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Dokumentenidentifikation DE19639920A1 30.04.1998
Titel Röntgenröhre mit variablem Fokus
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Hell, Erich, Dr., 91054 Erlangen, DE;
Schardt, Peter, Dr., 91341 Röttenbach, DE
DE-Anmeldedatum 27.09.1996
DE-Aktenzeichen 19639920
Offenlegungstag 30.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse H01J 35/14
IPC-Nebenklasse H01J 35/10   
Zusammenfassung Röntgenröhre mit einem evakuierten Gehäuse, in dem fest damit verbunden eine Elektronen emittierende Kathode und eine über eine Antriebsvorrichtung drehbare Drehanode mit einem Anodenteller, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektronenstrahl trifft, angeordnet sind, und mit einem elektromagnetischen System zum Ablenken und Fokussieren des Elektronenstrahls mit mehreren stromdurchflossenen Spulenelementen, wobei die Kathode einen rotationssymmetrischen Rundstrahl erzeugt, die Drehachse des Anodentellers parallel gegenüber der Achse des Elektronenstrahls um den mittleren Radius des Anodentellerrandes versetzt ist, und das elektromagnetische System ein den Strahlquerschnitt verformendes Dipol-freies Quadrupolfeld erzeugt.

Beschreibung[de]

Erfindung bezieht sich aufeine Röntgenröhre mit einem evakuierten Gehäuse, in dem fest damit verbunden eine Elektronen emittierende Kathode und eine über eine Antriebsvorrichtung drehbare Drehanode mit einem Anodenteller, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektronenstrahl trifft, angeordnet sind, und mit einem elektromagnetischen System zum Ablenken und Fokussieren des Elektronenstrahls mit mehreren stromdurchflossenen Spulenelementen.

Leistungsfähige Röntgenröhren für die medizinische Diagnostik werden seit vielen Jahren entweder als Drehkolbenröhren gebaut, bei denen die Kathode und die Anode fest mit dem Gehäuse verbunden sind und während des Betriebs der Röntgenröhre mit diesem rotieren, oder aber auch nach dem Drehanodenprinzip, bei dem das Gehäuse und die Kathode fest stehen und nur die Drehanode im Gehäuse rotierend angetrieben ist. Im wesentlichen bestimmt die Ausführung der Anode die Belastbarkeit der Röhre. An die Anode werden dabei zwei gegensätzliche Anforderungen gestellt, da zum einen mit einem kleinen Brennfleck der Grundstock für eine hohe MTF gelegt werden soll, während zum anderen ein hoher Röntgenfluß zur Minimierung der Aufnahmezeiten angestrebt wird. Beide Forderungen können jedoch nicht simultan erfüllt werden, so daß der behandelnde Arzt je nach Anwendung den bestmöglichen Kompromiß zwischen Auflösung und Röntgenleistung einstellen muß. Dazu stehen ihm in modernen Röntgenanlagen mehrere Brennfleckgrößen zur Auswahl, wobei üblicherweise heute zwei oder drei Größen vorgesehen sind. Das technische Problem liegt in der Art und Weise wie die verschiedenen Brennfleckgrößen realisiert werden.

Einige moderne Röntgenröhren besitzen spezielle Fokusköpfe, in denen für jede Brennfleckgröße eine eigene Wolframwendel eingebaut ist. Verschiedene Brennflecke werden dann durch Umschalten der Wendel realisiert. Die Berechnung und Fertigung dieser Fokusköpfe ist jedoch sehr aufwendig und die Typenvielfalt sehr groß. Darüber hinaus müssen enge Toleranzen sehr genau eingehalten werden, da es bei einer fertiggestellten Röhre keine Korrekturmöglichkeit für die Brennfleckgröße mehr gibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre mit einer Drehanode so auszugestalten, daß bei relativ einfachem Aufbau während des Betriebs ein in weitem Umfang in seiner Größe und Form veränderbarer Strichfokus auf der Anode erzeugt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kathode einen rotationssymmetrischen Rundstrahl erzeugt, daß die Drehachse der Drehanode parallel gegenüber der Elektronenstrahlachse um den mittleren Radius des Anodentellerrandes versetzt ist, und daß das elektromagnetische System ein den Strahlquerschnitt verformendes Dipol-freies Quadrupolfeld erzeugt.

