AT399243B

AT399243B - Drehanode für eine röntgenröhre

Info

Publication number: AT399243B
Application number: AT0089990A
Authority: AT
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1995-04-25
Also published as: DE4012019B4; US4945562A; JPH0340348A; DE4012019A1; ATA89990A; JP3229310B2

Description

AT 399 243 B

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehanode für eine Röntgenröhre, mit einem hohlen drehbaren Anodenteller aus zwei kreiszylindrischen Schalen, von denen die eine eine abgeschrägte Kante für einen Targetbereich aufweist, mit einer kreisförmigen Leitwand mit einer ersten und einer zweiten Seite, die konzentrisch innerhalb des Anodentellers angeordnet und mit diesem drehfest verbunden ist, wobei der 5 Außenumfang der Leitwand im Abstand vom Inneren des Anodentellers liegt und die Leitwand auf beiden Seiten mit Leitschaufeln versehen ist, welche der Kühlflüssigkeit auf diesen beiden Seiten eine Tangentialgeschwindigkeit erteilen, einer Einrichtung zum Zuführen von Kühlflüssigkeit zum zentralen Teil der ersten Seite der Leitwand, und einer Einrichtung zum Abführen der Kühlflüssigkeit vom zentralen Teil der zweiten Seite der Leitwand. io Eine derartige Drehanode ist beispielsweise aus der EP-A- 293 791 bekannt.

Hochleistungs-Röntgenröhren der Art, wie sie in der medizinischen Diagnostik und der Röntgen-Kristallographie benutzt werden, erfordern eine Anode, die relativ große Wärmemengen abführen muß. Da die primäre Art der Abführung dieser Wärme durch Wärmestrahlung von der Anode erfolgt, führt eine Zunahme der abstrahlenden Oberfläche zu einer größeren wärmeabführung. Durch Drehen der Anode kann 15 kontinuierlich ein frischer Bereich der Brennspur dem Elektronenstrahl zugeführt werden, der von der Kathode emittiert wird, und die während der Röntgenstrahlerzeugung gebildete Wärme kann vorteilhafterweise über einen größeren Bereich verteilt werden. Die Anodenrotation gestattet es daher, eine Röntgenröhre bei allgemein höheren Leistungen zu betreiben als eine Röhre mit stationärer Anode, und das Problem der Abnützung der Brennspuroberfläche, das in Röhren mit stationärer Anode auftritt, wird 20 vermieden, vorausgesetzt die Terhperaturgrenzen des Oberflächenmaterials der Brennspur werden nicht überschritten.

Die Menge der erzeugten Wärme und die erreichten Temperaturen einer Röntgenröhre können beträchtlich sein. Da weniger als 0,5 % der Energie des Elektronenstrahls in Röntgenstrahlen umgewandelt wird, während ein Hauptteil der verbleibenden Energie als Wärme auftritt, kann die mittlere Temperatur der 25 Brennspuroberfläche der Drehanode 1200 · C übersteigen, wobei die Spitzentemperaturen des Brennfleckes beträchtlich höher sind. Die Verminderung dieser Temperaturen und die Abführung der Wärme sind kritisch für jede Leistungssteigerung. Die Möglichkeit, die erzeugte Wärme allein durch Anodenrotation abzuführen, ist jedoch begrenzt. In der Folge hat sich die Entwicklung von Röntgengeräten mit Drehanoden verzögert, obwohl noch höhere Leistungen erforderlich sind. 30 Ein weiterer Nachteil der Geräte nach dem Stand der Technik ist ihre begrenzte Lebensdauer, die teilweise durch ihre Fähigkeit zur Wärmeabfuhr bestimmt ist. Da Röntgengeräte relativ teuer sein können, führt eine verlängerte Lebensdauer zu beträchtlichen Kosteneinsparungen.

