DE102017008810A1

DE102017008810A1 - MBFEX-Röhre

Info

Publication number: DE102017008810A1
Application number: DE102017008810.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ringel
Original assignee: Cetteen GmbH
Current assignee: Cetteen De GmbH
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2019-03-21
Also published as: ES2957611T3; CN111448637A; US11183357B2; EP3685420B1; US20200312601A1; EP3685420A1; JP7015383B2; WO2019057338A1; JP2020533767A; EP3685420C0; CN111448637B

Abstract

Eine MBFEX-Röhre (1) für ein Röntgengerät weist in einer Vakuumröhre (20) eine darin fest angeordnete, als auch als Kühlfinger ausgebildete Anode (30) und eine Mehrzahl von fest angeordneten Kathoden (40,41,42) auf, wobei die Vakuumröhre (20) eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen (50) und nicht mehr als zwei Hochspannungsdurchführungen (51,52) aufweist, in einer Hochspannungsdurchführung (52) ein Kühlmittel-Rohr (31) mit einem innenliegenden Kühlmittel-Innenrohr (32) hindurchgeführt ist, das Kühlmittel-Rohr (31) und das Kühlmittel-Innenrohr (32) zur Kühlung der Anode (30) mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen sind, die Kathoden (40,41,42) zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils auf die Anode (30) zur Erzeugung von Röntgenquellen (Q) ausgerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine MBFEX-Röhre (MBFEX = Multibeam Field Emission X-Ray) für ein Röntgengerät, welche auch als Multi-Fokus-Feldemissionsröntgenröhre bezeichnet wird.
Solche Röntgenröhren sind beispielsweise aus der Abhandlung: Yang Lu, Hengyong Yu, Guohua Cao, Jun Zhao, Ge Wang, Otto Zhou, Medical Physics 2010, Band 37, S. 3773 - 3781 und der US 7 751 528 B2 bekannt, wobei die Kathoden Kohlenstoffnanoröhren zur Feldemission von Elektronen enthalten. Die dort beschriebenen MBFEX-Röhren sind für die Verwendung in Computertomographen vorgesehen, bei welchen anstelle einer Rotation eines Röntgenemitters sequentielle elektrische Schaltungen einzelner fest angeordneter Röntgenemitter vorgenommen werden.
Die MBFEX-Röhren, welche in der US 7 751 528 B2 beschrieben sind, weisen fest angeordnete Röntgenemitter auf, in welchen jeweils eine Kathode einer Anode zugeordnet ist. Somit sind insgesamt eine Vielzahl von Kathoden und eine entsprechende Vielzahl von Anoden vorhanden. Während die Anoden auf hohes Gleichspannungspotential gelegt sind, sind die Kathoden einzeln anzusteuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfach realisierbare und bautechnisch kompakte MBFEX-Röhre zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vorgeschlagene MBFEX-Röhre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird die Aufgabe durch eine Anordnung aus mehreren MBFEX-Röhren gemäß Anspruch 10 gelöst.
Die vorgeschlagene MBFEX-Röhre ist für ein Röntgengerät vorgesehen und weist in einer Vakuumröhre eine darin fest angeordnete und als Kühlfinger ausgebildete Anode sowie eine Mehrzahl von reihenförmig fest angeordneten Kathoden auf. Die Vakuumröhre weist wiederum eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen und nicht mehr als zwei Hochspannungsdurchführungen auf. Hierbei ist in einer Hochspannungsdurchführung ein Kühlmittel-Zufuhrrohr mit einem innenliegenden Kühlmittel-Abfuhrrohr hindurchgeführt. Das Kühlmittel-Zufuhrrohr und das Kühlmittel-Abfuhrrohr sind zur Kühlung der Anode mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen. Die Kathoden sind zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils bezüglich ihrer Elektronen-Hauptemissionsrichtung auf die gemeinsame Anode zur Erzeugung von Röntgenquellen ausgerichtet. Die Röntgenquellen auf der Anode emittieren Röntgenstrahlenbündel, die jeweils eine Röntgen-Hauptemissionsrichtung aufweisen. Die Röntgenquellen sind auf der Anode vorzugsweise reihenförmig angeordnet.
Die Anode enthält beispielsweise Molybdän und/oder Wolfram und weist optional eine für die Emission von Röntgenstrahlen geeignete Beschichtung auf der äußeren Oberfläche auf.
