing the anode 6 and provided for focusing the extracted electrons as an electron beam E onto the respective X-ray source Q to be generated.
  • the extraction grid electrodes 71, 73, 74 are grounded independently of focusing electrodes 72, 75, 76.
  • the focusing electrodes 72, 75, 76 may be operated as passive or active focusing electrodes.
  • the grating device 43 has an extraction grid electrode 71 which is common to all the cathodes 40, wherein each individual cathode 40 is assigned separately to a single focusing electrode 72.
  • the grating device 43 has a cathode 41 of the first kind common
  • the extraction grid electrodes 71, 73, 74 and the focusing electrodes 72, 75, 76 are not shown in FIGS. 1 to 4.
  • a time-constant potential of typically 40 kV is applied to anode 6, with a uniformly pulsed direct electrical current of 30 mA flowing between anode 6 and respectively connected cathode 40, 41.
  • a time-constant potential of typically 120 kV is on the anode in question, between the anode 6 and the respective connected cathode 40, 42 flows a uniformly pulsed DC electrical current in the order of 0.5 mA.
  • the proposed computed tomography system includes a current controller, a device controller, an electronic control system (ECS), a cathode high voltage (CPS) source, an anode power supply (APS), and a device controller on.
  • ECS electronice control system
  • CPS cathode high voltage
  • APS an anode power supply
  • the current controller, the device controller, the electronic control system, the cathode high voltage source, the anode high voltage source and the device control are part of an electronic control device.
  • the current controller, the device controller and the electronic control system constitute an electronic control system.
  • the electronic control device has a main electrical circuit and a control circuit, wherein the main circuit and the control circuit are integrated in a DC circuit.
  • the main circuit are the anode high voltage source with the anode 6 and the current controller, the current controller with the device controller, the electronic control system with the electronic control system, the electronic control system with the cathode high voltage source and the cathode high voltage source in parallel with the cathodes 40, 41, 42 and electrically connected to the respective grating device 43.
  • the anode high-voltage source is electrically connected to the control system via a feedback loop.
  • the control system for both the sequential circuits of the cathodes 40, 41, 42, for the regulation of
  • cathodes 41, 42 of the MBFEX tube 1 are outlined by way of example. Both the first type cathodes 41 and the second type cathodes 42 have Carbon nanotubes, however, differ in terms of their geometry.
  • the cathodes 41, 42 are arranged in rows in the vacuum tube 20 and alternately staggered, the number of cathodes 41 of the first type being equal to the number of cathodes 42 of the second type.
  • X-ray source Q may each be associated with a cathode 41 of the first form and a respective cathode 42 of the second form.
  • the cathodes 41 of the first type or the cathodes 42 of the second type can be activated sequentially in any desired manner. In this way, dual-dose X-ray images with the MBFEX tube 1 can be realized.
  • a plurality of MBFEX tubes 1 can be combined into a rigid, annular or polygonal arrangement which replaces a rotating arrangement in a computer tomograph. This applies to any embodiment of MBFEX tubes 1 already described and explained below.
  • FIGS. 12 to 20 A layer structure of an emitter arrangement 44 of a MBFEX tube 1 is illustrated in FIGS. 12 to 20.
  • the emitter assembly 44 comprises as the lowest layer a ceramic plate 45 made of corundum.
  • the cathodes 40 are on a conductive coating of the ceramic board 45 and are manufactured by screen printing with high geometric precision.
  • conductor structures 66 can be seen on the back of the ceramic board 45.
  • a metal intermediate plate 46 is placed on the ceramic board 45.
  • This metal intermediate plate 46 has rectangular openings 61 for the cathodes 40.
  • 46 are in the metal intermediate plate strip-shaped, compared to the
  • Openings 61 narrower and longer openings 62 on the longitudinal sides of the openings 61.
  • the strip-shaped openings 62 have a function in the degassing of the vacuum tube 20. This applies both to the preparation of the operation and for the ongoing operation of the X-ray tube 1, respectively in cooperation with the Ceramic plate 45.
  • strip-shaped openings 64 in total an H-shape This applies to all cathodes 40 on the ceramic board 45 with the exception of the two outermost cathodes 40, which are flanked only on one side by strip-shaped openings 65 of the longer type.
  • the internal openings 64 which are very close to the cathodes 40, contribute to the fact that during the emission of electrons gas can be discharged even in extremely low concentrations down to individual particles to the back of the emitter assembly 44. This is a major contribution to the prevention of flashovers within the vacuum tube 20 is made.
  • the relatively large strip-shaped openings 65 are required to a greater extent.
  • the metal intermediate plate 46 has as an integral part of a connection strip 63 as from the emitter assembly 44 led to the outside electrical connection.
  • a grid plate 47 which comprises the extraction grid electrodes 71, each having a cathode with a precisely defined distance of
  • 0.224 mm (in the example of FIG. 12) are preset.
  • the extraction grid electrode 71 has a rectangular shape whose longitudinal sides are formed by completely straight edge strips 78.
  • the two edge strips are connected to one another by a multiplicity of grid strips 77, so that overall the grid structure results.
  • the grid strips 77 are not completely straight. Rather, at the two ends of each grid strip 77, that is, at the transition to the edge strip 78, a rounded transition region 79 is formed.
  • the rounded transition regions 79 significantly ensure that thermally induced deformations do not a change in the distance between the cathode 40 and the extraction grid 71, but within the in-plane extraction grating 71 are recorded without affecting the emission properties of the emitter array 44.
  • the grid plate 47 is covered by an upper insulating layer 48 in the form of a plate made of a ceramic material, whereby the emitter assembly 44 is completed.
  • the upper insulating layer 48 as shown in Fig. 12, has openings 49 adapted to the shape of the cathodes 40 to allow the passage of electrons.
  • Geometric features of the cathode 40, as contained multiple times in the emitter array 44, are shown in FIG. With good approximation, the cathode 40 is cuboid. Over the entire electron-emitting surface of the cathode 40, there are thus hardly any fluctuations in the distance between the cathode 40 and the extraction grid electrode 71 not shown in FIG. For comparison, the surface structure of a conventional cathode produced in the process of electrophoretic deposition (EPD) is indicated by dashed lines in FIG. A smooth surface can not be mentioned in this comparative example. Rather, pronounced peaks are present within the surface of the emission cathode, especially at the edges of the cathode produced in the EPD process.
  • EPD electrophoretic deposition
  • the electrons are emitted mainly at these tips. This limits on the one hand the lifetime and on the other hand the transmission rate at electrons.
  • the cathode 40 used in the X-ray tube 1 of the present invention emits electrons in each surface portion of its surface at a nearly constant release rate.
  • FIGS. 26 and 27 An exemplary embodiment of an anode 30 cooperating with the emitter arrangement 44 is illustrated in FIGS. 26 and 27.
  • On the cylindrical base body of the anode 30 are several top pieces 33, which are also referred to as anode tops or short essays. Each of these essays 33 has a relation to the
  • Base obliquely coated, with tungsten or other suitable for X-ray sources material coated surface 34.
  • the inclinations of the different surfaces 34 are different from each other, that - as indicated in Fig. 27 - the emitted X-ray X is focused in the direction of lying in the examination area U isocenter of the X-ray array 10.

Abstract

Eine MBFEX-Röhre (1) für ein Röntgengerät weist in einer Vakuumröhre (20) eine darin fest angeordnete, auch als Kühlfinger ausgebildete Anode (30) und eine Mehrzahl von fest angeordneten Kathoden (40,41,42) auf, wobei die Vakuumröhre (20) eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen (50) und nicht mehr als zwei Hochspannungsdurchführungen (51,52) aufweist, in einer Hochspannungsdurchführung (52) ein Kühlmittel-Rohr (31) mit einem innenliegenden Kühlmittel-Innenrohr (32) hindurchgeführt ist, das Kühlmittel-Rohr (31) und das Kühlmittel-Innenrohr (32) zur Kühlung der Anode (30) mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen sind, die Kathoden (40,41,42) zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils auf die Anode (30) zur Erzeugung von Röntgenquellen (Q) ausgerichtet sind.

Description

MBFEX-Röhre
Die Erfindung betrifft eine M BFEX-Röhre (MBFEX = Multibeam Field Emission X-Ray) für ein Röntgengerät, welche auch als Multi-Fokus-Feldemissionsröntgenröhre bezeichnet wird.
