DE10062537A1 - Nachgiebige Verbindung und Verfahren zur Verbindung ungleicher Metalle in Röntgenröhren - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Schnittstellenbildung zwischen Materialien ungleicher Wärmeausdehnung in einer Röntgenröhre vorgeschlagen. Zunächst wird eine erste Verbindung identifiziert, die eine erste Komponente (20) aufweist, die in einer zweiten Komponente (22) aufzunehmen ist. Die erste Komponente (20) hat typischerweise einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die zweite Komponente, weshalb der Zweck der Erfindung darin besteht, die physikalische Ausdehnung dieser Komponente (20) in der Verbindung zu verringern. Um dem genannten Zweck zu genügen, wird an der Verbindung entlang der ungefähr in Axialrichtung verlaufenden Länge eines Kopplungsbauteils (18) eine Mehrzahl von Schlitzen (14) eingebracht. Das Kopplungsbauteil (18) befindet sich zwischen den beiden Komponenten (20, 22) und weist eine größere Wärmeausdehnungszahl als die eine Komponente (20, 22) und eine kleinere als die andere Komponente (22, 20) auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Drehröntgenröhren und insbesondere auf eine Schnittstelle zwischen ungleichen Metallen in einem Röntgenröhrenaufbau.

Röntgenröhren finden bei der medizinisch-diagnostischen Bildgebung, der medizinischen Therapie und verschiedenen medizinischen Tests sowie im Bereich der Materialanalyse Verwendung. Röntgenröhren haben typischerweise einen Drehanodenaufbau, um die an dem Brennpunkt erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird von einem Induktionsmotor gedreht, der sich aus einem zylinderförmigen Rotor, der in eine das scheibenförmigen Anodentarget tragende Achse eingebaut ist, und einem Eisenstatoraufbau mit Kupfer­ wicklungen zusammensetzt, der den länglichen Hals der Röntgenröhre umschließt, die den Rotor enthält. Der Rotor der Drehanodenbaugruppe, die von dem Stator angetrieben wird, der den Rotor der Anodenbaugruppe umgibt, befindet sich auf Anodenpotential, während der Stator gelegentlich elektrisch mit Masse verbunden ist. Die Röntgenröhren­ kathode sorgt für einen fokussierten Elektronenstrahl, der über den Anoden-Kathoden-Vakuumspalt hinweg beschleunigt wird und beim Auftreffen auf die Anode Röntgenstrahlen produziert.

Bei einer Röntgenröhrenvorrichtung mit Drehanode besteht das Target aus einer Scheibe, die aus einem Refraktär­ metall wie etwa Wolfram hergestellt ist. Die Röntgen­ strahlen werden erzeugt, indem der Elektronenstrahl mit diesem Target zusammenstoßen gelassen wird, während das Target mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Die Drehung des Targets wird erreicht, indem der Rotor, der sich auf einer von dem Target aus erstreckenden Trage­ welle befindet, angetrieben wird. Eine solche Anordnung ist typisch für Drehröntgenröhren, wobei dieses funktionelle Konzept seit seiner Einführung relativ unverändert blieb. Allerdings haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten die Einsatzbedingungen der Röntgenröhren deutlich geändert.

Aus dem Stand der Technik sind Röntgenröhren bekannt, bei denen große (200 mm Durchmesser, 4,5 kg), auskragend befestigte Targets Verwendung finden, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 10000 U/min drehen. Während des Röhrenbetriebs treten extrem große Temperaturänderun­ gen auf, die von Zimmertemperatur bis auf Temperaturen von 1600°C reichen können, welche durch die Abbremsung schneller Elektronen in der Wolfram/Rhenium-Schicht der Targetspur entstehen.

Aus Gründen des Wärmemanagements und zum Schutz von Komponenten wie den Lagern sind für den Wärmepfad Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Solche Materialien haben im Allgemeinen einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die anderen bei der Röntgenröhre verwendeten Materialien. Diese Komponen­ ten müssen jedoch mit den anderen Komponenten auf irgend­ eine Weise (d. h. Schweißen, Hartlöten, Verschrauben, usw.) verbunden werden. An diesen Verbindungen kann die stärkere Größenzunahme zu einem Nachgeben der weniger stark an Größe zunehmenden Komponenten führen.

