DE19743163A1 - Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer Kathode und einer Anode, welche in einem Vakuumgehäuse angeordnet sind, bei der der von der Kathode ausgehende Elektronenstrahl in einem Brennfleck auf der Anode auftrifft, wobei Mittel zur Ablenkung des Elektronenstrahles vorgesehen sind.

Die Möglichkeit der Ablenkung des Elektronenstrahles und da­ mit des Brennfleckes ist insbesondere im Zusammenhang mit der Computertomographie von Bedeutung, da hier durch die an sich bekannte Maßnahme, den Brennfleck zwischen zwei Endpositionen zu verlagern, über die so erreichte Vervielfachung der zur Berechnung des Bildes einer Körperschicht zur Verfügung stehenden Daten eine Verbesserung der Bildqualität erzielbar ist.

Eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art ist in der DE 41 25 926 A1 beschrieben, wobei die Mittel zur Ablenkung des Elektronenstrahls durch eine außerhalb des Vakuumgehäuse angeordnete Luftspule gebildet sind. Diese Luftspule ist sehr voluminös ausgeführt. Außerdem muß der Luftspule zur Bewir­ kung einer bestimmten Ablenkung des Elektronenstrahls eine erhebliche elektrische Leistung zugeführt werden, so daß im Zusammenhang mit der Ablenkung des Elektronenstrahls uner­ wünscht viel Verlustwärme frei wird, was in Anbetracht der beim Betrieb von Röntgenröhren ohnehin auftretenden thermi­ schen Probleme einen weiterer Nachteil darstellt. Allerdings weist die Luftspule gute Übertragungseigenschaften auch im Falle der Ansteuerung mit Signalen höherer Frequenz oder mit Signalen, die höherfrequente Signalanteile enthalten, auf. Solche Signale werden bei neueren Computertomographen zur Ablenkung des Elektronenstrahles verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die zur Ablen­ kung des Elektronenstrahles erforderliche elektrische Lei­ stung, die bei der Ablenkung des Elektronenstrahles auftre­ tende Verlustleistung und der Bauraumbedarf für die Mittel zum Ablenken des Elektronenstrahles gering sind und dennoch gute Übertragungseigenschaften im Falle der Ansteuerung der Mittel zum Ablenken des Elektronenstrahles mit Signalen hö­ herer Frequenz (< 20 kHz) oder Signalen, die höherfrequente Signalanteile enthalten, vorliegen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Rönt­ genröhre mit einer Kathode und einer Anode, welche in einem Vakuumgehäuse angeordnet sind, bei der der von der Kathode ausgehende Elektronenstrahl in einem Brennfleck auf der Anode auftrifft, wobei zur Ablenkung des Elektronenstrahles ein Elektromagnet vorgesehen ist, welcher ein U-förmiges Joch mit zwei durch einen Basisabschnitt miteinander verbundenen Schenkeln und eine den Basisabschnitt umgebende Wicklung auf­ weist, wobei der Elektronenstrahl zwischen den beiden Schen­ keln hindurch verläuft, und wobei das Joch aus aufeinander geschichteten Blechlamellen gebildet ist, die in wenigstens im wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung des Elektronen­ strahles liegenden Flächen liegen.

Im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind also die Mittel zum Ablenken des Elektronenstrahles durch einen Elek­ tromagneten gebildet. Die Blechlamellen von dessen Joch sind derart angeordnet, daß sie in wenigstens im wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung des Elektronenstrahles verlau­ fenden, d. h. parallel zu der Richtung der Magnetfeldlinien verlaufenden, Flächen liegen. Hierdurch ergibt sich in dem Joch eine gleichmäßige Flußdichte des magnetischen Flusses, der alle Blechlamellen erfaßt. Daraus resultieren bessere Übertragungseigenschaften im Bereich höherer Frequenzen, d. h. je nach Grundfrequenz des der Wicklung zugeführten Signalen zumindest für dessen höhere Oberwellen, was im Falle von sägezahn-, trapez- oder dreieckförmigen Signalen für gute Übertragungseigenschaften wesentlich ist. Außerdem sind die Verluste in dem Joch gering, so daß eine geringe Leistung zur Ansteuerung der Wicklung ausreicht und die in Wärme umge­ setzte Verlustleistung ebenfalls gering ist.

