DE3307019A1

DE3307019A1 - Roentgenroehre mit mikrofokus

Info

Publication number: DE3307019A1
Application number: DE19833307019
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Cambridge Fletcher
Original assignee: SCANRAY SCANDINAVIAN X RAY DEU
Current assignee: SCANRAY SCANDINAVIAN X RAY DEU
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1983-02-28
Publication date: 1984-08-30

Description

Röntgenröhre mit Mikrofokus
Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit Mikrofokus der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Röntgenröhren mit Mikrofokus sind allgemein bekannt und umfassend unter Hinweis auf umfangreiche Literatur in dem Buch "Microfocal Radiography" von R.V. Ely, Verlag Academic Press, London, 1980, beschrieben. Nach diesem Stand der Technik ist es bekannt, daß die Güte von Röntgenbildern, die im Prinzip Schattenbilder sind, von der Ausdehnung der Röntgenstrahlenquelle abhängt. Da diese durch einen Oberflächenbereich des Targets, die meistens als Anode wirkt, gebildet ist, auf das ein Elektronenstrahl auftrifft,hängt die Ausdehnung der Röntenstrahlenquelle von diesem Flächenbereich ab, wie ihn der durch die Röntgenstrahlen abzubildende Gegenstand sieht und der als optischer Brennfleck bezeichnet wird. Seine Größe hängt praktisch von der Neigung der Oberfläche des Targets und von der Ausdehnung des auf das Target auftreffenden Elektronenstrahls ab, dessen Auftrefffläche auf dem Target als thermischer Brennfleck bezeichnet wird. Der Winkel der Oberfläche des Targets in bezug zur Richtung des Elektronenstrahls wird als Targetwinkel bezeichnet.
Da die Intensität der Röntgenstrahlen entscheidend von dem Targetwinkel abhängt, ist es üblich, mit Targetwinkeln zu arbeiten, die im Bereich der größten Intensität der Röntgenstrahlung liegt. Die Targetwinkel bekannter Röntgenröhren liegen aus diesen Gründen im Bereich zwischen 10 und 300.
Unterhalb von einem Targetwinkel von 10° fällt die Strahlungsintensität aufgrund des sogenannten Heel-Effekts bei den bekannten Targetformen schnell ab (s. das Buch "Electronic Radiation Sources", Abschnitt "Modern Medium Voltage X-Ray Tubes", 14.29 und 14.30). Eine Erklärung für diesen Heel-Effekt ist der Literatur nicht zu entnehmen, es wurde durch praktische Messungen gefunden.
Es ist auch bekannt, den thermischen Brennfleck und damit auch den optischen Brennfleck durch Verkleinerung des Durchmessers des auftreffenden Elektronenstrahls zu verringern, beispielsweise durch sehr feine Fokussierung oder auch durch Verwendung sehr kleiner, nadelförmiger Kathoden (Microfocal Radiography", S. 5, Fig. 2 b), jedoch betrugen die minimalen bisher erreichten Fokusabmessungen immer noch etwa 0,015 mm ("Microfocal Radiography", S. 59).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der betreffenden Art zu schaffen, die geringere Fokusgrößen bei gleicher oder wesentlich verbesserter Abstrahlungsintensität ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.
Aufgrund der Anordnung der Oberfläche des Targets im wesentlichen senkrecht zum Elektronenstrahl ist die Auftreffenergie und damit auch die Energie der abgestrahlten Röntgenleistung optimal. Durch die Krümmung der Oberfläche des.Targets ergibt sich eine wesentliche. Erhöhung der abgestrahlten Röntgenleistung im Bereich von Targetwinkeln unter 100, was möglicherweise auf einer Vermeidung des-Heel-Effeks beruht. Durch Versuche wurden Leistungsverbesserungen um das 30-fache und optische Brennfleckdurchmesser unterhalb von 0,015 mm festgestellt.
Die Oberfläche des Targets im Brennfleck weicht zweckmäßigerweise nicht.mehr.als 10-°--von-der Senkrechten auf die Richtung des Elektronenstrahls ab. Außerdem beträgt der Radius der gleichmäßigen Krümmung der Oberfläche des Targets im Brennfleck zweckmäßigerweise das 2,5-fache des Durchmessers des Elektronenstrahls, er kann sogar. in die Nähe von oo kommen, wobei immer noch wesentliche Verbesserungen gegenüber bisher bekannten Röntgenröhren erzielttwérden; Die Krümmung der Oberfläche des Targets kann im einfachsten Fall zylindrisch, aber auch sphärisch sein. Schließlich ist es auch möglich, eine ungleichmäßige Krümmung der Oberfläche des Targets durch eine polygonale Ausgestaltung zu erzeugen.
Um sicherzustellen, daß nur die Strahlen ausgenutzt werden, die im Targetwinkelbereich unter'100 liegen, ist die Verwendung einer Blende fur die Röntgenstrahlen -weCkinäsig, deren Öffnung in dem gewünschten Winkelbereich.von 0.bis.'.100.
zur Oberfläche des Targets im Brennfleck liegt. Dabei snd die Lage und die Größe der öffnung der Blende zweckmäßigerweise so bemessen, daß die Tangenten im Brennfleck durch die Öffnung der Blende verlaufen.
