EP0224786B1 - Röntgenstrahler - Google Patents

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EP0224786B1
EP0224786B1 EP86115942A EP86115942A EP0224786B1 EP 0224786 B1 EP0224786 B1 EP 0224786B1 EP 86115942 A EP86115942 A EP 86115942A EP 86115942 A EP86115942 A EP 86115942A EP 0224786 B1 EP0224786 B1 EP 0224786B1
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EP
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tube
ray
anode
cathode
rays
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EP86115942A
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Klaus Dr. Haberrecker
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/24—Tubes wherein the point of impact of the cathode ray on the anode or anticathode is movable relative to the surface thereof
    • H01J35/30—Tubes wherein the point of impact of the cathode ray on the anode or anticathode is movable relative to the surface thereof by deflection of the cathode ray
    • H01J35/305—Tubes wherein the point of impact of the cathode ray on the anode or anticathode is movable relative to the surface thereof by deflection of the cathode ray by using a rotating X-ray tube in conjunction therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/14—Arrangements for concentrating, focusing, or directing the cathode ray
    • H01J35/153—Spot position control
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details
    • H05G1/26—Measuring, controlling or protecting
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details
    • H05G1/26—Measuring, controlling or protecting
    • H05G1/30—Controlling
    • H05G1/52—Target size or shape; Direction of electron beam, e.g. in tubes with one anode and more than one cathode

Definitions

  • the invention relates to x-ray emitters according to the preamble of claim 1.
  • Such emitters are known, for example, from EP-A 0 154 699.
  • GB-PS 365 432 describes an X-ray emitter that comes from the time when the principle of rotating anodes was introduced in X-ray technology.
  • the tube with rigidly installed cathode and anode should be rotated around the longitudinal axis of the arrangement.
  • the electron beam generated in the center was deflected radially and held magnetically. Due to mechanical difficulties, this solution was not able to prevail.
  • the thermal expansion of parts of the tube that occur during manufacture or operation can also lead to geometrical changes in the position of the electrodes, etc., which likewise undesirably influence the beam and its position.
  • the rotating anode can also exert such an influence because the rotation can act on vibrations.
  • the invention has for its object to achieve a defined position of the focal spot and uniform distribution of the radiation in the emitted X-ray beam in an X-ray emitter according to the preamble of claim 1 and to keep the effort required low. This object is achieved with the measures specified in the features of the characterizing part of patent claim 1. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims.
  • the invention is based on the fact that a lateral stabilization of the position of the focus with respect to the radius of the focal spot path in the case of rotating anode X-ray tubes leads to a sufficiently uniform radiation.
  • the narrow side of the focal spot lies in this direction. Its long side lies in the direction of the radius of the anode.
  • a shift of the focal spot in the radial direction only works with the sine of the beam angle. A shift to this is fully effective. This simplifies the stabilization of the focal spot. You can limit yourself to the focal spot in only one direction, i.e. in the direction of the focal spot path running transverse to the radius. A significant influence can only be expected in this tangential direction.
  • the effect of the magnetic field can be promoted in that the cathode head and possibly also the anode are made from non-magnetic material.
  • Stabilization in the sense of the invention can be achieved simply by placing an electro-optical element in the lateral boundary of the X-ray and / or light beam emanating from the focal spot in such a way that its radiation entry surface is only partially illuminated by the beam.
  • a shift in the boundary of the beam then results in a change in the ratio of the irradiated and unirradiated part of the element.
  • a correction control signal can be obtained from the determination of this change.
  • the cathode head of which is made of magnetic material, e.g. Nickel or special soft iron the current to be generated to generate the stabilizing magnetic field can be reduced by 70% when using a non-magnetic cathode head.
  • the cathode head can also consist of a ceramic, such as aluminum oxide, and be coated with a high work function.
  • the coil can also be used to deflect the electron beam and thus the focal spot in a defined manner, for example two discrete positions with a distance of 1 to 2 mm from one another. Since such coils can only be installed over a large area around the tube and not in the tube itself, high currents and voltages are required for the required magnetic fields. When the cathode head is made from non-magnetic material, the electrical outlay drops considerably. In addition, there are no remanence fields, which can have an undefined influence on the position of the focus.
  • the rotating anode tube 2 has a cathode arrangement 3 and an anode arrangement 4 in a known manner.
  • the cathode arrangement 3 contains a cathode head 5 which contains a hot cathode which consists of two separately switchable parts.
  • an anode plate 6 In front of the cathode head 5 is an anode plate 6, which is part of the anode arrangement 4.
  • the anode plate 6 is connected via a shaft 7 to a rotor 8, which is used in a known manner for rotating the anode plate 6.
  • a stator 9 is assigned to the rotor 8 on the outside of the rotating anode tube 2.
  • the tube hood 1 has a radiation exit tube 10 on the side facing the radiation exit of the tube 2.
  • the entire tube hood 1 is attached to an X-ray device or a special tripod in a known manner via a support arm 11.
  • the electrical supply lines are connected to the rotating anode tube 2 via connections 12 and 13.
  • the supply lines 14, 15, 16 for the cathode 4 are carried out at the connection 12 and a line 17 for applying the anode voltage at the connection 13, while the lines 18 and 19 deliver the operating current of the stator 9.
  • the rotating anode tube 2 is operated in a known manner by applying a heating voltage for the cathode arrangement 3 between the supply lines 14 and 15 or 16 or 14 and 16 and also the tube voltage between one of the supply lines 14 to 16 and the line 17. Then an electron beam 20 emerges from the cathode head 5. It strikes the anode plate 6 in the focal spot 21. An x-ray beam 22 is then triggered there, which can leave the radiator through the radiation exit tube 10.
  • a detector 25 is assigned to the x-ray beam 22. It is struck by the edge beam 26 forming the lateral edge of the X-ray beam 22.
  • the detector 25 is mounted in the radiation exit tube 10 such that it has an optical connection with the focal spot 21.
  • An optoelectric converter is provided as the detector 25, which emits electrical signals in the sense of deviations of the focal spot 21 from the desired location by changing its conductivity in accordance with the size of the irradiated area.
  • the detector 25 is connected to a control unit 28 via a line 27. From there a corresponding actuation of a coil 32 then takes place via a current source 29 which can be influenced by the control unit 28 via lines 30 and 31.
  • a double arrow 33 indicates that the coil 32 can be supplied in both directions. The direction is predetermined by the signal supplied by the detector 25. As a result, if the focal spot 21 deviates from the desired location, the electron beam 20 is returned to the focal spot 21 by changing the field of the coil 32 accordingly.
  • the coil 32 is arranged parallel to the electron beam 20 and, in the direction of the center of the anode plate 6 of the rotating anode, builds up a magnetic field parallel to the central beam 23 of the X-ray beam 22. With this, deflection of the electron beam 20 is then possible in the desired manner. Influencing of the magnetic field generated in the coil 32 by the cathode head 5 is excluded because it consists of Remanit 4550, for example, and is therefore non-magnetic.
  • the control unit 28 can also be assigned a switching device 34 with which a change in the current supplying the coil 32 in the sense of a lateral displacement of the focal spot 21 can be effected in the current source 29.
  • a switching device 34 with which a change in the current supplying the coil 32 in the sense of a lateral displacement of the focal spot 21 can be effected in the current source 29.
  • Such a shift makes it possible to adjust the focal spot 21 or e.g. set a distance of the shift that is suitable for producing stereo recordings.

