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Hoehspannungsentladungsgefäss.
Es ist bekannt, an die Anoden von Röntgenröhren einen auswechselbaren Wärmeaufnahmekörper anzusetzen, der, nachdem sich die Anode auf die höchstzulässige Temperatur erwärmt hat, durch einen gleiehgestalteten kalten Körper ersetzt wird. Diese Auswechselbarkeit bedingt die Anordnung des Kühlkörpers ausserhalb eines Schutzgehäuses und kommt daher für hochspannungsgeschützte Röhren, wo die Möglichkeit der Berührung des mit der Anode leitend verbundenen Kühlkörpers ausgeschlossen werden soll, nicht in Frage. Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsentladungsgefäss mit hochspannung-
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Schutzgehäuses liegender abgerundeter Körper verbunden ist, der dazu dient, der Anode die während des Betriebes in ihr entwickelte Wärme zu entziehen.
Dieser Wärmeentziehungskörper liegt der äusseren
Schutzhülle wenigstens mit dem grössten Teil seiner Oberfläche frei gegenüber. Erfindungsgemäss ist der Wärmeentziehungskörper massiv, so dass er eine erhebliche Wärmemenge in sich aufnehmen kann, u. zw. hat er eine Wärmekapazität, die mindestens der Grössenordnung einer solchen von 300 cm3 Wasser entspricht. Durch diese Anordnung kann bei den normalen in der Diagnostik auftretenden Betriebsverhältnissen eine schädliche Überhitzung der Anode vermieden werden.
Bei der angegebenen Grössenordnung der Wärmekapazität kann die Röhre während längerer Zeit mit kleinen Pausen schwer belastet werden, ohne dass die der Röhre zugeführte Energie unmittelbar abgeführt wird und ohne dass der Wärmeaufnahmekörper eine für die Isolierfähigkeit der Luft nachteilige Temperatur erreicht.
Zweckmässig wird der wärmeleitenden Verbindung zwischen der Anode und dem Wärmeaufnahmekörper ein so grosser Widerstand gegeben, dass die Anode bei in der Diagnostik üblichen Beanspruchungen eine Temperatur behält, bei der noch eine merkbare Wärmeabstrahlung stattfindet. Diese Wärmestrahlung wird nämlich von der die Röhre umgebenden Luft nicht merklich absorbiert. Anderseits erwärmt sich das Schutzgehäuse durch die abgestrahlte Wärmemenge nicht so hoch, dass sich daraus irgendwelche Schäden ergeben könnten.
Die gewünschte Verteilung der Wärmeabfuhr kann dadurch erzielt werden, dass der Wärmeentziehungskörper, beispielsweise eine Kugel grossen Durchmessers, aus einem Metall besteht, welches neben einer grossen spezifischen Wärme eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, wie z. B. Kupfer, und mit der Anode durch eine Stange von geringerem Durchmesser als die Anode selbst verbunden ist. Auch kann ein Verbindungsteil benutzt werden, der aus einem Material besteht, das die Wärme weniger gut leitet als das der Anode, beispielsweise aus Aluminium, wenn die Anode aus Kupfer besteht.
Zwischen der Röhrenwand und dem Schutzgehäuse kann ein hitzebeständiger Isolierkörper angeordnet sein, jedoch unter Freilassung des Wärmeaufnahmekörpers. Falls es möglich ist, diesen Isolierkörper künstlich zu kühlen, braucht man nur einen kleinen Ventilator, der einen über die Oberfläche des Isolierkörpers steigenden Luftstrom erzeugt und an dem Schutzgehäuse befestigt sein kann.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von Entladungsröhren mit der erfindungsgemässen Kühlung dargestellt. Fig. 1 stellt einen Teil einer Röntgenröhre im Durchschnitt dar. Das Kathodenende der Röhre ist nicht gezeichnet und braucht sich von bisher bekannten Anordnungen nicht zu unterscheiden. Fig. 2 ist ebenfalls ein Teil einer Röntgenröhre und zeigt eine andere Befestigungsweise der Anode.
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Die Erfindung ist auch bei andersartigen Entladungsröhren, wie z. B. Senderröhren und Gleichrichter, anwendbar.
