DE19903872C2

DE19903872C2 - Röntgenröhre mit Springfokus zur vergrößerten Auflösung

Info

Publication number: DE19903872C2
Application number: DE19903872A
Authority: DE
Inventors: Erich Hell; Detlef Mattern; Peter Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: DE19903872A1; US6292538B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse, in dem eine Elektronen emittierende Kathode und eine Anode, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektronenstrahl trifft, angeordnet sind, sowie einem Magnetsystem mit Springfokus zum Ablenken und Fokussieren des Elektronenstrahls, umfassend mehrere stromdurchflossene Spu lenelemente.

Eine solche Röntgenröhre ist in der DE 196 39 920 A1 be schrieben.

In der Computertomographie mit Einzeilendetektor kann der Elektronenstrahl der Röntgenröhre zur Verbesserung der Auf lösung in phi-Richtung, d. h. in Umfangsrichtung des Teller randes der Anode abgelenkt werden (sogenannter Springfokus). Dies wird durch ein Magnetsystem erreicht, dessen Dipolfeld den Strahl mit einer hohen Geschwindigkeit ablenkt. Dadurch werden unterschiedliche Brennfleckpositionen erhalten und die Anzahl der Projektionen kann damit vergrößert werden.

Für die zukünftige Anwendung mit einem Mehrzeilendetektor und/oder Flächendetektor wäre es wünschenswert, den Brennfleck gleichzeitig in z-Richtung zu versetzen, um eine Verbesserung der Auflösung bei Spiralscans zu erreichen.

Um diese unterschiedlichen Springfokussierungen zu erreichen, könnten in z-Richtung, die der Richtung parallel zur Längs achse der Röntgenröhre entspricht, räumlich voneinander ge trennte Magnetsysteme eingesetzt werden. Dadurch wird aber die Röhre deutlich länger, was wiederum Probleme bei der Fokussierung macht. Eine solche Ausbildung ist daher in der Computertomographie äußerst unerwünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Röntgen röhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei kleinräumiger Bauform und möglichst einfacher Ansteuerbarkeit eine Springfokusablenkung des Elektronenstrahls sowohl in phi- als auch in z-Richtung möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Magnetsystem einen als Joch, vorzugsweise als Eisenjoch, ausgebildeten Träger mit vier hinsichtlich ihrer Winkelanord nung jeweils versetzt, vorzugsweise um 90° versetzt, zueinan der angeordneten Polvorsprüngen aufweist, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegend, vorzugsweise in einer Ebene, angeordnet sind, und daß auf dem Träger die Spulen zweier vorzugsweise um 90° versetzter Spulenpaare, z. B. z-Spulen und phi-Spulen, angeordnet sind, wobei die Spulen eines Spulen paares jeweils einander gegenüberliegend zwischen unter schiedlichen Polvorsprüngen angeordnet sind, und wobei die Spulen jedes Paares von einem jeweils gemeinsamen Strom, vor zugsweise einem den Elektronenstrahl pulsierend ablenkenden hochfrequenten Wechselstrom, durchflossen werden, so daß der Elektronenstrahl mittels des einen Spulenpaares in einer Richtung, z. B. z-Richtung, ablenkbar ist, die von der Rich tung, z. B. phi-Richtung, verschieden ist, in der der Elektro nenstrahl mittels des anderen Spulenpaares ablenkbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung, bei der die Spulen der Spulenpaare, z. B. z-Spulen und phi-Spulen, auf dem bevorzugt als geschlossenen Joch ausgebildeten Träger angeordnet sind, ergibt sich eine sehr kompakte Realisierung des Magnetsystems für die Springfokusablenkung des Elektronenstrahls.

Bei Röntgenröhren mit zentrisch angeordneter Kathode, bei der der Elektronenstrahl also aus der Mittelachse der Röhre auf den radial versetzten Tellerrand der Anode abgelenkt werden muß, wie diese grundsätzlich bei allen Drehkolbenröhren der Fall ist, sollen dabei bevorzugt neben den bereits angespro chenen z-Spulen mit einer gesonderten Stromversorgung verbun dene r-Spulen vorgesehen sein. Diese r-Spulen werden dabei von einem konstanten Strom durchflossen, um die Ablenkung auf die gewünschte Bahn des Tellerrandes der Anode zu erreichen.

