DE19820243A1 - Drehkolbenstrahler mit Fokusumschaltung - Google Patents

Abstract

Drehkolbenstrahler mit einem Rundstrahlemitter und einem aus rotierende Gehäuse mit der Kathode und der Anode umgebenden, ein Dipolfeld und ein überlagertes Quadrupolfeld erzeugenden Magnetsystem zum Ablenken und Fokussieren des Elektronenstrahls auf den abgeschrägten Anodenrand sowie mit einer Anordnung zur Umschaltung der Größe des Röntgenbrennflecks, wobei zur Vergrößerung des Röntgenbrennflecks das Quadrupolfeld so verändert wird, daß der Elektronenstrahl quer zum Anodenradius auf die Größe des gewünschten Brennflecks, unter Verkürzung der radialen Länge, verbreitert wird, und wobei dem Ablenk-Dipolfeld eine Wobbelspannung zur periodischen Verschiebung des Brennflecks in der radialen Längsrichtung auf einer Gesamtstrecke überlagert wird, die dem Produkt des gewünschten Brennfleckdurchmessers mit dem Abbildungsverhältnis des schrägen Anodenrandes zur Abstrahlrichtung der Röntgenstrahlung entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehkolbenstrahler mit einem Rundstrahlemitter und einem das rotierende Gehäuse mit der Kathode und der Anode umgebenden, ein Dipolfeld und ein überlagertes Quadrupolfeld erzeugenden Magnetsystem zum Ab­ lenken und Fokussieren des Elektronenstrahls auf den abge­ schrägten Rand der Anode sowie mit einer Anordnung zur Um­ schaltung der Größe des Brennflecks.

Bei einem derartigen Drehkolbenstrahler wird zur Erzeugung eines im wesentlichen runden Röntgenbrennflecks das Quadru­ polfeld so gewählt, daß es den von der Kathode abgegebenen runden Elektronenstrahl in der radialen Richtung der Anode um das Abbildungsverhältnis des schrägen Anodenrandes zur Ab­ strahlrichtung des Röntgenbrennflecks gegenüber der sich ver­ ringernden Breite des Elektronenstrahls verlängert. Dies wie­ derum führt dann dazu, daß bei Betrachtung vom Rönt­ genaustrittsfenster aus, also in Gegenrichtung der Abstrahl­ richtung der Röntgenstrahlung, die vergrößerte Elektronen­ strahlausdehnung in radialer Richtung sich genau so groß zeigt wie die Breite. Der Röntgenbrennfleck weist also - mit einem verringerten Durchmesser - im wesentlichen wiederum kreisrunde Form auf, wobei die Elektronenstrahldichte höher als hinter der Kathode ist. Die gaußförmige Verteilung der Elektronen über den Querschnitt bleibt jedoch dabei erhalten.

Um bei einem derartigen Drehkolbenstrahler ein Umschalten auf eine andere Brennfleckgröße zu ermöglichen, bedurfte es bis­ her einer Reihe aufwendiger Maßnahmen.

Die Größe des Brennflecks wurde üblicherweise durch die Geometrie von Fokuskopf und Emitter vorgegeben oder mit einer Fokusspannung eingestellt, wobei letzteres eine zusätzliche Spannung am Fokuskopf gegenüber dem Emitter erforderte.

Darüber hinaus sind auch bereits konzentrische Emitter mit variabler Emissionsfläche vorgeschlagen worden, die entweder als Flachemitter oder Spiralemitter ausgeführt sind. Diese haben den Vorteil, daß die Emissionsfläche an den geforderten Röhrenstrom des entsprechenden Brennflecks angepaßt ist, wo­ bei die Art der Ansteuerung weitestgehend kompatibel mit vor­ handenen Generatoren ist. Nachteilig sind dabei jedoch die höheren Herstellungskosten und die reduzierte Flexibilität. Darüber hinaus muß mit engen Toleranzen (vergleichbar wie heute) bei der Kathodenherstellung gerechnet werden. Schließ­ lich ist ein Rechteckprofil in der Länge zur Optimierung der Brennfleckbelastung mit diesen Ausführungen nicht zu errei­ chen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dreh­ kolbenstrahler der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ohne nennenswerten baulichen Aufwand eine Fokusumschal­ tung auch auf mehrere unterschiedliche Brennfleckdurchmesser möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Vergrößerung des Röntgenbrennflecks das Quadrupolfeld so verändert wird, daß der Elektronenstrahl quer zum Anoden­ radius auf die Größe des gewünschten Brennflecks, unter Ver­ kürzung der radialen Länge, verbreitert wird, und daß dem Quadrupolfeld eine Dipolwobbelspannung zur periodischen Ver­ schiebung des Brennflecks in der radialen Längsrichtung um eine Strecke, die dem Produkt des gewünschten Brennfleck­ durchmessers mit dem Abbildungsverhältnis des schrägen Anodenrandes zur Abstrahlrichtung des Röntgenbrennflecks überlagert wird.

