DE102005060242B4 - Verfahren und Aufbau zur Milderung der elektrischen Beanspruchung an Hochspannungsisolatoren in Röntgenröhren - Google Patents

Abstract

Röntgenröhre (46), die aufweist: eine Anodenanordnung (50), die zur Emission von Röntgenstrahlen eingerichtet ist, und eine Kathodenanordnung (48), die zur Emission von Elektronen zu der Anodenanordnung (50) hin eingerichtet ist, wobei die Kathodenanordnung (48) einen Isolator (68) enthält, der teilweise in einen Kathodenträger (70) eingesetzt ist, wobei der Isolator (68) einen vertieften Abschnitt aufweist, der mit dem Kathodenträger (70) eine Tripelpunktabschirmung bildet, der Kathodenträger (70) einen Randfuß aufweist, der sich an dem Ende des Kathodenträgers (70) von dem vertieften Abschnitt weg erstreckt und der Randfuß einen halbkreisförmigen oder einen polygonförmigen Querschnitt aufweist.

Description

• Hintergrund
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System zur Beherrschung der elektrischen Beanspruchungen in einer Röntgenröhre für Hochspannungsanwendungen und spezieller auf eine Kathodenanordnung mit einem Hochspannungsisolator, der die elektrischen Beanspruchungen an dem Tripelpunkt der Röntgenröhre beherrscht.
• Röntgensysteme werden allgemein in vielfältigen Anwendungen zur Bildgebung auf medizinischen und nichtmedizinischen Gebieten verwendet. Röntgensysteme, wie z. B. radiographische Systeme, Computertomographie(CT)-Systeme und Tomosynthesesysteme werden z. B. verwendet, um gestützt auf die Abschwächung von den einen Patienten durchdringenden Röntgenstrahlen innere Bilder oder Ansichten des Patienten zu erzeugen. Gestützt auf die Röntgenstrahlen wird ein Profil des Patienten erzeugt. Alternativ können Röntgensysteme auch in nichtmedizinischen Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. bei der Erkennung von Kleinstfehlern in Geräten oder Strukturen und/oder der Gepäckuntersuchung auf Flughäfen.
• Typischerweise enthält das Röntgensystem eine Röntgenröhre, die als Quelle der Röntgenstrahlen verwendet wird, die auf einen Detektor oder Film gerichtet sind. Die Röntgenröhre enthält eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung, die innerhalb einer evakuierten Röhre untergebracht sein können. Die Kathodenanordnung enthält eine negative Elektrode, und die Anodenanordnung enthält eine positive Elektrode. Die Kathodenanordnung wird typischerweise erhitzt, um Elektronen zu emittieren, die sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten durch einen freien Raum, wie z. B. ein Vakuum, hindurch bewegen, um auf die positive Elektrode der Anodenanordnung aufzutreffen, wodurch die Röntgenstrahlen erzeugt werden. Wie oben erläutert werden diese Röntgenstrahlen zur Erzeugung des gewünschten Bildes verwendet.
• Das Röntgensystem kann bei hohen Spannungen und Temperaturen arbeiten, die die Lebenserwartung der Röntgenröhre beeinträchtigen. Zwischen den Elektroden der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung kann z. B. eine Spannung von etwa 140 kV angelegt werden, um die Emission und Beschleunigung von Elektronen zu der Anode hin zu fördern. Weiterhin kann die Kathodenanordnung einen Isolator zur elektrischen Isolation und einen Kathodenbecher enthalten, der die Elektronen auf eine bestimmte Stelle auf der Anodenanordnung hin fokussiert. Jede dieser Komponenten, wie z. B. der Isolator und der Kathodenbecher, kann bei Spannungen von etwa 140 kV betrieben werden. Wegen der hohen Spannungen innerhalb der Röntgenröhre können einige der Komponenten innerhalb der Röntgenröhre auch Temperaturen ausgesetzt sein, die 200°C überschreiten. Auf diese Weise können die mit dem Betrieb der Röntgenröhre verbundenen Temperaturen und Spannungen die voraussichtliche Lebensdauer der Röntgenröhre beeinträchtigen.