Solche Röntgenröhren sind beispielsweise aus der Abhandlung: Yang Lu, Hengyong Yu, Guohua Cao, Jun Zhao, Ge Wang, Otto Zhou, Medical Physics 2010, Band 37, S. 3773 - 3781 und der US 7 751 528 B2 bekannt, wobei die Kathoden Kohlenstoffnanoröhren zur
Feldemission von Elektronen enthalten. Die dort beschriebenen MBFEX-Röhren sind für die Verwendung in Computertomographen vorgesehen, bei welchen anstelle einer Rotation eines Röntgenemitters sequentielle elektrische Schaltungen einzelner fest angeordneter Röntgenemitter vorgenommen werden.
I m Zusammenhang mit Elektronenemittern, die Nanostäbchen, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren, enthalten, wird beispielhaft auch auf die Dokumente WO 2018/086737 AI und WO 2018/086744 A2 verwiesen.
Verschiedene M BFEX-Röhren, welche in der US 7 751 528 B2 beschrieben sind, weisen fest angeordnete Röntgenemitter auf, in welchen jeweils eine Kathode einer Anode zugeordnet ist. Somit sind insgesamt eine Vielzahl von Kathoden und eine entsprechende Vielzahl von Anoden vorhanden. Während die Anoden auf hohes Gleichspannungspotential gelegt sind, sind die Kathoden einzeln anzusteuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfach realisierbare und bautechnisch kompakte MBFEX-Röhre zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vorgeschlagene MBFEX-Röhre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird die Aufgabe durch eine Anordnung aus mehreren MBFEX-Röhren gemäß Anspruch 27 gelöst. Die MBFEX-Röhre ist gemäß Anspruch 28 herstellbar und gemäß Anspruch 30 betreibbar.
Die vorgeschlagene MBFEX-Röhre ist für ein Röntgengerät vorgesehen und weist in einer Vakuumröhre eine darin fest angeordnete und als Kühlfinger ausgebildete Anode sowie eine Mehrzahl von reihenförmig fest angeordneten Kathoden auf. Die Vakuumröhre weist wiederum eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen und nicht mehr als zwei
Hochspannungsdurchführungen auf. Hierbei ist in einer Hochspannungsdurchführung ein Kühlmittel-Rohr angeordnet, in welchem ein weiteres Rohr, das heißt Kühlmittel-Innenrohr, angeordnet ist. Hierbei kann entweder das außenliegende oder das innenliegende Rohr als Kühlmittel-Zufuhrrohr fungieren, wobei das jeweils andere Rohr als Kühlmittel-Abfuhrrohr vorgesehen ist.
Das Kühlmittel-Zufuhrrohr und das Kühlmittel-Abfuhrrohr sind zur Kühlung der Anode mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen. Die Kathoden sind zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils bezüglich ihrer Elektronen-Hauptemissionsrichtung auf die gemeinsame Anode zur Erzeugung von Röntgenquellen ausgerichtet. Die Röntgenquellen auf der Anode emittieren Röntgenstrahlenbündel, die jeweils eine Röntgen- Hauptemissionsrichtung aufweisen. Die Röntgenquellen sind auf der Anode vorzugsweise reihenförmig angeordnet.
Der Erfindung liegt der erste erfinderische Gedanke zugrunde, zur Lösung des
Kühlungsproblems der Anode, welches bei MBFEX-Röhren nach dem Stand der Technik gegeben ist, die Anode der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre selbst als Kühlvorrichtung in Form eines Kühlfingers auszubilden. In diesem Sinne ist in der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre die Anode hohl gestaltet, wobei der Hohlraum zweischalig gestaltet ist, um sowohl die
Zuführung als auch die Abführung von Kühlmittel zu ermöglichen. Beispielsweise handelt es sich bei dem inneren Rohr um das Kühlmittel-Zufuhrrohr und bei dem äußeren, das innere Rohr konzentrisch umgebenden Rohr um das Kühlmittel-Abfuhrrohr.
Die Anode einschließlich der Kühlmittelrohre ist an einem Ende geschlossen. An diesem Ende der langgestreckten Anode ist der Übergang zwischen dem Kühlmittel-Zufuhrrohr und dem Kühlmittel-Abfuhrrohr gebildet. Als flüssige Kühlmittel sind unter anderem niedrigviskose Siliconöle, insbesondere mit einem Siedepunkt von mehr als 450° C, geeignet. Auch
Isolieröle, die unter der Marke„Shell Diala" vertrieben werden, können als Kühlmittel zur Kühlung der Anode verwendet werden.
Die Ausgestaltung der Anode als Kühlfinger entspricht nicht nur einer besonders
vorteilhaften kompakten Bauform, sondern weist den Vorteil auf, dass sowohl das
Kühlmittel-Abfuhrrohr als auch das Kühlmittel-Zufuhrrohr an einem der beiden Enden der Anode durch einen Durchgang durch die Vakuumröhre mit einer Kühlmittel- Umwälzvorrichtung verbindbar ist.
Die Anode enthält beispielsweise Molybdän und/oder Wolfram und weist optional eine für die Emission von Röntgenstrahlen geeignete Beschichtung auf der äußeren Oberfläche auf. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind gegenüber der langgestreckten Grundform schräg gestellte Oberflächenabschnitte der Anode durch Aufsätze der Anode gebildet.
Hierbei weisen die einzelnen Aufsätze unterschiedliche Schrägstellungswinkel gegenüber dem langgestreckten Grundkörper der Anode auf. Auf diese Weise ist es mit besonders hoher Effizienz möglich, die an den einzelnen Aufsätzen durch auftreffende Elektronen entstehende Röntgenstrahlung in Richtung des Isozentrums der die MBFEX-Röhre umfassenden Röntgenanlage auszurichten. Dieses Ergebnis ist auch erzielbar, indem die genannten Oberflächenabschnitte durch Einschliffe in der Anode hergestellt werden. Eine Beschichtung der Anode kann sich entweder an deren gesamter Oberfläche oder lediglich an Abschnitten der Oberfläche, nämlich an den Aufsätzen beziehungsweise in den Einschliffen, befinden. Die Anode der Röntgenröhre ist vorzugsweise als nicht rotierende Anode ausgebildet. Zum Zweck einer weiter verbesserten Kühlung kann grundsätzlich auch eine Rotation der Anode um ihre eigene Achse vorgesehen sein.
Die Fertigung von kleinen Durchführungen durch eine Vakuumröhre für Röntgengeräte ist bezüglich der Abdichtung gegen die Außenatmosphäre fertigungstechnisch einfach bewerkstelligbar. Die Kathoden-Zuleitungen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre sind als Anschlüsse der Kathoden an eine elektrische Spannung, typischerweise in Höhe weniger kV, insbesondere bis zu 4 kV, vorgesehen und sind beispielsweise als Drahtzuleitungen ausgebildet. Ist beispielsweise die Vakuumröhre aus Glas gefertigt, so sind Kathoden- Zuleitungen in Form von Drähten in die Vakuumröhre einfach einschmelzbar, wobei solche Durchführungen eine hohe und langlebige Dichtigkeit aufweisen.
Größere Durchführungen, beispielsweise für elektrische Hochspannungsanschlüsse oder für Rohre, in einer Vakuumröhre müssen dagegen aufwändig abgedichtet werden. Daher ist es vorteilhaft, eine größere Anzahl von solchen größeren Durchführungen an einer
Vakuumröhre zu vermeiden. Im Sinne eines zweiten erfinderischen Grundgedankens ist dies bei der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre dadurch erzielt, dass das Kühlmittel-Abfuhrrohr zusammen mit dem Kühlmittel-Zufuhrrohr durch eine Hochspannungsdurchführung hindurchgeführt ist. Die Hochspannungsdurchführungen sind für den Anschluss der Anode an eine elektrische Hochspannung vorgesehen. Der Anschluss der Anode an eine
Hochspannung erfolgt vorzugsweise jeweils endseitig an dieser.
Zwischen den Kathoden und der Anode sind Fokussierungselektroden fest in der
Vakuumröhre angeordnet, welche beispielsweise über elektrische Zuleitungen in den Kathoden-Zuleitungen an eine elektrische Spannung anschließbar sind. Die
Fokussierungselektroden befinden sich in dem Raum zwischen Extraktionsgittern, die gering von den Kathoden beabstandet sind, und der Anode.