Die z-Spulen und r-Spulen unterscheiden sich dabei in ihrem grundsätzlichen Aufbau - abgesehen davon, daß sie einmal für Gleichstrom und einmal für Wechselstrom ausgelegt sein sol len - nicht voneinander. Die durch sie bewirkte Ablenkung des Elektronenstrahls geht genau in die gleiche Richtung. Bei den r-Spulen geht es primär nur um die radiale feste Ablenkung des Elektronenstrahls auf den Tellerrand der Anode, bei den z-Spulen geht es um die Veränderung des Brennflecks in z- Richtung, die aber funktionell nur in der Weise realisiert werden kann, daß der Strahl in r-Richtung pulsiert, wobei durch den abgeschrägten Tellerrand der Anode diese radiale Verschiebung gleichzeitig eine axiale Ortsänderung des Brenn flecks in z-Richtung ergibt.

Speziell bei Drehkolbenröhren bedarf es wegen der Ablenkung des Elektronenstrahls durch die r-Spulen auf den Tellerrand der Anode einer zusätzlichen Möglichkeit der Formung des Brennflecks, wofür sich besonders ein Quadrupolsystem eignet. In Ausgestaltung der Erfindung kann hierfür eine Ausbildung des Magnetsystems gewählt werden, wie sie in der DE 196 31 899 A1 beschrieben ist. Dieses Quadrupolmagnetsystem verwendet den gleichen, als Eisenjoch ausgebildeten Träger wie es bei der vorliegenden Erfindung zur Realisierung eines Springfokus vorgeschlagenen wird, wobei die vier q-Spulen zur Erzeugung des Quadrupolfeldes bevorzugt auf den Polvorsprün gen angeordnet sind.

In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daß es grundsätzlich auch möglich wäre, lediglich vier Spulen auf den Polvorsprün gen anzuordnen, die wahlweise als q-Spulen, z-Spulen und r- Spulen betrieben werden, in dem sie gleichzeitig durch drei verschiedene Stromversorgungssysteme mit den entsprechenden Ablenkströmen angesteuert werden. Die Ansteuerung der glei chen Spulen mit unterschiedlichen Strömen, also teilweise mit Gleichströmen hoher Amplitude und hochfrequenten Wechselströ men geringer Amplitude bereitet jedoch einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand, so daß es im Endeffekt ein facher und billiger ist, jeweils für die verschiedenen Magnetfelder gesonderte und damit auch völlig unabhängig von den anderen Stromversorgungssystemen ansteuerbare Spulen systeme vorzusehen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Anode mit Springfokussierung des Elektronenstrahls in phi-Richtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der mit einem abgeschrägten Teller rand versehenen Anode mit Springfokussierung in z- Richtung,

Fig. 3 die schematische Ausbildung eines Magnetsystems zur gleichzeitigen Springfokussierung in phi- und z-Rich tung,

Fig. 4 und 5 die Feldkonfiguration der z-Spulen bzw. der phi-Spulen des Magnetsystems nach Fig. 3 je weils für sich alleine betrachtet,

Fig. 6 die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Springfokus magnetsystems für eine Drehkolbenröhre,

Fig. 7 die Darstellung des durch die q-Spulen in Fig. 6 er zeugten Quadrupolfeldes, und

Fig. 8 einen schematischen Schnitt durch eine Drehkolbenröhre mit ihrem Magnetsystem.

