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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre, mit einem Vakuumgehäuse mit einem für Röntgenstrahlung durchgängigen Austrittsfenster, mindestens einer Elektronenquelle zur Aussendung von Elektronen und einer rotierende Anode, in der die Elektronen unter Erzeugung von Röntgenstrahlung auf einem relativ zum Gehäuse ortsfesten Brennfleck, der eine Brennbahn auf der Anodenoberfläche beschreibt, abgebremst werden, wobei Mittel zur Rotation der Manteloberfläche um eine Zylinderlängsachse vorgesehen sind. Außerdem betrifft die Erfindung insbesondere auch ein Mammographie- und ein CT-System mit einer solchen Röntgenröhre.
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Derartige Röntgenröhren mit zylindrischen Drehanoden sind im Stand der Technik allgemein bekannt und werden insbesondere dann verwendet, wenn relativ hohe Röntgenleistungen notwendig sind, wie beispielsweise im Rahmen von Mammographie- und CT-beziehungsweise C-Bogen-Systemen.
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Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an Leistung und Lebensdauer stößt man bei den aktuell verwendeten Drehanoden an deren Leistungsgrenze. Das Problem herkömmlicher Drehanoden, beispielsweise für die Angiographie oder Mammographie, besteht darin, dass die Wärme auf der Anode, die typischerweise zumindest eine Wolframbahn aufweist, lediglich auf einen einzigen Brennring verteilt wird. Dieser erhitzt sich während eines Scans enorm und führt zu Abdampfungen gepaart mit Ablagerungen im Vakuumgehäuse, was letztlich zur Zerstörung der Röhre führt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Röntgenröhre der eingangs genannten Art bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und ihrer Lebensdauer zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Der Erfinder hat erkannt, dass eine Verbesserung von Leistung und Lebensdauer der Röntgenröhre dadurch möglich ist, dass zusätzlich zur rein rotatorischen Bewegung der Anode, diese mit einer – vorzugsweise zyklisch gegenläufigen – translatorischen Bewegung derart zu beaufschlagen, dass sich die Bahn des Brennfleckes auf der Manteloberfläche der Anode besser verteilt. Während die Brennringfläche sich bekanntermaßen ergibt aus 2·π·r·h (r = Radius des Zylinders, h = Höhe des Brennflecks) kann nun die komplette Zylindermantelfläche 2·π·r·H (H = Höhe des Zylindermantels mit H>>h) genutzt werden. Notwendig ist hierbei natürlich, dass auch eine Zylinderhöhe verwendet wird, die wesentlich größer als die Höhe des Brennflecks ist.
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Auf diese Weise kann also der Brennfleck – je nach gewählter Steuerung der translatorischen und rotatorischen Bewegung des Anodenzylinders – auf immer neuen Bahnen oder zumindest auf einer gegenüber dem Zylinderumfang wesentlich längeren Bahn bewegt werden, so dass jeder Oberflächenbereich wesentlich seltener thermisch belastet wird, mehr Zeit zur Abkühlung hat und damit auch weniger Oberflächenschäden erleidet.
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Dafür kann zum Beispiel eine herkömmliche Telleranordnung durch einen Anodenzylinder ersetzt werden, wobei der Zylinder auf einer Welle oder vorzugsweise einer Spindel angeordnet wird. Es wird dabei vorgeschlagen, die Mantelfläche komplett oder zumindest nahezu komplett aus dem gewünschten Anodenmaterial (z.B. Wolfram) auszubilden beziehungsweise zumindest die verwendeten Brennbahnen der Zylinderoberfläche mit diesem Anodenmaterial zu belegen.
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Durch Vorgabe fixer Rotations- und Translationsgeschwindigkeiten sind mehrere Brennringbahnen, die als Spiralbahnen ausgeprägt sind, auf der Mantelfläche möglich. Möglich ist dabei auch mehrere getrennte Bahnen zu definieren, die mit unterschiedlichen Anodenmaterialien belegt werden, so dass durch entsprechende Ansteuerung der Bahnen Röntgenstrahlung mit unterschiedlichen Energiespektren ausgestrahlt werden können.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, für die Bewegungen der Translation (Vorschubgeschwindigkeit) beispielsweise einen Linearaktuator oder Linearstellantriebe zu verwenden. Hiermit sind hohe Auflösungen (<1µm) reproduzierbar und schnelle Vorschübe (>1000mm/sec) erreichbar.