Strukturen der Extraktionsgitter sind besonders präzise durch Laserbearbeitung herstellbar. Insbesondere ist ein Pikosekunden- oder Femtosekunden-Laser zur Strukturierung der Extraktionsgitter geeignet. Die präzise Fertigung des Extraktionsgitters ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass von der Kathode flächig emittierte Elektronen mit einem hohen Transmissionsgrad zur Anode gelangen. Während des Betriebs der MBFEX-Röhre ist unter anderem die Elektronenquelle einschließlich des Extraktionsgitters thermischen Belastungen ausgesetzt. Um Verformungen des Extraktionsgitters durch diese Belastungen zu
minimieren, ist bevorzugt ein spezielles Design des Extraktionsgitters verwirklicht:
Das Extraktionsgitter hat grundsätzlich eine der Form der zugehörigen Elektronenquelle, das heißt Kathode, angepasste Grundform, insbesondere eine rechteckige Grundform. Die Längsseiten dieses Rechtecks sind durch sogenannte Randstreifen des Extraktionsgitters gebildet. Die beiden Randstreifen sind durch quer zu diesen verlaufende Gitterstreifen einstückig miteinander verbunden. Für die Aufnahme thermisch bedingter Verformungen sind die Übergangsbereiche zwischen den Gitterstreifen und den Randstreifen von besonderer Bedeutung. Als besonders vorteilhaft hat sich ein gekrümmter Übergang zwischen Gitterstreifen und Randstreifen herausgestellt. Hierbei sind die Krümmungen an den beiden Enden des Gitterstreifens vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet. Ist beispielsweise, in Draufsicht auf das Extraktionsgitter, ein Ende des Gitterstreifens an seinem Übergang zum Randstreifen nach oben gekrümmt, so ist das andere Ende des Gitterstreifens am Übergang zum gegenüberliegenden Randstreifen nach unten gekrümmt. Die Gitterstreifen weisen somit jeweils eine langgestreckte S-Form auf, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Gitterstreifen über deren gesamte Länge zumindest näherungsweise konstant ist. Jeder Gitterstreifen schließt hierbei in einem nicht rechten Winkel an den Randstreifen an. Statt einer langgestreckten S-Form des Gitterstreifens kann dieser auch eine sonstige für eine Längenkompensation geeignete Form aufweisen. Beispielsweise können in jeden Gitterstreifen, insbesondere nahe der
Übergangsbereiche zu den Randstreifen, bogenförmig, beispielsweise halbkreisförmig, gekrümmte Abschnitte integriert sein. Ebenso ist es möglich, Abschnitte der Gitterstreifen mit einfachen oder Z-förmigen Abwinklungen, vorzugsweise in abgerundeter Form, zu gestalten. In allen Fällen ist der Abstand zwischen benachbarten Gitterstreifen vorzugsweise über die gesamte Länge der Gitterstreifen konstant. Der Abstand zwischen jedem Punkt des Extraktionsgitters und dem Elektronenemitter ist nicht nur im kalten Zustand der MB FEX- Röhre, sondern zu jedem Zeitpunkt des
bestimmungsgemäßen Betriebs mit sehr guter Näherung konstant. Außer dem
Extraktionsgitter sind auch Komponenten der Fokussierungs-vorrichtung präzise mit gepulster Laserstrahlung bearbeitbar. Das Extraktionsgitter kann ebenso wie
Fokussierungskomponenten beispielsweise aus Stahl, insbesondere nichtrostendem Stahl, gefertigt sein.
Die Röntgenstrahlenbündel, welche an den Röntgenquellen auf der Anode erzeugbar sind, weisen jeweils eine Richtung mit der maximalen Intensität der emittierten Röntgenstrahlung auf, welche der jeweiligen Röntgen-Hauptemissionsrichtung entspricht. Eine solche Röntgen- Hauptemissionsrichtung ist bei allen Röntgenquellen gegeben, welche von einer
Kugelstrahlquelle verschieden sind. Die vom Röntgendetektor erfasste Geometrie des Röntgenstrahlenbündels hängt außer von der Fokussierung des Elektronenstrahls auch von der Kollimierung der Röntgenstrahlung ab. Hierbei kann ein Röntgenfenster in der
Vakuumröhre als Kollimator-Vorrichtung ausgebildet und/oder vor einem Röntgenfenster an der Vakuumröhre eine Kollimator-Vorrichtung angebracht sein.
Mit der MBFEX-Röhre sind beispielsweise fächerförmige Röntgenstrahlenbündel (fan beam) und/oder kegelförmige Röntgenstrahlenbündel (cone beam) erzeugbar. Jede einzelne der auf der Anode gebildeten Röntgenquellen kann beispielsweise näherungsweise punktförmig, flächig oder strichförmig sein. Das Querschnittsprofil der Röntgenstrahlung im Isozentrum der röntgentechnischen Anlage, insbesondere Tomographieanlage, ist außer von der Form der Röntgenquelle vor allem von der Kollimierung der Röntgenstrahlung abhängig.
In der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre sind die Kathoden vorzugsweise derart reihenförmig fest angeordnet, dass in Zusammenwirkung mit den Fokussierungselektroden auf der Anode eine ebenfalls reihenförmige Anordnung von Röntgenquellen erzeugt wird. Die Kathoden sind für eine sequentielle elektrische Ansteuerung vorgesehen. In einem
Computertomographen ist die vorgeschlagene MBFEX-Röhre anstelle einer rotierenden Röntgenquelle einsetzbar. Nachfolgend wird auf einzelne vorteilhafte Weiterbildungen der vorgeschlagenen MBFEX- Röhre eingegangen.
In einer bevorzugten Ausführung der MBFEX-Röhre sind die Hochspannungsdurchführungen und die Kathoden-Zuleitungen in einer Reihe und der Anode gegenüberliegend auf der Vakuumröhre angeordnet. Dies bedeutet, dass sich - im Querschnitt der MBFEX-Röhre betrachtet - die Kathoden-Zuleitungen und Hochspannungsdurchführungen einerseits und die Anode andererseits diametral gegenüber liegen. Mit einer solchen Anordnung sind die Hochspannungsdurchführungen und die Kathoden-Zuleitungen lediglich einem Minimum an Strahlung von Sekundärelektronen oder Ionen ausgesetzt. Besonders vorteilhaft gestattet eine solche Anordnung auch einen einfach bewerkstelligbaren Einbau der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre in ein Röntgengerät, beispielsweise in die Gantry eines Computertomographen.
In bevorzugter Gestaltung der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre weisen deren Kathoden Kohlenstoffnanoröhren auf. Die sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren ermöglicht eine hohe Stromtragfähigkeit ohne nennenswerte Hitzeentwicklung auf die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren selbst. Kohlenstoffnanoröhren weisen einen niedrigen Feldstärke-Schwellenwert von weniger als 2 V /m für die
Feldemission von Elektronen auf. Der Feldstärke-Schwellenwert bei Kathoden zur Emission von Elektronen, welche Kohlenstoffnanoröhren aufweisen, ist noch weiter absenkbar, indem die Kohlenstoffnanoröhren in senkrechter Vorzugsrichtung auf der Kathodenoberfläche angeordnet sind. Da einwandige Kohlenstoffnanoröhren Halbleiter und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren metallische Leiter darstellen, sind mehrwandige
Kohlenstoffnanoröhren für Anwendungen als Elektronenemitter auf den Kathoden der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre besonders geeignet. Besonders vorteilhaft ist daher der Betrieb der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre, welche Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Kathoden aufweist, mit einer Stromversorgung von verhältnismäßig geringer Leistungsstärke bewerkstelligbar. Außer Kohlenstoffnanoröhren sich auch Nanostäbchen anderer Art, allgemein auch als Nanosticks bezeichnet, für die Emission von Elektronen innerhalb der MBFEX-Röhre geeignet. In bevorzugter Ausgestaltung sind aus solchen Nanosticks Feldemissionskathoden als Kathoden der Röntgenröhre gebildet.
Die Nanosticks der Kathode sind vorzugsweise aus einem Material beschaffen, welches bezüglich des quantenmechanischen Feldemissionseffektes eine möglichst niedrige
Elektronenaustrittsarbeit zur Feldemission von Elektronen aufweist. Die Nanosticks weisen hierbei eine in sich einheitliche oder uneinheitliche Zusammensetzung auf und sind entweder als Hohlkörper, das heißt Röhren, oder massiv ausgebildet. Die Kathoden können hierbei Nanosticks gleicher Art oder einen Mischung verschiedener Arten von Nanosticks aufweisen, wobei sich die Art der Nanosticks auf deren Stoffzusammensetzung und
Stoffmodifikation bezieht.