Der Erfindung liegt der erste erfinderische Gedanke zugrunde, zur Lösung des Kühlungsproblems der Anode, welches bei MBFEX-Röhren nach dem Stand der Technik gegeben ist, die Anode der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre selbst als Kühlvorrichtung in Form eines Kühlfingers auszubilden. In diesem Sinne ist in der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre die Anode hohl gestaltet. Dieser Hohlraum ist als Kühlmittel-Zufuhrrohr vorgesehen, in welchem ein Kühlmittel-Abfuhrrohr fest einliegt. Die Anode einschließlich der Kühlmittelrohre ist an einem Ende geschlossen. An diesem Ende der langgestreckten Anode ist der Übergang zwischen dem Kühlmittel-Zufuhrrohr und dem Kühlmittel-Abfuhrrohr gebildet. Als flüssige Kühlmittel sind unter anderem niedrigviskose Siliconöle, insbesondere mit einem Siedepunkt von mehr als 450° C, geeignet. Auch Isolieröle, die unter der Marke „Shell Diala“ vertrieben werden, können als Kühlmittel zur Kühlung der Anode verwendet werden.
Die Ausgestaltung der Anode als Kühlfinger entspricht nicht nur einer besonders vorteilhaften kompakten Bauform, sondern weist den Vorteil auf, dass sowohl das Kühlmittel-Abfuhrrohr als auch das Kühlmittel-Zufuhrrohr an einem der beiden Enden der Anode durch einen Durchgang durch die Vakuumröhre mit einer Kühlmittel-Umwälzvorrichtung verbindbar ist.
Die Fertigung von kleinen Durchführungen durch eine Vakuumröhre für Röntgengeräte ist bezüglich der Abdichtung gegen die Außenatmosphäre fertigungstechnisch einfach bewerkstelligbar. Die Kathoden-Zuleitungen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre sind als Anschlüsse der Kathoden an eine elektrische Spannung, typischerweise in Höhe weniger kV, vorgesehen und sind beispielsweise als Drahtzuleitungen ausgebildet. Ist beispielsweise die Vakuumröhre aus Glas gefertigt, so sind Kathoden-Zuleitungen in Form von Drähten in die Vakuumröhre einfach einschmelzbar, wobei solche Durchführungen eine hohe und langlebige Dichtigkeit aufweisen.
Größere Durchführungen, beispielsweise für elektrische Hochspannungsanschlüsse oder für Rohre, in einer Vakuumröhre müssen dagegen aufwändig abgedichtet werden. Daher ist es vorteilhaft, eine größere Anzahl von solchen größeren Durchführungen an einer Vakuumröhre zu vermeiden. Im Sinne eines zweiten erfinderischen Grundgedankens ist dies bei der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre dadurch erzielt, dass das Kühlmittel-Abfuhrrohr mit dem innenliegenden Kühlmittel-Zufuhrrohr durch eine Hochspannungsdurchführung hindurchgeführt ist. Die Hochspannungsdurchführungen sind für den Anschluss der Anode an eine elektrische Hochspannung vorgesehen. Der Anschluss der Anode an eine Hochspannung erfolgt vorzugsweise jeweils endseitig an dieser.
Zwischen den Kathoden und der Anode sind Fokussierungselektroden fest in der Vakuumröhre angeordnet, welche beispielsweise über elektrische Zuleitungen in den Kathoden-Zuleitungen an eine elektrische Spannung anschließbar sind. Die Fokussierungselektroden befinden sich in dem Raum zwischen Extraktionsgittern, die gering von den Kathoden beabstandet sind, und der Anode.
Die Röntgenstrahlenbündel, welche an den Röntgenquellen auf der Anode erzeugbar sind, weisen jeweils eine Richtung mit der maximalen Intensität der emittierten Röntgenstrahlung auf, welche der jeweiligen Röntgen-Hauptemissionsrichtung entspricht. Eine solche Röntgen-Hauptemissionsrichtung ist bei allen Röntgenquellen gegeben, welche von einer Kugelstrahlquelle verschieden sind. Die vom Röntgendetektor erfasste Geometrie des Röntgenstrahlenbündels hängt außer von der Fokussierung des Elektronenstrahls auch von der Kollimierung der Röntgenstrahlung ab. Hierbei kann ein Röntgenfenster in der Vakuumröhre als Kollimator-Vorrichtung ausgebildet und/oder vor einem Röntgenfenster an der Vakuumröhre eine Kollimator-Vorrichtung angebracht sein.
