Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem äußeren Magnetfeld

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem äußeren Magnetfeld, das durch eine Magnetfeldeinrichtung erzeugbar ist. Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst eine Kathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls sowie eine Anode zum Abbremsen der Elektronen des Elektronenstrahls und zum Erzeugen eines Röntgenstrahls. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines von der Ka- thode in Richtung der Anode gerichteten elektrischen Felds.

Die Röntgenstrahlung entsteht in einer derartigen Vorrichtung durch energetische Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen sowie durch die Geschwindigkeitsänderung der geladenen Teilchen an sich. In der Vorrichtung werden die von der Kathode emittierten Elektronen zunächst durch das anliegende elektrische Feld beschleunigt und treffen dann auf die Anode, in der sie stark abgebremst werden. Dabei entsteht Röntgenstrahlung und Wärme, wobei durch Elektronen- und Pho- tonenwechselwirkungen Elektronen aus den Schalen der Atome herausgeschlagen werden. Die Löcher in den Schalen werden durch andere Elektronen aufgefüllt, wobei unter anderem die charakteristische Röntgenstrahlung entsteht. Dieser überla ^¬ gert ist die sogenannte Bremsstrahlung, die durch die bloße Geschwindigkeitsänderung der Elektronen infolge der Wechselwirkung mit der Anode hervorgerufen wird.

Mit Röntgenstrahlung kann beispielsweise der menschliche Kör ^¬ per durchleuchtet werden, wobei vor allem Knochen, aber auch innere Organe sichtbar werden. Im Umfeld der medizinischen

Diagnostik besteht der Wunsch, Röntgenbildgebung mit auf Magnetfeldern basierenden, anderen bildgebenden Verfahren zu kombinieren. Beispielsweise kann eine Vorrichtung zur Röntgenbildgebung mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) kombiniert werden. Bei der Angiographie, einem bildgebenden medizinischen Verfahren, das Blut- und Lymphgefäße abbildet, können ebenso Magnetfelder zur Führung des Katheders auftre- ten .

Medizinische Vorrichtungen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen nutzen häufig Glühkathoden. Werden Glühkathoden einer starken magnetischen Induktion, hervorgerufen durch eine Magnetfeld- einrichtung, wie das MRT oder das Angiographiesystem, ausgesetzt, wird der erzielbare Elektronenstrom reduziert. Eben ^¬ falls wird die Fokussierung des von der Glühkathode abgegebe ^¬ nen Elektronenstrahls durch die von elektrischen Feldern geprägte Optik negativ beeinflusst. Somit ergibt sich eine im Vergleich zu einer Röntgenvorrichtung ohne äußeres Magnetfeld wesentlich geringere Elektronenstromdichte (kurz: Stromdich ^¬ te) auf der Anode. Eine bestimmte, vorgegebene Stromdichte ist jedoch für die Erzeugung des Röntgenstrahls in einer für die medizinische Anwendung ausreichenden Intensität erforder- lieh. Die Kompensation der verringerten Stromdichte ist über eine höhere Heiztemperatur der Glühkathode möglich. Eine sol ^¬ che Erhöhung der Heiztemperatur beeinflusst die Lebensdauer der Glühkatode und damit der Röntgenröhre jedoch negativ. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung anzugeben, welche in einem äußeren Magnetfeld betreibbar ist und einen hohen Elektronenstrom erzeugen kann, ohne dass eine Gefahr für die Zerstörung der Kathode oder eine Reduktion der Lebensdauer der Kathode besteht und die Bildqualität nicht beeinträchtigt wird

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zur Lösung der oben stehenden Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem äußeren Magnet- feld, das durch eine Magnetfeldeinrichtung erzeugbar ist, vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Kathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine Anode zum Abbremsen der Elektronen des Elektronenstrahls und zum Erzeugen eines Rönt- genstrahls und eine Einrichtung zum Erzeugen eines von der Anode in Richtung der Kathode gerichteten und zu dem äußeren Magnetfeld im Wesentlichen kollinearen elektrischen Feldes. Die Kathode umfasst als Elektronenemitter eine Kaltkathode, welche passiv mittels Feldemission freie Elektronen bereit- stellt.

