FOKUSSIERVORRICHTUNG FüR ELEKTRONENSTRAHL MIT SPULENWINDUNG, FERROMAGNETISCHEM KERN UND PERMANENTMAGNET

Die Erfindung betrifft eine Fokussiervorrichtung sowie eine Röntgenröhre mit einer 5 solchen Fokussiervorrichtung und einen Computertomographen mit einer solchen Röntgenröhre. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bündeln von Elektronenstrahlen mit einer solchen Fokussiervorrichtung.

Röntgenstrahlen können dazu verwendet werden, Objekte zu durchleuchten und das 10 entstehende Abbild genauer zu untersuchen. Eine besonders effiziente Durchleuchtung und Untersuchung lässt sich mit einem Computertomographen erreichen. Damit erstellte Aufnahmen bieten im Vergleich zu konventionellen Röntgenaufnahmen den Vorteil, dass kein überlappen von Bildmerkmalen auftritt und das Objekt in einzelnen Querschnittsschichten betrachtet und ausgewertet werden kann. Eine Auswertemöglichkeit 15 ist das Vermessen von durchstrahlten Objekten. Die Messunsicherheit ist umso kleiner, je schärfer sich ein Röntgenstrahlen emittierender Ort als Punktquelle („Brennfleck") ausbilden lässt. Dies kann unter anderem dadurch erreicht werden, indem Elektronenstrahlen auf ein Target fokussiert werden. Eine solche Fokussierung geschieht üblicherweise mittels mindestens einer Kupferspule, welche einen Reineisenkern mit 20 Luftspalt aufweist. In Abhängigkeit von der Geometrie von Polschuhen des Reineisenkerns und einer Stromstärke durch die Spulenwicklungen kann die Brennweite des Elektronenstrahls bestimmt werden.

Während der Fokussierung eines Elektronenstrahls in einer Röntgenröhre ist es jedoch 25 unvermeidbar, dass sich aufgrund des in den Spulenwicklungen fließenden elektrischen Stromes und der damit erzeugten Verlustleistung eine derartige Spule sowie das umgebende Gehäuse erwärmen. Dies führt dazu, dass sich die Geometrie der Röntgenröhre ändert. Da für das Erstellen von Bildaufnahmen eines Objektes mittels Computertomographie mehrere Minuten bis eine halbe Stunde erforderlich sein können, 30 werden im Hinblick auf ein Temperaturgleichgewicht und eine unveränderte Geometrie der Röntgenröhre hohe Anforderungen gestellt. ändert sich in dieser Zeit die Position des Brennfleckes relativ zur Ausrichtung zwischen Objekt und Detektor eines Computertomographen, welches zum einen durch ein „Wandern" des Brennfleckes auf

dem Target, zum anderen durch die Verformung der gesamten Röhrenaufspannung erfolgt, nimmt die Messunsicherheit bei der Auswertung der Computertomographie-Aufnahmen signifikant zu.

Wird die Beschleunigungsspannung der Elektronenquelle geändert, muss das Magnetfeld über die Anpassung des die Spule der Fokussiervorrichtung durchfließenden Stromes geändert werden. Dies führt aufgrund des ohmschen Widerstandes der Spule zu einer sich ändernden Verlustleistung in der Fokussiereinheit, die zu einer Erwärmung führt, welches ebenfalls mit einer Geometrieänderung der Röntgenröhre einhergeht. Ein zuverlässiges und langzeitstabiles Vermessen eines durchleuchteten Objektes aus der Gesamtheit aller Projektionsaufnahmen ist erst dann wieder möglich, wenn sich ein neues Temperaturgleichgewicht eingestellt hat, welches auch in der geforderten Messzeit konstant bleibt.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Fokussiervorrichtung und ein Verfahren zum Fokussieren zu schaffen, so dass ein Brennfleck für einen Elektronenstrahl in einer Röntgenröhre in seiner Position und in seinem Durchmesser über lange Zeit konstant gehalten werden kann, wobei sich die Röntgenröhre einfach, kompakt und leicht bauen lässt.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung weist einen elektrischen Leiter, der zu mindestens einer Spulenwindung geformt ist, und einen ferromagnetischen Kern auf. der so ausgebildet ist, dass er in und um die mindestens eine Spulenwindung verläuft, wobei der Kern zwei Enden aufweist, welche so zueinander orientiert sind, dass sich mit einem aus den Enden austretenden Magnetfeld ein koaxial zur Spulenwindungsachse verlaufender Elektronenstrahl bündeln lässt, wobei im Kern mindestens ein

