AT397319B - Röntgenröhren-drehanode - Google Patents

Description

AT 397 319 B

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenröhren-Drehanode, die einen hohlen drehbaren scheibenförmigen Abschnitt mit einer ringförmigen Brennspur aufweist, wobei dieser scheibenförmige Abschnitt an einem ersten Rohr befestigt ist, das sich koaxial vom scheibenförmigen Abschnitt wegerstreckt, und das Innere des hohlen scheibenförmigen Abschnittes mit dem Inneren des ersten Rohres in Strömungsverbindung steht, und die ferner einen stationären Einsatz aufweist, der im Inneren der Drehanode angeordnet ist und ein zweites und ein drittes Rohr aufweist, wobei das erste Rohr auf dem zweiten Rohr drehbar gelagert ist und das zweite Rohr das dritte Rohr mit Abstand umgibt, und wobei das dritte Rohr zur Zufuhr und der Ringraum zwischen dem dritten und dem zweiten Rohr zur Abfuhr eines Kühlmediums für die Drehanode dient.

Hochleistungs-Röntgengeräte der Art, wie sie bei der medizinischen Diagnostik, z. B. in Computertomographen (CT), oder der Röntgen-Kristallographie benutzt werden, erfordern eine Anode, die relativ große Wärmemengen abzuleiten in der Lage sein muß. Da die primäre Art der Wärmeableitung durch Abstrahlung von der Anode erfolgt, führt eine Vergrößerung der abstrahlenden Oberfläche zu einer größeren Wärmeableitung. Durch Drehen der Anode wird dem von der Kathode emittierten Elektronenstrahl kontinuierlich eine frische Fläche der Brennspur präsentiert, und die während der Röntgenstrahlerzeugung anfallende Wärme kann vorteilhafterweise über einen größeren Bereich verteilt werden. Die Anodenrotation gestattet daher ein Betreiben eines Röntgengerätes allgemein bei einer höheren Leistung als dies mit einem Gerät mit stationärer Anode möglich ist, und das Problem der Beeinträchtigung der Brennspur, das bei Geräten mit stationärer Anode auf tritt, wird vermieden, vorausgesetzt die Temperaturgrenzen des Brennspurmaterials werden nicht überschritten.

Die erzeugte Wärmemenge und die in einem Röntgengerät auftretenden Temperaturen können beträchtlich sein. Da weniger als 0,5 % der Energie des Elektronenstrahles in Röntgenstrahlen umgewandelt werden, während ein Hauptteil der übrigen Energie als Wärme anfällt, kann die mittlere Temperatur der Targetoberfläche bzw. der Brennspur der Drehanode 1200 °C übersteigen, wobei die Spitzentemperaturen des heißen Heckes noch beträchtlich höher sind. Die Verminderung dieser Temperaturen und die Abführung der Wärme ist für eine Erhöhung der Leistung entscheidend. Die Möglichkeit, die erzeugte Wärme allein durch Anodenrotation abzuleiten, ist jedoch begrenzt.

Ein weiterer Nachteil der Geräte nach dem Stand der Technik ist deren begrenzte Lebensdauer, die teilweise durch die Fähigkeit, Wärme abzuleiten, bestimmt wird. Da Röntgengeräte relativ teuer sein können, ergibt eine größere Lebensdauer beträchtliche Kostenersparnisse.

Bei einem Röntgengerät sind es in erster Linie die Lager, auf denen der Anodenschaft rotiert, welche die Lebensdauer des Gerätes bestimmen. Die für eine Drehanode benutzten Lager werden üblicherweise innerhalb des evakuierten Glaskolbens angeordnet, um die Notwendigkeit einer Rotations-Vakuumdichtung zu vermeiden. Die Anordnung des Lagers in diesem Vakuum erfordert jedoch die Anwendung eines speziellen Schmiermittels, z. B. eines Silberüberzuges, der auf dem Lager angeordnet wird, welches selbst wärmeempfindlich sein kann. Die Temperatur des Lagers kann zeitweise 400 °C übersteigen; hauptsächlich wird diese Temperatur auf Grund der Wärmeleitung von der Anode über den Schaft, auf dem sich die Anode dreht, erreicht. Es wird somit eine sehr warme ungünstige Umgebung geschaffen, die rasch in einer Erosion des Lagers resultieren kann, welche zu einem Verschleiß bzw. einem Festfressen des Schaftes und schließlich zum Versagen des Gerätes führen kann.