Unter einem im Wesentlichen kollinearen elektrischen Feld wird ein elektrisches Feld verstanden, das nicht überall pa ^¬ rallel zum Magnetfeld sein muss. Die Elektronen folgen dem Magnetfeld (bei ausreichender Stärke) , die Anforderungen an das elektrische Feld in Bezug auf seine Ausrichtung sind da ^¬ her unter diesen Voraussetzungen abgeschwächt. Im herkömmlichen Fall muss das elektrische Feld so geformt sein, dass ei ^¬ ne Fokussierung des Elektronenstrahles auf die Anode erfolgt.

Eine derartige Anordnung ermöglicht durch die Verwendung ei ^¬ ner Kaltkathode die Erzeugung eines hohen Elektronenstroms (d.h. eines Elektronenstrahls mit einer großen Anzahl an Elektronen) , ohne dass eine Gefahr für das Zerreißen oder Zerstören der Kathode besteht. Da bei den vorgenannten Voraussetzungen keine Fokussierung des Elektronenstrahls durch elektrische Felder stattfindet, kann die Emissionsstromreduktion zum Beispiel im Falle einer Glühkathode nicht mittels eines größeren Filaments kompensiert werden, ohne den Brenn- fleck zu vergrößern. In diesem, herkömmlichen Fall würde eine Strahlfleckfläche entsprechend einer projizierten

Filamentgröße zunehmen, wodurch Anforderungen bezüglich der Strahlfleckgröße nicht eingehalten werden können. Durch Nutzung einer Kaltkathode bleibt eine materialspezifische Strom- dichte weitestgehend unbeeinflusst .

Die Strahlfleckgröße beschreibt den Bereich des auf der Anode auftreffenden Elektronenstrahls, der durch die Größe und Ge- stalt der Kathode und den Verlauf der beiden Felder beein- flusst ist. Idealerweise sollte der Strahlfleck punktförmig sein, wodurch die Erzeugung der Röntgenstrahlung von einer punktförmigen Röntgenquelle nahe käme.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Elektronenemitter linienförmig ausgebildet. Unter einem linienförmigen Elektronenemitter ist ein über seine gesamte Länge sich längs einer Richtung erstreckender, d.h. gerader, nicht

gewendelter, Elektronenemitter zu verstehen.

Zweckmäßigerweise weist der Elektronenemitter im Querschnitt in Bezug auf eine axiale Erstreckungsrichtung eine konvexe Oberfläche auf, wobei die konvexe Oberfläche sich ausschließ ^¬ lich in Richtung der Anode erstreckt und den Elektronenemit ^¬ ter repräsentiert. Hiermit geht eine Reduktion der emittie ^¬ renden Fläche des Elektronenemitters im Vergleich zu einem Filament einer Glühkathode einher. Dies ist begleitet von ei ^¬ nem durch das äußere Magnetfeld ungestörten Elektronenstrom in Richtung der Anode, da sichergestellt ist, dass lediglich Elektronen in Richtung der Anode aus dem Elektronenemitter austreten können. Insbesondere ist auch im Vergleich zu einem Filament einer Glühkathode eine Reduktion der emittierenden Fläche vermieden, da nur die Vorderseite des Elektronenemit ^¬ ters zum Elektronenstrom beiträgt.

Der Elektronenemitter kann im Querschnitt in Bezug auf eine axiale Erstreckungsrichtung die Form eines Halbzylinders auf ^¬ weisen. Grundsätzlich kann die konvexe Oberfläche auch durch andere Querschnittsformen des Elektronenemitters realisiert werden. Durch die Form eines Halbzylinders wird eine konvexe Oberfläche, die sich ausschließlich in Richtung der Anode erstreckt, ermöglicht. Insbesondere erlaubt es diese Gestalt, dass eine Feldüberhöhung auf der Fläche des Halbzylinders insbesondere über ihren vollständigen linienförmigen Verlauf, möglich ist, wodurch der Elektronenaustritt erleichtert wird. Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Kathode ein Substrat umfasst, auf dem der Elektronenemitter angeordnet ist. Das Substrat kann aus einem Halbleitermaterial bestehen. Das Sub ^¬ strat kann auch aus einem Metall bestehen. Der Elektronen- emitter und das Substrat sind elektrisch leitend miteinander verbunden .