Permanentmagnet vorgesehen ist. Durch Einsatz eines Permanentmagneten im Kern ist es möglich, eine solche Magnetfeldstärke zu erzeugen, dass koaxial zur Spulenachse verlaufende Elektronenstrahlen bereits gebündelt werden, während durch die Spule kein

Strom oder nur ein sehr geringer Strom geschickt wird. Damit entsteht keine oder eine erheblich kleinere Verlustleistung in der Spule, so dass auch keine oder nur eine geringe Wärmeentwicklung in der Röntgenröhre erzeugt wird. Dadurch kommt es zu keinen mechanischen Verformungen der Röntgenröhre durch Temperaturschwankungen und zu keiner Verlagerung eines Brennfleckes auf einem Target. Dies bewirkt, dass auch während einer langen Messzeit zueinander konsistente Röntgenaufnahmen mit einem Computertomographen aufgenommen werden können.

Wird das Magnetfeld des Permanentmagneten noch durch ein von der Spule erzeugtes Magnetfeld verstärkt, kann im Vergleich zu Lösungen nach dem Stand der Technik eine Spule mit einer geringeren Windungszahl beziehungsweise aufgrund verringertem Stromfluss einem geringeren Leitungsquerschnitt und einem leichteren, weil kompakteren Kern verwendet werden. Während eine maximale geforderte magnetische Flussdichte einen bestimmten Querschnitt des Kerns bedingt, kann jedoch die Länge des magnetischen Kreises durch eine kleinere Spule reduziert werden. Damit ist es möglich, bei gleicher Beschleunigungsspannung und gleicher Brennweite eines Elektronenstrahls eine Mikrofokusröntgenröhre zu bauen, die leichter und kompakter ausgeführt ist als im Stand der Technik. Ein Permanentmagnet ist zudem ein preiswertes Bauelement, so dass eine Röntgenröhre mit der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung kostengünstig gefertigt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Permanentmagnet in radialem Abstand zur mindestens einen Spulenwindung angeordnet. Durch den radialen Abstand kann der in der Regel zweiteilige Kern einfach montiert werden. In diesem Fall ist es möglich, auf einen Basisteil des Kerns einen Permanentmagneten zu platzieren und anschließend auf diese gebildete Trennebene einen oberen Abschlussteil des Kerns aufzusetzen. Besonders bevorzugt ist der Permanentmagnet in einem Teil des Kerns vorgesehen, der außen um die Spulenwindung herum angeordnet ist. Durch den Abstand zum axial verlaufenden Elektronenstrahl kann der Einfluss des nicht im Eisenkern geführten Restmagnetfeldes auf den Elektronenstrahl deutlich minimiert werden. Die Bündelung des Elektronenstrahls erfolgt daher nur durch das an den offenen Enden des Kerns beziehungsweise dem Polschuh austretende Magnetfeld.

Vorzugsweise ist der Permanentmagnet ringförmig ausgebildet. Bei einer solchen Konstruktion wird eine hohe Symmetrie des Magnetfeldes erreicht, so dass sich der Elektronenstrahl in hoher Güte bündeln lässt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform lässt sich das Magnetfeld des Permanentmagneten durch ein Zusatzteil mindestens teilweise kurzschließen. Dies ermöglicht eine variable Einstellung des Magnetfeldes, welches an den Enden des Kerns vorliegt, um den Elektronenstrahl zu bündeln. Unabhängig von der Bestromung der Spule lässt sich durch eine entsprechende Position des Zusatzteils das Magnetfeld an den offenen Enden des Kerns direkt einstellen. Bei einer stromdurchflossenen Spule kann durch das Zusatzteil der Anteil des Permanentmagneten am gesamten Magnetfeld variabel eingerichtet werden. Dies bedeutet, dass sich durch den Permanentmagneten ein Grundmagnetfeld erzeugen lässt, welches das Magnetfeld der Spule unterstützt, so dass eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahls erreicht wird.

Eine einfache Möglichkeit zur variablen Veränderung des vom Permanentmagneten beigesteuerten Magnetfeldes besteht darin, dass das Zusatzteil am Kern verschiebbar angeordnet ist. Vorzugsweise ist dies stufenlos möglich, so dass eine Feinfokussierung des Elektronenstrahls nur durch entsprechendes Positionieren des Zusatzteiles erreicht wird. Selbstverständlich kann die Feinfokussierung zusätzlich durch ein entsprechendes Bestromen der Spule unterstützt werden.