Mit der MBFEX-Röhre sind beispielsweise fächerförmige Röntgenstrahlenbündel (fan beam) und/oder kegelförmige Röntgenstrahlenbündel (cone beam) erzeugbar. Jede einzelne der auf der Anode gebildeten Röntgenquellen kann beispielsweise näherungsweise punktförmig, flächig oder strichförmig sein. Das Querschittsprofil der Röntgenstrahlung im Isozentrum der röntgentechnischen Anlage, insbesondere Tomographieanlage, ist außer von der Form der Röntgenquelle vor allem von der Kollimierung der Röntgenstrahlung abhängig.
In der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre sind die Kathoden vorzugsweise derart reihenförmig fest angeordnet, dass in Zusammenwirkung mit den Fokussierungselektroden auf der Anode eine ebenfalls reihenförmige Anordnung von Röntgenquellen erzeugt wird. Die Kathoden sind für eine sequentielle elektrische Ansteuerung vorgesehen. In einem Computertomographen ist die vorgeschlagene MBFEX-Röhre anstelle einer rotierenden Röntgenquelle einsetzbar.
Nachfolgend wird auf einzelne vorteilhafte Weiterbildungen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre eingegangen.
In einer bevorzugten Ausführung der MBFEX-Röhre sind die Hochspannungsdurchführungen und die Kathoden-Zuleitungen in einer Reihe und der Anode gegenüberliegend auf der Vakuumröhre angeordnet. Dies bedeutet, dass sich - im Querschnitt der MBFEX-Röhre betrachtet - die Kathoden-Zuleitungen und Hochspannungsdurchführungen einerseits und die Anode andererseits diametral gegenüber liegen. Mit einer solchen Anordnung sind die Hochspannungsdurchführungen und die Kathoden-Zuleitungen lediglich einem Minimum an Strahlung von Sekundärelektronen oder Ionen ausgesetzt. Besonders vorteilhaft gestattet eine solche Anordnung auch einen einfach bewerkstelligbaren Einbau der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre in ein Röntgengerät, beispielsweise in die Gantry eines Computertomographen.
In bevorzugter Gestaltung der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre weisen deren Kathoden Kohlenstoffnanoröhren auf. Die sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren ermöglicht eine hohe Stromtragfähigkeit ohne nennenswerte Hitzeentwicklung auf die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren selbst. Kohlenstoffnanoröhren weisen einen niedrigen Feldstärke-Schwellenwert von weniger als 2 V µm^-1 für die Feldemission von Elektronen auf. Der Feldstärke-Schwellenwert bei Kathoden zur Emission von Elektronen, welche Kohlenstoffnanoröhren aufweisen, ist noch weiter absenkbar, indem die Kohlenstoffnanoröhren in senkrechter Vorzugsrichtung auf der Kathodenoberfläche angeordnet sind. Da einwandige Kohlenstoffnanoröhren Halbleiter und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren metallische Leiter darstellen, sind mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren für Anwendungen als Elektronenemitter auf den Kathoden der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre besonders geeignet. Besonders vorteilhaft ist daher der Betrieb der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre, welche Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Kathoden aufweist, mit einer Stromversorgung von verhältnismäßig geringer Leistungsstärke bewerkstelligbar.
In einer anderen Ausführungsform der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre ist in der Vakuumröhre mehr als eine Sorte von Kathoden angeordnet, wobei sich der Begriff „Sorte“ sowohl auf die Geometrie als auch auf sonstige Eigenschaften der Kathoden, beispielsweise auf die Werkstoffe, beziehen kann. Kathoden gleicher und unterschiedlicher Sorte sind grundsätzlich in beliebiger Weise sequentiell elektrisch ansteuerbar. Neben den Kathoden selbst können auch Unterschiede hinsichtlich der Fokussierung gegeben sein. Zusammen mit Eigenschaften wie der Flächengeometrie der einzelnen Kathoden sind damit unterschiedliche Elektronenstrahlenbündel und letztlich unterschiedliche Röntgenstrahlenbündel erzeugbar.
Vorzugsweise handelt es sich bei sämtlichen Kathoden in der MBFEX-Röhre um Kathoden mit Kohlenstoffnanoröhren. Prinzipiell ist es auch möglich, innerhalb ein und derselben MBFEX-Röhre sowohl Kathoden mit Kohlenstoffnanoröhren als auch völlig andersartige Kathoden, beispielsweise Kathoden mit Spitzen aus Wolfram, welche auf andere, grundsätzlich bekannte Art arbeiten, zu verwenden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre umschließt die Anode einen vorgesehenen Untersuchungsbereich mindestens teilweise. Hierbei umschließen die Röntgenquellen und die Röntgen-Hauptemissionsrichtungen den Untersuchungsbereich ebenfalls mindestens teilweise.