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Erfindungsgemäß können Rotationsgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit applikationsspezifisch programmiert und gesteuert werden.
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Der Vorteil einer solchen Röntgenröhre besteht darin, dass:
- – Eine starke Leistungssteigerung der Röntgenröhre erzielt wird und hierdurch die thermische Anodenbelastung durch die Verschmierung auf die komplette Mantelfläche im Vergleich zur bekannten Kreisfläche signifikant reduziert wird und die Brennringfläche durch die Spiralbahn um Faktoren erhöht wird.
- – Die Bewegungen der Anode sehr genau und schnell durchführbar sind.
- – Eine hohe mechanische Stabilität erzielt wird.
- – Die Röntgenröhre flexibel einsetzbar ist und damit eine flexible Hublänge einstellbar ist, die lediglich abhängig von der Spindellänge ist.
- – Die Kühlung der Röhre analog zu heutigen Röhren implementierbar ist.
- – Die Spiralbahnen applikationsspezifisch steuerbar sind, zum Beispiel gekoppelt an die Scandauer etc.
- – Die Rotationsgeschwindigkeit der Anode durch eine erhöhte Translation reduziert werden kann und der einfachere Anodenaufbau Kosten bei der Herstellung reduziert.
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Entsprechend diesen Überlegungen schlägt der Erfinder vor, die an sich bekannte Röntgenröhre, mit einem Vakuumgehäuse mit einem für Röntgenstrahlung durchgängigen Austrittsfenster, mindestens einer Elektronenquelle zur Aussendung von Elektronen und einer rotierenden zylindrischen Anode, in der die Elektronen unter Erzeugung von Röntgenstrahlung auf einem relativ zum Gehäuse ortsfesten Brennfleck, der eine Brennbahn auf der zylindrischen Manteloberfläche beschreibt, abgebremst werden, wobei Mittel zur Rotation der Manteloberfläche um eine Zylinderlängsachse vorgesehen sind, dahingehend zu verbessern, dass zusätzlich Mittel zur gleichzeitigen translatorischen Verschiebung der Manteloberfläche in Richtung der Zylinderlängsachse angebracht sind.
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Vorteilhaft können die Mittel zur Rotation und zur gleichzeitigen translatorischen Verschiebung der Manteloberfläche derart ausgelegt sein, dass die daraus entstehende Bahn des Brennflecks auf der Manteloberfläche erst nach mehr als einfacher vollständiger Rotation der Manteloberfläche wieder in sich übergeht.
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In einer besonderen Ausgestaltung kann die Manteloberfläche längsverschiebbar auf einer Welle gelagert sein und sowohl einen separaten Rotationsantrieb als auch einen Linearantrieb aufweisen.
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Alternativ kann die Manteloberfläche jedoch auch fest mit einer Welle verbunden sein, die durch einen Spindelantrieb gleichzeitig rotatorisch und translatorisch angetrieben wird.
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Nochmals alternativ kann die Manteloberfläche auch auf einer Spindel angeordnet sein, welche einen Linearaktuator zur Längsverschiebung der Manteloberfläche aufweist.
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Weiterhin kann die Manteloberfläche zumindest entlang der Bahn des Brennflecks aus einem anderen Material als der Zylinder bestehen. Hierdurch kann der Anodenzylinder zum Beispiel aus einem einfach zu fertigenden oder leicht spanabhebend zu bearbeitenden Material, zum Beispiel Messing oder ein Mehrschichtzylinder aus Edelstahl mit Graphit zum Wärmespeichern und einem Anodenmaterial, hergestellt werden und andererseits die Bahn des Brennflecks mit einem gewünschten Anodenmaterial belegt werden. Da die Eindringtiefe der Elektronen relativ gering ist, kann die Bennfleckbahn auch durch Sputtern oder Plasmabeschichten mit Materialien belegt werden, die ansonsten nur schwierig zu bearbeiten sind.