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung verläuft die axiale Erstreckungsrichtung parallel oder in einem Winkel zu einer ersten Richtung, welche sich senkrecht zu einer dritten Richtung des elektrischen Felds und einer zweiten Richtung quer zu dem elektrischen Feld erstreckt, wobei eine Aufprall ^¬ fläche der Anode in einer Ebene liegt, die sich parallel zu der zweiten Richtung und in einem spitzen Winkel zu der ers- ten Richtung erstreckt. Abhängig von dem gewählten Maß des spitzen Winkels kann das Maß der Punktförmigkeit des von der Anode ausgehenden Röntgenstrahls bemessen werden. Die

Punktförmigkeit ist umso mehr gegeben, je kleiner das Maß des spitzen Winkels gewählt wird.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung besteht die Kathode aus einem auf Kohlenstoff basierenden Stoff oder Stoffen. Insbesondere kann die Kathode eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen, um das Austreten von Elektronen auf- grund einer Feldüberhöhung zu erleichtern. Die Oberfläche kann einen Film von Carbon-Nano-Flakes als feldemittierende Elemente aufweisen. Die Carbon-Nano-Flakes können abgerundete oder spitze Kanten aufweisen. Bekanntermaßen verlassen die Elektronen die Oberfläche des

Elektronenemitters aufgrund eines dort vorherrschenden elek ^¬ trischen Feldes, das wie beschrieben im Wesentlichen kollinear zu dem äußeren Magnetfeld ist. Das elektrische Feld kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Katho- de und der Anode erzeugt sein. Zu diesem Zweck kann eine

Spannungsquelle zum Bereitstellen einer ersten Spannung zwischen der Kathode und der Anode vorgesehen bzw. verschaltet sein. Alternativ kann zwischen der Anode und der Kathode eine weitere Elektrode angeordnet sein, wobei eine Spannungsquelle zum Bereitstellen einer zweiten Spannung zwischen der Kathode und der weiteren Elektrode vorgesehen ist, wobei die zweite Gleichspannung geringer als die erste Gleichspannung ist. Ei- ne zwischen der Anode und der Kathode liegende weitere Elekt ^¬ rode ist auch unter dem Namen "Puller-Elektrode" bekannt. Die Elektronen verlassen die Oberfläche des Elektronenemitters mit einer so geringen Energie, dass diese den Feldlinien des Magnetfelds folgen. Typischerweise werden die Spannungen ge- pulst, um den Strahl ein- und auszuschalten, beispielsweise bei Angiografie bis zu 30 Bildern pro Sekunde.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausfüh ^¬ rungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä ^¬ ßen Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem äußeren Magnetfeld, und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Kathode, wie diese in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingesetzt wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung 32. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Kathode 10 und eine um eine Rotationsachse 21 drehbare Anode 20 (sog. Drehanode) . Die Anode 20 kann auch als Stehanode ausgebildet sein. Über eine Gleichspannungsquelle 40, welche zwischen der Kathode 10 und der Anode 20 verschaltet ist, wird zwischen diesen eine elektrische Spannung vorgegebener Höhe angelegt. Hierdurch entsteht ein von der Anode in Richtung der Kathode gerichte ^¬ tes elektrisches Feld. Die Vorrichtung 1 ist in einem durch eine nicht näher dargestellte Magnetfeldeinrichtung erzeugten äußeren Magnetfeld 50 angeordnet. Die magnetischen Feldlinien des Magnetfelds 50 und die elektrischen Feldlinien des elektrischen Felds, das zwischen der Anode 20 und der Kathode 10 erzeugt ist, verlaufen weitestgehend kollinear. Dies bedeu- tet, die Feldlinien des elektrischen Feldes entsprechen den Feldlinien des magnetischen Feldes 50.