Der Untersuchungsbereich ist für die Positionierung eines Untersuchungsobjektes darin in einem Röntgengerät vorgesehen.
Beispielsweise ist die MBFEX-Röhre als Ganzes gekrümmt, womit sie bereits als einzelne Röntgenröhre den Untersuchungsbereich teilweise umschließt. Ein weitergehendes Umschließen des Untersuchungsbereiches ist auf verschiedene Arten realisierbar: Beispielsweise kann sich die MBFEX-Röhre über einen sehr großen Winkel, im Extremfall bis annähernd 360°, erstrecken, das heißt eine annähernd geschlossene Ringform aufweisen. Alternativ ist es möglich, eine Ringform aus einzelnen MBFEX-Röhren zusammenzusetzen. Die einzelnen MBFEX-Röhren können hierbei jeweils entweder gekrümmt oder in sich gerade sein. Im letztgenannten Fall ergibt sich eine Polygonform der Anordnung aus sämtlichen MBFEX-Röhren. Auch unvollständige Polygonformen oder Ringformen, etwa L-Formen, U-Formen oder Halbkreisformen, sind durch Kombination mehrerer MBFEX-Röhren herstellbar, wobei nicht notwendigerweise sämtliche MBFEX-Röhren solcher Anordnungen gleichartig geformt sind.
Durch eine bogenförmig ausgebildete konkav um den Untersuchungsbereich angeordnete Anode der MBFEX-Röhre ist in einem Computertomographen im Vergleich zu herkömmlichen Gestaltungen die Brennfleckunschärfe reduzierbar und eine höhere als auch gleichbleibende Bildauflösung erzielbar, insbesondere, wenn die Anode als Kreisbogen ausgebildet ist. Ist die Anode als Kreisbogen ausgebildet, so schneiden sich die Röntgen-Hauptemissionsrichtungen im Isozentrum. Unter anderem durch die Minimierung der Anzahl der Hochspannungsdurchführungen ist das Untersuchungsobjekt praktisch von sämtlichen Umfangspositionen aus mittels einer einzigen MBFEX-Röhre durchleuchtbar.
Die vorgeschlagene MBFEX-Röhre zeichnet sich durch eine im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch besonders einfach realisierbare kompakte und robuste Bauweise aus und ist insbesondere für Computertomographen zum Ersatz einer rotierenden Röntgenquelle geeignet.
Mit Hilfe von Kathoden unterschiedlicher Sorte, die in ein und derselben MBFEX-Röhre angeordnet sind, sind auf einfache Weise verschiedene Röntgenaufnahmen, welche sich hinsichtlich der Dosis voneinander unterscheiden, generierbar. Damit ist eine einfache Möglichkeit einer Dosis-Modulation gegeben. Die Anzahl der in einer röntgentechnischen Anlage vorhandenen MBFEX-Röhren unterliegt ebenso wie die Form der einzelnen MBFEX-Röhren sowie die geometrische Anordnung der MBFEX-Röhren in Relation zueinander grundsätzlich keinen Beschränkungen. Ebenso ist die MBFEX-Röhre oder eine Mehrzahl an MBFEX-Röhren innerhalb einer röntgentechnischen Anlage mit Röntgenröhren anderer Bauart kombinierbar.
Im Sinne einer geringen Störungsanfälligkeit sowie einer Schadensvermeidung, zumindest einer Schadensminimierung, im Fall eventueller Störungen hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, verschiedene, auf das Potential Null zu legende Komponenten der MBFEX-Röhre auf unterschiedliche Weise zu erden. Dies betrifft im Einzelnen Fokussierungselektroden sowie das den Elektronenemittern, welche Kohlenstoffnanoröhren enthalten, unmittelbar vorgesetzte Extraktionsgitter:
Während passive Fokussierungselektroden in bevorzugter Ausgestaltung über ein Gehäuse geerdet sind, erfolgt die Erdung des Extraktionsgitters unabhängig von dem genannten Gehäuse, zum Beispiel über eine gesonderte Erdungsleitung, welche einer Einheit zur Ansteuerung der Elektronenemitter zugeordnet sein kann.
