DE102012208513A1

DE102012208513A1 - X-ray tube has anode that is arranged in parallel or perpendicular to incidence direction of electron beam from electron source, and anode cover that is arranged between electron source and anode

Info

Publication number: DE102012208513A1
Application number: DE201210208513
Authority: DE
Inventors: Jörg Freudenberger; Jan Matschulla
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-11-28

Abstract

The X-ray tube (1) has a vacuum housing in which an anode (5) is arranged, such that a focal spot (6) is formed while impinging electron beam emitted from an electron source on anode. An X-ray exit window is formed in vacuum housing. An anode cover (8) is arranged between an electron source and anode so as to cover an opening (9) for passage of electron beam and X-ray. The anode is arranged in parallel or perpendicular to incidence direction of electron beam from an electron source.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre. The invention relates to an X-ray tube.

Die Erzeugung von Röntgenstrahlung erfolgt in Röntgenröhren üblicherweise durch Beschuss einer Anode mit Elektronen. Die Elektronen werden ihrerseits aus einer Elektronenquelle (Kathode mit einem thermoionischen Emitter oder einem Feldemitter) freigesetzt und über eine Hochspannung, die zwischen der Elektronenquelle und der Anode anliegt, auf die gewünschte Primärenergie beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Material der Anode im Aufenthaltsbereich des Brennflecks wird durch die Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomkernen des Anodenmaterials die kinetische Energie der Elektronen teilweise in Röntgenstrahlung umgesetzt. Die Ausbeute der erzeugten Röntgenstrahlung, d.h. die Anzahl Röntgenquanten über den gesamten Energiebereich, weist eine nahezu lineare Abhängigkeit mit der Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z des verwendeten Anodenmaterials (beispielsweise Wolfram, Z = 74) auf. X-ray radiation is usually generated in X-ray tubes by bombarding an anode with electrons. The electrons are in turn released from an electron source (cathode with a thermionic emitter or field emitter) and accelerated to the desired primary energy via a high voltage applied between the electron source and the anode. When the electrons hit the material of the anode in the residence area of the focal spot, the kinetic energy of the electrons is partially converted into X-radiation by the interaction of the electrons with the atomic nuclei of the anode material. The yield of generated X-radiation, i. the number of X-ray quanta over the entire energy range, has a nearly linear dependence with the atomic number (atomic number) Z of the anode material used (for example, tungsten, Z = 74).

Für eine korrekte Funktion muss die gesamte Anordnung in einem Vakuumgehäuse (Vakuumhülle) untergebracht sein. Üblicherweise besteht das Vakuumgehäuse aus Metall und/oder einem vakuumdichten Isolator wie z.B. Glas oder Keramik. Je nach Konfiguration der Röntgenröhre ist das Vakuumgehäuse mit der Anode verbunden (Vakuumgehäuse und Anode auf gleichem Potenzial, einpoliger Aufbau) oder das Vakuumgehäuse ist gegenüber Anode und Kathode isoliert (Anode liegt z.B. auf einem höheren Potenzial als das auf erdnahem Potenzial liegende Vakuumgehäuse, zweipoliger Aufbau). For correct operation, the entire assembly must be housed in a vacuum housing (vacuum envelope). Usually, the vacuum housing is made of metal and / or a vacuum-tight insulator, such as e.g. Glass or ceramics. Depending on the configuration of the X-ray tube, the vacuum housing is connected to the anode (vacuum housing and anode at the same potential, one-pole design) or the vacuum housing is insulated from the anode and cathode (anode is at a higher potential than the lying on near-earth potential vacuum housing, two-pole structure ).

Die zur Nutzung bestimmte Röntgenstrahlung (Röntgennutzstrahlung) soll den Röntgenstrahler, in dem das Vakuumgehäuse angeordnet ist, möglichst ohne Verluste verlassen können. Dazu ist in das Vakuumgehäuse ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster aus einem röntgentransparenten Material eingearbeitet. Da dieses Röntgenstrahlenaustrittsfenster als Teil des Vakuumgehäuses auch bestimmte Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität, einer bestimmungsadäquaten Verbindungstechnik sowie der notwendigen Vakuumdichtheit erfüllen muss, ist bei der Materialwahl oftmals ein Kompromiss bezüglich der optimalen Erfüllung aller angesprochenen Eigenschaften einzugehen. Während bei älteren Röntgenröhren das Vakuumgehäuse oder zumindest ein Großteil desselben aus Glas gefertigt ist, ist bei moderneren Röntgenröhren das Vakuumgehäuse oftmals aus Metall gefertigt und lediglich im Austrittsbereich der Röntgennutzstrahlung aus der Röntgenröhre befindet sich ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster aus einem röntgentransparenten Material. Bei der Drehkolben-Röntgenröhre vom Typ "Straton" von Siemens ist es bekannt, das Röntgenstrahlenaustrittsfenster durch eine gegenüber dem aus Stahl gefertigten Vakuumgehäuse geringere Wandstärke zu realisieren. Die Röntgennutzstrahlung kann damit weitgehend ungefiltert aus der Röntgenröhre austreten. The X-ray radiation (X-ray radiation) intended for use should be able to leave the X-ray source, in which the vacuum housing is arranged, as far as possible without losses. For this purpose, an X-ray exit window made of an X-ray transparent material is incorporated in the vacuum housing. Since this X-ray exit window as part of the vacuum housing must also meet certain requirements with regard to the mechanical stability, a determination-adequate connection technology and the necessary vacuum tightness, a compromise is often to be made in the choice of material with regard to the optimal fulfillment of all mentioned properties. While in older X-ray tubes, the vacuum housing or at least a large part thereof is made of glass, in modern X-ray tubes, the vacuum housing is often made of metal and only in the exit area of X-ray radiation from the X-ray tube is an X-ray exit window made of a X-ray transparent material. With the "Straton" rotary-piston X-ray tube from Siemens, it is known to realize the X-ray exit window by means of a smaller wall thickness than the vacuum housing made of steel. The X-ray radiation can thus emerge largely unfiltered from the X-ray tube.