• Wegen der beteiligten Spannungen und Temperaturen können vielfältige Probleme auftreten, die einen Ausfall der Röntgenröhre hervorrufen. Die Störungen können elektrische Beanspruchungen, wie z. B. Hochspannungsinstabilitäten, Oberflächendurchschläge und andere Isolationsdefekte umfassen, die die Lebenserwartung der Röntgenröhre verringern. Das bedeutet, dass der Isolator der Röntgenröhre wegen der elektrischen Beanspruchungen versagen kann. Die elektrischen Beanspruchungen können z. B. eine Störung hervorrufen, die von einem Tripelpunkt oder einer Tripelgrenze der Röntgenröhren ausgehen. Der Tripelpunkt ist ein Ort, wo das Material der Kathode, Luft (d. h. das Vakuum) und das Material des Isolators aneinandergrenzen. Die elektrischen Beanspruchungen durch die hohen Spannungen und Temperaturen sind an dem Tripelpunkt stark und können Durchschläge auslösen, die in der Röntgenröhre die Alterung des Isolators beschleunigen können, die zu seinem Versagen führt. Zur Abhilfe sind verschiedene Vorschläge bekannt geworden, die beispielsweise in der DE 41 37 804 A1 , der DE 10 2004 058 259 A1 , der DE 23 00 630 C3 und der US 5,526,396 A beschrieben sind.
• Es besteht aber Bedarf an einer weiteren Minderung der elektrischen Beanspruchungen in Röntgenröhren. Insbesondere besteht Bedarf an einer verbesserten Technik zum Mindern der elektrischen Beanspruchungen an dem Tripelpunkt in Röntgenröhren.
• Kurze Beschreibung
• Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Röntgenröhre gemäß der Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf, während ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Röntgenröhre Gegenstand des Patentanspruches 5 ist.
• Mit wenigen Worten schafft die vorliegende Vorgehensweise gemäß einer Ausführungsform eine Röntgenröhre. Die Röntgenröhre enthält eine Anodenanordnung, die zur Emission von Röntgenstrahlen eingerichtet ist, und eine Kathodenanordnung, die zur Emission von Elektronen zu der Anodenanordnung hin eingerichtet ist. Die Kathodenanordnung enthält einen Isolator und einen Kathodenträger. Der Isolator weist eine obere Oberfläche und eine Seitenoberfläche auf, wobei die Seitenoberfläche einen vertieften Abschnitt enthält. Der Kathodenträger enthält einen hohlen inneren Bereich und eine innere Oberfläche, wobei die innere Oberfläche zum Eingriff mit der Seitenoberfläche des Isolators eingerichtet ist.
• Gemäß einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Vorgehensweise ein Verfahren zur Fertigung einer Röntgenröhre. Das Verfahren zur Fertigung der Röntgenröhre enthält das Fertigen einer Kathodenanordnung. Das Verfahren zur Fertigung der Kathodenanordnung enthält das Herstellen eines Kathodenträgers, der einen hohlen inneren Bereich und einen peripheren Fuß bzw. Randfuß aufweist, der sich von der inneren Oberfläche aus erstreckt. Das Verfahren zur Herstellung der Kathodenanordnung enthält auch das Herstellen eines Isolators, der eine obere Oberfläche und eine Seitenoberfläche mit einer radialen Ausnehmung aufweist. Die radiale Ausnehmung der Seitenoberfläche ist zur Bildung eines Leerraums bzw. einer Lücke zwischen der inneren Oberfläche des Kathodenträgers und dem Isolator eingerichtet. Das Verfahren zur Herstellung der Kathodenanordnung enthält weiterhin das Koppeln der Seitenoberfläche des Isolators in dem hohlen inneren Bereich des Kathodenträgers.
• Zeichnungen
• Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durch die Zeichnungen hindurch die gleichen Teile bezeichnen, wobei:
• 1 eine schematische Darstellung eines Röntgenbildgebungssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Technik zeigt,
• 2 eine partielle Querschnittsansicht einer Röntgenröhre gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Technik zeigt,
• 3 eine Querschnittsansicht einer Anordnung der Kathode und des Isolators aus 2 zeigt,
• 4 eine Querschnittsexplosionsansicht der Kathode und des Isolators aus 3 zeigt,
• 5 eine partielle Querschnittsansicht des Isolators und des Kathodenträgers einer Kathodenanordnung mit Metallisierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Technik zeigt,
• 6 die elektrische Beanspruchung als Funktion der Metallisierungslänge an der Tripelgrenzenabschirmung des Kathodenträgers und des Isolators aus 5 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise graphisch darstellt und
• 7 ein Flussdiagramm zeigt, das ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Röntgenröhre gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise darstellt.
• Detaillierte Beschreibung
• Als einleitende Klarstellung ist beabsichtigt, dass die Definition des Begriffes „oder” zum Zwecke der folgenden Erörterung und der beigefügten Ansprüche ein inklusives „oder” ist. Das bedeutet, dass es nicht beabsichtigt ist, dass der Begriff „oder” zwischen zwei sich gegenseitig ausschließenden Alternativen unterscheidet. Vielmehr ist der Begriff „oder”, wenn er als Konjunktion zwischen zwei Elementen verwendet wird, so gemeint, dass er das eine Element alleine, das andere Element alleine und Kombinationen und Permutationen der Elemente enthält. Z. B. enthält eine Erörterung oder Aufzählung, die die Ausdrucksweise „A” oder „B” verwendet: „A” alleine, „B” alleine und beliebige Kombinationen davon, wie z. B. „AB” und/oder „BA”.