Der Vorteil der separaten Erdung von Fokussierungselektroden und Extraktionsgitter kommt zum Tragen, falls durch einen Überschlag das Potential der Fokussierungselektroden - trotz vorhandener Erdung - aufgrund des sehr hohen Potentials, auf welchem sich die Anode befindet, kurzzeitig angehoben wird. Wäre in diesem Moment das Extraktionsgitter zusammen mit den Fokussierungselektroden geerdet, so hätte dies ein entsprechend erhöhtes Potential des Extraktionsgitter und damit eine erhöhte Spannungsdifferenz zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Extraktionsgitter zur Folge. Aufgrund der gegebenen, stark ausgeprägten Spannungsabhängigkeit der Elektronenemission der Kohlenstoffnanoröhren würde in der Folge die Elektronenemission extrem ansteigen, was die Gefahr einer Beschädigung der Röntgenröhre mit sich brächte. Eine solche Beschädigungsgefahr wird durch die gesonderte Erdung von Fokussierungselektroden einerseits und Extraktionsgitter andererseits vermieden.
Nachfolgend wird die vorgeschlagene MBFEX-Röhre anhand einer Zeichnung näher erläutert, in welcher verschiedene Ausführungsbeispiele zusammengefasst sind. Hierin zeigen, in teilweise grob vereinfachter Darstellung:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 in schematischer Aufsicht auf eine als Kreisbogen ausgebildet Anode 30,
2 das erste Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 in schematisierter Seitenansicht,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 mit einer linienförmig ausgebildeten Anode 30,
4 das zweite Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 mit geschnittener Ansicht der Anode 30,
5 eine Teilansicht einer Gittervorrichtung 43 der MBFEX-Röhre 1 des ersten Ausführungsbeispiels eines Computertomographen,
6 eine Teilansicht der Gittervorrichtung 43 der MBFEX-Röhre 1 des zweiten Ausführungsbeispiels eines Computertomographen,
7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer MBFEX-Röhre 1 mit zwei unterschiedlichen Sorten von Kathoden 41, 42,
8 ein Beispiel einer insgesamt ringförmigen Anordnung mehrerer MBFEX-Röhren 1 in zwei verschiedenen Ansichten,
9 ein Beispiel einer insgesamt polygonförmigen Anordnung mehrerer MBFEX-Röhren 1.

Alle nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 sind für einen Computertomographen vorgesehen und weisen eine Vakuumröhre 20 mit einem Röntgenfenster 21 auf. In der Vakuumröhre 20 aller drei Ausführungsbeispiele ist eine als Kühlfinger ausgebildete Anode 30 fest angeordnet. Die Anode 30 enthält Wolfram.
Die ersten beiden Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre weisen in der Vakuumröhre 20 eine Mehrzahl von reihenförmig fest angeordneten Kathoden 40 einer einheitlichen Sorte und das dritte Ausführungsbeispiel solche Kathoden 41, 42 zweier verschiedener Sorten auf, wobei die Kathoden 40, 41, 42 für die Feldemission von Elektronen vorgesehen sind. Die Kathoden 40, 41, 42 sind jeweils bezüglich der Elektronen-Hauptemissionsrichtung e der erzeugbaren Elektronenstrahlenbündel E auf die gemeinsame Anode 30 zur Erzeugung von Röntgenquellen Q ausgerichtet. Die Kathoden 40, 41, 42 sind in der Weise reihenförmig fest angeordnet, dass auf der Anode 30 eine ebenfalls reihenförmige Anordnung von Röntgenquellen Q erzeugbar ist. Die Kathoden 40, 41, 42 sind für eine sequentielle elektrische Ansteuerung vorgesehen. Die Röntgenstrahlenbündel X weisen jeweils eine Röntgen-Hauptemissionsrichtung x auf.
In allen Ausführungsbeispielen ist auf jede Röntgenquelle Q jeweils eine Gittervorrichtung 43 ausgerichtet. Die Gittervorrichtungen 43 sind zwischen den Kathoden 40, 41, 42 und der Anode 30 fest in der Vakuumröhre 20 angeordnet. Jede Gittervorrichtung 43 weist ein Extraktionsgitter auf. Die Extraktionsgitter sind mit geringem Abstand vor den Kathoden 40, 41, 42 angeordnet und zur Extraktion von Elektronen in Form eines Elektronenstrahlbündels E aus den Kathoden 40, 41, 42 vorgesehen. Die Extraktionsgitter sind in den 1 bis 4 nicht eingezeichnet.