Der technisch geplante und konstruktiv realisierte Aufenthaltsbereich des Brennflecks, also die Stelle der Anode, an dem der Primärstrahl der in der Kathode erzeugten Elektronen auftrifft, kann entweder stationär sein (Steh-/Festanoden) oder eine Brennbahn bilden (rotierende Anoden bei Drehanoden-Röntgenröhren oder Drehkolben-Röntgenröhren). The technically planned and structurally realized residence area of the focal spot, ie the location of the anode where the primary beam of the electrons generated in the cathode, can either be stationary (standing / solid anodes) or form a focal path (rotating anodes in rotary anode X-ray tubes or rotary piston x-ray tubes).

Der Brennfleck bzw. die Brennbahn emittiert seinerseits wiederum eine Vielzahl von Elektronen. Zum einen sind dies Sekundärelektronen, die zusätzlich aus dem Anodenmaterial durch Anregungsprozesse herausgelöst werden, und zum anderen sind dies auch Elektronen des Primärstrahls, die die Anode nach elastischer Streuung oder nach inelastischen Streu- oder Anregungsprozessen wieder verlassen. Letztere Elektronen werden im Folgenden auch als Rückstreuelektronen bezeichnet. The focal spot or the focal path in turn emits a plurality of electrons. On the one hand, these are secondary electrons, which are additionally dissolved out of the anode material by excitation processes, and on the other hand, these are also electrons of the primary beam, which leave the anode after elastic scattering or after inelastic scattering or excitation processes. The latter electrons are also referred to below as backscattered electrons.

Insbesondere die Rückstreuelektronen besitzen zumindest teilweise noch eine vergleichsweise hohe Energie (im Mittel ca. 80 % der Energie der einfallenden Elektronen). Wenn die Rückstreuelektronen auf benachbarte Teile des Vakuumgehäuses, auf das Röntgenstrahlenaustrittsfenster oder auf die Anode selbst (diesmal auch außerhalb des eigentlichen Brennflecks bzw. außerhalb der eigentlichen Brennbahn) treffen, erzeugen sie aufgrund ihrer hohen Energie je nach Material am sekundären Auftreffpunkt eine mehr oder minder starke Röntgenstrahlung und bewirken eine Erwärmung des Materials. Insbesondere bei Hochleistungsröntgenröhren mit Vakuumgehäusen aus einem stabilen Metall, sind die sekundären Auftreffpunkte Quellen einer nicht vernachlässigbaren Röntgenstrahlung, die als Extrafokalstrahlung bezeichnet wird. In particular, the backscattered electrons at least partially still have a comparatively high energy (on average about 80% of the energy of the incident electrons). If the backscatter electrons strike adjacent parts of the vacuum housing, the X-ray exit window or the anode itself (this time also outside the actual focal spot or outside the actual focal path), they produce a more or less strong due to their high energy depending on the material at the secondary impact point X-radiation and cause a warming of the material. Particularly in high performance x-ray tubes with vacuum housings made of a stable metal, the secondary points of incidence are sources of non-negligible X-radiation, referred to as extra focal radiation.

Darüber hinaus ist der sekundäre Auftreffpunkt wiederum Quelle für Rückstreu- und Sekundärelektronen. Die Rückstreurate, also das Verhältnis der Anzahl von wieder emittierten zu einfallenden Elektronen, variiert dabei mit der Kernladungszahl Z des getroffenen Materials in einem Bereich von 0,2 bei Z = 10 bis 0,5 bei Z = 50 (bei einem Einfallswinkel der Elektronen von 40° zur Oberflächennormalen). Insbesondere bei Hochleistungsröntgenröhren tritt eine beträchtliche Rückstreuung am sekundären Auftreffpunkt auf. In addition, the secondary impact point is again a source of backscatter and secondary electrons. The backscatter rate, that is, the ratio of the number of re-emitted to incident electrons, varies with the atomic number Z of the impacted material in a range of 0.2 at Z = 10 to 0.5 at Z = 50 (at an angle of incidence of the electrons of 40 ° to the surface normal). Especially with high-performance X-ray tubes, a considerable backscatter occurs at the secondary point of impact.

Die an den sekundären Auftreffpunkten von den Rückstreuelektronen erzeugte Extrafokalstrahlung führt, wenn sie nicht durch geeignete Gegenmaßnahmen ausgeblendet wird, zu einer teils erheblichen Beeinträchtigung der mit der Röntgenröhre erreichbaren Bildqualität. The extra focal radiation generated at the secondary points of impact by the backscattered electrons, if not masked out by appropriate countermeasures, results in part Significant impairment of the achievable with the X-ray tube image quality.

Eine Röntgenröhre für ein medizintechnisches Gerät ist beispielsweise aus der EP 0 301 301 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Drehanoden-Röntgenröhre, bei welcher ein rotierbarer Anodenteller fest mit einer Antriebswelle verbunden ist, die magnetisch und zusätzlich mittels als Fanglager fungierender mechanischer Lager gelagert ist, wobei sich die Lager am Vakuumgehäuse der Röntgenröhre abstützen. Durch einen außerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Magneten ist ein Anodenkontakt betätigbar. Ein luftdichter, die Betätigung des Anodenkontakts ermöglichender Anschluss des linear verschiebbaren Ankers des Magneten an das Vakuumgehäuse ist mittels eines Federbalgs hergestellt. An X-ray tube for a medical device, for example, from the EP 0 301 301 A1 known. This is a rotary anode X-ray tube in which a rotatable anode plate is fixedly connected to a drive shaft which is magnetically and additionally mounted by means of mechanical bearings acting as a safety bearing, wherein the bearings are supported on the vacuum housing of the X-ray tube. By a magnet arranged outside the vacuum housing, an anode contact can be actuated. An airtight, the operation of the anode contact enabling connection of the linearly movable armature of the magnet to the vacuum housing is made by means of a bellows.