Geeignete Materialien in reiner oder dotierter Form für die Feldemission von Elektronen sind neben ein- oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren auch ein- oder mehrwandige Hetero-Stickstoff-Kohlenstoffnanoröhren, Boride der seltenen Erden, insbesondere
Lanthanhexaborid und Cerhexaborid, Metalloxide, insbesondere Ti02, MnO, ZnO und Al203, Metallsulfide, insbesondere Molybdänsulfid, Nitride, insbesondere Bornitrid,
Aluminiumnitrid, Kohlenstoffnitrid, Galliumnitrid, Carbide, insbesondere Siliciumcarbid, Silicium. Als Ausgangsprodukte zur Herstellung der Nanosticks, welche beim Betrieb der Kathoden Elektronen emittieren, sind auch stabförmige, optional hohle, Elemente aus polymeren Materialien geeignet. Die Nanosticks der Kathoden sind optional aus
Ausgangsprodukten, welche lediglich partiell, insbesondere in Form einer Beschichtung, Polymermaterialen aufweisen, gefertigt.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung weisen die Kathoden auf der Oberfläche Nanosticks in einer vertikalen Vorzugsrichtung, das heißt in Richtung zu der Anode, auf. Beim Betrieb des Röntgenemitters und bei hinreichendem Abstand untereinander sind an den Spitzen der Nanosticks sehr starke elektrische Felder erzeugbar, wodurch die Emission von Elektronen wesentlich vereinfacht ist.
In einer möglichen Ausführungsform der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre ist in der
Vakuumröhre mehr als eine Sorte von Kathoden angeordnet, wobei sich der Begriff„Sorte" sowohl auf die Geometrie als auch auf sonstige Eigenschaften der Kathoden, beispielsweise auf die Werkstoffe, beziehen kann. Kathoden gleicher und unterschiedlicher Sorte sind grundsätzlich in beliebiger Weise sequentiell elektrisch ansteuerbar. Neben den Kathoden selbst können auch Unterschiede hinsichtlich der Fokussierung gegeben sein. Zusammen mit Eigenschaften wie der Flächengeometrie der einzelnen Kathoden sind damit
unterschiedliche Elektronenstrahlenbündel und letztlich unterschiedliche
Röntgenstrahlenbündel erzeugbar.
Die Nanostäbchen der Kathode weisen zum Beispiel eine Länge von weniger als 20 μιη und einen Durchmesser von weniger als 10 nm auf, wobei eine auf die Fläche der Kathode bezogene Dichte von mindestens 106 Nanostäbchen pro cm2 gegeben ist.
Zur Herstellung der Nanostäbchen enthaltenden Kathode ist ein Siebdruckverfahren geeignet. Damit ist im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, insbesondere zum Verfahren der elektrophoretischen Abscheidung (EPD), eine besonders gleichmäßige Schichtdicke sowie eine relativ glatte Oberfläche des Emitters erzielbar. Vorzugsweise ist zumindest durch eine Sorte von Kathoden eine zur Emission von Elektronen ausgebildete Schicht mit einer Dicke von weniger als 20 μιη und einem Mittenrauwert (Ra) von weniger als 2,5 μιη gebildet. Die hohe Qualität der Emitterschicht trägt zusammen mit einem konstanten Abstand zum Extraktionsgitter zu einer hohen Transmissionsrate der Elektronenquelle der Röntgenröhre von bis zu 90% und mehr bei. Die hohe Transmissionsrate wird auch begünstigt durch die mittels des Siebdruckverfahrens bewirkte hauptsächliche Ausrichtung der Nanostäbchen in vertikale Richtung, bezogen auf die Substratoberfläche, auf welcher sich die Emitterschicht befindet. Es ist auch möglich, innerhalb ein und derselben MBFEX-Röhre sowohl Kathoden mit Kohlenstoffnanoröhren als auch völlig andersartige Kathoden, beispielsweise Kathoden mit Spitzen aus Wolfram, welche auf andere, grundsätzlich bekannte Art arbeiten, zu
verwenden. Ebenso können innerhalb der MBFEX-Röhre Dispenserkathoden zum Einsatz kommen. In diesem Zusammenhang wird auf die Dokumente DE 10 2011 076 912 B4 und DE 10 2010 043 561 AI verwiesen.
Soweit die Kathoden als Feldemissionskathoden ausgebildet sind, weist die komplette Emitteranordnung vorzugsweise folgenden Schichtaufbau auf:
Als unterste Schicht der Emitteranordnung ist ein flächiges Trägerelement, insbesondere in Form einer Keramikplatine, vorgesehen. Die Keramikplatine ist beispielsweise aus Korund gefertigt. Die Emitterschicht befindet sich auf der Keramikplatine. In Bereichen neben den flächigen Emittern ist die Keramikplatine durch eine Metall-Zwischenplatte, welche auch als Spacer bezeichnet wird, abgedeckt. Auf der Metall-Zwischenplatte, welche an ein definiertes elektrisches Potential gelegt wird, befindet sich ein sogenanntes Gitterblech einschließlich der den einzelnen Emittern zugeordneten Extraktionsgitter. Das Gitterblech wiederum ist abgedeckt durch eine Platte aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Keramik, welche allgemein als obere Isolierlage bezeichnet. Die Bezeichnung„obere" Lage hat hierbei keinen Zusammenhang mit der Ausrichtung des Elektronenemitters im Raum, sondern bedeutet lediglich, dass die genannte Lage am nächsten zur Anode der Röntgenröhre angeordnet ist. Der beschriebene Schichtaufbau ist auch für sonstige, nicht als Ganzes beanspruchte Röntgenröhren geeignet.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre umschließt die Anode einen vorgesehenen Untersuchungsbereich mindestens teilweise. Hierbei umschließen die Röntgenquellen und die Röntgen-Hauptemissionsrichtungen den Untersuchungsbereich ebenfalls mindestens teilweise. Der Untersuchungsbereich ist für die Positionierung eines Untersuchungsobjektes in einem Röntgengerät vorgesehen. Beispielsweise ist die MBFEX-Röhre als Ganzes gekrümmt, womit sie bereits als einzelne Röntgenröhre den Untersuchungsbereich teilweise umschließt. Ein weitergehendes
Umschließen des Untersuchungsbereiches ist auf verschiedene Arten realisierbar:
Beispielsweise kann sich die MBFEX-Röhre über einen sehr großen Winkel, im Extremfall bis annähernd 360°, erstrecken, das heißt eine annähernd geschlossene Ringform aufweisen. Alternativ ist es möglich, eine Ringform aus einzelnen MBFEX-Röhren zusammenzusetzen. Die einzelnen MBFEX-Röhren können hierbei jeweils entweder gekrümmt oder in sich gerade sein. Im letztgenannten Fall ergibt sich eine Polygonform der Anordnung aus sämtlichen MBFEX-Röhren. Auch unvollständige Polygonformen oder Ringformen, etwa L- Formen, U-Formen oder Halbkreisformen, sind durch Kombination mehrerer MBFEX-Röhren herstellbar, wobei nicht notwendigerweise sämtliche MBFEX-Röhren solcher Anordnungen gleichartig geformt sind.
Durch eine bogenförmig ausgebildete konkav um den Untersuchungsbereich angeordnete Anode der MBFEX-Röhre ist in einem Computertomographen im Vergleich zu
herkömmlichen Gestaltungen die Brennfleckunschärfe reduzierbar und eine höhere als auch gleichbleibende Bildauflösung erzielbar, insbesondere, wenn die Anode als Kreisbogen ausgebildet ist. Ist die Anode als Kreisbogen ausgebildet, so sind sämtliche Röntgenstrahlen gleichermaßen auf ein Untersuchungsobjekt ausgerichtet. Unter anderem durch die
Minimierung der Anzahl der Hochspannungsdurchführungen ist das Untersuchungsobjekt praktisch von sämtlichen Umfangspositionen aus mittels einer einzigen MBFEX-Röhre durchleuchtbar.
Die vorgeschlagene MBFEX-Röhre zeichnet sich durch eine im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch besonders einfach realisierbare kompakte und robuste
Bauweise aus und ist insbesondere für Computertomographen zum Ersatz einer rotierenden Röntgenquelle geeignet. Die Vakuumröhre, in welcher die Röntgenstrahlung erzeugt wird, ist vorzugsweise aus Metall gefertigt.
Mit Hilfe von Kathoden unterschiedlicher Sorte, die in ein und derselben MBFEX-Röhre angeordnet sind, sind auf einfache Weise verschiedene Röntgenaufnahmen, welche sich hinsichtlich der Dosis voneinander unterscheiden, generierbar. Damit ist eine einfache Möglichkeit einer Dosis-Modulation gegeben. Die Anzahl der in einer röntgentechnischen Anlage vorhandenen MBFEX-Röhren unterliegt ebenso wie die Form der einzelnen MBFEX- Röhren sowie die geometrische Anordnung der MBFEX-Röhren in Relation zueinander grundsätzlich keinen Beschränkungen. Ebenso ist die MBFEX-Röhre oder eine Mehrzahl an MBFEX-Röhren innerhalb einer röntgentechnischen Anlage mit Röntgenröhren anderer Bauart kombinierbar. Allgemein sind Röntgenstrahlen verschiedener Wellenlängen, wie sie für Multi-Energy- oder Dual-Energy-Aufnahmen vorgesehen sind, durch verschiedene Einstellungen der Anodenspannung erzeugbar.