Daher ist bei hohen Drehgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen äußerst entscheidend, dass das Gleichgewicht beibehalten wird. Bei größeren Röhren beträgt eine typische Ungleichgewichtsspezifikation bei Auslieferung 5 g-cm für die Target- oder Rotorebenen. Ungefähr 5% der hergestellten Röhren mit großen Targets (165 mm Durch­ messer, 2,7 kg) sind wegen eines großen Ungleichgewichts unbrauchbar. Eine Verlagerung des Targetschwerpunkts um 19 m erzeugt ein Ungleichgewicht in diesem Ausmaß. Da die Anoden größer und schwerer werden, wird der Verlagerungs­ wert, mit dem die Ungleichgewichtsspezifikation über­ schritten wird, sogar noch kleiner. Für die jüngsten Targetgrößen (Durchmesser von ungefähr 200 mm und Masse von ungefähr 4,5 kg) wird die Ungleichgewichts­ spezifikation durch eine Verlagerung von 11 m überschritten. Aufgrund der großen Temperaturänderungen in Kombination mit der Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten können diese kleinen Verlagerungen leicht auftreten. Darüber hinaus ist die Auswahl kompatibler Materialien für die Verbindungen häufig durch die Einsatztemperatur, die Materialfestigkeit und die Materialausdehnungseigenschaf­ ten eingeschränkt. Abgesehen davon sind verschraubte, hartgelötete und geschweißte Verbindungen eine Haupt­ quelle für das Ungleichgewicht.

Angesichts dessen schlägt die Erfindung für Hoch­ temperaturanwendungen ein Verfahren vor, um zwei oder mehr Komponenten einer Röntgenröhre zu verbinden, die ungleiche Wärmeausdehnungszahlen aufweisen. Die Verwendung dieses Verfahrens ist damit verbunden, einen Festsitz bzw. eine Passung mit Übermaß zu nutzen, während die Nachgiebigkeit der Verbindung durch geometrische Abwandlungen erhöht wird.

Der Nutzen des Verfahrens zum Verbinden von Komponenten einer Röntgenröhre ergibt sich insbesondere bei den in den Zeichnungen gezeigten Anordnungen, um Komponenten mit ungleichen Wärmeausdehnungszahlen zu verbinden. Zunächst wird eine erste Verbindung identifiziert, die eine erste Komponente aufweist, die in eine zweite Komponente aufgenommen werden soll. Die erste Komponente hat typischerweise einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die zweite Komponente, sodass der Zweck der Erfindung darin besteht, die physikalische Ausdehnung dieser Komponente in der Verbindung zu verringern. Um diesem Zweck zu genügen, wird zwischen den beiden zu verbinden­ den Komponenten ein Kopplungsbauteil vorgesehen. Das Kopplungsbauteil weist eine Wärmeausdehnungszahl auf, die größer als die der einen Komponente und kleiner als die der anderen Komponente ist. Entlang einer ungefähr axial verlaufenden Länge des Kopplungsbauteils kann eine Mehrzahl von Schlitzen eingebracht werden, um Spannungen zwischen der ersten und zweiten Komponente zu verringern.

Anhand der beigefügten Zeichnungen folgt nun eine ausführliche Beschreibung der Erfindung.

Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen erfindungsgemäße Verbindungsverfahren, um Komponenten einer Röntgenröhre zu verbinden.

Die Erfindung betrifft Röntgenröhren, bei denen eine Drehanodenbaugruppe und eine Kathodenbaugruppe zum Einsatz kommen. Der Zweck der Erfindung besteht darin, das Verfahren zum Verbinden von Komponenten in dem Röntgenröhrenaufbau und insbesondere von Komponenten mit ungleichen Wärmeausdehnungszahlen zu verbessern.

Die Komponenten, die ein Hersteller von Röntgenröhren für die Röntgenröhre wählt und verwendet, werden insbesondere in Hinblick auf ihre Röntgenkennwerte ausgewählt. Die Röntgenröhrenkomponenten werden im Einzelnen aufgrund ihrer Vorteile bei der Wärmeverteilung, bei der Wärme­ erzeugung, bei der Röntgenerzeugung, beim Hoch­ geschwindigkeitsdrehvermögen und insbesondere aus Gründen des Wärmemanagements und zum Schutz der Komponenten ausgewählt. Die Auswahl der Materialien mit Blick auf die Röntgenkennwerte führt dazu, dass sich die Materialien bei den Wärmeausdehnungseigenschaften unterscheiden, was ein ungewünschter Seiteneffekt der Auswahlkriterien ist. Trotzdem müssen diese ungleichen Metalle verbunden werden. Wenn die Materialien vom Röntgenröhrenhersteller mit Blick auf ihre Anwendbarkeit bei den Röntgenröhren ausgewählt werden und sich dann herausstellt, dass diese Materialien ungleiche Wärmeausdehnungseigenschaften haben, so besteht dann die Notwendigkeit, sich mit diesem durch die Verwendung von verschiedenen Materialien hervorgerufenen Problem (Ungleichgewicht) zu befassen.

