DE10037985A1 - Wärmerohrunterstütztes Kühlen von Röntgenstrahlfenstern in Röntgenröhren - Google Patents
Wärmerohrunterstütztes Kühlen von Röntgenstrahlfenstern in RöntgenröhrenInfo
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Abstract
Ein Röntgenstrahlrohr (10) zum Emittieren von Röntgenstrahlen durch ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster ist hierin offenbart. Das Röntgenstrahlrohr (10) umfasst ein Gehäuse (22), einen Röntgenstrahlen erzeugenden Röntgenstrahlrohreinsatz (12), ein im Röntgenstrahlrohreinsatz (12) angeordnetes röntgenstrahldurchlässiges Fenster und zumindest ein thermisch mit dem röntgenstrahldurchlässigen Fenster gekoppeltes Wärmerohr. Das röntgenstrahldurchlässige Fenster sorgt für einen Bereich, durch den die Röntgenstrahlen treten. Das Wärmerohr überträgt thermische Energie vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster weg und sorgt für eine intensive örtlich begrenzte Kühlung des Röntgenstrahlfensters.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf
Abbildungssysteme. Genauer bezieht sich die Erfindung auf
das Kühlen von Röntgenstrahlfenstern in Röntgenröhren.
Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtungen, wie zum Beispiel
Röntgenröhren und Elektronenstrahlschweißgeräte, werden
in einer Hochtemperaturumgebung betrieben. Bei einer
Röntgenröhre legt zum Beispiel der durch die Kathode
erzeugte Primärelektronenstrahl eine sehr große Wärmebe
lastung auf das Anodentarget bis zu dem Maße ab, dass das
Target bei Betrieb rotwarm glüht. Üblicherweise wird
weniger als 1% der Primärelektronenstrahlenergie in
Röntgenstrahlen umgewandelt, während der Rest in thermi
sche Energie umgewandelt wird. Diese thermische Energie
wird vom heißen Target zu anderen Komponenten innerhalb
des Vakuumbehälters der Röntgenröhre abgestrahlt, und sie
wird durch eine über die äußere Fläche des Vakuumbehäl
ters zirkulierende Kühlflüssigkeit vom Vakuumbehälter
entfernt. Zusätzlich streuen einige der Elektronen vom
Target zurück und prallen auf andere Komponenten inner
halb des Vakuumbehälters, wodurch die Röntgenröhre
zusätzlich erhitzt wird. Infolge der durch diese thermi
sche Energie hervorgerufenen Temperaturen sind die
Röntgenröhrenkomponenten hohen thermischen Beanspruchun
gen unterworfen, die beim Betrieb und für die Zuverläs
sigkeit der Röntgenröhre problematisch sind.
Üblicherweise weist eine Röntgenstrahlerzeugungsvorrich
tung, auf die als Röntgenröhre Bezug genommen wird,
innerhalb eines zylindrischen Vakuumbehälters einge
schlossene gegenüberliegende Elektroden auf. Der Vakuum
behälter ist üblicherweise aus Glas oder Metall, wie zum
Beispiel einem rostfreien Stahl, Kupfer oder einer
Kupferlegierung, angefertigt. Wie oben erwähnt ist,
weisen die Elektroden einen Kathodenaufbau auf, der in
einigem Abstand von der Targetspur des sich drehenden
scheibenförmigen Anodenaufbaus positioniert ist. Alterna
tiv, wie zum Beispiel in industriellen Anwendungen, kann
die Anode stationär sein.
Die Targetspur oder Auftreffzone der Anode ist im allge
meinen aus einem Refraktärmetall mit einer hohen Kernla
dungszahl, wie zum Beispiel Wolfram oder eine Wolframle
gierung, angefertigt. Typischerweise wird eine Spannungs
differenz von 60 kV bis 140 kV zwischen dem Kathoden- und
Anodenaufbau aufrechterhalten, um die Elektronen zu
beschleunigen. Die heißen Kathodenfilamente emittieren
thermische Elektronen, die über die Potentialdifferenz
beschleunigt werden und mit einer hohen Geschwindigkeit
auf die Targetzone der Anode auftreffen. Ein geringer
Anteil der kinetischen Energie der Elektronen wird in
hochenergetische, elektromagnetische Strahlung oder
Röntgenstrahlen umgewandelt, während der Rest in rückge
streuten Elektronen enthalten ist oder innerhalb der
Anode direkt in Wärme umgewandelt wird. Die Röntgenstrah
len werden in alle Richtungen emittiert, gehen von dem
Brennpunkt aus und können aus dem Vakuumbehälter geleitet
werden.
