DE3221824A1 - Kathoden-vielfachpolarisationsvorrichtung fuer roentgenroehren und mit einer solchen vorrichtung ausgeruestete strahlenquelle - Google Patents

Description

PRINZ, BUNKS. &.-PA-RT.N.&B

Patentanwälte · ! Eurb^eäri Ralonä 'Aätosneys 3 2 2 1 8 2 A

München Stuttgart

9. Juni 1982

THOMSON - CSF

173, Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 3515

Kathoden-Vielfachpolarisationsvorrichtung für Röntgenröhren und mit einer solchen Vorrichtung ausgerüstete Strahlenquelle

Die Erfindung betrifft eine Kathoden-Vielfach.polarlsationsvorrichtung für Röntgenröhren sowie eine mit dieser Vorrichtung ausgerüstete Strahlenquelle. Ein besonderes Anwendungsgebiet dieser Vorrichtung ist die Radiologie, besonders bei Röhren mit Vielfachbrennfleck. Durch die Erfindung wird eine bedeutende Verminderung der Anzahl von Leitern in dem Hochspannungskabel für die Zuführung der Hochspannungen zu der Hülle sowie eine größere Anwendungsflexibilität der Strahlenquellen erreicht.
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Es hat sich gezeigt, daß die Qualität von radiologischen Bildern sowohl bei der herkömmlichen Abbildung als auch bei der computergestützten Abbildung zu einem großen Teil von der Form und den Abmessungen des die Strahlung aussendenden Brennflecks abhängt.

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Eine bekannte Röhre enthält zwei Heizdrähte, die selektiv geschaltet werden, um je nach Polarisation einen kleinen oder einen großen Brennfleck zu bilden.

In der Radiologie ist es häufig erforderlich, über mehrere Abmessungen zu verfügen. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, die Kathode mit focussierenden Elektroden zu versehen, die auf dem Kathodenpotential liegen. Es wurde auch vorgeschlagen, die Länge des Heizdrahtes mechanisch einzustellen. Ferner wurde bereits vorgeschlagen, senkrecht zur Achse des Heizdrahtes und auf beiden Seiten desselben zwei Konzentrierteile anzuordnen, die elektrisch von der Haube isoliert und auf ein Potential gebracht sind, das in Abhängigkeit von der gewünschten Länge einstellbar ist. In Verbindung hiermit wurde ferner auch bereits vorgeschlagen, zwei Heizdrähte mit einem gemeinsamen, mittleren Polarisationsanschluß vorzusehen.

Die eine Maßnahme wird mit der anderen vereinigt, um die Länge des Brennfleckes stufenweise zu verändern, wodurch z.B. die Variation der Konzentrationsspannung der beiden vorstehend genannten Teile eingeschränkt wird.

Die Polarisierung dieser verschiedenen Hilfselemente erfolgt über ein mehradriges Kabel aus einem Hochspannungsgenerator, der oft mehrere Meter von der Strahlenquelle entfernt ist. Dies ist in doppelter Hinsicht nachteilig. Zum einen ist ein mehradriges Kabel umso teurer, je mehr Adern es aufweist, und bei den gängigen Anlagen ist diese Anzahl begrenzt. Zum anderen wird durch die Länge und die Anzahl von Leitern in einem Kabel der reaktive Teil der Kabelimpedanz vergrößert. Dies führt zu nicht vernachlässigbaren Übertragungszeiten von Impulsen, wenn eine Röhre ' mit hohen Frequenzen gesteuert werden soll, wie dies bei der Röntgenkinematographie oder bei der Tomodensitometrie geschieht. Zum anderen verursachen die Streukapazitäten beim Einschalten der Spannung plötzliche Polarisations^· spannungsabsenkungen, d.h. einen Verlust der Dimensions-

Steuerung der Brennflecke.

Durch die Erfindung werden diese Mängel behoben.