Eine weitere Röntgenröhre mit Drehanode ist zum Beispiel aus der EP 0 330 912 A1 bekannt. Zusätzlich zum Anodenteller ist in diesem Fall ein Körper aus wärmeleitendem Material im Vakuumgehäuse angeordnet. Der zur Ableitung von Wärme vorgesehene Körper weist einen geringen Abstand zur Unterseite des Anodetellers auf und ist frei drehbar auf der mit dem Anodenteller verbundenen Antriebswelle gelagert. Another x-ray tube with rotary anode is for example from the EP 0 330 912 A1 known. In addition to the anode plate, a body made of thermally conductive material is arranged in the vacuum housing in this case. The intended for the dissipation of heat body has a small distance to the bottom of the anode plate and is freely rotatably mounted on the drive shaft connected to the anode plate.

Verschiedene Varianten von Röntgenröhren, zum einen mit rotierender Anode, zum anderen mit nicht rotierbarer Anode, sind in der DE 39 34 321 A1 offenbart. Zur Begrenzung typischerweise beim Betrieb einer Röntgenröhre auftretender extrafokaler Strahlung, also Strahlung die durch Auftreffen von Elektronen außerhalb des Querschnitts des primären Elektronenstrahles auf der Anode entsteht, ist in beiden Fällen ein Austrittsfenster für die erzeugte Röntgennutzstrahlung vorgesehen, welches einen sich in Strahlungsrichtung der Röntgennutzstrahlung verändernden Querschnitt aufweist, wobei die ausgesandte Röntgennutzstrahlung beeinflussende Elemente, insbesondere Blendenplatten, teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre angeordnet sind. Damit soll der von der extrafokalen Strahlung verursachten Unschärfe des optischen Brennflecks der Röntgenröhre entgegengewirkt werden. Different variants of X-ray tubes, one with rotating anode, the other with non-rotatable anode, are in the DE 39 34 321 A1 disclosed. To limit typically occurring during operation of an X-ray tube extrafocal radiation, ie radiation produced by the impact of electrons outside the cross section of the primary electron beam on the anode, an exit window for the generated X-ray radiation is provided in both cases, which is changing in the radiation direction of the X-ray radiation useful cross section wherein the emitted X-ray radiation influencing elements, in particular aperture plates, are partially disposed within and partially outside the vacuum housing of the X-ray tube. This is intended to counteract the blurring of the optical focal spot of the X-ray tube caused by the extrafocal radiation.

Für Röntgenröhren geeignete Anodenabdeckungen oder Elektronenfänger sind z.B. in der WO 02/15221 A1 , der DE 879 578 B , der US 2008/0019483 A1 und der DE 42 30 047 C1 beschrieben. For example, suitable for X-ray tubes anode covers or electron scavengers are in the WO 02/15221 A1 , of the DE 879 578 B , of the US 2008/0019483 A1 and the DE 42 30 047 C1 described.

So ist beispielsweise in der WO 02/15221 A1 eine Drehanode mit einer Anodenabdeckung bekannt, die nur Flächen senkrecht zur Rotationsachse der Drehanode überdeckt. For example, in the WO 02/15221 A1 a rotary anode with an anode cover known, which covers only surfaces perpendicular to the axis of rotation of the rotary anode.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre zu schaffen, die eine verbesserte Bildqualität liefert. The object of the present invention is to provide an X-ray tube which provides improved image quality.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre mit gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen. This object is achieved by an X-ray tube with according to claim 1. Advantageous embodiments of the X-ray tube according to the invention are the subject of further claims.

Die erfindungsgemäße Röntgenröhre umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem eine Anode angeordnet ist, die beim Auftreffen eines in einer Elektronenquelle erzeugten Elektronenstrahls in einem Aufenthaltsbereich des Brennflecks Röntgennutzstrahlung erzeugt, welche durch ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster aus dem Vakuumgehäuse austritt. Zwischen der Elektronenquelle und der Anode ist bei der Röntgenröhre nach Anspruch 1 eine Anodenabdeckung angeordnet, welche wenigstens eine Öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahls und der Röntgennutzstrahlung aufweist und welche die Anode zumindest teilweise flächig in den Projektionsrichtungen parallel und senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls überdeckt. The X-ray tube according to the invention comprises a vacuum housing in which an anode is arranged, which generates an X-ray radiation emitted by an electron beam generated in an electron source in a residence area of the focal spot, which emanates from the vacuum housing through an X-ray exit window. Between the electron source and the anode, an anode cover is arranged in the X-ray tube according to claim 1, which has at least one opening for the passage of the electron beam and the Röntgennutzstrahlung and which covers the anode at least partially flat in the projection directions parallel and perpendicular to the direction of incidence of the electron beam.