Eine andere Möglichkeit zur Veränderung des vom Permanentmagneten eingebrachten Magnetfeldes besteht darin, dass das Zusatzteil zum Kern hin oder vom Kern fort bewegbar ist. Damit ist ein digitales Zuschalten oder Kurzschließen des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes möglich.

Es wird darauf hingewiesen, dass ein Bündeln von Elektronenstrahlen allein durch das Magnetfeld des mindestens einen im Kern angeordneten Permanentmagneten möglich ist. Zusätzlich kann ein Bündeln der Elektronenstrahlen auch durch ein Magnetfeld erfolgen, das durch das Bestromen einer Spule erzeugt wird. Im letzteren Fall lässt sich die Spule dazu nutzen, eine Feinfokussierung des Elektronenstrahls zu erreichen.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Röntgenröhre mit einer oben beschriebenen Fokussiervorrichtung und durch einen Computertomographen mit einer derartigen Röntgenröhre gelöst.

Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Figuren erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung eines Computertomographen mit einer Röntgenröhre; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Röntgenröhre für einen

Computertomographen; Fig. 3 eine perspektivische Teilschnittansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines Elektronenstrahls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines Elektronenstrahls gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines Elektronenstrahls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines Elektronenstrahls gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer Fokussiervorrichtung zum Bündeln eines

Elektronenstrahls gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 8A bis 8C Querschnittsansichten einer oberen Hälfte eines Kerns für eine

Fokussiervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung mit verschiedenen Positionen eines Zusatzteils zum Kurzschließen eines Magnetfeldes.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Computertomographen gezeigt. Der Computertomograph 100 weist eine Röntgenstrahlquelle 101 auf, von der Röntgenstrahlen 102 kegelstrahlförmig in Richtung zu einem zu untersuchenden Objekt 103 ausgesendet werden. Die in Form eines Kegels ausgebildeten Strahlen 102 treffen auf das Objekt 103, welches auf einem Manipulator 104 relativ zur Röntgenstrahlquelle 101 bewegbar gelagert ist, siehe Bezugszeichen 105, und werden teilweise absorbiert, gestreut oder hindurch gelassen. Ein hinter dem Objekt 103 angeordneter Detektor 106 erfasst die durch das

Objekt 103 passierten Röntgenstrahlen 102. Dabei werden vom Detektor 106 eine Vielzahl von Aufnahmen in Abhängigkeit von einer Winkelposition des Objektes 103 zur Röntgenstrahlquelle 101 aufgenommen. Mit einer Datenverarbeitung 107 lassen sich diese Aufnahmen so aufbereiten, dass eine dreidimensionale Struktur und Querschnitte des Objektes 103 erstellt werden können („Rekonstruktion").

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Röntgenröhre 1 einer Röntgenstrahlquelle 101. Die Röntgenröhre 1 weist eine Kathode mit einem Haarnadel-Heizfaden 2 und einem Wehnelt-Zylinder 3 in Form einer Abschirmgitterblende auf. Die von dem Heizfaden 2 emittierten Elektronen werden durch den negativ gepolten Wehnelt-Zylinder 3 abgestoßen. Der aus dem Wehnelt-Zylinder austretende Elektronenstrahl 4 wird in eine Richtung derart abgelenkt, dass er aufgrund einer auf positivem Potential liegenden Lochanode 6 eine Anziehungskraft erfährt und sich in einem Kreuzungspunkt 5 konzentriert, der in der Ebene der Lochanode 6 liegt. Der Anode 6 nachgeschaltet sind mehrere Ablenkspulen 7, 8, die den Elektronenstrahl 4 ausrichten. Anschließend folgt eine Fokussiervorrichtung 9 mit einer Spule 10 und einem Kern 1 1 mit einem Polschuh 12, wobei der Kern 1 1 die Spule 10 allseitig umschließt beziehungsweise kapselt. Das von dieser Fokussiervorrichtung 9 erzeugte Magnetfeld erlaubt eine starke Fokussierung des Elektronenstrahls 4 mittels einer kurzen Brennweite der Fokussiervorrichtung 9, so dass der Elektronenstrahl 4 auf ein Target 13 gerichtet und gebündelt wird. Der Elektronenstrahl 4 prallt auf dem Target 13 so gebündelt auf, dass ein Brennfleck 14 gebildet wird, von dem aus Röntgenstrahlen 15 in einen Vollraum ausgesendet werden. Sie gelangen als Nutzstrahlkegel über einen Austrittsbereich 16 aus der Röntgenröhre 1 hinaus. Die Röntgenröhre ist im Raum so orientiert, dass die Röntgenstrahlen auf ein zu untersuchendes Objekt gerichtet sind.