Die erfindungsgemäße Strahlenquelle ist an den Hochspannungsgenerator über ein Kbel angeschlossen, wobei die Polarisierung der Konzentrationsteile durch die Polarisationsvorrichtung gewährleistet wird, die sich im Inneren der Hülle befindet, in der die Röntgenröhre enthalten ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie einen Polarisationsblock ermöglicht, durch den die Impedanz der Röhre an diejenige des Hochspannungsgenerators angepaßt wird.

Die erfindungsgemäße Polarisationsvorrichtung für eine Röntgenröhre enthält einen Polarisationsblock, der von der Röhre selbst getragen wird und aktive Bauelemente zum Trans formieren der Spannungen enthält, die von dem radiologisehen Generator erzeugt wird.

Weitere Vortiele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Kathode mit zwei Heizdrähten;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Rötgenröhre mit einer erfindungsgemäßen Kathoden-Vielfachpolarisa-'-tionsvorrichtung vor dem Anschließen an die Röhre; und

Fig. 3 ein vollständiges Schaltbild einer erfindungsgemässen radiologischen Anlage.

In den Figuren 1 und 2 sind die verschiedenen Teile einer rl

Röntgenröhre gezeigt, die für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind.

Im unteren Teil der Figur 2 ist die Röntgenröhre 50 gezeigt, die im Inneren einer Glashülle 51 folgende Elemente enthält:

- eine rotierende Anode 52,

^O ~ einen Rotor 53 eines Elektromotors zum Antreiben der Anode 52 mit einer Drehbewegung,

- eine Kathode 54, die ein Elektronenbündel 55 erzeugt, welches den geneigten Teil der Anodenplatte 52 bombardiert.

Ein Rötgenstrahlenbündel 56 wird von einem Brennfleck emittiert, der der Zone entspricht, die durch den Elektronenstrahl 55 bombardiert wird. Schließlich trägt ein Kathodenfuß 57 die Kathode 54 sowie eine Reihe von 7 Anschlußleitern 22 - 28 zur Versorgung der Kathode 54.

Figur 1 zeigt die Kathode 54 in Draufsicht. Die Konzentrierteile 1 und 2 , die durch ein Isoliermaterial 3 elektrisch voneinander isoliert sind, befinden sich neben den emittierenden Heizdrähten 4 und 5. Diese sind mechanisch an den Konzentrierteilen 1 und 2 durch isolierende Halterungen 6, 60 bzw. 7, 70 gehalten.

Die seitlichen Konzentrierplatten 8, 80 sowie 9, 90 sind ihrerseits mechanisch an den Konzentrierteilen 1 und 2 durch isolierende Halterungen 10, 100 sowie 11, 110 befestigt.

Die bekannten Röhren erhalten aus einem Polarisationsgenerator, der von einem Hochspannungsgenerator gespeist wird, eine große Anzahl von Spannungen über ein mehradri·^· ges Kabel, da diese Generatoren weit entfernt von der

Strahlenquelle angeordnet sind. Dies ist in doppelter Hinsicht nachteilig. Zum einen ist ein Hochspannungskabel umso teurer, je mehr Leiter es enthält, und die Anzahl ist bei gängigen Einrichtungen auf vier Leiter beschränkt. Zum anderen verursachen die Streukapazitäten beim Anlegen der Hochspannung kurzzeitige Effekte, die in unvorhersehbarer Weise zu plötzlichen Spannungsabsenkungen und folglich zu einem Verlust an Beherrschbarkeit der Brennfleckgröße führen. Diese Effekte sind umso ausgeprägter, je höher die Frequenz ist, mit der die Röhre arbeitet, z.B. bei der Röntgenkinematographie.

Es handelt sich insbesondere um die folgenden Spannungen:

- die Heizspannung für die Heizdrähte 4 und 5, die drei Spannungen benötigen, da sie einen gemeinsamen Punkt aufweisen;

- die laterale und longitudinale Konzentration jedes Bündels, wozu zwei getrennte Spannungen erforderlich sind; für zwei Bündel sind folglich vier getrennte Spannungen erforderlich.