Durch entsprechendes Kühlen, wobei das Lager des Röntgengerätes unter einer kritischen Temperatur von etwa 400 °C gehalten wird, wird in vorteilhafter Weise die Lebensdauer des Lagers und somit des Gerätes selbst verlängert. Ein solches Kühlen ist darüberhinaus deshalb erwünscht, weil es eine Erhöhung der Spitzen-und der mittleren Leistung über die bekannter Röntgengeräte gestattet und somit die Möglichkeiten und die Brauchbarkeit solcher Geräte über die von derzeit üblichen hinaus steigert.

Die über die Zeit gemittelte Wärmeabgabe der Röntgenröhre, die in einem CT-Scanner benutzt wird, bestimmt den Patientendurchsatz. Es wird angenommen, daß die erforderliche mittlere Energieabgabe des gepulsten Elektronenstrahles 12 kW beträgt. Derzeitige CT-Scanner-Röhren leiten etwa 3 kW ab. Wird die Brennspur der Röntgenröhre überhitzt, wie dies der Fall sein wird, wenn man den Patientendurchsatz erhöht, dann muß die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Nutzungen der Maschine verlängert werden, damit sich das Target abkühlen kann. Eine Röntgenröhre mit größerer Wärmeabführung gestattet daher eine verbesserte Maschinennutzung.

Typisch für die Versuche nach dem Stand der Technik, Röntgenröhren zu kühlen, ist die US-PS 4 455 504. Wie in dieser Patentschrift offenbart, erfolgt das Kühlen durch Zirkulation eines Strömungsmittels durch das Innere der Anode in direktem Kontakt mit den inneren Oberflächen der Anode. Während ein solches System das Kühlen fördert, erfordert es die Anwendung von rotierenden Strömungsmitteldichtungen. Da diese Dichtungen zum Lecken neigen, ist die Zuverlässigkeit eines solchen Gerätes gering, und es gibt keine Sicherheit, daß das Gerät ein solches Leck, wenn es auftritt, überlebt

Aus der SU-PS 1 319 112 ist eine Drehanode der eingangs genannten Art bekannt Der stationäre Einsatz ist hier eine Strömungsumlenkschale, durch deren zentrale Öffnung das Kühlmittel aus dem dritten Rohr in das Innere der Drehanode eintritt, über die Oberseite, die Umfangskante und die Unterseite der Umlenkschale streicht und über den Ringraum zwischen drittem und zweitem Rohr abgezogen wird. Dabei steht das -2-

AT397 319B Kühlmittel direkt mit der Innenwand des hohlen drehbaren scheibenförmigen Abschnittes in Berührung, was wieder rotationsbewegliche Strömungsmitteldichtungen erfordert, welche die erörterten Nachteile aufweisen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Röntgenstrahlen erzeugendes Gerät zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Röntgengerät hoher Leistung zu schaffen, das eine größere nutzbare Lebensdauer aufweist als die bisher erhältlichen Geräte dieser Art Weiter soll das zu schaffende Röntgengerät eine größere Wärmeabführungsgeschwindigkeit haben, die einen kontinuierlichen Betrieb gestattet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Röntgenröhren-Drehanode der einleitend genannten Art gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß der stationäre Einsatz ferner einen hohlen scheibenförmigen Einsatzabschnitt aufweist, der innerhalb des hohlen drehbaren scheibenförmigen Abschnittes angeordnet am zweiten Rohr und am dritten Rohr befestigt ist und einen Kühlmedium-Durchgang bildet der an einem Ende mit dem Inneren des dritten Rohres in Strömungsverbindung steht sich unter der Oberfläche des stationären scheibenförmigen Einsatzabschnittes erstreckt und am anderen Ende mit dem Ringraum zwischen zweitem und drittem Rohr in Strömungsverbindung steht.

Der stationäre Einsatz definiert dadurch einen abgeschlossenen inneren Strömungspfad, durch den das Strömungsmittel zirkulieren kann, um die als Nebenprodukt der Erzeugung von Röntgenstrahlen an der Anode auftretende Wärme zu entfernen. Weil das Kühlmittel an keinem Punkt mit den rotierenden Teilen der Anode in direkter Berührung steht, entfällt das Erfordernis für rotationsbewegliche Flüssigkeitsdichtungen. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der erfindungsgemäßen Drehanode ist wesentlich höher als die der bekannten Konstruktionen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Röntgengerätes nach dem Stand der Technik mit der vollständigen festen Drehanode, Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Röntgenröhre nach der vorliegenden Erfindung und Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene isometrische Ansicht der hohlen Drehanode der vorliegenden Erfindung.

