DE2331642A1

DE2331642A1 - Vorrichtung zum erzeugen von roentgenstrahlen

Info

Publication number: DE2331642A1
Application number: DE2331642A
Authority: DE
Inventors: John P Barbour
Original assignee: Field Emission Corp
Current assignee: Field Emission Corp
Priority date: 1972-06-26
Filing date: 1973-06-22
Publication date: 1974-01-17
Also published as: GB1390575A; US3783288A; FR2191398A1

Description

VORRICHTUNG ZUM ERZEUGEN VON RÖNTGENSTRAHLEN

Die Erfindung betrifft allgemein im Impulsbetrieb arbeitende Feldemissions-Röntgenvorrichtungen und insbesondere solche Vorrichtungen, welche im Hochspannungs-Vakuumlichtbogenbetrieb arbeiten,ohne die Anode zu schmelzen, um die Lebensdauer der Röntgenröhre zu verlängern.

Es sind im Impulsbetrieb arbeitende Vakuum-Lichtbogen-Feldemissionsröntgenröhren bekannt, welche elektrische Impulse hoher Energie in der Größenordnung von 40 J/cm abgeben und die Wolframanode einer solchen Röhre über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzen und eine Verdampfungskühlung der Anode hervorrufen. (US-PS 3 309 523). Die Lebensdauer von Röntgenröhren, die auf diese Weise betrieben werden, ist jedoch sehr begrenzt. Beispielsweise hatte eine derartige mit 300 kV betriebene Röntgenröhre im Versuch eine Lebensdauer von ungefähr 1000 Impulsen im Vakuumlichtbogenbetrieb bei Impulsenergien von 70 J pro Impuls, Zusätzlich ist eine radiographische Röntgenvorrichtung bekannt, welche eine im Impulsbetrieb arbeitende Feldemissions-Röntgen-

bei
röhre verwendet, welcher die Röntgenbestrahlung durch mehrere

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mm *J mm

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kurze Impulse erfolgt. (US-PS 3 256 439). Bei dieser bekannten Vorrichtung wurden elektrische Impulse mit einer relativ niedrigen Spannung und Energie pro Impuls in der Größenordnung von 135 kV und 4 J verwendet, um die Zerstörung der Anode der Röhre zu verhindern. Diese Werte befriedigen nicht bei Röntgenuntersuchungen der Brust, da die begrenzte Energie pro Impuls zu einer nicht erwünschten langen Bestrahlungszeit führt, während gleichzeitig die begrenzte Spannung zu einer zu hohen Absorbtion an Röntgenstrahlen in den Knochen und damit zu unterbelichteten, konstrastarmen Röntgenaufnahmen in verschiedenen Bereichen, insbesondere im Mediastinum führt. Folglich müssen mehrere Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, um die insgesamt erforderliche diagnostische Information zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenvorrichtung zu schaffen, bei welcher die Röntgenröhre eine höhere Lebensdauer hat und kontrastreichere Röntgenaufnahmen hergestellt werden können.

Ausgehend von einer Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mit einer Röntgenröhre, welche eine evakuierte Hülle mit einer Feldemissionskathode und eine Röntgenstrahlen emittierende Anode aufweist und mit einem Hochspannungs·-Impulsgenerator, dessen Ausgang mit der Röntgenröhre verbunden ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Bestrahlungssteuereinrichtung den Impulsgenerator triggert und die Abgabe eines Impulszuges mit einer Vielzahl von elektrischen Impulsen zwischen der Kathode und der Anode zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von Röntgenimpulsen während einer Bestrahlungsperiode bewirkt, deren Dauer durch die Steuereinrichtung bestimmt ist, die elektrischen Impulse die Feldemission der Elektronen von der Kathode und die Bildung eines Vakuumlichtbogens aus verdampftem Kathodenmaterial hervorrufen, so daß die Anode entsprechend jedem elektrischen Impuls mit einer Elektronenentladung mi·- extrem hoher Spannung und mit extrem hohem Strom beaufschlagt ist und einen entsprechenden Röntgenstrahlenimpuis emittiert und die elektrischen Impulse eine Spitzonspannung von wenigstens 250 kV aufweisen und hinreichend schmal sind, so daß die Anode mit

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Elektronenentladungsimpulsen beaufschlagt ist, die jeweils eine Energiedichte unter demjenigen Wert haben, welcher das Schmelzen der Anode hervorruft und die gesamte Anzahl der Impulse je Bestrahlung und die Impulswiederholungsgeschwindigkeit des Impulszuges derart sind, daß die Anode nicht auf eine endgültige Maximaltemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Anodenmateriales am Ende der Bestrahlung s,zeit erhitzt ist.

