WO2011104011A2 - Röntgenröhre sowie system zur herstellung von röntgenbildern für die zahnmedizinische oder kieferorthopädische diagnostik - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to X-ray tubes, in particular X-ray tubes of microfocus type. With microfocus X-ray tubes diameter of the focal spot of less than 50 ⁇ can be achieved.
  • the invention further relates to a system for producing X-ray images for dental or orthodontic diagnostics using such an X-ray tube.
  • X-ray devices are commonly used in medicine for the examination of body tissue, eg. B. of bones or teeth, and used in the art for the investigation of objects, such as in the context of material testing.
  • body tissue eg. B. of bones or teeth
  • X-ray devices are commonly used in medicine for the examination of objects, such as in the context of material testing.
  • Main components of an X-ray device are an X-ray tube for generating X-radiation and an X-ray detector, which detects the intensity of the X-radiation after it has passed through the body tissue or object to be examined.
  • the image of the body tissue or of the object generated by the X-ray detector reflects the distribution of structures which absorb the X-ray radiation to different extents.
  • An x-ray tube includes an electron gun, which in turn comprises an electron source and means for generating an electric field.
  • the electrons emerging from the electron source become in the electric field
  • CONFIRMATION COPY accelerate and leave the electrons as a bundled electron beam.
  • the electrons are decelerated abruptly, producing, among other things, Bremsstrahlung, which is used as X-rays.
  • the location where the electron beam strikes the target and from which the X-radiation emanates is generally referred to as the focal spot. The smaller the focal spot.
  • the focal spot is, the sharper are the images that can be recorded with the X-ray tube.
  • Diameter is about 1 to 2 mm.
  • Such large focal spot diameters are required in particular when the use of the X-ray device requires very high radiant powers. In such a case, the diameter of the focal spot can not be arbitrarily reduced, since otherwise the target would be thermally destroyed by the electron beam even when carrying out complex cooling measures.
  • focal spot diameters With smaller radiation powers of up to about 100 W, however, focal spot diameters of less than 100 ⁇ (mini-focus X-ray tube) and sometimes even significantly less than 50 ⁇ ⁇ (microfocus X-ray tube) can be achieved. In some X-ray tubes, this is achieved by the target itself having correspondingly small dimensions, so that very small focal spot diameters are achieved even when a broader electron beam is irradiated.
  • the small focal spot diameters are formed by a stronger bundling of the electron beam incident on the target by means of magnetic see or occasionally electric fields.
  • These X-ray tubes contain targets whose dimensions are substantially larger than the diameter of the focal spot perpendicular to the direction of incidence of the electron beam. Frequently, the targets are wedge-shaped or roof-shaped, the electron beam being directed onto the edge of the wedge or ridge of the roof. In this way, the X-radiation may be emitted azimuthally over an angular range substantially equal to 360 ° minus the wedge or ridge angle.
  • the target In order to fully capture both sets of teeth with currently available X-ray tubes with a single X-ray, the target must be located relatively far back near the patient's throat so that the X-rays generated by the X-ray source can pass all of the patient's teeth. Apart from the inconvenience associated with the patient (choking reflex, etc.), such an arrangement of the X-ray source is also unfavorable because it projects most of the teeth onto the X-ray detector with severe distortion. the. The X-ray images recorded in this way therefore need to be electronically equalized in a relatively complex manner.
  • a large azimuthal angular range covers microfocus X-ray tubes in which the target is sputtered onto a flat support as a thin film.
  • the rear half space can be almost completely filled with X-rays.
  • no X-rays can propagate.
  • such X-ray tubes for example, for PVA X-ray devices are not suitable.
  • US Pat. No. 2,946,892 proposes an X-ray tube for panoramic enlargement photographs which has a focal spot detector with which it is possible to detect secondary electrons which are emitted when the electron beam impinges on the target.
  • a deflection device for the electron beam is automatically controlled as a function of the detected secondary electrons such that the electron beam impinges on the target.
  • the object of the present invention is to provide an X-ray tube with which very small focal spot diameters can be achieved, wherein the X-ray radiation is to be emitted into a large azimuthal angular range.
  • the generation of very small focal spot diameter should be permanent and independent of drift movements o. ⁇ ., Which may arise, for example, by thermal expansion in the X-ray tube.
  • this object is achieved by an X-ray tube with an electron tunnel for generating an electron beam and with a target. X-rays are released at the target when the electron beam strikes the target along an incident direction.
  • the X-ray tube further comprises a target holder against which the target is abutted and which consists of a holder material having a smaller atomic number than the target material constituting the target.
  • the target has a width of less than 250 ⁇ , preferably less than 100 m, and more preferably less than 50 ⁇ , at least in one direction, which is perpendicular to the direction of incidence. With a width of between 50 ⁇ m and 100 ⁇ m, the X-ray tube becomes a mini-focus X-ray tube, and with a width of less than 50 m, the microfocus X-ray tube.
  • Materials which are suitable for the target usually have a high atomic number, since, according to Kramer's rule, the intensity of the generated Bremsstrahlung is proportional to the atomic number.
  • the absorption capacity for X-ray radiation is approximately proportional to the third power of the atomic number, so that suitable target materials at the same time greatly enhance the generated X-ray radiation strongly absorb.
  • the surface facing the electron beam is considerably larger than the diameter of the electron beam in all directions perpendicular to the direction of incidence.
  • the azimuthal angular range into which the X-ray radiation is emitted in conventional X-ray tubes is correspondingly small. Due to the fact that according to the invention the target has a width at least in a direction perpendicular to the direction of incidence which is approximately of the order of magnitude of the electron beam diameter, absorption of the X-ray radiation in this direction does not take place because there is no or only very little target material in this direction hinders the spread of X-rays.
  • the width of the target in this direction may even be smaller than the diameter of the electron beam, since the holder material constituting the target holder has a smaller atomic number than the target material. Therefore, when electrons strike the holder material, little X-radiation is generated.
  • the holder material does not appreciably absorb the X-ray radiation generated there or on the target because of its smaller atomic number, so that the target can be partially or completely embedded in the holder material. This is advantageous in terms of the required dissipation of heat that arises in the target when bombarded with the electron beam.
  • tungsten or tantalum is suitable as the target material because of the high atomic number and the high melting point, while for the holder material, for example, aluminum beryllium or carbon (especially in the modification as diamond) comes into consideration.
  • ordinal number is here understood to mean the atomic number in the narrower sense, ie the number of protons in the atomic nucleus of a chemical element, as well as in the broader sense an effective atomic number.
  • the effective atomic number is used for compounds and mixtures and represents a kind of weighted average over the elements contained in the compound or mixture, taking into account the proportion of chemical elements in the compound or mixture of substances. In the present context, for compounds or mixtures of substances, the effective atomic number is given by the equation
  • the target perpendicular to the direction of incidence of the electron beam has a maximum extent of less than 250 ⁇ , preferably less than 100 ⁇ , and more preferably less than 50 ⁇ .
  • the target can only absorb the X-ray radiation that propagates along the direction of incidence of the electron beam, provided that the target has a notable length along this direction.
  • the target is formed as a straight wire section.
  • Such training as Wire section has the advantage that the target can still handle comparatively well despite its very small diameter.
  • the wire section can be arranged, for example, so that its longitudinal axis runs perpendicular to the incident direction of the electron beam. In this
  • the target holder may have a wedge-shaped recess in which the target is jammed.
  • the adjustment of the target in the target holder is thereby substantially simplified, since the target aligns itself in the wedge-shaped recess.
  • the cross section of the wire section is preferably circular, since in this way a particularly small angle dependence of the X-ray emission is achieved. Especially if a certain angle dependence of the X-ray emission is desired, the cross section of the wire section but also other than circular, z. For example, square or elliptical.
  • a maximum extent of less than 250 ⁇ , preferably less than 100 ⁇ , and more preferably less than 50 ⁇ should have, so this can be achieved with a straight wire section whose longitudinal axis with the Incident direction includes a very small angle, namely less than 30 ° and preferably less than 5 °, or perfectly aligned with the direction of incidence.
  • the target has its minimum dimensions perpendicular to the direction of incidence of the electron beam. X-ray radiation is therefore in all directions, only not along the longitudinal axis of the wire section, emitted.
  • the angular dependence of the X-ray emission can be reduced in such a directed wire section when its end facing the electron gun is rounded, in particular such that the end is hemispherical in shape.
  • the target holder can have a bore, in which the wire section is accommodated.
  • the wire section can be inserted so far into the bore that the end facing the electron gun end of the wire section terminates at least substantially flush with a surface of the target holder. In this way, the largest possible contact surface is available, through which the heat generated in the target can be released to the target holder.
  • the wire section may also be jammed by a radial pinch in the bore.
  • the length of the wire section is at most 1.5 times, preferably at most 1.1 times its diameter, the advantage of easier handling is lost, but the shape of the target more and more approximates that of a point which is uniform in all spatial directions X-rays emitted.
  • the target is formed by a sphere.
  • When bombarded with electrons emitted Spherical target X-ray radiation is virtually isotropic in all spatial directions.
  • the target holder may have a wedge-shaped or, better still, a frustoconical or pyramidal recess in which the target is jammed.
  • the not easy to handle because of its small size target can then be conveniently inserted into the recess in which it aligns itself and jammed when applying a low pressure. Since in such a small target, the removal of the heat generated in it can be critical, comes to a clamp and jamming between diamond pieces into consideration, because they have a particularly high thermal conductivity.
  • the actual attachment of the target can be done in the target holder by electric spot welding. Due to the welded connection, a particularly good heat transfer between the target and the target holder is achieved.
  • the target holder may have an end face facing the electron gun which is concavely curved, e.g. B. cylindrical or spherical. Due to the very small dimensions of the target, at least in a direction perpendicular to the direction of incidence, it will generally be difficult to direct the electron beam onto the target by suitable structural measures and a one-time adjustment so that the focal spot remains permanently on the target.
  • the X-ray tube therefore has a deflection device for deflecting the electron beam and a focal spot detector which is adapted to measure the location of the focal spot at which the electron beam impinges on the target or the target holder.
  • a control unit is configured to control the deflection device in such a way depending on the location of the focal spot, that the electron beam impinges on the target.
  • the deflection device, the focal spot detector and the control unit in this way together form a target device with which it is possible to reliably direct the electron beam onto the very small target, namely permanently and independently of drift movements or the like which are caused by, for example thermal expansion in the X-ray tube can arise.
  • the focal spot detector In order to measure the location of the focal spot, the focal spot detector also has a detector device for detecting X-radiation and / or secondary electrons and / or backscattered electrons, which are radiated upon impact of the electron beam on the target and / or the target holder, wherein the detector means a Detector surface has. Furthermore, the focal spot detector is set up to control the deflection device in such a way that the electron beam is guided in a scanner-like manner over the target and the target holder, as a result of which a scanning electron microscopic image of the target is obtained.
  • the X-ray tube thus effectively integrates a simple scanning electron microscope with which a high-resolution image of the target and its surroundings can be generated.
  • This image may be the control unit of the target device to do so use to direct the electron beam exactly to the target.
  • the deflection device with which the electron beam can be directed onto the target can have means for generating magnetic and / or electric fields, as is known per se in the prior art.
  • the x-ray tube may further include a focusing device configured to focus the electron beam.
  • a focusing device may comprise one or more electromagnets in a manner known per se. Particularly favorable is a combination of a permanent magnet with an electromagnet, as is known for example from WO 2008/017376 AI.
  • the permanent magnet generates a kind of basic focusing, while the fine focusing is variably adjusted with the electromagnet.
  • the permanent magnet and the electromagnet can advantageously be arranged so offset in the propagation direction of the electrons that generated by the permanent magnet magnetic field lines at least substantially outside a core of the electromagnet run.
  • the focal spot detector may be configured to detect not only the location but also the diameter of the focal spot.
  • the focusing device can then be controlled in dependence on the focal spot diameter measured by the focal spot detector so that the electron beam has a desired diameter, the z. B.
  • the focal spot detector to is set up to measure a property of the scanning electron micrograph of the target.
  • the control unit is then configured to control the focusing device such that the measured property reaches a predetermined value
  • This control of the focusing device is based on the consideration that some properties, in particular the edge steepness or a similar size, of the scanning electron microscope image of the target depend on the diameter of the electron beam. Thereby, the measurement of the electron beam diameter and hence the focal spot is converted into a relatively simple measurement of an image characteristic.
  • the optimum setting for the focusing device only a plurality of different scanning electron microscope images of the target need to be recorded at different settings of the focusing device.
  • the setting in which the measured property comes closest to the predetermined value is selected for the subsequent fluoroscopy. Of course, an interpolation between different measured values is possible.
  • the method thus resembles the sharpness adjustment in digital compact cameras, except that here the mechanical process of lenses for zooming is replaced by the electrical control of the focusing device, and that here, of course, the type of imaging is different.
  • the x-ray tube comprises a jet tube, e.g. Example, a glass bulb in which the electron beam is guided, and a Abletubus which is pushed onto the beam tube and is impermeable to X-rays.
  • a jet tube e.g. Example, a glass bulb in which the electron beam is guided, and a Abletubus which is pushed onto the beam tube and is impermeable to X-rays.
  • the detector surface is to detect secondary or backscatter electrons, this can advantageously be carried by the inside of the beam tube be.
  • the detector surface may comprise a plurality of sub-elements, which are distributed circumferentially over the beam tube, in particular with multiple symmetry.
  • the detector surface comprises a scintillator, which generates light signals when X-rays impinge.
  • the detector device has a photodetector which is sensitive to the light signals; If necessary, a light guide is still present, which connects the detector surface with the photodetector.
  • the photodetector may be, for example, a photodiode or a photomultiplier. If the photodetector generates electrical output signals which depend on the wavelength of the light signals, an energy-resolved detection of the X-radiation is possible.
  • the detector surface is formed as a semiconductor detector or organic photodiode.
  • the control unit is configured to control the electron gun in response to the intensity measured by the detector means. In this case, a shield may be arranged between the target and the detector surface, which attenuates the incident on the detector surface X-ray radiation.
  • the beam tube has an X-radiation partially (albeit only slightly) absorbing wall whose thickness varies.