Bei einer Röntgenröhre mit einem Metallbehälter ist zum
Beispiel ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster in dem
metallischen Vakuumbehälter eingebaut, um ein Verlassen
des Röntgenstrahls an einer gewünschten Stelle zuzulas
sen. Nach dem Verlassen des Vakuumbehälters werden die
Röntgenstrahlen so gelenkt, dass sie ein Objekt, wie zum
Beispiel menschliche anatomische Teile für medizinische
Untersuchung oder Diagnosevorgänge, durchdringen. Die
durch das Objekt hindurchgeleiteten Röntgenstrahlen
werden durch eine Erfassungseinrichtung aufgefangen, und
es wird ein Bild der inneren Anatomie ausgebildet.
Weiterhin können industrielle Röntgenröhren, z. B. zur
Inspizierung metallischer Teile nach Rissen oder zur
Inspizierung des Inhalts von Gepäck an Flughäfen, verwen
det werden.
Weil die Erzeugung von Röntgenstrahlen in einer Röntgen
röhre von Natur aus ein sehr ineffizienter Prozess ist,
werden die Komponenten in Röntgenstrahlerzeugungsvorrich
tungen bei erhöhten Temperaturen betrieben. Zum Beispiel
kann sich die Temperatur des Anodenbrennpunkts auf bis
ungefähr 2700°C belaufen, während die Temperatur in den
anderen Teilen der Anode bis zu ungefähr 1800°C reichen
kann. Zusätzlich müssen andere Komponenten der Röntgen
röhre dem Hochtemperaturaustrittsvorgang der Röntgenröhre
bei Temperaturen widerstehen können, die für eine relativ
lange Dauer ungefähr 450°C erreichen können.
Um die Röntgenröhre zu kühlen, muss die während des
Röhrenbetriebs erzeugte thermische Energie von der Anode
zum Vakuumbehälter gestrahlt und durch ein Kühlfluid
entfernt werden. Der Vakuumbehälter ist üblicherweise in
einem Gehäuse eingeschlossen, das mit zirkulierendem
Kühlfluid, wie zum Beispiel einem dielektrischen Öl,
gefüllt ist. Das Gehäuse stützt und schützt die Röntgen
röhre und ist zur Befestigung an einem Computertomogra
fie(CT)-System mit einer Montagebrücke oder einen anderen
Aufbau versehen. Außerdem ist das Gehäuse mit Blei
ausgekleidet, um eine Streustrahlungsabschirmung bereit
zustellen.
Die Kühlflüssigkeit erfüllt oft zwei Aufgaben: Kühlen des
Vakuumbehälters und Bereitstellen einer Hochspannungsiso
lierung zwischen den Anoden- und Kathodenverbindungen in
der bipolaren Anordnung. Die Leistungsfähigkeit der
Kühlflüssigkeit kann jedoch durch übermäßig hohe Tempera
turen herabgesetzt werden, die ein Sieden des Fluids an
der Übergangsfläche zwischen dem Fluid und dem Vakuumbe
hälter und/oder dem durchlässigen Fenster bewirken. Das
siedende Fluid erzeugt Bläschen innerhalb des Fluids, die
Bildung eines Hochspannungsbogens durch das Fluid zulas
sen können, wodurch die Isolierungseigenschaft des Fluids
herabgesetzt wird. Weiterhin können die Bläschen zu
Bildartifakten führen, was auf Bilder niedriger Qualität
hinausläuft. Somit könnte das gegenwärtige Verfahren,
sich auf die Kühlflüssigkeit zum Wärmetransport aus der
Röntgenröhre zu stützen, für neue leistungsstärkere
Röntgenröhren nicht ausreichend sein.
Ähnlich können übermäßige Temperaturen die Lebensdauer
des durchlässigen Fensters ebenso wie anderer Röntgenröh
renkomponenten verkürzen. Aufgrund seiner großen Nähe zum
Brennpunkt ist das röntgenstrahldurchlässige Fenster sehr
hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt, die aus der
thermischen Strahlung und rückgestreuten Elektronen
resultieren. Diese hohen thermischen Belastungen auf dem
durchlässigen Fenster erfordern eine sorgfältige Gestal
tung, um sicher zu stellen, dass das Fenster über die
Lebensdauer der Röntgenröhre, insbesondere hinsichtlich
seiner Vakuumunversehrtheit, intakt bleibt.
Das durchlässige Fenster ist eine wichtige luftdichte
Abdichtung für die Röntgenröhre. Die hohen Wärmebelastun
gen rufen sehr große zyklische Beanspruchungen im durch
lässigen Fenster hervor und können zu einem vorzeitigen
Versagen des Fensters und seiner luftdichten Abdichtung
führen. Wie oben erwähnt ist, kann weiterhin ein direkter
Kontakt mit dem Kühlfluid bewirken, dass das Fluid beim
Strömen über das Fenster siedet. Auch kann ein direkter
Kontakt mit einem zu heißen Fenster einen Abbau von
Kohlenwasserstoffen in dem Fluid hervorrufen, die auf der
Fensterfläche abgesetzt werden, wodurch die Bildqualität
vermindert wird. Somit kann das herkömmliche Verfahren,
das durchlässige Fensters durch einfaches Eintauchen in
einen Ölfluss zur Kühlung nicht ausreichend sein.