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Schließlich kann die Manteloberfläche auch auf mindestens zwei möglichen Bahnen des Brennflecks mit unterschiedlichen Anodenmaterialien belegt werden, so dass durch gezielte Ansteuerung der Bahnen unterschiedliche Röntgenenergiespektren erzeugt werden können.
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Eine besondere Ausführung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sieht weiterhin vor, dass die zylindrische Anode als Transmissionsanode ausgebildet ist und im Innenraum des Anodenmantels ein Elektronenemitter angeordnet ist.
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Günstig ist es auch, wenn die Manteloberfläche Teil eines Vollzylinders ist, da hierdurch eine hohe Wärmeaufnahmekapazität vorliegt.
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Weiterhin kann die zylindrische Anode einen integrierten axialsymmetrischen Strömungskanal zur Kühlung aufweisen und die Welle einen Zu- und Abfuhrkanal für ein Kühlmedium aufweisen.
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Es wird auch vorgeschlagen, die Mittel zur rotatorischen und translatorischen Bewegung der Anode mit einer programmierbaren Steuervorrichtung zu koppeln, so dass je nach aktueller Leistungsabgabe der Röntgenröhre, also auch je nach thermischer Belastung im Brennfleck, unterschiedlich schnelle Geschwindigkeiten gefahren werden.
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Neben der erfindungsgemäßen Röntgenröhre schlägt der Erfinder auch deren Verwendung in unterschiedlichen Röntgensystemen vor, beispielsweise in einem Mammographiesystem, einem CT-System oder einem C-Bogen-System.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Anodenzylinder; 1.1: Graphitschicht; 2: Spindel / Drehachse / Hohlwelle; 3: Aktuator; 3.1: translatorischer Antrieb; 3.2: rotatorischer Antrieb; 4: Kühlmittelfluss; 5: Kathodenarm; 5.1: Kathodenhalterung; 7: Gehäuse; 8: Ablenkspule; B: Bahn; C1: CT-System / C-Bogen-System; C2: Röntgenröhre; C3: Detektor; C6: Gehäuse; C7: C-Bogen; C8: Patientenliege; C9: Systemachse; C10: Steuer- und Rechensystem; e–: Elektronenstrahl; K: Kathode; M1: Mammographiesystem; M2: Röntgenröhre; M2.1: Röhrengehäuse; M2.2: Antrieb; M2.4: Fenster; M3: Flächendetektor; M5: Andruckplatte; M6: Gehäuse; M10: Steuer- und Rechensystem; P: Patient; Prg1–Prgn: Computerprogramme; S: Strahlenbündel; ∆h: Hub.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1–3: Erfindungsgemäße rotierende Zylinderanode einer Röntgenröhre in verschiedenen Transversal-Positionen entlang der Rotationsachse;
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4: Schematische Darstellung eines Mammographiesystems mit einer Röntgenröhre mit rotier- und verschiebbarer Zylinderanode;
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5: Schematische Darstellung einer Anoden-Kathoden-Anordnung mit einer entlang der Rotationsachse verschiebbaren Anode mit Kühlmitteldurchfluss;
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6: Schematische Darstellung einer Röntgenröhre mit einer Anoden-Kathoden-Anordnung in zwei Anodenpositionen mit Kathodenarm auf der Seite des Röntgenfensters;
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7: Schematische Darstellung einer Röntgenröhre mit einer Anoden-Kathoden-Anordnung in zwei Anodenpositionen mit Kathodenarm auf der Gegenseite zum Röntgenfenster;
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8: Schematische Darstellung einer Röntgenröhre mit einer Anoden-Kathoden-Anordnung mit innen liegendem Elektronenemitter und Brennfleck mit Röntgenemission auf der Mantelinnenseite;
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9: Schematische Darstellung einer Röntgenröhre mit einer Anoden-Kathoden-Anordnung mit einer zylindrischen Transmissionsanode und innen liegendem Elektronenemitter;
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10: CT-System mit erfindungsgemäßer Röntgenröhre;
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11: C-Bogen-System mit erfindungsgemäßer Röntgenröhre.