  • the thickness variations are preferably set such that the x-ray radiation generated by the x-ray tube has a desired (possibly vanishing) dependence on the emission direction.
  • the thickness of the Wall vary so that the emerging from the beam X-ray radiation over all angles at which X-ray exiting the beam pipe, the same intensity. The thickness variations of the jet pipe are thus used for a fine adjustment of the intensity of the exiting X-ray radiation.
  • the Applicant therefore reserves the right to claim isolated protection for an X-ray tube with an electron gun, a target, and a beam tube surrounding the electron gun and the target, the wall of which partially absorbs X-radiation produced at the target and has a varying thickness.
  • the thickness of the X-ray tube with an electron gun, a target, and a beam tube surrounding the electron gun and the target, the wall of which partially absorbs X-radiation produced at the target and has a varying thickness.
  • the x-ray tube has a plurality of separate targets, wherein at any given time the electron beam can be directed to any target (but not multiple targets simultaneously).
  • the provision of multiple targets makes it possible to illuminate an object from different directions, without having to mechanically adjust or replace components.
  • the x-ray tube may have a shield with a plurality of openings, each target being associated with a different opening.
  • the image section can be adapted specifically to the selected target.
  • the concept of providing a plurality of targets in the x-ray tube can also be advantageously used independently of the design of a single target according to the invention.
  • the Applicant therefore reserves the right to claim isolated protection for an X-ray tube with an electron gun for generating an electron beam and with a plurality of separate targets, at which time the electron beam can be directed to any desired target.
  • the invention further provides an X-ray device with such an X-ray tube and an X-ray detector, wherein the imaging geometry is set such that images formed on the X-ray detector that are associated with the individual targets do not overlap.
  • the invention furthermore relates to a system for producing X-ray images for dental or orthodontic diagnostics, comprising an X-ray tube according to the invention which can be arranged in an oral cavity of a patient and an X-ray detector. This can be arranged in such a way that it extends from outside at least around a part of the patient's dental arch. X-ray radiation impinging thereon can be detected with the X-ray detector after these teeth of the patient have passed through. If the target is formed as a wire portion, then this wire portion may have a longitudinal axis coplanar with surface normals of planes in which the patient's mandibular arches extend.
  • FIG. 1 shows a vertical section through an inventive X-ray examination system in use
  • Figure 2 is a horizontal section through that in the figure
  • Figure 3 is a schematic axial section through an X-ray tube according to the invention.
  • Figure 4 shows an axial section through an inventive
  • FIG. 5 is a plan view of that shown in FIG.
  • Figure 6 is a block diagram of measurement and control components of the X-ray tube according to the invention.
  • FIG. 7 shows an axial section through a target and a holding this target holder according to another embodiment
  • FIG. 8 is a plan view of that shown in FIG.
  • FIG. 9 an axial section through and a target holder holding this according to a further exemplary embodiment, wherein the target holder is supported on a piston of the x-ray tube;
  • Figure 10 is a section along the line XX through the part of the piston shown in Figure 9;
  • FIG. 11 shows a schematic longitudinal section through an X-ray tube according to a further embodiment, in which an electron beam can be directed to different targets.
  • Figures 1 and 2 show a generally designated 10 X-ray examination system for dental and orthodontic diagnostics in a vertical or horizontal section.
  • the x-ray examination system 10 has an x-ray device 12, which is connected to a computer 16 via a data line 14.
  • a computer 16 instead of the computer 16, it is also possible to provide an evaluation unit specially developed for the X-ray examination system 10, which has a data memory and a computing unit.
  • the X-ray device 12 contains an X-ray tube 18 according to the invention, the structure of which is explained in more detail in the following section 2 with reference to FIGS. 3 to 6.
  • the X-ray device 12 further includes a protective housing 20, which encloses a part of the X-ray tube 18 as well as components, which are not shown in more detail, for driving them.
  • the X-ray device 12 comprises an X-ray detector 22, which is formed in the illustrated embodiment as a digital X-ray detector and attached by means of a holder 24 to the protective housing 20.
  • the x-ray detector 22 has a CCD or a CMOS sensor whose pixels are arranged on a sensor surface 24 which both in the sectional plane according to FIG.
  • the sensor surface 24 of the X-ray detector 22 by moving a circular arc along an approximately parabolic path.
  • the sensor surface 24 of the X-ray detector 22 can also be composed of a plurality of planar or curved segments in only one direction. If the x-ray detector is not designed as a digital x-ray detector but has a storage film or a conventional x-ray film, the film or film is preferably parabolic or otherwise curved in only one plane, but straight or (possibly multiple) in a sagittal plane. angled.
  • a shield may be arranged (not shown), which prevents that not absorbed by the X-ray detector X-ray propagates in the examination room.
  • the signals generated by the pixels of the sensor surface 24 are transmitted by the X-ray device 12 via the data line 14 to the computer 16 and there processed to form an X-ray image, which is stored in a memory, which is indicated at 26.
  • the computer 16 also takes place the equalization of the X-ray image, as described in the patent application DE 10 2009 060 390.5 from 24.12.2009 the applicant.
  • X-ray tube 18 If the protruding from the protective housing 20 part of the. X-ray tube 18 is inserted into the oral cavity 28 of a patient 30, as can be seen in particular in FIG. 1, so X-ray tube X generated in the X-ray tube 18 passes through. Radiation 32, the teeth 34 and the adjacent periodontal apparatus of the patient 30 and strikes the X-ray detector 22. The intensity of the X-ray radiation detected by the pixels of the X-ray detector 22 depends on the amount and type of tissue, the X-ray radiation 32 on its way from the X-ray tube 18 passes to the X-ray detector 22.
  • Sensor surface 24 of the X-ray detector 22 thus produces a panorama-like image of the tissue which has passed through the X-ray radiation 32.
  • the x-ray examination system 10 belongs to the type of PVA systems, wherein PVA stands for panoramic magnification recording.
  • FIG. 3 shows the x-ray tube 18 in a simplified axial section.
  • the x-ray tube 18 comprises an airtight piston 36, the interior 38 of which is evacuated.
  • the piston 36 has the shape of a right circular cylinder. In order to better withstand the acting on its outside atmospheric pressure, the piston 36, however, also at his End faces to be rounded, as is known per se in the prior art.
  • the piston 36 is in the illustrated embodiment of a heat-resistant glass.
  • An electron gun 40 which comprises a cathode 42, a Wehnelt cylinder 44 and an anode perforated plate 46, is disposed on an end of the piston 36 shown at the top in FIG.
  • the cathode 42 consists in the illustrated embodiment of a coil of thin tungsten wire, which can be made by means of a Walkerwoodsttle 48 to glow.
  • the Schuwoodsttle is designed here as an AC power source that generates a voltage of a few volts and currents on the order of 1 A.
  • the principle of field emission can also be used to generate the electrons, as is known per se in the prior art.
  • the helix is heated only to moderate temperatures and causes the exit of the electrons from the filament by an additional extraction grid.
  • a DC voltage source 50 generates an accelerating voltage, which is usually between 60 kV and 160 kV.
  • the cathode 42 is at negative potential and the anode perforated plate 46 at positive potential, so that electrons which emerge at the cathode 42 as a result of the glow emission, form in the strong electric field which forms between the cathode 42 and the anode perforated plate 46 to be accelerated.
  • the Wehnelt cylinder 44 is at a slightly more negative potential than the cathode 42, wherein the potential difference can be adjusted by means of a potentiometer 51. As a result of this potential difference will be out focused on the cathode 42 electrons on their way to the anode hole plate 46, so that the majority of the electrons can pass through the central hole in the anode hole plate 46. There, the electron beam designated 60 also has its smallest diameter. Behind the anode perforated plate 46, the electron beam 60 diverges again.
  • the siermagneten 56 includes an annular permanent magnet 54 and a controllable, designed as an electromagnet focus.
  • the poles of the permanent magnet 54 are arranged one behind the other along a longitudinal axis 58 of the electron beam 60 designated.
  • the circular opening of the annular permanent magnet 5 is formed in this way a magnetic field which is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 58 of the electron beam 60.
  • the magnetic field lines in this opening which is penetrated by the electron beam 60, cause a reduction of the beam cross-section, whereby the electrons are forced onto a helical path.
  • the controllable focusing magnet 56 has, in a manner known per se, a coil 62 which cooperates with a ferromagnetic core 64.
  • the magnetic field emerging at the ends of the core 64 has a similar symmetry as the magnetic field generated by the annular permanent magnet 54.
  • a deflection device 66 is arranged with which the direction of the now focused electron beam 60 can be changed.
  • the deflector 66 um-. summarizes in known manner two electromagnets 68, 70, which can be used to generate magnetic fields whose field lines are perpendicular to each other and additionally perpendicular to the longitudinal axis 58 of the electron beam 60. Due to the Lorentz force, the electrons in these largely homogeneous magnetic fields experience a sideways-acting force, whereby the direction of the electron beam 60 can be changed. To illustrate the different orientation of the electromagnets 68, 70, these two components are not shown in section, but in perspective. Instead of or in addition to electromagnets, plate capacitors or the like can also be used. can be used with which to generate homogeneous electric fields, which also exert deflecting forces on the electric fields exposed to the electrons.
  • the deflection device 66 With the aid of the deflection device 66, it is possible to direct the focused electron beam 60 onto a small target 72, which is held by a target holder 74, as will be explained in more detail in the following section 3.
  • the X-ray radiation produced on the target 72 by braking the electrons is indicated by dotted arrows 32 in FIG.
  • a shielding tube 81 can be pushed onto the piston 36, which absorbs the incident X-ray radiation 32 as completely as possible. Only where the Abletubus 81 has an indicated by dashed lines 82 opening 83 or a region consisting of a permeable to X-ray material, the X-ray radiation 32 can escape from the X-ray tube 18 and hit the object, which is illuminated by the X-ray radiation 32 shall be.
  • the opening 83 is chosen so that the X-ray radiation 32 falls exclusively on the X-ray detector 22. This results in the geometry shown in Figures 1 and 2 to an approximately arcuate opening 83rd
  • the target 72 is formed as a thin short wire section whose diameter is 40 ⁇ .
  • the wire-shaped target is made of a material having a high atomic number, since the efficiency of converting the kinetic energy of the electrons into X-ray bremsstrahlung increases with increasing atomic number.
  • elements such as platinum, gold, mercury, lead or uranium are only limitedly suitable for this, since they have a relatively low melting point. More suitable are the elements tungsten or tantalum, whose melting point is 3350 ° C or 2996 ° C.
  • the target holder 74 has in this embodiment, the overall shape of a straight circular cylinder, the electron gun 40 facing end side as a half-calotte is trained.
  • the target holder 74 is provided with a bore 78 which extends along the axis of symmetry of the target holder 74.
  • the thin wire-shaped target 72 is inserted so that it rests as flat as possible on the target holder 74. This is preferably achieved by squeezing the target 72 into the target holder 74.
  • Good heat transfer between the target 72 and the target holder 74 is important because about 99% of the kinetic energy of the electrons incident on the target 72 is converted to heat.
  • the acceleration voltage and the cathode current must be adjusted so that the target 72 does not melt if possible, but at least not evaporated. In general, therefore, the power of the x-ray tube will also be limited to values less than about 100 watts.
  • the target holder 74 is made of a material having a lower atomic number than the material constituting the target 72. Suitable for this purpose are, for example, aluminum, beryllium or carbon, and because of its particularly high thermal conductivity in particular the modification as a diamond. In order to obtain a high electrical conductivity and thus to prevent charging of the target holder 74, the diamond may also be doped with metal atoms.
  • the bore 78 in the target holder 74 is aligned at least substantially with the direction of incidence of the electron beam 60.
  • the electron beam 60 hits the end face of the wire-shaped target 72 facing it, as can be seen in the enlarged detail A on the right side of FIG.
  • the dimension of the target 72 is thus equal to the wire diameter, which in the plan view of Figure 5 is denoted by d.
  • the diameter of the electron beam 60 is slightly smaller than the wire diameter d.
  • the X-ray radiation generated when the electrons are decelerated at the target 72 is only slightly absorbed by the target holder 74. It is exploited that the absorption for X-rays is approximately proportional to the third power of the atomic number. Conversely, the target 72 relatively strongly absorbs the x-ray radiation generated at its end face. By the wire-shaped formation of the target and arrangement along the direction of incidence of the electron beam 60, however, only the X-ray radiation is absorbed by the target 72, which is emitted along the longitudinal direction of the wire-shaped target 72.
  • the X-radiation can propagate virtually unhindered, as indicated in Figure 3 by dotted arrows 32.
  • the end face of the target 72 facing the electron gun 40 thus represents a practically punctiform source of X-ray radiation 32, which emits X-ray radiation 32 in all spatial directions, with the exception of the longitudinal direction of the wire-shaped target 72.
  • the end face of the target 72 facing the electron gun 40 can be hemispherically rounded, as shown in the enlarged detail A on the right side of FIG.
  • the heat generated in the target 72 should flow as well as possible into the surrounding target holder 74 can. Since the thin wire-like target 72 does not readily press into the bore 78, it will generally be useful to make the bore 78 a slightly larger in diameter and then fix the target 72 in the bore by spot welding at one or more locations ,
  • clamping elements such as diamond.
  • FIG. 4 shows next to the figure 4 in an enlarged detail B, wherein the clamping elements are indicated by the reference numeral 84.
  • the clamping elements 84 are distributed around the circumference of the target 72;
  • a kind of isostatic recording with three clamping elements 84 which are distributed at angles of 120 ° over the circumference of the target 72, of course, into consideration.
  • the clamping elements 84 may also be wedge-shaped.
  • the focal spot ie the location at which the incident electron beam 60 generates X-ray radiation, remains substantially confined to the diameter of the wire-shaped target 72, even if the diameter of the impinging target Electron beam 60 is greater than the diameter of the target 72. In this case, electrons that are not decelerated at the target 72 impinge on the surrounding target holder 74 or clamping members 84. Because both the material of the target holder 74 and the material of the clamping members 84 have a lower atomic number, there is significantly less X-radiation than at Target 72. The focal spot is then slightly smeared only at its periphery, but most of the X-ray Radiation emanating from the targeted as a point-like target 72.