Unabhängig von der Gestaltung der Kathoden sind durch die MBFEX-Röhre in bevorzugter Verfahrensführung aufeinander folgende Röntgenpulse unterschiedlicher Wellenlänge generierbar. Damit sind mit besonders hoher Zuverlässigkeit und gleichzeitig kurzer
Aufnahmedauer unterschiedliche Materialien innerhalb des Untersuchungsvolumens voneinander unterscheidbar.
Im Sinne einer geringen Störungsanfälligkeit sowie einer Schadensvermeidung, zumindest einer Schadensminimierung, im Fall eventueller Störungen hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, verschiedene, auf das Potential Null zu legende Komponenten der MBFEX-Röhre auf unterschiedliche Weise zu erden. Dies betrifft im Einzelnen
Fokussierungselektroden sowie das den Elektronenemittern, welche Kohlenstoffnanoröhren oder sonstige Nanosticks enthalten, unmittelbar vorgesetzte Extraktionsgitter:
Während passive Fokussierungselektroden in bevorzugter Ausgestaltung über ein Gehäuse geerdet sind, erfolgt die Erdung des Extraktionsgitters unabhängig von dem genannten Gehäuse, zum Beispiel über eine gesonderte Erdungsleitung, welche einer Einheit zur Ansteuerung der Elektronenemitter zugeordnet sein kann.
Der Vorteil der separaten Erdung von Fokussierungselektroden und Extraktionsgitter kommt zum Tragen, falls durch einen Überschlag das Potential der Fokussierungselektroden - trotz vorhandener Erdung - aufgrund des sehr hohen Potentials, auf welchem sich die Anode befindet, kurzzeitig angehoben wird. Wäre in diesem Moment das Extraktionsgitter zusammen mit den Fokussierungselektroden geerdet, so hätte dies ein entsprechend erhöhtes Potential des Extraktionsgitter und damit eine erhöhte Spannungsdifferenz zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Extraktionsgitter zur Folge. Aufgrund der gegebenen, stark ausgeprägten Spannungsabhängigkeit der Elektronenemission der
Kohlenstoffnanoröhren würde in der Folge die Elektronenemission extrem ansteigen, was die Gefahr einer Beschädigung der Röntgenröhre mit sich brächte. Eine solche
Beschädigungsgefahr wird durch die gesonderte Erdung von Fokussierungselektroden einerseits und Extraktionsgitter andererseits vermieden.
Nachfolgend wird die vorgeschlagene MBFEX-Röhre anhand einer Zeichnung näher erläutert, in welcher verschiedene Ausführungsbeispiele zusammengefasst sind. Hierin zeigen, in teilweise grob vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 in schematischer
Aufsicht auf eine als Kreisbogen ausgebildet Anode 30,
Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 in schematisierter
Seitenansicht,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 mit einer geraden, linienförmig ausgebildeten Anode 30,
Fig. 4 das zweite Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 mit geschnittener
Ansicht der Anode 30,
Fig. 5 eine Hochspannungsdurchführung 52 der MBFEX-Röhre 1 nach Fig. 3, Fig. 6, 7 Teilansichten einer Gittervorrichtung 43 der MBFEX-Röhre 1 des ersten Ausführungsbeispiels eines Computertomographen,
Fig. 8, 9 Teilansichten der Gittervorrichtung 43 der MBFEX-Röhre 1 des zweiten
Ausführungsbeispiels eines Computertomographen,
Fig. 10, 11 Teilansichten einer alternativen Ausgestaltung einer Gittervorrichtung 43
einer MBFEX-Röhre 1,
Fig. 12 eine Emitteranordnung 33 einer MBFEX-Röhre 1 in Explosionsdarstellung,
Fig. 13 eine obere Isolierlage 48 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 14 ein Gitterblech 47 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 15 eine Extraktionsgitterelektrode 71 des Gitterblechs 47 nach Fig. 14,
Fig. 16 ein Metall-Zwischenblech 46 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12,
Fig. 17, 18 die Vorderseite einer Keramikplatine 45 der Emitteranordnung 44 nach
Fig. 12,
Fig. 19 die Rückseite der Keramikplatine 45 der Emitteranordnung 44 nach Fig. 12, Fig. 20 ein Detail der Keramikplatine 45,
ein Detail einer MBFEX-Röhre 1 mit zwei unterschiedlichen Sorten von Kathoden 41, 42,
Fig. 22, 23 ein Beispiel einer insgesamt ringförmigen Anordnung mehrerer MBFEX- Röhren 1 in zwei verschiedenen Ansichten,
Fig. 24, 25 ein Beispiel einer insgesamt polygonförmigen Anordnung mehrerer MBFEX- Röhren 1 in zwei Ansichten analog Fig. 22 und 23,
Fig. 26, 27 ein mehrere, jeweils als Röntgenquelle fungierende Aufsätze 33 aufweisende
Anode 30 einer MBFEX-Röhre 1,
in dreidimensionaler Darstellung die Form einer Kathode 40 einer MBFEX- Röhre 1 sowie zum Vergleich eine herkömmliche Kathodenform,
in einem Diagramm Strom- und Spannungspulse beim Betrieb der MBFEX Röhre 1.
Alle nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 sind für einen Computertomographen vorgesehen und weisen eine Vakuumröhre 20 mit einem Röntgenfenster 21 auf. In der Vakuumröhre 20 aller Ausführungsbeispiele ist eine als Kühlfinger ausgebildete Anode 30 fest angeordnet. Die Anode 30 enthält Wolfram. Die ersten beiden Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre weisen in der Vakuumröhre 20 eine Mehrzahl von reihenförmig fest angeordneten Kathoden 40 einer einheitlichen Sorte und das Ausführungsbeispiel nach Fig. 21 solche Kathoden 41, 42 zweier verschiedener Sorten auf, wobei die Kathoden 40, 41, 42 für die Feldemission von
Elektronen vorgesehen sind. Die Kathoden 40, 41, 42 sind jeweils bezüglich der Elektronen- Hauptemissionsrichtung e der erzeugbaren Elektronenstrahlenbündel E auf die gemeinsame Anode 30 zur Erzeugung von Röntgenquellen Q ausgerichtet. Die Kathoden 40, 41, 42 sind in der Weise reihenförmig fest angeordnet, dass auf der Anode 30 eine ebenfalls reihenförmige Anordnung von Röntgenquellen Q erzeugbar ist. Die Kathoden 40, 41, 42 sind für eine sequentielle elektrische Ansteuerung vorgesehen. Die Röntgenstrahlenbündel X weisen jeweils eine Röntgen-Hauptemissionsrichtung x auf.
In allen Ausführungsbeispielen ist auf jede Röntgenquelle Q jeweils eine Gittervorrichtung 43 ausgerichtet. Die Gittervorrichtungen 43 sind zwischen den Kathoden 40, 41, 42 und der Anode 30 fest in der Vakuumröhre 20 angeordnet. Jede Gittervorrichtung 43 weist ein Extraktionsgitter auf. Die Extraktionsgitter sind mit geringem Abstand vor den Kathoden 40, 41, 42 angeordnet und zur Extraktion von Elektronen in Form eines Elektronenstrahlbündels E aus den Kathoden 40, 41, 42 vorgesehen. Die Extraktionsgitter sind in den Figuren 1 bis 4 nicht eingezeichnet.
Die Vakuumröhre 20 aller Ausführungsbeispiele weist wiederum eine Mehrzahl von
Kathoden-Zuleitungen 50 und zwei Hochspannungsdurchführungen 51, 52 auf. Die
Kathoden-Zuleitungen 50 sind als Anschlüsse der Kathoden und der Gittervorrichtungen 43 an eine elektrische Spannung von wenigen kV vorgesehen und als Drahtzuleitungen ausgebildet. Die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 sind für den jeweils endseitigen Anschluss der Anode an eine elektrische Hochspannung von mehreren 10 kV vorgesehen. Typischerweise liegt die Hochspannung im Bereich von 10 kV bis 420 kV. Werte im oberen Bereich dieses Intervalls werden zum Beispiel bei röntgentechnischen Anlagen zur
Untersuchung größerer Gegenstände im nicht medizinischen Bereich gewählt. In einer Hochspannungsdurchführung 52 ist ein Kühlmittel-Abfuhrrohr 31 mit einem innenliegenden Kühlmittel-Zufuhrrohr 32 hindurchgeführt. Das Kühlmittel-Abfuhrrohr 31 und das Kühlmittel-Zufuhrrohr 32 sind zur Kühlung der Anode 30 mit einem flüssigen, elektrisch nicht leitenden Kühlmittel mittels einer Umwälzvorrichtung vorgesehen.