Description

  • Die Erfindung betrifft Röntgenstrahler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Derartige Strahler sind beispielsweise aus der EP-A 0 154 699 bekannt.
  • In der GB-PS 365 432 ist ein Röntgenstrahler beschrieben, der aus der Zeit der Einführung des Prinzips der Drehanoden in der Röntgentechnik stammt. Dabei sollte die Röhre mit starr eingebauter Kathode und Anode um die Längsachse der Anordnung gedreht werden. Um einen als Ausgangspunkt der Strahlen im Raum feststehenden Brennfleck zu erhalten, wurde der im Zentrum erzeugte Elektronenstrahl radial ausgelenkt und magnetisch festgehalten. Wegen mechanischer Schwierigkeiten hat sich diese Lösung aber nicht durchsetzen können.
  • Bei den Drehanoden-Röntgenröhren, die sich schließlich eingeführt haben und beispielsweise in der oben genannten EP-A 0 154 699 beschrieben sind, rotiert nur die Anode. Die Kathode ist in radialem Abstand von der Längsachse der Anordnung, die durch das Zentrum der Anode geht, fest im Kolben der Röhre angebracht. Der Abstand entspricht dem Radius der Brennfleckbahn. Eine magnetische Fixierung des Elektronenstrahles ist dabei unnötig. Je nachdem, unter welcher Einwirkung von Magnetfeldern, etwa des Erdmagnetfeldes, der Strahler gerät, wird die Bahn des austretenden Strahlenbündels beeinflußt, so daß sich unterschiedliche Auftreffstellen der Elektronen auf der Anode ergeben. Insbesondere bei der Computertomographie kommt es aber gerade auf eine Strahlenquelle bestimmter Lage an.
  • Auch die thermische Ausdehnung von Teilen der Röhre, die bei der Herstellung oder beim Betrieb vorkommen, können zu geometrischen Veränderungen der Lage der Elektroden etc. führen, die das Strahlenbündel und seine Lage ebenfalls in unerwünschter Weise beeinflussen. Auch die Drehanode kann einen derartigen Einfluß ausüben, weil durch die Rotation Vibrationen wirksam werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Röntgenstrahler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 eine definierte Lage des Brennfleckes und einheitliche Verteilung der Strahlung im abgegebenen Röntgenstrahlenbündel zu erzielen und den dabei notwendigen Aufwand niedrig zu halten. Diese Aufgabe wird mit den in den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstände der Unteransprüche.
  • Die Erfindung geht davon aus, daß eine bezüglich des Radius der Brennfleckbahn seitliche Stabilisierung der Lage des Fokus bei Drehanoden-Röntgenröhren zu einer ausreichend gleichmäßigen Abstrahlung führt. Bei seiner üblichen langgestreckt rechteckigen Form liegt die Schmalseite des Brennfleckes in dieser Richtung. Seine Längsseite liegt in Richtung des Radius der Anode. Eine Verschiebung des Brennfleckes in radialer Richtung wirkt nur mit dem Sinus des Abstrahlwinkels. Quer dazu ist eine Verschiebung voll wirksam. Damit vereinfacht sich aber die Stabilisierung des Brennfleckes. Man kann sich darauf beschränken, den Brennfleck nur in einer Richtung, d.h. in Richtung der quer zum Radius verlaufenden Brennfleckbahn, zu fixieren. Nur in dieser tangentialen Richtung ist eine wesentliche Beeinflussung zu erwarten.
  • Auch bei dieser Ausgestaltung kann wie bei derjeniger nach oben genannter GB-PS 365 432 die Wirkung des Magnetfeldes gefördert werden, indem der Kathodenkopf und gegebenenfalls auch die Anode aus unmagnetischem Material hergestellt werden.