Die über die Zeit gemittelte Wärmeabführung einer Röntgenröhre, die in einem CT-Scanner benutzt wird, bestimmt den Patientendurchlauf. Derzeitige CT-Scannerröhren führen etwa 3kW ab. Überhitzt sich 35 die Brennspur der Röntgenröhre, wie dies bei einem erhöhten Patientendurchlauf der Fall ist, dann muß die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Nutzungszeiten der Maschine verlängert werden, damit sich die Brennspur abkühlen kann. Eine Röntgenröhre mit stärkerer Wärmeabführung gestattet daher eine verbesserte Nutzung der Vorrichtung. Müssen rotierende Scheiben intern gekühlt werden, um Temperaturen zu vermeiden, die die vorgese-40 henen Grenzen übersteigen, dann kann ein direktes Flüssigkeitskühlen eine maximale Wärmeabführung ergeben. Um die Wärmeübertragungskoeffizienten von der Oberfläche der Drehanode zum hohlen Inneren der Anode zu maximieren, sind sehr kleine Durchgänge, die starke Kühlmittelströmungen bei hoher Geschwindigkeit aufweisen (wie es bei der Anode der EP-A- 293 791 der Fall ist, wo die Leitwand am Rand verdickt ist, um den Kühlmitteldurchgang unterhalb des Brennspurbereiches zu verengen), nicht zweckmä-45 ßig. Wenn es darüber hinaus erwünscht ist, dielektrische Flüssigkeiten zu benutzen, deren Wärmeabführungsfähigkeiten unter denen von Wasser liegen, dann sind die erhaltenen Wärmeübertragungskoeffizienten unter Anwendung der üblichen Wege häufig zu gering.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehanode für Röntgenröhren hoher Intensität mit hohen Übertragungskoeffizientenüber alle inneren Oberflächen zu schaffen, die den Einsatz so eines dielektrischen Kühlmittels gestattet. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Anode für eine Röntgenröhre hoher Intensität, die keine hohen Kühlmittelströmungsraten und keine komplizierten engen Kühlmitteldurchgänge erfordert.

Dieses Ziel wird bei einer Drehanode der einleitend genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß sich die der abgeschrägten Kante zugewandten Leitschaufeln in der Nähe des Leitwandumfanges von 55 der Leitwand um eine kürzere Distanz senkrecht wegerstrecken als an anderer Stelle der Leitwand, so daß sie einen Betrieb zwischen einem erzwungenen und einem freien Wirbelzustand erzeugen.

Bevorzugt erstrecken sich auch die der abgeschrägten Kante abgewandten Leitschaufeln in der Nähe des Leitwandumfanges von der Leitwand um eine kürzere Distanz senkrecht weg als an anderer Stelle der 2