Ein Röntgenstrahlen erzeugendes Gerät (11), wie es typisch ist für die Geräte nach dem Stande der Technik, die eine Drehanode benutzen, ist im Querschnitt in Fig. 1 dargestellt. Wie gezeigt umfaßt das Röntgengerät (11) einen evakuierten Glaskolben (13), der eine scheibenförmige Drehanode (21) einschließt. Die Anode (21) hat eine ringförmige Targetoberfläche bzw. Brennspur (23) an der Peripherie der Vorderwand, wobei die genannte Peripherie in einem leichten Winkel bezüglich der Vorderwand verläuft. Die ringförmige Targetoberfläche besteht aus einer Wolfram-Legierung, die auf einem Rad angeordnet ist, das aus Graphit oder Molybdän besteht. Im Glaskolben (13) ist weiter eine Kathode (27) angeordnet. Die Lage der Kathode mit Bezug auf die Anode (21) ist derart, daß der Elektronenstrahl dazwischen im wesentlichen parallel zur Rotationsachse (29) der Anode verläuft. Die Anode (21) ist an einem Schaft (19) befestigt, der drehbar gelagert (25) ist. Anode und Schaft rotieren um die Achse (29) als Ergebnis der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen einem Stator (15) und einem Rotor (17), wobei der letztere am Schaft (19) befestigt ist.

Ein kleiner Bruchteil der Energie des Elektronenstrahles, der auf das Target auftrifft, wird in Röntgenstrahlen umgewandelt Die Röntgenstrahlen verlassen die Röhre durch den Glaskolben. Die übrige Energie wird zu Wärme, die vom Target abgestrahlt und vom Glaskolben und vom Kühlöl absorbiert wird, das üb» die äußere Oberfläche des Glaskolbens strömt der in einem äußeren Gehäuse (31) enthalten ist Das Kühlöl transportiert die Wärme zu einem nicht dargestellten Wärmeaustauscher.

In den Fig. 2 und 3, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, ist eine Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung gezeigt Der besseren Übersichtlichkeit halber sind Merkmale, die nicht zur Erfindung gehören, wie die in Fig. 1 zum Drehen der Anode gezeigte Ausrüstung, weggelassen worden. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Röntgenröhre, bei der ein evakuierter Kolben (35) eine hohle Drehanode (37) einschließt Die Anode (37) umfaßt einen hohlen scheibenförmigen Abschnitt (39), der aus einem Material hoher Leitfähigkeit hergestellt ist der hohe Temperaturen aushält wie Molybdän. Der scheibenförmige Abschnitt ist z. B. durch Hartlöten, an einem ersten Rohr (41) befestigt das sich axial von der Scheibe aus erstreckt Das erste Rohr kann ein hochfestes Material umfassen, wie korrosionsbeständigen Stahl. Der scheibenförmige Abschnitt (39) hat einen abgeschrägten Rand (43) auf der Vorderfläche, die die äußere Fläche der Scheibe und vom Rohr (41) abgewandt ist Der abgeschrägte Randteil ist mit einer Brennspur aus Wolfram-Rhenium bedeckt, die als Target dient. Eine symbolisch dargestellte Kathode (45) erzeugt einen hochenergiereichen Elektronenstrahl kleinen Durchmessers, der auf den rotierenden Rand der Scheibe auftrifft und einen Teil der Energie in Röntgenstrahlen umwandeit, die durch ein Quarzfenster (47) das evakuierbare Gehäuse verlassen. Konzentrisch innerhalb der hohlen Drehanode ist ein stationärer Einsatz (51) angeordnet, der einen scheibenförmigen Abschnitt (53) und zwei Rohre (55) und (57) aufweist Das Rohr (55) ist innerhalb des Rohres (57) angeordnet und beide sind an dem scheibenförmigen Abschnitt (53) befestigt und erstrecken sich axial von dort. Der stationäre Scheibenabschnitt (53) und das Rohr (57) haben einen Abstand vom Scheibenabschnitt (39) und Rohr (41) der Drehanode. Die Anode ist drehbar um den Einsatz herum auf Lagern (61) montiert, die sich zwischen den Rohren (55) und (57) befinden. Die Lager (61) können mit einem Silberüberzug versehen sein, um eine Trockenschmierung für den Vakuumbetrieb aufzuweisen. Der Raum zwischen den scheibenförmigen Abschnitten (39) und (53) und den Rohren (55) und (57) steht in -3-

