DE19542438C1 - Röntgenröhre - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Eine solche Röntgenröhre ist in der US 3 500 097 beschrieben.
Bei dieser Röntgenröhre kann es im Falle eines zu großen
Elektronenflusses von rückgestreuten Elektronen zum Strahlen
austrittsfenster zur Zerstörung des Strahlenaustrittsfensters
kommen. Zwar kann bei niedriger Leistung das elektrisch
leitende, auf Massepotential liegende Strahlenaustrittsfen
ster, welches gegenüber dem Vakuumgehäuse elektrisch nicht
isoliert ist, die rückgestreuten Elektronen abführen. Grenzen
sind jedoch durch die Leistungsdichten gegeben, die beim Ab
bremsen der Elektronen entstehen. Die entsprechende Verlust
wärme nämlich muß ebenfalls vom Strahlenaustrittsfenster ab
geführt werden und kann zum Durchschmelzen des Strahlenaus
trittsfensters führen.
Bei höheren Leistungen kann durch Ablenkung mit Magneten der
Auftreffort der rückgestreuten Elektronen vom Strahlenaus
trittsfenster auf andere Teile des Vakuumgehäuses verlagert
werden. Dies bedingt jedoch, daß Magnete im Inneren des
Vakuumgehäuses angebracht werden müssen, was an sich schon
wegen der Gefahr der Beeinflussung der Primärelektronen
unerwünscht ist, da die Magnete dicht beim Anodenteller ange
bracht sein müssen.
Weiter besteht in aus der DE 31 07 949 A1 bekannter Weise die
Möglichkeit, eine auf einem Potential zwischen Anoden- und
Kathodenpotential liegende Blende aus Kupfer vorzusehen, die
gegenüber dem auf einem gegenüber Kathodenpotential positivem
Potential liegenden Vakuumgehäuse elektrisch isoliert ist, um
rückgestreute Elektronen von dem Strahlenaustrittsfenster
fernzuhalten.
Außerdem ist aus der DE 42 09 377 A1 eine Röntgenröhre
bekannt, die ein eine Kathode und eine Anode aufnehmendes
Vakuumgehäuse aufweist, welches mit einem auf Massepotential
liegenden Strahlenaustrittsfenster versehen ist.
Besonders problematisch sind übrigens Röntgenröhren, bei
denen zur Erhöhung der Röntgenleistung oder zur Reduzierung
der Anodenbelastung der Elektronenstrahl flach (z. B. Winkel
zwischen Anodenoberfläche und Elektronenstrahl 10°) auf die
Anode geschossen wird, so wie die z. B. in der US 5 128 977
beschrieben ist, da dann der Anteil der von der Anode zurück
gestreuten Elektronen sehr hoch ist (80%) und außerdem die
erzeugten Röntgenstrahlen und die rückgestreuten Elektronen
in dasselbe Raumwinkelelement emittiert werden. Die
thermische Belastung des Strahlenaustrittsfensters ist somit
besonders hoch, so daß die von der Anode rückgestreuten Elek
tronen von einer separaten Fangelektrode aufgenommen werden
müssen. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Verdrehung
des Strahlenaustrittsfensters gegenüber der Hauptausbrei
tungsrichtung der rückgestreuten Elektronen. Diese Ausnutzung
eines anderen Raumwinkelelements für die Röntgenstrahlung hat
jedoch zur Folge, daß größere Bereiche mit Röntgenstrahlung
inhomogen ausgeleuchtet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Gefahr von
Schädigungen des Strahlenaustrittsfensters durch das Auftref
fen rückgestreuter Elektronen zumindest verringert ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den
kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1.
Da das Strahlenaustrittsfenster auf Kathodenpotential liegt,
wirkt es für die ankommenden rückgestreuten Elektronen ab
stoßend und energieselektiv streuend. Dadurch werden die
Elektronen um das Strahlenaustrittsfenster herum gestreut und
treffen nicht auf das Strahlenaustrittsfenster, sondern auf
die Wandung des Vakuumgehäuses. Das Strahlenaustrittsfenster
ist also thermisch entlastet, so daß die Gefahr von Schädi
gungen des Strahlenaustrittsfensters durch rückgestreute
Elektronen, wenn nicht beseitigt, so doch verringert ist.
Eine Gefährdung des Vakuumgehäuses ist nicht gegeben, da die
ses thermisch und mechanisch wesentlich stärker als das
Strahlenaustrittsfenster belastbar ist.
Um die erforderliche elektrische Isolierung zwischen Vakuum
gehäuse und Strahlenaustrittsfenster auf einfache Weise
sicherstellen zu können, ist gemäß einer Variante der Erfin
dung vorgesehen, daß das Strahlenaustrittsfenster mit dem
Vakuumgehäuse über einen Isolierstoffkörper verbunden ist.