Wenn der Elektronenstrahl gemäß einer Variante der Erfindung auf seinem Weg zu der Anode in einem schachtförmigen Gehäuse­ teil des Vakuumgehäuses verläuft, das sich zwischen den Schenkeln befindet, ist gewährleistet, daß die Schenkel des Jochs sich dicht bei dem abzulenkenden Elektronenstrahl be­ finden, mit der Folge, daß die Leistung, die der Wicklung zu­ geführt werden muß, um eine bestimmte Ablenkung des Elektro­ nenstrahles zu bewirken, nochmals geringer ist und die bei der Ablenkung des Elektronenstrahles anfallende Verlustlei­ stung nochmals sinkt. Der Elektromagnet fällt außerdem klein und kostengünstig aus. Besonders günstige Verhältnisse erge­ ben sich, wenn der Querschnitt des schachtförmigen Gehäuse­ teiles die für einen ungehinderten Durchtritt des Elektronen­ strahles erforderliche Größe nicht wesentlich übersteigt.

Eine eventuelle Defokussierung des Elektronenstrahles läßt sich minimieren, wenn der Elektromagnet gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung derart angeordnet ist, daß der Elek­ tronenstrahl eine Gerade, die die Mittelachsen der parallelen Schenkel unter einem rechten Winkel und außerdem die Haupt­ ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls schneidet, wenig­ stens im wesentlichen auf halber Länge schneidet. Der Elek­ tronenstrahl nimmt dann im Hinblick auf die Symmetrie des Magnetfeldes zu der die Mittelachsen der parallelen Schenkel des Joches enthaltenden Ebene einen Verlauf, der in weitge­ hender Weise sicherstellt, daß die auf dem Weg des Elektro­ nenstrahls durch den auf der einen Seite der genannten Ebene befindlichen Teil des Magnetfeldes auftretenden Defokussie­ rungserscheinungen auf dem Weg des Elektronenstrahls durch den auf der anderen Seite der genannten Ebene befindlichen Teil des Magnetfeldes wieder eliminiert werden.

Wenn vorstehend von der Hauptausbreitungsrichtung des Elek­ tronenstrahls gesprochen wird, ist darunter die Richtung des Elektronenstrahls zu verstehen, die dieser an der Durch­ trittsstelle durch die die Mittelachsen der beiden parallelen Abschnitte der Schenkel des Joches enthaltenden Ebene auf­ weist, wenn der Elektronenstrahl zwischen den beiden durch die Ablenkung des Elektronenstrahls erreichbaren Endpositio­ nen liegende mittlere Position einnimmt.

Um sicherzustellen, daß ein homogenes Magnetfeld ausreichen­ der Erstreckung vorhanden ist, ist gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen, daß die Länge der Schenkel länger als die größte Erstreckung des schachtförmigen Gehäuseteiles in Richtung der Mittelachsen der parallelen Abschnitte der Schenkel ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre in schematischer Darstellung im Längsschnitt,

Fig. 2 in teilweiser Darstellung einen Schnitt gemäß der Li­ nie II-II in Fig. 3, und

Fig. 3 in teilweiser Darstellung einen Schnitt gemäß der Li­ nie III-III in Fig. 2.

Die Röntgenröhre gemäß Fig. 1 weist eine feststehende Kathode 1 und eine insgesamt mit 2 bezeichnete Drehanode auf, die in einem vakuumdichten, evakuierten Vakuumgehäuse 3 angeordnet sind, das seinerseits in einem mit einem elektrisch isolie­ renden, flüssigen Kühlmedium, z. B. Isolieröl, gefüllten Schutzgehäuse 4 aufgenommen ist. Die Drehanode 2 ist mittels zweier Wälzlager 6, 7 und einer Lagerhülse 8 auf einer fest­ stehenden Achse 5 in dem Vakuumgehäuse 3 drehbar gelagert.

