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Die
Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem
Vakuumgehäuse, in dem eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung
angeordnet sind.
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Bei
einer derartigen 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 Nanoma terial 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 weiteren Ansprüchen
beschrieben.
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Die
Röntgenröhre nach Anspruch 1 umfasst ein Vakuumgehäuse,
in dem eine Kathodenanordnung und eine Anodenanordnung angeordnet
sind. Erfindungsgemäß umfasst das Vakuumgehäuse
eine vorgebbare Anzahl von Gehäuseteilen, wobei die Kathodenanordnung
in wenigstens ein Gehäuseteil montiert ist und die Anodenanordnung
in wenigstens ein Gehäuseteil montiert ist.
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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 wird in wenigstens ein Gehäuseteil
montiert,
- – die Anodenanordnung wird in wenigstens ein 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 wenigstens ein 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 eifern 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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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Röntgenröhre
sind die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung in ein gemeinsames
Gehäuseteil montiert.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2727907
C2 [0002]
- - US 7346147 B2 [0003]
- - US 7218700 B2 [0008]
- - US 7233644 B1 [0008]
- - US 7295651 B2 [0008]
- - DE 102005049601 A1 [0009]
- - US 2007/0086571 A1 [0009]
- - US 6553096 B1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - http://www.xintek.com/products/xray/index.htm [0004]
- - et al. in Applied Physics Letters 86, 184104 (2005) [0005]