Dadurch, dass erfindungsgemäß die Anode von der Anodenabdeckung zumindest teilweise flächig in den Projektionsrichtungen parallel und senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls überdeckt ist, wird die Anode sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung (bei Drehanoden relativ zu ihrer Rotationsachse) überdeckt. Nur dadurch wird der "von außen sichtbare" Bereich des Brennflecks bzw. der Brennbahn, auf dem Extrafokalstrahlung durch Rückstreuelektronen erzeugt werden kann, reduziert. Characterized in that according to the invention the anode of the anode cover is at least partially covered in the projection directions parallel and perpendicular to the direction of incidence of the electron beam, the anode is covered both in the axial direction and in the radial direction (in rotary anodes relative to its axis of rotation). Only in this way is the "externally visible" region of the focal spot or of the focal track, on which extra focal radiation can be generated by backscattered electrons, reduced.

Im Gegensatz der aus der WO 02/15221 A1 bekannten Anodenabdeckung für eine Drehanode, die nur Flächen senkrecht zur Rotationsachse der Drehanode überdeckt, werden bei der erfindungsgemäßen Lösung auch die beim Auftreffen von Rückstreuelektronen auf den schrägen Teil der Anode (Brennbahn) entstehende und in Richtung des Röntgennutzstrahls laufende Extrafokalstrahlung reduziert. In contrast, from the WO 02/15221 A1 known anode cover for a rotary anode, which covers only surfaces perpendicular to the axis of rotation of the rotary anode, in the solution according to the invention, the resulting upon impact of backscattered electrons on the oblique part of the anode (focal path) and in the direction of the X-ray beam useful Extrafokalstrahlung reduced.

Durch die Anodenabdeckung wird bei der erfindungsgemäßen Röntgenröhre der Energieeintrag der Sekundärelektronen und insbesondere der Energieeintrag der Rückstreuelektronen in die Anode deutlich reduziert, da sowohl entsprechend weniger Sekundärelektronen als auch entsprechend weniger Rückstreuelektronen auf die Anode auftreffen. Damit wird die Erwärmung der Anode entsprechend verringert. By the anode cover, the energy input of the secondary electrons and in particular the energy input of the backscattered electrons is significantly reduced in the anode in the X-ray tube according to the invention, since both correspondingly less secondary electrons and correspondingly less backscattered electrons impinge on the anode. Thus, the heating of the anode is reduced accordingly.

Durch die deutlich geringere Erwärmung der Anode weist der Aufenthaltsbereich des Brennflecks eine entsprechend höhere Konturenschärfe auf, wodurch die erfindungsgemäße Röntgenröhre eine stark verbesserte Bildqualität liefert. Due to the much lower heating of the anode, the residence area of the Focal spot on a correspondingly higher contour acuity, whereby the X-ray tube according to the invention provides a greatly improved image quality.

Die erfindungsgemäße Lösung ist sowohl für einpolige als auch für zweipolige Röntgenröhren geeignet. The solution according to the invention is suitable both for single-pole and for two-pole x-ray tubes.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 2 weist die Anodenabdeckung eine Öffnung, insbesondere eine schlitzförmige Aussparung auf, durch die der von der Elektronenquelle emittierte Elektronenstrahl hindurchtritt. Statt einer schlitzförmigen Aussparung kann beispielsweise auch eine kreisrunde oder eine ovale Aussparung in der Anodenabdeckung vorgesehen sein. According to a preferred embodiment according to claim 2, the anode cover has an opening, in particular a slot-shaped recess through which the electron beam emitted by the electron source passes. Instead of a slot-shaped recess, for example, a circular or an oval recess may be provided in the anode cover.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 weisen die Ränder der schlitzförmigen Aussparung zum Rand des Brennflecks einen minimalen dreidimensionalen Abstand von maximal 2 mm auf. Der Energieeintrag der unerwünschten Sekundärelektronen und der unerwünschten Rückstreuelektronen wird dadurch nochmals reduziert, wodurch sich die Konturenschärfe des Brennflecks bzw. der Brennbahn entsprechend erhöht und die Bildqualität sich entsprechend verbessert. According to a particularly advantageous embodiment according to claim 3, the edges of the slot-shaped recess to the edge of the focal spot on a minimum three-dimensional distance of a maximum of 2 mm. The energy input of the unwanted secondary electrons and the unwanted backscatter electrons is thereby further reduced, whereby the contour sharpness of the focal spot or the focal path increases accordingly and the image quality improves accordingly.

Die Anode der erfindungsgemäßen Röntgenröhre kann sowohl als Stehanode (Festanode) als auch als Drehanode ausgebildet sein. Gemäß Anspruch 4 ist die Anode vorzugsweise als Drehanode ausgeführt. The anode of the X-ray tube according to the invention can be designed both as a standing anode (fixed anode) and as a rotary anode. According to claim 4, the anode is preferably designed as a rotary anode.

In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 5 überragt die Anodenabdeckung die Anode in radialer Richtung, bezogen auf deren Rotationsachse. Damit werden insbesondere auch Elektronen von der Anodenabdeckung aufgefangen, welche von deren Oberfläche radial nach außen gestreut werden. Insgesamt weist die Anodenabdeckung vorzugsweise die Grundform eines Kreissegments auf, welches sich so weit wie möglich nach innen, in Richtung zur Rotationsachse der Anode, erstreckt. In a preferred embodiment according to claim 5, the anode cover projects beyond the anode in the radial direction, relative to its axis of rotation. In particular, electrons are also absorbed by the anode cover, which are scattered radially outward from their surface. Overall, the anode cover preferably has the basic shape of a circular segment, which extends as far as possible inwards, in the direction of the axis of rotation of the anode.

Vorzugsweise ist bei einer Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 das Lager der Anode kühlbar und gemäß Anspruch 7 insbesondere als Flüssigmetallgleitlager ausgebildet. Die Anode ist gemäß Anspruch 8 unabhängig von der Art des Lagers bevorzugt an einem rotierbaren Teil des Lagers und die Anodenabdeckung an einem stehenden Teil des Lagers befestigt. Preferably, in one embodiment according to claim 6, the bearing of the anode can be cooled and formed according to claim 7, in particular as liquid metal plain bearings. The anode is attached according to claim 8, regardless of the type of bearing preferably on a rotatable part of the bearing and the anode cover to a stationary part of the bearing.