• Die vorliegende Vorgehensweise ist allgemein auf die Beherrschung elektrischer Beanspruchungen in einer Röntgenröhre für Hochspannungsanwendungen gerichtet. Wie von Fachleuten erkannt wird, können die vorliegenden Techniken in vielfältigen medizinischen und nichtmedizinischen Anwendungen verwendet werden. Um die Erklärung der vorliegenden Vorgehensweisen zu vereinfachen, wird hierin jedoch eine medizinische Anwendung des Röntgensystems erörtert, wobei erkannt werden muss, dass nicht medizinische Anwendungen auch innerhalb des Bereiches der vorliegenden Vorgehensweisen liegen.
• Nun mit Bezug auf die Zeichnungen: 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Röntgenbildgebungssystems 10 zur Verwendung gemäß der vorliegenden Vorgehensweise. Wie dargestellt enthält das Röntgenbildgebungssystem 10 eine Röntgenröhre 12. Die Röntgenröhre 12 enthält eine Röntgenröhre innerhalb eines Gehäuses und einen Kollimator, der Röntgenstrahlen 14 von der Röntgenröhre 12 in eine spezielle Richtung lenkt. Die Röntgenröhre 12 ist zum Aussenden von Röntgenstrahlen 14 auf einen Patienten 16 eingerichtet, der innerhalb eines Bildgebungsvolumens angeordnet ist, das einen speziellen interessierenden Bereich in dem Patienten 16 umgibt. Das Röntgenbildgebungssystem 10 enthält weiterhin ein Patientenpositionierungssystem 18, das die Röntgenquelle bezogen auf den Patienten 16 zur Bildgebung positionieren kann. Die Röntgenquelle 12 kann entweder manuell oder durch ein automatisiertes System in einer, zwei oder drei Dimensionen zu verschiedenen Stellungen beweglich sein, um den speziellen interessierenden Zielbereich zu wechseln.
• Um den interessierenden Bereich zu erkennen, enthält das Röntgenbildgebungssystem 10 auch eine Detektionsschaltung zum Detektieren der Röntgenstrahlen 14, wie z. B. einen Röntgendetektor 20. Der Röntgendetektor 20 ist von der Röntgenquelle 12 aus allgemein jenseits des Abbildungsvolumens angeordnet und zum Erkennen von Röntgenstrahlen 14 eingerichtet. Das heißt, dass die Röntgenquelle 12 wie oben beschrieben Röntgenstrahlen 14 durch den Patienten 16 hindurch zu dem Röntgendetektor 20 hin aussendet. Der Röntgendetektor 20 empfängt diese Röntgenstrahlen 14 und ist entweder zum Erzeugen eines Bildes auf dem Röntgenfilm oder zum Erzeugen von Signalen als Antwort auf die Röntgenstrahlen 14 eingerichtet. Während Röntgenfilme eine Möglichkeit zur Erkennung der ausgesandten Röntgenstrahlen 14 sind, können auch analoge oder digitale Detektoren zum Detektieren der ausgesandten Röntgenstrahlen 14 verwendet werden. Demgemäß kann der Röntgendetektor 20 ein Gehäuse für Röntgenfilme nebst Röntgenfilmen oder einen digitalen oder analogen Detektor enthalten. Weiterhin kann der Röntgendetektor 20 in einer stationären Position befestigt oder dazu eingerichtet sein, sich mit der Röntgenquelle 12 koordiniert oder unabhängig von dieser zu bewegen.
• Zusätzlich können weitere Komponenten verwendet werden, um mit dem Röntgendetektor 20 zu interagieren. In einer Ausführungsform kann das Röntgenbildgebungssystem 10 eine Systemsteuerung 22 zur Steuerung des Betriebs der Röntgenquelle 12 enthalten. Insbesondere steuert die Systemsteuerung 22 die Aktivierung und den Betrieb der Röntgenquelle 12 einschließlich der Kollimation und Taktung über eine Röntgensteuerung 24. Die Systemsteuerung 22 kann auch den Betrieb und das Auslesen der Informationen von dem Röntgendetektor 20 durch eine Detektorakquisitionsschaltung 26 steuern. Die Detektorakquisitionsschaltung 26 kann als Antwort auf die Röntgenstrahlen 14 digitale Signale an andere Komponenten, wie z. B. eine Verarbeitungsschaltung 28, liefern, um die zu dem Bild gehörenden Signale zu verarbeiten.
• Die Verarbeitungsschaltung 28 wird typischerweise verwendet, um die Daten von der Detektorakquisitionsschaltung 26 zu verarbeiten und wiederherzustellen, um ein oder mehrere Bilder zum Anzeigen zu erzeugen. Die Verarbeitungsschaltung 28 kann eine Speicherschaltung (nicht gezeigt) zum Speichern der Daten vor und nach der Verarbeitung der Daten enthalten. Die Speicherschaltung kann auch Verarbeitungsparameter und/oder Computerprogramme speichern, die zur Verarbeitung der zu den Bildern gehörenden Signalen verwendet werden.