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In den 1 bis 3 ist jeweils eine erfindungsgemäße Ausführung einer zylindrischen Anode 1 in drei unterschiedlichen Längspositionen auf einer Spindel 2 dargestellt. Rechts neben der Anode 1 befindet sich eine Kathode K von der ausgehend ein Elektronenstrahl e– auf den Zylindermantel des Anodenzylinders beschleunigt wird und dort beim Eintritt in die Anode 1 Röntgenstrahlung erzeugt. Das entstehende Strahlenbündel S ist ebenfalls schematisch dargestellt.
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Aufgrund des gleichzeitigen rotierenden Antriebs des Anodenzylinders 1 und des transversalen Antriebs durch den Aktuator 3 wird die Anodenoberfläche, also der Zylindermantel, an der ortsfesten Position des Brennflecks vorbeigeführt, so dass die thermische Leistung über die Fläche verschmiert wird. Durch die gleichzeitig ausgeführte Rotation und Transversalbewegung des Anodenzylinders 1 wird gegenüber einer nur rotierenden Zylindermantelfläche ein wesentlich größerer Bereich durch den Brennfleck mit Wärme beaufschlagt. Eine entsprechende Führung und Koordination beziehungsweise Kopplung der rotatorischen und translatorischen Bewegungen können dabei eine oder mehrere Bahnen B auf der Zylinderoberfläche erzeugen, auf der/denen der Brennfleck entlang läuft. Auf diese Weise kann gegenüber dem Stand der Technik ein wesentlich intensiverer Brennfleck, also ein wesentlich leistungsstärkerer Elektronenstrahl, zur Röntgenerzeugung verwendet werden, ohne die Oberfläche der Anode zur schädigen.
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Erfindungsgemäß kann die Manteloberfläche des rotierenden Anodenzylinders 1 auf den Bahnen B des Brennflecks mit einem oder mehreren spezifischen Anodenmaterialien belegt sein, so dass durch entsprechende Ansteuerung der Bahnen jeweils unterschiedliche Röntgenenergiespektren ausgestrahlt werden.
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Die kombinierte rotatorische und lineare Bewegung kann dabei über einen Linearaktuator oder einen Elektromotor oder einen Asynchronmotor, bei dem ein Stator in bekannter Weise ein Drehfeld erzeugt, bewirkt werden.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Mammographiesystems M1 mit einem Gehäuse M6, an dem eine erfindungsgemäße Röntgenröhre M2 angebracht ist. Unter der Röntgenröhre M2 sind ein Flächendetektor M3 und eine zumindest höhenverschiebbare Andruckplatte M5 angeordnet, zwischen denen sich zur radiologischen Abtastung die Brust einer Patientin P befindet. Die Röntgenröhre selbst besteht aus dem Röhrengehäuse M2.1, in dem der gleichzeitig rotierbare und transversal verschiebbare Anodenzylinder 1 angeordnet ist, der sowohl zur Rotation als auch zur transversalen Bewegung entlang der Zylinderlängsachse durch den Antrieb M2.2 angetrieben wird. Die am Anodenmaterial erzeugte Röntgenstrahlung verlässt die Röntgenröhre M2 durch das Fenster M2.4 als auf den Detektor M3 gerichtetes Strahlenbündel S, wo die örtliche Strahlungsintensität beziehungsweise die Absorption der Strahlung durch die Brust der Patientin P zur Bildgebung gemessen wird. Die Steuerung des Mammographiesystems M1 und insbesondere auch die Steuerung der Röntgenröhre M2, insbesondere auch des Antriebs M2.2, erfolgt durch ein Steuer- und Rechensystem M10, in dem im Betrieb die Computerprogramme Prg1–Prgn ausgeführt werden.