In Fig. 1 sieht man eine Draufsicht auf eine Anode 1 mit ei nem abgeschrägten Tellerrand 2. Auf diesen Tellerrand 2 wird ein nicht gezeigter Elektronenstrahl abgelenkt und bildet da bei einen Brennfleck 3. Das Magnetsystem zur Ausbildung und Ablenkung des Elektronenstrahls ist dabei so ausgebildet, daß ihm ein hochfrequentes Dipolfeld überlagert ist, welches den Brennfleck von der Position 3 mit hoher Geschwindigkeit in die Position 3' und dann wieder zurückspringen läßt. Es er folgt also eine zusätzliche hochfrequente Ablenkung in phi- Richtung. Durch diesen sogenannten Springfokus wird in der Computertomographie mit Einzeilendetektor eine Verbesserung der Auflösung erreicht. Wenn durch das Umspringen des Brenn flecks in phi-Richtung eine Versetzung der Bilder um etwa ein halbes Pixel erfolgt, so hat man mit dieser Technik eine etwa doppelt so hohe Auflösung wie ohne den Springfokus.

Für die zukünftigen Anwendungen mit einem Mehrzeilendetektor und/oder Flächendetektor ist es zweckmäßig, den Brennfleck gleichzeitig auch in z-Richtung zu versetzen, um eine Verbes serung der Auflösung bei Spiralscans zu erreichen, was in Fig. 2 dargestellt ist. Dort kann man den Elektronenstrahl 4 erkennen, der durch ein entsprechendes Dipolfeld auch in die Position 4' abgelenkt werden kann, so daß anstelle des Brenn flecks 3 der Brennfleck 3" erscheint. Diese Ablenkung er folgt dabei zunächst in r-Richtung, also auf einem Anoden radius nach außen. Über den bei der Computertomographie um ca. 8° geneigten Tellerwinkel des Tellerrandes 2 ergibt sich dabei aber auch zwangsläufig eine Verschiebung in z-Richtung, also in Richtung der Längsachse der Röntgenröhre. Da es im vorliegenden Fall nur um die hochfrequente z-Komponente der Verschiebung geht und nicht um die normale statische Ablen kung des Elektronenstrahls von der Kathode auf den Tellerrand 2 der Anode, wird zur Unterscheidung der unterschiedlich er folgenden Auslenkungen, die auch unterschiedlichen Zwecken dienen, im Falle der hochfrequenten Wobbelfrequenz des Brenn flecks zwischen den Positionen 3 und 3" von einer Versetzung in z-Richtung gesprochen, während die statische Ablenkung des Elektronenstrahls der die genannte Wobbelversetzung über lagert ist, als Ablenkung in r-Richtung bezeichnet wird.

Die Fig. 3 zeigt die Anordnung des Magnetsystems an der Rönt genröhre sowie wiederum die Koordinatendefinition phi und z. Das Magnetsystem besteht dabei aus einem als Eisenjoch ausge bildeten Träger 5 mit einem geschlossenen Joch 6 und davon ausgehenden, um jeweils 90° gegeneinander versetzten Polvor sprüngen 7, 8, 9 und 10. Mit 11 und 12 sind die Spulen zur Ablenkung des Elektronenstrahls in phi-Richtung und mit 13 und 14 die Spulen zur Ablenkung des Elektronenstrahls in z- Richtung bezeichnet. Der Verlauf der Felder, der durch diese Spulensysteme 11, 12 bzw. 13, 14 zwischen den Enden der Pol vorsprunge erzeugt wird, ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Dabei ist wiederum in Fig. 4 für die Wirkung der z-Ablenkung zu beachten, daß das Feld der Spulen 13 und 14 die rasche hochfrequente Ablenkung des Elektronenstrahls in r-Richtung bewirkt, die wiederum über den Tellerwinkel eine Versetzung des Brennflecks in z-Richtung mit sich bringt.

Der Springfokus benötigt eine Ablenkung in phi-Richtung. Das dazu nötige Dipolfeld wird durch die in ihrer Wirkung in Fig. 5 noch einmal im einzelnen herausgestellten phi-Spulen er zeugt. Diese müssen nur eine kleine Magnetfeldamplitude er zeugen und können durch wenige Windungen realisiert werden. Damit läßt sich die Forderung nach geringer Induktivität und hoher Flankensteilheit erfüllen.