Die Oberfläche des Targets kann auch rotationssymmetrisch zur Achse des Elektronenstrahls verlaufen. Von besonderem Vorteil ist diese Ausführungsform dann, wenn Ablenkmittel zur rotierenden Ablenkung des Elektronenstrahls um die Rotationssymmetrieachse vorgesehen sind. Auf diese Weise kann die Lage des Brennflecks geändert werden, um die Kühlung der Oberfläche des Targets zu verbessern. Es ist aber auch möglich, hierdurch die Rundstrahleigenschaften zur Panoramadarstellung beispielsweise bei der Prüfung von Rohren zu verbessern.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine schematische Darstellung einer Röntgenröhre gemäß der Erfindung, Fig. 2 verdeutlicht die Form und geometrischen Verhältnisse an der Oberfläche des Targets der Röntgenröhre gemäß Fig. 1, Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Fig. 2 und verdeutlicht die Verwendung einer Blende mit einer ringförmigen Öffnung, Fig. 4 entspricht im wesentlichen Fig. 3 und zeigt ein Target mit polygonaler Oberfläche.
Die in Fig. 1 dargestellte Röntgenröhre weist ein evakuiertes Gefäß 1 auf, in dem sich am einen Ende eine Kathode 2 mit einem Heizfaden 3 und einer Gitterkappe 4 befindet. Am anderen Ende befindet sich in dem Gefäß, 1 eine Anode 5, auf der sich ein Target 6 befindet, dessen Oberfläche zylindrisch ausgebildet ist. Sie kann aber auch sphärisch ausgebildet sein.
Die Anode 5 ist mit Rohren 7 und 8 verbunden bzw. versehen, durch die Kühlmittel in den Innenraum der Anode 5 und damit zur Kühlung des Targets 6 leitbar ist.
Der Heizfaden 3 besteht aus Wolfram, kann aber auch aus einem anderen geeigneten Material bestehen. Die Anode 5 besteht aus Kupfer oder einem anderen wärmeleitenden Material.
Das Target 6 besteht aus Wolfram, jedoch ist auch anderes Material für andere Anwendungsfälle zweckmäßig, z.B. Kupfer, Molybdän oder Legierungen verschiedener Metalle.
Außerhalb des Gefäßes 1 befindet sich eine Fokussierspule 9 zur Fokussierung eines mit gestrichelten Linien.angedeuteten Elektronenstrahls 10, der bei Heizung des Heizfadens 3 und Anlegen einer hohen Spannung zwischen Kathode 2 und Anode 5 von dem Heizfaden 3 zudem Target 6 fließt. Nebenher Fokussierspule 9 ist zum Target 6 hin außerdem eine Ablenkspule 11 zur Ablenkung des Elektronenstrahls 10 in-zwei senkrecht aufeinanderstehende Richtungen angeordnet. Die Ablenkspule kann z.B. aus einem handelsüblichen Spulenjoch mit zwei für die x- und y-Richtung wirksamen elektronischen Spulen bestehen, wie sie in Oszilloskop- und Fernsehröhren verwendet werden.
Das Gefäß 1 ist im Bereich des Targets 6 mit einer Abschirmung 12 aus Blei oder einem anderen Röntgenstrahlen absorbierenden Material, z.B. Wolfram, versehen. Auf der Unterseite weist die Abschirmung 12 eine Blende 13 mit einer Öffnung 14 auf, die in bezug zu der von dem Target 6 kommenden Röntgenstrahlung einen Öffnungswinkel von weniger als 10° hat.
Damit wird alle nicht genutzte Strahlung, die durch Pfeile 15 angedeutet ist, im wesentlichen zurückgehalten, während die Nutzstrahlung durch die Öffnung 14 nach unten austritt und dort zur Röntgenabbildung von Gegenständen benutzt werden kann.
Mit Hilfe der Ablenkeinheit 11 läßt sich der Ort des Brennflecks auf dem Target 6 einjustieren. Es ist aber auch möglich, an die Ablenkspule der Ablenkeinheit 11 um 900 phasenverschobene Ströme anzulegen und so ein Drehfeld zu schaffen, das den Elektronenstrahl 10 auf einer Kreisbahn ablenkt. Auf diese Weise ist der Brennfleck auf dem Target 6 bewegbar, um so die Kühlung der Targetoberfläche zu verbessern oder um einen polygonal umlaufenden Röntgenstrahl zu erzeugen.
Fig. 2 zeigt das Target 6 der Röntgenröhre-gemäß Fig. 1 vergrößert im Schnitt. Es ist deutlich die gleichmäßige Krümmung einer Oberfläche 16 des Targets 6 erkennbar, auf die der Elektronenstrahl 10 trifft, der einen thermischen Brennfleck auf der Oberfläche 16 definiert. Die Oberfläche liegt im Bereich des Brennflecks senkrecht zu der durch einen Pfeil 17 symbolisierten Richtung des Elektronenstrahls 10. Erfindungsgemäß wird nur die Strahlung ausgenutzt, die innerhalb eines Targetwinkels o( von 100 oder etwas weniger austritt, der zwischen Tangenten 18 und 19 an die Oberfläche 16 einmal im Zentrum des Elektronenstrahls 10 und einmal am Rand davon liegt.
Der Bereich zwischen der Tangente 19 und einer dazu parallelen Linie 20 durch den Berührungspunkt der Tangente 18 an der Oberfläche 16 des Targets 6 bestimmt die Größe des optischen Brennflecks auf der Oberfläche 16.
Der Radius der Krümmung der Oberfläche 16 des Targets 6 ist gleich oder größer als das 2,5-fache des Durchmessers des Elektronenstrahls 10. Im vorliegenden Fall beträgt er etwa das 2,5-fache.
Fig. 3 zeigt ein Target 21 mit einer sphärischen Oberfläche 21, auf die rotationssymmetrisch ein Elektronenstrahl 23 auftrifft. Im wesentlichen in der gleichen Radialebene wie der Brennfleck verläuft eine ringförmige Öffnung 24 einer Blende 25 aus Blei. Die Ränder der Öffnung 24 sind nach Lage und gegenseitigem Abstand durch Tangenten 26 und 27 an die Oberfläche 22 des Targets 21 im Bereich der Ränder des Elektronenstrahls 23 bestimmt. Die aus der Öffnung 24 austretende Röntgenstrahlung erstreckt sich somit in einem Winkelbereich von 3600, so daß Panoramadarstellungen, beispielsweise von Rohren, möglich sind.
Fig. 4 entspricht im wesentlichen der Darstellung gemäß Fig. 2, und gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Unterschied besteht darin, daß ein Target 28 vorgesehen ist, dessen Oberfläche 29 polygonal ausgebildet ist.