Die zu der Mittelachse M der Achse 5 rotationssymmetrisch ausgebildete Drehanode 2 weist eine beispielsweise mit einer Schicht einer Wolfram-Rhenium-Legierung versehene Auftreff­ fläche 9 auf, auf die ein von der Kathode 1 ausgehender Elek­ tronenstrahl 10 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung auftrifft. (In den Fig. 1 und 3 ist nur die Mittelachse des Elektronen­ strahls 10 strichliert dargestellt). Das entsprechende Nutz­ röntgenstrahlenbündel, von dem in Fig. 1 nur der Zentral­ strahl Z dargestellt ist, tritt durch in dem Vakuumgehäuse 3 und dem Schutzgehäuse 4 vorgesehene, miteinander fluchtend angeordnete Strahlenaustrittsfenster 11 und 12 aus.

Zum Antrieb der Drehanode 2 ist ein insgesamt mit 13 bezeich­ neter, als Kurzschlußläufermotor ausgebildeter Elektromotor vorgesehen, der einen auf das Vakuumgehäuse 3 aufgesetzten Stator 15 und einen innerhalb des Vakuumgehäuses 3 befindli­ chen, drehfest mit der Drehanode 2 verbundenen Rotor 16 auf­ weist.

An das Erdpotential 17 führende, abgesehen von einem die Ka­ thode 1 tragenden Isolator 20 und zwei die Achse 5 aufnehmen­ den Isolatoren 22 und 24 aus metallischem Werkstoff gebildete Vakuumgehäuse 3 ist ein trichterförmiger Gehäuseabschnitt 18 angesetzt, der über ein schachtförmiges Gehäuseteil 18a mit dem übrigen Vakuumgehäuse 3 verbunden ist. Die Kathode 1 ist an dem trichterförmigen Gehäuseabschnitt 18 mittels des Iso­ lators 20 angebracht. Die Kathode 1 befindet sich somit sozu­ sagen in einer besonderen Kammer des Vakuumgehäuses 3, die mit diesem über das schachtförmige Gehäuseteil 18a verbunden ist.

Die positive Hochspannung +U für die Drehanode 2 liegt an der Achse 5 an, die vakuumdicht in dem Isolator 22 aufgenommen ist. Der Röhrenstrom fließt also über die Wälzlager 6 und 7.

Wie aus der schematischen Darstellung der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt an dem einen Anschluß der Kathode 1 die negative Hochspannung -U an. Zwischen den beiden Anschlüssen der Ka­ thode 1 liegt die Heizspannung U_H. Die zu der Kathode 1, der Achse 5, dem Vakuumgehäuse 3 und dem Stator 15 führenden Lei­ tungen stehen mit einer außerhalb des Schutzgehäuses 4 be­ findlichen, nicht dargestellten Spannungsversorgung an sich bekannter Art in Verbindung, die die zum Betrieb der Röntgen­ röhre erforderlichen Spannungen liefert. Aus den vorstehenden Ausführungen wird deutlich, daß die Röntgenröhre gemäß Fig. 1 zweipolig ausgeführt ist.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß der von der Kathode 1 ausgehende Elektronenstrahl 10 auf seinem Weg zur Drehanode 2 durch das schachtförmige Gehäuseteil 18a verläuft. Das schachtförmige Gehäuseteil 18a begrenzt also eine Blendenöff­ nung 27. Deren Abmessungen sind derart gewählt, daß sie die für einen ungehinderten Durchtritt des Elektronenstrahles 10 erforderlichen Abmessungen nicht wesentlich überschreitet.