Die Anordnung der Vorrichtung 1 im Raum ist in der vorliegen- den Beschreibung durch ein Koordinatensystem mit einer ersten Richtung (x-Richtung) , einer zweiten Richtung (y-Richtung) und einer dritten Richtung (z-Richtung) definiert. Die drei Richtungen bzw. Achsen stehen dabei jeweils in einem rechtwinkligen Winkel zueinander, d.h. die drei Richtungen bzw. Achsen bilden ein kartesisches Koordinatensystem. Gemäß diesem verlaufen die Feldlinien des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes parallel zur x-Richtung, während sich die Kathode 10 und die Anode 20 in der x-y-Ebene erstrecken. Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine vergrößerte Darstellung der in der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommenden Kathode 10. Um die Anordnung der Kathode 10 in der Vorrichtung 1 zu veranschaulichen, ist ein der Fig. 1 entsprechendes Koordinatensystem dargestellt.

Die Kathode 10 umfasst ein Substrat 11 und einen Elektronen ^¬ emitter 12 mit einer jeweiligen Länge 15. Das Substrat 11 be ^¬ steht z.B. aus einem Halbleitermaterial oder einem Metall. Der Elektronenemitter 12 weist einen Querschnitt 13 auf, der in Bezug auf eine axiale Erstreckungsrichtung (d.h. eine Er- streckung längs der x-Richtung oder alternativ in einem Winkel zu der x-Richtung und in der x-z-Ebene liegend) eine kon ^¬ vexe Oberfläche aufweist, wobei sich die konvexe Oberfläche, wenn die Kathode 10 in der Vorrichtung 1 angeordnet ist, sich ausschließlich in Richtung der Anode 20 erstreckt. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführung weist der Elektronenemitter im Querschnitt die Form eines Halbzylinders auf. Mit dem Be ^¬ zugszeichen 14 ist die Oberfläche des Elektronenemitters 12 gekennzeichnet, aus dem die Elektronen aus dem Elektronen- emitter aufgrund des vorherrschenden elektrischen Feldes austreten . Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weisen der Elektronenemitter 12 und das Substrat 11 eine gleiche Länge 15 auf. Dies ist grundsätzlich nicht erforderlich, die Länge des Sub ^¬ strates 11 könnte größer sein als die Länge 15 des Elektro- nenemitters 12.

Der Elektronenemitter 12 besteht aus einem auf Kohlenstoff basierenden Stoff oder Stoffen. Insbesondere kann der Elektronenemitter 12 eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen. Der Elektronenemitter 12 ist damit als Kaltkathode ausgebildet.

Die Oberfläche 14 des Elektronenemitters 12 kann Carbon-Nano- Flakes umfassen. Die Carbon-Nano-Flakes können durch einen CVD (Chemical Vapour Deposition) -Prozess auf die Oberfläche 14 des Elektronenemitters 12 aufgebracht werden. Die Carbon- Nano-Flakes gehen aus einer Schicht aus Carbon bzw. Kohlenstoffmaterial hervor, welches zunächst auf das Substrat 11 aufgebracht ist. Ein Elektronenemitter mit Carbon-Nano-Flakes weist eine bessere elektrische Leitfähigkeit aufgrund seiner graphitischen Struktur auf. Darüber hinaus wird ein vergrö- ßerter Bereich für die Emission der Elektronen bereitgestellt. Aufgrund der unregelmäßigen Oberfläche kann zudem der Effekt von Feldüberhöhungen genutzt werden, wodurch die Elektronen leicht aus dem Material des Elektronenemitters austre ^¬ ten .