  • Eine Stabilisierung im Sinne der Erfindung ist einfach dadurch erreichbar, daß ein elektrooptisches Element so in die seitliche Begrenzung des vom Brennfleck ausgehenden Röntgen- und/oder Lichtstrahlenbündels gebracht wird, daß seine Strahleneintrittsfläche nur zum Teil vom Strahlenbündel beleuchtet wird. Eine Verschiebung der Grenze des Strahlenbündels ergibt dann eine Veränderung des Verhältnisses von bestrahltem und unbestrahltem Anteil des Elementes. Daraus resultiert eine Veränderung der elektrischen Werte, etwa der Leitfähigkeit des Elementes. Aus der Bestimmung dieser Änderung kann ein Korrektursteuersignal gewonnen werden. Mit diesem kann die Stärke eines die seitliche Verschiebung des Brennfleckes ermöglichenden Magnetfeldes im Sinne einer Rückführung des Brennfleckes beeinflußt werden.
  • Gegenüber der Verwendung üblicher Röhren, deren Kathodenkopf aus magnetischem Material, z.B. Nickel oder Sonderweicheisen, besteht, kann bei Benutzung eines unmagnetischen Kathodenkopfes der zur Erzeugung des stabilisierenden Magnetfeldes anzulegende Strom um 70% reduziert werden. Dies bedeutet zugleich eine Vereinfachung des Apparates, der zum Betrieb der Magnetspule nötig ist. Da die Stabilisierungsspule außerhalb des Vakuumkolbens der Röhre angebracht wird, ist diese Vereinfachung ganz erheblich.
  • Als Material mit geringem Magnetisierungsvermögen, d.h. mit einer relativen Permeabilität µr von nahezu gleich 1, aus dem der Kathodenkopf hergestellt sein kann, hat sich der als Remanit 4550 erhältliche antimagnetische Stahl bewährt. Dies beruht wohl darauf, daß dieser Chrom-Nickel-Stahl neben ausreichender Festigkeit beim Betrieb der Kathode im Hochvakuum einer Röntgenröhre auch noch unmagnetisch ist. Der Kathodenkopf kann aber auch wie derjenige, der in der US-PS 3 875 028 beschrieben ist, aus einer Keramik bestehen, wie etwa Aluminiumoxid, und mit einer Beschichtung hoher Austrittsarbeit versehen sein.
  • Die Spule kann auch verwendet werden, um den Elektronenstrahl und damit den Brennfleck in definierter Weise abzulenken, z.B. zwei diskrete Positionen mit 1 bis 2 mm Abstand voneinander. Da solche Spulen nur großflächig um die Röhre herum und nicht in der Röhre selbst angebracht werden können, sind für die erforderlichen Magnetfelder hohe Ströme und Spannungen erforderlich. Bei Herstellung des Kathodenkopfes aus unmagnetischem Material geht der elektrische Aufwand erheblich zurück. Außerdem verbleiben keine Remanenzfelder, die undefinierten Einfluß auf die Lage des Fokus ausüben können.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1 einen Röntgenstrahler, dessen Drehanodenröhre eine den Brennfleck stabilisierende Magnetspule aufweist,
    • FIG 2 eine schematisch gezeichnete Anordnung zum Betrieb des Strahlers nach FIG 1 und
    • FIG 3 ein Ausschnitt aus FIG 2, in welchem die Anordnung der Magnetspule und der Steuermeßsonde angedeutet ist.
  • In der FIG 1 ist in einer teilweise aufgebrochenen Röhrenhaube 1 eines Röntgenstrahlers eine Drehanodenröhre 2 sichtbar. Die Drehanodenröhre 2 weist in bekannter Weise eine Kathodenanordnung 3 und eine Anodenanordnung 4 auf. Dabei enthält die Kathodenanordnung 3 einen Kathodenkopf 5, der eine Glühkathode enthält, die aus zwei getrennt schaltbaren Teilen besteht. Vor dem Kathodenkopf 5 liegt ein Anodenteller 6, der ein Teil der Anodenanordnung 4 ist. Der Anodenteller 6 ist über eine Welle 7 mit einem in bekannter Weise zum Drehantrieb des Anodentellers 6 dienenden Rotor 8 verbunden. Außen an der Drehanodenröhre 2 ist dem Rotor 8 ein Stator 9 zugeordnet. Die Röhrenhaube 1 weist an der dem Strahlenaustritt der Röhre 2 zugewandten Seite einen Strahlenaustrittstubus 10 auf. Die gesamte Röhrenhaube 1 wird über einen Tragarm 11 in bekannter Weise an einem Röntgengerät oder einem speziellen Stativ befestigt.
