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1. (WO2019042587) DISPOSITIF DE COMMANDE POUR UN TUBE À RAYONS X ET PROCÉDÉ DE FONCTIONNEMENT D'UN TUBE À RAYONS X
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Ansteuervorrichtung für eine Röntgenröhre und Verfahren zum Betrieb einer

Röntgenröhre

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern einer Röntgenröhre sowie ein

Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhre.

Ein Verfahren zum Ansteuern einer Röntgenröhre ist beispielsweise aus der US 7,751,528 B2 bekannt. Das Röntgensystem ist in diesem Fall als Tomosynthesesystem ausgebildet, welches eine Vielzahl stationärer, in einer Reihe angeordneter Röntgenquellen aufweist.

Allgemein weisen Röntgenröhren Elektronenemitter auf, deren Funktion auf diversen physikalischen Prinzipien beruhen kann. In der DE 10 2011 076 912 B4 sind unter anderem Dispenserkathoden als thermische Emitter genannt. Angaben zur Verwendung von

Dispenserkathoden sind zum Beispiel in der DE 10 2010 043 561 AI zu finden.

Elektronische Regelungsvorrichtungen für Multi-Fokus-Röntgenröhren, deren Kathoden für die thermische Emission von Elektronen vorgesehen sind, sind beispielsweise aus den Dokumenten EP 1 617 764 Bl und EP 1 618 368 Bl bekannt.

Zur Feldemission von Elektronen eigenen besonders sich Emitter, die Nanostäbchen, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren, enthalten. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente WO 2018/086737 AI und WO 2018/086744 A2 verwiesen.

Ein Verfahren zur Emissionsstromregelung für Röntgenröhren ist in der DE 10 2009 017 649 B4 offenbart. Hierbei kann einer Spannungsregelung eine Stromregelung überlagert sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelung von Röntgenröhren, insbesondere Röntgenröhren mit Feldemissionskathoden, gegenüber dem Stand der Technik

weiterzuentwickeln, wobei eine besonders hohe Betriebssicherheit erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Röntgenröhre gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein

Betriebsverfahren gemäß Anspruch 13. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Ansteuervorrichtung und umgekehrt.

Die Ansteuervorrichtung ist zur Betätigung einer Röntgenröhre vorgesehen, welche eine als Röntgenstrahlenemitter ausgebildete Anode sowie eine Mehrzahl an Kathoden, die zur Erzeugung von auf die Anode gerichteten Elektronenstrahlen vorgesehen sind, umfasst.

Der Ansteuervorrichtung zuzurechnen ist ein als Abschirmung ausgebildetes Gehäuse, in welchem eine Anodenstromregeleinheit angeordnet ist. Die Anodenstromregeleinheit ist verbunden mit einer Kathodenenergieversorgungseinheit, mit einer Mehrzahl an jeweils an eine Kathode anzuschließenden Kathodenspannungsschalten, sowie mit einer

programmierbaren Baugruppe, in welcher die Ansteuerung der Kathoden festgelegt ist. Hierbei sind auch die Kathodenenergieversorgungseinheit, die Kathodenspannungsschalter, sowie die programmierbare Baugruppe in dem genannten Gehäuse angeordnet.

Durch die abgeschirmte Unterbringung der Leistungs- und Ansteuerelektronik für die Röntgenröhre in dem gemeinsamen Gehäuse ist zusammen mit einem geeigneten Platinen-Layout die elektromagnetische Abstrahlung im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich verringert. So können Auswirkungen und Störeinflüsse auf andere elektronische Geräte, sowie zwischen verschiedenen Schaltungsteilen der Elektronik verhindert werden.

Die programmierbare Baugruppe der Ansteuervorrichtung umfasst beispielsweise ein FPGA (Field Programmable Gate Array) und mindestens einen Digital-Analog-Wandler. Die

Anodenstromregeleinheit, bei welcher es sich um eine zentrale spannungsgesteuerte

Stromquelle handelt, wird vom FPGA oder einem sonstigen programmierbaren Bauelement oder einer Anordnung solcher Bauelemente über den mindestens einen Digital-Analog-Wandler gesteuert. Das FPGA oder ein Element mit vergleichbarer Funktion steuert eine Anzahl Subsysteme. Als mögliche Subsysteme sind im vorliegenden Fall die Spannungs-versorgungseinheit - das heißt Energieversorgungseinheit - der Kathoden, eine Anodenenergieversorgungseinheit, diverse Versorgungseinheiten für Fokussierungseinrichtungen und Gitter, sowie eine der Anodenstromregeleinheit zuzurechnende Stromquelle und die

Kathodenspannungsschalter zu nennen.

Das FPGA ist bereits vor dem Durchführen einer Pulsfolge der Kathoden derart programmiert, dass die Pulsfolge in Echtzeit ausgelöst wird. Das Timing der Pulsfolge erfolgt rein durch das FPGA beziehungsweise ein funktionsgleiches Element. Um ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen Stromwerten zu ermöglichen, werden beispielsweise zwei Analog-Digital-Wandler jeweils mit dem Spannungswert, der dem äquivalenten Strom entspricht, programmiert. Über einen Multiplexer kann zwischen dem gewünschten Spannungspegel für einen Boost oder für den eigentlichen Puls umgeschaltet werden. Unter dem Boost wird hierbei ein zu Beginn des Pulses erzeugter Peak verstanden, mit welchem eine Rechteckform des Pulses im Vergleich zu Pulsen, die ohne eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung generiert werden, mit verbesserter Annäherung an die theoretische Idealform erreicht wird.

Die Kathodenspannungsschalter, über welche die Kathoden, das heißt Elektronenemitter der Röntgenröhre, mit elektrischer Energie versorgt werden, sind beispielsweise als

Hochspannungsschalter-Bank mit einer Anzahl MOSFETs ausgebildet. Hierbei sind optional innerhalb eines einzelnen Kathodenspannungsschalters mehrere MOSFETs seriell geschaltet.