Als Beispiel für ein geeignetes Material für den Elektronen ^¬ emitter kann das in der US 6,819,034 Bl beschriebene Material zur Bereitstellung einer Kaltkathode für die Verwendung in einem Computersystem verwendet werden.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ist die in Fig. 2 beschriebene Kathode 10 derart in der Vorrichtung 1 angeordnet, dass sich der linienförmige Elektronenemitter 12 in Richtung der x-Richtung des Koordinatensystems erstreckt. Alternativ kann er sich auch in Bezug auf die x-Richtung in einem Winkel, jedoch in der x-z-Ebene liegend, erstrecken. Der Elekt ^¬ ronenemitter 12 ist dabei relativ zu der Anode 20 derart aus ^¬ gerichtet, dass er in z-Richtung überdeckend zu einem Auf- prallbereich 22 der Anode 20 angeordnet ist. Der Aufprallbe ^¬ reich 22 der Anode 20 liegt in einer Ebene, die sich in Richtung der y-Achse und in einem spitzen Winkel 23 zu der x-y- Ebene des Koordinatensystems erstreckt. Durch das Maß des spitzen Winkels 23 wird festgelegt, wie groß die scheinbare Oberfläche ist, von der der Röntgenstrahl 32 von der Anode 20 ausgeht. Je flacher das Maß des Winkels 23, desto geringer ist das Maß der Erstreckung des Aufpralls des Elektronenstrahls 30 in z-Richtung, wenn man den Aufprall des Elektro- nenstrahls 30 in x-Richtung auf die y-z-Ebene betrachtet.

Bedingt durch die linienförmige Gestalt des Elektronenemit ^¬ ters 12 wird der Aufprallbereich 22 der Anode 20 in der x-y- Ebene ebenfalls lediglich linienförmig bestrahlt, wodurch im Ergebnis ein Röntgenstrahl 32 bereitgestellt werden kann, welcher sich aus der y-z-Ebene heraus in x-Richtung erstreckt, dessen Strahlfleck 31 verhältnismäßig klein ist und einer Punktförmigkeit nahe kommt. Die Elektronen verlassen die Oberfläche 14 des Elektronenemitters 12 mit einer so geringen Energie, dass diese den Feldlinien des äußeren Magnetfelds 50 folgen. Die Vorrichtung 1 ist dabei so ausgerichtet, dass die Strecke von der Kathode 10 zu der Anode 20 und damit die beabsichtigte Strahlrichtung kollinear zur Magnetfeldrichtung des äußeren Magnetfelds 50 liegt. Damit ist eine transversale Bewegung der Elektronen - bis auf eine Rotation mit einem sehr kleinen Zyklotronradius um die Hauptausbreitungsrichtung in z-Richtung - praktisch unterbunden. Infolgedessen bildet sich auf der Aufprallfläche 22 der Anode 20 ein Strahlfleck 31 aus, der der Projektion der emittierenden Fläche des Magnetfelds 50 entspricht und damit entsprechend der Gestalt des Elektronenemitters 12 ebenfalls linienförmig ist. Im Ergebnis lässt sich bei einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem äußeren Magnetfeld 50 eine den Anforderungen der Brennfleckgröße entsprechende, kleine pro ^¬ jizierte Fläche darstellen. Dies wird begünstigt durch die konvexe Gestalt der Oberfläche 14 des Elektronenemitters 12, was der Feldemission bei gegebener Extraktionsspannung zugutekommt . Die Vorrichtung 1 erlaubt es, einen hohen Elektronenstrom zu erzeugen, ohne dass eine Gefahr für das Zerreißen eines stromdurchflossenen, labilen Leiters (Filament) besteht. Die Reduktion der emittierenden Fläche und somit auch die des ungestörten Elektronenstroms durch das Magnetfeld, wie sie bei einer Kathode mit einer Glühwendel erfolgt, tritt bei der vorgeschlagenen Vorrichtung nicht auf, da bei der genutzten Kaltkathode ohnehin nur die Vorderseite, d.h. die Oberfläche 14, zum Elektronenstrom beiträgt. Eine materialspezifische Stromdichte bleibt damit weitestgehend unbeeinflusst .

Da die Fokussierung des Elektronenstrahls 30 durch das elekt ^¬ rische Feld nicht mehr stattfindet und erforderlich ist, kön ^¬ nen die Nachteile bei der Verwendung einer Glühkathode in ei ^¬ nem Magnetfeld vermieden werden.

Im Ergebnis lässt sich damit eine Vorrichtung 1 bereitstel ^¬ len, die eine hohe Standzeit aufweist und bei der die gefor ^¬ derte Stromdichte zur Erzeugung des Röntgenstrahls möglich ist, ohne die Lebensdauer der Komponente negativ zu beein- flussen. Möglich wird dies durch die Nutzung einer Kaltkathode zum Zwecke der Erzeugung einer genügend großen Stromdichte .