Die Vakuumröhre 20 aller Ausführungsbeispiele weist wiederum eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen 50 und zwei Hochspannungsdurchführungen 51, 52 auf. Die Kathoden-Zuleitungen 50 sind als Anschlüsse der Kathoden und der Gittervorrichtungen 43 an eine elektrische Spannung von wenigen kV vorgesehen und als Drahtzuleitungen ausgebildet. Die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 sind für den jeweils endseitigen Anschluss der Anode an eine elektrische Hochspannung von mehreren 10 kV vorgesehen. In einer Hochspannungsdurchführung 52 ist ein Kühlmittel-Zufuhrrohr 31 mit einem innenliegenden Kühlmittel-Abfuhrrohr 32 hindurchgeführt. Das Kühlmittel-Zufuhrrohr 31 und das Kühlmittel-Abfuhrrohr 32 sind zur Kühlung der Anode 30 mit einem flüssigen, elektrisch nicht leitenden Kühlmittel mittels einer Umwälzvorrichtung vorgesehen.
In allen Ausführungsbeispielen der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 sind die Kathoden 40, 41, 42 in der Weise reihenförmig fest angeordnet, dass auf der Anode 30 eine ebenfalls reihenförmige Anordnung von Röntgenquellen Q erzeugbar ist. Die Kathoden 40, 41, 42 sind für eine sequentielle elektrische Ansteuerung vorgesehen.
Das erste Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 wird nachfolgend anhand der 1 und der 2 näher erläutert. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Anode 30 als Kreisbogen ausgebildet.
Die 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Anode 30, wobei die Vakuumröhre 20, die Gittervorrichtungen 43 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 nicht sichtbar sind. Die 1 ist nicht maßstabsgetreu. Die Anode 30, die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 sind innerhalb der Vakuumröhre 20 angeordnet. Hierbei befinden sich die Kathoden 40 auf einem Träger 6 aus metallisierter Keramik. Die Anode 30 ist unabhängig von den Kathoden 40 in der Vakuumröhre 20 befestigt. Die Röntgenquellen Q sind so angeordnet, dass die erzeugten Röntgenstrahlenbündel X in ihren jeweiligen Röntgen-Hauptemissionsrichtungen x auf einen Untersuchungsbereich U ausgerichtet sind. Der Untersuchungsbereich U ist für die Positionierung eines Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten, vorgesehen.
Die 2 zeigt die vorgeschlagene MBFEX-Röhre 1 in ihrem ersten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht im Querschnitt. In der 2 sind das Kühlmittel-Abfuhrrohr 32, die Kathoden-Zuleitungen 50 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 nicht sichtbar. Die Kathoden 40 weisen auf ihrer Oberfläche mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren in einer senkrechten Vorzugsrichtung auf.
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 wird nachfolgend anhand der 3 und der 4 näher erläutert. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass die Anode 30 linienförmig ausgebildet ist.
Die 3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht auf die MBFEX-Röhre 1 des zweiten Ausführungsbeispiels. In der 3 sind das Kühlmittel-Abfuhrrohr 32, die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 nicht sichtbar. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel der MBFEX-Röhre 1 sind Kathoden-Zuleitungen 50 und die Hochspannungsdurchführungen 51, 52 in einer Reihe und der Anode 30 gegenüberliegend auf der Vakuumröhre 20 angeordnet.
Die 4 zeigt die vorgeschlagene MBFEX-Röhre 1 in ihrem zweiten Ausführungsbeispiel mit geschnittener Ansicht der Anode 30. In der 3 sind die Kathoden 40 und die Gittervorrichtungen 43 ebenfalls nicht sichtbar.
Eine in allen Ausführungsbeispielen vorhandene Gittervorrichtung 43, welche im Detail in den 5 und 6 dargestellt ist, ist auf die Anode 6 ausgerichtet, das heißt zwischen den Kathoden 40, 41, 42 und der Anode 6 in der Vakuumröhre 20 angeordnet. Die Gittervorrichtung 43 umfasst definitionsgemäß mindestens eine Extraktionsgitterelektrode 71, 73, 74 und mindestens eine Form von Fokussierungselektroden 72, 75, 76.
Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 sind direkt über den Kathoden 40, 41, 42 fest angeordnet und zur Feldextraktion von Elektronen aus den Kathoden 40, 41, 42 vorgesehen. Die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 sind direkt über jeder Extraktionsgitterelektrode 71, 73, 74 ebenfalls fest angeordnet, der Anode 6 zugewandt und für die Fokussierung der extrahierten Elektronen als ein Elektronenstrahlbündel E auf die jeweilige zu erzeugende Röntgenstrahlungsquelle Q vorgesehen. Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 sind unabhängig von Fokussierungselektroden 72, 75, 76 geerdet. Die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 können als passive oder aktive Fokussierungselektroden betrieben werden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Gittervorrichtung 43 eine allen Kathoden 40 gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 71 auf, wobei jeder einzelnen Kathode 40 separat eine einzelne Fokussierungselektrode 72 zugeordnet ist. In dem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Gittervorrichtung 43 eine den Kathoden 41 der ersten Sorte gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 73 einer ersten Form und eine den Kathoden 42 der zweiten Sorte gemeinsame Extraktionsgitterelektrode 74 einer zweiten Form auf, wobei jeweils jeder einzelnen Kathode 41 der ersten Sorte separat eine einzelne Fokussierungselektrode 75 einer ersten Form und jeweils jeden einzelnen Kathode 42 der zweiten Sorte separat eine einzelne Fokussierungselektrode 76 einer zweiten Form zugeordnet ist. Die Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 und die Fokussierungselektroden 72, 75, 76 sind in der 1 bis 4 nicht eingezeichnet.