  • Drifting for example due to thermal deformation or material degradation caused by the high-energy X-ray radiation, can quickly lead to the once set electron beam after some time no longer hits the target 72.
  • the x-ray tube 18 has an aiming device with which the electron beam 60 can be reliably directed to the target 72 by controlling ⁇ open loop control ⁇ or closed loop control.
  • the deflection device 66 which has already been explained above with reference to FIG. 3, belongs to this target device.
  • the target device comprises a focal spot detector, with which at least the location, preferably also the diameter, of the focal spot can be measured, at which the electron beam 60 impinges on the target 72 or the surrounding target holder 74.
  • a focal spot detector comprises a detector device with two plates 86, which are arranged between the piston 36 and the shielding tube 81 such that they are exposed to the x-radiation 32 at least when the electron beam 60 impinges on the target 72.
  • the plates 86 are coated with a scintillator material 92 which generates light quanta when X-ray quanta are incident. These are fed to a light guide 88, which is connected to a photodetector 87, z. B. a photodiode or a photomultiplier is connected.
  • a plurality of sets of planar or curved plates 86 with scintillator material 92 and photodetectors 87 associated therewith may be provided. If these plates 86 are distributed over the circumference of the piston 36, for example with multiple symmetry, it is possible to make statements about the angular spectrum of the generated X-ray radiation 32.
  • the scintillator material 92 may be expedient to protect the scintillator material 92 from an intense X-ray radiation 32 by an additional absorber layer applied to the plates or by measures of the same effect.
  • the plates 86 coated with scintillator material 92 are not disposed outside, but within the piston 36. If the photodetector is brought directly to the scintillator material 92, the light guide 88 can be dispensed with.
  • collecting electrodes 90 which preferably consist of a metal permeable to X-radiation 32, can also be found in the interior 38 of the piston 36 may be arranged.
  • two such collecting electrodes 90 are diametrically opposite one another; additional pairs of collecting electrodes may additionally be distributed over the circumference of the piston 36.
  • the collecting electrodes 90 have the task of detecting backscatter and secondary electrodes emanating from the target 72 and making them detectable as current signals.
  • the piston 38 81 can be used as a support for a collecting electrode, with the secondary or backscatter electrons can be detected.
  • the collecting electrode is then e.g. is formed by an applied to the inside of the piston 36 electrically conductive coating, which is indicated in Figure 3 at 99, or an electrically separately contactable sheet.
  • the piston 36 can be used directly as a collecting electrode if it is at least electrically conductive and the target has a separate electrical contact, which is indicated at 95.
  • FIG. 6 shows, in the form of a block diagram, how the detector device of the focal spot detector is connected to a control unit 91, which in turn drives the focussing device 52 and the deflection device 66 with the electromagnets 68, 70. It is assumed in this exemplary embodiment that the detector device of the focal spot detector is connected to a control unit 91, which in turn drives the focussing device 52 and the deflection device 66 with the electromagnets 68, 70. It is assumed in this exemplary embodiment that the detector device of the focal spot detector is connected to a control unit 91, which in turn drives the focussing device 52 and the deflection device 66 with the electromagnets 68, 70. It is assumed in this exemplary embodiment that the detector device of the focal spot detector is connected to a control unit 91, which in turn drives the focussing device 52 and the deflection device 66 with the electromagnets 68, 70. It is assumed in this exemplary embodiment that the detector device of the focal spot detector is connected to a control unit
  • Focal spot detector as described above, a Szintilla- gate material 92 and an optically associated photodetector 87 and a plurality of collecting electrodes 90, 99, which are connected to suitable evaluation circuits for the determination of the number of incident electrons.
  • the control unit 91 controls the focusing device 52 and, in particular, the electromagnets 68, 70 of the deflection device 66 so that the electron beam 60 impinges on the target 72.
  • the detector means of the focal spot detector measures a large increase in X-radiation and / or backscatter and secondary electrons.
  • the deflection device 66 is hence controlled so that the detected X-radiation and / or the detected backscatter and secondary electrons have a maximum intensity ,
  • the focusing device 52 can also be controlled in a corresponding manner by the control unit 91 such that the intensity of the generated X-ray radiation and / or the detected backscattered electrons is maximal.
  • control unit 91 can therefore be connected to the computer 16, via which an operator can set the control variable by means of a keyboard or other input device, at least within certain limits.
  • the target device can also be used as a kind of scanning electron microscope, in which a thin electron beam is likewise guided scanner-like over an object to be scanned. From the detection of the electrons emerging or backscattered by the object, a scanning electron microscopic image of the object results there. at X-ray tube 18, the object is given by the target 72 and the target holder 74. The scanning electron micrograph of the target 72 and the surrounding target holder 74 is used to detect the location of the target 72 in order to be able to focus the electron beam 60 on it permanently.
  • the focal spot detector permits energy-resolved detection of the X-ray radiation
  • the characteristic X-ray radiation of the target material 72 can also be detected and used to control or regulate the electron beam 60. In this way, the signal-to-noise ratio can be improved.
  • the focusing can be tuned step by step, wherein a scanning electron microscopic image of the target 72 and the surrounding target holder 74 is produced during each focusing by scanning.
  • that focusing is selected in which the image of the target 72 has a property which comes as close as possible to a predetermined value. This property may be z. B. to act on the edge steepness, which is defined as the first (or possibly higher derivative) of the intensity profile. The more abruptly the intensity changes where the circumference of the target 72 can be seen in the image changes, the sharper the image of the target appears, and the smaller the diameter of the electron beam must have been when taking the scanning electron micrograph.
  • the contrast chosen which should assume a maximum value, this leads to a focusing of the electron beam, in which the generated X-ray radiation has a maximum intensity.
  • the detector means of the focal spot detector i.
  • the scintillator material 92, the photodetector 87 and the collection electrodes 90 and 99 can also be used to measure the intensity of the generated X-radiation 32 and to control the heating voltage source 48 and / or the Wehnelt cylinder 44 so that the measured intensity is as high as possible largely approximates a predetermined target intensity.
  • the dose area product can then be calculated, which must be observed, above all, in medical applications.
  • FIGS. 7 and 8 show, in illustrations similar to FIGS. 4 and 5, a target holder 74 with a target 72 received therein according to another exemplary embodiment in an axial section or a top view.
  • the target 72 is also formed as a thin wire portion, but the longitudinal direction of the wire portion is perpendicular to the incident direction of the electron beam 60.
  • the target 72 is attached, for example, on the surface of the target holder 74 by spot welding or inserted to improve the heat transfer in a wedge-shaped recess 97, as can be seen in the enlarged section D, the only pointing to the electron gun 40 end of the target holder 74 with the Target 72 recorded therein shows.
  • the length 1 of the target 72 is at this output leadership example 500 pm and the diameter d of the target 72 40 ⁇
  • the X-ray radiation generated when the electron beam 60 impinges is also emitted almost uniformly in all spatial directions in this exemplary embodiment. Only X-radiation emitted along the longitudinal axis of the target 72 is strongly absorbed by the target 72. Consequently, such a target 72 does not emit X-radiation for azimuth angles of 90 ° and 270 °. For this, unlike the embodiment shown in Figs. 4 and 5, X-ray radiation along the direction of incidence of the electron beam 60, i. with an azimuth angle of 360 °, which may be advantageous for certain applications of the x-ray tube 18.
  • the shape of the target 72 approaches more and more a short circular cylinder or a cube with an edge length of less than 100 ⁇ and preferably less than 50 ⁇ to.
  • the target 72 may be in the form of a small ball, as in the embodiment shown in FIGS. 9 and 10.
  • the diameter d 25 ⁇ , so that the maximum extent of the target for all directions perpendicular to the direction of incidence is less than 50 ⁇ .
  • the target holder 74 has substantially the shape of a ball, which is supported by a pin 98 on the piston 36.
  • the spherical target holder 74 is in this case with a frustoconical Reception 96 for receiving the spherical target 72 verses ⁇ hen.
  • a frusto-conical recess 96 has the advantage that the target 72 centers on its own in the recess 96; Optionally, even an attachment by spot welding o. ⁇ . Be waived if the clamping action, which is exerted by the target holder 74 on the target 72, is sufficiently large.
  • x-ray radiation 32 is only slightly absorbed by various components, such as the plate 86 with the scintillator material 92 and the coating 99 on the shielding tube 81, the initially present largely angle-independent intensity distribution can be somewhat disturbed.
  • the wall of the piston 36 which also absorbs to a small extent X-ray radiation 32, may have a locally varying thickness. The thickness variations are determined so that outside the piston 36, the desired angle-independent intensity distribution results. The same applies, of course, in the event that a targeted anisotropic, i. angle-dependent intensity distribution is desired. In FIG. 9, such a deliberately introduced thickness variation is indicated in AD.
  • This principle can also be applied to the target holder 74, which also absorbs a small portion of the penetrating x-ray radiation 32.
  • a special shaping of the target holder 74 can contribute to setting a desired intensity distribution in the angular space.
  • FIG. 11 shows a modified exemplary embodiment, in which not only a target 72 with target holder 74 but a total of five targets 72, each with assigned target holders 74, are arranged in the x-ray tube 18.
  • the electron beam 60 With the aid of the deflection device 66, the electron beam 60 to each of the five targets 72.
  • This makes it possible to generate 18 X-ray sources at different locations with a single X-ray tube. Since no parts have to be moved to deflect the electron beam 60, two or more x-ray images can be taken very quickly in succession from different perspectives. This is particularly advantageous when there is a risk that the object 100 moves between the receptacles, as is the case for applications in the (dental) medical diagnosis.
  • each X-ray image an image is formed on the X-ray detector 22, which is indicated in FIG. 11 by a double arrow drawn behind the X-ray detector 22.
  • the individual images do not overlap on the X-ray detector, as shown in FIG. 11. This allows, for example, a doctor to view the same object on an image carrier from two or more different perspectives.

Landscapes

  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

Eine Röntgenröhre umfasst eine Elektronenkanone (40) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (60), ein Target (72) und einen Targethalter (74), der aus einem Haltermaterial besteht, das eine kleinere Ordnungszahl als das Targetmaterial hat. Das Target (72) hat zumindest in einer Richtung senkrecht zur Einfallsrichtung eine Breite von weniger als 250 μm, vorzugsweise von weniger als 50 μm. Die Röntgenröhre umfasst ferner einen Brennfleckdetektor (86, 87, 88, 90, 92, 99), um den Ort des Brennflecks zu messen. Der Brennfleckdetektor weist hierzu eine Detektoreinrichtung (86, 87, 88, 90, 92, 99) zum Detektieren von Röntgenstrahlung und/oder von Sekundärelektronen und/oder von Rückstreuelektronen auf, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf dem Target (72) und/oder dem Targethalter (74) abgestrahlt werden. Eine Steuereinheit (91) ist dazu eingerichtet, die Ablenkeinrichtung (66) derart in Abhängigkeit von dem Ort des Brennflecks anzusteuern, dass der Elektronenstrahl (60) auf das Target (72) auftrifft. Der Elektronenstrahl (60) wird dabei zunächst scannerartig über das Target (72) und den Targethalter (74) geführt, wodurch ein rasterelektronenmikroskopisches Bild des Targets (72) erhalten wird.

Description

RÖNTGENRÖHRE SOWIE SYSTEM ZUR HERSTELLUNG VON
RÖNTGENBILDERN FÜR DIE ZAHNMEDIZINISCHE ODER KIEFERORTHOPÄDISCHE DIAGNOSTIK
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Röntgenröhren, und zwar insbesondere Röntgenröhren des Mikrofokus-Typs . Mit Mikrofokus-Röntgen- röhren lassen sich Durchmesser des Brennflecks von weniger als 50 μπι erzielen. Die Erfindung betrifft ferner ein System zur Herstellung von Röntgenbildern für die zahnmedizinische oder kieferorthopädische Diagnostik mit einer solchen Röntgenröhre. 2. Beschreibung des Standes der Technik
Röntgengeräte werden in der Medizin üblicherweise zur Untersuchung von Körpergewebe, z. B. von Knochen oder Zähnen, und in der Technik zur Untersuchung von Gegenständen, etwa im Rahmen der Materialprüfung, eingesetzt. Die beiden
Hauptkomponenten eines Röntgengeräts sind eine Röntgenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und ein Röntgendetektor, der die Intensität der Röntgenstrahlung erfasst, nachdem diese das zu untersuchende Körpergewebe oder den zu untersuchenden Gegenstand durchtreten hat. Das von dem Röntgen- detektor erzeugte Bild des Körpergewebes oder des Gegenstands gibt die Verteilung von Strukturen wieder, welche die Röntgenstrahlung unterschiedlich stark absorbieren.
Eine Röntgenröhre enthält eine Elektronenkanone, die ihrerseits eine Elektronenquelle und Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes umfasst. Die aus der Elektronenquelle austretenden Elektronen werden in dem elektrischen Feld
BESTÄTIGUNGSKOPIE beschleunigt und verlassen die Elektronen als gebündelter Elektronenstrahl. Beim Auftreffen auf ein Target werden die Elektronen schlagartig abgebremst und erzeugen dabei unter anderem Bremsstrahlung, die als Röntgenstrahlung genutzt wird.
Der Ort, an dem der Elektronenstrahl auf das Target auftrifft und von dem die Röntgenstrahlung ausgeht, wird im Allgemeinen als Brennfleck bezeichnet. Je kleiner der
Brennfleck ist, desto schärfer sind die Bilder, die sich mit der Röntgenröhre aufnehmen lassen.