Die Auseinanderziehung des Elektronenstrahlquerschnitts in der radialen Richtung der Anode erfolgt vielmehr über eine überlagerte Dipol-Wobbelspannung, die den Elektronenstrahl mit verbreitertem und in radialer Richtung verkürztem Quer­ schnitt über eine größere Strecke hin und her oszillieren läßt, derart, daß die Strecke, die dabei überdeckt wird, im Abbildungsverhältnis des schrägen Anodenrandes zur Abstrahl­ richtung des Röntgenbrennflecks wiederum in etwa der einge­ stellten vergrößerten Breite des Röntgenstrahls entspricht.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den erheblichen Vor­ teil, daß die Zeitfunktion der Wobbelspannung so gewählt sein kann, daß die Intensitätsverteilung des so erzeugten größeren Röntgenbrennflecks eine gewünschte, von einer Gaußverteilung abweichende Form in radialer Richtung der Anode erhält.

Beispielsweise bei einer sägezahnförmig verlaufenden Wobbel­ spannung läßt sich ein annäherndes Rechteckprofil der Brenn­ fleckbelastung erzielen, was sowohl hinsichtlich der entste­ henden Röntgenstrahlung als auch der Belastung und Lebens­ dauer der Anode erhebliche Vorteile mit sich bringt.

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 schematische Darstellung eines Drehkolben­ strahlers ohne das ihn umgebende, den Kühlmittel­ kreislauf enthaltende Gehäuse,

Fig. 2a bis 2d den Elektronenstrahlquerschnitt an verschiedenen Positionen und den Röntgenbrennfleck für den klein­ sten Röntgenbrennfleck,

Fig. 3a bis 3d den Elektronenstrahlquerschnitt an verschiedenen Positionen und den Röntgenbrennfleck bei einem ver­ größerten Röntgenbrennfleck, und

Fig. 4 den Ablenkstrom des Magnetsystems mit dem überla­ gerten Wobbelstrom mit unterschiedlichen Zeitfunk­ tionen.

Fig. 1 zeigt eine Röntgenröhre 1, die ein kolbenartiges, iso­ lierendes Gehäuse 2 besitzt mit einem im wesentlichen zylin­ drischen Bereich 3 und einem dran anschließenden, sich kegel­ stumpfförmig erweiternden Abschnitt 4. Am hinteren Ende des Gehäuses 2 ist eine Kathode 5 angeordnet, die über Schleif­ ringe 6 mit einer geeigneten Energiequelle verbunden ist, um auf negatives Potential gelegt zu werden. Der Kathode 5 ist eine Fokussierungselektrode 7 zugeordnet, die zum Einstellen der flächenmäßigen Größe des Elektronenstrahls dient, der von der Kathode im Betrieb emittiert wird. Ein solcher Elektro­ nenstrahl ist in Fig. 1 mit 8 gekennzeichnet. Am der Kathode gegenüberliegenden Ende des Gehäuses ist eine Anode 9 vorge­ sehen, die den Abschluß des im Inneren evakuierten Gehäuses 2 bildet. Die Anode 9 weist einen Anodenteller 10 auf, an des­ sen Endabschnitt ein abgeschrägter Anodenrand 11, der mit Wolfram belegt sein kann, ausgebildet ist, auf welchen der Elektronenstrahl zur Erzeugung der Röntgenstrahlung trifft. Die Anode 9 wird von hinten von einer nur durch die Pfeile 12 angedeuteten Kühlflüssigkeit umströmt, die das nicht darge­ stellte stehende Gehäuse ausfüllt und die zur Abfuhr der bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entstehenden thermischen Energie erforderlich ist. Die Anode selbst liegt auf Masse­ potential - oder bei zweipoligem Betrieb auf einem positiven Potential - so daß sich zwischen der Kathode und der Anode ein elektrisches Feld einstellt, welches zur Beschleunigung der emittierten Elektronen in Richtung auf die Anode dient. Die Kathode 5 und die Anode 9 sind längs der selben Drehachse 13 angeordnet. Um die Drehbarkeit der Röntgenröhre 1 zu er­ möglichen, sind die Kathode 5 und die Anode 9 mit Lagerele­ menten 14, 15 drehbar gelagert, wobei die Röhrenrotation mit einem nicht gezeigten Antriebsmittel bewerkstelligt wird.