Bei einer typischen Röntgenröhrenbaugruppe werden zum Beispiel das Target, die Rotorbaugruppe und die Lager­ baugruppe unter Verwendung von Schraub-, Hartlöt- und/oder Schweißverbindungen zusammengebaut. Die Erfindung ergibt eine deutliche Verbesserung der Passung zwischen den verbundenen Bauteilen der Röntgenröhre, insbesondere zwischen Bauteilen mit ungleichen Wärme­ ausdehnungszahlen.

Wie in den Fig. 1 bis 4 zu erkennen ist, schlägt die Erfindung zur Verbesserung des Verbindungserhalts und der Gleichgewichtsintegrität der Komponenten an den Verbindungen vor, bei der Röntgenröhrenbaugruppe eine Festsitzanordnung bzw. eine Passungsanordnung mit Übermaß zu verwenden. Dabei wird die Nachgiebigkeit der Verbindung erhöht, indem Abwandlungen einfließen gelassen werden, die die Mantel- und Radialsteifigkeit und die Spannungen der Verbindung verringern, die infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Verbindungs­ materialien auftreten. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet dies, während der Festsitz durchweg über die Einsatztemperatur der Verbindung beibehalten wird.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, ist zwischen zwei Komponenten 20 und 22 mit ungleichen Wärmeausdehnungs­ zahlen ein separates geschlitztes Bauteil oder Kopplungs­ bauteil 18 eingebracht. Das Kopplungsbauteil 18 verbindet die beiden Komponenten 20 und 22. Das Kopplungsbauteil 18 weist typischerweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner als der eines der Bauteile 20 oder 22 und größer als der des anderen Bauteils 22 oder 20 ist. Das Kopplungsbauteil 18 zwischen der ersten und zweiten Röntgenröhrenkomponente 20 und 22 hebt die ungleichen Wärmeausdehnungszahlen der beiden Komponenten 20 und 22 auf.

Die Nachgiebigkeit der Verbindung wird durch Einbringen geometrischer Abwandlungen in den Röntgenröhrenaufbau erreicht. Im Einzelnen werden entlang einer ungefähr in Axialrichtung verlaufenden Länge des Kopplungsbauteils 18 Schlitze 14 eingebracht. Die Schlitze 14 enden vorzugs­ weise mit einer Öffnung 24 an jedem Ende, um die Spannungskonzentration am Ende jedes Schlitzes 14 zu verringern. Eine solche Schlitzung ergibt nachgiebige Einpassungsfinger 16, die zur mechanischen Verbindung des Bauteils mit anderen Bauteilen der Verbindung verwendet werden.

Die Einbringung von Schlitzen 14 in das Kopplungsbauteil 18 hat den Vorteil, die physikalische Ausdehnung dieser Komponente in der Verbindung zu senken. Ohne dieses erfindungsgemäße Verbindungsverfahren würde bei der Komponente mit höherem Koeffizienten die Neigung bestehen, sich schneller als die Komponente mit kleinerem Koeffizienten auszudehnen, was nachteilig für den Gleich­ gewichtserhalt des Endaufbaus ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren wird die geschlitzte Komponente statt zu einem einzigen, weniger nachgiebigen Element zu mehreren, stärker nachgiebigen Elementen. Mit sechs Schlitzen 14 umfasst die Komponente nun zum Beispiel sechs nachgiebige Abschnitte 16 statt einer einzigen (nicht geschlitzten) steifen Komponente.

Das Kopplungsbauteil 18 weist vorzugsweise eine größere Wärmeausdehnungszahl als die erste Komponente 20 der Röntgenröhre und eine kleinere als die zweite Komponente 22 der Röntgenröhre auf. Die Schlitze 14 bewirken dann, dass das Ausmaß der physikalischen Größenzunahme inner­ halb der Verbindung verringert wird, sodass weniger Spannungen erzeugt werden. Natürlich könnte auch die Komponente mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten geschlitzt werden, wenn dies durch Spannungsanalyse und Konfiguration der Verbindung so vorgegeben würde.

Um die kreisförmige Integrität des Aufbaus zu erhalten, verlaufen die Schlitze 14 vorzugsweise entlang der Axiallänge der geschlitzten Komponente 18. Des weiteren sind die Schlitze typischerweise zur gleichmäßigen Spannungsverteilung symmetrisch voneinander beabstandet, auch wenn eine nicht symmetrische Schlitzung gewählt werden kann, um bei Bedarf gewisse Spannungssituationen zu erzeugen. Die Länge und Anzahl der Schlitze stellen die Steuerungsfaktoren zur Steuerung der Nachgiebigkeit dar. Längere Schlitze ergeben beispielsweise eine größere Nachgiebigkeit, während kürzere Schlitze das erzielte Nachgiebigkeitsmaß verringern. Entsprechend führt die Erhöhung der Schlitzzahl zu weniger Ausdehnung oder Größenzunahme, während eine Verringerung der Schlitzzahl eine stärkere Ausdehnung als eine größere Schlitzzahl, aber dennoch weniger Ausdehnung als eine nicht geschlitzte Komponente erlaubt. Folglich können die Anzahl, Länge und Verteilung der Schlitze geändert werden, um die verschiedensten Ausführungen zu erzielen.