Dieser kann gemäß einer Variante der Erfindung, vorzugsweise
auf seiner Innenseite, mit einer hochohmigen Beschichtung
versehen sein. Hierdurch wird eine statische Aufladung des
Isolierstoffkörpers vermieden.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß das
Vakuumgehäuse in seinem das Strahlenaustrittsfenster umgeben
den Bereich mit einer Kühleinrichtung versehen ist. Hierdurch
ist selbst bei Röntgenröhren extremer Leistung sicherge
stellt, daß die thermische Belastung des von den Elektronen
getroffenen Bereichs des Vakuumgehäuses nicht zu hoch ist.
Die Vorteile der Erfindung kommen dann besonders zum Tragen,
wenn der von der Kathode ausgehende Elektronenstrahl unter
einem solchen Winkel auf die Anode auftrifft, daß es sich bei
dem zwischen der Oberfläche der Anode und dem Elektronen
strahl vorliegenden Winkel um einen spitzen Winkel handelt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre in schematischer
Darstellung im Längsschnitt,
Fig. 2 den Brennfleck der Röntgenröhre gemäß den Fig. 1 und
2 in vergrößerter perspektivischer Darstellung, und
Fig. 3 in Form einer grob schematisierten Prinzipdarstellung
eine weitere erfindungsgemäße Röntgenröhre.
In der Fig. 1 ist mit 1 das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre
bezeichnet, das im Falle des beschriebenen Ausführungsbei
spieles in bekannter Weise unter Verwendung von Metall und
Keramik oder Glas - andere Materialien sind möglich - herge
stellt ist. Innerhalb des Vakuumgehäuses 1 ist in einem rohr
förmigen Gehäuseansatz 2 eine Kathodenanordnung 3 angebracht,
die einen innerhalb einer rotationssymmetrischen Weh
neltelektrode 4 aufgenommenen Elektronenemitter aufweist, der
im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels als Flach
emitter in Form einer kreisscheibenförmigen Glühkathode 5
ausgeführt und mittels einer Keramikscheibe 6 an der Wehnelt
elektrode 4 angebracht ist. Der Glühkathode 5 gegenüberlie
gend ist eine insgesamt mit 7 bezeichnete Drehanode vorge
sehen, die einen über eine Welle 8 mit einem Rotor 9 verbun
denen Anodenteller 10 aufweist. Der Rotor 9 ist
auf einer mit dem Vakuumge
häuse 1 verbundenen Achse 11 drehbar gelagert. Im Bereich des
Rotors 9 ist auf die Außenwand des Vakuumgehäuses 1 ein Sta
tor 12 aufgesetzt, der mit dem Rotor 9 zur Bildung eines zum
Antrieb der Drehanode dienenden Elektromotors zusammenwirkt.
Beim Betrieb der Röntgenröhre wird dem Stator 12 über Leitun
gen 13 und 14 ein Wechselstrom zugeführt, so daß der über die
Achse 11 mit dem Rotor 9 verbundene Anodenteller 10 rotiert.
Zwischen dem einen Anschluß der Glühkathode 5 und der Wehnelt
elektrode 4 liegt gemäß Fig. 1 die Wehneltspannung UW an.
Die Röhrenspannung UR wird über Leitungen 15 und 16 angelegt.
Die Leitung 15 ist mit der Achse 11 verbunden, die ihrerseits
mit dem Vakuumgehäuse 1 elektrisch leitend verbunden ist. Die
Leitung 16 ist mit einem Anschluß der Glühkathode 5 verbun
den. Der andere Anschluß der Glühkathode 5 ist mit einer Lei
tung 17 verbunden. Zwischen dieser und der Leitung 16 liegt
die Heizspannung UH der Glühkathode 5, so daß von der
Glühkathode 5 ein Elektronenstrahl ES kreisförmigen Quer
schnitts ausgeht. Während in Fig. 1 nur die Mittelachse des
Elektronenstrahls ES eingetragen ist, sind in Fig. 2 auch
dessen Konturen bzw. Begrenzungslinien angedeutet.
Der Elektronenstrahl ES tritt durch eine unter Zwischenfügung
eines Isolators 21 an dem Vakuumgehäuse 1 angebrachte Fokus
sierungselektrode 19. Zwischen dieser und dem einen Anschluß
der Glühkathode 5 liegt gemäß Fig. 1 eine Fokussierungsspan
nung UF an. Der Elektronenstrahl ES trifft dann wie in Fig. 1
angedeutet in einem mit BF bezeichneten Brennfleck auf eine
Auftrefffläche 22 des Anodentellers 10 auf. Von dem Brenn
fleck BF geht Röntgenstrahlung aus. Das Nutzröntgenstrahlen
bündel, dessen Zentralstrahl und Randstrahlen in den Fig. 1
und 2 strichpunktiert angedeutet und mit ZS bzw. RS
bezeichnet sind, tritt durch ein Strahlenaustrittsfenster 23
aus.