• Die Verarbeitungsschaltung 28 kann mit weiteren Geräten, wie z. B. einer Bedienerworkstation 30, einer Anzeige 32 und einem Drucker 34 verbunden sein, um mit einem Bediener in Interaktion zu treten. Die von der Verarbeitungsschaltung 28 erzeugten Bilder können z. B. an die Bedienerworkstation 30 gesendet werden, um einem Bediener auf der Anzeige 32 gezeigt zu werden. Die Verarbeitungsschaltung 28 kann auch zum Empfangen von Befehlen und Verarbeitungsparametern, die mit der Verarbeitung von Bildern oder Bilddaten zusammenhängen, von dem die Bedienerworkstation 30 benutzenden Bediener eingerichtet sein. Die Befehle können über Eingabeeinrichtungen, wie z. B. eine Tastatur, eine Maus und andere Benutzerinteraktionseinrichtungen (nicht gezeigt) eingegeben werden, die Teil der Bedienerworkstation 30 sind. Die Bedienerworkstation 30 kann auch mit der Systemsteuerung 22 verbunden sein, um es dem Bediener zu ermöglichen, Befehle und Scanparameter im Zusammenhang mit dem Betrieb der Röntgenquelle 12 und/oder des Detektors 20 zu geben. Folglich kann ein Bediener den Betrieb der verschiedenen Teile des Röntgenbildgebungssystems 10 über die Bedienerworkstation 30 steuern.
• Außerdem kann die Bedienerworkstation 30 auch mit anderen Systemen und Komponenten verbunden sein. Z. B. kann die Bedienerworkstation 30 mit einem Bildarchivierungs- und Kommunikationssystem (PACS) 36 gekoppelt sein. Das PACS 36 kann zur Archivierung der erfassten Röntgenbilder und zur Kommunikation mit externen oder internen Datenbanken über Netzwerke verwendet werden, wie es weiter unten beschrieben ist. Demnach kann die Bedienerworkstation 30 zur Verarbeitung durch die Verarbeitungsschaltung 28, zur Anzeige auf der Anzeige 32 oder zum Drucken auf dem Drucker 34 auf Bilder oder Daten zugreifen, die über das PACS 36 zugänglich sind. Das PACS 36 kann auch mit einer internen Workstation 38 und/oder einer externen Workstation 40 gekoppelt werden, um von anderen Orten aus Zugang zu den Röntgenbildern zu gewähren. Die interne Workstation kann ein Computer sein, der an eine interne Datenbank 42 zum Speichern der Röntgenbilder angeschlossen ist. In ähnlicher Weise kann die externe Workstation 40 an eine externe Datenbank 44 angeschlossen sein. Folglich kann das PACS 36 über die Workstations 38 und 40 Daten an die Datenbanken 42 und 44 senden und von diesen empfangen.
• Die Röntgenquelle, wie sie oben beschrieben worden ist, verwendet eine Röntgenröhre zur Erzeugung der Röntgenstrahlen. 2 zeigt eine teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht einer Röntgenröhre 46, die innerhalb der Röntgenquelle 12 aus 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Technik verwendet werden kann. Die Röntgenröhre 46 enthält eine Kathodenanordnung 48 und eine Anodenanordnung 50. Die Kathodenanordnung 48 und die Anodenanordnung 50 sind innerhalb einer Ummantelung oder eines Gehäuses 52 angeordnet. Das Gehäuse 52 kann aus Glas oder metallischem Material hergestellt sein, das zum Abdichten der verschiedenen Komponenten der Röntgenröhre 46 verwendet wird. Während des Betriebs wird über den Elektroden der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung eine Spannung angelegt. Diese Spannung fördert die Emission von Elektronen durch die Kathodenanordnung 48 zu der Anodenanordnung 50 hin. Der Aufprall der emittierten Elektronen auf die Anode in der Anodenanordnung 50 erzeugt die Röntgenstrahlen.
• Die Anodenanordnung 50 enthält allgemein verschiedene Komponenten, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen verwendet werden. Z. B. kann die Anodenanordnung 50 eine Anodenscheibe 54 und einen Anodenträger 56 enthalten, die zur Drehung um eine Längsachse 58 der Röntgenröhre 46 eingerichtet sind. Die Anodenscheibe 54 kann aus einer Wolframlegierung oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Der Anodenträger 56 und die Drehung der Anodenscheibe 54 fördern die Verbesserung der thermischen Bedingungen der Anodenscheibe 54, d. h. die Abführung der durch den Betrieb bedingten Wärme. Die Anodenanordnung 50 enthält auch weitere Komponenten, wie z. B. einen Schaft (nicht gezeigt) zum Halten der Anodenscheibe 54 und einen Rotor mit Lagern (nicht gezeigt) zum Erleichtern der Drehung der Anodenscheibe 54.