In dem metallenen Schutzgehäuse 1 ist eine Röntgenröhre 2 mit der Kathode 3 gebräuchlicher Ausführung und der Anode 4 angeordnet. Zwischen der Wandung des Schutzgehäuses 1 und der Glaswand der Röntgenröhre 2 befindet sich der Isolierkörper 5. Die Anode 4 besitzt eine aufgerauhte und geschwärzte Oberfläche und ist über eine Stange 6 mit einem Metallkörper 7 grosser Wärmekapazität verbunden. Die Dimensionen des Körpers 7 sind derartig der Form des Schutzgehäuses 1 angepasst, dass im Zwischenraum eine möglichst gleichmässige Verteilung des elektrischen Feldes herrscht und Stellen bevorzugt hoher Feldstärke sowie das Auftreten von Spitzenentladungen vermieden sind.
Von dem Querschnitt der Stange 6 und von deren Wärmeleitfähigkeit hängt es ab, wie gross der Wärmeanteil ist, welcher von der auf der Anode entwickelten Wärme durch Leitung an den Körper 7 abgegeben wird. Die Verhältnisse lassen sich z. B. so wählen, dass etwa die Hälfte durch die Stange 6 abgeleitet wird, während die Wärme zur andern Hälfte durch Strahlung von der Anode 4 direkt abgeführt wird. Es können aber die Verhältnisse auch so gewählt werden, dass der grössere Teil der Wärme in den Körper 7 fliesst.
Dazu wird die Anode hochglanzpoliert. Durch ein rechnerisches Beispiel wird dies im folgenden klargemacht. Das günstigste Volumen des Wärmeentziehungskörpers hängt von den Betriebsbedingungen
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genannten Mindestwert nicht überschreiten soll. Das Volumen muss so gross sein, dass die Röhre imstande ist, bei schweren Belastungen, die in der radiologischen Praxis von kurzer Dauer sind, im Vergleich mit schwachen Belastungen, wie sie bei der Durchleuchtung üblich sind, mehr Wärme pro Sekunde aufzunehmen, als sie an die Umgebung abgibt, ohne dass die Anode oder der Wärmeentziehungskörper zu heiss wird.
Ein wesentlicher Vorteil der kombinierten Benutzung der Wärmestrahlung der Anode und der Wärmeabgabe an den Körper grosser Wärmekapazität ist, dass bei schweren Belastungen, welche eine Temperatursteigerung der Anode herbeiführen, der Wärmeverlust durch Strahlung sehr stark zunimmt, weil die Strahlung der vierten Potenz der Temperaturdifferenz proportional ist. Während der Ruhepausen und gegebenenfalls bei schwachen Belastungen kann sieh der Wärmeentziehungskörper langsam abkühlen oder man kann auch, um diese Ruhepausen zu verkürzen, den Körper nach beendeter Belastung durch äussere Mittel kühlen.
Es ist bekannt, die metallene Schutzhülle einer Röntgenröhre mit einer Abrundung auszugestalten, deren Radius gleich dem doppelten Radius des konzentrisch angeordneten kugelförmig abgerundeten hochspannungsführenden Teiles der Röhre ist. Es hat sieh nun überraschenderweise herausgestellt, dass bei diesem Verhältnis noch ein ausreichendes Volumen des Wärmeaufnahmekörpers möglich ist, ohne dass der Durchmesser der Schutzhülle übermässig gross wird ; gibt man beispielsweise dem kugelförmigen Teil des Körpers 7 einen Radius von 5 cm, so ist das Volumen ungefähr 500cm3.
Der Körper hat dann eine so grosse Wärmekapazität, dass 500 W zugeführte Energie eine Temperaturerhöhung von etwa 10 in 4 Sekunden geben würde, wenn keine Wärmeabgabe aus dem Körper stattfinden würde. Macht man die Kugel kleiner, so erhöht sich bei gegebenem Potentialunterschied die Feldstärke an ihrer Oberfläche, so dass man, um Durchschläge zu vermeiden, den Durchmesser der Metallhülle nur sehr wenig oder überhaupt nicht verringern kann.