Die Anodenstromregeleinheit ermöglicht es, den von den Kathoden, das heißt Elektronenemittern, emittierten Elektronenstrom von Kathode zu Kathode in Echtzeit zu regeln. In die Regelung geht in jedem Fall ein durch die Anode fließender Ist -Strom sowie ein zugeordneter Sollwert ein. Weiter können in die Regelung Ströme, die durch Extraktionsgitter sowie durch Fokussierungseinrichtungen fließen, eingehen.

Da die Reihenfolge, in der durch das FPGA die Hochspannungsschalter angesteuert werden, frei programmierbar ist, kann auch die Reihenfolge und Anzahl der verwendeten Emitter frei programmiert werden. Somit müssen nicht alle Emitter betrieben werden und die Röntgenröhre kann ebenfalls als Single-Beam-Röhre betrieben werden. Bei Verwendung eines Entsprechenden Multiplexer können auch mehrere oder alle Kanäle gleichzeitig aktiviert werden und somit Elektronenemitter parallel aktiviert werden.

Den einzelnen Kathoden sind typischerweise Fokussierungselektroden zugeordnet. In bevorzugter Ausgestaltung ist ein zwischen den Kathoden und den Fokussierungselektroden angeordnetes Extraktionsgitter unabhängig von den Fokussierungselektroden geerdet.

Durch die Energieversorgung der Fokussierungselektroden und Gitter kann die thermische Brennfleckgröße auf der Anode von Emitter zu Emitter individuell eingestellt werden. Die thermische Brennfleckgröße ist hierbei ohne Projektion zu betrachten. Hiervon zu

unterscheiden ist die unter einer Projektion zu betrachtende Röntgenbrennfleckgröße (X-Ray Focal-Spot-Size). Auch für die Röntgenbrennfleckgröße gilt, dass diese für jeden Emitter von Puls zu Puls einstellbar ist. Sofern die Fokussierungselektroden mit konstanter Spannung betrieben werden, kann die Brennfleckgröße durch die Variation der Gitter-Spannung eingestellt werden, auch in Form eines Fein-Tunings. Dies gilt sowohl im kontinuierlichen Modus als auch für einen gepulsten Modus, wobei in jedem Fall von Emitter zu Emitter unterschiedliche Einstellungen möglich sind.

Grundlegende Überlegungen zur Ansteuerung der Kathoden und erreichte Vorteile sind im Folgenden zusammengefasst:

Durch die Bank aus Hochspannungsschaltern, welche jeweils einer Kathode zugeordnet sind, kann schnell zwischen den einzelnen Kanälen umgeschaltet werden. Jeder Schaltkanal der Bank umfasst dabei vorzugsweise mehrere serielle SiC MOSFETs, um die notwendige

Sperrspannung zu erreichen. Im Fall einen Überschlages, der vom FPGA über die Gate-Emitter-Spannung nach der Stromquelle oder von der Anodenregelung über den geänderten Anodenstrom detektiert wird, wird zum Schutz der Emitter die gemeinsame Gatetreiber-Schaltung von den MOSFETs, welche die Bank aus Hochspannungsschaltern bilden, getrennt. Dadurch wird die Stromquelle sofort von den Emittern getrennt. Dies wird über denjenigen Multiplexer realisiert, mit dem der Ausgang des gemeinsamen Gatetreibers im normalen Betrieb auf die einzelnen Kanäle der Bank aus Hochspannungsschaltern verteilt wird. Um die Bank aus Hochspannungsschaltern bei einem Überschlag vor Zerstörung zu schützen, wird die Spannung über der MOSFET-Kaskade vorzugsweise von einer Schaltung überwacht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die programmierbare Baugruppe der

Ansteuervorrichtung zur Speicherung beim Betrieb der Röntgenröhre gemessener

Betriebsparameter, welche insbesondere Strom- und Spannungswerte einschließen, ausgebildet.

Eine Überwachung der Ansteuervorrichtung ist insbesondere im Hinblick auf Überschläge, welche beim Betrieb der Röntgenröhre aufgrund der hohen Spannungen an der Anode denkbar sind, von Bedeutung. Ein Überschlag stellt einen Kurzschluss zwischen

Elektronenemitter und Anode dar. Dabei kann es beim Anodenstrom zu einer Stromspitze kommen, die nur Nanosekunden andauert. Aufgrund der Schnelligkeit der Anodenstrom-regelung im Mikrosekundenbereich wird dieser Stromimpuls von der Regelung

höchstwahrscheinlich nicht erfasst. Allerdings kann der Stromimpuls im gemessenen

Anodenstrom nachgewiesen werden.

Deshalb wird in vorteilhafter Verfahrensführung zum Schutz vor einem Überschlag der gemessene Anodenstrom mit einem einstellbaren Maximalwert des Anodenstroms in einem Komparator verglichen. Am Ausgang des Komparators erhält man im Falle eines Überschlags und damit einer Überschreitung des Maximalstromwertes eine positive Spannung, welche einen digitalen Einswert darstellt. Bei Unterschreitung des Maximalwertes gibt der

Komparator den Grundwert, das heißt digital Null, aus. Die Zeitdauer dieses

Detektionsmechanismus hängt fast ausschließlich von der Zeitdauer der Detektion des Komparators ab. Diese liegt je nach Komparator im Piko- oder Nanosekundenbereich. Sobald der Maximalwert überschritten wird, wird der digitale Wert des Komparators mit Hilfe eines Optokopplers über ein weiteres Verbindungskabel zwischen der Anodenenergieversorgungseinheit und der Spannungsversorgungseinheit der Kathoden übertragen und die