• Allgemein enthält die Kathodenanordnung 48 verschiedene Komponenten, die zum Emittieren von Elektronen zu der Anodenscheibe 54 hin verwendet werden. Z. B. enthält die Kathodenanordnung 48 einen Fokussierbecher 60 und einen oder mehrere Wolframheizdrähte 62. Die Wolframdrähte 62 sind zur Emission von Elektronen eingerichtet, die durch den Fokussierbecher 60 zu der Anodenanordnung 50 hin gelenkt werden. Weiterhin enthält die Kathodenanordnung 48 einen oder mehrere Stifte 64, die durch ein oder mehrere Kabel (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Spannung an die Wolframdrähte 62 verwendet werden. Insbesondere erleichtern die Stifte 64 über die Kabel das Anlegen einer Hochspannung an die Wolframdrähte 62. Schließlich kann die Kathodenanordnung 48 einen Isolator 68 und einen Kathodenträger 70 enthalten. Der Kathodenträger 70 erleichtert die Befestigung der Kathodenstrukturen und der Kathodenheizdrähte 62.
• Wie oben erörtert ist der Tripelpunkt, wo der Kathodenträger, der Isolator und das Vakuum aneinander grenzen, in einer Kathodenanordnung während des Betriebs einer hohen elektrischen Beanspruchung ausgesetzt. Diese elektrische Beanspruchung kann zu einem Defekt an der Röntgenröhre führen. 3 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Teilanordnung 72 des Kathodenträgers und des Isolators aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technik. Insbesondere enthält die Teilanordnung 72 den Isolator 68 und den Kathodenträger 70. Der Isolator 68 kann einen vertieften Abschnitt 82 aufweisen, und der Kathodenträger 70 kann eine Tripelpunktabschirmung 90 nebst einem Randfuß 92 enthalten, die zur Verringerung der Beanspruchungen an dem Tripelpunkt verwendet werden.
• Der Isolator 68 kann verschiedene Aspekte und Strukturen beinhalten, die zur Schaffung einer Halterung für den Kathodenträger 70 und die Stifte 64 verwendet werden. Der Isolator 68 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Keramik hergestellt. Der Isolator enthält einen Grundkörper 74 und eine Verlängerung 76 an dem Zentrum des Isolators, die zu einem Eingriff mit dem Kathodenträger 70 verwendet werden kann, wie es unten beschrieben ist. Die Verlängerung 76 des Isolators 68 enthält eine obere Oberfläche 78, eine Seitenoberfläche 80 und einen vertieften Abschnitt 82, der der Seitenoberfläche 80 benachbart ist. Die Seitenoberfläche 80 des Isolators 68 ist zum Eingriff mit dem Kathodenträger 70 eingerichtet, wie es weiter unten beschrieben ist. Die Form des Querschnitts der Verlängerung 76 kann ein Kreis, ein Polygon und/oder eine andere, ähnliche Form sein, die zum Eingriff mit dem Kathodenträger 70 eingerichtet ist. Der Isolator 68 enthält weiterhin eine Vielzahl von Löchern 84, die Zugang für die Stifte 64 schaffen. Wie oben beschrieben ermöglichen die Stifte 64 das Anlegen einer Spannung an den Wolframdraht.
• Der Kathodenträger 70 kann zur Schaffung einer Halterung für den Kathodenbecher und die Heizdrähte verwendet werden. Der Kathodenträger 70 kann aus einer Nickel-Eisen-Legierung oder der Legierung F15 der American Society for Testing and Materials (ASTM) oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material gefertigt sein, das geeignet ist, hohen Temperaturen bei einer geringen Wärmeausdehnung zu widerstehen. Der Kathodenträger enthält einen hohlen inneren oder internen Bereich 86, der innerhalb der inneren Oberfläche 88 des Kathodenträgers 70 ausgebildet ist. Weiterhin enthält der Kathodenträger die Tripelpunktabschirmung 90, die an dem Ende des Kathodenträgers 70 ausgebildet ist. Die Tripelpunktabschirmung 90 erleichtert die Abschirmung des Tripelpunktes, wodurch die elektrischen Beanspruchungen an dem Tripelpunkt verringert werden, wie weiter unten erörtert wird. Der Querschnitt des hohlen inneren Bereiches 86 kann ein Kreis, ein Polygon oder eine andere Form sein, die zum Eingriff mit und zum Hartlöten an die Verlängerung 76 des Isolators 68 geeignet ist. Weiterhin enthält der Kathodenträger 70 einen Randfuß 92 an dem Ende des Kathodenträgers 70. Der Randfuß 92 kann zur Verbesserung der Steifigkeit der Tripelpunktabschirmung des Kathodenträgers und zur Verringerung der elektrischen Beanspruchung des Grundelements des Kathodenträgers verwendet werden. Der Querschnitt des Randfußes 92 kann ein Halbkreis, ein Polygon oder eine andere geeignete Form sein.