Der von der Fokussierungselektrode 7 ausgehende runde Elek­ tronenstrahl weist im Kathodenbereich die runde Querschnitts­ form gemäß den Fig. 2a bzw. 3a auf. Das Magnetsystem 16 ist so ausgebildet, daß es neben einer Dipolspannung zum Ab­ lenken des Elektronenstrahls 8 auf den schräggestellten Anodenrand 11 auch ein Quadrupolfeld erzeugt, welches zu­ nächst den Strahlquerschnitt entsprechend der Fig. 2b (bzw. bei einer anderen Brennfleckgröße der Fig. 3b) verformt. Im Falle des kleinsten Brennflecks, dessen Verhältnisse anhand der Fig. 2a, 2b und 2d dargestellt sind, wird der Elektro­ nenstrahl durch die Quadrupolfokussierung in Längsrichtung, d. h. in der radialen Richtung auf der Anode, auf beispiels­ weise 4 mm auseinandergezogen und gleichzeitig in der Breite auf 0,5 mm verkürzt. Dies ergibt einen Röntgenbrennfleck, in Abstrahlrichtung der Röntgenstrahlung 17 gesehen, mit etwa 0,5 mm Breite und 0,56 mm radialer Länge, also einen im wesentlichen wiederum runden Röntgenbrennfleck. Insoweit ent­ spricht die Anordnung dem bekannten Stand der Technik.