Auch wenn die Erfindung anhand von bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, sind innerhalb des Schutzumfangs weitere Abwandlungen und Änderungen möglich.

Claims (16)

1. Verfahren zum Verbinden von Komponenten (20, 22) einer Röntgenröhre, wobei die Komponenten ungleiche Wärmeausdehnungszahlen aufweisen, mit den Schritten:
Identifizieren einer ersten Röntgenröhrenkomponente (20);
Identifizieren einer zweiten Röntgenröhrenkomponente (22), wobei die erste und zweite Röntgenröhrenkomponente (20, 22) ungleiche Wärmeausdehnungszahlen aufweisen; und
Vorsehen eines Kopplungsbauteils (18) zwischen der ersten und zweiten Röntgenröhrenkomponente (20, 22), um die ungleichen Wärmeausdehnungszahlen aufzuheben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungs­ bauteil (18) eine größere Wärmeausdehnungszahl als die erste Komponente (20) der Röntgenröhre und eine kleinere als die zweite Komponente (22) der Röntgenröhre aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt Verringern von Spannungen entlang dem Kopplungsbauteil (18), die infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der ersten und zweiten Röntgenröhrenkomponente (20, 22) auftreten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, mit dem Schritt Einbringen einer Mehrzahl von Schlitzen (14) entlang einer ungefähr in Axialrichtung verlaufenden Länge des Kopplungsbauteils (18).

5. Verfahren nach Anspruch 4, mit dem Schritt Abschließen jedes Schlitzes (14) mit einer Öffnung (24) an jedem Ende jedes Schlitzes (14).

6. Verfahren nach Anspruch 4, mit dem Schritt symmetrisches Beabstanden der Schlitze (14) entlang der ungefähr in Axialrichtung verlaufenden Länge des Kopplungsbauteils (18).

7. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt durchweg Beibehalten eines Festsitzes über eine Einsatztemperatur des Kopplungsbauteils (18).

8. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt Verringern der physikalischen Größenzunahme innerhalb des Kopplungsbauteils (18) der Komponente mit größerer Wärmeausdehnungszahl.

9. Nachgiebige Verbindung zur Schnittstellenbildung zwischen ungleichen Metallen in einer Röntgenröhre, mit:
einer ersten Röntgenröhrenkomponente (20);
einer zweiten Röntgenröhrenkomponente (22), wobei die erste und zweite Röntgenröhrekomponente (20, 22) ungleiche Wärmeausdehnungszahlen aufweisen; und
einem Kopplungsbauteil (18), das zwischen der ersten und zweiten Röntgenröhrenkomponente (20, 22) positioniert ist, um die ungleichen Wärmeausdehnungszahlen aufzuheben.

10. Nachgiebige Verbindung nach Anspruch 9, bei der das Kopplungsbauteil (18) eine größere Wärmeausdehnungszahl als die erste Komponente (20) der Röntgenröhre und eine kleinere als die zweite Komponente (22) der Röntgenröhre aufweist.

11. Nachgiebige Verbindung nach Anspruch 9, mit Mitteln zur Verringerung von Spannungen entlang des Kopplungs­ bauteils (18), die infolge der unterschiedlichen Wärme­ ausdehnung der ersten und zweiten Röntgenröhrenkomponente (20, 22) auftreten.

12. Nachgiebige Verbindung nach Anspruch 11, mit einer Mehrzahl von Schlitzen (14), die entlang einer ungefähr in Axialrichtung verlaufenden Länge des Kopplungsbauteils (18) eingebracht sind.

13. Nachgiebige Verbindung nach Anspruch 12, bei der die Mehrzahl von Schlitzen (14) Schlitze (14) umfasst, die mit einer Öffnung (24) an jedem Ende jedes Schlitzes (14) enden.

14. Nachgiebige Verbindung nach Anspruch 12, bei der die Schlitze (14) entlang der ungefähr in Axialrichtung verlaufenden Länge des Kopplungsbauteils (18) symmetrisch beabstandet sind.

15. Nachgiebige Verbindung nach Anspruch 9, die über eine Einsatztemperatur des Kopplungsbauteils (18) durchweg einen Festsitz umfasst.

16. Nachgiebige Verbindung nach Anspruch 9, mit Mitteln zur Verringerung der physikalischen Größenzunahme innerhalb des Kopplungsbauteils (18) der Komponente mit größerer Wärmeausdehnungszahl.