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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Röntgenröhre, die aus der
DE 42 09 377 A1 bekannt ist, umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung angeordnet sind, wobei das Vakuumgehäuse drei Gehäuseteile umfasst. Die Anode ist in einem trichterförmigen Gehäuseteil angeordnet, das von einem scheibenförmigen Gehäuseteil abgeschlossen ist. Die Kathodenanordnung ist in einem rohrförmigen Gehäuseteil montiert, das senkrecht auf dem scheibenförmigen Gehäuseteil angeordnet ist. Ein derartiges Vakuumgehäuse ist aufwendig zu montieren.
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Weiterhin ist aus der
DE 197 21 981 C1 ein Computertomografie-System mit einer ringförmigen Anode bekannt. Das Vakuumgehäuse besteht aus zwei Gehäuseteilen. Die Ringanode und ein ringförmiger Strahlendetektor sind in einem ersten Gehäuseteil angeordnet. Eine Elektronenkanone, die einen auf die Ringanode auftreffenden Elektronenstrahl erzeugt, ist in einem zweiten Gehäuseteil angeordnet. Auch dieses Vakuumgehäuse ist aufwendig zu montieren.
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Bei einer weiteren Röntgenröhre, die beispielsweise in der
DE 27 27 907 C2 beschrieben ist, umfasst die Kathodenanordnung einen thermischen Emitter, vorzugsweise aus Wolfram, Tantal oder Rhenium. Der thermische Emitter wird auf. ca. 2.000°C aufgeheizt, wodurch Elektronen thermisch emittiert und durch ein elektrisches Potential von ca. 120 kV auf eine Anode beschleunigt werden. Beim Aufprall der thermisch erzeugten Elektronen auf der Anode entsteht eine zur Bildgebung nutzbare Röntgenstrahlung.
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In der
US 7,346,147 B2 ist eine Röntgenröhre mit einer kreiszylindrischen Anode beschrieben. Die Anode ist als perforierter Hohlzylinder ausgeführt. Innerhalb des Hohlzylinders erstreckt sich ein thermischer Emitter, der Elektronen in Richtung der Zylinderwand emittiert. Die Anode emittiert beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlen in einem Winkel von 360°.
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Eine Röntgenröhre mit einer Kathodenanordnung, die einen Feldemitter und ein Extraktionsgitter umfasst, ist beispielsweise aus der Produktinformation ”Carbon Nano Tube Based Field Emission X-Ray Tubes” bekannt. Diese Produktinformation ist über http://www.xintek.com/products/xray/index.htm abrufbar. Anstatt einer Erzeugung von freien Elektronen mittels thermischer Emission werden bei einem Feldemitter die freien Elektronen mittels Feldemission erzeugt.
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Als Material für Feldemitter sind prinzipiell alle Materialien geeignet, die eine Feldemission von Elektronen ermöglichen. Vorzugsweise besteht der Feldemitter aus einem Nanomaterial auf Basis von Kohlenstoff, insbesondere aus Carbon-Nano-Tubes (CNT). Feldemissionskathoden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind beispielsweise in dem Artikel von Zhang et al. in Applied Physics Letters 86, 184104 (2005) beschrieben.
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Bei der Feldemission werden durch Anlegen einer Spannung Elektronen aus einem Material mit einer hohen Emissionsstromdichte, wie beispielsweise Carbon-Nano-Tubes (CNT), extrahiert, wobei eine Erhitzung dieses Materials nicht notwendig ist. Die Carbon-Nano-Tubes weisen einen Durchmesser von ca. 10 nm bei einer Länge von einigen μm auf. An der scharfen Spitze kommt es zu Feldüberhöhungen des elektrischen Feldes, die die Elektronenemission allein durch den Feldeffekt ermöglicht. Die mit einem derartigen Feldemitter erzielbaren Stromdichten liegen mit typischen Werten von kleiner 5 A/cm2 jedoch deutlich unter den Stromdichten eines thermischen Emitters, mit dem Stromdichten bis zu 10 A/cm2 realisierbar sind.
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Um die für die Elektronenemission hohen Feldstärken von größer 1 V/μm zu erzielen, wird entweder eine hohe Spannung benötigt oder der Abstand zur Anode muss sehr kurz sein. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines Extraktionsgitters (Gate-Elektrode) zwischen dem Feldemitter und der Anode, das auf einem gegenüber der Elektronen-Emissionsschicht positiven Potential liegt. Bei Abständen zwischen ca. 100 μm bis 1 mm lassen sich diese Feldstärken leicht mit handhabbaren Mittelspannungen im Bereich von einigen kV erzeugen. Das Extraktionsgitter besteht aus dünnen Wolfram-Drähten mit einem Drahtdurchmesser von einigen 10 μm und weist einen Gitterabstand von typischerweise 100 bis 200 μm auf.