Elektronenemission der Kathode durch einen MOSFET-Schalter sofort gestoppt, damit sich keine Beschädigung des Elektronenemitters ereignet. Des Weiteren kann bei einer bestimmten Form des Überschlags aus der Veränderung des Anodenstromverlaufs und des Kathodenspannungsverlaufs auf einen sich in Zukunft ereignenden Überschlag geschlossen werden. Dazu wird der Anodenstrom, wie oben beschrieben, gemessen und bei Rückgang des Anodenstroms und der Kathodenspannung ohne aus der Regelung ersichtlichen Grund (der Anodenstromsollwert wurde nicht verändert) das voraussichtliche Ereignis eines Überschlags anhand desselben Übertragungsmechanismus, wie oben beschrieben, zur Spannungsversorgungseinheit der Kathoden übertragen. Daraufhin wird die Elektronenemission der Kathode abgeschaltet, noch bevor der Überschlag eintritt. Bei dieser Form der

Überschlagvermeidung ist die Zeit bis zum Abschalten der Elektronenemission weniger kritisch, da, wie Messungen gezeigt haben, der Abfall des Anodenstroms schon

Mikrosekunden, bevor sich der Überschlag ereignet, detektiert werden kann.

Sollte dennoch ein Überschlag auftreten, so ist dessen Einfluss in vorteilhafter Bauform dadurch minimiert, dass die elektrischen Spannungen der Energieversorgungseinheit der Kathoden auf das Gitter bezogen sind. So wird die Spannungsdifferenz zwischen dem Gitter und dem Emitter im Falle eines Überschlages auf das Gitter nicht verändert und somit auch die Anzahl an ausgelösten Elektronen im Emitter nicht verändert. Dies stellt eine lange Lebensdauer des Emitters sicher. Die durch einen Überschlag auf das Gitter veränderte Spannung zwischen Anode und Gitter stellt keine Bedrohung für die Lebensdauer des

Emitters dar.

In der mittels der Ansteuervorrichtung betriebenen Röntgenröhre werden beispielsweise Dispenserkathoden als Elektronenemitter verwendet.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei den Kathoden der Röntgenröhre um Feldemissionskathoden, insbesondere Kathoden mit Nanostäbchen, das heißt Nanosticks.

Die Nanosticks sind vorzugsweise aus einem Material beschaffen, welches eine bezüglich des quantenmechanischen Feldemissionseffektes eine möglichst niedrige Elektronenaustritts-arbeit zur Feldemission von Elektronen aufweist. Die Nanosticks weisen hierbei eine in sich einheitliche oder uneinheitliche Zusammensetzung auf und sind entweder als Hohlkörper, das heißt Röhren, oder massiv ausgebildet. Die Kathoden können hierbei Nanosticks gleicher Art oder einen Mischung verschiedener Arten von Nanosticks aufweisen, wobei sich die Art der Nanosticks auf deren Stoffzusammensetzung und Stoffmodifikation bezieht.

Geeignete Materialien in reiner oder dotierter Form für die Feldemission von Elektronen sind beispielsweise ein- oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, ein- oder mehrwandige Hetero-Stickstoff-Kohlenstoffnanoröhren, Boride der seltenen Erden, insbesondere

Lanthanhexaborid und Cerhexaborid, Metalloxide, insbesondere Ti02, MnO, ZnO und Al203, Metallsulfide, insbesondere Molybdänsulfid, Nitride, insbesondere Bornitrid,

Aluminiumnitrid, Kohlenstoffnitrid, Galliumnitrid, Carbide, insbesondere Siliciumcarbid, Silicium. Als Ausgangsprodukte zur Herstellung der Nanosticks, welche im Betrieb der Kathoden Elektronen emittieren, sind auch stabförmige, optional hohle, Elemente aus polymeren Materialien geeignet. Die Nanosticks der Kathoden sind optional aus

Ausgangsprodukten, welche lediglich partiell, insbesondere in Form einer Beschichtung, Polymermaterialen aufweisen, gefertigt.

In einer besonders bevorzugten Ausbildung weisen die Kathoden auf der Oberfläche

Nanosticks in einer vertikalen Vorzugsrichtung, das heißt in Richtung zu der Anode, auf. Beim Betrieb des Röntgenemitters und bei hinreichendem Abstand untereinander sind an den Spitzen der Nanosticks sehr starke elektrische Felder erzeugbar, wodurch die Emission von Elektronen wesentlich vereinfacht ist.

Beim gepulsten Betrieb der Kathoden spielen Kapazitäten der Kathoden sowie der elektrisch mit den Kathoden verbundenen Elemente, insbesondere Zuleitungen, eine Rolle. Um unerwünschte Effekte solcher Kapazitäten zu minimieren, ist optional eine Entladeschaltung an die Kathodenspannungsschalter angeschlossen. Die Entladeschaltung stellt eine komplementäre Lösungskomponente zur bereits beschriebenen Spannungsüberhöhung zu Beginn eines zu erzeugenden, rechteckigen Peaks dar.

Zusätzlich zum gepulsten Betrieb der Kathoden ist in bevorzugter Ausgestaltung auch ein gepulster Betrieb der Anode der Röntgenröhre möglich. Hierbei wird durch eine

Anodenspannungsversorgungseinheit eine Gleichspannung in Form einer gepulsten unipolaren Spannung bereitgestellt. In dieser Ausgestaltung umfasst die Anodenspannungs-versorgungseinheit, welche der Ansteuervorrichtung zuzurechnen ist, vorzugsweise einen Marx-Generator. Das Niveau der Spannungspulse, welche an die Anode gelegt werden, kann sich von Puls zu Puls unterscheiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Röntgenröhre zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Ein Sollwert des durch die Anode fließenden elektrischen Stroms wird vorgegeben,

der tatsächliche durch die Anode fließende Strom wird mittels einer einzelnen Stromquelle geregelt, welche mit mehreren Schaltern, die jeweils einer Kathode zugeordnet sind, verknüpft ist.

Die Anodenstromregelung kann auf verschiedene, im Folgenden erläuterte Weisen geschehen. Zuerst wird hierbei auf die Gemeinsamkeiten aller Regelungsmöglichkeiten eingegangen und schließlich werden die Unterschiede dieser herausgearbeitet.