Für eine computergestützte Röntgenbildgebung mittels Tomosynthese liegt auf Anode 6 ein zeitlich konstantes Potential von typischerweise 40 KV an, wobei zwischen der Anode 6 und der jeweils geschalteten Kathode 40, 41 ein gleichförmig gepulster elektrischer Gleichstrom von 30 mA fließt. Für eine computergestützte Röntgenbildgebung mittels HPEC-Tomosynthese dagegen liegt auf der betreffenden Anode ein zeitlich konstantes Potential von typischerweise 120 kV an, wobei zwischen der Anode 6 und der jeweils geschalteten Kathode 40, 42 ein gleichförmig gepulster elektrischer Gleichstrom in der Größenordnung von 0,5 mA fließt.
In allen Ausführungsbeispielen weist der vorgeschlagene Computertomograph einen Stromregler, eine Gerätesteuerung, ein elektronisches Steuersystem (ECS = Electronic Control System), eine Kathoden-Hochspannungsquelle (CPS = Cathode Power Supply), eine Anoden-Hochspannungsquelle (APS = Anode Power Supply) und eine Gerätesteuerung auf. Der Stromregler, die Gerätesteuerung, das elektronische Kontrollsystem, die Kathoden-Hochspannungsquelle, die Anoden-Hochspannungsquelle und die Gerätesteuerung sind Bestandteil einer elektronischen Regelungsvorrichtung. Der Stromregler, die Gerätesteuerung und das elektronische Steuersystem stellen ein elektronisches Leitsystem dar.
Die elektronische Regelungsvorrichtung weist einen elektrischen Hauptkreis und einen Regelkreis auf, wobei der Hauptkreis und der Regelkreis in einem Gleichstromkreis integriert sind. In dem Hauptkreis sind die Anoden-Hochspannungsquelle mit der Anode 6 und dem Stromregler, der Stromregler mit der Gerätesteuerung, die Gerätesteuerung mit dem elektronischen Steuersystem, das elektronische Steuersystem mit der Kathoden-Hochspannungsquelle und die Kathoden-Hochspannungsquelle in paralleler Schaltung mit den Kathoden 40, 41, 42 als auch mit der jeweiligen Gittervorrichtung 43 elektrisch verbunden. In dem Regelkreis ist die Anoden-Hochspannungsquelle über eine Rückführung mit dem Leitsystem elektrisch verknüpft. Hierbei ist das Leitsystem sowohl für die sequentiellen Schaltungen der Kathoden 40, 41, 42, für die Regelung der Extraktionsgitterelektroden 71, 73, 74 und der Fokussierungselektroden 72, 76, 56 der jeweiligen Gittervorrichtung 43 als auch für die Regelung des Hauptkreisstroms vorgesehen, wobei auf den mit dem Leitsystem vorgegeben Hauptkreisstrom die elektrische Spannung der Kathoden-Hochspannungsquelle anpassbar ist.
Das dritte Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen MBFEX-Röhre 1 wird nachfolgend anhand der 7 erläutert. In dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die MBFEX-Röhre 1 bezüglich des zweiten Ausführungsbeispiels darin, dass diese zwei Sorten von Kathoden 41, 42 aufweist. Die 7 ist auf die exemplarische Darstellung von insgesamt acht Kathoden 41, 42 der MBFEX-Röhre 1 beschränkt. Sowohl die Kathoden 41 der ersten Sorte als auch die Kathoden 42 der zweiten Sorte weisen Kohlenstoffnanoröhren auf, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Geometrie. Die Kathoden 41, 42 sind in der Vakuumröhre 20 reihenförmig und alternierend versetzt angeordnet, wobei die Anzahl der Kathoden 41 der ersten Sorte gleich der Anzahl der Kathoden 42 der zweiten Sorte ist. Zu einer Gittervorrichtung 43 und damit zu einer Röntgenstrahlenquelle Q kann jeweils eine Kathode 41 der ersten Form und jeweils eine Kathode 42 der zweiten Form zugeordnet sein. In der MBFEX-Röhre 1 des dritten Ausführungsbeispiels sind auf beliebige Weise die Kathoden 41 der ersten Sorte oder die Kathoden 42 der zweiten Sorte sequentiell ansteuerbar. Auf diese Weise sind Dual-Dosis-Röntgenbildaufnahmen mit der MBFEX-Röhre 1 in der dritten Ausführungsform realisierbar.