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Strömungsverbindung mit dem Inneren des evakuierbaren Kolbens (35), so daß bei evakuiertem Kolben die Anode (37) vollkommen im Vakuum rotiert. Auch die Lager (61) befinden sich in dem evakuierten Raum.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, definiert der stationäre Scheibenabschnitt (53) einen Durchgang in der Strömungsveibindung mit dem Inneren des Rohres (55), der sich zum Zentrum der Scheibe unmittelbar unter der Oberfläche der Vorderseite der Scheibe erstreckt. Der zentrale Durchgang unter der Scheibenoberfläche verbindet mit einer Vielzahl sich radial erstreckender Kanäle (63), die sich unter der Vorderfläche der Scheibe gegen den Scheibenumfang in einen Leitungsbereich unter der Einsatzscheiben-Peripherie erstrecken und dann unter der Oberfläche des Rückens der Scheibe durch radiale Kanäle sich fortsetzen, um mit dem Ringdurchgang zu verbinden, der zwischen den Rohren (55) und (57) gebildet wird.

Das evakuierbare Gehäuse (35) ist am Äußeren des Rohres (57) befestigt Ein Gehäuse (65) umgibt das evakuierbare Gehäuse und weist davon einen Abstand auf sowie einen Einlaß und einen Auslaß für die Einführung und die Entfernung eines dielektrischen Kühlströmungsmittels. Ein Quarzfenster (67) im Gehäuse, das mit dem Quarzfenster (47) im Gehäuse (35) ausgerichtet ist, gestattet das Austreten der Röntgenstrahlen aus der Röhre. Der stationäre Einsatz kann aus korrosionsbeständigem Stahl hergestellt werden, was auch für den evakuierten Kolben (35) und das Gehäuse (65) zutrifft.

Im Betrieb trifft der Elektronenstrahl von der Kathode (45) auf die Drehanode (37) auf und erzeugt Röntgenstrahlen, die durch die Quarzfenster (47) und (67) austreten. Der auftretende Elektronenstrahl verursacht eine Erwärmung der Anode (37). Diese Wärme wird vom Drehtarget durch Strahlung über den Vakuumspalt, der das Innere und Äußere der Drehanode umgibt, übertragen. Die Wärme wird von der Vorder-und Rückseite des scheibenförmigen Abschnittes (39) zum Kolben (35) und von den inneren Oberflächen der Drehscheibe zum stationären scheibenförmigen Abschnitt (53) darin übertragen. Um die Strahlungswärmeübertragung zu unterstützen, ist ein Überzug mit hoher Emissionsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen auf der Nichttarget-Oberfläche des scheibenförmigen Abschnittes (39) und ein Überzug hoher Absorptionsfähigkeit auf dem Äußeren des scheibenförmigen Abschnittes der stationären Scheibe angeordnet Zusätzlich können die beiden abstrahlenden inneren Oberflächen mit geeigneten Enden versehen werden, um die Wärmeübertragung zwischen beiden zu erhöhen. Der stationäre scheibenförmige Abschnitt wird durch erzwungene Konvektion mit einer dielektrischen Flüssigkeit gekühlt. Die Kanäle in den Durchgängen im Einsatz erhöhen die Wärmeleitung zwischen dem stationären scheibenförmigen Abschnitt und der Kühlflüssigkeit. Für eine laminare Strömung in begrenzten Kanälen variiert der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der zu kühlenden Oberfläche und der Flüssigkeit umgekehrt mit der Kanalweite, was mikroskopische Kanäle erwünscht macht. Die Viskosität des Kühlmittels bestimmt die praktikable Minimalweite des Kanals. Kanalquerschnitte mit hohen Aspekt- bzw. Seitenverhältnissen vermindern weiter den thermischen Widerstand (siehe den Artikel "High-Performance Heat Sinking for VLSI” von D. B. Tuckerman und R. F. W. Pease in "IEEE Electron Device Leiters", Band EDL-2, No. 5, Mai 1981). Die Richtung der Kühlmittelströmung zeigt den Eintritt in das Rohr (55), das Vorbeiströmen an den Lagern (61), das radiale nach Außenströmen durch die Kanäle unter der Vorderfläche der stationären Scheibe in den Leitungsbereich. Dann setzt sich die Strömung durch die Kanäle unter der rückwärtigen Fläche des stationären Scheibenabschnittes zu dem Ring hin fort, der durch die Rohre (55) und (57) gebildet wird. Die Strömungsrichtung könnte alternativ umgekehrt werden, wobei das Strömungsmittel dem zwischen den Rohren (55) und (57) gebildeten Ringkörper zugeleitet wird und das Strömungsmittel nach dem Zirkulieren durch den stationären scheibenförmigen Abschnitt aus dem Inneren des Rohres (55) austritt