Es wurde überraschenderweise herausgefunden, daß die Lebensdauer der Röhre und der Kontrast der Radiogramme erhöht werden können, wenn die Impulsspannung vorzugsweise auf einen Wert größer als 250 kV heraufgesetzt und die Energiedichte je Impuls auf einen

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Wert unter 20 J/cm herabgesetzt wird, während die gesamte Anzahl der Impulse je Bestrahlung derart gesteuert wird, daß die Anode nicht über ihren Schmelzpunkt hinaus erhöht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet die Vorrichtung daher mit Impulsen von 350 kV und 1000 A, einer Impulsbreite von 30 ns, einerEnergie pro Impuls von 10,5 J und einer Impulswiederholungsgeschwindigkeit von 1000 Impulsen pro Sekunde. Dabei erhöht sich die Lebensdauer der Röhre auf mehr als 200 000 Impulse^ und es werden insbesondere für Brustuntersuchungen allgemein kontrastund informationsreiche Radipgramme erhalten.

Diese Ergebnisse beruhen teilweise auf der Erkenntnis, daß eine Verminderung des Temperaturanstiegs der Anode erfolgt, wenn eine höhere Impulsspannung verwendet wird. Dieses beruht auf der größeren Eindringtiefe der Elektronen in die Anodenfläche. Die Tendenz zu einer erhöhten Erhitzung aufgrund der höheren Spannung der Elektronen wird mehr als ausgeglichen durch die dickere Oberflächenschicht und das entsprechend größere Volumen des während des Impulses erhitzte Anodenmaterial. Es läßt sich ausrechnen, daß die Eindringtiefe der Elektronen in die Fläche einer Wolframanode bei einem Impuls mit 350 kV viermal so groß ist wie bei einem Impuls mit 135 kV, während die Zunahme der Elektronenenergie bei einem Impuls mit 350 kV nur 2,6-mal so groß ist wie bei einem Impuls mit 135 kV. Folglich ist der maximale Temperaturanstieg der Anode viel kleiner bei einem Impuls mit 350 kV als bei einem Impuls mit 135 kV. Wenn beispielsweise Impulse mit 135 kV und 4 J Energie

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mit einer Impulsbreite von 30 ns verwendet werden, beträgt der maximale Temperaturanstieg der Anode pro Impuls nährungsweise 215O°K im Vergleich zu einem Temperaturanstieg von nur 600°K bei Impulsen mit 350 kV aber im übrigen gleichen Eigenschaften.

Wegen der Herabsetzung des Temperaturanstiegs ist es möglich, die Energie pro Impuls auf 10,5 J bei Impulsen mit 3 50 kV zu erhöhen und dabei nur einen maximalen Anstieg der Anodentemperatur auf etwa 1050°K pro Impuls zu erzeugen, welche Temperatur immer noch niedriger ist als diejenige bei Impulsen mit 135 kV und 4 J. Die maximale Temperatur am Ende einer Bestrahlung mit 50 Impulsen liegt immer noch unter 3000 K oder unter dem Schmelzpunkt von Wolfgram,der 3 640 K beträgt, selbst wenn der Temperaturanstieg aufgrund der Impulse zu der ursprünglichen Raumtemperatur von ungefähr 300⁰K addiert wird, um die endgültige Temperatur der Anode zu bestimmen. Natürlich wird durch die Erhöhung der Energie pro Impuls die Gesamtzahl der Impulse für eine angemessene Bestrahlung herabgesetzt, was äußerst wichtig bei Brust-Radiogrammen ist, um zu verhindern, daß die Bewegung des Herzens und der anderen Organe das Radiogramm "verwischt".