Flüssigmetallgleitlager für die Lagerung von Drehanoden in Röntgenröhren sind prinzipiell beispielsweise aus der DE 195 10 068 A1 sowie der DE 195 23 163 A1 bekannt. Als Flüssigmetall werden bei derartigen Lagern beispielsweise Gallium-, Indium- und Zinnlegierungen verwendet. Bei der aus der DE 103 18 194 A1 bekannten Röntgenröhre ist eine schwerpunktnahe Lagerung einer Drehanode durch ein Flüssigmetall-Gleitlager bekannt, wodurch bei einfacher und kompakter Bauweise hohe Fliehkräfte auffangbar sind. Der generelle Vorteil eines Flüssigmetallgleitlagers ist dessen Wärmetransport. In bevorzugter Weiterbildung ist eine nochmals verbesserte Kühlwirkung durch den Einbau eines von einem Kühlmedium durchströmten Wärmetauschers erreichbar, welches das Gleitlager im stehenden Teil des Lagers kühlt. Liquid metal plain bearings for the storage of rotary anodes in X-ray tubes are in principle for example from DE 195 10 068 A1 as well as the DE 195 23 163 A1 known. For example, gallium, indium and tin alloys are used as the liquid metal in such bearings. At the time of the DE 103 18 194 A1 known X-ray tube is a focus near storage of a rotary anode by a liquid metal sliding bearing known, which in a simple and compact design high centrifugal forces are trappable. The general advantage of a liquid metal plain bearing is its heat transport. In a preferred embodiment, a further improved cooling effect can be achieved by installing a heat exchanger through which a cooling medium flows, which cools the plain bearing in the stationary part of the bearing.

Als Werkstoff der Anodenabdeckung ist besonders ein sehr gut wärmeleitfähiges Material mit geringer Ordnungszahl geeignet, insbesondere – wie in Anspruch 9 beschrieben – Kohlenstoff. Ist die Anode mittels eines Flüssigmetallgleitlagers rotierbar gelagert, so kann durch das Flüssigmetallgleitlager nicht nur die Anode, sondern zugleich auch die Anodenabdeckung gekühlt werden. Insgesamt ist damit ein sehr geringer Anteil an Extrafokalstrahlung, bezogen auf die Leistung der Elektronenquelle, erzielbar. Während bei herkömmlichen Röntgenröhren (Anode ohne Anodenabdeckung) die auf die Anode auftreffenden Elektronen (Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen) einen erheblichen Energieeintrag verursachen, wird dies durch die Anodenabdeckung vermieden, da die auf der Anodenabdeckung auftreffenden Elektronen nicht die Anode erhitzen. Somit erhält man auf der Anode eine wesentlich gleichmäßigere Energieverteilung, die zu einer entsprechend gleichmäßigen Erwärmung der Anode führt. Die erfindungsgemäße Röntgenröhre sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen können somit höher belastet werden. Die Elektronenstrahlleistung kann damit gegenüber herkömmlichen Anoden deutlich erhöht werden. The material of the anode cover is particularly suitable for a very good thermal conductivity material with a low atomic number, in particular - as described in claim 9 - carbon. If the anode is mounted rotatably by means of a liquid metal sliding bearing, not only the anode but also the anode cover can be cooled by the liquid metal sliding bearing. Overall, therefore, a very small proportion of extra focal radiation, based on the power of the electron source, can be achieved. While in conventional X-ray tubes (anode without anode cover), the electrons (secondary electrons and backscattered electrons) imparting a significant energy input to the anode, this is avoided by the anode cover, since the incident on the anode cover electrons do not heat the anode. Thus, a much more uniform energy distribution is obtained on the anode, which leads to a correspondingly uniform heating of the anode. The X-ray tube according to the invention and its advantageous embodiments can thus be charged higher. The electron beam power can thus be significantly increased compared to conventional anodes.

Die zum Einfangen von zurückgestreuten Elektronen ausgebildete Anodenabdeckung wird vorzugsweise auf demselben Potential wie die Anode betrieben (einpolige Ausführung). Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Potential Null (Masse) ist. The anode cover formed to trap backscattered electrons is preferably operated at the same potential as the anode (single pole design). It is particularly advantageous if the potential is zero (mass).

Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die erfindungsgemäße Lösung sowohl die optische Präzision der Röntgennutzstrahlung als auch die Energieeffizienz der Röntgenröhre verbessert werden. In summary, it should be noted that both the optical precision of the X-ray radiation and the energy efficiency of the X-ray tube are improved by the solution according to the invention.

Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen: Hereinafter, a schematically illustrated embodiment of the invention will be explained with reference to the drawing, but without being limited thereto. Show it:

1 eine Röntgenröhre mit Anodenabdeckung in einer Projektionsrichtung parallel zur Einfallsrichtung eines Elektronenstahls und 1 an X-ray tube with anode cover in a projection direction parallel to the direction of incidence of an electron beam and

2 die Röntgenröhre gemäß 1 in einer Projektionsrichtung senkrecht zur Einfallsrichtung eines Elektronenstahls. 2 the X-ray tube according to 1 in a direction of projection perpendicular to the direction of incidence of an electron beam.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Röntgenröhre, hinsichtlich deren prinzipieller Funktionsweise auf die vorherigen Erläuterungen verwiesen wird, weist ein Vakuumgehäuse 2, eine in dieses ragende Elektronenquelle 3 mit einer zur Emission von Elektronen vorgesehenen Kathode 4, sowie eine als Drehanode ausgebildete Anode 5 auf. A total with the reference numeral 1 characterized X-ray tube, with respect to the basic operation of which reference is made to the previous explanations, has a vacuum housing 2 , an electron source protruding into it 3 with a cathode provided for the emission of electrons 4 , And designed as a rotary anode anode 5 on.