Das stärkste örtliche Aufheizen des Röntgenstrahlfensters
erfolgt aufgrund vom Target rückgestrahlter Elektronen,
die auf das Fenster auftreffen. Das herkömmliche Verfah
ren, eine Kühlung des Röntgenstrahlfensters bereitzustel
len, wird durch einen Fluss dielektrischen Öls bewirkt,
das durch das Gehäuse des Röntgenröhrenaufbaus gepumpt
wird. Mit der Entwicklung von leistungsstärkeren Röntgen
röhren wurde dieses Kühlungsverfahren unzureichend. Neue
Techniken bei der Röntgenstrahlcomputertomografie, wie
zum Beispiel schnelles gewundenes Abtasten, erfordern
deutlich leistungsstärkere Röntgenröhren. Ein vorgeschla
gener Lösungsweg umfasst eine Vorrichtung zum elektromag
netischen Ablenken der rückgestreuten Elektronen vom
Fenster weg. Dieser Lösungsweg kann sehr schwierig in der
Durchführung und Steuerung sein und ruft auch größere
Wärmebelastungen bei anderen Komponenten innerhalb des
Röntgenröhrenvakuumbehälters hervor.
Wie oben erwähnt ist, können röntgenstrahldurchlässige
Fenster in metallgerahmten Röntgenröhren enorme Wärme
ströme aufgrund von thermischer Strahlung und von der
Anode rückgestreuter Elektronen aufnehmen. In metallge
rahmten Röntgenröhren ist das durchlässige Fenster
üblicherweise aus einem Werkstoff mit einer niedrigen
Kernladungszahl gefertigt, wie zum Beispiel Beryllium,
Aluminium oder Titanium. Aufgrund seiner großen Nähe zum
Röntgenstrahlbrennpunkt ist das Röntgenstrahlfenster sehr
hohen thermischen Belastungen und Beanspruchungen unter
worfen. Die Unversehrtheit der Fensterverbindung ist
daher das schwächste Glied bei der dauerhaften Luftdicht
heit der Vakuumeinfassung. Folglich ist es wichtig, eine
ausreichende Kühlung für das Röntgenstrahlfenster bereit
zustellen, um seine strukturelle und funktionelle Unver
sehrtheit über die Lebensdauer der Röntgenröhre sicherzu
stellen.
Der das Fenster ausbildende Werkstoff (z. B. Beryllium)
ist üblicherweise durch Hartlöten, Weichlöten, Schweißen
oder irgendeine Kombination daraus an den metallischen
Vakuumeinschluss angefügt. In einer üblichen Anwendung
wird Beryllium in einen Kupferträger hartgelötet, der
selbst in den Stahlvakuumbehälter eines Röntgenröhrenein
satzes hartgelötet ist. Das Kupfer wirkt als eine Lei
tungswärmesenke für das Beryllium und ist bezüglich der
Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnungskennwerten zusammenpas
send.
Im allgemeinen werden der Vakuumbehälter und das Fenster
durch einen Volumenfluss dielektrischen Öls oder eines
ähnlichen Kühlmittels gekühlt. Mit der Entwicklung zu
neuen leistungsstärkeren Röntgenröhren beweist jedoch
diese einfache Art der Kühlung, dass sie nicht ausrei
chend ist. Deswegen sind neuartige Techniken erforder
lich, um die Haltbarkeit des Fensters sicherzustellen.
Deshalb wird ein Gerät benötigt, das für eine ausreichen
de Kühlung bei röntgenstrahldurchlässigen Fenstern sorgt,
wie sie zum Beispiel in metallgerahmten Röntgenröhren zu
finden sind. Außerdem besteht der Bedarf nach einem
Gerät, das für Wärmeableitung an der Hartlötverbindung
des Röntgenstrahlfensters sorgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf
eine Röntgenröhre zum Emittieren von Röntgenstrahlen
durch ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster. Die Rönt
genröhre umfasst ein Gehäuse, einen Röntgenstrahlen
erzeugenden Röntgenröhreneinsatz, ein im Röntgenröhren
einsatz angeordnetes röntgenstrahldurchlässiges Fenster
und einen thermisch mit dem röntgenstrahldurchlässigen
Fenster gekoppelten Wärmerohraufbau. Das röntgenstrahl
durchlässige Fenster sorgt für einen Bereich, durch den
die Röntgenstrahlen treten. Das Wärmerohr transportiert
thermische Energie vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster
weg.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht
sich auf eine Röntgenröhre zum Emittieren von Röntgen
strahlen mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit durch
effektive Wärmeableitung. Die Röntgenröhre umfasst ein
röntgenstrahldurchlässiges Fenster und eine Einrichtung
zum Leiten von thermischer Energie weg vom röntgenstrahl
durchlässigen Fenster.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Ableiten von Wärme von einem
röntgenstrahldurchlässigen Fenster auf einer Röntgen
strahlerzeugungsvorrichtung. Das Verfahren umfasst ein
Bereitstellen eines thermisch mit dem röntgenstrahldurch
lässigen Fenster gekoppelten Wärmerohrs, ein Bereitstel
len von Röntgenstrahlen durch das röntgenstrahldurchläs
sige Fenster, und ein Transportieren thermischer Energie
durch das Wärmerohr weg vom röntgenstrahldurchlässigen
Fenster.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Zusammenbau einer Röntgenröhre
mit einem Gehäuse, das ein Röntgenröhreneinsatz, ein
röntgenstrahldurchlässiges Fenster und zumindest ein
Wärmerohr aufweist. Das Verfahren umfasst ein Zuweisen
eines Platzes für ein Röntgenröhrengehäuse, ein Ausrich
ten eines Röntgenröhreneinsatzes innerhalb des Gehäuses
und ein Befestigen zumindest eines Wärmerohrs am röntgen
strahldurchlässigen Fenster.