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Fig. 1: schematisch eine Ausführungsform einer im Impulsbetrieb arbeitenden Feldemissions-Röntgenvorrichtung nach der Erfindung mit einer im Querschnitt dargestellten Röntgenröhre;

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Röntgenröhre, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann, wobei Teile ausgeblendet sind, um den inneren Aufbau sichtbar zu machen;

Fig. 3: eine Kurve, aus welcher der maximale Anstieg der Anodentemperatur pro Impuls als Funktion der Impulsspannung hervorgeht, wobei die Impulsenergie und der Zielbereich konstant gehalten sind;

Fig. 4: eine Kurve, aus welcher die pro Impuls erforderliche Energiedichte hervorgeht, um die Temperatur der Oberfläche

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einer Wolframanode auf ihren Schmelzpunkt bei verschiedenen Impulsspannungen anzuheben;

Fig. 5: eine Kurve des Anstieges der Anodentemperatur über der Zeit nach dem Beginn des ersten Impulses bei verschiedenen Impulsspannungen und Impulsenergien und

Fig. 6: eine Kurve, aus welcher die Temperatur der Anodenoberfläche aufgrund einer Vielzähl von Impulsen in einem Bestrahlungsimpulszug hervorgeht, der identische Impulse aufweist wie diejenigen, aus denen die mittlere Kurve in Figur 5 hervorgeht.

Gemäß Fig. 1 weist die Röntgenvorrichtung eine Feldemissions-Röntgenröhre 10 mit einer konischen Anode 12 und einer Feldemissionskathode 14 in der Form mehrerer nadeiförmiger Emissionselemente auf. Die Nadeln 14 sind in vier radial beabstandeten Gruppen auf einem metallischen zylindrischen Träger 16 angeordnet, so daß die Nadeln nach innen zur Anode weisen. Der Träger 16 ist an einem metallischen Kopfstück 18 angeordnet, welches ein Ende der Hülle der Röhre umgibt und an einem rohrförmigen Glashüllenabschnitt 20 durch eine Glas/ Metalldichtung angeordnet und abgedichtet ist, um eine Röntgenröhre mit einer evakuierten Hülle zu schaffen. Ein dünner transparenter Röntgenfensterabschnitt 22 ist in dem Boden des Kopfstückes 18 vorgesehen und mit der Anode 12 derart ausgerichtet, daß die von der Anode emittierten Röntgenstrahlen 24 durch das Fenster hindurchgelangen. Bei der Verwendung als Röntgenvorrichtung werden diese Röntgenstrahlen 24 durch den untersuchten Gegenstand, beispielsweise eine menschliche Brust, hindurchgeschickt, um einen Film in einer Kassette 25 zu belichten. Die Anode 12 der Röntgenröhre ist auf einem Zapfen 26 mit herabgesetztem Durchmesser angeordnet, der an einer Tragstange 28 befestigt ist, die sich durch eine andere Glas/Metalldichtung hindurch erstreckt, die zwischen dem Hüllenabschnitt 20 und einem metallischen Dichtungsglied 30 ausgebildet ist, das an dem anderen Ende der Hülle angeordnet ist, womit die elektrischen Impulse durch die Leitung 32 zu dieser übertragen werden können. Röntgenröhren dieser Art sind beispiels-

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weise in den US-Patenten 3 309 523 und 3 256 439 beschrieben.