Bei Emission von Elektronen in der Röntgenröhre fließt sowohl durch eine der

Ansteuervorrichtung zuzurechnende, an die Röntgenröhre angeschlossene Kaskade als auch durch eine ebenfalls eine Komponente der Ansteuervorrichtung bildende Regeleinheit ein Anodenstrom. Dieser wird entweder in der Regeleinheit oder in der Kaskade durch einen Messwiderstand oder eine Operationsverstärkerschaltung in eine Spannung umgewandelt und gemessen.

Diese zum Anodenstrom proportionale Spannung dient als Eingangsgröße der Anodenstromregelung. Dabei kann der Spannungswert entweder durch einen Analog-Digital-Wandler in digitaler Form oder als Analogwert vorliegen. Als weitere Eingangsgröße dient die Information über den Sollstrom. Auch hier kann die Information aus einem digitalen Wert oder aus einem analogen, dem Sollstrom proportionalen Spannungswert bestehen, wobei ein analoger Wert mit Hilfe einer Digital-Analog-Wandlung gewonnen wird.

Als Ausgangsgröße erhält man in jedem Fall den Sollstromwert der Kathode. Dies bedeutet, man hat eine innere Regelschleife, die den Kathodenstrom regelt, so dass dieser möglichst schnell dem Kathodenstromsollwert folgt. Des Weiteren gibt es eine äußere Regelschleife, die den Anodenstrom regelt, indem sie den Kathodenstromsollwert verändert. Zur Anodenstromregelung durch Vorgabe des Kathodenstromsollwerts muss die Anodenstrominformation von derjenigen Platine, welche die Energieversorgung der Anode bewerkstelligt, auf diejenige Platine, über welche die Kathode mit elektrischer Energie versorgt wird, entweder digital oder analog übertragen werden. Bei der analogen Übertragung werden die Platinen mit einem möglichst störungsfreien Kabel verbunden. Dazu muss das Bezugspotential der zum

Anodenstrom proportionalen Anodenspannung beziehungsweise des digitalen Wertes aufgrund verschiedener Spannungsbereiche auf den einzelnen Platinen verändert werden. Dies geschieht durch die Verwendung von analogen beziehungsweise digitalen Optokopplern.

Bei der Realisierung der Regelung gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Die Regelung kann entweder digital in Form eines Algorithmus oder analog als Operationsverstärkerschaltung aufgebaut werden. Bei der digitalen Regelung besteht ein Vorteil darin, dass sie leicht anpassbar ist. Jedoch ist die Regelung nicht so schnell wie die analoge Variante. Zum anderen wurde durch Messungen festgestellt, dass der Anodenstrom über einen großen Zeitraum konstant ist und sich nur um einen konstanten Transmissionsfaktor von dem

Kathodenstrom unterscheidet. Daher kann auch ohne aktive Regelung durch Bestimmung des Transmissionsfaktors in einem anfänglichen Kalibrierungsdurchlauf und Abspeicherung des Transmissionsfaktors in einer Lookup-Table der Anodenstrom eingestellt werden. Diese beiden Regelungsverfahren lassen sich auch kombinieren, so dass zuerst der Transmissionsfaktor bestimmt und mit diesem der Anodenstrom eingestellt wird und danach mit der analogen beziehungsweise digitalen Regelung der Anodenstrom auch bei Veränderung der Transmissionsrate konstant gehalten wird.

Beim Betrieb der Röntgenröhre können durch bereits erwähnte Fokussierungsvorrichtungen, welche jeweils einer Kathode zugeordnet sind, auf der Anode Brennflecke erzeugt werden, welche von Kathode zu Kathode unterschiedlich sind. Eine Variation der Brennfleckgröße ist sowohl bei konstanter Anodenspannung als auch bei gepulster Anodenspannung mit von Puls zu Puls unterschiedlicher Spannung möglich. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, die

Geometrie eines Brennflecks durch ein dem Elektronen emittierenden Material vorgeschaltetes Extraktionsgitter zu beeinflussen, das heißt das Extraktionsgitter als Mittel zur

Fokussierung des Elektronenstrahls zu verwenden.

Gemäß einer vorteilhaften Verfahrensführung werden Änderungen des durch die Anode abfließenden Stroms erfasst, so dass gegebenenfalls ein Trend der Änderungen festgestellt werden kann. Durch eine automatische Feststellung und Auswertung eines solchen Trends kann unter Umständen auf ein steigendes Risiko eines Überschlags zwischen Anode und Elektronenemitter geschlossen werden. In einem solchen Fall wird die Energieversorgung der Kathoden automatisch gekappt, um Beschädigungen der Röntgenröhre zu vermeiden und Ausfallzeiten zu minimieren.

Sofern die Anode gepulst betrieben wird, sind auch Kapazitäten der Anode sowie

angeschlossener Bauteile von Bedeutung. Angestrebt wird in der Regel eine rechteckige

Pulsform beim gepulsten Betrieb der Anode. Um die Rechteckform bestmöglich zu erreichen, kann am Beginn eines Pulses eine Spannungsüberhöhung generiert werden, welche den Effekt unerwünschter Kapazitäten kompensiert. Ein besonderer Vorteil des gepulsten Betriebs der Anode liegt darin, dass aufeinander folgenden Pulse auf unterschiedlichen

Spannungsniveaus liegen können. Durch die unterschiedlichen Spannungsniveaus werden Röntgenpulse mit unterschiedlicher Wellenlänge der Röntgenstrahlung generiert. Die

Wellenlängen sind hierbei auf Röntgenabsorptionseigenschaften verschiedener Materialien, die sich im zu untersuchenden Objekt befinden, abstimmbar. Auf diese Weise lassen sich sehr gut verschiedene Materialien im Untersuchungsobjekt voneinander unterscheiden. Dies geschieht vorzugsweise bei stationärer, insbesondere nicht rotierender, Anordnung der Röntgenquellen.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein Röntgengerät in Übersichtsdarstellung,