Weitere prinzipielle Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden Fachleuten bei der Betrachtung der folgenden
Zeichnungen, der ausführlichen Beschreibung und der
beigefügten Patentansprüche ersichtlich.
Die Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnun
gen in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente
bezeichnen, besser verstanden. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einen Röntgen
röhreneinsatz einfassenden Gehäuses, gemäß einem bevor
zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Schnittansicht mit auseinan
dergezogenem Stator, um einen Abschnitt eines Anodenauf
baus des Röntgenröhreneinsatzes von Fig. 1 aufzuzeigen;
Fig. 3 eine Vorderansicht eines Röntgenstrahlfensters in
der Röntgenröhre von Fig. 1, die die Beziehung zwischen
dem Wärmerohraufbau und dem Röntgenstrahlfenster zeigt;
Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht des Röntgenstrahl
fensters von Fig. 3 entlang der Linie 4-4;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht mit einem Teilschnitt
eines Wärmerohrs in der Röntgenröhre von Fig. 1; und
Fig. 6 eine auseinandergezogene Ansicht des Röntgenröh
reneinsatzes von Fig. 1.
Fig. 1 stellt eine Röntgenröhrenaufbaueinheit 10 für eine
Röntgenstrahlerzeugungsvorrichtung beziehungsweise einen
Röntgenröhreneinsatz 12 dar. Die Röntgenröhrenaufbauein
heit 10 umfasst ein Anodenende 14, ein Kathodenende 16
und einen Mittelabschnitt 18, der zwischen dem Anodenende
14 und dem Kathodenende 16 positioniert ist. Der Röntgen
röhreneinsatz 12 ist in einer fluidgefüllten Kammer 20
innerhalb eines Gehäuses 22 eingeschlossen.
Die fluidgefüllte Kammer 20 ist allgemein mit einem Fluid
24, wie zum Beispiel einem dielektrischen Öl, gefüllt,
das durch das gesamte Gehäuse 22 zirkuliert, um den
Röntgenröhreneinsatz 12 zu kühlen. Das Fluid 24 in der
fluidgefüllten Kammer 20 wird durch einen auf einer Seite
des Mittelabschnitts 18 positionierten Radiator 26
gekühlt. Das Fluid 24 wird durch eine Pumpe 31 durch die
gesamte fluidgefüllte Kammer 20 und den Radiator 26
bewegt. Vorzugsweise ist ein Paar Ventilatoren 28 und 30
an den Radiator 26 gekoppelt, um für einen kühlenden
Luftstrom über den Radiator 26 zu sorgen, wenn heißes
Fluid durch ihn strömt.
Elektrische Verbindungen mit dem Röntgenröhreneinsatz 12
erfolgen durch eine Anodenaufnahme 32 und eine Kathoden
aufnahme 34. Röntgenstrahlen werden von der Röntgenstrah
lerzeugungsvorrichtung 12 durch ein Gehäusefenster 36 im
Gehäuse 22 auf einer Seite des Mittelabschnitts 18
emittiert.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfasst der Röntgenröhrenein
satz 12 einen Targetanodenaufbau 40 und einen Kathoden
aufbau 42, die in einem Vakuum innerhalb eines Behälters
44 angeordnet sind. Ein Stator 46 ist über dem Behälter
44 an den Targetanodenaufbau 40 angrenzend positioniert.
Bei der Erregung des den Targetanodenaufbau 40 und
Kathodenaufbau 42 verbindenden elektrischen Kreises, der
eine Potentialdifferenz von zum Beispiel 60 bis 140 kV
erzeugt, werden Elektronen vom Kathodenaufbau 42 zum
Targetanodenaufbau 40 gelenkt. Die Elektronen treffen auf
den Targetanodenaufbau 40 und erzeugen hochfrequente
elektromagnetische Wellen oder Röntgenstrahlen sowie
thermische Restenergie. Die Restenergie wird von den
Komponenten innerhalb des Röntgenröhreneinsatzes 12 als
Wärme absorbiert. In einem Ausführungsbeispiel umfasst
der Targetanodenaufbau 40 ein sich drehendes Target, das
den Bereich verteilt, auf den Elektronen vom Kathodenauf
bau 42 auftreffen.