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Leitwand.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Drehanode für eine Röntgenröhre, Fig. 2 eine Schnitt-Seitenansicht der Drehanode nach Fig. 1, und die Fig. 3 und 4 isometrische Ansichten des Leitwandteiles der Drehanode mit verschiedenen Leitschaufelkonfigurationen zum Steuern der Kühlmittelströmung gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Drehanode 11 einer Röntgenröhre dargestellt. Diese Anode umfaßt einen hohlen Teller aus Molybdän, der auf einem hohlen Schaft 15 montiert ist, der sich von einer Seite des Tellers aus erstreckt. Der hohle Teller kann aus zwei Schalen 13 hergestellt werden, die entlang einer axialen Mittellinie aneinander stoßen. Die beiden Schalen können z.B. durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden werden. Die Innenräume von Schaft und Teller stehen in Strömungsverbindung miteinander. Die andere Seite des Tellers hat eine abgeschrägte Kante, auf die Brennspurmaterial durch Plasmasprühen mit einem ringförmigen Muster aufgebracht ist, um auf dem äußeren Teil der Tellerfläche eine ringförmige Brennspur 17 zu erzeugen. Die ringförmige Brennspuroberfläche kann aus einer Wolframlegierung bestehen. Innerhalb des hohlen Tellers befindet sich eine scheibenförmige Trenn-Leitwand 21 mit einer Vielzahl sich radial erstreckender Leitschaufeln 23, die symmetrisch auf jeder Seite einer Scheibe 24 angeordnet sind. Die Leitschaufeln können z.B. durch Hartlöten an der Scheibe befestigt sein. Während auf jeder Seite der Scheibe 8 Leitschaufeln gezeigt sind, können üblicherweise 4 bis 16 Leitschaufeln benutzt werden. Die Leitwand 21 wird von einem hohlen Schaft 25 getragen, der eine zentrale Öffnung 27 umgibt, welche in der Leitwand 21 ausgebildet ist. Der Schaft 25 ist durch Abstandhalter 31 konzentrisch innerhalb des Schaftes 15 gehalten. Die Scheibe 24 der Leitwand 21 und die Leitschaufeln 23 brauchen nicht mit irgendeinem Teil des Inneren des Tellers 11 verbunden werden, um die Herstellung der Anode zu vereinfachen. Wenn erwünscht, können die Leitschaufeln jedoch mit dem Inneren des Tellers verschweißt sein. Teller und Leitwand rotieren als eine Einheit, da die Schäfte 15 und 25 durch die Abstandhalter 31 verbunden sind. Leitwand und Schäfte können aus irgendeinem hitzebeständigen Material, wie korrosionsbeständigem Stahl, hergestellt sein. Während des Betriebes bildet der ringförmige Durchgang, der durch das Äußere des Schaftes 25 und das Innere des Schaftes 15 gebildet wird, einen Einlaßdurchgang für Kühlmittel. Das Kühlmittel kann vorteilhafterweise die gleiche dielektrische Flüssigkeit sein, die zum Kühlen des Äußeren der nicht dargestellten Röntgenröhre benutzt wird, oder es kann irgendein anderes dielektrisches Kühlmittel sein. Das Kühlmittel wird mittels einer nicht dargestellten Pumpe durch die Öffnung zwischen den Schäften 25 und 15 befördert. Es wird durch die Leitwand 21 abgelenkt und strömt radial nach außen, wobei die tangentiale Geschwindigkeit des Strömungsmittels durch die Leitschaufeln 23 der Leitwand sichergestellt wird. Das auf den sich drehenden Teller 11 auftreffende Kühlmittel strömt auf der einen Seite der Leitwand radial nach außen zur Kante der Leitwand und um die Außenkante herum. Dann strömt das Kühlmittel auf der anderen Seite der Leitwand radial nach innen durch die Öffnung 27 Im Zentrum der Leitwand und durch den hohlen Schaft 25 wieder hinaus. Wärmeübertragung durch Eigenkonvektion, Wärmeübertragung durch Sieden auf Grund von Keim-bzw. Blasenbildung und die maximal zulässige Wärmeströmung bei dem letztgenannten Sieden durch Keim- bzw. Blasenbildung nehmen mit zunehmender Beschleunigung zu. Da die maximale, durch das Auftreffen des Elektronenstrahls bedingte Erhitzung nahe der Peripherie auf der Brennspurbahn 17 angetroffen wird und da es erwünscht ist, eine Filmverdampfung an der Peripherie wegen der damit verbundenen geringen Wärmeübertragungskoeffizienten zu vermeiden, kann eine Kombination aus Umdrehungsgeschwindigkeit des Tellers und Tellerdurchmesser ausgewählt werden, die gestattet, daß der periphere Teil des Tellerinneren oberhalb des kritischen Druckes des Kühlmittels liegt, so daß jedwedes Verdampfen vermieden wird, während hohe Wärmeübertragungskoeffizienten bei der Eigenkonvektion gestattet werden. Während dies eine maximale Wärmeabführung gestattet, ist der Betrieb oberhalb des kritischen Druckes nicht erforderlich, wenn die lokale Wandtemperatur unterhalb der Sättigungstemperatur des Kühlmittels liegt.

Die Leitschaufeln 23 sind so gewählt, daß sie das eintretende Kühlmittel Wärme absorbieren, es aber nicht sieden bzw. verdampfen lassen, während es radial nach außen strömt, doch läßt man das Kühlmittel verdampfen, während es auf der anderen Seite der Leitwand radial nach innen fließt. Dies verhindert ein Sieden an der Scheibenperipherie und gestattet die erforderlichen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten durch Eigenkonvektion an dieser Scheibenperipherie. Auf jener Seite der Leitwand, auf der das radiale Strömen nach innen erfolgt, kann ein Verdampfungsmodus beginnen, der hohe Wärmeübertragungskoeffizienten beim Verdampfen durch Keim- bzw. Blasenbildung gestattet. Der maximale Wärmefluß durch Verdampfen auf Grund von Keim- bzw. Blasenbildung ist druckabhängig. Die radiale Druckverteilung wird 3