Um nun einen größeren Röntgenbrennfleck mit beispielsweise 1 mm Durchmesser unter Verwendung der unveränderten Kathode und ohne zusätzliche Spannung am Fokuskopf zu erreichen, wird erfindungsgemäß das Quadrupolfeld geändert und der Dipolablenkspannung eine Wobbelspannung überlagert, wie sie in zwei verschiedenen Zeitfunktionsformen in Fig. 4 angedeu­ tet ist. Durch die veränderte Quadrupolfokussierung wird zu­ nächst der Elektronenstrahlquerschnitt von der Rundform im Kathodenbereich gemäß Fig. 3a zu der in Fig. 3b gezeigten Form verändert, indem der Querschnitt in Richtung der Breite - senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1 - auf den gewünschten größeren Brennfleckdurchmesser von 1 mm vergrößert wird unter gleichzeitiger Verkürzung der Längsausdehnung in der radialen Anodenrichtung gegenüber dem Fall des kleinsten Röntgenbrenn­ flecks gemäß Fig. 1a bis 2d von 4 auf ca. 3,3 mm. Durch die der Ablenkspannung überlagerte Wobbelspannung wird der Elektronenstrahl mit der Querschnittsform nach Fig. 3b über die Strecke d radial auf dem schräggestellten Anodenrand 11 periodisch hin und her bewegt, wobei die Strecke d dem Pro­ dukt des gewünschten Brennfleckdurchmessers mit dem Abbil­ dungsverhältnis des schrägen Anodenrands zur Abstrahlrichtung des Röntgenbrennflecks entspricht. Bei den angegebenen Daten ist dieses Abbildungsverhältnis, wie sich aus den Maßangaben zu Fig. 2b ergibt, 4 : 0,5, also ca. 8, und dies bedeutet, daß die Strecke d, auf der der Elektronenstrahl bewegt wird, etwa 8 mm betragen muß. Als Röntgenbrennfleck ergibt sich der in Fig. 3d dargestellte Röntgenbrennfleck, wobei die Beson­ derheit des Anmeldungsgegenstandes in der Energieverteilung zu sehen ist. Während über die Breite des Röntgenbrennflecks nach wie vor eine Gaußverteilung herrscht, läßt sich die Energieverteilung in Längsrichtung, also in der radialen Richtung der Anode, durch entsprechende Einstellung der Zeit­ funktion der Wobbelspannung 18, beispielsweise als Sägezahn­ kurve, quasi rechteckförmig machen. Dies ergibt sowohl Vor­ teile hinsichtlich der Intensitätsverteilung der ausgestrahl­ ten Röntgenstrahlung als auch eine bessere Verteilung der Be­ lastung der Anode und damit eine höhere Lebensdauer. Anstelle der sägezahnförmigen Wobbelspannung 18 können aber für andere Anwendungsfälle auch andere Zeitfunktionen, beispielsweise die gestrichelt angedeutete Sinusform als Wobbelspannung 18' gewählt werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Drehkolbenstrahlers mit Fokusumschaltung bietet die folgenden Vorteile:
Geringster Hardwareaufwand, da nur ein Emitter notwendig ist. Da auch keine zusätzliche Fokusspannung erforderlich ist, ist auch die gewünschte Rückwärtskompatibilität einfach zu errei­ chen, d. h. ein erfindungsgemäßer Drehkolbenstrahler kann bei vorhandenen Anlagen eingesetzt werden, was bei einer Wehnelt­ fokussierung gar nicht möglich wäre. Für beide Brennflecke ist nur eine Heizkennlinie erforderlich und es ergibt sich auch im großen Röntgenbrennfleck, verglichen mit den heute erreichbaren Ergebnissen, eine geringere Hubtemperatur. Die Platine zur Magnetansteuerung muß nur geringfügig modifiziert werden, da die einzige Änderung für die Fokusumschaltung in der Überlagerung einer zusätzlichen Wobbelspannung und in ei­ ner zusätzlichen anderen Einstellung des Quadrupolfeldes be­ steht. Dadurch läßt sich der Drehkolbenstrahler einfach modi­ fizieren bzw. ausbauen, was für einen modularen Aufbau einer ganzen Strahlerfamilie von Vorteil ist. Schließlich führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung zu sehr niedrigen Kosten. Die diesen Vorteilen gegenüberstehenden Nachteile bzw. Risiken, wonach die Emitterfläche für maximalen Strom und für minima­ len Brennfleck ausgelegt sein muß und eine geringfügig höhere Hubtemperatur im kleinen Brennfleck auftritt, können gegen­ über den erheblichen Vorteilen praktisch vernachlässigt wer­ den.

Claims (3)

1. Drehkolbenstrahler mit einem Rundstrahlemitter und einem das rotierende Gehäuse mit der Kathode und der Anode umgeben­ den, ein Dipolfeld und ein überlagertes Quadrupolfeld erzeu­ genden Magnetsystem zum Ablenken und Fokussieren des Elektro­ nenstrahls auf den abgeschrägten Anodenrand sowie mit einer Anordnung zur Umschaltung der Größe des Röntgenbrennflecks, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Röntgenbrennflecks das Quadrupolfeld so verändert wird, daß der Elektronenstrahl (8) quer zum Anoden­ radius auf die Größe des gewünschten Brennflecks, unter Ver­ kürzung der radialen Länge, verbreitert wird, und daß dem Ab­ lenk-Dipolfeld eine Wobbelspannung (18, 18') zur periodischen Verschiebung des Brennflecks in der radialen Längsrichtung auf einer Gesamtstrecke überlagert wird, die dem Produkt des gewünschten Brennfleckdurchmessers mit dem Abbildungsverhält­ nis des schrägen Anodenrandes (11) zur Abstrahlrichtung der Röntgenstrahlung (17) entspricht.

2. Drehkolbenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitfunktion der Wobbelspannung (18, 18') so gewählt ist, daß die Intensitäts­ verteilung des großen Röntgenbrennflecks eine gewünschte, von einer Gaußverteilung abweichende Form in radialer Richtung der Anode erhält.

3. Drehkolbenstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitfunktion der Wobbelspannung (18) im wesentlichen sägezahnförmig verläuft.