Das trichterförmige Gehäuseteil 18 und die in Fig. 1 obere Wand des Vakuumgehäuses 3 - zumindest diese Teile, vorzugs­ weise jedoch alle metallischen Teile des Vakuumgehäuses 3 sind aus unmagnetischen Materialien, z. B. Edelstahl, gebil­ det - begrenzen somit einen außerhalb des Vakuumgehäuses 3 be­ findlichen, radial nach außen offenen Ringraum, in dem ein in Fig. 1 schematisch angedeuteter Elektromagnet 31 angeordnet ist, der dazu dient, ein magnetisches Ablenkfeld für den Elektronenstrahl 10 zu erzeugen, das diesen senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1 ablenkt.

Der Elektromagnet 31 weist ein U-förmiges Joch 33 mit zwei durch einen Basisabschnitt 34 miteinander verbundene Schen­ keln 35, 36 und eine den Basisabschnitt 34 umgebende Wicklung 37 auf. Der Elektromagnet 31 ist derart angeordnet, daß sich das schachtförmige Gehäuseteil 18a zwischen den beiden Schen­ keln 35, 36 des Joches 33 befindet, die an dem schachtförmi­ gen Gehäuseteil 18a anliegen.

Die Wicklung 37 des Elektromagneten 31 steht mit ihren mit I_S bezeichneten Anschlüssen mit einer nicht dargestellten Strom­ quelle in Verbindung, die im Betrieb der Röntgenröhre einen Strom durch die Wicklung 37 fließen läßt. Wenn es sich bei dem durch die Wicklung fließende Strom um einen Gleichstrom handelt, wird der Elektronenstrahl 10 statisch abgelenkt, so daß die statische Lage des Brennfleckes justiert werden kann. Auf diese Weise ist es beispielsweise bei der Verwendung der Röntgenröhre in einem Computertomographen möglich, die Lage des Brennfleckes relativ zu dem Drehzentrum der Gantry des Computertomographen und zu dem der Röntgenröhre gegenüberlie­ gend an der Gantry angebrachten Strahlendetektor zu justie­ ren. Falls eine periodische Ablenkung des Elektronenstrahls 10 erwünscht ist, hat der von der Ablenkschaltung gelieferte Strom einen beispielsweise sinusförmigem, vorzugsweise säge­ zahn-, trapez- oder dreieckförmigen Verlauf.

Das in an sich bekannter Weise aus dünnen Blechlamellen auf­ gebaute Joch 33 ist derart geformt, daß die Schenkel 35, 36 Mittelachsen M₁, M₂ aufweisen, die wenigstens im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und in einer gemeinsamen Ebene E liegen. Die beiden im Falle des beschriebenen Ausführungs­ beispiels geradlinigen Schenkel 35, 36 weisen eine Länge L auf, die größer als die größte Erstreckung des schachtförmi­ gen Gehäuseteiles 18a in Richtung der Mittelachsen M₁, M₂ der Schenkel 35, 36 ist. Es versteht sich, daß zur Vermeidung von Beeinträchtigungen der Magnetisierungseigenschaften die Blechlamellen nach ihrer Bearbeitung (Schneiden und Biegen) geglüht werden müssen, um durch die Bearbeitung bedingte Ge­ fügeveränderungen wieder rückgängig zu machen.

Die Blechlamellen sind, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, derart angeordnet, daß sie in wenigstens im wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung des Elektronenstrahles verlau­ fenden, d. h. parallel zu der Richtung der Magnetfeldlinien verlaufenden, Flächen liegen. Hierdurch ergibt sich in dem Joch 33 eine gleichmäßige Flußdichte des magnetischen Flus­ ses, der alle Blechlamellen erfaßt. Daraus resultieren bes­ sere Übertragungseigenschaften im Bereich höherer Frequenzen, d. h. zumindest der höheren Oberwellen der der Wicklung 37 zu­ geführten sägezahn-, trapez- oderdreieckförmigen Signale. Außerdem sind die Verluste in dem Joch 33 geringer, so daß eine geringere Leistung zur Ansteuerung der Wicklung aus­ reicht und die in Wärme umgesetzte Verlustleistung sinkt.

