DE10017777A1 - Röntgenröhre - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer mittels einer innerhalb des Vakuumgehäuses (2) angeordneten Wälzlagerung (7, 8) drehbar gelagerten Anode (1). Dabei ist der die Wälzlagerung (7, 8) aufnehmende Raum mit einer Flüssigkeit (15) gefüllt, deren Dampfdruck unterhalb des in dem Vakuumgehäuse (2) liegenden Druckes liegt, wobei die Flüssigkeit (15) in wärmeleitender Verbindung mit einem außerhalb des Vakuumgehäuses (2) befindlichen Kühlmedium steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer mittels einer innerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Wälzlagerung drehbar gelagerten Anode.

Bei derartigen Röntgenröhren sind die Wälzlager, es handelt sich hierbei meist um Kugellager, feststoffgeschmiert. Derar­ tige Röntgenröhren erreichen nur eine vergleichsweise geringe Lebensdauer, da die Lebensdauer der Wälzlager, die übrigens mit hoher Geräuschentwicklung laufen, eingeschränkt ist. Nachteilig an derartigen Röntgenröhren ist außerdem, dass in­ folge der Wälzlagerung die beim Betrieb der Röntgenröhre von der Anode aufgenommene Wärme praktisch nur durch Strahlung abgeführt werden kann, da die Wärmeleitung durch die Wälzla­ gerung vernachlässigbar gering ist. Weiter ist nachteilig, dass Partikel des als Schmiermittel vorgesehenen Feststoffes sich lösen und die Hochspannungsfestigkeit der Röntgenröhre nachteilig beeinflussen können. Außerdem müssen unter Umstän­ den besondere Maßnahmen getroffen werden, um den Stromfluss des Röhrenstroms zwischen der rotierenden Anode und einem mit dem Vakuumgehäuse verbundenen feststehenden Hochspannungsan­ schluss zu gewährleisten, da der Stromfluss durch die Wälzla­ gerung ungleichmäßig ist.

Es sind auch Röntgenröhren bekannt, bei denen die drehbare Lagerung der Anode mittels eines Flüssigmetall-Gleitlagers erfolgt. Flüssigmetall-Gleitlager laufen nahezu geräuschlos und verschleißfrei. Außerdem kann ein nennenswerter Teil der im Betrieb der Röntgenröhre in die Anode eingebrachte Wärme durch Wärmeleitung über das als Schmiermittel vorgesehene Flüssigmetall abgeführt werden. Nachteilig ist jedoch, dass zur Realisierung von Flüssigmetall-Gleitlagern sehr enge Spalte mit einer Spaltweite von 10 bis 20 µm realisiert wer­ den müssen, was fertigungstechnisch schwierig und entspre­ chend teuer ist. Außerdem müssen besondere Maßnahmen getrof­ fen werden, um eine Benetzung der den Spalt begrenzenden Flä­ chen mit dem Flüssigmetall zu gewährleisten. Dieses Flüssig­ metall weist einen Dampfdruck auf, der unterhalb des in dem Vakuumgehäuse vorliegenden Druckes liegt, so dass keine nach­ teilige Beeinflussung des Vakuums durch das Flüssigmetall er­ folgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auf einfache und kostengünstige Weise im Betrieb der Röntgenröhre in die Anode eingebrachte Wärme durch Wärmeleitung von der Anode ab­ geführt werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Rönt­ genröhre mit einer mittels einer innerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Wälzlagerung drehbar gelagerten Anode, bei der der die Wälzlagerung aufnehmende Raum mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Dampfdruck unterhalb des in dem Vakuumge­ häuse vorliegenden Druckes liegt, wobei die Flüssigkeit in gut wärmeleitender Verbindung mit einem außerhalb des Vakuum­ gehäuses befindlichen Kühlmittel steht.