• Um den Isolator 68 mit dem Kathodenträger 70 zu verbinden, kann ein Hartlotmaterial 94 verwendet werden. Das Hartlotmaterial 94 wird zwischen der Tripelpunktabschirmung 90 des Kathodenträgers 70 und dem Isolator 68 über dem vertieften Abschnitt des Isolators 68, d. h. in dem Bereich 80 angebracht. Das Hartlotmaterial kann Silber, eine Silber-Kupfer-Legierung oder eine Gold-Kupfer-Legierung enthalten.
• 4 zeigt im Schnitt eine Explosionsansicht der Teilanordnung 72 aus 3. In dieser Ausführungsform tritt der Kathodenträger 70 durch Bewegung in der durch den Pfeil 96 gezeigten Richtung mit dem Isolator 68 in Eingriff. Im Einzelnen tritt die innere Oberfläche 88 des Kathodenträgers 70 mit der Seitenoberfläche 80 des Isolators 68 in Eingriff. Der Querschnitt des hohlen inneren Bereiches 86 des Kathodenträgers und derjenige der Verlängerung 78 des Isolators sind so gewählt, dass sie eine Kopplung des Kathodenträgers mit dem Isolator ermöglichen.
• 5 zeigt eine im Schnitt dargestellte Teilansicht des Isolators 68 und des Kathodenträgers 70 der Kathodenanordnung mit einer Metallisierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Technik. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Kathodenträger 70 und der Isolator 68 so zusammengesetzt, dass die innere Oberfläche 88 des Kathodenträgers 70 der Seitenoberfläche 80 des Isolators 68 benachbart ist. Wie von Fachleuten erkannt wird, ist zwischen der Oberfläche 88 des Kathodenträgers und der Oberfläche 80 des Isolators einer Hartlötverbindung ausgebildet. Es kann jedoch etwas Hartlotmaterial überlaufen, und eine metallische Schicht oder Metallisierung 97 kann sich über dem Segment des vertieften Abschnitts 82 des nicht metallischen Isolators 68 ausbilden. Die Variationen des Hartlötvorgangs können das oben beschriebene Überlaufen des Hartlotes verursachen. Folglich wird die Oberfläche des vertieften Abschnitts 82 auch als ein Metallüberlaufbereich bezeichnet. Demnach fördern der vertiefte Bereich 82, die Tripelpunktabschirmung 90 und der Randfuß 92 die Verringerung der Wirkung des Hartlotüberlaufes an dem Tripelpunkt und verringern dadurch die elektrische Beanspruchung. Durch die Metallisierung 97 ist der Tripelpunkt an einem Punkt angeordnet, der mit dem Bezugszeichen 98 bezeichnet ist. Mit anderen Worten treffen sich der Hartlotüberlauf 94, die vertiefte Oberfläche 82 des Isolators 68 und die Luft oder das Vakuum an dem Punkt 98 anstelle des mit dem Bezugszeichen 100 bezeichneten Punktes. Demnach kann die Tripelgrenze bei einem Fehlen des Hartlotmaterials 94 an dem Punkt 100 angeordnet sein, an dem die Tripelpunktabschirmung 90 des Kathodenträgers 70, die Isolatorseitenoberfläche 80 und die Luft oder das Vakuum aneinander grenzen. Wie von Fachleuten erkannt wird, kann die Tripelgrenze 98 hohen elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt sein, die zu Feldemissionen oder Oberflächendurchschlägen führen können. Wie oben beschrieben schirmt die Tripelpunktabschirmung 90 den Tripelpunkt 98 ab und ermöglicht folglich eine Verringerung der elektrischen Beanspruchungen an dem Tripelpunkt 98.
• Weiterhin sind der Kathodenträger 70 und der Isolator 68 mit einem Spalt 102 aneinander gekoppelt. Der Spalt 102 kann ein Abstand von wenigstens 1 mm zwischen dem Randfuß 92 des Kathodenträgers 70 und der unteren Oberfläche 104 des Isolators 68 aufweisen. Wenn der Spalt 102 nicht aufrechterhalten wird (d. h. der Randfuß 92 des Kathodenträgers 70 berührt die Oberfläche 104 des Isolators 68), wird ein Tripelpunkt an dem Ort gebildet, wo der Randfuß 92 den Isolator 68 berührt, wodurch der Nutzen der Abschirmung 90 verringert wird. Ein Punkt 106 an einer äußeren Oberfläche des Randfußes 92 bezeichnet einen Punkt im Vakuum, und die elektrische Beanspruchung an dem Punkt 106 wird weiter unten erörtert.
• Die technischen Praktiken zum Umgang mit Hochspannungsvakuumisolation sind von R. V. Latham in High Voltage Vacuum Insulation – The Physical Basis, Seite 52, Academic Press (1981), erläutert worden. Demgemäß ist das elektrische Gesamtfeld an dem Tripelpunkt 98 durch die Gleichung gegeben: Elektrische Gesamtfeldstärke am Tripelpunkt = βEmacro (1), wobei