Während die Kathode 4 auf negativem Potential betrieben wird, ist die Anode 5 auf Massenpotential (0 kV) gelegt. Die von der Kathode 4 erzeugten Elektronen treffen in einem Brennfleck 6 auf der Oberfläche der scheibenförmigen Anode 5 auf. Durch die Rotation der Anode 5 beschreibt der Brennfleck eine kreisförmige Brennbahn 7. In der Anode 5 wird Röntgennutzstrahlung hauptsächlich als Röntgenbremsstrahlung erzeugt, wobei lediglich ein geringer Teil der Energie der auftreffenden Elektronen in Röntgennutzstrahlung umgewandelt wird, wohingegen der größte Teil der Energie der Elektronen durch Kühlung, welche nachfolgend noch näher erläutert wird, abgeführt werden muss. While the cathode 4 operated at negative potential is the anode 5 placed on ground potential (0 kV). The from the cathode 4 generated electrons hit in a focal spot 6 on the surface of the disc-shaped anode 5 on. By the rotation of the anode 5 the focal spot describes a circular focal path 7 , In the anode 5 X-ray radiation is mainly generated as X-ray braking radiation, wherein only a small part of the energy of the incident electrons is converted into X-ray radiation, whereas most of the energy of the electrons has to be dissipated by cooling, which will be explained in more detail below.

Die in der Anode 5 erzeugte Röntgennutzstrahlung tritt durch ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster 20 aus dem Vakuumgehäuse 2 aus. The one in the anode 5 generated X-ray radiation passes through an X-ray exit window 20 from the vacuum housing 2 out.

Ein Teil der auf die Anode 5 auftreffenden Elektronen wird inelastisch gestreut, wodurch die gestreuten Elektronen die Anode 5 verlassen. Diese Elektronen treffen zum Teil in der Nähe des Brennflecks 6 wieder auf die Anode 5, zum Teil auch auf andere Teile innerhalb des Vakuumgehäuses 2. Durch gestreute Elektronen erzeugte Röntgenstrahlung, auch als Extrafokalstrahlung bezeichnet, führt in jedem Fall zu einer Unschärfe, also einer Verschlechterung der Qualität der erzeugten Röntgennutzstrahlung. Zudem erhöht der Anteil an Elektronen, welcher nicht zur Erzeugung von Röntgennutzstrahlung verwendet wird, den Kühlungsbedarf der Anode 5. Part of the anode 5 incident electrons are inelastically scattered, causing the scattered electrons to become the anode 5 leave. Some of these electrons strike near the focal spot 6 back to the anode 5 , in part, on other parts within the vacuum housing 2 , X-ray radiation generated by scattered electrons, also referred to as extra focal radiation, in each case leads to a blurring, ie a deterioration in the quality of the generated X-ray radiation. In addition, the proportion of electrons which is not used to generate X-ray radiation increases the cooling requirement of the anode 5 ,

Den beschriebenen nachteiligen Auswirkungen von Extrafokalstrahlung wird durch eine Anodenabdeckung 8 effektiv entgegengewirkt. Die Anodenabdeckung 8 ist im freien Raum zwischen der Elektronenquelle 3 und der Anode 5 innerhalb des Vakuumgehäuses 2 angeordnet und absorbiert von der Anode 5 freigesetzte Sekundärelektronen. Ebenso wie die Anode 5 wird die Anodenabdeckung 8 im dargestellten Ausführungsbeispiel auf Potential Null betrieben. The described adverse effects of extra focal radiation is due to an anode cover 8th effectively counteracted. The anode cover 8th is in free space between the electron source 3 and the anode 5 inside the vacuum housing 2 arranged and absorbed by the anode 5 released secondary electrons. As well as the anode 5 becomes the anode cover 8th operated in the illustrated embodiment to zero potential.

In der Frontansicht (1), mit Blickrichtung in Richtung des von der Kathode 4 ausgehenden Elektronenstrahls, das heißt parallel zur Rotationsachse R der Anode 5, weist die Anodenabdeckung 8 im Wesentlichen die Form eines Kreissegments auf. Die Anodenabdeckung 8 erstreckt sich dabei vorzugsweise etwa über einen Winkelbereich von 30° bis 90°, im Ausführungsbeispiel von etwa 45°. Der kreisbogenförmige äußere Rand der Anodenabdeckung 8 befindet sich, wie auch aus 2 hervorgeht, radial außerhalb des kreisförmigen Randes der Anode 5. Die Anodenabdeckung 8 ist spiegelsymmetrisch zu einer im dargestellten Ausführungsbeispiel vertikalen Ebene E ausgebildet, in welcher die Rotationsachse R sowie die Kathode 4 liegen. In the front view ( 1 ), looking in the direction of the cathode 4 outgoing electron beam, that is parallel to the axis of rotation R of the anode 5 , indicates the anode cover 8th essentially the shape of a circle segment. The anode cover 8th extends preferably approximately over an angular range of 30 ° to 90 °, in the exemplary embodiment of about 45 °. The circular arc-shaped outer edge of the anode cover 8th is located, as well as off 2 shows, radially outside the circular edge of the anode 5 , The anode cover 8th is mirror-symmetrical to a vertical plane E formed in the illustrated embodiment, in which the axis of rotation R and the cathode 4 lie.