Infolge der Anwesenheit der Flüssigkeit in dem die Wälzlage­ rung aufnehmenden Raum und der wärmeleitenden Verbindung der Flüssigkeit mit einem außerhalb des Vakuumgehäuses befindli­ chen Kühlmedium ist sichergestellt, dass trotz des Umstandes, dass die Anode mittels einer Wälzlagerung gelagert ist, ein nennenswerter Teil der im Betrieb der Röntgenröhre in die A­ node eingebrachten Wärme durch Wärmeleitung abgeführt werden kann.

Da anders als im Falle von Flüssigmetall-Gleitlagern keine sehr engen Spalte eingehalten werden müssen und auch keine aufwendigen Maßnahmen zur Sicherstellung einer Benetzung er­ forderlich sind, kann die Röntgenröhre einfach und kosten­ günstig hergestellt werden. Zugleich sind wesentliche Nachteile bekannter wälzgelagerter Röntgenröhren, nämlich ge­ ringe Lebensdauer, hohes Laufgeräusch und Feststoffschmie­ rung, vermieden, da durch die Flüssigkeit das Laufgeräusch der Wälzlagerung erheblich reduziert, die Lebensdauer infolge der Schmierung der Wälzlagerung durch die Flüssigkeit erhöht und, wenn die Flüssigkeit elektrisch leitend ist, ein gleich­ mäßiger Stromfluss des Röhrenstromes gewährleistet ist.

Gemäß einer Variante der Erfindung wird die gut wärmeleitende Verbindung der Flüssigkeit mit dem außerhalb des Vakuumgehäu­ ses befindlichen Kühlmedium dadurch gewährleistet, dass die Flüssigkeit an einer Wand angrenzt, die mittels des Kühlmedi­ ums gekühlt ist, wozu die Wand gemäß einer weiteren Variante der Erfindung wenigstens einen von dem Kühlmedium durchström­ ten Kanal enthält.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist als Flüssigkeit ein Flüssigmetall, vorzugsweise Gal­ lium oder eine Gallium enthaltende Legierung, vorgesehen. Ein solches Flüssigmetall weist einen ausreichend niedrigen Dampfdruck auf und ist zugleich elektrisch leitend.

Falls als Flüssigkeit eine reaktionsfreudige Substanz, wie Gallium oder eine Gallium enthaltende Legierung, zur Verwen­ dung kommt, sehen Varianten der Erfindung vor, dass die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Bauteile aus einem mit der Flüssigkeit nicht reagierenden Material gebildet bzw. mit einem mit der Flüssigkeit nicht reagierenden Material be­ schichtet sind.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Mittel vorgesehen sind, die den Austritt von Flüssigkeit aus dem die Wälzlagerung aufnehmenden Raum unterbinden. Bei die­ sen Mitteln kann es sich beispielsweise um eine an dem Ende bzw. den Enden des die Wälzlagerung aufnehmenden Raums vorge­ sehene Beschichtung mit einem Material handeln, das als Anti­ benetzungsmittel für die Flüssigkeit wirksam ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellt, die eine erfindungsge­ mäße Röntgenröhre im Längsschnitt zeigt.

In der Figur ist eine Röntgenröhre dargestellt, die eine ins­ gesamt mit 1 bezeichnete drehbar gelagerte Anode aufweist, die in einem Vakuumgehäuse 2 untergebracht ist. Das Vakuumge­ häuse 2 enthält außerdem noch in an sich bekannter Weise eine Kathodenanordnung, in deren Kathodenbecher 4 eine Glühwendel 3 aufgenommen ist.

Die drehbar gelagerte Anode 1 weist einen Anodenteller S auf, der an dem einen Ende einer Lagerungswelle 6 fest angebracht ist. Um die drehbare Lagerung der Anode 1 zu gewährleisten, ist eine zwei Wälzlager 7, 8 enthaltende Wälzlagerung vorge­ sehen. Die Außenringe der Wälzlager 7, 8 sind in der Bohrung eines Rohrabschnittes 9 aufgenommen. Dieser ist mittels eines ringförmigen Keramikteils 10 mit dem Vakuumgehäuse 2 vakuum­ dicht verbunden. In die Bohrung des Rohrabschnittes ist ein Boden 11 vakuumdicht eingesetzt. Das von dem Anodenteller 5 entfernte Wälzlager 7 ist als Festlager ausgeführt und kann somit Kräfte sowohl in axialer Richtung, d. h. in Richtung der Mittelachse M der Lagerungswelle 6, als auch radiale Kräfte, d. h. Kräfte quer zur Mittelachse M der Lagerungswelle 6, auf­ nehmen.