  • Die Verbindung der elektrischen Versorgungsleitungen mit der Drehanodenröhre 2 erfolgt über Anschlüsse 12 und 13. Am Anschluß 12 werden die Versorgungsleitungen 14, 15, 16 für die Kathode 4 durchgeführt und am Anschluß 13 eine Leitung 17 zum Anlegen der Anodenspannung, während die Leitungen 18 und 19 den Betriebsstrom des Stators 9 liefern.
  • Der Betrieb der Drehanodenröhre 2 erfolgt in bekannter Weise, indem zwischen den Versorgungsleitungen 14 und 15 bzw. 16 oder 14 und 16 eine Heizspannung für die Kathodenanordnung 3 und außerdem zwischen einer der Versorgungsleitungen 14 bis 16 und der Leitung 17 die Röhrenspannung angelegt wird. Dann tritt aus dem Kathodenkopf 5 ein Elektronenstrahl 20 aus. Er trifft auf den Anodenteller 6 im Brennfleck 21 auf. Dort wird dann ein Röntgenstrahlenbündel 22 ausgelöst, das durch den Strahlenaustrittstubus 10 den Strahler verlassen kann.
  • In erfindungsgemäßer Ausbildung ist, wie auch aus der FIG 2 hervorgeht, dem Röntgenstrahlenbündel 22 ein Detektor 25 zugeordnet. Er wird von dem seitlichen Rand des Röntgenstrahlenbündels 22 bildenden Randstrahl 26 getroffen. Der Detektor 25 ist derart im Strahlenaustrittstubus 10 angebracht, daß er optische Verbindung mit dem Brennfleck 21 hat.
  • Als Detektor 25 ist dabei ein optoelektrischer Wandler vorgesehen, der im Sinne von Abweichungen des Brennfleckes 21 vom gewünschten Ort elektrische Signale abgibt, indem er seine Leitfähigkeit in Übereinstimmung mit der Größe der bestrahlten Fläche ändert. Über eine Leitung 27 ist der Detektor 25 mit einem Steuergerät 28 verbunden. Von dort erfolgt dann über eine vom Steuergerät 28 beeinflußbare Stromquelle 29 über Leitungen 30 und 31 eine entsprechende Betätigung einer Spule 32. Durch einen Doppelpfeil 33 ist angedeutet, daß die Versorgung der Spule 32 in beiden Richtungen erfolgen kann. Die Richtung wird durch das vom Detektor 25 gelieferte Signal vorgegeben. Dadurch erfolgt bei Abweichungen des Brennfleckes 21 von der gewünschten Stelle eine Rückführung des Elektronenstrahles 20 auf den Brennfleck 21, indem das Feld der Spule 32 entsprechend verändert wird. Dies wird erreicht, indem die Spule 32, wie in der FIG 3 deutlich dargestellt, parallel zum Elektronenstrahl 20 angeordnet ist und in Richtung auf das Zentrum des Anodentellers 6 der Drehanode parallel zum Zentralstrahl 23 des Röntgenstrahlenbündels 22 ein Magnetfeld aufbaut. Mit diesem wird dann eine Auslenkung des Elektronenstrahles 20 in gewünschter Weise möglich. Eine Beeinflussung des in der Spule 32 erzeugten Magnetfeldes durch den Kathodenkopf 5 ist ausgeschlossen, weil dieser beispielsweise aus Remanit 4550 besteht und daher unmagnetisch ist.
  • Dem Steuergerät 28 kann noch eine Schaltvorrichtung 34 zugeordnet werden, mit welcher in der Stromquelle 29 eine Veränderung des die Spule 32 versorgenden Stromes im Sinne einer seitlichen Verschiebung des Brennfleckes 21 bewirkt werden kann. Durch eine derartige Verschiebung ist es möglich, den Brennfleck 21 zu justieren oder z.B. einen Abstand der Verschiebung einzustellen, der zur Herstellung von Stereoaufnahmen geeignet ist.