Fig. 2 und 3 eine für das Röntgengerät nach Fig. 1 geeignete Fokussierungsvorrichtung, Fig. 4 und 5 die in das Röntgengerät nach Fig. 1 eingebaute Fokussierungsvorrichtung,

Fig. 6 und 7 eine weitere Gestaltungsmöglichkeit einer für das Röntgenröhre nach Fig. 1 geeigneten Fokussierungsvorrichtung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Ansteuervorrichtung des Röntgengeräts nach Fig. 1,

Fig. 9 den prinzipiellen Aufbau einer Anoden-Energieversorgungseinheit des

Röntgengeräts nach Fig. 1,

Fig. 10 eine Signalkette zur Ansteuerung einer Stromquelle zur Energieversorgung der

Kathoden des Röntgengeräts nach Fig. 1,

Fig. 11 in einem Blockschaltbild den Aufbau einer Hochspannungsschalterbank, welche über die Stromquelle in Fig. 10 mit Energie versorgt wird,

Fig. 12 eine Schaltung zum gepulsten Betrieb der Anode des Röntgengerätes nach

Fig. 1,

Fig. 13 eine Schaltung zur Energieversorgung einer Anode eines weiteren

Röntgengerätes,

Fig. 14 eine alternative Ausgestaltung zur Ansteuerung einer Anode eines

Röntgengerätes,

Fig. 15 den prinzipiellen Aufbau einer Schaltung zum gepulsten Betrieb einer Anode eines Röntgengerätes mit variablen Spannungsniveaus,

Fig. 16 in einem Diagramm Eigenschaften einer Komponente der Schaltung nach

Fig. 15,

Fig. 17 in einem Blockschaubild den Aufbau einer Kathodenansteuervorrichtung des

Röntgengeräts nach Fig. 1,

Fig. 18 in einem Diagramm einen mit der Kathodenansteuervorrichtung des

Röntgengeräts nach Fig. 1 erzeugten Strompuls.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche

Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende Teile oder Parameter sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ein Röntgengerät 1 umfasst eine Röntgenröhre 2 und eine Ansteuervorrichtung 3.

Komponenten der Röntgenröhre 2 sind eine Kathode 4 als Elektronenquelle und eine

Anode 5, auf weiche ein von der Kathode 4 erzeugter Elektronenstrahl EB auftrifft, womit Röntgenstrahlung XR erzeugt wird. Zwischen der Elektronenquelle 4 und der der Anode 5 befindet sich eine Fokussierungsvorrichtung 6 für den Elektronenstrahl EB.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Elektronenquelle 4 als Feldemissionskathode ausgebildet. Hierbei befindet sich auf einem Keramiksubstrat 7 eine Metallisierung 8 und eine Emitterschicht 9, welche Kohlenstoffnanoröhren enthält. Ein Extraktionsgitter 10 ist gering von der Emitterschicht 9 beabstandet.

Die Fokussierungsvorrichtung 6 umfasst verschiedene, hintereinander geschaltete

Fokussierungselektroden 11, 12. Gestaltungsvarianten der Fokussierungselektroden 11, 12 sind in den Fig. 2 bis 7 skizziert. In jedem Fall tritt die an einem Brennfleck der Kathode 5 erzeugte Röntgenstrahlung XR durch ein Röntgenfenster 13 aus der Röntgenröhre 2 aus. Ein zugehöriger Detektor der Röntgenanlage ist nicht dargestellt.

Die zum Betrieb der Röntgenröhre 2 verwendete Ansteuervorrichtung 3 umfasst eine Anodenenergieversorgungseinheit 14, welche die Anode 5 mit Hochspannung versorgt. Der tatsächlich durch die Anode 5 fließende elektrische Strom ist mit lA-ist bezeichnet. Im

Unterschied hierzu bezeichnet lA_s den Anoden-Sollstrom.

Der Wert des Anoden-Sollstroms lA_s geht ein in eine Anodenstromregeleinheit 19. Die Anodenstromregeleinheit 19 stellt als Stromquelle eine zentrale Einheit eines Stromregelkreises dar, welcher, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, auf verschiedene Arten gestaltet sein kann.

Unabhängig von der detaillierten Gestaltung der Anodenstromregelung ist der

Ansteuervorrichtung 3 eine Spannungsversorgungseinheit 15 der Fokussierungselektrode 12 sowie eine Spannungsversorgungseinheit 16 der Fokussierungselektrode 11 zuzurechnen. Weiter ist eine Spannungsversorgungseinheit 17 des Extraktionsgitters 10 vorhanden. Die Spannungsversorgungseinheit 17 umfasst einen Trenntrafo. Somit ist eine galvanische Trennung zwischen dem in Fig. 8 mit BP bezeichneten Bezugspotential und der ebenfalls in Fig. 8 eingezeichneten Erdung vorhanden. Diese Trennung ist im Fall eines Überschlags von der Anode 5 von entscheidender Bedeutung für die Vermeidung von Schäden an der

Röntgenröhre 2. Sofern von der Anode 5 geladene Teilchen emittiert werden, werden diese durch die Fokussierungselektroden 11, 12 abgeleitet, wodurch sich das Potential der

Fokussierungselektroden 11, 12 kurzfristig erhöht. Wäre eine galvanische Verbindung zwischen den Fokussierungselektroden 11, 12 einerseits und dem Extraktionsgitter 10 andererseits gegeben, so würde damit auch das Potential des Extraktionsgitters 10 angehoben werden. Dies wiederum hätte eine verstärkte Emission der Elektronenquelle 4 zur Folge, was einen lawinenartigen Anstieg der Freisetzung von Teilchen aus der Anode 5 zur Folge hätte. Ein solcher Effekt, welcher negative Folgen bis hin zur Zerstörung der Kathode 4 zur Folge haben könnte, wird durch die Trennung des Bezugspotentials BP, auf welchem das Extraktionsgitter 10 liegt, von den Fokussierungselektroden 11, 12 vermieden. Das Potential der Fokussierungselektroden 11, 12 ist mit UFi, UF2 bezeichnet und liegt im Bereich zwischen minus 10 kV und plus 10 kV. UG bezeichnet das Potential des Extraktionsgitters 10, welches im Bereich zwischen minus 5 kV und plus 5 kV liegt.