Infolge des kreisförmigen Querschnittes des Elektronenstrah
les ES ist übrigens die Voraussetzung dafür gegeben, daß sich
im Brennfleck BF eine gaußkurvenähnliche Intensitätsvertei
lung der Röntgenstrahlung für beliebige Richtungen ergeben
kann.
Um zu vermeiden, daß die thermische Belastung der Auftreff
fläche die zulässigen Grenzen übersteigt, trifft der Elektro
nenstrahl ES unter einem spitzen Winkel zur Auftrefffläche 22
bzw. einem Winkel α<45° zur Flächennormalen N der
Auftrefffläche 22 im Brennfleck BF auf, so daß sich ein
strichförmiger, genauer gesagt elliptischer, Brennfleck BF
ergibt (siehe Fig. 2). Die Breite B des Brennfleckes BF
entspricht dem Durchmesser des Elektronenstrahles ES in
unmittelbarer Nähe der Auftrefffläche 22, der bei gegebener
Geometrie der Glühkathode 5, der Wehneltelektrode 4 und der
Fokussierungselektrode 19 sowie bei gegebenem Heizstrom und
gegebener Röhrenspannung von der Wehneltspannung UW und der
Fokussierungsspannung UF abhängt.
Im Hinblick auf die üblicherweise angestrebten Brennfleckab
messungen ist der Winkel α so gewählt, daß sich bei einem
Durchmesser D des Elektronenstrahles ES von 0,1 bis 2,0 mm
eine Länge L des Brennfleckes zwischen 1 und 15 mm ergibt.
Der angegebene Durchmesserbereich gilt für den Durchmesser
des Elektronenstrahles in unmittelbarer Nähe der Auftreff
fläche 22 des Anodentellers 10.
Die Lage des Strahlenaustrittsfensters 23 ist so gewählt, daß
der Winkel β zwischen dem Zentralstrahl ZS des Nutzröntgen
strahlenbündels und der Flächennormalen N der Auftrefffläche
22 wenigstens im wesentlichen gleich dem Winkel α ist. In
Richtung des Zentralstrahles ZS des Nutzröntgenstrahlenbün
dels gesehen, ergibt sich ein für eine hohe Abbildungsqualität
günstiger wenigstens im wesentlichen kreisförmiger Fokus.
Das Strahlenaustrittsfenster 23 ist aus einem geeigneten
elektrisch leitenden Material (z. B. Aluminium oder Beryllium)
gebildet und über einen beispielsweise aus Keramik gebildeten
Isolierstoffkörper 20 mit dem Vakuumgehäuse 1 verbunden.
Das Strahlenaustrittsfenster 23 ist, so wie dies in Fig. 1
durch eine entsprechende Leitung 24 angedeutet ist, auf
Kathodenpotential gelegt. Dadurch werden die rückgestreuten
Elektronen, die sich auf das Strahlenaustrittsfenster 23 zu
bewegen, abgestoßen und energieselektiv gestreut. Im Falle
eines kreisförmigen Strahlenaustrittsfensters 23 werden sie
rotationssymmetrisch um das Strahlenaustrittsfenster 23 herum
gestreut. Die Elektronen treffen somit nicht auf das Strah
lenaustrittsfenster 23, sondern auf den das Strahlen
austrittsfenster 23 umgebenden Bereich der Wandung des Vaku
umgehäuses 1 auf.
Der genannte Bereich der Wandung des Vakuumgehäuses 1 ist im
Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels mittels einer in
nicht dargestellter Weise an ein geeignetes Kühlaggregat an
geschlossenen Rohrspirale 25 gekühlt, so daß thermische Über
lastungen des von den Elektronen beaufschlagten Bereichs des
Vakuumgehäuses 1 ausgeschlossen sind.
Außerdem wirkt sich hinsichtlich der thermischen Belastung
der Wandung des Vakuumgehäuses 1 günstig aus, daß sich in
folge der Aufstreuung der Elektronen auf der ohnehin höher
als das Strahlenaustrittsfenster 23 belastbaren Wand des
Vakuumgehäuses 1 eine gegenüber dem Strahlenaustrittsfenster
herkömmlicher Röntgenröhren nochmals verringerte Leistungs
dichte ergibt.