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Die 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Anoden-Kathoden-Anordnung mit einer entlang der Rotationsachse verschiebbaren Anode 1 mit Kühlmitteldurchfluss 4 durch die Drehachse 2. Die Drehachse 2 wird von einem translatorischen Antrieb 3.1 in Form eines Aktuators in Längsrichtung und durch einen rotatorischen Antrieb 3.2 – hier eine Statorhülse – rotierend bewegt. Am Stator ist über einen Kathodenarm 5 eine Kathodenhalterung 5.1 befestigt, die wenigstens eine Kathode K trägt. Angedeutet ist auch die Möglichkeit an der Kathodenhalterung 5.1 zwei Kathoden anzuordnen, wobei eine der Kathoden leistungsstärker ist und einen relativ großen Brennfleck erzeugt, während die alternativ betreibbare zweite Kathode einen kleineren Brennfleck für höhere Auflösung erzeugt. Die Anode selbst ist in diesem Ausführungsbeispiel massiv.
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In der 6 ist schematische eine Röntgenröhre mit einer Anoden-Kathoden-Anordnung in zwei relativ zueinander um Δh verschobenen Anodenpositionen bei ortsfestem Brennfleck gezeigt. Die Anoden 1 sind dabei als Hohlzylinder ausgeführt, wobei durch das Innere des Hohlzylinders ein Kühlmitteldurchfluss 4 vorliegt. Der relativ massive Anodenzylinder 1 sitzt auf einer als Hohlwelle 2 ausgebildeten Drehachse, die durch die beiden Antriebe 3.1 und 3.2 linear und rotatorisch bewegt wird. Die Anoden-Kathoden-Anordnung wird durch ein Vakuumgehäuse 7 gegenüber der Umgebung abgeschlossen, wobei jedoch das am Brennpunkt erzeugte Strahlenbündel S durch ein Röntgenaustrittsfenster nach außen gelangen kann. Die Kathode K befindet sich an einer Kathodenhalterung 5.1, die wiederum durch einen Kathodenarm 5 an einer ortsfesten Position getragen wird.
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Die beiden Darstellungen – links und rechts – der Röntgenröhre zeigen den Hub Δh des Anodenzylinders 1. Zur Erzeugung einer mäanderförmigen Bahn des Brennflecks auf der Anodenoberfläche werden die Rotation und die Linearbewegung des Anodenzylinders entsprechend gesteuert.
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In der 7 ist nochmals eine schematische Darstellung einer Röntgenröhre mit einer Anoden-Kathoden-Anordnung in zwei Anodenpositionen gezeigt, wobei der Kathodenarm 5 hier auf der Gegenseite zum Röntgenfenster angeordnet ist und dadurch einen etwas weiter aufgefächerten Strahlenkegel S erlaubt. Ansonsten entspricht diese Ausführung der in der 6 gezeigten Röntgenröhre.
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Eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ist in der 8 gezeigt, die eine Anoden-Kathoden-Anordnung zeigt, bei der ein innerhalb des Zylindermantels beziehungsweise Zylinderradius liegender Elektronenemitter verwendet wird, von dem ausgehend ein Elektronenstrahl e– mit Hilfe des Magnetfeldes einer Dipol-Ablenkspule 8 auf einen bestimmten ortsfesten Punkt auf der Innenseite des relativ massiv ausgebildeten und rotierenden und sich entlang der Rotationsachse bewegenden Zylindermantels der Anode 1 auftrifft und einen Brennfleck mit Röntgenemission auf der Innenseite des Zylindermantels der Anode 1 erzeugt. Zusätzlich kann auf der Außenseite des Zylindermantels eine Graphitschicht 1.1 angeordnet werden, die zur thermischen Stabilisierung der Anode dient.