Der Röntgenröhreneinsatz 12 umfasst ein röntgenstrahl
durchlässiges Einsatzfenster 48 das für Röntgenstrahlen
durchlässig ist, während es eine luftdichte Abdichtung
für den Röhreneinsatz 12 aufrechterhält. Die Fig. 3
und 4 stellen jeweils eine Frontansicht und eine seitli
che Schnittansicht des lichtdurchlässigen Einsatzfensters
48 dar. Das röntgenstrahldurchlässige Einsatzfenster 48
umfasst einen Grundkörper 65, eine röntgenstrahldurchläs
sige Fensterscheibe 67, Wärmerohre 70 und Rippenstruktu
ren 72.
Der Grundkörper 65 ist aus einem in hohem Maße leitfähi
gen Werkstoff, wie zum Beispiel Kupfer, gefertigt. Die
röntgenstrahldurchlässige Fensterscheibe 67 ist aus einem
röntgenstrahldurchlässigen Werkstoff, wie zum Beispiel
Beryllium, Aluminium oder Titan, gefertigt. Die röntgen
strahldurchlässige Fensterscheibe 67 und das Trägermate
rial 65 sind durch eine Hartlötverbindung 83 zusammenge
fügt. Wärmerohre 70 sind in großer Nähe zur Hartlötver
bindung gelegen und thermisch damit gekoppelt. Während
des Betriebs des Röntgenröhreneinsatzes 12 erreicht das
röntgenstrahldurchlässige Einsatzfenster 48 sehr hohe
Temperaturen, zum Beispiel 300°C. So hohe Temperaturen
können ein Versagen der das Trägermaterial 65 und die
röntgenstrahldurchlässige Fensterscheibe 67 verbindenden
Hartlötverbindung hervorrufen. Vorteilhafterweise verrin
gern Wärmerohre 70 durch rasches Entfernen der Wärme von
der Hartlötverbindung 83 die Temperatur an den Hartlöt
verbindungen außerordentlich.
Jedes Wärmerohr 70 ist ein evakuiertes, dichtes Metall
rohr, das teilweise mit einem Arbeitsfluid gefüllt ist.
Im allgemeinen transportiert ein Wärmerohr 70 Wärme von
einer Wärmequelle, wie zum Beispiel einer Fensterscheibe
67. Das Fluid 24 hat die Fähigkeit, Wärme von den längli
chen Rippenflächen 72 weg zu transportieren.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, bestehen die Innenwände des
Wärmerohrs 70 aus einem kapillaren Flechtaufbau 84, der
sich von einem Verdampferende oder Abschnitt 80 zu einem
Kondensorende oder Abschnitt 82 erstreckt. Der kapillare
Flechtaufbau 84 erlaubt dem Wärmerohr 70, durch Transpor
tieren der flüssigen Form des Arbeitsfluids auf die
entgegengesetzte Seite des Wärmerohrs 70, wo es durch
Wärme verdampft wird, einen Betrieb gegen die Gravitati
on. Im exemplarischen Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist
das Verdampferende oder der Abschnitt 80 nahe der Mitte
der Fensterscheibe 67 gelegen, wo die thermische Energie
die größte ist, wobei das Kondensorende oder der Ab
schnitt 82 innerhalb des Gehäuses 22 im Kühlungsölfluss
24 gelegen ist.
Die (in Fig. 5 gezeigten) Wärmerohre haben weite Anwen
dung bei Raumfahrtanwendungen, Elektronikkühlung und
anderen Hochtemperaturfluss-Anwendungen gefunden. Zum
Beispiel finden sich Wärmerohre in Satelliten, Laptop-
Computern und Solarstromerzeugern. Eine Breite Vielfalt
von Arbeitsfluiden wurde mit Wärmerohren verwendet,
einschließlich Stickstoff, Ammoniak, Alkohol, Wasser,
Natrium und Lithium. Wärmerohre haben die Fähigkeit, sehr
große Wärmeströme und Wärmebelastungen über kleine
Querschnittsbereiche zu abzuleiten. Wärmerohre haben eine
sehr hohe effektive Wärmeleitfähigkeit und können eine
große Wärmemenge von einer Quelle zu einer Senke bewegen.
Die effektive Wärmeleitfähigkeit eines üblichen Wärme
rohrs kann mehr als zwei Größenordnungen größer als
diejenige eines vergleichbaren festen Kupferleiters sein.
