DE10037985A1 - Wärmerohrunterstütztes Kühlen von Röntgenstrahlfenstern in Röntgenröhren - Google Patents

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.

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).

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.

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).

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.