Das andere Wälzlager 8 ist als Loslager ausgeführt und kann das somit nur radiale Kräfte aufnehmen.

Um die drehbar gelagerte Anode 1 in Rotation versetzen zu können, ist ein Elektromotor vorgesehen, dessen Rotor 12 durch ein aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebilde­ tes, mit der Lagerwelle 6 fest verbundenes topfförmiges Bau­ teil gebildet ist, das das dem Anodenteller 5 zugewandte Ende des Rohrabschnittes 9 übergreift. Der schematisch angedeutete Stator 13 ist im Bereich des Rotors 12 auf die Außenwand des Vakuumgehäuses 2 aufgesetzt und bildet mit dem Rotor 12 einen elektrischen Kurzschlußläufermotor, der bei Versorgung mit dem entsprechenden Strom die Anode 1 rotieren lässt.

Werden in üblicher, nicht dargestellter Weise der Versor­ gungsstrom für den Antrieb der Anode 1, die Heizspannung für die Glühwendel 3 der Kathodenanordnung und die Röhren­ spannung, die zwischen Kathodenanordnung und drehbar gelager­ ten Anode 1 liegt, angelegt, geht von der Kathode 3 ein E­ lektronenstrahl E aus, der im sogenannten Brennfleck oder Fo­ kus auf den rotierenden Anodenteller 5 auftrifft und dort Röntgenstrahlen auslöst, die durch ein Strahlenaustritts­ fenster 14 aus der Röntgenröhre austreten. Der Zentralstrahl der aus dem Strahlenaustrittsfenster 14 austretenden Röntgen­ strahlung ist in Fig. 1 mit Z bezeichnet. Infolge der Rotati­ on der Anode 1 bildet sich auf dem Anodenteller 5 eine so­ genannte Brennfleckbahn von ringförmiger Gestalt aus, da ständig eine andere Stelle des Anodentellers 5 mit dem Elek­ tronenstrahl E beaufschlagt wird.

Da lediglich ca. 1% der der Röntgenröhre zugeführten elektri­ schen Energie in Röntgenstrahlung umgesetzt wird und die restliche Energie in Form von Verlustwärme anfällt, heizt sich der Anodenteller 5 im Betrieb stark auf, mit der Folge, dass es wegen der Wälzlagerung im Falle konventioneller Rönt­ genröhre schwierig, ist, ausreichende Wärmemengen von der Ano­ de abzuführen.

Um trotz der Verwendung von Wälzlagern 7, 8 zur drehbaren La­ gerung der Anode 1 eine Abfuhr von Wärme durch Wärmeleitung von dem Anodenteller 5 zu ermöglichen, ist im Falle der er­ findungsgemäßen Röntgenröhre der die Wälzlagerung aufneh­ mende, zwischen dem Rohrabschnitt 9 und der Lagerungswelle 6 befindliche Raum mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit 15, deren Dampfdruck unterhalb des in dem Vakuumgehäuse 2 vorliegenden Druckes liegt, gefüllt, was durch eine entspre­ chende Punktierung angedeutet ist. Auch die Wälzlager 7, 8 sind mit der Flüssigkeit 15 gefüllt, was jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht durch Punktierung angedeutet ist.

Die von dem Anodenteller 5 über die Lagerungswelle 6 und die Flüssigkeit 15, beispielsweise ein Flüssigmetall wie Gallium oder eine Gallium enthaltenden Legierung, auf den Rohrab­ schnitt 9 geleitete Wärme wird von diesem auf ein außerhalb des Vakuumgehäuses 2 befindliches flüssiges Kühlmedium gelei­ tet, das in dem Rohrabschnitt 9 vorgesehene Kanäle 16 durch­ strömt.