Die erfindungsgemäße Fokussiervorrichtung 9 ist in einer perspektivischen Teilschnittansicht in Fig. 3 und in einer Querschnittsansicht in Fig. 4 gezeigt. Zu der Spule 10 ist ein Kern 1 1 zugehörig, der mit einem Innenring 21 in der Spule und mit einem Außenring 22 um die Spule herum verläuft. Die Ringe 21 und 22 sind durch ein Verbindungsteil 23 an einer Seite des Kerns 1 1 miteinander gekoppelt, wobei die beiden Ringe 21 , 22 und das Verbindungsteil 23 einstückig ausgebildet sein können. An der gegenüberliegenden Seite des Verbindungsteiles 23 weist der Kern 11 einen zur Spulenachse 40 orientierten Kernendabschnitt 24 auf, der den Innenring 21 fortsetzt. Der

Kernendabschnitt 24 ist bei der ersten Ausführungsform der Fokussiervorrichtung 9 kegelförmig ausgebildet und besitzt ein offenes Ende 25, siehe Fig. 4, durch welches koaxial zur Spulenachse 40 der Elektronenstrahl 4 (in Fig. 3 und 4 symbolisch durch einen Pfeil dargestellt) passieren kann. Der Kern 1 1 weist ferner einen Kernendabschnitt 26 auf, der den Außenring 22 fortsetzt, wobei der Kernendabschnitt 26 bei der ersten

Ausführungsform der Fokussiervorrichtung kegelförmig ausgebildet ist und ein offenes Ende 27 besitzt, siehe Fig. 4. so dass der Elektronenstrahl 4 den Kern koaxial zur Spulenachse 40 durchqueren kann. Die Enden 25 und 27 der beiden Kernendabschnitte 24 und 26 bilden einen Polschuh 12, an dem ein im Kern verlaufendes Magnetfeld 60 austreten kann, siehe Fig. 8A bis 8C, um den koaxial zu der Spulenachse 40 verlaufenden Elektronenstrahl 4 zu bündeln.

Der Außenring 22 ist bei der in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform zweiteilig ausgeführt, um eine Montage der Fokussiervorrichtung 9 zu ermöglichen. Der Außenring 22 besitzt ein Basisteil 28 und ein Kopfteil 29, welches auf das Basisteil 28 gesetzt werden kann. Somit liegt eine Trennebene 30 zwischen beiden Teilen 28 und 29 vor. Der Außenring 22 des Kerns 1 1 ist gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Permanentmagneten 31 versehen, der ringförmig ausgebildet ist. Der Permanentmagnet 31 kann in den Außenring 22 bzw. das Basisteil 28 oder das Kopfteil 29 eingesetzt oder auf diesen aufgesetzt werden. Für einen symmetrischen Verlauf des Magnetfeldes im Kern 1 1 ist die ringförmige Geometrie vorteilhaft.

Die Pole des Permanentmagneten 31 sind so orientiert, dass die vom Permanentmagneten ausgehenden Magnetfeldlinien vom ferromagnetischen Kern 1 1 einerseits durch das Basisteil 28 des Außenrings 22, das Verbindungsteil 23 und von dort zum Innenring 21 bis zum Kernendabschnitt 24 sowie andererseits vom Kopfteil 29 des Außenrings 22 über den Kernendabschnitt 26 geleitet werden. An den Enden 25 und 27 treten die Feldlinien aus und weiten sich im Luftspalt des Polschuhs 12 auf, siehe Fig. 8 A bis 8C.

Das Magnetfeld kann im Kern 1 1 dadurch erhöht werden, dass nicht nur ein

Permanentmagnet 31, sondern ein zusätzlicher Permanentmagnet 32 vorgesehen ist. Er ist zum Beispiel im Innenring 21 des Kerns 1 1 entlang der Trennebene 30 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Innenring 21 ein Basisteil 33 und ein Kopfteil 34, so