Der Elektromagnet 31 ist derart an dem Vakuumgehäuse ange­ bracht, daß die strichliert dargestellte Hauptausbreitungs­ richtung des Elektronenstrahls 10 wenigstens im wesentlichen rechtwinklig zu der die Mittelachsen der Schenkel 35, 36 ent­ haltenden Ebene E verläuft, so wie dies aus Fig. 1 in Verbin­ dung mit den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, wobei in Fig. 3 auch der Verlauf des Elektronenstrahls für die beiden durch die Ablenkung des Elektronenstrahls erreichbaren Endpositio­ nen punktiert dargestellt und mit R' und R'' bezeichnet ist.

Der Elektromagnet 31 ist weiter derart angeordnet, daß der Elektronenstrahl 10 eine Gerade G, die die Hauptausbreitungs­ richtung des Elektronenstrahls 10 und die Mittelachsen M₁, M₂ der Schenkel 35, 36 unter einem wenigstens im wesentlichen rechten Winkel schneidet, wenigstens im wesentlichen in der Mitte schneidet. Damit weist der Elektronenstrahl 10 in der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Weise einen Abstand von den Enden der Schenkel 35, 36 auf, der größer als der im Be­ reich des Elektronenstrahles 10 vorliegende Abstand zwischen den Schenkeln 35, 36 ist.

Damit befindet sich der Elektronenstrahl nicht in dem Bereich maximaler Feldstärke, die im Bereich der Enden der Schenkel 35, 36 vorliegt, sondern im Bereich des Streufeldes, das aber zwischen den Schenkeln im Abstand von deren Enden sehr homo­ gen ist, was die Grundvoraussetzung für die Vermeidung von Defokussierungserscheinungen darstellt.

Infolge der beschriebenen Ausbildung des Elektromagneten 31, ist dessen Magnetfeld zu der die Mittelachsen M₁, M₂ der Schenkel 35, 36 enthaltenden Ebene E symmetrisch. Dies und die beschriebene Anordnung des Elektromagneten relativ zu dem Vakuumgehäuse 3 hat zur Folge, daß Defokussierungserschei­ nungen, die auftreten, wenn der Elektronenstrahl auf seinem Weg durch das schachtförmige Gehäuseteil 18a den auf der einen Seite der Ebene E befindlichen Teil des Magnetfeldes durchläuft, praktisch vollständig wieder rückgängig gemacht werden, wenn der Elektronenstrahl den auf der anderen Seite der Ebene E liegenden Teil des Magnetfeldes durchläuft.

Durch die beschriebene Anordnung des Elektromagneten 31 wird weiter erreicht, daß sich die Schenkel 35, 36 des Joches 33 sehr nahe bei dem Elektronenstrahl 10 befinden können und so­ mit nur eine geringe Leistung zur Ablenkung des Elektronen­ strahles erforderlich ist. Zum anderen kann die Verlustlei­ stung des Elektromagneten 31 problemlos an das in dem Schutz­ gehäuse 4 befindliche Kühlmedium abgegeben werden.

Außerdem ist der Elektromagnet 31 sehr kompakt und kann sehr leicht, beispielsweise mittels eines mit dem Vakuumgehäuse 3 verschraubten Klemmteiles 38, an dem Vakuumgehäuse 3 fixiert werden.

Es versteht sich, daß bei der Dimensionierung des schachtför­ migen Gehäuseteiles 18a und damit der Blendenöffnung 27 die Größe der Ablenkung des Elektronenstrahles 10 mittels des Elektromagneten 31 berücksichtigt ist.

Da das Vakuumgehäuse 3 auf Erdpotential und damit einem posi­ tiveren Potential als die Kathode 1 liegt, wird ein großer Teil der von der Drehanode 2 zurückgestreuten Elektronen von den die Blendenöffnung 27 begrenzenden und an diese anschlie­ ßenden Bereichen des Vakuumgehäuses 3 eingefangen. Abgesehen von seiner eigentlichen Aufgabe erfüllt das Vakuumgehäuse 3 insbesondere im Bereich des Gehäuseteiles 18a also die Funk­ tion einer zur Verminderung der extrafokalen Strahlung die­ nenden Blende.