β

der Feldverstärkungsfaktor und

Emacro

die elektrische Feldstärke am Tripelpunkt in kV/mm ist.

• Es wird auch beobachtet, dass Feldemissionen auftreten, wenn die Gesamtfeldstärke an dem Tripelpunkt 98 (βEmacro) 3000 kV/mm überschreitet. Wenn man den Feldverstärkungsfaktor (β) mit 75 annimmt und die Gleichung (1) oben nach der Feldstärke am Tripelpunkt (Emacro) auflöst, darf die Feldstärke (Emacro) folglich zur Vermeidung von Feldemissionen 40 kV/mm nicht überschreiten. Das Verfahren zum Halten der Feldstärke an dem Tripelpunkt 98 unter 40 kV/mm wird weiter unten in 6 erläutert.
• 6 zeigt eine graphische Darstellung 108 der elektrischen Beanspruchung als Funktionen der Länge der Metallisierung und der Variation des Spaltes 102 zwischen der Tripelgrenzenabschirmung 90 (d. h. dem Randfuß 92) des Kathodenträgers 70 und dem Isolator 68 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Technik. Die x-Achse 110 stellt die Länge der Metallisierung in Millimetern (mm) zwischen den Punkten 100 und 98 dar. Die y-Achse 112 stellt die elektrische Feldstärke in kV/mm (Kilovolt pro Millimeter) an dem Tripelpunkt 98 und dem Punkt 106 in dem Vakuum dar. Wie oben beschrieben beträgt die Länge des Spaltes 102 zwischen dem Randfuß 92 und der Oberfläche 104 des Isolators 68 in dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel etwa 1 mm bis 1,5 mm. Die Kurven 114, 116 und 118 stellen die Feldstärke an der Tripelgrenze 98 gegenüber der Metallisierungslänge jeweils mit Variationen des Spaltes 102 um –0,5 mm, 0 mm und +0,5 mm wieder. In ähnlicher Weise geben die Kurven 120, 122 und 124 die Feldstärke an dem Vakuumpunkt 106 gegenüber der Metallisierungslänge jeweils mit Variation des Spaltes 102 um –0,5 mm, 0 mm und +0,5 mm wieder. Wie aus dem Graph 108 zu sehen ist, hat eine Veränderung des Spaltes 102 zwischen –0,5 mm und +0,5 mm keine wesentlichen Auswirkungen auf die Feldstärke. Dagegen hat die Länge der Metallisierung signifikante Auswirkungen auf die Feldstärke.
• Wie oben beschrieben darf die Feldstärke an dem Tripelpunkt 98 zur Vermeidung von Feldemissionen 40 kV/mm nicht überschreiten. Wieder bezogen auf den Graph 108 stellt die horizontale Linie 126 die Feldstärke von 40 kV/mm dar, die die Kurven 114, 116 und 118 nahe der vertikalen Linie 128 schneidet, die eine Metallisierungslänge von 5,5 mm bezeichnet. Folglich kann durch eine Begrenzung der Metallisierungslänge auf etwa 5,5 mm die Feldstärke an dem Tripelpunkt 98 zur Vermeidung von Feldemissionen bei etwa 40 kV/mm gehalten werden.
• 7 zeigt ein Flussdiagramm, das beispielhafte Verfahrensblöcke zur Fertigung einer Röntgenröhre, wie z. B. der Röntgenröhre 46, gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise darstellt. 7 kann am besten verstanden werden, wenn sie gleichzeitig mit den 2, 3 und 5 betrachtet wird. Das Verfahren umfasst die Fertigung des Kathodenträgers 70, was die Bearbeitung des hohlen inneren Bereiches 86, der inneren Oberfläche 88 und des Randfußes 92 wie in Block 130 umfasst. Das Verfahren enthält die Herstellung des Isolators 68, was die Bearbeitung der oberen Oberfläche 78, der Seitenoberfläche 80 mit dem vertieften Abschnitt 82 und das Aufbringen einer Metallschicht auf die Seitenoberfläche 80 wie in Block 132 umfasst. Danach können der Kathodenträger 70 und der Isolator 68 zusammengesetzt werden, und ein Hartlotmaterial 94 wird zwischen dem Kathodenträger 70 und dem Isolator 68 angeordnet, wie es in Block 134 gezeigt ist. Danach werden bei dem Block 136 weitere Kathodenkomponenten an dem Kathodenträger 70 und dem Isolator 68 angebracht.
• In ähnlicher Weise werden alle Anodenkomponenten einschließlich der Anodenscheibe 54 zur Fertigstellung der Anodenanordnung 50 wie in Block 138 zusammengesetzt. Die Kathodenanordnung 48 und die Anodenanordnung 50 werden danach zusammen mit dem Gehäuse 52 verbunden, um wie in Block 140 die Röntgenröhre 46 zu bilden. Nachdem die Röntgenröhre 46 gebildet worden ist, wird sie wie in Block 142 evakuiert bzw. die Luft oder das Gas im Inneren wird ihr entzogen. Der nächste Block dient zum Einlaufen der Röntgenröhre 46, wobei wie in Block 144 in Schritten Spannung angelegt wird, bis die vorbestimmte Spannung erreicht ist. Die Röntgenröhre 46 wird dann in ein Gehäuse eingebaut, wie es in Block 146 gezeigt ist. Das Gehäuse wird dann entleert bzw. das Gas oder die Luft aus dem Inneren entfernt, wie es in Block 148 gezeigt ist. Nachdem die Luft abgesaugt worden ist, kann das Gehäuse mit Öl gefüllt werden, wie es in Block 150 gezeigt ist. Das Öl kann zur Kühlung der Röntgenröhre 46 verwendet werden. Schließlich wird die Röntgenröhre wie in Block 152 an einem Röntgenbildgebungsgerät montiert.
• Gemäß einer Ausführungsform schafft die vorliegende Technik eine Röntgenröhre 46. Die Röntgenröhre 46 enthält eine Anodenanordnung 50, die zur Emission von Röntgenstrahlen eingerichtet ist, und eine Kathodenanordnung 48, die zur Emission von Elektronen zu der Anodenanordnung 50 hin eingerichtet ist. Die Kathodenanordnung 48 enthält einen Isolator 68 und einen Kathodenträger 70. Der Isolator 68 enthält eine Seitenoberfläche, wobei die Seitenoberfläche einen vertieften Abschnitt aufweist. Der Kathodenträger 70 enthält einen hohlen inneren Bereich, der eine innere Oberfläche aufweist, wobei die innere Oberfläche zum Eingriff mit der Seitenoberfläche des Isolators 68 eingerichtet ist. Der Kathodenträger 70 kann auch einen Fußabschnitt enthalten, der sich an dem Ende des Kathodenträgers 70 von der inneren Oberfläche weg erstreckt. Der Kathodenträger 70, der dem vertieften Abschnitt des Isolators 68 benachbart ist, ist zum Abschirmen eines Tripelpunktes eingerichtet, um elektrische Beanspruchungen an dem Tripelpunkt zu verringern.
• Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben worden sind, werden Fachleuten viele Abwandlungen und Änderungen einfallen. Es muss daher erkannt werden, dass es beabsichtigt ist, dass alle solche Abwandlungen und Veränderungen, die von den beigefügten Ansprüchen umfasst sind, unter den wahren Geist der Erfindung fallen.
• Bezugszeichenliste