Wie aus den 8 und 9 hervorgeht, sind mehrere MBFEX-Röhren 1 zu einer starren, ringförmigen oder polygonförmigen Anordnung kombinierbar, welche in einem Computertomographen eine rotierende Anordnung ersetzt.
Bezugszeichenliste

1: MBFEX-Röhre
6: Träger
20: Vakuumröhre
21: Röntgenfenster
30: Anode
31: Kühlmittel-Zufuhrrohr
32: Kühlmittel-Abfuhrrohr
40: Kathode
41: Kathode einer ersten Sorte
42: Kathode einer zweiten Sorte
43: Gittervorrichtung
50: Kathoden-Zuleitung
51: Hochspannungsdurchführung
52: Hochspannungsdurchführung
71: Extraktionsgitterelektrode
72: Fokussierungselektrode
73: Extraktionsgitterelektrode einer ersten Form
74: Extraktionsgitterelektrode einer zweiten Form
75: Fokussierungselektrode einer ersten Form
76: Fokussierungselektrode einer zweiten Form
80: keramischer Träger
81: Metallschicht
E: Elektronenstrahlenbündel
e: Elektronen-Hauptemissionsrichtung
Q: Röntgenquelle
X: Röntgenstrahlenbündel
x: Röntgen-Hauptemissionsrichtung
U: Untersuchungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7751528 B2 [0002, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Yang Lu, Hengyong Yu, Guohua Cao, Jun Zhao, Ge Wang, Otto Zhou, Medical Physics 2010, Band 37, S. 3773 - 3781 [0002]

Claims

MBFEX-Röhre (1) für ein Röntgengerät, welche in einer Vakuumröhre (20) eine darin fest angeordnete, als auch als Kühlfinger ausgebildete Anode (30) und eine Mehrzahl von fest angeordneten Kathoden (40,41,42) aufweist, wobei die Vakuumröhre (20) eine Mehrzahl von Kathoden-Zuleitungen (50) und nicht mehr als zwei Hochspannungsdurchführungen (51,52) aufweist, in einer Hochspannungsdurchführung (52) ein Kühlmittel-Rohr (31) mit einem innenliegenden Kühlmittel-Innenrohr (32) hindurchgeführt ist, das Kühlmittel-Rohr (31) und das Kühlmittel-Innenrohr (32) zur Kühlung der Anode (30) mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen sind, die Kathoden (40,41,42) zur Feldemission von Elektronen vorgesehen und jeweils auf die Anode (30) zur Erzeugung von Röntgenquellen (Q) ausgerichtet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-Zuleitungen (50) und Hochspannungsdurchführungen (51,52) in einer Reihe und der Anode (30) gegenüberliegend auf der Vakuumröhre (20) angeordnet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquellen (Q) reihenförmig auf der Anode (30) angeordnet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden (40,41,42) Kohlenstoffnanoröhren aufweisen.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem über den Kathoden (40,41,42) befindlichen Extraktionsgitter (71) und der Anode (30) Fokussierungselektroden (72) angeordnet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungselektroden (72) separat von dem Extraktionsgitter (71) geerdet sind.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumröhre (20) verschiedene Sorten von Kathoden (40,41,42) aufweist, welche sich hinsichtlich zumindest eines Parameters aus einer Gruppe von Parametern unterscheiden, wobei die Gruppe der Parameter geometrische Parameter und Werkstoffparameter umfasst.
MBFEX-Röhre (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) einen Untersuchungsbereich (U) mindestens teilweise umschließt, wobei die Röntgenquellen (Q) den Untersuchungsbereich (U) ebenfalls mindestens teilweise umschließen.
MBFEX-Röhre (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (30) bogenförmig ausgebildet ist.
Anordnung mehrerer nach Anspruch 1 ausgebildeter MBFEX-Röhren (1), wobei durch die Gesamtheit der MBFEX-Röhren (1) eine den Untersuchungsbereich (U) mindestens teilweise umschließende Ring-, Bogen-, Polygon-, L-, oder U-Form gebildet ist.