In der Ebene E, in welcher sich der von der Elektronenquelle 3 ausgehende Elektronenstrahl ausbreitet, weist die Anodenabdeckung 8 eine schlitzförmige Aussparung 9 auf, um den Durchtritt von Elektronen zur Anode 5 zu ermöglichen. Die Breite der schlitzförmigen Aussparung 9 ist derart bemessen, dass zumindest annähernd die Gesamtzahl der von der Elektronenquelle 3 abgestrahlten Elektronen direkt auf die Brennbahn 7 trifft, das heißt, dass höchstens ein sehr geringer Anteil der Elektronen von der Elektronenquelle 3 direkt auf das Material der Anodenabdeckung 8 gestrahlt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Aussparung 9 bis zum bogenförmigen äußeren Rand der Anodenabdeckung 8. Abweichend hiervon könnte die Anodenabdeckung 8 an deren äußerem Rand, radial außerhalb der Brennbahn 7, auch geschlossen sein. Auf der entgegengesetzten, inneren Seite erstreckt sich die Aussparung 9 geringfügig über den radial inneren Rand der Brennbahn 7 hinaus. In the plane E, in which the of the electron source 3 outgoing electron beam propagates, has the anode cover 8th a slot-shaped recess 9 on to the passage of electrons to the anode 5 to enable. The width of the slot-shaped recess 9 is dimensioned such that at least approximately the total number of the electron source 3 radiated electrons directly onto the focal path 7 that is, that at most a very small proportion of the electrons from the electron source 3 directly on the material of the anode cover 8th is blasted. In the illustrated embodiment, the recess extends 9 to the arcuate outer edge of the anode cover 8th , Deviating from this, the anode cover could 8th at its outer edge, radially outside the focal track 7 be closed too. On the opposite, inner side, the recess extends 9 slightly above the radially inner edge of the focal track 7 out.

Elektronen, die in vorgesehener Weise durch die Aussparung 9 der Anodenabdeckung 8 hindurch, welche von der Anode 5 geringer als von der Kathode 4 beabstandet ist, ungehindert auf den Brennfleck 6 treffen, können dort, wie bereits erläutert, zur Freisetzung von Sekundärelektronen führen. Die Anodenabdeckung 8 ist zum Teil, vorzugsweise zum überwiegenden Teil, besonders bevorzugt vollständig, aus einem einzigen Material gefertigt, welches sowohl für das Einfangen von Elektronen als auch für den Abtransport von Wärme prädestiniert ist und zudem eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ein derartiges Material ist beispielsweise Kohlenstoff. Die Verbesserung der Qualität der Röntgennutzstrahlung gegenüber einer herkömmlichen Röntgenröhre wird zum einen durch das Einfangen von Sekundärelektronen mittels der Anodenabdeckung 8 und zum anderen durch die Kühlwirkung der Anodenabdeckung 8 erzielt. Insgesamt bleibt damit die Extrafokalstrahlung, bezogen auf die Energie der von der Elektronenquelle 3 abgestrahlten Elektronen, auf ca. 2 % dieser Energie begrenzt. Außer direkt von der Anode 5 zurückgestreuten Elektronen werden durch die Anodenabdeckung 8 effizient auch mehrfach gestreute Elektronen aufgefangen. Electrons, in the intended way through the recess 9 the anode cover 8th through which of the anode 5 less than from the cathode 4 is spaced, unhindered on the focal spot 6 can, as already explained, lead to the release of secondary electrons there. The anode cover 8th is partly, preferably for the most part, more preferably completely, made of a single material, which is predestined both for the capture of electrons and for the removal of heat and also has a sufficient electrical conductivity. Such a material is for example carbon. The improvement in the quality of the X-ray radiation compared to a conventional X-ray tube is firstly due to the capture of secondary electrons by means of the anode cover 8th and on the other by the cooling effect of the anode cover 8th achieved. Overall, this leaves the extra focal radiation, based on the energy of the electron source 3 radiated electrons, limited to about 2% of this energy. Except directly from the anode 5 backscattered electrons are passed through the anode cover 8th efficiently collected multiple scattered electrons.

Bei der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Röntgenröhre weisen die Ränder der schlitzförmigen Aussparung 9 zum Rand des Brennflecks 6 einen minimalen dreidimensionalen Abstand X von maximal 2 mm auf. Der Energieeintrag der unerwünschten Sekundärelektronen und der unerwünschten Rückstreuelektronen wird dadurch nochmals reduziert, wodurch sich die Konturenschärfe des Brennflecks 6 bzw. der Brennbahn 7 entsprechend erhöht und die Bildqualität sich entsprechend verbessert. At the in 1 and 2 illustrated embodiment of the x-ray tube have the edges of the slot-shaped recess 9 to the edge of the focal spot 6 a minimum three-dimensional distance X of a maximum of 2 mm. The energy input of the unwanted secondary electrons and the unwanted backscatter electrons is thereby further reduced, resulting in the contour sharpness of the focal spot 6 or the focal track 7 increased accordingly and the image quality is improved accordingly.

Im Gegensatz zur Anode 5, welche durch eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung antreibbar ist, ist die Anodenabdeckung 8 nicht rotierbar, also stationär, im Vakuumgehäuse 2 angeordnet. In contrast to the anode 5 , which is drivable by a drive device, not shown, is the anode cover 8th not rotatable, ie stationary, in a vacuum housing 2 arranged.