Das die Kathode aufnehmende Kopfstück 18 ist mit Masse verbunden, und die Anode 12 ist durch die Leitung 32 mit dem Ausgang eines Hochspannungs-Impulsgebers34 verbunden. Dabei kann es sich um irgendeinen Hochspannungsimpuls-Generator mit Speicherkapazitäten handeln. Bei einem derartigen Impulsgenerator v/erden die Speicherkapazitäten parallel aufgeladen und in Reihe über Funkenstrecken entladen. Dementsprechend ist der Impulsgenerator 34 mit dem Ausgang einer Gleichspannungs-Ladestromquelle 36 mit einer niedrigeren Spannung von etwa 15 kV verbunden. Ein Oszillator 38 zum Erzeugen' von Triggersignalen hat eine durch einen veränderbaren Widerstand 40 einstellbare Wxederholungsfrequenz und ist am Ausgang mit dem Impulsgenerator 34 verbunden, so daß dieser durch Triggerimpulse 41 getriggert wird, welche die erste Funkenentladung hervorrufen. Dieses bewirkt, daß der Impulsgeber Ausgangsimpulse 4 2 mit entsprechend hoher Spannung auf dem Leiter 4 2 mit einer Spitzenspannung von beispielsweise 350 kV und 1000 A Spitzenstrom mit einer Impulsbreite von etwa 30 ns und einer Wiederholungsfrequenz von etwa 1000 Impulsen pro Sekunde abgibt. Diese Wiederholungsfrequenz kann zwischen etwa 500 und 4000 Impulsen pro Sekunde in Abhängigkeit von der Einstellung des Widerstandes 40 verändert werden. Eine Bestrahlungssteuerschaltung 44 mit einem veränderlichen Widerstand 46 mit einem veränderbaren Widerstandswert ist an ihrem Ausgang mit dem Triggeroszillator 38 verbunden, um die Anzahl der Triggerimpulse 41 und die entsprechende Anzahl der Hochspannungs-Ausgangsimpulse 4 2 je Bestrahlung zu steuern. Daher gibt die Steuerschaltung 44 ein Auslösesignal 48 an den Triggeroszillator 38, so daß dieser Trigger impulse erzeugt, und die Dauer des Auslösesignals 48 bestimmt die gesamte Bestrahlungszeit, und diese Dauer wird durch die Einstell· des veränderbaren Widerstandes 4 6 eingestellt.

Gemäß Fig. 2 kann die Röntgenröhre 10 der Vorrichtung nach Fig. 1 durch eine modifizierte Röhre 1O¹ ersetzt werden, die ähnlich aufgebaut aber mit einer anderen Feldemissionskathode 14^f versehen 1st. Die Kathode 14' hat die Form von drei oder mehreren Ringen 50, deren Innenränder 52 als spitz zulaufende Emissionselemente aus-

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gebildet sind, welche die konische Anode 12 umgeben, die sich koaxial durch die Ringe erstreckt. Die Kathodenringe 50 sind in einer geänderten Tragbuchse 16' angeordnet, so daß sie nach innen ragen und längsseitig entlang der Anode voneinander beabstandet sind.

Sowohl die Röhre 10 in Fig. 1 als auch die modifizierte Röhre 10' in Pig. 2 arbeiten im Vakuum-Lichtbogen-Feldemissionsbetrieb, wobei die der Anode zugeführten elektrischen Impulse 42 die Feldemission der Elektronen von den angespitzten Emitterelementen der Kathode hervorrufenI Diese Elektronen werden durch die Hochspannungsimpulse zur Anode hin beschleunigt, wo sie auf die Anodenfläche auftreffen und die Emission der Röntgenstrahlen hervorrufen. Die Anode 12 kann aus Wolfram oder einer Wolfram enthaltenden Legierung sowie aus anderen hitzebeständigen Metallen bestehen, die vorzugsweise Molybdän aufweisen. Die Kathodenemissionselemente können.aus einem ähnlichen Material bestehen. Während des Vakuum-Lichtbogenbetriebes wird ein Teil des Kathodenmateriales verdampft, um positive Ionen aus Kathodenmaterial zu erzeugen, welche die negative Raumladung neutralisieren, die üblicherweise die Kathode umgibt und dadurch den Elektronenentladungsstrom wesentlich erhöht, so daß ein Strom in der Größenordnung von 1000 A während der kurzen Zeitperiode der Impulse 42 fließt. Dieser Feldemissionsbetrieb bei einer Vakuum-Lichtbogenentladung erzeugt einen starken Röntgenimpuls kurzer Dauer bei jedem elektrischen Impuls 42, wie in den vorgenannten US-Patenten beschrieben ist.