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Weiterhin sind beispielsweise aus der
US 7,218,700 B2 , der
US 7,233,644 B1 und der
US 7,295,651 B2 jeweils für sich stationäre Computertomografie-Systeme mit mehreren, ringförmig um einen Untersuchungsraum herum angeordneten und sequentiell schaltbaren Röntgenröhren bekannt. Bei einem derartigen Computertomografie-System findet keine Rotation und damit keine mechanische Bewegung der Röntgenröhren um das zu untersuchende Objekt statt.
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In der
DE 10 2005 049 601 A1 sowie in der korrespondierenden
US 2007/0086571 A1 sind jeweils eine Drehanode-Röntgenröhre und eine Drehkolben-Röntgenröhre beschrieben, die jeweils eine Kathodenanordnung mit einem so genannten kalten Emitter als Elektronenquelle aufweisen.
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Aus der
US 6,553,096 B1 sind Röntgenröhren mit jeweils einer Kathodenanordnung bekannt. Die Kathodenanordnung umfasst einen Feldemitter, der Elektronen-Emissionsschichten aus Carbon-Nano-Tubes (CNT) aufweist. Zwischen dem Feldemitter und der Anode ist ein Extraktionsgitter angeordnet, das gegenüber der Elektronen-Emissionsschicht auf positivem Potenzial liegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Röntgenröhre zu schaffen, die unabhängig von ihrer geometrischen Form einfach montierbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.
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Die Röntgenröhre nach Anspruch 1 umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung angeordnet sind, wobei das Vakuumgehäuse eine vorgebbare Anzahl von Gehäuseteilen umfasst und die Kathodenanordnung in wenigstens ein Gehäuseteil montiert ist und die Anodenanordnung in wenigstens ein Gehäuseteil montiert ist. Erfindungsgemäß sind die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung in ein gemeinsames Gehäuseteil montiert.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist sowohl für Röntgenröhren mit thermischen Emittern als auch für Röntgenröhren mit Feldemittern geeignet. Die erfindungsgemäße Lösung ist darüber hinaus auch unabhängig von der geometrischen Form des Emitters.
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Die Röntgenröhre nach Anspruch 1, die ein aus einer vorgebbaren Anzahl von Gehäuseteilen bestehendes Vakuumgehäuse umfasst, ist erfindungsgemäß durch zumindest folgende Fertigungsschritte auf einfache Weise herstellbar:
- – Die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung werden in ein gemeinsames Gehäuseteil montiert,
- – anschließend werden alle Gehäuseteile zusammengefügt.
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Bei der Röntgenröhre nach Anspruch 1 werden also erfindungsgemäß die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung in ein gemeinsames Gehäuseteil montiert und anschließend, also nach der Montage aller im Vakuumsgehäuse angeordneten Bauteile, alle Gehäuseteile vakuumdicht zusammengefügt.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäße Röntgenröhre eine vorgebbare Anzahl von Gehäuseteilen umfasst, die erst nach der Montage der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung sowie gegebenenfalls weiterer Bauteile zusammengefügt werden, lassen sich Röntgenröhren mit vollkommen neuen geometrischen Formen, z. B. Ringform, H-Form oder L-Form, realisieren. Dies gilt insbesondere für Röntgenröhren, deren Kathodenanordnungen Feldemitterarrays aufweisen, die in nahezu jeder geometrischen Form realisierbar sind. Röntgenröhren mit geometrischen Formen, die von der klassischen ”Kolbenform” abweichen, werden beispielsweise in der bildgeführten Strahlentherapie (IGBT, Image Guided Radiation Therapy) eingesetzt.
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Mit einer Stehanoden-Ringröhre (ringförmige Röntgenröhre mit Stehanode) kann ein konstruktiv einfacher aufgebautes stationäres CT-System realisiert werden. Bei einem derartigen Computertomografie-System ist die ringförmige Röntgenröhre stationär angeordnet, eine Rotation der Röntgenröhre um das zu untersuchende Objekt (Patient, Gepäckstück) entfällt. Bei einem derartigen Röntgensystem ist das Vakuumgehäuse der ringförmigen Röntgenröhre wesentlich größer als bei einem CT-System mit einer umlaufenden Röntgenröhre oder bei einem CT-System mit einer Vielzahl von einzelnen, stationär angeordneten Röntgenröhren, die sequenziell angesteuert werden.