Die meisten Röntgenröhren erzeugen Brennflecke, deren
Durchmesser etwa 1 bis 2 mm beträgt. Solche großen Brennfleck-Durchmesser sind insbesondere dann erforderlich, wenn die Anwendung des Röntgengeräts sehr hohe Strahlungsleis- tungen erfordert. In einem solchen Fall kann der Durchmesser des Brennflecks nicht beliebig verkleinert werden, da ansonsten auch bei Durchführung aufwendiger Kühlmaßnahmen das Target durch den Elektronenstrahl thermisch zerstört würde . Bei kleineren Strahlungsleistungen bis zu etwa 100 W können hingegen Brennfleck-Durchmesser von weniger als 100 μπι (Minifokus-Röntgenröhre) und teilweise sogar von deutlich weniger als 50 μπ\ (Mikrofokus-Röntgenröhre ) erreicht werden. Bei einigen Röntgenröhren wird dies dadurch erreicht, dass das Target selbst entsprechend kleine Abmessungen hat, so dass auch bei Einstrahlung eines breiteren Elektronenstrahls sehr kleine Brennfleck-Durchmesser erreicht werden. Beispiele hierfür sind beschrieben in US 2008/0258068 AI, WO 03/081631 AI und DE 691 24 547 T2. Bei anderen Röntgenröhren werden die kleinen Brennfleck- Durchmesser durch eine stärkere Bündelung des auf das Target auftreffenden Elektronenstrahls mit Hilfe von magneti- sehen oder gelegentlich auch elektrischen Feldern ermöglicht. Diese Röntgenröhren enthalten Targets, deren Abmessungen senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls wesentlich größer als der Durchmesser des Brennflecks sind. Häufig sind die Targets keil- oder dachförmigförmig ausgebildet, wobei der Elektronenstrahl auf die Kante des Keils bzw. den First des Daches gerichtet wird. Auf diese Weise kann die Röntgenstrahlung azimutal über einen Winkelbereich hinweg emittiert werden, der im Wesentlichen 360° minus dem Keil- oder Firstwinkel entspricht. Meist liegt der Keiloder Firstwinkel zwischen etwa 50° und 100°. In der hierzu senkrechten Richtung (elevatorischer Winkel) beträgt der Winkelbereich, in den Röntgenstrahlung emittiert wird, beinahe 180°. Bei einigen Anwendungen von Röntgengeräten besteht jedoch Bedarf, den azimutalen Winkelbereich, in den Röntgenstrahlung emittiert wird, auszudehnen, und zwar idealerweise bis annähernd 360°. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung sind Panorama-Vergrößerungs-Aufnahmen (PVA) für die zahnrae- dizinische oder kieferorthopädische Diagnostik. Hierbei wird, anders als bei den gängigen Panoramaschichtaufnahmen (PSA) , die Röntgenröhre nicht von außen um den Kopf des Patienten herumbewegt, sondern in seine Mundhöhle eingeführt. Um mit den derzeit verfügbaren Röntgenröhren beide Zahnreihen vollständig mit einer einzigen Röntgenaufnahme zu erfassen, muss das Target relativ weit hinten in der Nähe des Rachens des Patienten angeordnet sein, damit die von der Röntgenquelle erzeugte Röntgenstrahlung alle Zähne des Patienten durchtreten kann. Abgesehen von den damit für den Patienten verbundenen Unannehmlichkeiten (Würgreflex etc.) ist eine solche Anordnung der Röntgenquelle auch deswegen ungünstig, weil dadurch die meisten Zähne mit starker Verzerrung auf den Röntgendetektor projiziert wer- den. Die so aufgenommenen Röntgenbilder müssen deswegen elektronisch relativ aufwendig entzerrt werden.
Günstiger wäre eine Anordnung des Targets etwa in der geometrischen Mitte des Zahnbogens, weil dann nur die hinteren Backenzähne stärker verzerrt erscheinen würden. Eine solche Anordnung erfordert jedoch, dass die vom Target ausgehende Röntgenstrahlung einen sehr viel größeren azimutalen Winkelbereich überdeckt.
Einen großen azimuthalen Winkelbereich überdecken Mikrofo- kus-Röntgenröhren, bei denen das Target als dünner Film auf einen ebenen Träger aufgesputtert ist. Mit einer solchen Röntgenröhre lässt sich auch der hintere Halbraum praktisch vollständig mit Röntgenstrahlung ausfüllen. In der Ebene, in der das Target aufgesputtert ist (d.h. für Azimuthwinkel von 90° und 270°), kann sich jedoch keine Röntgenstrahlung ausbreiten. Aus diesem Grunde sind derartige Röntgenröhren beispielsweise für PVA-Röntgengeräte nicht geeignet. Denn auf einer Panorama-Aufnahme gäbe es dann stets zwei symmetrisch zur Mitte verlaufende schwarze Streifen, an denen kein Bild der abzubildenden Strukturen entsteht.
Die US 2,946,892 schlägt für Panorama-Vergrößerungs- Aufnahmen eine Röntgenröhre vor, die einen Brennfleckdetektor aufweist, mit dem sich Sekundärelektronen erfassen lassen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf dem Target abgestrahlt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Ablenkeinrichtung für den Elektronenstrahl in Abhängigkeit von den erfassten Sekundärelektronen automatisch so angesteuert, dass der Elektronenstrahl auf das Target auftrifft. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre anzugeben, mit der sich sehr kleine Brennfleckdurchmesser erreichen lassen, wobei die Röntgenstrahlung in einen großen azimutalen Winkelbereich hinein emittiert werden soll. Die Erzeugung der sehr kleinen Brennfleckdurchmesser soll dabei dauerhaft und unabhängig von Driftbewegungen o. ä. sein, die beispielsweise durch thermische Ausdehnung in der Röntgenröhre entstehen können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Röntgenröhre mit einer Elektronenkanöne zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und mit einem Target. An dem Target wird Röntgenstrahlung freigesetzt, wenn der Elektronenstrahl entlang einer Einfallsrichtung auf das Target auftrifft. Die Röntgenröhre weist ferner einen Targethalter auf, an dem das Target anliegt und der aus einem Haltermaterial besteht, das eine kleinere Ordnungszahl hat als das Targetmaterial, aus dem das Target besteht. Erfindungsgemäß hat das Target zumindest in einer Richtung, die senkrecht zur Einfallsrichtung verläuft, eine Breite von weniger als 250 μιτι, vorzugsweise von weniger als 100 m, und weiter vorzugsweise von weniger als 50 μιη. Mit einer Breite zwischen 50 pm und 100 μτα wird die Röntgenröhre zur Minifokus- Röntgenröhre, und mit einer Breite von weniger als 50 m zur Mikrofokus-Röntgenröhre .
Materialien, die für das Target geeignet sind, haben üblicherweise eine hohe Ordnungszahl, da gemäß der Kramerschen Regel die Intensität der erzeugten Bremsstrahlung proportional zur Ordnungszahl ist. Andererseits ist das Absorpti- onsvermögen für Röntgenstrahlung etwa proportional zur dritten Potenz der Ordnungszahl, so dass geeignete Targetmaterialien die erzeugte Röntgenstrahlung gleichzeitig sehr stark absorbieren. Bei den bisher eingesetzten Targets, die keil- oder dachförmig sind, ist die dem Elektronenstrahl zugewandte Fläche in allen zur Einfallsrichtung senkrechten Richtungen erheblich größer als der Durchmesser des Elekt- ronenstrahls . Da die Röntgenstrahlung nur in solche Richtungen emittiert werden kann, bei denen sie kein Targetmaterial durchtreten muss, ist auch der azimutale Winkelbereich, in den die Röntgenstrahlung bei herkömmlichen Röntgenröhren emittiert wird, entsprechend klein. Dadurch, dass erfindungsgemäß das Target zumindest in einer zur Einfallsrichtung senkrecht verlaufenden Richtung eine Breite hat, die annähernd in der Größenordnung des Elektro- nenstrahldurchmessers liegt, findet eine Absorption der Röntgenstrahlung in dieser Richtung nicht statt, da kein oder nur sehr wenig Targetmaterial in dieser Richtung die Ausbreitung der Röntgenstrahlung behindert.
Die Breite des Targets in dieser Richtung kann sogar geringer als der Durchmesser des Elektronenstrahls sein, da das Haltermaterial, aus dem der Targethalter besteht, eine kleinere Ordnungszahl als das Targetmaterial hat. Daher wird beim Auftreffen von Elektronen auf das Haltermaterial nur wenig Röntgenstrahlung erzeugt. Andererseits absorbiert das Haltermaterial die dort oder am Target erzeugte Röntgenstrahlung wegen seiner kleineren Ordnungszahl nicht nennenswert, so dass das Target im Haltermaterial teilweise oder vollständig eingebettet sein kann. Dies ist vorteilhaft im Hinblick auf die erforderliche Abfuhr von Wärme, die im Target bei Beschuss mit dem Elektronenstrahl entsteht . Als Targetmaterial ist wegen der hohen Ordnungszahl und des hohen Schmelzpunkts insbesondere Wolfram oder Tantal geeignet, während für das Haltermaterial beispielsweise Alumini- um, Beryllium oder Kohlenstoff (insbesondere in der Modifikation als Diamant) in Betracht kommt.
Der Begriff Ordnungszahl wird hier sowohl für die Ordnungszahl im engeren Sinne, also die Zahl der Protonen im Atom- kern eines chemischen Elements, als auch im weiteren Sinne als effektive Ordnungszahl verstanden. Die effektive Ordnungszahl wird für Verbindungen und Stoffgemische verwendet und stellt eine Art gewichteter Mittelwert über die in der Verbindung oder dem Stoffgemisch enthaltene Elemente dar, der den Anteil der chemischen Elemente in der Verbindung oder im Stoffgemisch berücksichtigt. Im vorliegenden Zusammenhang wird für Verbindungen oder Stoffgemische die effektive Ordnungszahl durch die Gleichung
Zeff = (fi-Ζχ3 + f2-Z2 3 + f3-Z3 3 + ... + fn-Zn 3)1/3 bestimmt, in der fi den Anteil der Protonen für das Element i innerhalb der Verbindung oder innerhalb des Gemisches und Zi die Ordnungszahl des betreffenden Elements angibt. Für H20 beispielsweise wäre Zeff = (0.2· l3 + 0.8·83)1 3, da die Gesamtzahl der Protonen im Molekül 10 und deswegen fi =
2/10 und f3 = 8/10 ist.
Eine noch geringere Behinderung der Röntgenstrahlung durch das Target wird erreicht, wenn das Target senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls eine maximale Ausdehnung von weniger als 250 μπι, vorzugsweise von weniger als 100 μπι, und weiter vorzugsweise von weniger als 50 μπι hat. In diesem Fall kann das Target nur noch diejenige Röntgenstrahlung absorbieren, die sich entlang der Einfallsrichtung des Elektronenstrahls ausbreitet, sofern das Target entlang dieser Richtung eine nennenswerte Länge hat. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Target als gerader Drahtabschnitt ausgebildet. Eine solche Ausbildung als Drahtabschnitt hat den Vorteil, dass sich das Target trotz seines sehr geringen Durchmessers noch vergleichsweise gut handhaben lässt. Der Drahtabschnitt kann beispielsweise so angeordnet sein, dass seine Längsachse senkrecht zur Ein- fallsrichtung des Elektronenstrahls verläuft. In diesem
Fall gehen von dem Target Röntgenstrahlungen in alle Richtungen mit Ausnahme der Drahtrichtung (entspricht Azimutwinkeln von 90° und 270°) aus.
Zur Aufnahme eines drahtförmigen Targets kann der Tar- gethalter eine keilförmige Ausnehmung haben, in der das Target verklemmt ist. Die Justierung des Targets im Targethalter wird dadurch wesentlich vereinfacht, da sich das Target in der keilförmigen Ausnehmung selbst ausrichtet.
Der Querschnitt des Drahtabschnitts ist vorzugsweise kreis- förmig, da auf diese Weise eine besonders geringe Winkelabhängigkeit der Röntgenemission erreicht wird. Vor allem dann, wenn eine bestimmte Winkelabhängigkeit der Röntgenemission gewünscht ist, kann der Querschnitt des Drahtabschnitts aber auch anders als kreisförmig, z. B. quadra- tisch oder elliptisch, sein.
Wenn das Target in alle zur Einfallsrichtung senkrechten Richtungen eine maximale Ausdehnung von weniger als 250 μπι, vorzugsweise von weniger als 100 μπι, und weiter vorzugsweise von weniger als 50 μπι haben soll, so kann dies mit einem geraden Drahtabschnitt erreicht werden, dessen Längsachse mit der Einfallsrichtung einen sehr kleinen Winkel, nämlich von weniger als 30° und vorzugsweise von weniger als 5° einschließt, oder perfekt mit der Einfallsrichtung fluchtet. In diesem Falle hat das Target senkrecht zur Einfalls- richtung des Elektronenstrahls seine minimalen Abmessungen. Röntgenstrahlung wird deswegen in alle Richtungen, nur nicht entlang der Längsachse des Drahtabschnitts, emittiert .
Verringert werden kann bei einem so ausgerichteten Drahtabschnitt die Winkelabhängigkeit der Röntgenemission, wenn sein zur Elektronenkanone weisendes Ende abgerundet ist, und zwar insbesondere derart, dass das Ende halbkugelförmig ausgebildet ist.
Bei einem so ausgerichteten Drahtabschnitt kann der Targethalter eine Bohrung aufweisen, in welcher der Drahtab- schnitt aufgenommen ist. Der Drahtabschnitt kann dabei so weit in die Bohrung eingeführt sein, dass das zur Elektronenkanone weisende Ende des Drahtabschnitts zumindest im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche des Targethalters abschließt. Auf diese Weise steht eine größtmögliche Kon- taktfläche zur Verfügung, über die im Target entstehende Wärme an den Targethalter abgegeben werden kann.
Ferner kommt in Betracht, den Drahtabschnitt mit Klemmelementen in der Bohrung zu halten, wobei die Klemmelemente vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähig- keit und hohem Schmelzpunkt, z. B. Diamant, bestehen. Alternativ hierzu kann der Drahtabschnitt aber auch durch eine radiale Quetschung in der Bohrung verklemmt sein.
Wenn die Länge des Drahtabschnitts höchstens das 1.5-fache, vorzugsweise höchstens das 1.1-fache seines Durchmessers beträgt, so geht zwar der Vorteil der leichteren Handhabbarkeit verloren, jedoch nähert sich die Form des Targets immer mehr der eines Punktes an, der in alle Raumrichtungen gleichmäßig Röntgenstrahlung emittiert.