Gemäß Fig. 3 geht aus der Kurve 54 für den maximalen Anstieg der Anodentemperatur in K für verschiedene Impulsspannungen in kV hervor, daß bei der Zunahme der Spannung der Anstieg der Anodentemperatur geringer wird. Das ist insofern erstaunlich, als man erwarten würde, daß die Zunahme der Elektronenenergie aufgrund der größeren Impulsspannung eine entsprechende Zunahme der Anodentemperatur hervorrufen würde. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Zunahme der Spannung des Strahles bewirkt, daß die Elektronen durch eine dickere Oberflächenschicht der Anode hindurchdringen und dadurch das wirksame Volumen des Anodenmateriales

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erhöhen, in welchem die Wärmeenergie während jedes Impulses verbraucht wird. Beispielsweise beträgt bei 350 kV die effektive Eindringtiefe der Elektronen in einer Wolframanode ungefähr 17,6 Mikron, während die effektive Eindringtiefe von Elektronen bei 135 kV nur etwa 4,4 Mikron beträgt. Es ist daher ersichtlich, daß die Stärke der Anodenoberflächenschicht, in welcher die Wärme bei einem Elektronenstrahl mit 350 kV abgeleitet wird, viermal so groß ist wie diejenige bei einem Strahl mit 135 kV., während die Zunahme der Elektronenenergie nur 2,6-mal so groß wie diejenige der Elektronen bei 135 kV ist. Es ergibt sich insgesamt eine Abnahme der Anodentemperatur bei zunehmender Impulsspannung und daher eine Abnahme der Temperatur entlang der Kurve 54 bei einer Impulsenergie von

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5 J/cm . Dieses Ergebnis wird an Hand von Fig. 5 erläutert werden.

Fig.· 4 zeigt eine Kurve 56 der Energiedichte in J/cm pro Impuls 'bei verschiedenen Impulsspannungen in kV, die erforderlich sind, . um die Temperatur der Wolframanodenfläche auf ihren Schmelzpunkt anzuheben. Während die in Fig. 4 dargestellten Werte berechnete Werte sind und die tatsächliche Energiedichte wegen der begrenzten Anstiegszeit und Abfallzeit des Impulses geringer ist, ist ersichtlich, daß bei einem Strahl von 150 kV die Energiedichte ungefähr

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5 J/cm beträgt, um die Anode zu schmelzen. Demgegenüber sind bei

einer höheren Spannung von 350 kV ungefähr 18 J/cm erforderlich, um die Anode zu schmelzen. Hierbei ist wiederum die größere zum Schmelzen der Anode erforderliche Energiedichte bei Impulsen höherer Spannung ein Ergebnis der gesteigerten Oberflächendurchdringung der Elektronen, die das effektive Volumen des für die Wärmeabführung während jedes Impulses verfügbaren Anodenmateriales erhöht. Daher nimmt die zum Schmelzen tatsächlich erforderliche Energiedichte mit der Spannung des Strahles zu.

Es wurde herausgefunden, daß Hochspannungsimpulse im Bereich von 250 bis 600 kV und vorzugsweise zwischen 300 und 4 50 kV wesentlich verbesserte Röntgenogramme mit durchgehend besserem Kontrast und einem höheren Informationsgehalt ergeben, insbesondere wenn sie für. Röntgenaufnahmen der menschlichen Brust verwendet werden. Daher durchdringen die bei diesen höheren Spannungen erzeugten Röntgenimpulse die Rückgrats- und Rippenknochen in der Brust,um die hinter

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diesen Knochen angeordneten Organe freizulegen. Dieses ist äußerst vorteilhaft, insbesondere bei der Untersuchung der Lungen, deren äußerer Umfang häufig durch das Röntgenabbild der Rippen im Röntgenbild verdeckt ist. Es sei angemerkt, daß bei extrem hohen Spannungen über 600 kV Röntgenstreuerscheinungen zu einem Problem werden, das nicht durch herkömmliche Blenden-Kollimatoren gelöst werden kann. Herkömmliche Röntgengeräte für Brustuntersuchungen sind bei ungefähr 150 kV verwendet worden und wegen des geringen Kontrastes mußten mehrere Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Winkeln vorgenommen werden, um die gleiche Information zu erhalten, welche in einem einzigen Röntgenbild enthalten ist, das durch eine Bestrahlung mit mehreren Impulsen hoher Spannung, beispielsweise bei 350 kV in der neuartigen Weise erhalten wurde.