Da das die Blendenöffnung 27 im wesentlichen begrenzende bzw. aufweisende Gehäuseteil 18a von einem kleinen Bereich abgese­ hen, in dem die Schenkel 35, 36 des Joches 33 an der Außen­ seite des Gehäuseteiles 18a anliegen, direkt mit in dem Schutzgehäuse 4 befindlichen Kühlmedium in Kontakt stehen, ist eine gute Kühlung gewährleistet, so daß thermische Pro­ bleme nicht auftreten können.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Röntgenröhre handelt es sich um eine sogenannte zweipolige Röntgenröhre. Die erfindungsge­ mäße Röntgenröhre kann aber auch als sogenannte einpolige Röntgenröhre ausgeführt sein. Dann führen das Vakuumgehäuse 3 und die Drehanode 2 das gleiche Potential, nämlich Erdpoten­ tial 17, während an der Kathode 1 die negative Hochspan­ nung -U liegt. Um zu erreichen, daß die Drehanode 2 und das Vakuum­ gehäuse 3 beide auf Erdpotential 17 liegen, kann z. B. an­ stelle des Isolators 22 und/oder des Isolators 24 ein aus ei­ nem elektrisch leitenden Werkstoff gebildetes Lagerschild vorgesehen sein, so daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Drehanode 2 und dem Vakuumgehäuse 3 besteht. Al­ ternativ oder zusätzlich kann die Achse 5 mit Erdpotential 17 verbunden sein.

Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles befindet sich der Elektromagnet vollständig außerhalb des Vakuumgehäu­ ses. Es ist jedoch auch möglich, den Elektromagneten ganz oder teilweise innerhalb des Vakuumgehäuses anzuordnen, wobei sich in letzterem Fall vorzugsweise die Wicklung außerhalb des Vakuumgehäuses befindet.

Obwohl die Erfindung ausschließlich anhand einer Röntgenröhre mit Drehanode erläutert wurde, kann sie auch bei Röntgenröh­ ren mit fester Anode Verwendung finden.

Claims (4)

1. Röntgenröhre mit einer Kathode (1) und einer Anode (2), welche in einem Vakuumgehäuse (3) angeordnet sind, bei der der von der Kathode (1) ausgehende Elektronenstrahl (10) in einem Brennfleck auf der Anode (2) auftrifft, wobei zur Ablenkung des Elektronenstrahles (10) ein Elektromagnet (31) vorgesehen ist, welcher ein U-förmiges Joch (33) mit zwei durch einen Basisabschnitt (34) miteinander verbundenen Schenkeln (35, 36) und eine den Basisabschnitt (34) umgebende Wicklung (37) aufweist, wobei der Elektronenstrahl (10) zwischen den beiden Schenkeln (35, 36) hindurch verläuft, und wobei das Joch aus aufeinander geschichteten Blechlamellen gebildet ist, die in wenigstens im wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung des Elektronenstrahles liegenden Flächen liegen.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der der Elektronenstrahl (10) auf seinem Weg zu der Anode (2) in einem schachtförmigen Gehäuseteil (18a) des Vakuumgehäuses (3) verläuft, das sich zwischen den Schenkeln (35, 36) befindet.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, deren Elektromagnet (31) derart angeordnet ist, daß der Elektronenstrahl (10) eine Gerade (G), die die Mittelachsen (M₁, M₂) der parallelen Abschnitte (35a, 36a) der Schenkel (35, 36) unter einem we­ nigstens im wesentlichen rechten Winkel und die Hauptausbrei­ tungsrichtung (R) des Elektronenstrahls (10) schneidet, we­ nigstens im wesentlichen in der Mitte schneidet.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Länge (L) der Schenkel (35, 36) größer als die größte Erstreckung des schachtförmigen Gehäuseteiles (18a) in Richtung der Mittel­ achsen (M₁, M₂) der Schenkel (35, 36) ist.