Zur Lagerung der Anode 5 dient ein Flüssigmetallgleitlager 10, das ein rotierendes Lagerteil 11 und ein stehendes Lagerteil 12 umfasst. Die Anode 5 ist an dem rotierenden Lagerteil 11 des Flüssigmetallgleitlagers 10 befestigt, wohingegen die Anodenabdeckung 8 am stehenden Lagerteil 12 oder einem mit diesem fest verbundenen Teil des Flüssigmetallgleitlagers 10 befestigt ist. Das stehende Lagerteil 12 ist an dem Vakuumgehäuse 2 befestigt und gasdicht durch dieses hindurchgeführt. Eine zusätzliche Kühlung wird vorzugsweise mit Hilfe eines Kühlmediums erreicht, welches das Gleitlager 10 im stehenden Lagerteil 12 kühlt. Das Kühlmedium durchströmt insbesondere einen hier nicht dargestellten Wärmetauscher. Alternativ kann auch das Flüssigmetall F mittels des Wärmetauschers direkt gekühlt werden. For storage of the anode 5 serves a liquid metal plain bearing 10 , which is a rotating bearing part 11 and a standing storage part 12 includes. The anode 5 is on the rotating bearing part 11 of the liquid metal plain bearing 10 attached, whereas the anode cover 8th at the stationary bearing part 12 or a fixed part of the liquid metal plain bearing 10 is attached. The standing storage part 12 is on the vacuum housing 2 attached and gas-tight passed through this. Additional cooling is preferably achieved by means of a cooling medium, which is the sliding bearing 10 in the standing storage part 12 cools. The cooling medium in particular flows through a heat exchanger, not shown here. Alternatively, the liquid metal F can be cooled directly by means of the heat exchanger.

Das längs der Rotationsachse R dem Flüssigmetallgleitlager 10 zugeführte Flüssigmetall F kühlt unabhängig vom Einsatz eines Wärmetauschers sowohl die Anode 5 als auch die von dieser räumlich getrennte, jedoch auf selbem Potential betriebene Anodenabdeckung 8. The along the rotation axis R the liquid metal plain bearing 10 supplied liquid metal F cools both the anode, regardless of the use of a heat exchanger 5 as well as from this spatially separated, but operated at the same potential anode cover 8th ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 10318194 A1 [0028] DE 10318194 A1 [0028]

Claims

Röntgenröhre (1) mit einem Vakuumgehäuse (2), in dem eine Anode (5) angeordnet ist, die beim Auftreffen eines in einer Elektronenquelle (3) erzeugten Elektronenstrahls in einem Aufenthaltsbereich des Brennflecks (6) Röntgennutzstrahlung erzeugt, welche durch ein Röntgenstrahlenaustrittsfenster (20) aus dem Vakuumgehäuse (2) austritt, wobei zwischen der Elektronenquelle (3) und der Anode (5) eine Anodenabdeckung (8) angeordnet ist, welche wenigstens eine Öffnung (9) für den Durchtritt des Elektronenstrahls und der Röntgennutzstrahlung aufweist und welche die Anode (5) zumindest teilweise flächig in den Projektionsrichtungen parallel und senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls überdeckt. X-ray tube ( 1 ) with a vacuum housing ( 2 ), in which an anode ( 5 ) is arranged, which upon impact of a in an electron source ( 3 ) generated electron beam in a residence area of the focal spot ( 6 ) X-ray radiation generated by an X-ray emission window ( 20 ) from the vacuum housing ( 2 ), wherein between the electron source ( 3 ) and the anode ( 5 ) an anode cover ( 8th ) is arranged, which at least one opening ( 9 ) for the passage of the electron beam and the Röntgennutzstrahlung and which the anode ( 5 ) at least partially flat in the projection directions parallel and perpendicular to the direction of incidence of the electron beam covers.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (9) als schlitzförmige Aussparung ausgebildet ist. X-ray tube ( 1 ) according to claim 1, wherein the opening ( 9 ) is formed as a slot-shaped recess.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 2, wobei die Ränder der schlitzförmigen Aussparung (9) zum Rand des Brennflecks (6) einen minimalen dreidimensionalen Abstand (X) von maximal 2 mm aufweisen. X-ray tube ( 1 ) according to claim 2, wherein the edges of the slot-shaped recess ( 9 ) to the edge of the focal spot ( 6 ) have a minimum three-dimensional distance (X) of a maximum of 2 mm.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 1, wobei die Anode (5) drehbar gelagert ist. X-ray tube ( 1 ) according to claim 1, wherein the anode ( 5 ) is rotatably mounted.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 4, wobei die Anodenabdeckung (8) die Anode (5) in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse (R) der Anode (5), überragt. X-ray tube ( 1 ) according to claim 4, wherein the anode cover ( 8th ) the anode ( 5 ) in the radial direction, relative to the axis of rotation (R) of the anode ( 5 ), surmounted.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 4, wobei das Lager (10) der Anode (5) kühlbar ist. X-ray tube ( 1 ) according to claim 4, wherein the bearing ( 10 ) of the anode ( 5 ) is coolable.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 4, wobei zur Lagerung der Anode (5) und zur Wärmeableitung ein Flüssigmetallgleitlager (10) vorgesehen ist. X-ray tube ( 1 ) according to claim 4, wherein for storage of the anode ( 5 ) and for heat dissipation a liquid metal plain bearing ( 10 ) is provided.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 4, wobei die Anode (5) an einem rotierbaren Teil (11) des Lagers (10) und die Anodenabdeckung (8) an einem stehenden Teil (12) des Lagers (10) befestigt ist. X-ray tube ( 1 ) according to claim 4, wherein the anode ( 5 ) on a rotatable part ( 11 ) of the warehouse ( 10 ) and the anode cover ( 8th ) on a stationary part ( 12 ) of the warehouse ( 10 ) is attached.

Röntgenröhre (1) nach Anspruch 1, wobei die Anodenabdeckung (8) zumindest teilweise aus Kohlenstoff besteht. X-ray tube ( 1 ) according to claim 1, wherein the anode cover ( 8th ) consists at least partially of carbon.