In allen Ausführungsbeispielen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 sind durch die
Kathoden 40, 41, 42 in Zusammenwirkung mit der Anode 30 Röntgenpulse einheitlicher oder alternierend wechselnder Energie erzeugbar. Beispielhaft ist in Fig. 29 der zeitliche Verlauf eines Emitterstroms EC, eines Anodenstroms AC, sowie der Gitter-Emitter-Spannung GEV aufgezeichnet. Das Diagramm nach Fig. 29 zeigt tatsächliche Messdaten. Hervorzuheben ist der hohe Transmissionsgrad von ca. 90%, welcher das Verhältnis von Anodenstroms AC zu Emitterstroms EC angibt. Im vorliegenden Fall der sich aus den gemessenen Spannungswerten ermittelte Anodenstroms AC 52,2 mA und der Emitterstroms EC 58,2 mA. Dieses extrem günstige Verhältnis zwischen Anodenstroms AC und Emitterstroms EC resultiert maßgeblich aus der hohen Qualität der im Folgenden noch näher beschriebenen
Emitteranordnung 44 der Röntgenröhre 1.
Das erste Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und der Fig. 2 näher erläutert. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Anode 30 als Kreisbogen ausgebildet.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Anode 30, wobei die Vakuumröhre 20, die Gittervorrichtungen 43 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 nicht sichtbar sind. Die Fig. 1 ist nicht maßstabsgetreu. Die Anode 30, die Kathoden 40 und die
Gittervorrichtungen 43 sind innerhalb der Vakuumröhre 20 angeordnet. Hierbei befinden sich die Kathoden 40 auf einem Träger 6 aus metallisierter Keramik. Die Anode 30 ist unabhängig von den Kathoden 40 in der Vakuumröhre 20 befestigt. Die Röntgenquellen Q sind so angeordnet, dass die erzeugten Röntgenstrahlenbündel X in ihren jeweiligen
Röntgen-Hauptemissionsrichtungen x auf einen Untersuchungsbereich U ausgerichtet sind. Der Untersuchungsbereich U ist für die Positionierung eines Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten, vorgesehen.
Die Fig. 2 zeigt die vorgeschlagene MBFEX-Röhre 1 in ihrem ersten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht im Querschnitt. In der Fig. 2 sind das Kühlmittel-Zufuhrrohr 32, die Kathoden-Zuleitungen 50 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 nicht sichtbar. Die Kathoden 40 weisen auf ihrer Oberfläche mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren in einer senkrechten Vorzugsrichtung auf. Unter„senkrecht" ist in diesem Zusammenhang eine auf die Anode 30 zu gerichtete Orientierung zu verstehen.
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 wird nachfolgend anhand der Fig. 3 und der Fig. 4 näher erläutert. Das zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass die Anode 30 linienförmig ausgebildet ist.
Die Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht auf die MBFEX-Röhre 1 des zweiten Ausführungsbeispiels. In der Fig. 3 sind das Kühlmittel-Zufuhrrohr 32, die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 nicht sichtbar. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel der MBFEX-Röhre 1 sind Kathoden-Zuleitungen 50 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 in einer Reihe und der Anode 30 gegenüberliegend auf der Vakuumröhre 20 angeordnet.
Die Fig. 4 zeigt die vorgeschlagene MBFEX-Röhre 1 in ihrem zweiten Ausführungsbeispiel mit geschnittener Ansicht der Anode 30. In der Fig. 3 sind die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 ebenfalls nicht sichtbar. Einzelne Merkmale der Hochspannungsdurchführung 52 gehen aus Fig. 5 hervor.
Eine in allen Ausführungsbeispielen vorhandene Gittervorrichtung 43, welche im Detail in unterschiedlichen Varianten in den Figuren 5 bis 11 dargestellt ist, ist auf die Anode 6 ausgerichtet, das heißt zwischen den Kathoden 40, 41, 42 und der Anode 6 in der
Vakuumröhre 20 angeordnet. Die Gittervorrichtung 43 umfasst definitionsgemäß mindestens eine Extraktionsgitterelektrode 71, 73, 74 und mindestens eine Form von Fokussierungselektroden 72, 75, 76.
Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 sind direkt über den Kathoden 40, 41, 42 fest angeordnet und zur Feldextraktion von Elektronen aus den Kathoden 40, 41, 42 vorgesehen. Die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 sind direkt über jeder Extraktionsgitterelektrode 71, 73, 74 ebenfalls fest angeordnet, der Anode 6 zugewandt und für die Fokussierung der extrahierten Elektronen als ein Elektronenstrahlbündel E auf die jeweilige zu erzeugende Röntgenstrahlungsquelle Q vorgesehen. Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 sind unabhängig von Fokussierungselektroden 72, 75, 76 geerdet. Die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 können als passive oder aktive Fokussierungselektroden betrieben werden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Gittervorrichtung 43 eine allen Kathoden 40 gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 71 auf, wobei jeder einzelnen Kathode 40 separat eine einzelne Fokussierungselektrode 72 zugeordnet ist. In dem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Gittervorrichtung 43 eine den Kathoden 41 der ersten Sorte gemeinsame
Extraktionsgitterelektrode 73 einer ersten Form und eine den Kathoden 42 der zweiten Sorte gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 74 einer zweiten Form auf, wobei jeweils jeder einzelnen Kathode 41 der ersten Sorte separat eine einzelne Fokussierungselektrode 75 einer ersten Form und jeweils jeden einzelnen Kathode 42 der zweiten Sorte separat eine einzelne Fokussierungselektrode 76 einer zweiten Form zugeordnet ist. Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 und die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 sind in den Figuren 1 bis 4 nicht eingezeichnet.
Für eine computergestützte Röntgenbildgebung mittels Tomosynthese liegt auf Anode 6 ein zeitlich konstantes Potential von typischerweise 40 KV an, wobei zwischen der Anode 6 und der jeweils geschalteten Kathode 40, 41 ein gleichförmig gepulster elektrischer Gleichstrom von 30 mA fließt. Für eine computergestützte Röntgenbildgebung mittels HPEC- Tomosynthese dagegen liegt auf der betreffenden Anode ein zeitlich konstantes Potential von typischerweise 120 kV an, wobei zwischen der Anode 6 und der jeweils geschalteten Kathode 40, 42 ein gleichförmig gepulster elektrischer Gleichstrom in der Größenordnung von 0,5 mA fließt.
In allen Ausführungsbeispielen weist der vorgeschlagene Computertomograph einen Stromregler, eine Gerätesteuerung, ein elektronisches Steuersystem (ECS = Electronic Control System), eine Kathoden-Hochspannungsquelle (CPS = Cathode Power Supply), eine Anoden-Hochspannungsquelle (APS = Anode Power Supply) und eine Gerätesteuerung auf. Der Stromregler, die Gerätesteuerung, das elektronische Kontrollsystem, die Kathoden- Hochspannungsquelle, die Anoden-Hochspannungsquelle und die Gerätesteuerung sind Bestandteil einer elektronischen Regelungsvorrichtung. Der Stromregler, die Gerätesteuerung und das elektronische Steuersystem stellen ein elektronisches Leitsystem dar.
Die elektronische Regelungsvorrichtung weist einen elektrischen Hauptkreis und einen Regelkreis auf, wobei der Hauptkreis und der Regelkreis in einem Gleichstromkreis integriert sind. In dem Hauptkreis sind die Anoden-Hochspannungsquelle mit der Anode 6 und dem Stromregler, der Stromregler mit der Gerätesteuerung, die Gerätesteuerung mit dem elektronischen Steuersystem, das elektronische Steuersystem mit der Kathoden- Hochspannungsquelle und die Kathoden-Hochspannungsquelle in paralleler Schaltung mit den Kathoden 40, 41, 42 als auch mit der jeweiligen Gittervorrichtung 43 elektrisch verbunden. In dem Regelkreis ist die Anoden-Hochspannungsquelle über eine Rückführung mit dem Leitsystem elektrisch verknüpft. Hierbei ist das Leitsystem sowohl für die sequentiellen Schaltungen der Kathoden 40, 41, 42, für die Regelung der
Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 und der Fokussierungselektroden 72, 76, 56 der jeweiligen Gittervorrichtung 43 als auch für die Regelung des Hauptkreisstroms vorgesehen, wobei auf den mit dem Leitsystem vorgegeben Hauptkreisstrom die elektrische Spannung der Kathoden-Hochspannungsquelle anpassbar ist.