dass der zusätzliche Permanentmagnet 32 dazwischen eingesetzt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch darauf zu achten, dass ein Randmagnetfeld des zusätzlichen Permanentmagneten 32 den Elektronenstrahl 4 in seiner Form nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt, um anschließend ein präzises Justieren im Bereich des Polschuhs zu erreichen. Für einen einfachen und kompakten Aufbau stellen die Innenwandungen des Innenrings 21 gleichzeitig die Wandungen eines im Vakuum geführten Elektronenstrahlrohres (nicht eingezeichnet) dar und sind daher vakuumdicht und vakuumrein ausgeführt. Dies kann zum Beispiel durch einen vakuumreinen Permanentmagneten 32 mit vakuumdichten Fugekanten erreicht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Permanentmagneten 32 vom Vakuum fernzuhalten und entsprechende Abdichtungen vorzusehen. Das vom Permanentmagneten 32 ausgehende Magnetfeld kann durch geeignete Materialien magnetisch so abgeschirmt werden, dass der Elektronenstrahl 4 durch das Randmagnetfeld kaum beeinträchtigt wird.

In Fig. 6 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei das Magnetfeld des einen Permanentmagneten 31 durch ein Zusatzteil in Gestalt eines verschiebbaren Ringes 50 teilweise kurzgeschlossen ist. Der Ring 50 ist mittels einer Mechanik in axialer Richtung der Fokussiervorrichtung 9 derart verschiebbar, dass er vom Magnetfeld des Permanentmagneten 31 nicht, teilweise oder vollständig durchflutet wird, siehe Fig. 8A bis 8C. Damit kann der Anteil des Magnetfeldes des Permanentmagneten 31 zum

Gesamtmagnetfeld, welches das Magnetfeld durch eine bestromte Spule 10 mit umfasst, variabel eingestellt werden, so dass sich am Polschuh 12 der hindurchtretende Elektronenstrahl 4 fein abgestimmt bündeln lässt.

In den Fig. 8A bis 8C ist vereinfacht jeweils nur die obere Hälfte des Kerns 1 1 ohne die

Spule 10 dargestellt. Die eingezeichneten Magnetfeldlinien repräsentieren das Magnetfeld, welches im Kern durch den Permanentmagneten 31 in Abhängigkeit von der Position des Ringes 50 erzeugt wird. Bei der in Fig. 8A dargestellten Position des Rings 50 liegt ein Magnetfeld B l vor. Der Betrag des Magnetfeldes Bl ist höher als derjenige des Magnetfeldes B2 bei der in Fig. 8B dargestellten Position des Ringes 50, bei der ein Teil des vom Permanentmagneten 31 ausgehenden Magnetfeldes kurzgeschlossen ist. Einen noch geringeren Betrag als das Magnetfeld B2 weist das Magnetfeld B3 auf, siehe Fig. 8C.

Bei dieser Position des Ringes 50 wird nahezu das gesamte Magnetfeld des Permanentmagneten 31 kurzgeschlossen.

Die Feineinstellung des Gesamtmagnetfeldes kann alternativ oder zusätzlich zur Position des Ringes 50 durch eine änderung des in der Spule 10 fließenden Stromes erfolgen. Als Maß für die Feineinstellung des Magnetfeldes und damit die Bündelung des Elektronenstrahls 4 sowie der Größe des Brennfleckes 14 kann unter anderem die erzielte Auflösung eines aufgenommenen Bildes unter Verwendung eines Kalibrierobjektes herangezogen werden.

Eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung 9 ist in Fig. 7 dargestellt. Die Fokussiervorrichtung 9 weist einen Permanentmagneten 35 innerhalb des Verbindungsteiles 23 auf, wobei eine Lochscheibe 51 an einer Stirnseite der Fokussiervorrichtung 9 parallel zum Verbindungsteil 23 angeordnet ist. Die Scheibe 51 kann als Anker verwendet werden, der zum Beispiel vollständig am Permanentmagneten 35 anliegt und dabei das von ihm ausgehende Magnetfeld kurzschließt. Bei entsprechender Dimensionierung der Scheibe 51 kann das vom Permanentmagneten 35 ausgehende Magnetfeld auch nur teilweise kurzgeschlossen werden. Die Scheibe 51 lässt sich auch in einem Abstand zum Permanentmagneten 35 so platzieren, dass sie den Verlauf des Magnetfeldes des Permanentmagneten 35 nicht beeinflusst. Durch eine axiale Bewegung der Scheibe 51 kann ein Zuschalten oder Abschalten einer Kurzschlusswirkung für das Magnetfeld des Permanentmagneten 35 erzielt werden. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, eine sprungartige Erhöhung oder Absenkung des Magnetfeldes am Polschuh 12 durchzuführen.