Die Energieabgabe von dem Wärmeentziehungskörper braucht höchstens so gross zu sein wie die mittlere Energie, die während einer längeren Betriebsperiode, z. B. während eines ganzen Vormittags, in der die Röhre abwechselnd belastet wird, der Anode zugemutet wird. Sie kann aber noch geringer sein und die Verhältnisse können so gewählt werden, dass am Ende der in Betracht gezogenen Betriebsperiode die Temperatur des Wärmeentziehungskörpers noch immer im Steigen begriffen ist und diese erst ihren endgültig sich einstellenden Wert (der vielleicht unzulässig hoch wäre) nach einer Betriebsperiode von so langer Dauer erreichen würde, als sie in der radiologischen Praxis nicht vorkommt.
Die bisher bekanntgewordenenKühlvorrichtungen, bei denen Strahlung oder Konvektion verwendet wurde, erforderten eine Wärmeabgabe, welche der unmittelbaren Energie angepasst war. Die mittlere Energie ist aber viel geringer. Auch bei höchsten Belastungen radiologischer Institute kommt sie nicht über 18017 hinaus.
Die Wärmeabgabe durch Konvektion des metallumhüllten Körpers 7 beträgt bei den oben angegegebenen Abmessungen etwa 0'5 W pro Grad Temperaturunterschied zu der Umgebung. Der gemessene Temperaturunterschied beim Ausführungsbeispiel ist 120 C. Die Wärmeabgabe dabei ist also 60 W.
Es müssen demnach 120 W durch Strahlung aus der Anode und durch eine geringere Strahlung aus dem kälteren Wärmeabgabekörper abgeführt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Temperatur der Metallhülle sich auf etwa 50 C einstellt ; die Temperatur des Wärmeabgabekörpers wird also auf 170 C kommen können. Bei dieser Temperatur beträgt die Strahlung aus einem vollkommen schwarzen Körper 0'2 TV/cm2.
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was eine Strahlung von 30 W über die ganze Oberfläche gibt. Die restlichen 901P werden von der Anode aus direkt ausgestrahlt. Durch Mattierung ihrer Oberfläche oder durch das Anbringen einer gut strahlenden Oberflächenschicht, wie Nickelkarbid oder Chromoxyd, wird der Anode eine erhöhte Strahlung-
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fähigkeit erteilt.
Besteht die Anode aus reinem Kupfer, so ist ihre Temperatur über die ganze Ober- fläche ungefähr dieselbe und beträgt z. B. 400 C. Dabei erhält man leicht eine Strahlung von 0'6 W fcm2, so dass eine Anodenoberfläche von 150 cm2 genügt, um die nicht von dem Wärmeaufnahmekörper aufgenommene Wärme zu 90 W abzugeben. Die wärmeleitende Verbindung zwischen der Anode und dem Wärmeaufnahmekörper muss in diesem Falle einen so grossen Widerstand für die Wärmeleitung aufweisen, dass in dieser Verbindung ein Temperaturabfall von etwa 2000 entsteht.
In Fig. 1 ist die Anode auf übliche Weise mit einer Einstülpung der Glaswand verbunden. Dagegen ist die Anschmelzung bei der Ausführungsform nach Fig. 2 nach der Aussenseite der Glaswand hin verlegt.
Die Anode wird von einem Chromeisenring 8 getragen, an dessen Rand das Glas angeschmolzen ist. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Temperatur der Anschmelzstelle niedriger gehalten werden kann. Bekanntlich ist Chromeisen ein verhältnismässig schlechter Wärmeleiter und dadurch als Anodenträger in dieser Ausführung besonders geeignet. Auch der mechanischen Beanspruchung durch das Gewicht des schweren Anodengebildes ist die Ausführung nach Fig. 2 besser gewachsen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Hochspannungsentladungsgefäss mit hochspannungssicherem Schutzgehäuse, insbesondere Röntgenröhre, bei welcher mit der Anode ein innerhalb des Schutzgehäuses der äusseren Schutzhülle wenigstens mit dem grössten Teil seiner Oberfläche frei gegenüberliegender abgerundeter Wärmeentziehungskörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Wärmeentziehungskörper massiv ist und eine Wärmekapazität besitzt, die der Grössenordnung nach mindestens einer solchen von 300 cm3 Wasser entspricht, so dass bei normalen Betriebsverhältnissen eine schädliche Überhitzung der Anode vermieden wird.