In Fig. 21 sind exemplarisch acht Kathoden 41, 42 der MBFEX-Röhre 1 skizziert. Sowohl die Kathoden 41 der ersten Sorte als auch die Kathoden 42 der zweiten Sorte weisen Kohlenstoffnanoröhren auf, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Geometrie. Die Kathoden 41, 42 sind in der Vakuumröhre 20 reihenförmig und alternierend versetzt angeordnet, wobei die Anzahl der Kathoden 41 der ersten Sorte gleich der Anzahl der Kathoden 42 der zweiten Sorte ist. Einer Gittervorrichtung 43 und damit einer
Röntgenstrahlenquelle Q kann jeweils eine Kathode 41 der ersten Form und jeweils eine Kathode 42 der zweiten Form zugeordnet sein. In der MBFEX-Röhre 1 nach Fig. 21 sind auf beliebige Weise die Kathoden 41 der ersten Sorte oder die Kathoden 42 der zweiten Sorte sequentiell ansteuerbar. Auf diese Weise sind Dual-Dosis-Röntgenbildaufnahmen mit der MBFEX-Röhre 1 realisierbar.
Wie aus den Figuren 22 bis 25 hervorgeht, sind mehrere MBFEX-Röhren 1 zu einer starren, ringförmigen oder polygonförmigen Anordnung kombinierbar, welche in einem Computertomographen eine rotierende Anordnung ersetzt. Dies gilt für jegliche, bereits beschriebene sowie im Folgenden noch erläuterte Ausgestaltung von MBFEX-Röhren 1.
Ein Schichtaufbau einer Emitteranordnung 44 einer MBFEX-Röhre 1 ist in den Figuren 12 bis 20 illustriert. Die Emitteranordnung 44 umfasst als unterste Lage eine Keramikplatine 45 aus Korund. Die Kathoden 40 befinden sich auf einer leitfähigen Beschichtung der Keramikplatine 45 und sind im Siebdruckverfahren mit hoher geometrischer Präzision hergestellt. Auf der Rückseite der Keramikplatine 45 sind Leiterstrukturen 66 erkennbar.
Auf die Keramikplatine 45 ist eine Metall-Zwischenplatte 46 aufgelegt. Diese Metall- Zwischenplatte 46 weist rechteckige Öffnungen 61 für die Kathoden 40 auf. Zusätzlich befinden sich in der Metall-Zwischenplatte 46 streifenförmige, im Vergleich zu den
Öffnungen 61 schmalere und längere Öffnungen 62 an den Längsseiten der Öffnungen 61. Die streifenförmigen Öffnungen 62 haben eine Funktion beim Entgasen der Vakuumröhre 20. Dies gilt sowohl für die Vorbereitung des Betriebs als auch für den laufenden Betrieb der Röntgenröhre 1, jeweils in Zusammenwirkung mit der Keramikplatine 45.
In der Keramikplatine 45 sind neben den Kathoden 40 verschiedene streifenförmige Öffnungen 64, 65 erkennbar. Hierbei liegen jeweils drei kurze, schmale Öffnungen 64 direkt neben den Längsseiten einer jeden Kathode 40. Zusätzlich sind die Kathoden 40 von etwas weiter entfernt liegenden, ebenfalls streifenförmigen Öffnungen 65 flankiert. Dabei sind jeweils zwei streifenförmige Öffnungen 65 in einer Linie hintereinander angeordnet. Zwei Paare solcher Linien an streifenförmigen Öffnungen 65 beschreiben zusammen mit der dazwischen liegenden Anordnung aus Kathode 40 und insgesamt sechs kleineren
streifenförmigen Öffnungen 64 insgesamt eine H-Form. Dies gilt für sämtliche Kathoden 40 auf der Keramikplatine 45 mit Ausnahme der beiden äußersten Kathoden 40, welche nur einseitig von streifenförmigen Öffnungen 65 der längeren Art flankiert sind.
Insbesondere die innenliegenden Öffnungen 64, welche sehr nah an den Kathoden 40 liegen, tragen dazu bei, dass während der Emission von Elektronen Gas auch in äußerst geringer Konzentration bis hin zu einzelnen Partikeln zur Rückseite der Emitteranordnung 44 hin abführbar ist. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Vermeidung von Überschlägen innerhalb der Vakuumröhre 20 geleistet. Zum Absaugen von Gas während der Herstellung der Röntgenröhre 1, insbesondere beim Ausheizen, werden in stärkerem Maße die relativ großen streifenförmigen Öffnungen 65 benötigt.
Die Metall-Zwischenplatte 46 weist als integralen Bestandteil einen Anschlussstreifen 63 als von der Emitteranordnung 44 nach außen geführten elektrischen Anschluss auf. Auf der Metall-Zwischenplatte 46 befindet sich ein Gitterblech 47, welches die Extraktionsgitterelektroden 71 umfasst, die jeweils einer Kathode mit exakt definiertem Abstand von
0,224 mm (im Bespiel nach Fig. 12) vorgesetzt sind.
Einzelheiten der Extraktionsgitterelektrode 71 gehen aus Fig. 15 hervor. Insgesamt weist die Extraktionsgitterelektrode 71 eine rechteckige Form auf, deren Längsseiten durch komplett gerade Randstreifen 78 gebildet sind. Die beiden Randstreifen sind durch eine Vielzahl an Gitterstreifen 77 miteinander verbunden, so dass sich insgesamt die Gitterstruktur ergibt. Im Unterschied zu den Randstreifen 78 sind die Gitterstreifen 77 jedoch nicht komplett gerade. Vielmehr ist an den beiden Enden eines jeden Gitterstreifens 77, das heißt am Übergang zum Randstreifen 78, ein abgerundeter Übergangsbereich 79 gebildet. Die abgerundeten Übergangsbereiche 79 sorgen maßgeblich dafür, dass thermisch bedingte Verformungen nicht zu einer Veränderung des Abstandes zwischen der Kathode 40 und dem Extraktionsgitter 71 führen, sondern innerhalb des in einer Ebene liegenden Extraktionsgitters 71 ohne Auswirkungen auf die Emissionseigenschaften der Emitteranordnung 44 aufgenommen werden.
Das Gitterblech 47 ist durch eine obere Isolierlage 48 in Form einer Platte aus einem keramischen Werkstoff abgedeckt, womit die Emitteranordnung 44 komplettiert ist. Die obere Isolierlage 48 weist, wie aus Fig. 12 hervorgeht, Öffnungen 49 auf, welche der Form der Kathoden 40 angepasst sind, um den Durchtritt von Elektronen zu ermöglichen.
Geometrische Merkmale der Kathode 40, wie sie mehrfach in der Emitteranordnung 44 enthalten ist, sind in Fig. 28 dargestellt. Mit guter Näherung ist die Kathode 40 quaderförmig aufgebaut. Über die gesamte Elektronen emittierende Oberfläche der Kathode 40 sind damit kaum Schwankungen des Abstandes zwischen der Kathode 40 und der in Fig. 28 nicht eingezeichneten Extraktionsgitterelektrode 71 gegeben. Zum Vergleich ist in Fig. 28 gestrichelt die Oberflächenstruktur einer herkömmlich, im Verfahren der elektro- phoretischen Abscheidung (EPD) hergestellten Kathode angedeutet. Von einer glatten Oberfläche kann bei diesem Vergleichsbeispiel nicht die Rede sein. Vielmehr sind besonders an den Rändern der im EPD-Verfahren hergestellten Kathode ausgeprägte Spitzen innerhalb der Oberfläche der Emissionskathode gegeben. Die Elektronen werden hauptsächlich an diesen Spitzen emittiert. Dies limitiert zum einen die Lebensdauer und zum anderen die Transmissionsrate an Elektronen. Im Unterschied dazu emittiert die Kathode 40, wie sie in der erfindungsgemäßen Röntgenröhre 1 zum Einsatz kommt, in jedem Flächenabschnitt ihrer Oberfläche mit nahezu konstanter Freisetzungsrate Elektronen.
Ein Ausführungsbeispiel einer mit der Emitteranordnung 44 zusammenwirkenden Anode 30 ist in den Figuren 26 und 27 illustriert. Auf dem zylindrischen Grundkörper der Anode 30 befinden sich mehrere Aufsatzstücke 33, welche auch als Anodenaufsätze oder kurz als Aufsätze bezeichnet werden. Jeder dieser Aufsätze 33 weist eine gegenüber dem
Grundkörper schräg gestellte, mit Wolfram oder einem anderen für Röntgenquellen geeigneten Material beschichtete Fläche 34 auf. Die Schrägstellungen der verschiedenen Flächen 34 unterscheiden sich derart voneinander, dass - wie in Fig. 27 angedeutet ist - die emittierte Röntgenstrahlung X in Richtung des im Untersuchungsbereich U liegenden Isozentrums der Röntgenstrahleranordnung 10 fokussiert ist.