Bei den Kanälen 16 handelt es sich um auf zwei Radien ange­ ordnete, in gleichmäßigen Winkelabständen über den Umfang des Rohrabschnittes 9 verteilte, parallel zur Längsachse des Rohrabschnittes 9 verlaufende Bohrungen, von denen jeweils zwei durch in einem Verschlussring 17 angeordnete, in ihrer Zahl der Anzahl der Kanäle 16 entsprechende Ausnehmung 18 miteinander verbunden sind.

Die Kanäle 16 weisen also einen etwa U-förmigen Verlauf auf, wobei die näher bei der Lagerungswelle 6 befindlichen Ab­ schnitte einerseits und die weiter von der Lagerungswelle 6 entfernten Abschnitte miteinander verbunden sind. Es ist dann in der in der Figur veranschaulichten Weise möglich, mittels einer Umwälzpumpe 19 das flüssige Kühlmedium in einem ge­ schlossenen Kreislauf durch die Kanäle 16 zirkulieren zu las­ sen, wobei, wie in der Figur dargestellt, ein Kühlaggregat 20 in den Kreislauf eingefügt sein kann.

Infolge der Anwesenheit der Flüssigkeit 15 ist im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre ein Feststoff als Schmiermit­ tel überflüssig und zugleich eine gute Schmierung und damit eine hohe Lebensdauer der Wälzlager 7 und 8 gewährleistet. Außerdem können die Wälzlager 7 und 8 infolge der guten Küh­ lung mit geringem Lagerspiel und somit bei geringem Laufge­ räusch betrieben werden. Außerdem ist bei Verwendung einer elektrisch leitenden Flüssigkeit 15 im Falle der erfindungs­ gemäßen Röntgenröhre ein gleichmäßiger Stromfluss des Röhren­ stromes gewährleistet.

Da im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre anders als im Falle von Flüssigmetall-Gleitlagern keine sehr engen Spalte eingehalten werden müssen und auch keine aufwendigen Maßnah­ men zur Sicherstellung einer Benetzung erforderlich sind, kann die erfindungsgemäße Röntgenröhre einfach und kosten­ günstig hergestellt werden.

Es wird also deutlich, dass die Flüssigkeit an einer relativ zu der Anode 1 still stehende Wand, nämlich die Wand der die Lagerungswelle aufnehmende Bohrung des Rohrabschnitts 9, an­ grenzt und mit einem außerhalb des Vakuumgehäuses 2 befindli­ chen Kühlmedium, nämlich dem in den Kanälen 16 strömenden Kühlmedium, in wärmeleitender Verbindung steht, so dass ein erheblicher Anteil der im Betrieb der Röntgenröhre in den A­ nodenteller 5 eingebrachten Wärme durch Wärmeleitung über die Flüssigkeit 15 und das Kühlmedium abgeführt werden kann. Da Flüssigmetalle und deren Legierungen unter Umständen sehr re­ aktionsfreudig sind, kann für den Fall, dass als Flüssigkeit 15 ein solches Flüssigmetall Verwendung findet, vorgesehen sein, dass diejenigen Bauteile, d. h. auch die Wälzlager 7 und 8, die mit dem Flüssigmetall in Kontakt kommen, aus einem mit dem Flüssigmetall nicht reagierenden Material, im Falle von Gallium oder Gallium enthaltenden Legierungen, z. B. Molybdän, Wolfram oder Keramik, bestehen, oder zumindest in denjenigen Bereichen ihrer Oberflächen, die mit dem Flüssigmetall in Kontakt stehen, in nicht dargestellter Weise mit einem mit dem Flüssigmetall nicht reagierenden Material, z. B. TiN, be­ schichtet sind, wobei die Beschichtung mittels eines PVD (Physical Vapour Deposition)- oder CVD(Physical Vapour Depo­ sition)-Verfahrens erfolgen kann.