Ein Drehkolbenstrahler für die Computertomographie, wie er schematisch in Fig. 8 im Schnitt gezeigt ist, benötigt ein Magnetsystem, welches drei funktionale Aufgaben mit unter schiedlichen Anforderungen und Abhängigkeiten erfüllen muß:

1. Ablenkung des Elektronenstrahls in r-Richtung auf die Brennbahn. Diese quasi stationäre Ablenkung hat eine sehr hohe Zeitkonstante und man braucht eine große hochspan nungsabhängige Amplitude.
2. Dieser Ablenkung des Strahls in r-Richtung muß zur Erzeu gung der Brennfleckverlagerung in z-Richtung eine zusätz liche hochfrequente Ablenkung des Strahls in r-Richtung überlagert werden. Prinzipiell könnte dies dadurch ge schehen, daß die r-Spulen von zwei unterschiedlichen Stromversorgungssystemen gleichzeitig angesteuert werden, von denen das eine ein Gleichstromsystem ist, das die radiale Ablenkung erzeugt, und das andere ein hochfrequen tes Stromsystem, welches eine hochfrequente Wobbelspan nung überlagert, mit der die Brennfleckverlagerung in z- Richtung erzeugt wird.
3. Erzeugung des Strichfokus, d. h. des richtigen Verhält nisses von Länge zu Breite des Brennflecks. Dies erfolgt mit einer sehr hohen Zeitkonstanten, also ebenfalls prak tisch stationär und man benötigt hierfür eine kleine hochspannungsabhängige Amplitude im Magnetfeld. Diese Er zeugung des Strichfokus kann durch ein Quadrupolfeld erfolgen, wie es weiter unten noch im einzelnen beschrieben werden soll.
4. Ablenkung des Brennflecks in phi-Richtung für den Spring fokus. Dieses Magnetsystem hat eine sehr geringe Zeitkon stante, also eine hohe Frequenz und eine kleine elektro nisch geregelte Amplitude.

Ein Magnetfeld, das all diese Anforderungen erfüllt, kann da bei den in Fig. 6 gezeigten Aufbau haben und verwendet in der bevorzugten Ausführungsform zehn Einzelspulen, wobei für die r-Ablenkung, die phi-Ablenkung und die z-Ablenkung jeweils zwei und für die Fokussierung vier Spulen zusammengeschaltet sind. Die vier q-Spulen 15 bis 18 sind auf den Polvorsprüngen angeordnet und dabei so angesteuert, daß sie ein Quadrupol feld erzeugen, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Dieses Quadru polfeld bewirkt die Formung des Strichbrennflecks, indem die ser in der einen Richtung auseinander und in der anderen im gleichen Verhältnis zusammengezogen wird.

Die r-Spulen 19 und 20, die direkt neben den z-Spulen 13 und 14 auf dem geschlossenen Joch des Trägers 6 angeordnet sind, könnten, wie weiter oben bereits angedeutet wurde, an sich auch jeweils durch eine gemeinsame Spule gebildet sein. Die Auftrennung in getrennte Spulen 13, 14 für die Versetzung des Brennflecks in z-Richtung und 19, 20 für die rein statische Ablenkung des Elektronenstrahls auf den Tellerrand 2 der Anode 1 hat aber den Vorteil, daß die Ausbildung der Strom versorgungssysteme sehr viel einfacher realisierbar ist. Wenn nämlich ein und die gleiche Spule sowohl für das statische r- Feld als auch beispielsweise das hochfrequente z-Feld heran gezogen wird, so müssen dabei doch recht widersprüchliche Forderungen erzielt werden und man kann die Spule nicht so auslegen, wie es für die jeweilige Ablenkung am zweckmäßig sten ist. Darüber hinaus treten über die Rückkopplung in die unterschiedlichen Stromerzeugungssysteme Probleme auf. Rein theoretisch und unter Beachtung all der geschilderten Nach teile bei der Stromansteuerung könnte man das Magnetsystem auch lediglich unter Verwendung der Spulen 15 bis 18 auf bauen, die dann jeweils mit vier Stromversorgungssystemen zur Erzeugung des Quadrupolfeldes, des Feldes für die phi-Ablen kung, für die r-Ablenkung und für die hochfrequente z-Ablen kung angesteuert werden müßten. In Fig. 8 ist lediglich sche matisch dargestellt, wie ein erfindungsgemäßes Magnetsystem mit dem Träger 5 im Bereich des Halses 21 der Vakuumhülle 22 einer Drehkolbenröhre angeordnet ist, um den von der achszen tral auf der Rotationsachse 23 angeordneten Kathode 24 aus gehenden Elektronenstrahl 4 zu formen und auf den Tellerrand 2 der Anode 1 abzulenken. Durch Ausbildung des Magnetsystems auf den Träger 5 entsprechend Fig. 6 kann dann außer der sta tischen r-Ablenkung des Elektronenstrahls auf den Tellerrand 2 und der Formung des Brennflecks über das Quadrupolfeld auch noch der in vier Richtungen hin und her oszillierende Fokus und die zusätzliche Versetzung des Brennflecks in z-Richtung erreicht werden.