Durch die besondere Art und Weise der Versetzung der Elektronenstrahlachse gegenüber der Drehachse der Drehanode derart, daß der Strahl von der Kathode kommend in gerader Flugrichtung auf den geneigten Rand der Drehanode auftrifft, bedarf es überhaupt keines ablenkenden Dipolfeldes mehr, so daß das erfindungsgemäße Dipol-freie Quadrupolfeld ausschließlich dazu dient, den zunächst runden Elektronenstrahl in einer Richtung zu fokussieren und in der dazu senkrechten Richtung zu defokussieren. Aus einem runden parallelen Strahl der Ausdehnung x = y = r wird nach dem Durchlaufen eines Quadrupolfeldes mit der Fokussierstärke 1/f und einer Driftstrecke der Länge L ein flacher Strahl mit den Abmessungen x = r . (1-L/f) und y = r . (1 + L/f).

Das Magnetsystem kann auf Massepotential liegen und von einer Stromquelle angesteuert-werden. Gegebenenfalls kann es auch die bei CT-Röhren angewandte Wobbelung des Brennflecks übernehmen, wenn dem Gleichstrom zur Erzeugung des Quadrupolfeldes ein Wechselstrom in geeigneter Weise überlagert wird.

In Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß das Gehäuse einen zur Drehanodenachse parallel versetzten Ansatz zur Aufnahme der Kathode mit einer Einschnürung für die Spulenelemente aufweist. Durch diese Ausbildung läßt sich erreichen, daß die Spulenelemente zur Erzeugung des Quadrupolfeldes sehr nahe an der Elektronenstrahlachse angeordnet sein können, so daß mit verhältnismäßig geringen Stromstärken und auch mit nicht allzu großen Spulen ein starkes Quadrupolfeld erzielt werden kann. Wegen der fehlenden Notwendigkeit einer Ablenkung des Elektronenstrahls, um ihn auf den Rand des Drehtellers der Drehanode auftreffen zu lassen, bedarf es ja nur eines geringen Innendurchmessers des Gehäuses im Bereich der Elektronenstrahlführung.

Die Spulenelemente für das Quadrupolfeld können mit Vorteil an einem gemeinsamen, das Gehäuse zumindest teilweise umgebenden, im bevorzugten Fall als im wesentlichen zylindrischer, ggf. offener, Ring ausgebildeten Träger angeordnet sein.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, daß der Träger, insbesondere in Form eines Eisenjochs, zum Gehäuse weisende Polvorsprünge aufweist, an denen die Spulenelemente befestigt sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Drehanoden-Röntgenröhre mit variablem Fokus,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Trägers mit daran angeordneten Spulenelementen, und

Fig. 3 das von den Spulenelementen erzeugte Quadrupolfeld.

Fig. 1 zeigt eine Drehanoden-Röntgenröhre 1 mit einem feststehenden Gehäuse 2, in dem um eine Drehachse 3 der Anodenteller 4 rotierend gelagert ist. 5 und 6 zeigen Kugellager zur Drehlagerung der Welle 7 des Anodentellers 4 und bei 8 erkennt man den Rotor des Antriebssystems. Versetzt zur Drehachse 3 ist am Gehäuse 2 ein Gehäuseansatz 9 angeordnet, der die im Kathodenisolator 10 sitzende Kathode 11 und ihre Fokussierungselektrode 12 aufnimmt. Dieses Elektronenstrahlerzeugungssystem aus der Kathode 11 und der Fokussierungselektrode 12 erzeugt einen rotationssymmetrischen Rundstrahl 13, der durch die genannte Versetzung des Gehäuseansatzes 9 gegenüber der Drehachse 3 auf den schrägen Tellerrand 14 der Drehanode 4 auftrifft und dort die aus dem Sichtfenster 15 der Seitenwand 16 des Gehäuses 2 austretende Röntgenstrahlung 17 erzeugt. Der Gehäuseansatz 9 ist mit einer Einschnürung 18 versehen, um die herum ein elektromagnetisches System 19 zur Erzeugung eines Dipol-freien Quadrupolfeldes angeordnet ist, um den zunächst runden Elektronenstrahl 13 in einer Richtung zu fokussieren und in der anderen zu defokussieren, so daß durch einfache von außen steuerbare Parameter der Brennfleck der Röntgenröhre kontinuierlich in weiten Grenzen eingestellt werden kann. Durch die Variation der Fokussierungsspannung (absolute Größe) und des Quadrupolstroms (Längenverhältnis) läßt sich für jede Anwendung ein Brennfleck gemäß IEC-Norm 336 erzeugen.