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Schließlich zeigt die 9 noch eine andere Variante einer Anoden-Kathoden-Anordnung beziehungsweise einer Röntgenröhre, in der eine zylindrische Transmissionsanode 1 bei ebenso innenliegendem Elektronenemitter mit einer Kathode K. Der Aufbau entspricht dabei grundsätzlich der 8, allerdings fehlt die äußere Graphitschicht und die zylindrische Anode ist wesentlich dünner ausgeführt, damit sie als Transmissionsanode wirken kann. Entsprechend tritt der Elektronenstrahl e– von innen auf den Anodenzylinder 1 auf und erzeugt an diesem Brennfleck Röntgenstrahlung, die entsprechend der Abbremsung der Elektronen und deren Energie im Anodenmaterial ausgerichtet ist und durch ein geeignet angeordnetes Austrittsfenster aus dem Gehäuse 7 austreten kann. In den beiden Ausführungen der 8 und 9 kann die Größe des Brennfleckes durch das von den Dipol-Ablenkspulen 8 erzeugte Magnetfeld in gewünschter Weise beeinflusst werden.
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In der 10 ist ein konventionelles CT-System C1 mit einem Gehäuse C6 und einer darin auf einer Gantry befindlichen Röntgenröhre C2 gezeigt. Auch hier ist die Röntgenröhre C2 mit einer rotierbaren und gleichzeitig entlang ihrer Längsachse verschiebbaren Zylinderanode ausgestattet, so dass die bei der CT notwendigen hohen Röntgenleistungen ohne Einbußen bezüglich der Lebensdauer der Röntgenröhre erreicht werden können. Gegenüber der Röntgenröhre C2 befindet sich in bekannter Weise ein Detektor C3, mit dessen Hilfe die Schwächung der Röntgenstrahlung bei der Abtastung des Patienten P, der sich auf einer entlang der Systemachse C9 verschiebbaren Patientenliege C8 befindet. Zur Steuerung des CT-Systems C1 und insbesondere auch zur Steuerung der Röntgenröhre C2 dient ein Steuer- und Rechensystem C10, in dem die entsprechend abgestimmten Programme Prg1–Prgn ausgeführt werden.
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Schließlich zeigt die 11 auch noch ein C-Bogen-System C1 mit einem Gehäuse C6 an dem sich ein C-Bogen C7 befindet, der endständig einen Detektor C3 und eine erfindungsgemäß ausgebildete Röntgenröhre C2 trägt. Auch hier befindet sich der Patient P zur Abtastung auf einer Patientenliege C8, wobei durch ein Steuer- und Rechensystem C10 mit Hilfe der darin gespeicherten und im Betrieb laufenden Programme Prg1–Prgn das gesamte C-Bogen-System C1, einschließlich der Röntgenröhre C2, gesteuert wird.
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Insgesamt wird mit Erfindung eine Röntgenröhre vorgestellt, die mit einer rotierbaren zylindrischen Anode ausgestattet ist, wobei sowohl Mittel zur Rotation der Manteloberfläche um die Zylinderlängsachse der Anode als auch Mittel zur translatorischen Verschiebung der Anode in Richtung der Zylinderlängsachse angebracht sind. Erfindungsgemäß kann eine solche Röntgenröhre insbesondere für ein Mammographiesystem, ein CT-System, ein C-Bogensystem oder ein therapeutisches Bestrahlungssystem eingesetzt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anodenzylinder
- 1.1
- Graphitschicht
- 2
- Spindel / Drehachse / Hohlwelle
- 3
- Aktuator
- 3.1
- translatorischer Antrieb
- 3.2
- rotatorischer Antrieb
- 4
- Kühlmittelfluss
- 5
- Kathodenarm
- 5.1
- Kathodenhalterung
- 7
- Gehäuse
- 8
- Ablenkspule
- B
- Bahn
- C1
- CT-System / C-Bogen-System
- C2
- Röntgenröhre
- C3
- Detektor
- C6
- Gehäuse
- C7
- C-Bogen
- C8
- Patientenliege
- C9
- Systemachse
- C10
- Steuer- und Rechensystem
- e–
- Elektronenstrahl
- K
- Kathode
- M1
- Mammographiesystem
- M2
- Röntgenröhre
- M2.1
- Röhrengehäuse
- M2.2
- Antrieb
- M2.4
- Fenster
- M3
- Flächendetektor
- M5
- Andruckplatte
- M6
- Gehäuse
- M10
- Steuer- und Rechensystem
- P
- Patient
- Prg1–Prgn
- Computerprogramme
- S
- Strahlenbündel
- ∆h
- Hub