Wenn, eine Feldemissions-Röntgenröhre im Vakuumbogenbetrieb impulsform! g bei dieser hohen Spannung vony35Ö kV und dem hohen Strom von etwa 1000 A betrieben wird, ist die Lebensdauer der Röhre üblicherweise wegen des Schnelzens der Anode sehr begrenzt. Daher betrug bei einer von der Anmelderin hergestellten Röntgenröhre deren Lebensdauer nur etwa 50 Impulse. Dieses Problem wurde nunmehr bei der neuartigen Röntgenvorrichtung gelöst, indem die Energie pro Impuls herabgesetzt und die Anzahl der Impulse je Bestrahlung heraufgesetzt wurde. Es stellte sich heraus, daß bei Spannungen von

mehr als 250 kV die Energiedichte pro Impuls weniger als' 20 J/cm

betragen sollte. Vorzugsweise beträgt sie etwa 8 J/cm oder weniger bei 350 kV bei einer typischen Bestrahlung mit 15 oder mehr Impulsen. Auch sollten die Impulse eine Impulsbreite von weniger als 100 ns, vorzugsweise etwa 30 ns und eine Impulswiederholungsfrequenz von mehr als 500 Impulse pro Sekunde oder vorzugsweise 1000 Impulse .pro Sekunde haben, um eine zufriedenstellende Bestrahlungszeit und Gesamtenergie pro Bestrahlung ohne Schmelzen der Anode zu erreichen. Daher muß bei Brust-Röntgenuntersuchungen die Bestrahlungszeit weniger als 1/50 einer Sekunde sein, um ein Verschwimmen des Bildes in dem Röntgenbild zu vermeiden, welches vor allem auf Bewegungen des Herzens und der Lunge zurückgeht. Für eine übliche Lungen-Röntgenaufnahme reicht ein Impulszug von ungefähr 20 Impulsen mit den bevorzugten Werten aus für. eine geeignete Bestrahlung von etwa 20 mrad für einen Patienten mit 180 cm Größe von der Röntgen-

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quelle, wenn die Kassette 25 einen entsprechenden Film und zwei fluoreszierende Verstärkungsschirme auf beiden Seiten des Filmes aufweist.

Gemäß Fig. 5 zeigt eine Kurve 58 den Anstieg der Anodentemperatur in ⁰K über der Zeit nach dem Beginn des ersten Impulses für Impulse mit 135 kV. Der Temperaturanstieg hat einen Maximalwert von 215O°K beim Spitzenwert 60 entsprechend dem Ende des ersten Impulses. Nachdem der Impuls aufhört, nimmt der Temperaturanstieg allmählich durch die Wärmediffusion in das Anodenmaterial unter der beaufschlagten Schicht auf eine Gleichgewichtstemperatur von etwa 22°K ab. Diese Kurve 58 entspricht Impulsen mit 135 kV und 4 J Energie bei einer Impulsbreite von 30 ns und einem effektiven Anodenbereich

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von 1 cm . Eine zweite Kurve 62 für den Anstieg der Anodentemperatur

. über der Zeit bei einem Impuls von 350 kV der gleichen Energie und mit"anderen Eigenschaften zeigt einen Temperaturanstieg auf einen Wert 64 am Ende des ersten Impulses von nur etwa 600⁰K. Daher liegt der maximale Temperaturanstieg für einen Impuls von 35O kV über 1500 K unter demjenigen, der durch einen Impuls von 135 kV hervorgerufen wird. Hieraus ergibt sich deutlich die Verminderung des Anstiegs der Anodentemperatur aufgrund der erhöhten Impulsspannung, auf welche in Fig. 3 Bezug genommen wurde. Die Kurve 62 folgt nach einer Zeit von 10 s ziemlich genau der Kurve 58, da die gesamte Energie für die beiden einander entsprechenden Impulse die gleiche ist. Durch die Erhöhung der Impulsenergie auf 10,5 J bei 35OkV ergibt sich jedoch eine dritte Kurve 66 mit einem Spitzentemperatur anstieg 68 am Ende des ersten Impulses von etwa 1O5O°K. Dieser Spitzentemperaturanstieg 68 bei 3 50 kV und einer Energie von 1O,5J pro Impuls ist noch sehr viel geringer als die Spitzentemperatur der Kurve 58 für 135 kV, obgleich die dritte Kurve 64 einem Impuls von mehr als der zweifachen Energie entspricht. Im Ergebnis ist es aufgrund der Verminderung der Temperatur möglich, die Energie de Impulses mit 35O kV wesentlich zu steigern, ohne ein Schmelzen de Anode hervorzurufen, wodurch die Anzahl der für die gesamte Bestrahlungsenergie erforderlichen Impulse herabgesetzt wird.