AT 399 243 B durch die tangentiale Kühlmittelgeschwindigkeit gesteuert, die durch die Ausbildung der Leitschaufeln für einen gegebenen Telierdurchmesser und eine gegebene Rotationsgeschwindigkeit bestimmt ist. Dies gestattet das Halten des Wärmeflusses unterhalb des maximalen Wärmeflusses beim Sieden durch Keim-bzw. Blasenbildung. Ein unterkühltes Verdampfen ist erwünscht, um die Netto-Dampfbildung während der Strömung radial nach innen zu verhindern, da eine solche Netto-Dampfbildung die lokale Druckkontrolle verhindern würde. Darüberhinaus erhöht ein solches unterkühltes Sieden auch die maximale Wärmeübertragung durch Verdampfen auf Grund von Keim- bzw. Blasenbildung. Ein unterkühltes Verdampfen tritt auf, wenn die mittlere Temperatur der Flüssigkeit unterhalb der Sättigungstemperatur für einen gegebenen Druck liegt, was es gestattet, daß der Dampf, der durch Verdampfen auf Grund von Keim- bzw. Blasenbildung an den heißen Innenwandungen des Tellers gebildet wird, durch die kühlere Flüssigkeit in der Strömung kondensiert wird.

Eine geeignete dielektrische Flüssigkeit kann eine perfiuorierte organische Verbindung sein, wie die von der Firma 3M unter der Handelsbezeichnung FLUORINERT vertriebene Flüssigkeit. Der Druck am kritischen Punkt für FLUORINERT 75 beträgt 16,45 bar. Diesen Druck kann man im Inneren einer Hohlanode mit einem Durchmesser von etwa 8,9 cm erzielen, die mit 10000 min-1 rotiert, und Strömungsdurchsätzen von 5 g/min bei einem nominellen Flüssigkeitsdruck von etwa 4,22 bis etwa 7:03 bar oberhalb Atmosphärendruck für einen Betrieb bei 12kW aufweist.

Die Strömungsdurchsätze durch die Anode sind so gewählt, daß man das aus dem Anodenteller austretende Kühlmittel unterkühlt hält. Beträchtliche Strömungsdurchsätze sind nicht erforderlich, um hohe Wärmeübertragungskoeffizienten zu erzielen. Würde ein Verdampfen an jener Seite des Leitbleches auftreten, an der die radiale Strömung nach außen erfolgt oder an der Peripherie der Leitwand, bei der die Flüssigkeit von einer Seite der Leitwand auf die andere tritt, dann würden Strömungsinstabilitäten die Strömungskontrolle erschweren und es würde wahrscheinlich ein Filmverdampfen in dem Bereich unterhalb des Kreises auftreten, in dem der Elektronenstrahl auf die Brennspurbahn trifft, was die Wärmeübertragung zur Flüssigkeit stark vermindern würde. Wird ein Verdampfen auf jener Seite der Leitwand, auf der die Strömung des Kühlmittels nach außen erfolgt, vollständig vermieden, dann kann die maximale Wärmeübertragung zur Flüssigkeit nicht erzielt werden.