Bezugszeichenliste MBFEX-Röhre
Träger
Röntgenstrahleranordnung
Vakuumröhre
Röntgenfenster
Anode
Kühlmittel-Abfuhrrohr
Kühlmittel-Zufuhrrohr
Aufsatzstück
beschichtete Fläche
Kathode
Kathode einer ersten Sorte
Kathode einer zweiten Sorte
Gittervorrichtung
Emitteranordnung
Keramikplatine
Metall-Zwischenplatte
Gitterblech
obere Isolierlage
Öffnung in der oberen Isolierlage Kathoden-Zuleitung 51 Hochspannungsdurchführung
52 Hochspannungsdurchführung
61 Öffnung in der Metall-Zwischenplatte
62 streifenförmige Öffnung in der Metall-Zwischenplatte
63 Anschlussstreifen
64 schmale streifenförmige Öffnung
65 breitere streifenförmige Öffnung
66 Leiterstruktur
71 Extraktionsgitterelektrode
72 Fokussierungselektrode
73 Extraktionsgitterelektrode einer ersten Form
74 Extraktionsgitterelektrode einer zweiten Form
75 Fokussierungselektrode einer ersten Form
76 Fokussierungselektrode einer zweiten Form
77 Gitterstreifen
78 Randstreifen
79 abgerundeter Übergangsbereich
80 keramischer Träger
81 Metallschicht
AC Anodenstrom
E Elektronenstrahlenbündel
e Elektronen-Hauptemissionsrichtung EC Emitterstrom
GEV Gitter-Emitter-Spannung
Q. Röntgenquelle
X Röntgenstrahlenbündel x Röntgen-Hauptemissionsrichtung
U Untersuchungsbereich

Claims

Patentansprüche
1. MBFEX-Röhre (1) für ein Röntgengerät, welche in einer Vakuumröhre (20) eine darin fest angeordnete, als auch als Kühlfinger ausgebildete Anode (30) und eine Mehrzahl von fest angeordneten Kathoden (40,41,42) aufweist, wobei die Vakuumröhre (20) eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen (50) und nicht mehr als zwei
Hochspannungsdurchführungen (51,52) aufweist, in einer
Hochspannungsdurchführung (52) ein Kühlmittel-Rohr (31) mit einem innenliegenden Kühlmittel-Innenrohr (32) hindurchgeführt ist, das Kühlmittel-Rohr (31) und das Kühlmittel-Innenrohr (32) zur Kühlung der Anode (30) mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen sind, die Kathoden (40,41,42) zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils auf die Anode (30) zur Erzeugung von Röntgenquellen (Q.) ausgerichtet sind.
2. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden- Zuleitungen (50) und Hochspannungsdurchführungen (51,52) in einer Reihe und der Anode (30) gegenüberliegend auf der Vakuumröhre (20) angeordnet sind.
3. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Röntgenquellen (Q.) reihenförmig auf der Anode (30) angeordnet sind.
4. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die
Röntgenquellen (Q.) jeweils auf einem gegenüber der Mittelachse der Anode (30) schräg gestellten Oberflächenabschnitt der Anode (30) befinden.
5. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg
gestellten Oberflächenabschnitte durch Aufsätze der Anode (30) gebildet sind.
6. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg
gestellten Oberflächenabschnitte durch Einschliffe in der Anode (30) gebildet sind.
7. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg gestellten Oberflächenabschnitte der Anode (30) beschichtet sind.
8. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden (40,41,42) Nanostäbchen aufweisen.
9. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Nanostäbchen als ein- oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren oder ein- oder mehrwandige Hetero-Stickstoff-Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet ist.
10. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Nanostäbchen Boride der seltenen Erden, Metalloxide, Metallsulfide, Nitride, Carbide oder Silicium enthält.
11. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostäbchen eine Länge von weniger als 20 μιη und einen Durchmesser von weniger als 10 nm aufweisen, wobei eine auf die Fläche der Kathode ((40,41,42) bezogene Dichte von mindestens 106 Nanostäbchen pro cm2 gegeben ist.
12. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem über den Kathoden (40,41,42) befindlichen Extraktionsgitter (71) und der Anode (30) Fokussierungselektroden (72) angeordnet sind.
13. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fokussierungselektroden (72) separat von dem Extraktionsgitter (71) geerdet sind.
14. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fokussierungselektroden (72) und/oder Extraktionsgitter (71) aus Stahl, insbesondere nichtrostendem Stahl, gefertigt sind.
15. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktionsgitter (71) eine Rechteckform mit zwei zueinander parallelen Randstreifen (78) beschreibt, welche durch Gitterstreifen (77) einstückig miteinander verbunden sind, wobei an den Übergängen zwischen den Gitterstreifen (77) und den Randstreifen (78) abgerundete Übergangsbereiche (79) ausgebildet sind, mit welchen die Gitterstreifen (77) jeweils eine langgestreckte S-Form beschreiben.
16. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumröhre (20) verschiedene Sorten von Kathoden (40,41,42) aufweist, welche sich hinsichtlich zumindest eines Parameters aus einer Gruppe von
Parametern unterscheiden, wobei die Gruppe der Parameter geometrische
Parameter und Werkstoffparameter umfasst.
17. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest durch eine Sorte von Kathoden (40,41,42) eine zur Emission von Elektronen ausgebildete Schicht mit einer Dicke von weniger als 20 μιη und einem Mittenrauwert (Ra) von weniger als 2,5 μιη gebildet ist.
18. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Kathoden (40,41,42) auf einem flächigen Trägerelement (45) angeordnet sind.
19. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige
Trägerelement (45) Korund aufweist.
20. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Trägerelement streifenförmige Öffnungen (64) erster Art und streifenförmige Öffnungen (65) zweiter Art aufweist, wobei eine Gruppe an streifenförmigen Öffnungen (64) erster Art näher neben einer Kathode (40) angeordnet ist als eine Gruppe an streifenförmige Öffnungen (65) zweiter Art, und wobei die streifenförmigen Öffnungen (64) erster Art schmaler als die streifenförmigen Öffnungen (65) zweiter Art sind.
21. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Trägerelement (45) Teil einer schichtförmig aufgebauten
Emitteranordnung (44) ist, welche weiter eine Metall-Zwischenplatte (46), ein Gitterblech (47) einschließlich Extraktionsgitter (71), sowie eine obere Isolierlage (48) umfasst.
22. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Öffnungen (64,65) des flächigen Trägerelementes (45) zumindest teilweise mit Öffnungen (62) in der Metall-Zwischenplatte (46) fluchten.
23. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) zur beidseitigen Zuleitung und Ableitung von Kühlmittel ausgebildet ist, wobei an den beiden Enden der Anode (30) jeweils eine Kühlmittelzuleitung und eine zugeordnete Kühlmittelableitung angeordnet ist.
24. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) einen Untersuchungsbereich (U) mindestens teilweise umschließt, wobei die Röntgenquellen (Q.) den Untersuchungsbereich (U) ebenfalls mindestens teilweise umschließen.
25. MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) bogenförmig ausgebildet ist.
26. MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) als rotierende Anode ausgebildet ist.
27. Anordnung mehrerer nach Anspruch 1 ausgebildeter MBFEX-Röhren (1), wobei durch die Gesamtheit der MBFEX-Röhren (1) eine den Untersuchungsbereich (U) mindestens teilweise umschließende Ring-, Bogen-, Polygon-, L-, oder U-Form gebildet ist.
28. Verfahren zur Herstellung einer MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 1, wobei eine
Vakuumröhre (20), eine in der Vakuumröhre (20) zu platzierende Anode (30) und zur Feldemission von Elektronen ausgebildete, ebenfalls in der Vakuumröhre (20) anzuordnende Kathoden (40,41,42) bereitgestellt werden, und wobei mindestens ein zwischen den Kathoden (40,41,42) und der Anode (30) anzuordnendes Element, welches aus der Gruppe an Elementen ausgewählt ist, die ein Extraktionsgitter (71) und eine Fokussierungselektrode (72) umfasst, durch Laser bearbeitet wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitung des Elementes (71,72) mit Pikosekunden- oder Femtosekunden Taktung des Lasers erfolgt.
30. Verfahren zum Betrieb einer MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 1, wobei die Anode (30) zur Emission von aufeinander folgenden Röntgenstrahlpulsen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird.
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