Der Kathodenteil kann sehr einfach aufgebaut werden, wobei eventuelle Ungenauigkeiten beim Herstellungsprozeß nachträglich korrigierbar sind und nicht mehr zum Ausfall der Röntgenröhre führen.

Das elektromagnetische System 19 zur Erzeugung des Dipolfreien Quadrupolfeldes besteht aus einem Träger 20 in Form eines zylindrisch- und kreisförmig ausgebildeten Eisenjochs mit vier an seiner Innenseite angeordneten radial vorspringenden Polvorsprüngen 21. Diese Polvorsprünge 21 sind gleichmäßig zueinander um jeweils einen Winkel von 90° beabstandet und weisen im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Abstand der einander gegenüberliegenden Polvorsprünge 21 ist derart bemessen, daß er gerade dem Außendurchmesser des zylindrischen eingeengten Bereichs 18 des Gehäusevorsprungs 9 entspricht, da der Träger 20 um diesen Bereich herum anzuordnen ist. Dies erfordert natürlich, daß der Träger 20 zunächst geteilt und durch geeignete Mittel anschließend wieder zusammengehalten wird. An den Enden der Polvorsprünge 21 sind jeweils Spulenelemente 22 vorgesehen, die in Fig. 2 nur sehr schematisch dargestellt sind. Diese Spulenelemente 22, die auch aus einer einzigen Wicklung bestehen können, sind stromdurchflossen und dienen zur Erzeugung des zur Fokussierung und Defokussierung, also zur Veränderung des Strahlquerschnitts, dienenden Quadrupolfeldes.

Dieses Quadrupolfeld ist in Fig. 3 dargestellt. Dort sind die Pole I und III jeweils Nordpole und die Pole II und IV Südpole. Das erzeugte Quadrupolfeld hat die Eigenschaft, den Elektronenstrahl in einer Richtung zu defokussieren, d. h. der Elektronenstrahl wird in eine Richtung auseinandergezogen und in der dazu senkrechten Richtung zusammengeführt, so daß sich seine Breite verringert. Auf diese Weise ist die Einstellung eines Strichfokus möglich. Die Fläche des Elektronenstrahls ändert sich hierbei nicht, lediglich das Verhältnis von Länge zu Breite. Die Größe selbst ist allerdings mit der Fokussierungselektrode 12 einstellbar.


Anspruch[de]
  1. 1. Röntgenröhre mit einem evakuierten Gehäuse, in dem fest damit verbunden eine Elektronen emittierende Kathode und eine über eine Antriebsvorrichtung drehbare Drehanode mit einem Anodenteller, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektronenstrahl trifft, angeordnet sind, und mit einem elektromagnetischen System zum Ablenken und Fokussieren des Elektronenstrahls mit mehreren stromdurchflossenen Spulenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) einen rotationssymmetrischen Rundstrahl (13) erzeugt, daß die Drehachse (3) des Anodentellers (4) parallel gegenüber der Achse des Elektronen-Rundstrahls (13) um den mittleren Radius des Anodentellerrandes (14) versetzt ist, und daß das elektromagnetische System (19) ein den Strahlquerschnitt verformendes Dipol-freies Quadrupolfeld erzeugt.
  2. 2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einen zur Drehanodenachse (3) parallel versetzten Ansatz (9) zur Aufnahme der Kathode (11) und ihrer Fokussierungselektrode (12) mit einer Einschnürung für das elektromagnetische System (19) aufweist.
  3. 3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenelemente (22) des elektromagnetischen Systems (19) an einem gemeinsamen, den Gehäuseansatz (9) zumindest teilweise umgebenden Träger (20) angeordnet sind.
  4. 4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) als im wesentlichen zylindrischer, ggf. offener, Ring ausgebildet ist.
  5. 5. Röntgenröhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) zum Gehäuseansatz (9) weisende Polvorsprünge (21) aufweist, an denen die Spulenelemente (22) befestigt sind.
  6. 6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) und die Polvorsprünge (21) aus laminiertem oder massivem Eisen sind.
  7. 7. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) und die Polvorsprünge (21) aus Ferrit bestehen.
  8. 8. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Spulenelementen (22) zur Erzeugung des Quadrupolfeldes ein Wechselstrom zur Wobbelung des Brennflecks überlagert ist.






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