Besonders günstig ist es, wenn das Target durch eine Kugel gebildet wird. Bei Beschuss mit Elektronen emittiert ein kugelförmiges Target Röntgenstrahlung praktisch isotrop in alle Raumrichtungen.
Zur Aufnahme eines solchen kugelförmigen Targets kann der Targethalter eine keil- oder besser noch eine kegelstumpf- förmige oder pyramidische Ausnehmung aufweisen, in der das Target verklemmt ist. Das wegen seiner geringen Größe nicht einfach zu handhabende Target kann dann bequem in die Ausnehmung eingesetzt werden, in der es sich selbständig ausrichtet und bei Ausüben eines geringen Drucks verklemmt. Da bei einem so kleinen Target die Abfuhr der darin entstehenden Wärme kritisch sein kann, kommt zur Halterung auch eine Verklemmung zwischen Diamantstücken in Betracht, denn diese haben eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit.
Unabhängig von der Art der Aufnahme des Targets im Tar- gethalter, z. B. in einer Bohrung oder in einer kegelstumpf- oder keilförmigen Ausnehmung, kann die eigentliche Befestigung des Targets in dem Targethalter durch elektrisches Punktschweißen erfolgen. Durch die Schweißverbindung wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen dem Target und dem Targethalter erreicht.
Unabhängig von der Form des Targets kann der Targethalter eine zu der Elektronenkanone weisende Stirnfläche aufweisen, die konkav gekrümmt ist, z. B. zylindrisch oder sphärisch . Infolge der sehr kleinen Abmessungen des Targets zumindest in einer zur Einfallsrichtung senkrechten Richtung wird es im Allgemeinen schwierig sein, den Elektronenstrahl durch geeignete bauliche Maßnahmen und eine einmalige Justierung so auf das Target zu richten, dass der Brennfleck dauerhaft auf dem Target bleibt. Erfindungsgemäß weist die Röntgenröhre deswegen eine Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Elektronenstrahls sowie einen Brennfleckdetektor auf, der dazu eingerichtet ist, den Ort des Brennflecks zu messen, an dem der Elektronen- strahl auf dem Target oder dem Targethalter auftrifft. Eine Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Ablenkeinrichtung derart in Abhängigkeit vom Ort des Brennflecks anzusteuern, dass der Elektronenstrahl auf das Target auftrifft.
Die Ablenkeinrichtung, der Brennfleckdetektor und die Steu- ereinheit bilden auf diese Weise gemeinsam eine Zieleinrichtung, mit der es möglich ist, den Elektronenstrahl zuverlässig auf das sehr kleine Target zu richten, und zwar dauerhaft und unabhängig von Driftbewegungen o.ä., die beispielsweise durch thermische Ausdehnung in der Röntgen- röhre entstehen können.
Um den Ort des Brennflecks zu messen, weist der Brennfleckdetektor außerdem eine Detektoreinrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung und/oder von Sekundärelektronen und/oder von Rückstreuelektronen auf, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf das Target und/oder den Targethalter abgestrahlt werden, wobei die Detektoreinrichtung eine Detektorfläche aufweist. Ferner ist der Brennfleckdetektor dazu eingerichtet, die Ablenkeinrichtung derart anzusteuern, dass der Elektronenstrahl scannerartig über das Target und den Targethalter geführt wird, wodurch ein rasterelektronenmikroskopisches Bild des Targets erhalten wird .
Die Röntgenröhre integriert somit gewissermaßen ein einfaches Rasterelektronenmikroskop, mit dem ein hochaufgelöstes Bild des Targets und seiner Umgebung erzeugt werden kann.
Dieses Bild kann die Steuereinheit der Zieleinrichtung dazu verwenden, um den Elektronenstrahl exakt auf das Target zu richten.
Die Ablenkeinrichtung, mit der der Elektronenstrahl auf das Target gerichtet werden kann, kann dabei Mittel zum Erzeu- gen magnetischer und/oder elektrischer Felder aufweisen, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Die Röntgenröhre kann ferner eine Fokussiereinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den Elektronenstrahl zu fokussieren. Eine solche Fokussiereinrichtung kann in an sich bekannter Weise einen oder mehrere Elektromagnete umfassen. Besonders günstig ist eine Kombination eines Permanentmagneten mit einem Elektromagneten, wie dies etwa aus der WO 2008/017376 AI bekannt ist. In diesem Fall erzeugt der Permanentmagnet eine Art Grundfokussierung, wäh- rend die Feinfokussierung variabel mit dem Elektromagneten eingestellt wird. Anstelle, wie in der vorgenannten Veröffentlichung beschrieben, den Permanentmagneten und den Elektromagneten auf gleicher Höhe anzuordnen, kann der Permanentmagnet und der Elektromagnet vorteilhaft auch in Ausbreitungsrichtung der Elektronen so versetzt zueinander angeordnet sein, dass vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeldlinien zumindest im Wesentlichen außerhalb eines Kerns des Elektromagneten verlaufen.
Der Brennfleckdetektor kann so ausgebildet sein, dass er nicht nur den Ort, sondern auch den Durchmesser des Brennflecks erfasst. Die Fokussiereinrichtung kann dann in Abhängigkeit von den vom Brennfleckdetektor gemessenen Brennfleckdurchmesser so angesteuert werden, dass der Elektronenstrahl einen gewünschten Durchmesser hat, der z. B.
gleich dem minimal möglichen Durchmesser sein kann.
Eine noch genauere Bestimmung des Durchmessers des Elektronenstrahls ist möglich, wenn der Brennfleckdetektor dazu eingerichtet ist, eine Eigenschaft des rasterelektronenmik- roskopischen Bildes des Targets zu messen. Die Steuereinheit ist dann dazu eingerichtet, die Fokussiereinrichtung derart anzusteuern, dass die gemessene Eigenschaft einen vorgegebenen Wert erreicht
Diese Steuerung der Fokussiereinrichtung beruht auf der Überlegung, dass einige Eigenschaften, und zwar insbesondere die Kantensteilheit oder eine ähnliche Größe, des ras- terelektronenmikroskopischen Bildes des Targets vom Durch- messer des Elektronenstrahls abhängt. Dadurch wird die Messung des Elektronenstrahldurchmessers und damit des Brennflecks in eine relativ einfache Messung einer Bildeigenschaft überführt. Um die optimale Einstellung für die Fokussiereinrichtung aufzufinden, müssen lediglich mehrere unterschiedliche rasterelektronenmikroskopische Bilder des Targets bei verschiedenen Einstellungen der Fokussiereinrichtung aufgenommen werden. Diejenige Einstellung, bei der die gemessene Eigenschaft dem vorgegebenen Wert am nächsten kommt, wird für die nachfolgende Durchleuchtung ausgewählt. Selbstverständlich ist auch eine Interpolation zwischen unterschiedlichen Messwerten möglich. Das Verfahren ähnelt somit der Schärfeeinstellung bei digitalen Kompaktkameras, nur dass hier das mechanische Verfahren von Linsen zur Brennweiteneinstellung ersetzt ist durch die elektrische Ansteuerung der Fokussiereinrichtung, und dass hier natürlich die Art der Bilderzeugung eine andere ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Röntgenröhre ein Strahlrohr, z. B. einen Glaskolben, in dem der Elektronenstrahl geführt ist, und einen Abschirmtubus auf, der auf das Strahlrohr aufgeschoben und für die Röntgenstrahlung undurchlässig ist. Falls die Detektorfläche Sekundäroder Rückstreuelektronen detektieren soll, so kann diese vorteilhaft von der Innenseite des Strahlrohrs getragen sein. Die Detektorfläche kann dabei mehrere Teilelemente umfassen, die umfangsmäßig über das Strahlrohr verteilt angeordnet sind, und zwar insbesondere mit mehrzähliger Symmetrie. Alternativ hierzu ist es möglich, das Strahlrohr elektrisch leitfähig auszubilden und insgesamt als Detektorfläche zu verwenden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Detektorfläche einen Szintillator, der beim Auftreffen von Röntgenstrahlung Lichtsignale erzeugt. Ferner weist die Detektor- einrichtung einen für die Lichtsignale empfindlichen Photodetektor auf; ggf. ist noch ein Lichtleiter vorhanden, der die Detektorfläche mit dem Photodetektor verbindet. Bei dem Photodetektor kann es sich beispielsweise um eine Photodiode oder um einen Photomultiplier handeln. Falls der Photo- detektor elektrische Ausgangssignale erzeugt, die von der Wellenlänge der Lichtsignale abhängen, so ist eine energieaufgelöste Detektion der Röntgenstrahlung möglich. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Detektorfläche als Halbleiterdetektor oder organische Photodiode ausgebildet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Elektronenkanone in Abhängigkeit von der von der Detektoreinrichtung gemessenen Intensität zu steuern. Dabei kann zwischen dem Target und der Detektorfläche eine Abschirmung angeordnet sein, welche die auf der Detektorfläche auftreffende Röntgenstrahlung abschwächt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel hat das Strahlrohr eine Röntgenstrahlung teilweise (wenn auch nur geringfügig) absorbierende Wandung, deren Dicke variiert. Die Dickenvariationen sind dabei vorzugsweise derart festgelegt, dass die von der Röntgenröhre erzeugte Röntgenstrahlung eine gewünschte (gegebenenfalls verschwindende) Abhängigkeit von der Emissionsrichtung hat. Insbesondere kann die Dicke der Wandung derart variieren, dass die aus dem Strahlrohr austretende Röntgenstrahlung über alle Winkel, bei denen Röntgenstrahlung aus dem Strahlrohr austritt, die gleiche Intensität hat. Die Dickenschwankungen des Strahlrohrs werden somit für eine Feineinstellung der Intensität der austretenden Röntgenstrahlung verwendet.
Dieses Konzept der variierenden Wandungsdicke des Strahlrohrs kann auch unabhängig von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Targets vorteilhaft eingesetzt werden. Die Anmelderin behält sich deswegen vor, isoliert Schutz für eine Röntgenröhre mit einer Elektronenkanone, einem Target und eine die Elektronenkanone und das Target umgebenden Strahlrohr zu beanspruchen, dessen Wandung an dem Target entstehende Röntgenstrahlung teilweise absorbiert und eine variierende Dicke hat. Insbesondere kann die Dicke der
Wandung derart variieren, dass die aus dem Strahlrohr austretende Röntgenstrahlung über alle Winkel, bei denen Röntgenstrahlung aus dem Strahlrohr austritt, die gleiche Intensität hat.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Röntgenröhre mehrere voneinander getrennte Targets auf, wobei zu einem gegebenen Zeitpunkt der Elektronenstrahl auf jedes beliebige Target (aber nicht auf mehrere Targets gleichzeitig) richtbar ist. Das Vorsehen mehrerer Targets ermöglicht es, ein Objekt aus unterschiedlichen Richtungen zu durchleuchten, ohne dass Bauteile mechanisch verstellt oder ausgetauscht werden müssen.
Die Röntgenröhre kann dabei eine Abschirmung mit mehreren Öffnungen aufweisen, wobei jedem Target eine andere Öffnung zugeordnet ist. Dadurch lässt sich der Bildausschnitt gezielt an das ausgewählte Target anpassen. Das Konzept, in der Röntgenröhre mehrere Targets vorzusehen, kann auch unabhängig von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines einzelnen Targets vorteilhaft eingesetzt werden. Die Anmelderin behält sich deswegen vor, isoliert Schutz für eine Röntgenröhre mit einer Elektronenkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und mit mehreren voneinander getrennten Targets zu beanspruchen, wobei zu einem gegebenen Zeitpunkt der Elektronenstrahl auf jedes beliebige Target richtbar ist. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Röntgengerät mit einer solchen Röntgenröhre und einem Röntgendetektor, wobei die Abbildungsgeometrie derart festgelegt ist, dass auf dem Röntgendetektor entstehende Bilder, die den einzelnen Targets zugeordnet sind, sich nicht überlappen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein System zur Herstellung von Röntgenbildern für die zahnmedizinische oder kieferorthopädische Diagnostik, umfassend eine in einer Mundhöhle eines Patienten anordenbare erfindungsgemäße Röntgen- röhre und einen Röntgendetektor. Dieser ist derart anorden- bar, dass er sich von außen zumindest um einen Teil des Kieferbogens des Patienten herum erstreckt. Mit dem Röntgendetektor ist darauf auftreffende Röntgenstrahlung erfassbar, nachdem diese Zähne des Patienten durchtreten hat. Falls das Target als Drahtabschnitt ausgebildet ist, so kann dieser Drahtabschnitt eine Längsachse haben, die koplanar zu Flächennormalen von Ebenen angeordnet ist, in denen sich die Kieferbögen des Patienten erstrecken. Durch diese Ausrichtung der Längsachse, entlang der keine Rönt- genstrahlung emittiert wird, ist sichergestellt, dass alle Zähne, Zahnhalteapparate oder sonstige interessierende Teile des Kieferbogens von Röntgenstrahlung durchleuchtet werden . KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen: Figur 1 einen vertikalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Röntgenuntersuchungssystem im Einsatz;
Figur 2 einen horizontalen Schnitt durch das in der Figur
1 gezeigte Röntgenuntersuchungssystem;
Figur 3 einen schematischen axialen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Röntgenröhre;
Figur 4 einen axialen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes
Target, das in einem Targethalter aufgenommen ist ;
Figur 5 eine Draufsicht auf das in der Figur 4 gezeigte
Target mit umgebenden Targethalter;
Figur 6 ein Blockschaltbild für Mess- und Steuerungskomponenten der erfindungsgemäße Röntgenröhre;
Figur 7 einen axialen Schnitt durch ein Target und einen dieses haltenden Targethalter gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
Figur 8 eine Draufsicht auf das in der Figur 7 gezeigte
Target mit Targethalter;
Figur 9 einen axialen Schnitt durch ein und einen dieses haltenden Targethalter gemäß einem weiteren Aus- führungsbeispiel , wobei sich der Targethalter an einem Kolben der Röntgenröhre abstützt; Figur 10 einen Schnitt entlang der Linie X-X durch den in der Figur 9 gezeigten Teil des Kolbens;
Figur 11 einen schematischen Längsschnitt durch eine Röntgenröhre gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem ein Elektronenstrahl auf unterschiedliche Targets gerichtet werden kann.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Aufbau eines PVA-Röntgenuntersuchungssystems
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Röntgenuntersuchungssystem für die zahnmedizinische und kieferorthopädische Diagnostik in einem vertikalen bzw. horizontalen Schnitt.