10

Bildgebungssystem

12

Röntgenquelle

14

Röntgenstrahlen

16

Patient

18

Patientenpositionierungssystem

20

Röntgendetektor

22

Systemsteuerung

24

Röntgensteuerung

26

Detektorakquisitionsschaltung

28

Verarbeitungsschaltung

30

Bedienerworkstation

32

Anzeige

34

Drucker

36

PACS

38

Interne Workstation

40

Externe Workstation

42

Interne Datenbank

44

Externe Datenbank

46

Röntgenröhre

48

Kathodenanordnung

50

Anodenanordnung

52

Gehäuse

54

Anodenscheibe

56

Anodenträger

58

Längsachse

60

Kathodenbecher

62

Wolframdraht

64

Stift

68

Kathodenisolator

70

Kathodenträger

72

Anordnung

74

Grundkörper

76

Verlängerung

78

Obere Oberfläche

80

Seitenoberfläche

82

Vertiefter Abschnitt

84

Stiftloch

86

Hohler innerer Bereich

88

Innere Oberfläche

90

Tripelpunktabschirmung

92

Randfuß

94

Hartlot

96

Pfeil

97

Metallisierungslänge

98

Tripelpunkt bzw. Tripelgrenze

100

Punkt

102

Spalt

104

Untere Oberfläche

106

Punkt im Vakuum

108

Graph

110

x-Achse: Metallisierungslänge in mm

112

y-Achse: Feldstärke in kV/mm

114

Kurve: Feldstärke an der Tripelgrenze über der Metallisierungslänge bei einer Spaltvariation von –0,5 mm

116

Kurve: Feldstärke an der Tripelgrenze über der Metallisierungslänge bei einer Spaltvariation von 0 mm

118

Kurve: Feldstärke an der Tripelgrenze über der Metallisierungslänge bei einer Spaltvariation +0,5 mm

120

Kurve: Feldstärke am Vakuumpunkt über der Metallisierungslänge bei einer Spaltvariation von –0,5 mm

122

Kurve: Feldstärke am Vakuumpunkt über der Metallisierungslänge bei einer Spaltvariation von 0 mm

124

Kurve: Feldstärke am Vakuumpunkt über der Metallisierungslänge bei einer Spaltvariation von +0,5 mm

126

Horizontale 40 kV/mm-Linie

128

Vertikale 5,5 mm-Linie der Metallisierungslänge

130

Fertige Kathodenträger

132

Fertige Isolator

134

Setze Kathodenträger und Isolator zusammen und bringe Hartlot zwischen Kathodenträger und Isolator an

136

Setze Kathodenkomponenten zusammen

138

Setze Anodenkomponenten zusammen

140

Setze Röntgenröhre zusammen

142

Entleere Röntgenröhre von Gas

144

Lasse Röntgenröhre einlaufen

146

Setze Röntgenröhre und Gehäuse zusammen

148

Entleere Gehäuse von Gas

150

Fülle Gehäuse mit Öl

152

Montiere Röntgenröhrenanordnung (Röntgenröhre und Gehäuse) an dem Röntgengerät

Claims (8)

1. Röntgenröhre (46), die aufweist: eine Anodenanordnung (50), die zur Emission von Röntgenstrahlen eingerichtet ist, und eine Kathodenanordnung (48), die zur Emission von Elektronen zu der Anodenanordnung (50) hin eingerichtet ist, wobei die Kathodenanordnung (48) einen Isolator (68) enthält, der teilweise in einen Kathodenträger (70) eingesetzt ist, wobei der Isolator (68) einen vertieften Abschnitt aufweist, der mit dem Kathodenträger (70) eine Tripelpunktabschirmung bildet, der Kathodenträger (70) einen Randfuß aufweist, der sich an dem Ende des Kathodenträgers (70) von dem vertieften Abschnitt weg erstreckt und der Randfuß einen halbkreisförmigen oder einen polygonförmigen Querschnitt aufweist.
2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der die Tripelpunktabschirmung die elektrische Beanspruchung an einem Tripelpunkt verringert.
3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der der Kathodenträger (70) der Kathodenanordnung (48) eine Nickel-Eisen-Legierung enthält.
4. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der der Isolator (68) der Kathodenanordnung (48) ein keramisches Material enthält.
5. Verfahren zur Herstellung einer Röntgenröhre (46), wobei das Verfahren enthält: Herstellung einer Kathodenanordnung (48), wobei die Herstellung aufweist: Herstellung eines Kathodenträgers (70), der einen hohlen inneren Bereich (86) aufweist, mit einer inneren Oberfläche (88) und einem Randfuß (92), der sich von der inneren Oberfläche aus erstreckt und einen halbkreisförmigen oder einen polygonförmigen Querschnitt aufweist; Herstellung eines Isolators (68), der eine obere Oberfläche (78), eine Seitenoberfläche und eine radiale Ausnehmung (82) an der Seitenoberfläche (80) aufweist, wobei die radiale Ausnehmung zur Bildung eines Leerraums zwischen der inneren Oberfläche und dem Isolator (68) eingerichtet ist, und Kopplung der Seitenoberfläche (80) des Isolators (68) in dem hohlen inneren Bereich des Kathodenträgers (70), derart, dass der Randfuß sich in die Ausnehmung und über die Seitenoberfläche hinaus erstreckt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, das das Anbringen eines Hartlotes zwischen der inneren Oberfläche (88) des Kathodenträgers (70) und dem Isolator (68) nahe bei der radialen Ausnehmung in dem Isolator enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 5, das das Evakuieren des Kathodenträgers (70) und des Isolators (68) von Gasen enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 5, das den Einbau der Kathodenanordnung (48) und einer Anodenanordnung (50) in ein Röntgenröhrengehäuse (52) enthält.

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