Claims

1. Röntgenröhre mit einem Vakuumgehäuse, in dem eine Elektro nen emittierenden Kathode und eine Anode, auf die der mittels eines elektrischen Feldes beschleunigte Elektronenstrahl trifft, angeordnet sind sowie einem Magnetsystem mit Spring fokus zum Ablenken und Fokussieren des Elektronenstrahls, um fassend mehrere stromdurchflossene Spulenelemente, da durch gekennzeichnet, daß das Ma gnetsystem einen als Joch (6) ausgebildeten Träger (5) mit vier hinsichtlich ihrer, Winkelanordnung jeweils versetzt zu einander angeordneten Polvorsprüngen (7, 8, 9, 10) aufweist, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegend angeordnet sind, und daß auf dem Träger die Spulen (11, 12 und 13, 14) zweier Spulenpaare angeordnet sind, wobei die Spulen (11, 12 und 13, 14) eines Spulenpaares jeweils einander gegenüberlie gend zwischen unterschiedlichen Polvorsprüngen (7, 8, 9, 10) angeordnet sind, und wobei die Spulen (11, 12 und 13, 14) je des Paares von einem jeweils gemeinsamen Strom durchflossen werden, so daß der Elektronenstrahl (4) mittels des einen Spulenpaares in einer Richtung ablenkbar ist, die von der Richtung verschieden ist, in der der Elektronenstrahl (4) mittels des anderen Spulenpaares ablenkbar ist.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polvorsprünge (7, 8, 9, 10) sowie die Spulen (11, 12 und 13, 14) der Spulenpaare jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnet sind und das eine Spulenpaar z-Spulen (13, 14) zur Ablenkung des Elektro nenstrahles in einer z-Richtung und das andere Spulenpaar phi-Spulen (11, 12) zur Ablenkung des Elektronenstrahles (4) in einer phi-Richtung aufweist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen zumindest eines Paares von einem gemeinsamen, den Elektronenstrahl (4) pulsie rend ablenkenden hochfrequenten Wechselstrom durchflossen werden.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der Trä ger (5) als geschlossenes Joch (6) ausgeführt ist.

5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Anode (1) einen Tellerrand (2) aufweist und daß auf dem Träger (5) neben den z-Spulen (13, 14) mit einer gesonderten Stromver sorgung verbundene r-Spulen (19, 20) zur Ablenkung des Elek tronenstrahls (4) von der Kathode (24) auf den Tellerrand (2) der Anode (1) angeordnet sind.

6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß das Ma gnetsystem ein Quadrupolsystem zur Formung des Elektronen strahls (4) umfaßt.

7. Röntgenröhre nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß auf den Polvorsprüngen (7, 8, 9, 10) vier q-Spulen (15, 16, 17, 18) zur Erzeugung des Quadrupolfeldes angeordnet sind.