Das Röntgenuntersuchungssystem 10 weist ein Röntgengerät 12 auf, das über eine Datenleitung 14 mit einem Computer 16 verbunden ist. Anstelle des Computers 16 kann auch eine speziell für das Röntgenuntersuchungssystem 10 entwickelte Auswerteeinheit vorgesehen sein, die über einen Datenspeicher und eine Recheneinheit verfügt.
Das Röntgengerät 12 enthält eine erfindungsgemäße Röntgenröhre 18, deren Aufbau im nachfolgenden Abschnitt 2 näher mit Bezug auf die Figuren 3 bis 6 erläutert wird. Zum Röntgengerät 12 gehört ferner ein Schutzgehäuse 20, das einen Teil der Röntgenröhre 18 sowie nicht näher dargestellte Komponenten zu deren Ansteuerung umschließt. Außerdem um- fasst das Röntgengerät 12 einen Röntgendetektor 22, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als digitaler Röntgendetektor ausgebildet und mit Hilfe einer Halterung 24 an dem Schutzgehäuse 20 befestigt ist. Der Röntgendetektor 22 weist hierzu einen CCD- oder einen CMOS-Sensor auf, dessen Pixel auf einer Sensorfläche 24 angeordnet sind, die sowohl in der Schnittebene gemäß der Figur 1 als auch der Schnittebene gemäß der Figur 2 gekrümmt ist. Die Krümmung in der horizontalen Schnittebene gemäß der Figur 2 ist dabei so gewählt, dass sie in etwa dem typischen Verlauf eines menschlichen Kieferbogens folgt. Beschreiben lässt sich die Sensorfläche 24 des Röntgendetektors 22 durch Bewegung eines Kreisbogens entlang einer etwa parabelförmigen Bahn. Die Sensorfläche 24 des Röntgendetektors 22 kann jedoch auch aus mehreren ebenen oder nur in einer Richtung ge- krümmten Segmenten zusammengesetzt sein. Wenn der Röntgendetektor nicht als digitaler Röntgendetektor ausgebildet ist, sondern eine Speicherfolie oder einen klassischen Röntgenfilm aufweist, so ist die Folie oder der Film vorzugsweise nur in einer Ebene parabelförmig oder in anderer Weise gekrümmt, in einer sagittalen Ebene hingegen gerade oder (ggf. mehrfach) abgewinkelt.
Hinter dem Röntgendetektor 22 kann noch eine Abschirmung angeordnet sein (nicht dargestellt) , die verhindert, dass sich nicht vom Röntgendetektor absorbierte Röntgenstrahlung im Untersuchungsraum ausbreitet.
Die von den Pixeln der Sensorfläche 24 erzeugten Signale werden vom Röntgengerät 12 über die Datenleitung 14 an den Computer 16 übermittelt und dort zu einem Röntgenbild aufbereitet, das in einem Speicher, der bei 26 angedeutet ist, abgelegt wird. In dem Computer 16 findet auch die Entzerrung des Röntgenbildes statt, wie sie in der Patentanmeldung DE 10 2009 060 390.5 vom 24.12.2009 der Anmelderin beschrieben ist.
Wird der aus dem Schutzgehäuse 20 herausragende Teil der . Röntgenröhre 18 in die Mundhöhle 28 eines Patienten 30 eingeführt, wie dies insbesondere in der Figur 1 erkennbar ist, so durchtritt in der Röntgenröhre 18 erzeugte Röntgen- Strahlung 32 die Zähne 34 und die anliegenden Zahnhalteapparate des Patienten 30 und trifft auf den Röntgendetektor 22. Die Intensität der von den Pixeln des Röntgendetektors 22 erfassten Röntgenstrahlung hängt dabei von der Menge und der Art des Gewebes ab, das die Röntgenstrahlung 32 auf ihrem Weg von der Röntgenröhre 18 zum Röntgendetektor 22 durchtritt .
Durch geeignete Auslegung der Röntgenröhre 18 ist sichergestellt, dass der Bereich der elevatorischen Winkel (d.h. der Winkel in der Schnittebene der Figur 1) und der Bereich der azimutalen Winkel (d.h. der Winkel in der Schnittebene der Figur 2), in welche die Röntgenstrahlung 32 emittiert werden, sehr groß sind. Dadurch ist eine vollständige
Durchleuchtung aller Zähne 34 und der dazugehörigen Zahn- halteapparate des Patienten 30 sichergestellt. Auf der
Sensorfläche 24 des Röntgendetektors 22 entsteht somit ein panoramaartiges Bild des von der Röntgenstrahlung 32 durch- tretenen Gewebes.
Da die Röntgenstrahlung 32 nicht hinter dem Schädel des Patienten 30, sondern in dessen Mundhöhle 28 erzeugt wird, gehört das Röntgenuntersuchungssystem 10 zum Typ der PVA- Systeme, wobei PVA für Panorama-Vergrößerungs-Aufnahme steht .
2. Aufbau der Röntgenröhre
Die Figur 3 zeigt die Röntgenröhre 18 in einem vereinfachten axialen Schnitt.
Die Röntgenröhre 18 umfasst einen luftdicht verschlossenen Kolben 36, dessen Innenraum 38 evakuiert ist. Hier hat der Kolben 36 die Form eines geraden Kreiszylinders. Um dem auf seiner Außenseite wirkenden Atmosphärendruck besser standhalten zu können, kann der Kolben 36 jedoch auch an seinen Stirnseiten abgerundet sein, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Der Kolben 36 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem wärmebeständigen Glas.
An einem in der Figur 3 oben gezeigten Ende des Kolbens 36 ist eine Elektronenkanone 40 angeordnet, die eine Kathode 42, einen Wehnelt-Zylinder 44 und eine Anoden-Lochplatte 46 umfasst. Die Kathode 42 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Wendel aus dünnem Wolframdraht , die mit Hilfe einer Heizspannungsquelle 48 zum Glühen gebracht werden kann. Die Heizspannungsquelle ist hier als Wechselstromquelle ausgebildet, die eine Spannung von wenigen Volt und Stromstärken in der Größenordnung von 1 A erzeugt.
Alternativ zur Glühemission an der Kathode 42 kann zur Erzeugung der Elektronen auch auf das Prinzip der Feldemission zurückgegriffen werden, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. In diesem Falle wird die Wendel lediglich auf moderate Temperaturen erwärmt und der Austritt der Elektronen aus dem Filament durch ein zusätzliches Extraktionsgitter bewirkt.
Zwischen der Kathode 42 und der Anoden-Lochplatte 46 erzeugt eine Gleichspannungsquelle 50 eine Beschleunigungsspannung, die üblicherweise zwischen 60 kV und 160 kV liegt. Die Kathode 42 liegt dabei auf negativem und die Anoden-Lochplatte 46 auf positivem Potential, so dass Elektronen, die infolge der Glühemission an der Kathode 42 austreten, in dem starken elektrischen Feld, das sich zwischen der Kathode 42 und der Anoden-Lochplatte 46 ausbildet, beschleunigt werden.
Der Wehnelt-Zylinder 44 befindet sich auf einem etwas negativeren Potential als die Kathode 42, wobei die Potentialdifferenz mit Hilfe eines Potentiometers 51 eingestellt werden kann. Infolge dieser Potentialdifferenz werden aus der Kathode 42 austretende Elektronen auf ihrem Weg zur Anoden-Lochplatte 46 fokussiert, so dass der größte Teil der Elektronen durch das zentrale Loch in der Anoden- Lochplatte 46 hindurchtreten kann. Dort hat der mit 60 bezeichnete Elektronenstrahl auch seinen kleinsten Durchmesser. Hinter der Anoden-Lochplatte 46 divergiert der Elekronenstrahl 60 wieder.
Um den Elektronenstrahl 60 wieder zu bündeln, ist hinter der Anoden-Lochplatte 46 eine Fokussiereinrichtung 52 ange ordnet, die einen ringförmigen Permanentmagneten 54 und einen steuerbaren, als Elektromagneten ausgebildeten Fokus siermagneten 56 umfasst. Wie in der Figur 3 durch die Buch staben N und S angedeutet ist, sind die Pole des Permanent magneten 54 hintereinander entlang einer Längsachse 58 des mit 60 bezeichneten Elektronenstrahls angeordnet. In der kreisförmigen Öffnung des ringförmigen Permanentmagneten 5 entsteht auf diese Weise ein Magnetfeld, das rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 58 des Elektronenstrahls 60 ist. Die magnetischen Feldlinien in dieser vom Elektronenstrahl 60 durchtretenen Öffnung bewirken eine Verringerung des Strahlquerschnitts, wobei die Elektronen auf eine helixförmige Bahn gezwungen werden.
Zur FeinabStimmung des Strahlquerschnitts ist der steuerba re Fokussiermagnet 56 vorgesehen, der im dargestellten Ausführungsbeispiel hinter dem Permanentmagneten 54 angeordnet ist. Eine Anordnung vor dem Permanentmagneten 54 oder auf gleicher Höhe ist jedoch ebenfalls möglich. Der steuerbare Fokussiermagnet 56 weist in an sich bekannter Weise eine Spule 62 auf, die mit einem ferromagnetischen Kern 64 zusammenwirkt. Das an den Enden des Kerns 64 austretende Magnetfeld hat dabei eine ähnliche Symmetrie wie das Magnetfeld, das von dem ringförmigen Permanentmagneten 54 erzeugt wird. Durch Verändern des die Spule 62 durch- fließenden Stromes kann jedoch die Stärke des vom Fokus- siermagneten 56 erzeugte Magnetfeldes stufenlos variiert werden, was eine Feineinstellung des Strahldurchmessers ermöglicht .
In Strahlausbreitungsrichtung hinter der Fokussiereinrich- tung 52 ist eine Ablenkeinrichtung 66 angeordnet, mit der sich die Richtung des nunmehr fokussierten Elektronenstrahls 60 verändern lässt. Die Ablenkeinrichtung 66 um- . fasst in an sich bekannter Weise zwei Elektromagneten 68, 70, mit denen sich magnetische Felder erzeugen lassen, deren Feldlinien senkrecht zueinander und zusätzlich senkrecht zur Längsachse 58 des Elektronenstrahls 60 stehen. Infolge der Lorentzkraft erfahren die Elektronen in diesen weitgehend homogenen magnetischen Feldern eine seitwärts wirkende Kraft, wodurch sich die Richtung des Elektronenstrahls 60 verändern lässt. Um die unterschiedliche Ausrichtung der Elektromagnete 68, 70 zu veranschaulichen, sind diese beiden Bauteile nicht im Schnitt, sondern perspektivisch dargestellt. Anstelle von oder zusätzlich zu Elektromagneten können auch Plattenkondensatoren o.ä. eingesetzt werden, mit denen sich homogene elektrische Felder erzeugen lassen, die ebenfalls Ablenkungskräfte auf die den elektrischen Feldern ausgesetzten Elektronen ausüben.
Mit Hilfe der Ablenkeinrichtung 66 ist es möglich, den fokussierten Elektronenstrahl 60 auf ein kleines Target 72 zu richten, das von einem Targethalter 74 gehalten wird, wie dies im folgenden Abschnitt 3 näher erläutert wird. Die auf dem Target 72 durch Abbremsen der Elektronen entstehende Röntgenstrahlung ist in der Figur 3 mit gepunkteten Pfeilen 32 angedeutet.
Da zumindest für bestimmte Anwendungen nicht der gesamte Winkelbereich genutzt werden soll, über den die Röntgen- Strahlung 32 emittiert wird, ist auf den Kolben 36 ein Abschirmtubus 81 aufschiebbar, der die auftreffende Röntgenstrahlung 32 möglichst vollständig absorbiert. Nur dort, wo der Abschirmtubus 81 eine mit gestrichelten Linien 82 angedeutete Öffnung 83 oder einen Bereich hat, der aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Material besteht, kann die Röntgenstrahlung 32 aus der Röntgenröhre 18 austreten und auf das Objekt treffen, das von der Röntgenstrahlung 32 durchleuchtet werden soll. Die Öffnung 83 ist dabei so gewählt, dass die Röntgenstrahlung 32 ausschließlich auf den Röntgendetektor 22 fällt. Dies führt bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Geometrie zu einer annähernd bogenförmigen Öffnung 83.
3. Target und Targethalter
Der Aufbau des Targets 72 und des Targethalters 74 wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 näher erläutert, die diese beiden Teile in einem axialen Schnitt bzw. in Draufsicht zeigen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Target 72 als dünner kurzer Drahtabschnitt ausgebildet, dessen Durchmesser 40 μπι beträgt. Das drahtförmige Target besteht aus einem Material mit hoher Kernladungszahl, da der Wirkungsgrad der Umwandlung der kinetischen Energie der Elektronen in Röntgen- bremsstrahlung mit zunehmender Ordnungszahl zunimmt. Elemente wie Platin, Gold, Quecksilber, Blei oder Uran sind hierfür jedoch nur eingeschränkt geeignet, da sie einen relativ niedrigen Schmelzpunkt haben. Besser geeignet sind die Elemente Wolfram oder Tantal, deren Schmelzpunkt bei 3350 °C bzw. 2996 °C liegt.
Der Targethalter 74 hat bei diesem Ausführungsbeispiel insgesamt die Gestalt eines geraden Kreiszylinders, dessen zur Elektronenkanone 40 weisende Stirnseite als Halbkalotte ausgebildet ist. Der Targethalter 74 ist mit einer Bohrung 78 versehen, die sich entlang der Symmetrieachse des Targethalters 74 erstreckt. In diese Bohrung 78 ist das dünne drahtförmige Target 72 so eingesetzt, dass es möglichst flächig an dem Targethalter 74 anliegt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass das Target 72 in den Targethalter 74 eingequetscht wird. Ein guter Wärmeübergang zwischen dem Target 72 und dem Targethalter 74 ist deswegen wichtig, weil etwa 99% der kinetischen Energie der auf das Target 72 auftreffenden Elektronen in Wärme umgewandelt wird. Wenn auf eine Flüssigkeitskühlung verzichtet werden soll, müssen deswegen die Beschleunigungsspannung und der Kathodenstrom so abgestimmt werden, dass das Target 72 möglichst nicht schmilzt, zumindest jedoch nicht verdampft. Im Allgemeinen wird die Leistung der Röntgenröhre deswegen auch auf Werte von weniger als etwa 100 W beschränkt sein.