Claims (4)

1. Röntgenstrahler mit einer Röhrenhaube (1), einem Strahlenaustrittstubus (10) und einer Röntgenröhre (2), in deren Röhrenkolben eine Kathodenanordnung (3) mit einem Kathodenkopf (5) und eine Anodenanordnung (4) mit einem an einer Welle (7) drehbar gelagertem Anodenteller (6) gegenüberliegend montiert sind, bei der der Kathodenkopf (5) sich bezüglich der Anodenanordnung (4) exzentrisch fest im Röhrenkolben befindet, wobei von der Kathodenanordnung ein Elektronenstrahl (20) ausgeht, der auf dem Anodenteller (6) im Brennfleck (21) trifft und ein Röntgenstrahlenbündel (22) erzeugt, das den Röntgenstrahler durch den Strahlenaustrittstubus (10) verläßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkopf (5) aus einem unmagnetischen Material besteht, daß der Brennfleck (21) mittels eines quer zur Richtung des Elektronenstrahles (20) in radialer Richtung der Anodenanordnung (4) erstreckenden Magnetfeldes auf einer außerhalb des Zentrums der Anodenanordnung (4) liegenden Stelle räumlich festgelegt ist, daß das Magnetfeld mittels einer Spule (32) erzeugt wird, deren Windungen um den Zentralstrahl des aus der Röhre austretenden Strahlenbündels (22) herumgelegt sind, und daß ein elektrooptischer Detektor (25) in dem Röntgenstrahlenbündel (22) des Brennfleckes (21) angeordnet ist, der ein Signal an ein Steuergerät (28) abgibt, welches die Stärke des Magnetfeldes in dem Sinne beeinflußt, so daß ein Auswandern des Brennfleckes (21) in Richtung des Verlaufes der Brennfleckbahn jeweils unterdrückt wird.
2. Röntgenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unmagnetische Material, aus dem der Kathodenkopf (5) besteht, antimagnetischer Stahl, beispielsweise Remanit 4550, ist.
3. Röntgenstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (25) zur Erstellung des Steuersignals ein unter Einwirkung von Röntgenstrahlen seine elektrischen Eigenschaften änderndes Element ist, das am Rand des die Röntgenröhre (2) verlassenden Röntgenstrahlenbündels (22) so angeordnet ist, daß ein Teil dieses Elements unbestrahlt bleibt.
4. Röntgenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergerät (28) eine Schaltvorrichtung (34) zugeordnet ist, mit welcher das Magnetfeld im Sinne einer seitlichen Verschiebung des Brennfleckes (21) in tangentialer Richtung verstellbar ist.
EP86115942A 1985-11-28 1986-11-17 Röntgenstrahler Expired - Lifetime EP0224786B1 (de)

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DE19853542127 DE3542127A1 (de) 1985-11-28 1985-11-28 Roentgenstrahler

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Publication Number Publication Date
EP0224786A1 EP0224786A1 (de) 1987-06-10
EP0224786B1 true EP0224786B1 (de) 1990-02-28

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