Wenn gemäß Fig. 6 eine Vielzahl von Impulsen mit 35O JcV und 1O,5 ^ entsprechend der Kurve 66 in Fig. 5 der Röntgenröhre mit einer

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Frequenz von 1000 Impulsenpro Sekunde als Teil eines Impulszuges zugeführt werden, steigt die Temperatur der Anodenfläche bei jedem Impuls aufgrund der Tatsache, daß die Anode eine höhere Temperatur hat und sich nicht auf ihre Anfangstemperatur am Beginn jedes nachfolgenden Impulses abkühlt. Wenn daher eine Vielzahl von Impulsen mit 350 kV und 10,5 J und einer Frequenz von 1000 Impulsen pro Sekunde der Röntgenröhre zugeführt werden, wird die Anode progressiv entsprechend der Temperaturkurve 70 für die minimale Anodentemperatur nach Maßgabe des übrigen Temperaturanstiegs der Hülle am Ende jedes Impulses und entsprechend der Temperaturkurve 72 für die maximale Anodentemperatur nach Maßgabe der Hüllkurve der Spitzentemperatur 68 jedes Impulses erhitzt. Die vertikale Achse der Kurve gemäß Fig. 6 gibt die Gesamttemperatur in K an, während die vertikale Achse der Kurve in Fig. 5 den Temperaturanstieg oder die Änderung der Temperatur pro Impuls in ⁰K angibt. Daher beginnt die Hüllkurve 70 für die minimale Anodentemperatur gemäß Fig. 6 bei Raumtemperatur, welche etwa 300⁰K beträgt, und die Hüllkurve 72 für die maximale Anodentemperatur beginnt bei 1050⁰K plus 300⁰K oder 135O°K.

Bezüglich Fig. 6 ist wichtig, daß die Kurve 70 für die maximale Temperatur den Schmelzpunkt 74 der Wolframanode mit 3640 K erst nach 110 ms überschreitet. Daher beträgt bei Impulsen mit 350 kV und 10,5 J entsprechend den Temperaturkurven 66 die maximale Bestrahluhgszeit ohne Schmelzen der Anode 110 ms, was 110 Impulsen und einer Frequenz von 1000 Impulsen pro Sekunde entspricht. Gemäß Fig. 5 tritt auf der logarithmischen Zeitskala bei dieser Frequenz der zweite durch den Pfeil 76 angegebene Impuls 1 ms nach dem ersten Impuls am Punkt 78 der Temperaturkurve 66 auf, welche einem Temperaturanstieg von etwa 60 K entspricht. Daher ergibt sich ein minimaler Anstieg der Anodentemperatur längs der Kurve 70 von ungefähr 60°K pro Impuls und ein entsprechender Anstieg in einer Maximaltemperaturkurve 7 2 mit einem ähnlichen

nur Betrag pro Impuls. Natürlich handelt es sich um eine Nahrung, da beim Auftreten des fünften Impulses gemäß dem Pfeil 80 die Temperaturkurve 56 des ersten Impulses auf einen Punkt 82 von etwa 24 K abgenommen hat. Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß das

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Anodenschmelzen und damit die Herabsetzung der Lebensdauer der Röhre vermieden v/erden kann, wenn die gesamte Anzahl der Impulse pro Bestrahlung und die Impulsfrequenz derart gewählt werden, daß die Kurve 72 für die maximale Anodentemperatur den Schmelzpunkt 74 der Anode nicht vor der Beendigung der Bestrahlung kreuzt. Bei den meisten Brust-Röntgenaufnahmen werden 50 Impulse oder weniger verwendet, so daß dieses nicht auftreten kann, wenn Impulse mit 3 50 kV und 10,5 J und einer Frequenz von 1000 Impulsen pro Sekunde und einer Impulsbreite von 30 ns gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung - verwendet werden.