Gemäß Berechnungen können im Mittel 12 kW Wärme von einer Röntgenröhre abgeführt werden, die eine Anode mit einem Durchmesser von etwa 10 cm aufweist, wenn man Kolben und stationären Einsatz mit einer dielektrischen Flüssigkeit kühlt. Der Einsatz hatte bei der Berechnung 168 schräge Kanäle unter jeder der Einsatzflächen. Die Kanäle erstreckten sich über einen Durchmesser von etwa 1,25 cm bis zu etwa 6,25 cm, wobei Kanäle mit einem Querschnitt von 12 x 150 tausendstel Zoll im Mittelteil sich erweiterten auf 52 x 200 tausendstel Zoll an der Peripherie und die größere Abmessung des rechteckigen Kanales senkrecht zur Einsatzfläche verlaufend. Die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit beträgt etwa 721/min bei 4 bar durch den stationären Einsatz, wobei eine Flüssigkeit mit hoher Durchschlagsfestigkeit und thermischer Stabilität bei erhöhten Temperaturen benutzt wird, wie ein perfluorierter Fluorkohlenwasserstoff, wie Fluoroinert^ FC-75, wie er von der 3M Company erhältlich ist. Ein größerer Anodendurchmesser gestattet einen größeren stationären Einsatz und erleichtert die Targetkühlung.

Es wurde eine Röntgenstrahlen erzeugende Vorrichtung beschrieben, die eine größere Wärmeabführungsgeschwindigkeit hat und keine rotierenden Vakuumdichtungen erfordert. -4-

Claims (4)

1. AT397319B PATENTANSPRÜCHE 1. Röntgenröhren-Drehanode, die einen hohlen drehbaren scheibenförmigen Abschnitt mit einer ringförmigen Brennspur aufweist, wobei dieser scheibenförmige Abschnitt an einem ersten Rohr befestigt ist, das sich koaxial vom scheibenförmigen Abschnitt wegerstreckt, und das Innere des hohlen scheibenförmigen Abschnittes mit dem Inneren des ersten Rohres in Strömungsverbindung steht, und die ferner einen stationären Einsatz aufweist, der im Inneren der Drehanode angeordnet ist und ein zweites und ein drittes Rohr aufweist, wobei das erste Rohr auf dem zweiten Rohr drehbar gelagert ist und das zweite Rohr das dritte Rohr mit Abstand umgibt, und wobei das dritte Rohr zur Zufuhr und der Ringraum zwischen dem dritten und dem zweiten Rohr zur Abfuhr eines Kühlmediums für die Drehanode dient, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Einsatz (51) ferner einen hohlen scheibenförmigen Einsatzabschnitt (53) aufweist, der innerhalb des hohlen drehbaren scheibenförmigen Abschnittes (39) angeordnet, am zweiten Rohr (57) und am dritten Rohr (55) befestigt ist und einen Kühlmedium-Durchgang bildet, der an einem Ende mit dm Inneren des dritten Rohres (55) in Strömungsverbindung steht, sich unter der Oberfläche des stationären scheibenförmigen Einsatzabschnittes (53) erstreckt und am anderen Ende mit dem Ringraum zwischen zweitem und drittem Rohr (57, 55) in Strömungsverbindung steht.
2. 2. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang im stationären scheibenförmigen Einsatzabschnitt (53) eine Vielzahl von Kanälen (63) aufweist, die unter der Oberfläche dieses Abschnittes (53) von dessen Mittelbereich zu dessen Umfang hin verlaufen.
3. 3. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (63) vom Mittelbereich unterhalb beider kreisförmig ausgebildeter Seiten des scheibenförmigen Einsatzabschnittes (53) zu dessen Umfang verlaufen und die Kanäle beider Seiten miteinander in Strömungsverbindung stehen.
4. 4. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden Kanäle (63) unter der einen Seite des scheibenförmigen Einsatzabschnittes (53) mit dem Inneren des dritten Rohres (55) in Strömungsverbindung stehen, wogegen die radial verlaufenden Kanäle (63) unter der anderen Seite mit dem ringförmigen Külmedium-Durchgang zwischen dem zweiten Rohr (57) und dem dritten Rohr (55) in Strömungsverbindung stehen. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -5-