Der Targethalter 74 besteht aus einem Material, das eine geringere Ordnungszahl hat als das Material, aus dem das Target 72 besteht. Geeignet hierfür sind beispielsweise Aluminium, Beryllium oder Kohlenstoff, und zwar wegen seiner besonders hohen Wärmeleitfähigkeit insbesondere die Modifikation als Diamant. Um eine auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu erhalten und damit ein Aufladen des Targethalters 74 zu verhindern, kann der Diamant auch mit Metallatomen dotiert sein.
Die Bohrung 78 im Targethalter 74 fluchtet dabei zumindest im Wesentlichen mit der Einfallsrichtung des Elektronenstrahls 60. Somit trifft der Elektronenstrahl 60 die ihm zugewandte Stirnseite des drahtförmigen Targets 72, wie dies im vergrößerten Ausschnitt A rechts neben der Figur 4 erkennbar ist. Senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls 60 ist die Abmessung des Targets 72 folglich gleich dem Drahtdurchmesser, der in der Draufsicht der Figur 5 mit d bezeichnet ist. Wie aus dem Ausschnitt A hervorgeht, ist bei diesem Ausführungsbeispiel angenommen, dass der Durchmesser des Elektronenstrahls 60 etwas kleiner als der Drahtdurchmesser d ist.
Da die Ordnungszahl des Materials des Targethalters 74 kleiner ist als die des Materials, aus dem das Target 72 besteht, wird die beim Abbremsen der Elektronen am Target 72 erzeugte Röntgenstrahlung vom Targethalter 74 nur geringfügig absorbiert. Dabei wird ausgenutzt, dass die Absorption für Röntgenstrahlung annähernd proportional ist zur dritten Potenz der Ordnungszahl. Umgekehrt absorbiert das Target 72 die an seiner Stirnseite erzeugte Röntgenstrahlung relativ stark. Durch die drahtförmige Ausbildung des Targets und Anordnung längs der Einfallrichtung des Elektronenstrahls 60 wird jedoch nur diejenige Röntgenstrahlung vom Target 72 absorbiert, die entlang der Längsrichtung des drahtförmigen Targets 72 emittiert wird. In alle anderen Richtungen hingegen kann sich die Röntgenstrahlung praktisch ungehindert ausbreiten, wie dies in der Figur 3 durch gepunktete Pfeile 32 angedeutet ist. Die zur Elektronenkanone 40 weisende Stirnseite des Targets 72 stellt somit eine praktisch punktförmige Quelle für Röntgenstrahlung 32 dar, die in alle Raumrichtungen mit Ausnahme der Längsrichtung des drahtförmigen Targets 72 Röntgenstrahlung 32 emittiert.
Damit die Röntgenstrahlung 32 möglichst gleichmäßig in alle Raumrichtungen emittiert wird, kann die zur Elektronenkanone 40 weisende Stirnseite des Targets 72 halbkugelförmig abgerundet sein, wie dies in dem vergrößerten Ausschnitt A rechts neben der Figur 4 gezeigt ist.
Wie bereits erwähnt, sollte die im Target 72 erzeugte Wärme möglichst gut in den umgebenden Targethalter 74 abfließen können. Da sich das dünne drahtförmige Target 72 nicht ohne weiteres in die Bohrung 78 einpressen lässt, wird es im Allgemeinen sinnvoll sein, die Bohrung 78 mit einem etwas größeren Durchmesser auszuführen und das Target 72 dann in der Bohrung durch Punktschweißen an einer oder mehreren Stellen zu befestigen.
In Betracht kommt auch eine Verklemmung des drahtförmigen Targets 72 in einer Bohrung 78 mit größerem Durchmesser unter Verwendung von Klemmelementen, die beispielsweise aus Diamant bestehen können. Dies ist neben der Figur 4 in einem vergrößerten Ausschnitt B gezeigt, wobei die Klemmelemente mit der Bezugsziffer 84 angedeutet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Klemmelemente 84 um den Umfang des Targets 72 verteilt; auch eine Art isostatische Aufnahme mit drei Klemmelementen 84, die in Winkeln von 120° über den Umfang des Targets 72 verteilt sind, kommt selbstverständlich in Betracht. Die Klemmelemente 84 können auch keilförmig ausgebildet sein.
Bei der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausbildung des Targets 72 bleibt der Brennfleck, d. h. der Ort, an dem der auftreffende Elektronenstrahl 60 Röntgenstrahlung erzeugt, selbst dann im Wesentlichen auf den Durchmesser des draht- förmigen Targets 72 beschränkt, wenn der Durchmesser des auftreffenden Elektronenstrahls 60 größer als der Durchmesser des Targets 72 ist. In diesem Fall treffen Elektronen, die nicht am Target 72 abgebremst werden, auf den umgebenden Targethalter 74 oder die Klemmelemente 84. Da sowohl das Material des Targethalters 74 als auch das Material der Klemmelemente 84 eine niedrigere Ordnungszahl haben, entsteht dort erheblich weniger Röntgenstrahlung als am Target 72. Der Brennfleck wird dann lediglich an seinem Umfang etwas verschmiert, wobei aber der größte Teil der Röntgen- Strahlung von dem als praktisch punktförmig anzusehenden Target 72 ausgeht.
4. Zielführung des Elektronenstrahls
Wegen der winzigen Abmessungen des Targets 72 senkrecht zur Einfallsrichtung ist es schwierig, die Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 60 allein mit baulichen Maßnahmen und einer sorgfältigen Justierung so einzustellen, dass dieser stets mittig auf das Target 72 trifft. Driftvorgänge, etwa aufgrund thermischer Verformung oder Materialdegradationen, die durch die energiereiche Röntgenstrahlung verursacht werden, können schnell dazu führen, dass der einmal eingestellte Elektronenstrahl nach einiger Zeit nicht mehr das Target 72 trifft.
Deswegen weist die Röntgenröhre 18 eine Zieleinrichtung auf, mit der sich der Elektronenstrahl 60 durch Steuern {open loop control) oder Regeln {closed loop control) zuverlässig auf das Target 72 richten lässt. Zu dieser Zieleinrichtung gehört die Ablenkeinrichtung 66, die vorstehend bereits mit Bezug auf die Figur 3 erläutert wurde. Ferner umfasst die Zieleinrichtung einen Brennfleckdetektor, mit dem zumindest der Ort, vorzugsweise auch der Durchmesser, des Brennflecks gemessen werden kann, an dem der Elektronenstrahl 60 auf das Target 72 oder den diesen umgebenden Targethalter 74 auftrifft.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der
Brennfleckdetektor eine Detektoreinrichtung mit zwei Platten 86, die so zwischen dem Kolben 36 und dem Abschirmtubus 81 angeordnet sind, dass sie zumindest dann, wenn der E- lektronenstrahl 60 auf das Target 72 auftrifft, der Röntgenstrahlung 32 ausgesetzt sind. Die Platten 86 sind mit einem Szintillatormaterial 92 beschichtet, das bei Auftreffen von Röntgenquanten Lichtquanten erzeugt. Diese werden einem Lichtleiter 88 zugeführt, der mit einem Photodetektor 87, z. B. einer Photodiode oder einem Photomultiplier, verbunden ist. Bei Verwendung eines Photomultipliers als Photodetektor oder einer wellenlängenabhängig arbeitenden Photodiode ist es möglich, auch Rückschlüsse auf die Energie der Röntgenquanten zu ziehen, welche im Szintillatormaterial 92 in Lichtquanten umgewandelt wurden.
Es können auch mehrere Sätze von ebenen oder gekrümmten Platten 86 mit Szintillatormaterial 92 und diesen zugeordneten Photodetektoren 87 vorgesehen sein. Werden diese Platten 86 beispielsweise mit mehrzähliger Symmetrie über den Umfang des Kolbens 36 verteilt, so lassen sich Aussagen über das Winkelspektrum der erzeugten Röntgenstrahlung 32 machen .
Insbesondere dann, wenn das Szintillatormaterial 92 sehr nahe am Target 72 angeordnet ist, kann es zweckmäßig sein, das Szintillatormaterial 92 durch eine zusätzlich auf die Platten aufgebrachte Absorberschicht oder durch Maßnahmen gleicher Wirkung vor zu intensiver Röntgenstrahlung 32 zu schützen .
Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die mit Szintillatormaterial 92 beschichteten Platten 86 nicht außerhalb, sondern innerhalb des Kolbens 36 angeordnet. Wird der Photodetektor direkt an das Szintillatormaterial 92 herangeführt, so kann auf den Lichtleiter 88 verzichtet werden.
Alternativ oder zusätzlich zu einer oder mehreren Platten 86 mit Szintillatormaterial 92 können auch Sammelelektroden 90, die vorzugsweise aus einem für Röntgenstrahlung 32 durchlässigen Metall bestehen, im Innenraum 38 des Kolbens 36 angeordnet sein. In der Figur 3 liegen sich zwei solche Sammelelektroden 90 diametral gegenüber; weitere Paare von Sammelelektroden können zusätzlich über den Umfang des Kolbens 36 verteilt sein. Die Sammelelektroden 90 haben die Aufgabe, Rückstreu- und Sekundärelektroden, die vom Target 72 ausgehen, zu erfassen und als Stromsignale detektierbar zu machen.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Kolben 38 81 als Träger für eine Sammelelektrode verwendet werden, mit der Sekundär- oder Rückstreuelektronen erfasst werden können. Die Sammelelektrode wird dann z.B. durch eine auf die Innenseite des Kolbens 36 aufgebrachte elektrisch leitende Beschichtung, die in der Figur 3 bei 99 angedeutet ist, oder ein elektrisch getrennt kontaktierbares Blech gebildet. Alternativ kann auch der Kolben 36 direkt als Sammelelektrode verwendet werden, wenn er zumindest innen elektrisch leitfähig ist und das Target über eine getrennte elektrische Kontaktierung verfügt, die bei 95 angedeutet ist .
Die Figur 6 zeigt in Form eines Blockschaltbildes, wie die Detektoreinrichtung des Brennfleckdetektors mit einer Steuereinheit 91 verbunden sind, die ihrerseits die Fokussier- einrichtung 52 und die Ablenkeinrichtung 66 mit den Elektromagneten 68, 70 ansteuert. Unterstellt ist in diesem Ausführungsbeispiel, dass die Detektoreinrichtung des
Brennfleckdetektors wie vorstehend erläutert ein Szintilla- tormaterial 92 und einen optisch damit verbundenen Photodetektor 87 sowie mehrere Sammelelektroden 90, 99 aufweist, die mit geeigneten Auswerteschaltungen für die Bestimmung der Zahl der auftreffenden Elektronen verbunden sind. Die Steuereinheit 91 steuert die Fokussiereinrichtung 52 und vor allem die Elektromagneten 68, 70 der Ablenkeinrichtung 66 so an, dass der Elektronenstrahl 60 auf das Target 72 auftrifft .
Dies kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass der Elektronenstrahl 60 scannerartig über das Target 72 und den umgebenden Targethalter 74 geführt wird. Sobald der Elektronenstrahl 60 das Target 72 trifft, messen die Detektoreinrichtungen des Brennfleckdetektors eine starke Erhöhung der Röntgenstrahlung und/oder der Rückstreu- und Sekundärelektronen. Hat der Elektronenstrahl 60 einmal das Target 72 getroffen und somit sein Ziel erreicht, so kann durch eine einfache Regelung gewährleistet werden, dass die Ablenkeinrichtung 66 fortan so angesteuert wird, dass die detektierte Röntgenstrahlung und/oder die detektierten Rückstreu- und Sekundärelektronen eine maximale Intensität haben .
Ferner kann in entsprechender Weise auch die Fokussierein- richtung 52 so von der Steuereinheit 91 angesteuert werden, dass die Intensität der erzeugten Röntgenstrahlung und/oder der detektierten Rückstreuelektronen maximal ist.
Anstelle einer maximalen Intensität kann auch eine andere Regelgröße dem Regelkreis zugrunde gelegt werden, z. B. ein bestimmter kleinerer Intensitätswert. Die Steuereinheit 91 kann deswegen mit dem Computer 16 verbunden sein, über den eine Bedienperson mit Hilfe einer Tastatur oder einer anderen Eingabeeinrichtung die Regelgröße zumindest in gewissen Grenzen festlegen kann.
Die Zieleinrichtung kann auch als eine Art Rasterelektronenmikroskop eingesetzt werden, bei dem ja ebenfalls ein dünner Elektronenstrahl scannerartig über ein abzutastendes Objekt geführt wird. Aus der Erfassung der vom Objekt austretenden oder rückgestreuten Elektronen ergibt sich dort ein rasterelektronenmikroskopisches Bild des Objektes. Bei der Röntgenröhre 18 ist das Objekt durch das Target 72 und den Targethalter 74 gegeben. Das rasterelektronenmikrosko- pische Bild des Targets 72 und des umgebenden Targethalters 74 wird dazu verwendet, den Ort des Targets 72 zu erkennen, um darauf dauerhaft den Elektronenstrahl 60 fokussieren zu können .
Ermöglicht der Brennfleckdetektor eine energieaufgelöste Detektion der Röntgenstrahlung, so kann auch die charakteristische Röntgenstrahlung des Targetmaterials 72 erkannt und zur Steuerung oder Regelung des Elektronenstrahls 60 verwendet werden. Auf diese Weise lässt sich das Signal- Rausch-Verhältnis verbessern.