Die Größe des zulässigen Wärmestroms beim Verdampfer
wurde als 1270 W/mm2 mit Wolfram/Lithium Wärmerohren
gemessen. Vorteilhafterweise sind Wärmerohre vollständig
passiv und werden verwendet, um Wärme von einer Wärme
quelle zu einer Wärmesenke mit minimalen Temperaturgra
dienten oder zu isothermisch gemachten Flächen zu trans
portieren.
Im exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das Wärmerohr
70 aus Kupfer gefertigt und umfasst Wasser als ein
Arbeitsfluid. Alternativ ist das Wärmerohr 70 aus Monel
oder irgendeinem anderen Material gefertigt. Wärmerohre
können unter Verwendung einer Vielzahl von Werkstoffen
und Arbeitsfluiden hergestellt werden, die die Tempera
turbereich von Tiefsttemperatur bis zu geschmolzenem
Lithium überdecken. Für diese Anwendung geeignete Wärme
rohre sind im Handel erhältlich.
Beim Betrieb tritt Wärme von der röntgenstrahldurchlässi
gen Fensterscheibe 67 in das Verdampferende 80 jedes
Wärmerohrs 70 ein, wo das Arbeitsfluid verdampft wird,
wobei ein Druckgradient in der Röhre geschaffen wird. Der
Druckgradient drückt den resultierenden Dampf durch den
Hohlkern des Wärmerohrs 70 zum kühleren Kondensorende 82,
an dem der Dampf kondensiert und seine Verdunstungswärme
an die Wärmesenke freigibt. Die Flüssigkeit wird dann in
einem ununterbrochenen Kreislauf durch Kapillarkräfte
über den kapillaren Flechtaufbau 84 zum Verdampferende 80
zurückgeleitet. Für ein günstig ausgelegtes Wärmerohr
können die effektiven Wärmeleitfähigkeiten abhängig von
der Länge des Wärmerohrs das 10- bis 10.000-fache der
effektiven Wärmeleitfähigkeit von Kupfer betragen.
In einem Ausführungsbeispiel transportieren Rippenstruk
turen 72 an Kondensorenden 82 die Wärme zum Kühlfluid 24,
das im Gehäuse 22 zirkuliert. Für ein Röntgenstrahl-
Beryllium-Fenster ist es wünschenswert, dass die Spitzen
temperatur auf nicht mehr als ungefähr 300°C begrenzt
wird.
Vorteilhafterweise sorgen Wärmerohre 70 für eine intensi
ve örtliche Kühlung der gesamten Fensterumgebung. Weiter
hin sind Wärmerohre 70 relativ zu ihrer Wärmedurchlässig
keit sehr klein. Zusätzlich sind Wärmerohre 70 passive
Vorrichtungen, die keine Pumpen oder andere beweglichen
Teile erfordern, sind vollständig geräuschfrei im Be
trieb, und haben eine im wesentliche unbegrenzte Lebens
dauer. Überdies arbeiten Wärmerohre 70 wegen ihrer
inneren Kapillarwirkung gegen die Gravitation. Wärmerohre
70 sind kostengünstig und aus Konstruktionswerkstoffen
gefertigt, die mit bestehenden Röntgenröhrenanordnungen
kompatibel sind.
In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Leistungs
fähigkeit von Wärmerohren 70 durch Anwenden einer Be
schleunigungskraft gesteigert werden, die die Bewegung
der Flüssigkeit zurück zum Verdampferende unterstützt.
Eine derartige Beschleunigungskraft kann bei einer für
Computertomographie(CT)-Anwendungen verwendeten Röntgen
röhre erreicht werden, bei der sich die Röhre um einen
Patienten dreht.
Fig. 6 stellt einen Abschnitt 11 einer nicht zusammenge
bauten Röntgenröhrenaufbaueinheit 10 dar. Der Abschnitt
11 umfasst einen Targetanodenaufbau 40, einen Kathoden
aufbau 42, einen Vakuumbehälter 44, einen Stator 46 und
ein röntgenstrahldurchlässiges Einsatzfenster 48. Das
röntgenstrahldurchlässige Einsatzfenster 48 umfasst eine
röntgenstrahldurchlässige Fensterscheibe 67, Wärmerohre
70 und Rippenflächen 72. Der Zusammenbau der Röntgenröh
renaufbaueinheit 10 umfasst ein Zuweisen eines Platzes
für ein Gehäuse 22, ein Ausrichten eines Röntgenröhren
einsatzes 12 innerhalb des Gehäuses und ein Befestigen
von zumindest einem Wärmerohr 70 an einem röntgenstrahl
durchlässigen Fenster 48. Die Röntgenröhrenaufbaueinheit
10 kann durch die Art und Weise des Zusammenbaus des
Abschnitts 11 repariert oder wieder aufgebaut werden.