Durch die Erfindung wird es ermöglicht, der Röhre 50 diese sieben Spannungen über die in Figur 2 gezeigte Polarisationsvorrichtung 29 zuzuführen, die an den Polarisationsgenerator lediglich über ein übliches vieradriges Hoch'-spannungskabel angeschlossen ist. Diese Vorrichtung ist sehr vorteilhaft und kostengünstig. Sie umfaßt nur vier aktive Polarisierelemente 41 - 44, einen Kondensator 45, eine Halbleiterdiode 46, vier Eingangsanschlüsse 310-340 und sieben Ausgangsanschlüsse 220 - 280, die dazu bestimmt sind, auf die Anschlüsse 22 - 28 des Kathodenfußes 57 der Röntgenröhre 50 passen. Diese verschiedenen Bauteile sind auf einer gedruckten Schaltung aufgebaut, die dazu bestimmt ist, an der Röhre über die sieben erwähnten Anschlüsse befestigt zu werden.

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Figur 3 zeigt schematisch eine radiologische Anlage, deren Hauptelemente die folgenden sind:

- der Hochspannungsgenerator 39;

- der Polarisationsgenerator 36;

- die Rötgenröhre 50;

~ äie erfindungsgemäße Vorrichtung 29; und

- die Schutzhülle 13 sowie die Hochspannungsverbindungskabel 35, 40 und 41.

Die Rötgenröhre 50 enthält eine rotierende (oder feststehende) Anode 52, eine Kathode, deren Arbeitsweise anhand von Figur 1 erläutert wurde und deren Bestandteile zwei Heizdrähte 4 und 5 sowie 'zwei Konzentrierteile 1 und 2 und zwei seitliche Konzentrierplatten 8, 80 sowie 9, 90 sind.

Die vakuumdichten sieben Kathodenherausführungen 22 ■>- 28 sind mit einer gedruckten Schaltung 29 verbunden, die von der Röntgenröhre 50 getragen wird, von der die Anschlüsse der gedruckten Schaltung 29 ausgehen, wobei der negative Hochspannungssockel 30 vier Stifte umfaßt und fest mit der Schutzhülle 13 verbunden ist.

Das Kabel 35 für die Zuführung der negativen Hochspannungen weist nur vier Drähte 31, 32, 33 und 34 auf; es ist an den Polarisationsgenerator 36 angeschlossen, der eine einzige negative Polarisationsspannung über die Leitung abgibt, wobei die andere, positive Polarität an den gemeinsamen Heizungsleiter 32 angelegt ist. Ein Kontakt 37, (j_er durch ein gegen die Hochspannung isoliertes Relais 38 gesteuert wird, ermöglicht das Kurzschließen der Polarisationsspannung, um die Drähte 32 und 34 auf dasselbe Potential zu legen.

Dieser Polarisationsgenerator 36 ist mit dem negativen Pol des eine Gleichspannung abgebenden Hochspannungsgenerators 39 über ein Hochspannungskabel 40 verbunden, das drei Leiter umfaßt und den Stromkreis der Heizdrähte schließt. Der positive Pol des Hochspannungsgenerators 39 ist mit der Hülle 13 über ein Hochspannungskabel 41 verbunden.

Die folgende Beschreibung dient der Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach der Erfindung, welche die bereits erwähnten Vorteile aufweist, nämlich:

1. die Verwendung eines normalen Hochspannungskabels;

2. eine wirksame Steuerung der Fokussierspannungen von Röhren mit Vielfachbrennfleck.

Die gedruckte Schaltung 29 trägt eine Reihe von Spannungsbegrenzerelementen 41 - 44, die auch als Varistoren bezeichnet werden und hier die Funktion eines Spannungsteilers erfüllen. Die gesamte Polarisationsspannung wird an diese Reihe von Bauelementen angelegt, wobei diese Reihe für einen gegebenen Schwellwert von einem geringen Strom in der Größenordnung von einigen Mikroampere durchflossen wird.