Um eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahls mit Hilfe der Fokussiereinrichtung 52 zu erzielen, kann die Fokussierung schrittweise durchgestimmt werden, wobei bei jeder Fokussierung durch Abscannen ein rasterelektronenmik- roskopisches Bild des Targets 72 und des umgebenden Targethalters 74 erzeugt wird. Für die spätere Erzeugung von Röntgenstrahlen wird diejenige Fokussierung gewählt, bei der das Bild des Targets 72 eine Eigenschaft hat, die einem vorgegebenen Wert möglichst nahe kommt. Bei dieser Eigenschaft kann es sich z. B. um die Kantensteilheit handeln, die als erste (oder ggf. auch höhere Ableitung) des Intensitätsverlaufs definiert ist. Je abrupter sich die Intensität dort, wo auf dem Bild der Umfang des Targets 72 erkennbar ist, ändert, desto schärfer erscheint das Bild des Targets, und desto kleiner muss der Durchmesser des Elektronenstrahls bei der Aufnahme des rasterelektronenmikrosko- pischen Bildes gewesen sein.
Es kommen jedoch auch andere Eigenschaften des Bildes in Betracht, die zur Steuerung der Fokussiereinrichtung herangezogen werden können. Wird als Eigenschaft beispielsweise der Kontrast gewählt, der einen maximalen Wert annehmen soll, so führt dies zu einer Fokussierung des Elektronenstrahls, bei der die erzeugte Röntgenstrahlung eine maximale Intensität hat.
5. Weitere Ausführungsbeispiele
Die Detektoreinrichtung des Brennfleckdetektors, d.h. das Szintillatormaterial 92, der Photodetektor 87 sowie die Sammelelektroden 90 und 99, können auch dazu verwendet werden, um die Intensität der erzeugten Röntgenstrahlung 32 zu messen und die Heizspannungsquelle 48 und/oder den Wehnelt-Zylinder 44 so anzusteuern, dass die gemessene Intensität sich möglichst weitgehend einer vorgegebenen Sollintensität annähert. Bei bekannter Intensität der Röntgenstrahlung und bekannter Größe und Anordnung der Öffnungen in der Abschirmung 81 lässt sich dann das Dosis- Flächenprodukt berechnen, das vor allem bei medizinischen Anwendungen eingehalten werden muss.
Die Figuren 7 und 8 zeigen in an die Figuren 4 und 5 angelehnten Darstellungen einen Targethalter 74 mit darin aufgenommenen Target 72 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel in einem axialen Schnitt bzw. einer Draufsicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Target 72 ebenfalls als dünner Drahtabschnitt ausgebildet, wobei jedoch die Längsrichtung des Drahtabschnitts senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls 60 verläuft. Das Target 72 ist dabei beispielsweise auf der Oberfläche des Targethalters 74 durch Punktschweißen befestigt oder zur Verbesserung des Wärmeübergangs in eine keilförmige Vertiefung 97 eingelegt, wie dies in dem vergrößerten Schnitt D erkennbar ist, der lediglich das zur Elektronenkanone 40 weisende Ende des Targethalters 74 mit dem darin aufgenommenen Target 72 zeigt. Die Länge 1 des Targets 72 beträgt bei diesem Aus- führungsbeispiel 500 pm und der Durchmesser d des Targets 72 40 μπκ
Die beim Auftreffen des Elektronenstrahls 60 erzeugte Röntgenstrahlung wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel nahezu gleichmäßig in alle Raumrichtungen emittiert. Nur Röntgenstrahlung, die entlang der Längsachse des Targets 72 emittiert wird, wird vom Target 72 stark absorbiert. Folglich emittiert ein solches Target 72 keine Röntgenstrahlung für Azimutwinkel von 90° und 270°. Dafür kann sich, anders als bei dem in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel, Röntgenstrahlung entlang der Einfallrichtung des Elektronenstrahls 60, d.h. mit einem Azimutwinkel von 360°, ausbreiten, was für bestimmte Anwendungen der Röntgenröhre 18 vorteilhaft sein kann.
Je mehr man die Länge 1 des Targets 72 verkürzt, desto geringer ist die Absorption der Röntgenstrahlung entlang der Längsrichtung des Targets 72. Im Grenzfall kleiner werdender Längen 1 nähert sich die Form des Targets 72 immer mehr einem kurzen Kreiszylinder oder einem Kubus mit einer Kantenlänge von weniger als 100 μπι und vorzugsweise von weniger als 50 μπι an.
Um die Winkelabhängigkeit der emittierten Röntgenstrahlung weiter zu verringern, kann das Target 72 die Form einer kleinen Kugel erhalten, wie dies bei dem in den Figuren 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. In diesem Fall beträgt der Durchmesser d = 25 μιη, so dass die maximale Ausdehnung des Targets für alle Richtungen senkrecht zur Einfallsrichtung weniger als 50 μπι beträgt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Targethalter 74 im Wesentlichen die Form einer Kugel, die sich über einen Zapfen 98 an dem Kolben 36 abstützt. Der kugelförmige Targethalter 74 ist dabei mit einer kegelstumpfförmigen Aus- nehmung 96 zur Aufnahme des kugelförmigen Targets 72 verse¬ hen. Eine solche kegelstumpfförmige Ausnehmung 96 hat den Vorteil, dass sich das Target 72 von alleine in der Ausnehmung 96 zentriert; gegebenenfalls kann sogar auf eine Befestigung durch Punktschweißen o. ä. verzichtet werden, wenn die Klemmwirkung, die vom Targethalter 74 auf das Target 72 ausgeübt wird, ausreichend groß ist.
Da durch verschiedene Bauteile, etwa die Platte 86 mit dem Szintillatormaterial 92 und die Beschichtung 99 auf dem Abschirmtubus 81, Röntgenstrahlung 32 wenn auch nur geringfügig absorbiert wird, kann die ursprünglich vorhandene weitgehend winkelunabhängige Intensitätsverteilung etwas gestört werden. Um hier einen Ausgleich zu schaffen, kann die Wandung des Kolbens 36, die ebenfalls zu einem geringen Teil Röntgenstrahlung 32 absorbiert, eine lokal variierende Dicke aufweisen. Die Dickenschwankungen werden dabei so festgelegt, dass sich außerhalb des Kolbens 36 die gewünschte winkelunabhängige Intensitätsverteilung ergibt. Entsprechendes gilt natürlich auch für den Fall, dass eine gezielte anisotrope, d.h. winkelabhängige Intensitätsverteilung gewünscht ist. In der Figur 9 ist eine solche gezielt eingebrachte Dickenschwankung bei AD angedeutet.
Dieses Prinzip kann auch auf den Targethalter 74 angewendet werden, der ebenfalls einen kleinen Teil der durchtretenden Röntgenstrahlung 32 absorbiert. Eine spezielle Formgebung des Targethalters 74 kann zur Einstellung einer gewünschten Intensitätsverteilung im Winkelraum beitragen.
Die Figur 11 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem in der Röntgenröhre 18 nicht nur ein Target 72 mit Targethalter 74, sondern insgesamt fünf Targets 72 mit jeweils zugeordneten Targethaltern 74 angeordnet sind. Mit Hilfe der Ablenkeinrichtung 66 lässt sich der Elektronen- strahl 60 auf jedes der fünf Targets 72 richten. Dadurch ist es möglich, mit einer einzigen Röntgenröhre 18 Röntgenquellen an unterschiedlichen Orten zu erzeugen. Da zum Ablenken des Elektronenstrahls 60 keine Teile bewegt werden müssen, können zwei oder mehr Röntgenaufnahmen sehr schnell hintereinander aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommenen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gefahr besteht, dass sich das Objekt 100 zwischen den Aufnahmen bewegt, wie dies etwa bei Anwendungen in der ( zahn) medizinischen Diagnose der Fall ist.
Bei jeder Röntgenaufnahme entsteht auf dem Röntgendetektor 22 ein Bild, das in der Figur 11 jeweils durch einen hinter dem Röntgendetektor 22 gezeichneten Doppelpfeil angedeutet ist. Bei geeigneter Festlegung der die Abbildungsgeometrie festlegenden Abmessungen kann dabei erreicht werden, dass sich die einzelnen Bilder nicht auf dem Röntgendetektor überlappen, wie dies in der Figur 11 gezeigt ist. Dadurch kann beispielsweise ein Arzt das gleiche Objekt auf einem Bildträger aus zwei oder mehr unterschiedlichen Perspektiven betrachten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Röntgenröhre mit a) einer Elektronenkanone (40) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (60), b) einem Target (72), das aus einem Targetmaterial besteht und an dem Röntgenstrahlung freigesetzt wird, wenn der Elektronenstrahl (60) entlang einer Einfallsrichtung auf das Target (72) auftrifft, wobei das Target (72) zumindest in einer Richtung, die senkrecht zur Einfallsrichtung verläuft, eine Breite von weniger als 250 pm hat, c) einem Targethalter (74), an dem das Target (72) anliegt und der aus einem Haltermaterial besteht, das eine kleinere Ordnungszahl als das Targetmaterial hat, und mit d) einer Ablenkeinrichtung (66) zum Ablenken des Elektronenstrahls (60), gekennzeichnet durch e) einen Brennfleckdetektor (86, 87, 88, 90, 92,
99) , der dazu eingerichtet ist, den Ort des Brennflecks zu messen, an dem der Elektronenstrahl (60) auf dem Target (72) oder dem Targethalter (74) auftrifft, wobei der Brennfleckdetektor eine Detektoreinrichtung (86, 87, 88, 90, 92, 99) zum Detektieren von Röntgenstrahlung und/oder von Sekundärelektronen und/oder von Rückstreuelektronen aufweist, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf dem Target (72) und/oder dem Targethalter (74) abgestrahlt werden, und wobei die Detektoreinrichtung eine Detektorfläche (92, 90, 99) aufweist, und durch eine f) Steuereinheit (91), die dazu eingerichtet ist, die Ablenkeinrichtung (66) derart in Abhängigkeit von dem Ort des Brennflecks anzusteuern, dass der Elektronenstrahl (60) auf das Target (72) auftrifft, und die Ablenkeinrichtung (66) derart anzusteuern, dass der Elektronenstrahl (60) scannerartig über das Target (72) und den Targethalter (74) geführt wird, wodurch ein rasterelektronenmikroskopisches Bild des Targets (72) erhalten wird.
2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (72) senkrecht zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls eine maximale Ausdehnung von weniger als 250 μπι hat.
3. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (72) als gerader Drahtabschnitt ausgebildet ist.
4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Targethalter (72) eine keilförmige Ausnehmung (97) hat, in welcher der Drahtabschnitt verklemmt ist.
5. Röntgenröhre nach Anspruch 2 und nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtabschnitt eine Längsachse hat, die mit der Einfallsrichtung einen Winkel von weniger als 30°, vorzugsweise von weniger als 3°, einschließt.
6. Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Elektronenkanone (40) weisende Ende des Drahtabschnitts abgerundet ist.
7. Röntgenröhre nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Targethalter (74) eine Bohrung (78) aufweist, in welcher der Drahtabschnitt aufgenommen ist.
8. Röntgenröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtabschnitt mit Klemmelementen in der Bohrung (78) verklemmt ist.
9. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Drahtabschnitts höchstens das 1.5fache, vorzugsweise höchstens das l.lfache, seines maximalen Durchmessers beträgt .
10. Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (72 in Figur 9) als Kugel ausgebildet ist.
11. Röntgenröhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Targethalter (74) eine kegelstumpfförmige Ausnehmung (96) hat, in der das Target (72) verklemmt ist.
12. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (72) durch elektrisches Punktschweißen mit dem Targethalter (74) verbunden ist.
13. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Röntgenröhre (18) eine Fokussiereinrichtung
(52) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Elektronenstrahl (60) zu fokussieren, b) der Brennfleckdetektor (86, 87, 88, 90, 92, 99) dazu eingerichtet ist, eine Eigenschaft, insbesondere die Kantensteilheit, des rasterelektro- nenmikroskopisches Bildes vom Target (72) zu messen, und dass c) die Steuereinheit (91) dazu eingerichtet, die
Fokussiereinrichtung (52) derart anzusteuern, dass die gemessene Eigenschaft des Bildes einen vorgegebenen Wert erreicht.
14. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenröhre (18) ein Strahlrohr (36), in dem der Elektronenstrahl (60) geführt ist, und einen Abschirmtubus (81) aufweist, der auf das Strahlrohr (36) aufgeschoben und für die Röntgenstrahlung (32) undurchlässig ist.
15. Röntgenröhre nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorfläche (99) von der Innenseite des Strahlrohrs (36) getragen wird, oder dass das Strahlrohr (36) elektrisch leitfähig ist und die Detektorfläche von dem Strahlrohr (36) gebildet wird.
16. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorfläche einen Szintillator (92) umfasst, der beim Auftreffen von Röntgenstrahlung (32) Lichtsignale erzeugt, und dass die Detektoreinrichtung ferner einen für die Licht- Signale empfindlichen Photodetektor (87) und einen Lichtleiter (88) aufweist, der die Detektorfläche (92) mit dem Photodetektor (87) verbindet.
17. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenröhre (18) ein Strahlrohr (36) aufweist, das eine Röntgenstrahlung geringfügig absorbierende Wandung hat, deren Dicke variiert.
18. Röntgenröhre nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wandung derart variiert, dass die aus dem Strahlrohr (36) austretende Röntgenstrahlung (32) über alle Winkel, bei denen Röntgenstrahlung aus dem Strahlrohr (36) austritt, die gleiche Intensität hat.
19. Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere voneinander getrennte Targets (72 in Figur 11), wobei zu einem gegebenen Zeitpunkt der Elektronenstrahl (60) auf jedes beliebige Target richtbar ist.
20. System zur Herstellung von Röntgenbildern für die
zahnmedizinische oder kieferorthopädische Diagnostik, umfassend: a) eine in einer Mundhöhle (28) eines Patienten
(30) anordenbare Röntgenröhre (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und b) einen Röntgendetektor (22), der derart anorden- bar ist, dass er sich von außen zumindest um einen Teil des Kieferbogens des Patienten (30) herum erstreckt, und mit dem auf den Röntgende¬ tektor (32) auftreffende Röntgenstrahlung er- fassbar. ist, nachdem diese Zähne (34) des Patienten (30) durchtreten hat.
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