Die Anodenstromregeleinheit 19 ist verknüpft mit einer Spannungsversorgungseinheit 18 der Kathoden 4 sowie einer Kathodenschalteranordnung 20. Weiter ist eine Verknüpfung der Anodenstromregeleinheit 19 mit einer programmierbaren Baugruppe 25 gegeben, welche einen Mikrocontroller 26 und ein FPGA (Field Programmable Gate Array) 27 umfasst. Die genannten Komponenten 18, 19, 20, 25, sind zusammengefasst zu einer Kathodenansteuer-vorrichtung 28, welche sich in einem Gehäuse 29 befindet, das als Abschirmung ausgebildet ist. Ein äußeres, in Fig. 8 gestrichelt angedeutetes Gehäuse 30 umschließt auch die übrigen Komponenten der Ansteuervorrichtung 3.

Zu diesen übrigen Komponenten zählt unter anderem die Anodenenergieversorgungseinheit 14. Die Anodenenergieversorgungseinheit 14 umfasst, wie aus Fig. 9 hervorgeht, einen Anodencontroller 31, einen Tiefsetzsteller 32, einen Royer-Oszillator 33, einen Transformator 34 und eine Kaskadenschaltung 35. Die Kaskadenschaltung 35 liefert eine Ausgangsspannung UA welche an die Anode 5 gelegt wird. Das von der Anodenstromregeleinheit 19 gelieferte Signal, welches an die Kathodenschalteranordnung 20 geleitet wird, ist allgemein mit Sig bezeichnet.

Die Ansteuerung der Emitterstromquelle, das heißt der Anodenstromregeleinheit 19, ist in Fig. 10 visualisiert. Hierin bezeichnet 36 eine Benutzer-Schnittstelle, 37 einen digitalen

Signalprozessor, 38 ein FPGA, 39 einen Optokoppler, 40 ein weiteres FPGA, 41 einen Digital-Analog-Wandler und 42 ein Schaltungselement, welches die zwei Digital-Analog-Wandler 41 mit der Anodenstromregeleinheit 19 verbindet.

Das von der Anodenstromregeleinheit 19 gelieferte Signal Sig wird an die Kathodenschalter-anordnung 20 geleitet, wie in Fig. 11 skizziert ist. Die Kathodenschalteranordnung 20 umfasst einzelne Kathodenspannungsschalter 21, 22, 23, 24, deren Anzahl der Anzahl der

anzusteuernden Kathoden 4 entspricht. Der Emitterstrom ist mit lE bezeichnet. Die an den einzelnen Emittern, das heißt Kathoden 4, anliegende Spannung wird mit Hilfe einer

Spannungsüberwachung 46 überwacht. Die Spannungsüberwachung 46 ist verknüpft mit einem Gatetreiber 47, welcher über einen Multiplexer 43 mit den Kathodenspannungsschaltern 21, 22, 23, 24 zusammenwirkt. Weitere Anschlüsse des Multiplexers 43 sind mit 44, 45 bezeichnet. Der Gatetreiber 47 ist über einen Optokoppler 49 mit einem Logik-Baustein 48 verknüpft, welcher auf Niederspannungsniveau liegt.

Mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 11 werden Strompulse erzeugt, zu denen Fig. 18 weitere Informationen liefert. Der Strompuls stellt einen Rechteckpuls dar, welcher sich vom

Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt ti erstreckt. Um die gewünschte Rechteckform durch den

Emitterstrom lE bestmöglich anzunähern, beschreibt das Signal Sig zu Beginn des Pulses einen Peak PE, mit welchem parasitäre Kapazitäten ausgeglichen werden. Damit wird praktisch über den gesamten Puls ein konstantes Stromniveau KS erreicht.

Wie aus Fig. 18 hervorgeht, ist der Peak PE im Vergleich zum gesamten Puls sehr schmal. Insbesondere ist ein schneller Abfall des Peaks PE gegeben. Der Peak PE wird mit Hilfe eines sogenannten Current Boost erreicht. Zum Vergleich mit einer nicht beanspruchten Lösung ist in Fig. 18 zusätzlich ein Vergleichssignal VSi gestrichelt eingezeichnet. Das ohne Current Boost erzeugte Vergleichssignal VSi, welches im Unterschied zum Peak PE einen langsamen Abfall nach dem Maximum, welches mit dem Maximum des Peaks PE zusammenfällt, aufweist, führt dazu, dass der Strompuls, in Fig. 18 als Vergleichsstrom VI bezeichnet, wesentlich langsamer ansteigt und auch langsamer abfällt, so dass insgesamt keine Rechteckform des Strompulses gegeben ist. Bei kurz aufeinander folgenden Strompulsen hätte dies auch den nicht erwünschten Effekt, dass sich Pulse überlagern können.

Die Ansteuervorrichtung 3 bietet die Möglichkeit, nicht nur die Kathoden 4, sondern auch die Anode 5 gepulst zu betreiben. Die Anodenenergieversorgungseinheit 14 umfasst, wie aus Fig. 12 hervorgeht, unter anderem einen Inverter 50 und eine Gyrator-Schaltung 52.

Die Anodenenergieversorgungseinheit 14 nach Fig. 12, welche Teil der Anordnung nach Fig. 1 ist, liefert Spannungspulse auf konstantem Niveau, so dass das Röntgengerät 1 im Single Energy Modus betrieben wird. Die Röntgenröhre 2 umfasst eine Vielzahl an Röntgenquellen. Die zur Erzeugung der Elektronenstrahlen EB vorgesehenen Kathoden weisen in diesem Ausführungsbeispiel Kohlenstoffnanoröhren als Emitter auf. Alternativ ist die Anordnung nach Fig. 12 zum Betrieben einer Röntgenröhre mit einem einzigen Emitter verwendbar.