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Um das Volumen des Vakuumgehäuses möglichst klein zu halten, muss bei einer ringförmigen Röntgenröhre der Querschnitt des ringförmigen Vakuumgehäuses entsprechend gering sein. Bei einem konventionellen Herstellverfahren wäre die Anordnung der Bauteile innerhalb des Vakuumgehäuses, insbesondere die Ausrichtung der Kathode und der Anode zueinander, aufgrund der geometrischen Form der Röntgenröhre nicht oder nur sehr schwierig realisierbar. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es jedoch möglich, eine Stehanoden-Ringröhre auf einfache Weise zu fertigen. Gleiches gilt auch für jede beliebige andere geometrische Form.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Röntgenröhre ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumgehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil umfasst, wobei die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung in das erste Gehäuseteil montiert sind. Das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre kann dann nach der Montage der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung im ersten Gehäuseteil auf einfache Weise komplettiert werden. Es ist lediglich das zweite Gehäuseteil auf das erste Gehäuseteil aufzusetzen und vakuumdicht zu verbinden. Für eine derartige Montagetechnik ist es besonders vorteilhaft, wenn die Gehäuseteile als Halbschalen ausgebildet sind.
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Nachfolgend ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels die Montage einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre näher erläutert, ohne jedoch auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 ein erstes Gehäuseteil eines Vakuumgehäuses für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Röntgenröhre in Prinzipdarstellung,
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2 das erste Gehäuseteil gemäß 1 mit montierten Röhren-Bauteilen,
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3 das erste Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil des Vakuumgehäuses,
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4 das komplett montierte Vakuumgehäuse der erfindungsgemäßen Röntgenröhre.
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In den 1 bis 4 ist mit 1 ein erstes Gehäuseteil bezeichnet, das mit einem zweiten Gehäuseteil 2 (siehe 2 bis 4) ein Vakuumgehäuse 3 (siehe 4) einer Röntgenröhre bildet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Vakuumgehäuse 3 aus einem ersten Gehäuseteil 1 und einen zweiten Gehäuseteil 2. Bei der dargestellten Ausführungsform sind das erste Gehäuseteil 1 und das zweite Gehäuseteil 2 als Halbschalen ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass das Vakuumgehäuse aus mehr als 2 Gehäuseteilen besteht. Weiterhin ist es möglich, dass die Gehäuseteile und damit das Vakuumgehäuse eine andere geometrische Form aufweisen, als in den 1 bis 4 dargestellt.
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Im ersten Gehäuseteil 1 ist ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster 4 angeordnet. Weiterhin weist das erste Gehäuseteil 1 zwei Bohrungen 5 und 6 zur Aufnahme von Hochspannungs-Stromdurchführungen 7 und 8 auf (siehe 2).
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In dem Vakuumgehäuse 3 ist eine Kathodenanordnung 9 aufgenommen, von der – aus Gründen der Übersichtlichkeit – nur die zugehörige Kathode dargestellt ist.
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Weiterhin ist in dem Vakuumgehäuse 3 eine Anodenanordnung 10 aufgenommen, von der – ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit – nur die zugehörige Anode dargestellt ist.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Kathodenanordnung 9 und die Anodenanordnung 10 in das erste Gehäuseteil 1 montiert und mit ihrer Hochspannungs-Stromdurchführung 7 bzw. 8 elektrisch leitend verbunden (siehe 3).
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Anschließend, also nach der Montage aller im Vakuumsgehäuse 3 einzubringenden Bauteile (Kathodenanordnung 9, Anodenanordnung 10 usw.), wird das zweite Gehäuseteil 2 auf das erste Gehäuseteil 1 aufgesetzt und beide Gehäuseteile 1 und 2 werden vakuumdicht miteinander verbunden (siehe 4). Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Vakuumdichtigkeit des Vakuumgehäuses 3 durch eine umlaufende Schweißnaht 11 sichergestellt (siehe 4).
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Abschließend wird das notwendige Hochvakuum über einen Evakuierungs-Stutzen 12 hergestellt (siehe 4). Hierzu ist ein in der 4 nicht dargestelltes Rohr im Evakuierungs-Stutzen 12 angeordnet. Über das Rohr wird das im Vakuumgehäuse 3 vorhandene Gas abgesaugt. Nach der Herstellung des Hochvakuums wird das im Evakuierungs-Stutzen 12 eingeführte Rohr verschlossen. Das im Vakuumgehäuse 3 erzeugte Hochvakuum bleibt dadurch dauerhaft erhalten.