Um den Austritt der Flüssigkeit 15 aus dem die Wälzlagerung aufnehmenden Raum zu unterbinden, sind am Ende des die Wälz­ lagerung aufnehmenden Raums die einander gegenüberliegenden Flächen der Lagerungswelle 6 und der Wandung der Bohrung des Rohrabschnitts mit ringförmigen Beschichtungen 21, 22 aus für die Flüssigkeit 15 als Antibenetzungsmittel wirksamem Materi­ al beschichtet. Derartige Beschichtungen sind im Zusammenhang mit Flüssigmetall-Gleitlagern beispielsweise aus der EP 0 141 476 A1 bekannt.

Im Interesse einer optimalen Kühlwirkung ist es zweckmäßig, wenn, wie im Falle der Figur dargestellt, das gegebenenfalls von dem Kühlaggregat 20 kommende Kühlmedium durch die dichter bei der Bohrung des Rohrabschnittes 9 und damit bei der Flüs­ sigkeit 15 befindlichen Abschnitte der Kanäle 16 eintritt.

Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiel kann auch eine an sich bekannte beidseitige Lagerung des Anodentellers vorgesehen sein, wobei sich dann wenigstens ein Wälzlager auf der der Kathodenanordnung abgewandten und wenigstens ein Wälzlager auf der der Kathodenanordnung zuge­ wandten Seite des Anodentellers 5 befindet. Im Falle einer derartigen beidseitigen Lagerung kann es unter Umständen ge­ nügen, wenn die Flüssigkeit nur im auf einer Seite des Ano­ dentellers 5 vorgesehen ist. Im Interesse einer optimalen Kühlwirkung ist es jedoch von Vorteil, die Flüssigkeit auf beiden Seiten des Anodentellers 5 vorzusehen.

Außerdem besteht sowohl im Falle der einseitigen als auch beidseitigen Lagerung des Anodentellers 5 in an sich bekann­ ter Weise die Möglichkeit, statt einer Lagerungswelle eine Lagerungshülse an dem Anodenteller 5 anzubringen, die mit diesem rotiert, und die Wälzlagerung zwischen der Lagerungs­ hülse und einer mit dem Vakuumgehäuse fest verbundenen Lage­ rungsachse anzuordnen.

Als Kühlmedium kann beispielsweise die in einem in der Figur nichtdargestellten, die Röntgenröhre umgebenden Schutzgehäuse befindliche Flüssigkeit, beispielsweise Kühl- oder Isolieröl, durch die Kanäle 16 geleitet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein Gas, beispielsweise die Umgebungsluft, als Kühlmedium durch die Kanäle 16 zu leiten.

Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiel müssen nicht notwendigerweise Kanäle in dem Rohrab­ schnitt 9 vorgesehen sein, sofern auf andere Weise sicherge­ stellt ist, dass dieser in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlmedium steht.

Claims (8)

1. Röntgenröhre mit einer mittels einer innerhalb des Vakuum­ gehäuses angeordneten Wälzlagerung drehbar gelagerten Anode, bei der der die Wälzlagerung aufnehmende Raum mit einer Flüs­ sigkeit gefüllt ist, deren Dampfdruck unterhalb des in dem Vakuumgehäuse vorliegenden Druckes liegt, wobei die Flüssig­ keit in wärmeleitender Verbindung mit einem außerhalb des Va­ kuumgehäuses befindlichen Kühlmedium steht.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeit an eine relativ zu der Anode still stehende Wand angrenzt, die mittels des Kühlmediums gekühlt ist.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, bei der die Wand wenigstens einen von dem Kühlmedium durchströmten Kanal enthält.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der als Flüssigkeit ein Flüssigmetall vorgesehen ist.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, bei der als Flüssigmetall Gallium oder eine Gallium enthaltende Legierung vorgesehen ist.

6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die mit der Flüssigkeit in Kontakts stehenden Bauteile aus einem mit der Flüssigkeit nicht reagierenden Material gebildet sind.

7. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Bauteile mit einem mit der Flüssigkeit nicht reagierenden Material beschichtet sind.

8. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der Mittel vorgesehen sind, die den Austritt von Flüssigkeit aus dem die Wälzlagerung aufnehmenden Raum unterbinden.