Eine Pre-Puls-Compensation PPC der Ansteuervorrichtung 3 ist zur Vermeidung eines kurzzeitigen Spannungsabfalls, eines sogenannten Drops, zu Beginn eines Spannungspulses vorgesehen und verarbeitet, wie in Fig. 12 angedeutet ist, ein Triggersignal 51. Die Pre-Puls-Compensation PPC bedeutet, dass mit Hilfe des Triggersignals 51 die Spannung zu Beginn des zu erzeugenden Pulses gegenüber dem gewünschten Spannungsniveau etwas angehoben wird, um parasitäre Effekte, insbesondere durch Kapazitäten, auszugleichen. Hierbei liegt das Triggersignal 51 bereits einige Mikrosekunden vor Beginn des zu erzeugenden Spannungs-pulses an. Im Ergebnis wird ein Spannungspuls der Anodenspannung UA erzeugt, welcher mit sehr guter Währung einen Rechteckpuls darstellt. Die Anodenspannung UA liegt in der Größenordnung von ± 10 kV bis ± 130 kV.

Im Unterschied zu den Fig. 1 bis 12 beziehen sich die Fig. 13 und 14 auf Röntgengeräte 1, welche mit Dispenserkathoden betrieben werden. Das mit der Anodenenergieversorgungseinheit 14 nach Fig. 13 versorgte Röntgengerät 1 weist innerhalb der Röntgenröhre 2 zwei Gitter auf, welche über Gitteranschlüsse GA1, GA2 an elektrische Spannung gelegt sind.

Ferner ist ein Heizelement vorhanden, welches über einen Heizungs-Anschluss HA

anzuschließen ist.

Die Anodenenergieversorgungseinheit 14 nach Fig. 13 wird mittels Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert. Innerhalb der Anodenenergieversorgungseinheit 14 bezeichnet 53 einen Phase-Shift-PWM-Controller, 54 einen Öltank, 55 einen Controller, 56 einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, 57 und 58 jeweils einen Gate-Treiber und 59 einen Optokoppler.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 durch den Entfall der Gitteranschlüsse GAl, GA2. Ein Hochspannungsschalter ist in Fig. 14 mit 60 bezeichnet.

Im Unterschied zu den Anordnungen nach den Fig. 13 und 14, welche zur Erzeugung von Anodenspannung UA mit konstantem Niveau vorgesehen sind, können die mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugbaren Pulse, welche die Anodenspannung UA beschreibt, von Puls zu Puls entweder auf einheitlichem Niveau oder auf unterschiedlichen Spannungsniveaus liegen.

Im letztgenannten Fall ist für die Verwendung in dem Röntgengerät 1 die in Fig. 15 gezeigte Schaltung, durch welche gepulste Anodenspannung UA mit sich sprunghaft ändernder Einstellung erzeugt wird, geeignet. Hierin bezeichnet 61 einen Netzspannungs-anschluss, 62 einen Inverter, 63 einen Transformator, 64 einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, und 65 einen Marx-Generator. Eine Messvorrichtung 67 ist zur Strom- und Spannungsmessung vorgesehen. Bauteile, mit welchen die Pre-Puls-Compensation PPC realisiert ist, sind Teile einer Schaltung 66. Bei jedem einzelnen erzeugten Spannungspuls bleibt die Stromregelung, wie in Fig. 1 skizziert, in Kraft.

Die Stromregelung kann in Form verschiedener Regelkreise CR1, CR2, CR3, CR4 ausgebildet sein. In allen Fällen ist ein bestimmter Anodensollstrom lA_s vorgegeben. Dieser Strom- Sollwert lA-s wird mit gemessenen Werten verglichen. Im einfachsten Fall handelt es sich hierbei lediglich um den Anoden-Iststrom lA-ist. Der entsprechende Regelkreis ist mit CR2 bezeichnet. Wird in die Regelung zusätzlich der mit lG bezeichnete Gitterstrom einbezogen, das heißt der durch das Extraktionsgitter 10 abfließende Strom, so ist der Regelkreis CR4 gegeben. Bei den Regelkreisen CR3 und CR1 spielen zusätzlich die Fokussierungselektroden 11, 12 eine Rolle. Im Fall des Regelkreises CR3 werden die Fokussierungselektroden 11, 12 passiv, das heißt auf demselben Potential wie das Gehäuse der Röntgenröhre 2, betrieben. Dagegen liegt im Fall des Regelkreises CR1 eine aktive Fokussierung vor. Die Fokussierungselektroden 11, 12 können hierbei mit konstanten oder gepulsten Spannungen in der

Größenordnung von - 10 KV bis + 10 KV betrieben werden. Der durch die Fokussierungselektroden 11, 12 fließende Strom ist mit lFi beziehungsweise lF2 bezeichnet. Der Regelkreis CR1 stellt insgesamt die aufwendigste Form der Stromregelung dar.