Claims

Ansprüche: 1. Röntgenröhre mit Mikrofokus, mit einer Kathode, mit Mittteln zur Erzeugung eines aus der Kathode austretenden Elektronenstrahls, und mit einem Target, auf dessen Oberfläche der Elektronenstrahl in einem thermischen Brennfleck auftrifft, der eine Röntgenstrahlenquelle bildet, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Oberfläche (16) des Targets (6) im Brennfleck im wesentlichen senkrecht zur Richtung des (10) Elektronenstrahls/angeordnet und gleichmäßig oder ungleichmäßig konvex gekrümmt ist.
2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Oberfläche (16) des Targets (6) im Brennfleck nicht mehr als 100 von der Senkrechten auf die Richtung des Elektronenstrahls (10) abweicht.
3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Radius der gleichmäßigen Krümmung der Oberfläche (16) des Targets (6) im Brennfleck wenigstens das 2,5-fache des Durchmessers des Elektronenstrahls (10) beträgt.
4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, d a d u r c-h g .e k e n n -z e i c h n e t, daß der Radius der gleichmäßigen Krümmung der Oberfläche (16) des Targets (6) im Bereich zwischen vo und dem 2,5-fachen des Durchmessers des Elektronenstrahls (.10) liegt.
5. Röntgenröhre nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Oberfläche (16) des Targets (6) zylindrisch gekrümmt ist.
6. Röntgenröhre nach Anspruch 1, d a d u-r c h ge k-e n n -z e i c h n e t, daß die Oberfläche (16) des Targets (6) sphärisch gekrümmt ist.
7. Röntgenröhre nach Anspruch 1; d å dü r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die.ungleichmäßige Krümmung-der Oberfläche (16) des Targets (6) polygonal ist.
8. Röntgenröhre nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k en n -z e i c h n e t, daß eine Blende (25) für die Röntgenstrahlen vorgesehen ist, deren oeffnung (24) in einem Bereich von 0 bis ungefähr 100 zur Oberfläche (22) des Targets (21) im Brennfleck liegt.
9. Röntgenröhre nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Lage und die Größe der Öffnung (24) der Blende (25) so bemessen sind, daß die Tangenten (26, 27) an die Oberfläche (22) des Targets (21) im Brennfleck durch die Öffnung (24) der Blende (25) verlaufen.
10. Röntgenröhre nach Anspruch 1, d a d u r c h. g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Oberfläche (22) des Targets (21) rotationssymmetrisch zur Achse des Elektronenstrahls (10) ist.
11. Röntgenröhre nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß Ablenkmittel (11) zur Ablenkung, insbesonderte zur rotierenden Ablenkung des Elektronenstrahls (10) um die Rotationssymmetrieachse vorgesehen sind.