Wie einschlägige Untersuchungen gezeigt haben, (siehe
L. Reimer, Scanning Electron Microscopy, Springer-Verlag, Ber
lin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1985, Seite 138) werden
ohne weitere Maßnahmen die Elektronen von der Auftrefffläche
22 des Anodentellers 10 bei einem Winkel α von 10° in einen
Winkelbereich von ca. 30° reflektiert, der in Fig. 1
strichliert angedeutet ist. Bei einem Abstand des Brennflecks
BF vom Strahlenaustrittsfenster 23 von ca. 3 cm muß die ent
sprechende Verlustleistung dann über eine ca. 2 cm² große
Fläche abgeführt werden. Wird dagegen durch die Aufstreuung
ein mittlerer Ablenkwinkel von 40° erreicht, so wie dies in
Fig. 1 punktiert angedeutet ist, so steht eine Fläche von ca.
20 cm² zur Verfügung, und zwar in einem Bereich, nämlich der
Wandung des Vakuumgehäuses 1, der mechanisch und thermisch
stabiler als das Strahlenaustrittsfenster 23 ist und zudem
aktiv gekühlt werden kann.
Wegen der also um einen Faktor 10 geringeren Wärmebelastung
pro Flächenelement kann in bestimmten Anwendungsfällen sogar
auf eine aktive Kühlung verzichtet werden, d. h. die Verlust
leistung kann ohne besondere Maßnahmen über das Isolier- und
Kühlmedium, z. B. Isolieröl, das sich gewöhnlich in dem die
Röntgenröhre aufnehmenden Schutzgehäuse befindet, abgeführt
werden.
Der mittlere Ablenkwinkel, um den die rückgestreuten Elek
tronen abgelenkt werden, hängt bei einpoligen Röntgenröhren,
bei denen die Anode und das Vakuumgehäuse wie in Fig. 1 dar
gestellt auf Massepotential und die Kathode auf einem gegen
über Masse negativen Potential liegen, von der Röhrenspannung
UR, d. h. der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode,
ab.
Im Falle zweipoliger Röntgenröhren, bei denen, wie in Fig. 3
schematisch angedeutet ist, das Vakuumgehäuse 1 auf Massepo
tential, die Kathode 3 auf einer gegenüber Masse negativen
Kathodenspannung UK und die Anode auf einer gegenüber Masse
positiven Anodenspannung UA liegen, hängt der mittlere Ab
lenkwinkel von dem Verhältnis γ von Kathodenspannung UK zur
Röhrenspannung UR = UK+UA ab, und ist um so größer, je größer
γ ist. Bei zweipoligen Röntgenröhren besteht also grundsätz
lich die Möglichkeit, den mittleren Ablenkwinkel zu beein
flussen.
Um eine statische Aufladung des Isolierstoffkörpers 20 zu
vermeiden, ist dieser auf seiner Innenseite mit einer
hochohmigen Beschichtung versehen, was in Fig. 1 durch die
Bezugsziffer 26 angedeutet ist, über die er mit der Wandung
des Vakuumgehäuses 1 verbunden ist. Bei der Beschichtung 26
kann es sich beispielsweise um eine aufgesputterte Schicht
eines Widerstandsmaterials, z. B. Konstantan, handeln.
Die Erfindung eignet sich auch für Röntgenröhren, bei denen
kein Elektronenstrahl kreisförmigen Querschnitts verwendet
wird. Alternativ zu der beschriebenen Ausbildung der Glüh
kathode 5 besteht dann auch die Möglichkeit, eine herkömm
liche, als Glühwendel ausgeführte Glühkathode zu verwenden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt
es sich um eine Drehanoden-Röntgenröhre. Die Erfindung kann
aber auch bei Röntgenröhren mit Festanode Verwendung finden.
Claims (6)
1. Röntgenröhre,
- a) aufweisend ein eine Kathode (5) und eine Anode (10) aufnehmendes Vakuumgehäuse (1),
- b) welches mit einem elektrisch leitenden Strahlenaustrittsfenster (23) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- c) das Strahlenaustrittsfenster (23) auf Kathodenpotential liegt und
- d) gegenüber dem auf einem gegenüber dem Kathodenpotential positiven Potential liegenden Vakuumgehäuse (1) elektrisch isoliert ist.
2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, deren Strahlenaustritts
fenster (23) mit dem Vakuumgehäuse (1) über einen Isolier
stoffkörper (20) verbunden ist.
3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, deren Isolierstoffkörper (20)
vorzugsweise auf seiner Innenseite mit einer hochohmigen
Beschichtung (26) versehen ist.
4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen
Vakuumgehäuse (1) in seinem das Strahlenaustrittsfenster (23)
umgebenden Bereich mit einer Kühleinrichtung (25) versehen
ist.
5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, von deren
Kathode (5) ein Elektronenstrahl (ES) ausgeht, der unter
einem Winkel (α) auf die Anode (10) auftrifft, bei dem es
sich um einen spitzen Winkel handelt.
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