Aus Fig. 3 ist die Konfiguration der Leitschaufeln 23 von Fig, 1 und 2 besser ersichtlich. Um die Wärmeübertragung vom Teller zum Kühlmittel in jenem Bereich zu erhöhen, in dem die maximale Wärmezuführung zur Brennspur erfolgt, ist es erwünscht, den Bereich auszudehnen, in dem der Druck in einem Bereich von ± 10 % des kritischen Druckes liegt. Der kritische Punkt kann als der Schnittpunkt der Linie der gesättigten Flüssigkeit mit der Linie des gesättigten Dampfes in einem Temperatur/Volumen-Diagramm für eine Substanz definiert werden, die die flüssige und die dampfförmige Phase zeigt. Am kritischen Punkt sind die Zustände der koexistierenden gesättigten Flüssigkeit und des gesättigten Dampfes identisch. Temperatur, Druck und spezifisches Volumen am kritischen Punkt werden als kritische Temperatur, kritischer Druck und kritisches Volumen bezeichnet. In der Nähe des kritischen Punktes hat der Wärmeübertragungskoeffizient eine sehr scharfe Spitze. Die Wärmeübertragung nahe dem kritischen Punkt schließt das Verdampfen unmittelbar unterhalb des kritischen Druckes und die Konvektion unmittelbar darüber ein. Der radiale Druckgradient der Kühlflüssigkeit in der Anodenscheibe hängt davon ab, ob eine erzwungene oder eine freie Wirbelströmung vorliegt, wobei eine erzwungene Wirbelströmung einen höheren Druck erzeugt. In einem Bereich ohne Leitschaufeln kann eine freie Wirbelströmung existieren. Leitschaufeln, die sich von der Leitwand zum Teller erstrecken, erzeugen während der Tellerrotation einen erzwungenen Wirbel. Um den Bereich auszudehnen, in dem die Spitze des Wärmeüberganges auftritt, sind erfindungsgemäß die Leitschaufeln getrimmt bzw. gekürzt, um einen radial sich erstreckenden Bereich zu erhalten, in dem Druckvariationen erzeugt werden, um einen besseren Nutzen aus den hohen Wärmeübertragungskoeffizienten in der Nähe des kritischen Punkes zu ziehen. Die Druckvariationen auf Grund der getrimmten Leitschaufeln verursachen einen Betrieb zwischen der erzwungenen und der freien Wirbelströmung. Üblicherweise existieren die stark verbesserten Wärmeübertragungskoeffizienten im Bereich von ± 10 % des kritischen Druckes.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform einer Leitschaufelkonfiguration gezeigt, um die Druckvariation in Radialrichtung in der Nähe des kritischen Druckes einzustellen. Die Leitschaufeln 23 sind sowohl auf der Seite der Außenströmung als auch der Seite der Innenströmung der Leitwand 21 gekürzt.

Die Leitschaufeln 23 können überdies nahe den Zentrum der Leitwand 21 gebogen sein, um die Flüssigkeitsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Leitschaufeloberfläche zu beschleunigen und damit die Wärmeübertragung zu verbessern und eine Rückströmung auf Grund der Wechselwirkung der Leitschaufeln mit der Sekundärzirkulation des Kühlmittels zu verhindern.

Ferner kann der Abstand zwischen der Leitwand 21 und dem Inneren des Tellers 11 auf den Seiten der Innenströmung und der Außenströmung ungleich sein. Der Abstand zwischen der Seite der Außenströmung 4

Claims

AT 399 243 B und dem Inneren des Tellers 11 kann geringer sein als der Abstand zwischen der Seite der Innenströmung der Leitwand und dem Inneren des Tellers. Der engere Spalt vermindert die Rückströmung am Austritt des Kühlmittels in den Schaft, indem er die Radialgeschwindigkeit des Kühlmittels erhöht. Patentansprüche 1. Drehanode für eine Röntgenröhre, mit einen hohlen drehbaren Anodenteller aus zwei kreiszylindrischen Schalen, von denen die eine eine abgeschrägte Kante für einen Targetbereich aufweist, mit einer kreisförmigen Leitwand mit einer ersten und einer zweiten Seite, die konzentrisch innerhalb des Anodentellers angeordnet und mit diesem drehfest verbunden ist, wobei der Außenumfang der Leitwand im Abstand vom Inneren des Anodentellers liegt und die Leitwand auf beiden Seiten mit Leitschaufeln versehen ist, welche der Kühlflüssigkeit auf diesen beiden Seiten eine Tangentiaige-schwindigkeit erteilen, einer Einrichtung zum Zuführen von Kühlflüssigkeit zum zentralen Teil der ersten Seite der Leitwand, und einer Einrichtung zum Abführen der Kühlflüssigkeit vom zentralen Teil der zweiten Seite der Leitwand, dadurch gekennzeichnet, daß sich die der abgeschrägten Kante (17) zugewandten Leitschaufeln (23) in der Nähe des Leitwandumfanges von der Leitwand (21) um eine kürzere Distanz senkrecht wegerstrecken als an anderer Stelle der Leitwand, so daß sie einen Betrieb zwischen einem erzwungenen und einem freien Wirbelzustand erzeugen.
2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auch die der abgeschrägten Kante (17) abgewandten Leitschaufein (23) in der Nähe des Leitwandumfanges von der Leitwand (21) um eine kürzere Distanz senkrecht wegerstrecken als an anderer Stelle der Leitwand. Hiezu
3 Blatt Zeichnungen 5