Hieraus resultiert an den Anschlüssen jedes dieser Bauteile eine feste Spannung, die von ihren Kenndaten abhängt, wobei diese Spannungen an die verschiedenen Fokussierelektroden angelegt sind, aus denen die Kathode der Röntgenröhre gebildet ist.

Um Effekte auszuschalten, die auf den Streukapazitäten des Kabels 35 beruhen, ist es erforderlich, den aus den Elementen 41 - 44 gebildeten Spannungsteiler durch eine Vorrichtung zu ergänzen, die kurzzeitig auftretende Störspit*- zen unterdrückt.

Auf der gedruckten Schaltung 29 sind ein Kondensator 45

-Μ ι sowie eine Diode 46 angeordnet. Im statischen Zustand (ohne Hochspannung) lädt die Polarisationsquelle des Generators 36 den Kondensator 45 auf die maximale Spannung auf. Beim Anlegen der Hochspannung verursachen die verteilten Störkapazitäten des Hochspannungskabels 35 ein plötzliches Absinken der Polarisationsspannung (Streu- - Kurzschlußstrom an den Punkten 320 und 340) , die Diode 46 verhindert jedoch die Entladung des Kondensators 45. Die Polarisationsspannung bleibt an den Fokussierelektroden erhalten, da einerseits die Belastung durch die Varistorreihe gering ist und andererseits der durch Streuimpedanzen verursachte Störeffekt von kurzer Dauer ist.

Bei der Rückkehr in den statischen Zustand (ohne Hochspannung) vervollständigt die Polarisationsquelle die Ladung des Kondensators 45. Durch die erfindungsgemäße Anordnung sind auch die kürzesten Bestrahlungszyklen möglich, die in der Rontgenkinematographie angewendet werden.

Die Erfindung ist auch auf anderen technischen Gebieten anwendbar, bei denen eine Verringerung der Anzahl von SpannungsZuführungen erforderlich ist. Ausgehend von zwei Spannungen, nämlich einer niedrigen und einer hohen Spannung, ermöglicht die Erfindung, praktisch verlustfrei über einen Spannungsteiler aus η Varistoren eine Anzahl von η Spannungen mit Zwischenwerten zu erzeugen. Ladungsverluste beim Einschalten der Spannung werden wirksam durch das Dioden/Kondensator-Paar ausgeglichen.

Die Varistoren (bzw. spannungsabhängigen Widerstände) kön nen vom Metall-Oxid-Halbleiter-Typ (MOS) sein. Diese Elemente weisen eine Strom/Spannungs-Charakteristik auf, die viel schneller ist als bei herkömmlichen Varistoren aus Siliziumkarbid. Bei einer von Null verschiedenen Spannung sind die Charakteristiken gebietsweise vergleichbar und können durch eine Exponentialfunktion angenähert werden, deren Exponent bei SiC-Varistoren ungefähr gleich 8-9 und bei MOS-Varistoren größer als 30 ist. Der geringe

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Stromverbrauch der MOS-Varistoren wird dadurch gewährleistet, daß der Spannungsknick im Bereich von 50 - 100 Mikroampere auftritt, woraufhin sich die Spannung in Abhängigkeit von der Stromstärke sehr wenig ändert. Sobald in dem Varistor ein Strom fließt, steht an seinen Anschlüssen

eine Spannung an. Die sehr kurze Ansprechzeit, die für Anwendungen mit Frequenzen, die bei der Röntgenkinenatographie auftreten, sehr günstig ist, wird durch den sehr geringen Stromverbrauch gewährleistet. 10

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Claims (8)

1. PRINZ, BUNKE &-PARTNE,R

   Patentanwälte - European" -PathnC Ättbrnoys:

   München Stuttgart

   9. Juni 1982

   THOMSON - CSF

   173, Bd. Haussmann

   75008 PARIS / Frankreich

   Unser Zeichen: T 3515

   P a t e η t a η s ρ r ü c h e

   /y. Kathoden-Vielfachpolarisationsvorrichtung für Rötgenröhren, wobei die Rötgenröhre (50) in einer Schutzhülle (13.) enthalten ist und in einer vakuumdichten Hülle (51) folgende Elemente enthält:
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   - eine Anode (52),

   - eine Kathode (54), die Heizdrähte (4, 5) und Konzentrierteile (1, 2, 8, 80, 9, 90) trägt,

   - einen Kathodenfuß (57J , der die Polarisieranschlüsse (22 - 28) und die Anschlüsse für die Zuführung von Spannung zu den verschiedenen Kathodenelementen trägt,

   gekennzeichnet durch eine gedruckte Schaltung (29), die in die Hülle (13) eingesetzt und elektrisch mit den Polarisationsanschlüssen (22 - 28) über eine gleiche Anzahl von Ausgangsanschlüssen (220 '-. 280) verbunden ist, welche von der gedruckten Schaltung (29) gespeist werden,

   '2.0 die Eingangsanschlüsse (310 - 340) aufweist, deren Anzahl

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   geringer ist als die Anzahl von Ausgangsanschlüssen

   (220 - 280), und die an ein Hochspannungskabel (35) grosser Länge angeschlossen sind, und dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang der gedruckten Schaltung (29) abgegebenen Spannungen teilweise direkt von den Eingangsanschlüssen (310 - 340) abgegeben werden und im übrigen durch einen Spannungsteiler (41 - 44) erzeugt werden, der zwischen zwei Eingangsspannungen (310 - 340) liegt.
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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Röhre (50) mehrere Heizdrähte umfaßt, die einen gemeinsamen Anschluß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Spannungen, zwischen denen der Spannungsteiler (41 - 44) liegt, die Versorgungsspannung des gemeinsamen Anschlusses (23) der Heizdrähte (4,5) und die der Röhre (50) zugeführte Hochspannung (34) sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochspannungskabel (35) vier Leiter aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (35) eine Außenhülle aufweist, die zwischen das Bezugspotential eines Polarisationsgenerators

   (36) und die Schutzhülle (13) der Röhre (50) gelegt ist. '
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen der gedruckten Schaltung (29), die von dem Spannungsteiler

   (41-44) erzeugt werden, die Polarisationsspannungen der Kathoden-Konzentrierelemente (1, 2, 8, 80, 9, 90) des von den Heizdrähten ausgesandten Elektronenbündels sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (41 - 45) Varistoren umfaßt, die in Reihe zwischen die beiden abgenommenen Spannungen gelegt sind, und daß die Aus-

   gangsSpannungen, die von diesem Spannungsteiler erzeugt werden, zwischen jeweils zwei Varistoren abgegriffen werden.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (41 - 44) mit einer Anordnung (45, 46) zusammenwirkt, die kurzzeitige Störspitzen unterdrückt.

   XO
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die. Vorrichtung (45, 46) zur Unterdrückung von Störspitzen parallel zu dem Spannungsteiler (41, 44) gelegt ist.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Unterdrückung von Störspitzen eine Diode (46) umfaßt, die beim Anliegen der Hochspannung die Entladung eines Kondensators (45) verhindert, der zuvor durch den Polarisationsgenerator (36) aufgeladen wurde und zu der Diode (36) parallel liegt.

   10. Strahlenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Hülle (13) eine Röntgenröhre (50) umfaßt, die mit einer Kathoden-Vielfachpolarisationsvorrichtung (29) nach einem der vorstehenden Ansprüche versehen ist und aus größerer Entfernung über ein Hochspannungskabel (35) polarisiert wird, das die. Röhre mit einem Polarisationsgenerator (36) verbindet, der von dem negativen Anschluß (40) eines Hochspannungsgenerators (39) gespeist wird, dessen anderer, positiver Anschluß (41) mit der Anode (52) der Röhre (50) verbunden ist.