Es sei angemerkt, daß die Röhrenanode, bei welcher die Temperatur-

2 kurve 66 berechnet war, einen wirksamen Bereich von 1,8 cm hat, der einem konischen Zielbereich mit einem maximalen Durchmesser des Basisgliedes von 5 mm und einem Halbwinkel des Kegels von 7 entspricht, der zwischen der Achse und der Seitenfläche des Kegels gemessen wird. Dieses ergibt eine kleine Röntgenquelle mit einem effektiven Durchmesser von ungefähr 3 mm, was für Röntgenbilder mit einem guten Auflösungsvermögen bei kleinen Gegenständen wichtig ist.

Während die Erfindung insbesondere in Verbindung mit medizinischen Anwendungen, beispielsweise Röntgenbildern der menschlichen Brust mit einer Vielzahl von Röntgenimpulsen hoher Stärke und kurzer Dauer beschrieben wurde, sind Röntgenimpulse hoher Intensität auch insbesondere vorteilhaft verwendbar bei schnell laufenden Röntgenkameras, welche entweder über in Perforationen eingreifende Stifte angetrieben werden und einen Bildverstärker aufweisen, wobei die Impulse mit dem Kameraverschluß synchronisiert öind, oder welche eine schnell, laufende Filmtrommel aufweisen. Die einzelnen Röntgenimpulse haben vorzugsweise eine Breite von weniger als 5O ns, so daß das System hervorragende Zeitraffereigenschaften bei schnell verlaufenden Ereignissen aufweist. Pulsfrequenzen bis zu 1000 Bildern pro Sekunde ergeben ausgezeichnete Zeitlupenaufnahmen. Hierdurch können Unfallfolgen, Raketenmotoren, Schwingimgen, schnell bewegliche innere Teile und dgl. untersucht werden.

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Claims

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Case FEMCOR 1 '■

Field Emission Corporation 20. Juni 1973

Patentansprüche

orrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mit einer Röntgenröhre, welche eine evakuierte Hülle mit einer Feldemissionskathode und eine Röntgenstrahlen emittierende Anode aufweist und mit einemHoehspannungs-Impulsgenerator, dessen Ausgang mit der Röntgenröhre verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Bestrahlungssteuereinrichtung den Impulsgenerator triggert und die Abgabe eines Impulszuges mit einer Vielzahl von elektrischen Impulsen zwischen der Kathode und der Anode zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von Röntgenimpulsen während einer Bestrahlung speriode bewirkt, deren Dauer durch die Steuereinrichtung bestimmt ist, die elektrischen. Impulse die Feldemission der Elektronen von der Kathode und die Bildung eines Vakuumlichtbogens aus verdampftem Kathodenmaterial hervorrufen, .so daß die Anode entsprechend jedem elektrischen Impuls mit einer Elektronenentladung mit extrem hoher Spannung und extrem hohem Strom beaufschlagt ist, und einen entsprechenden Rontgenstrahlenimpuls emittiert und die elektrischen Impulse eine Spitzenspannung von mindestens 250 kV aufweisen und hinreichend schmal sind, so daß die Anode mit Elektronenentladungsimpulseh beaufschlagt ist, die jeweils eine Energiedichte unter demjenigen Wert haben, welcher das Schmelzen der Anode hervorruft, und die gesamte Anzahl der Impulse je Bestrahlung und die Impulswiederholungsgeschwindigkeit des Impulszuges darart sind, daß die Anode nicht auf eine endgültige Maximaltemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Anodenmaterials am Ende der Bestrahlungszeit erhitzt ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die elektrischen Impulse eine Spitzenspannung zwischen 250 und 600 kV haben und die Elektronenentladungsimpulse auf die Anode mit einer Ener-

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giedichte unter 20 Joule/cm haben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Energiedichte zwischen 5 und 15 J/cm² liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß' die Impulsfrequenz wenigstens 500 Impulse pro Sekunde und die Impulsbreite weniger als 200 ns betragen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η . -.-zeichnet , daß die Anode aus Wolfram besteht, die Spitzenspannung zwisehen 300 und 4 50 kV liegt, der Spitzenstrom 1000 A oder mehr beträgt, die Energiedichte der auf die Anode auftreffenden Elektronenentladungsimpulse

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15 J/cm oder weniger ist und die Impulsbreite weniger als 50 ns beträgt.

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