Während die in den Figuren dargestellten und oben be
schriebenen Ausführungsbeispiele gegenwärtig bevorzugt
werden, sind diese Ausführungsbeispiele nur als beispiel
haft zu verstehen. Andere Ausführungsbeispiele können
andere Anzahlen, Anordnungen oder örtliche Lagen von
Wärmerohren 70 umfassen. Die Erfindung ist nicht auf ein
spezielles Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern
erstreckt sich über verschiedene Abwandlungen, Kombinati
onen und Permutationen, sofern sie in den Schutzumfang
der beigefügten Patentansprüche fallen.
Eine Röntgenröhre 10 zum Emittieren von Röntgenstrahlen
durch ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster 48 ist
hierin offenbart. Die Röntgenröhre 10 umfasst ein Gehäuse
22, einen Röntgenstrahlen erzeugenden Röntgenröhrenein
satz 12, ein im Röntgenröhreneinsatz 12 angeordnetes
röntgenstrahldurchlässiges Fenster 48 und zumindest ein
thermisch mit dem röntgenstrahldurchlässigen Fenster 48
gekoppeltes Wärmerohr 70. Das röntgenstrahldurchlässige
Fenster 48 sorgt für einen Bereich, durch den die Rönt
genstrahlen treten. Das Wärmerohr 70 transportiert
thermische Energie vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster
48 weg und sorgt für intensive, örtlich begrenzte Kühlung
des Röntgenstrahlfensters 48.
Claims (22)
1. Röntgenröhre (10) zum Emittieren von Röntgenstrahlen
durch ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster (48), mit:
einem Gehäuse (22);
einem Röntgenstrahlen erzeugenden Röntgenröhrenein satz (12), wobei der Röntgenröhreneinsatz (12) innerhalb des Gehäuses (22) gelegen ist;
einem röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48), das im Röntgenröhreneinsatz (12) gelegen ist, um einen Bereich vorzusehen, durch den Röntgenstrahlen treten; und
zumindest einem Wärmerohr (70), das thermisch mit dem röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) gekoppelt ist, um thermische Energie vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) wegzutransportieren.
einem Gehäuse (22);
einem Röntgenstrahlen erzeugenden Röntgenröhrenein satz (12), wobei der Röntgenröhreneinsatz (12) innerhalb des Gehäuses (22) gelegen ist;
einem röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48), das im Röntgenröhreneinsatz (12) gelegen ist, um einen Bereich vorzusehen, durch den Röntgenstrahlen treten; und
zumindest einem Wärmerohr (70), das thermisch mit dem röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) gekoppelt ist, um thermische Energie vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) wegzutransportieren.
2. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 1, wobei das
zumindest eine Wärmerohr (70) ein evakuiertes, dichtes
Metallrohr umfasst, das teilweise mit einem Fluid gefüllt
ist.
3. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 2, wobei das
zumindest eine Wärmerohr (70) einen Verdampferabschnitt
(80) und einen Kondensorabschnitt (82) aufweist, wobei
der Verdampferabschnitt (80) nahe dem röntgenstrahldurch
lässigen Fenster (48) und der Kondensorabschnitt (82) von
dem röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) entfernt
gelegen ist.
4. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 3, wobei das
zumindest eine Wärmerohr (70) außerdem eine Einrichtung
zum Aufbringen einer Beschleunigungskraft zum Unterstüt
zen einer Bewegung des Fluids zurück zum Verdampferab
schnitt (80) des Wärmerohrs (70) aufweist.
5. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 2, wobei das
zumindest eine Wärmerohr (70) Innenwände mit kapillarem
Flechtaufbau (84) umfasst, wobei der kapillare Flechtauf
bau (84) für den Transport eines Fluids von einem Ende
des zumindest einen Wärmerohrs (70) zu einem anderen Ende
ungeachtet der Gravitation sorgt.
6. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 2, wobei das
Fluid, das teilweise das evakuierte, dichte Metallrohr
füllt, Wasser ist.
7. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 1, wobei das
zumindest eine Wärmerohr (70) einen Abschnitt festen
Rohrs aus einem wärmeleitenden Werkstoff umfasst.
8. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 1, mit außerdem
einer Vielzahl von Rippenstrukturen (72), die rechtwink
lig an den Enden des zumindest einen Wärmerohrs (70)
befestigt sind.
9. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 1, wobei das
röntgenstrahldurchlässige Fenster (48) aus Beryllium
gefertigt ist.
10. Röntgenröhre (10) zum Emittieren von Röntgenstrahlen
mit durch effektive Wärmeableitung verbesserter Leis
tungsfähigkeit, mit:
einem röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48); und
einer Einrichtung zum örtlichen Entfernen von Wärmeenergie vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48).
einem röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48); und
einer Einrichtung zum örtlichen Entfernen von Wärmeenergie vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48).
11. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 10, wobei die
Einrichtung zum örtlichen Entfernen von Wärmeenergie vom
röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) keine beweglichen
Teile aufweist.
12. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 10, wobei die
Einrichtung zum örtlichen Entfernen von Wärmeenergie vom
röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) die Temperatur
des röntgenstrahldurchlässigen Fensters (48) auf nicht
mehr als ungefähr 300°C begrenzt.
13. Röntgenröhre (10) nach Patentanspruch 10, wobei die
Einrichtung zum örtlichen Entfernen von Wärmeenergie vom
röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) an das röntgen
strahldurchlässige Fenster (48) angrenzend gelegen ist.
14. Verfahren zum Ableiten von Wärme von einem röntgen
strahldurchlässigen Fenster (48) auf einer Röntgenstrah
lerzeugungsvorrichtung (10), mit den Schritten:
Bereitstellen eines thermisch mit dem röntgenstrahl durchlässigen Fenster (48) gekoppelten Wärmerohrs (70);
Bereitstellen von Röntgenstrahlen durch das röntgen strahldurchlässige Fenster (48); und
Transportieren thermischer Energie mittels des Wärmerohr (70) vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) weg.
Bereitstellen eines thermisch mit dem röntgenstrahl durchlässigen Fenster (48) gekoppelten Wärmerohrs (70);
Bereitstellen von Röntgenstrahlen durch das röntgen strahldurchlässige Fenster (48); und
Transportieren thermischer Energie mittels des Wärmerohr (70) vom röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48) weg.
15. Verfahren nach Patentanspruch 14, wobei das Wärmerohr
(70) ein teilweise mit einem Fluid gefülltes evakuiertes
dichtes Metallrohr und ein Verdampferende (80) und ein
Kondensorende (82) aufweist, und der Schritt des Trans
portierens thermischer Energie vom röntgenstrahldurchläs
sigen Fenster (48) weg ein Verdampfen des Fluids am
Verdampferende (80) und ein Verflüssigen des verdampften
Fluids am Kondensorende (82) umfasst.
16. Verfahren nach Patentanspruch 14, wobei das röntgen
strahldurchlässige Fenster (48) eine Fensterscheibe (67)
und einen Fenstergrundkörper (65) umfasst, und der
Schritt des Bereitstellens des Wärmerohrs (70) umfasst,
dem Wärmerohr (70) in der Nähe der Verbindung der Fens
terscheibe (67) und des Fenstergrundkörpers (65) einen
Platz zuzuweisen.
17. Verfahren nach Patentanspruch 15, wobei der Schritt
des Bereitstellens des Wärmerohrs (70) ein Bereitstellen
einer Rippenstruktur (72) am Kondensorende (82) des
Wärmerohrs (70) umfasst.
18. Verfahren nach Patentanspruch 17, mit dem Schritt
Aufbringen einer Beschleunigungskraft zum Unterstützen
einer Bewegung des Fluids zurück zum Verdampferabschnitt
(80) des Wärmerohrs (70).
19. Verfahren nach Patentanspruch 14, wobei der Schritt
des Transportierens thermischer Energie vom röntgen
strahldurchlässigen Fenster (48) weg ein Begrenzen der
Temperatur in einer Nachbarschaft des röntgenstrahldurch
lässigen Fensters (48) auf nicht mehr als ungefähr 300°C
umfasst.
20. Verfahren nach Patentanspruch 14, wobei der Schritt
eines Übertragens thermischer Energie vom röntgenstrahl
durchlässigen Fenster (48) weg ein Wärmerohr (70) verwen
det, das ein festes Rohr aus einem wärmeleitenden Werk
stoff aufweist.
21. Verfahren zum Zusammenbau einer Röntgenröhre, die ein
Gehäuse (22); einen Röntgenröhreneinsatz (12); ein
röntgenstrahldurchlässiges Fenster (48); und zumindest
ein Wärmerohr (70) aufweist, mit den Schritten:
dem Röntgenröhrengehäuses (22) einen Platz Zuweisen;
Ausrichten eines Röntgenröhreneinsatzes (12) im Gehäuse (22), wobei der Röntgenröhreneinsatz (12) ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster (48) aufweist, durch das Röntgenstrahlen treten; und
Befestigen zumindest eines Wärmerohrs (70) am röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48).
dem Röntgenröhrengehäuses (22) einen Platz Zuweisen;
Ausrichten eines Röntgenröhreneinsatzes (12) im Gehäuse (22), wobei der Röntgenröhreneinsatz (12) ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster (48) aufweist, durch das Röntgenstrahlen treten; und
Befestigen zumindest eines Wärmerohrs (70) am röntgenstrahldurchlässigen Fenster (48).
22. Verfahren nach Patentanspruch 21, mit den Schritten:
Anordnen der Röntgenröhre in einer zum Verschiffen geeigneten Verpackung; und
Verschiffen der verpackten Röntgenröhre an einen vorbestimmten Ort.
Anordnen der Röntgenröhre in einer zum Verschiffen geeigneten Verpackung; und
Verschiffen der verpackten Röntgenröhre an einen vorbestimmten Ort.
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