Mit dem Diagramm nach Fig. 16 wird auf Fig. 15 zurückgekommen. Hierin sind Einzelheiten der Pre-Puls-Compensation PPC aufgezeichnet. In dem Diagramm bezeichnet CoV die Kompensator-Spannung, welche durch die Schaltung 66, das heißt die Kompensationsschaltung, erzeugt wird. Der Kompensationsvorgang wird durch verschiedene Trigger-Signale Tl, T2, T3 beeinflusst. Hierbei markiert das Trigger-Signal T3 den Beginn des Pulses, der durch die Kompensator Spannung CoV beschrieben wird und eine betragsmäßig ansteigende Form, das heißt die Form eines einzelnen Sägezahnes, hat. Die Dauer dieses Pulses ist in Fig. 16 als Puls-Phasen-Dauer PuPh bezeichnet. Um rechtzeitig den Puls mit dem gewünschten Betrag bereitzustellen, fällt eine interne Spannung innerhalb der Schaltung 66, deren Verlauf in Fig. 16 direkt unterhalb der drei Trigger-Signale Tl, T2, T3 dargestellt ist, bereits vor Beginn des sägezahnartigen Pulses der Kompensator-Spannung CoV rampenartig ab. Der Start dieser Rampe ist in Fig. 16 als Rampen-Start RS bezeichnet. Der Rampen-Start RS ist gegenüber dem Start des sägezahnartigen Pulses der Kompensator-Spannung CoV zeitlich um eine Rampen-Verschiebung RV vorverlegt. Das Ende der Rampe der internen Spannung ist mit RE bezeichnet. Anschließend wird ein konstantes Spannungsniveau behalten, bis innerhalb einer Spannungs-Rückgangs-Phase SR die interne Spannung wieder auf den Ausgangswert, nämlich 0 Volt, zurückgeführt wird.

Die Trigger-Signale T2 und Tl markieren Ende und Beginn von Leerlauf-Phasen IP. Nach dem Ende der zeitlich ersten in Fig. 16 eingezeichneten Leerlauf-Phase IP beginnt eine Preload-Phase PrPh. Während dieser Preload-Phase PrPh fällt, ohne dass die Kompensator-Spannung CoV einen Ausschlag zeigt, ein interner Strom in der Schaltung 66 ab. Da vom Stromwert 0 Ampere ausgegangen wird, ist hierbei ein betragsmäßiger Anstieg des Stroms gegeben. Der Strom wird als Inductor-Strom IC bezeichnet. Das absolute Minimum, das heißt

betragsmäßiges Maximum, des Inductor-Stroms IC ist im Bereich des sägezahnartigen Pulses der Kompensator-Spannung CoV gegeben. Anschließend steigt der Strom innerhalb einer Inductor-Energie-Rückgewinnungsphase IER wieder an. Zu Beginn der Spannungs-Rückgangs-Phase SR hat der Inductor-Strom IC wieder den Wert 0 Ampere angenommen.

Die Mehrzahl einzelner Kathoden 4, welche sich innerhalb der Röntgenröhre 2 befinden und durch die zentrale Anodenstromregeleinheit 19 angesteuert werden, ist in Fig. 17

schematisch dargestellt. Die Anzahl der Kathoden 4 unterliegt hierbei keinen theoretischen Beschränkungen. Die Kathoden 4 können durch eine Entladeschaltung 68, welche mit der Kathodenschalteranordnung 20 verbunden ist, bei Bedarf schnell entladen werden. Die Entladeschaltung 68 umfasst eine Kette an Widerständen, deren erstes Ende geerdet ist, während das zweite Ende der Kette an Widerständen beim Entladevorgang über einen Schalter mit der zu entladenden Kathode 4 verbunden ist.

Bezugszeichenliste

Röntgengerät

Röntgenröhre

Ansteuervorrichtung

Elektronenquelle, Kathode

Anode

Fokussierungsvorrichtung

Keramiksubstrat

Metallisierung

Emitterschicht

Extraktionsgitter

Fokussierungselektrode

Fokussierungselektrode

Röntgenfenster

Anodenenergieversorgungseinheit

Spannungsversorgungseinheit der Fokussierungselektrode 12 Spannungsversorgungseinheit der Fokussierungselektrode 11 Spannungsversorgungseinheit des Extraktionsgitters

Spannungsversorgungseinheit der Kathoden

Anodenstromregeleinheit

Kathodenschalteranordnung

Kathodenspannungsschalter

Kathodenspannungsschalter

Kathodenspannungsschalter

Kathodenspannungsschalter

programmierbare Baugruppe

Mikrocontroller

FPGA

Kathodenansteuervorrichtung

Gehäuse

äußeres Gehäuse

Anodencontroller

Tiefsetzsteller

Royer-Oszillator

Transformator

Kaskadenschaltung

Benutzer-Schnittstelle

digitaler Signalprozessor

FPGA

Optokoppler

FPGA

Digital-Analog-Wandler

Schaltungselement

Multiplexer

Anschluss

Anschluss

Spannungsüberwachung

Gatetreiber

Logik-Baustein

Optokoppler

Inverter

Triggersignal

Gyrator-Schaltung

Phase-Shift-PWM-Controller

Öltank

Controller

Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler

Gate-Treiber

Gate-Treiber

Optokoppler

60 Hochspannungsschalter

61 Netzspannungsanschluss

62 Inverter

63 Transformator

64 Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler

65 Marx-Generator

66 Schaltung

67 Messvorrichtung

68 Entladeschaltung

BP Bezugspotential

CoV Kompensator-Spannung

CR1.. CR4 Regelkreise

EB Elektronenstrahl

EP Entladungsphase

GA1, GA2 Gitter-Anschlüsse

HA Heizungs-Anschluss

I A-ist Anoden-Iststrom

-s Anoden-Sollstrom

IC Inductor-Strom

lE Emitterstrom

IER Inductor-Energie-Rückgewinnungsphase

I FI Strom durch die Fokussierungselektrode 11 lF2 Strom durch die Fokussierungselektrode 12 lG Gitterstrom

IP Leerlauf-Phase

KS konstantes Stromniveau

PE Peak

PPC Pre-Puls-Compensation

PrPh Preload-Phase

PuPh Puls-Phasen-Dauer

RS Rampen-Start

RE Rampen-Ende

RV Rampen-Verschiebung

Sig Ausgangssignal

SR Spannungs-Rückgangs-Phase

t, to, ti Zeit

T1J2J3 Trigger-Signale

UA Anodenspannung

U FI, U F2 Spannung der Fokussierungselektrode 11, 12

UG Gitterspannung

VI Vergleichsstrom

VSi Vergleichssignal

XR Röntgenstrahlung